Nghiên Cứu Thiết Kế Hệ Thống Năng Lượng Điện Mặt Trời Nối Lưới Để Cung Cấp Điện Liên Tục Cho Phụ Tải

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thiết kế hệ thống năng lượng điện mặt trời nối lưới, đảm bảo cung cấp điện liên tục cho phụ tải hiệu quả.

• Tác giả: Trần Nguyễn Trung Hiếu
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Hùng
• Trường học: Trường Đại học Công nghệ TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Nghiên Cứu Thiết Kế Hệ Thống Năng Lượng Điện Mặt Trời Nối Lưới Đảm Bảo Cung Cấp Điện Liên Tục
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ÐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
• 1.1. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
• 1.2. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.4. Ý nghĩa của đề tài
• 1.4.1. Ý nghĩa khoa học
• 1.4.2. Ý nghĩa thực tiễn
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Bố cục của luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN HỆ ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
• 2.1. Cấu trúc mặt trời
• 2.2. Quỹ đạo của trái đất quanh mặt trời
• 2.3. Góc cao độ của mặt trời vào buổi trưa
• 2.4. Bức xạ mặt trời
• 2.5. Ứng dụng năng lượng mặt trời
• 2.6. Pin mặt trời
• 2.7. Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời
• 2.8. Động cơ Stirling chạy bằng NLMT
• 2.9. Thiết bị đun nước nóng bằng NLMT
• 2.10. Thiết bị làm lạnh và điều hoà không khí dùng NLMT
• 2.11. Tình hình khai thác năng lượng mặt trời tại Việt Nam
• 2.12. Pin quang điện và hệ thống Pin quang điện kết nối lưới
• 2.13. Sơ đồ thay thế đơn giản của PV
• 2.14. Sơ đồ thay thế của PV có xét đến các tổn hao
• 2.15. Nối nối tiếp nhiều module PV
• 2.16. Nối song song nhiều module PV
• 2.17. Nối hỗn hợp nhiều module PV
• 2.18. Các ảnh hưởng đến PV
• 2.19. Ảnh hưởng của cường độ chiếu sáng
• 2.20. Ảnh hưởng của nhiệt độ
• 2.21. Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm
• 2.22. Sơ đồ hệ thống điện mặt trời nối lưới
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NHẤT THỨ LƯỚI ĐIỆN MẶT TRỜI KẾT LƯỚI
• 3.1. Hệ thống điện mặt trời 750 kW nối lưới trình bày trên Hình 3.1 bao gồm các thành phần
• 3.2. Tính toán hệ thống điện mặt trời nối lưới
• 3.2.1. Chọn Pin mặt trời
• 3.2.2. Chọn bộ biến đổi DC/DC
• 3.2.3. Chọn bộ biến đổi DC/AC 3 pha
• 3.2.4. Chọn bộ lọc RL
• 3.2.5. Tính chọn máy biến áp
• 3.2.6. Tính chọn dây dẫn
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG ĐIỀU PHỐI CÔNG SUẤT HỆ ĐIỆN MẶT TRỜI KẾT LƯỚI CUNG CẤP ĐIỆN LIÊN TỤC CHO TẢI
• 4.1. Xây dựng mô hình hệ điện mặt trời kết nối lưới
• 4.2. Thông số tấm pin năng lượng
• 4.3. Thông số và giải thuật bộ điều khiển Inverter
• 4.4. Kết quả mô phỏng
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• 5.1. Kết luận
• 5.2. Hướng phát triển đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế hệ thống năng lượng điện mặt trời nối lưới

Hệ thống năng lượng điện mặt trời nối lưới đang trở thành một giải pháp hiệu quả cho việc cung cấp điện liên tục. Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ, việc thiết kế hệ thống này không chỉ giúp giảm chi phí mà còn tối ưu hóa hiệu suất. Năng lượng mặt trời là nguồn tài nguyên dồi dào, đặc biệt tại Việt Nam, nơi có nhiều giờ nắng trong năm. Việc áp dụng hệ thống này không chỉ đáp ứng nhu cầu điện năng mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

1.1. Tình hình khai thác năng lượng mặt trời tại Việt Nam

Việt Nam có tiềm năng lớn về năng lượng mặt trời với trung bình 2.000 giờ nắng mỗi năm. Nhiều dự án đã được triển khai, tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức trong việc phát triển và ứng dụng công nghệ.

1.2. Lợi ích của hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới

Hệ thống này không chỉ cung cấp điện liên tục mà còn giúp giảm chi phí điện năng cho người tiêu dùng. Ngoài ra, nó còn góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và bảo vệ tài nguyên thiên nhiên.

II. Vấn đề và thách thức trong thiết kế hệ thống điện mặt trời

Mặc dù có nhiều lợi ích, việc thiết kế hệ thống năng lượng điện mặt trời nối lưới cũng gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như chi phí đầu tư ban đầu cao, hiệu suất không ổn định và yêu cầu về công nghệ là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng. Đặc biệt, việc kết nối với lưới điện quốc gia cũng đòi hỏi các tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt.

2.1. Chi phí đầu tư và bảo trì hệ thống

Chi phí đầu tư ban đầu cho hệ thống năng lượng mặt trời có thể cao, nhưng với sự phát triển của công nghệ, chi phí này đang giảm dần. Bảo trì hệ thống cũng cần được chú trọng để đảm bảo hiệu suất hoạt động.

2.2. Hiệu suất và tính ổn định của hệ thống

Hiệu suất của hệ thống năng lượng mặt trời phụ thuộc vào nhiều yếu tố như điều kiện thời tiết, vị trí địa lý và công nghệ sử dụng. Việc tối ưu hóa các yếu tố này là rất quan trọng để đảm bảo cung cấp điện liên tục.

III. Phương pháp thiết kế hệ thống năng lượng điện mặt trời nối lưới

Để thiết kế một hệ thống năng lượng điện mặt trời nối lưới hiệu quả, cần thực hiện các bước tính toán và mô phỏng kỹ lưỡng. Việc lựa chọn thiết bị phù hợp, từ pin mặt trời đến bộ biến tần, là rất quan trọng. Ngoài ra, việc mô phỏng trên các phần mềm như Matlab/Simulink cũng giúp đánh giá hiệu suất của hệ thống trong các điều kiện khác nhau.

3.1. Tính toán công suất và lựa chọn thiết bị

Tính toán công suất là bước đầu tiên trong thiết kế hệ thống. Việc lựa chọn pin mặt trời và bộ biến tần phù hợp sẽ ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của hệ thống.

3.2. Mô phỏng và đánh giá hiệu suất hệ thống

Mô phỏng hệ thống trên phần mềm giúp dự đoán hiệu suất trong các điều kiện khác nhau. Điều này giúp tối ưu hóa thiết kế và đảm bảo cung cấp điện liên tục cho phụ tải.

IV. Ứng dụng thực tiễn của hệ thống năng lượng điện mặt trời nối lưới

Hệ thống năng lượng điện mặt trời nối lưới đã được áp dụng rộng rãi tại nhiều khu vực, từ các hộ gia đình đến các nhà máy lớn. Việc kết nối với lưới điện quốc gia không chỉ giúp cung cấp điện liên tục mà còn tạo ra nguồn thu nhập từ việc bán điện dư thừa. Các dự án thành công đã chứng minh tính khả thi và hiệu quả của hệ thống này.

4.1. Các dự án thành công tại Việt Nam

Nhiều dự án năng lượng mặt trời nối lưới đã được triển khai thành công tại Việt Nam, góp phần cung cấp điện cho hàng triệu hộ gia đình và doanh nghiệp.

4.2. Tác động đến môi trường và kinh tế

Hệ thống năng lượng mặt trời không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn tạo ra nhiều cơ hội việc làm trong ngành công nghiệp năng lượng tái tạo.

V. Kết luận và tương lai của hệ thống năng lượng điện mặt trời

Hệ thống năng lượng điện mặt trời nối lưới đang trở thành một phần quan trọng trong chiến lược phát triển năng lượng bền vững. Với sự hỗ trợ từ chính phủ và các chính sách khuyến khích, tương lai của hệ thống này hứa hẹn sẽ phát triển mạnh mẽ. Việc nâng cao hiệu suất và giảm chi phí sẽ là những yếu tố quyết định cho sự thành công của hệ thống trong tương lai.

5.1. Triển vọng phát triển công nghệ năng lượng mặt trời

Công nghệ năng lượng mặt trời đang phát triển nhanh chóng, với nhiều cải tiến về hiệu suất và giảm chi phí sản xuất. Điều này sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành năng lượng tái tạo.

5.2. Vai trò của chính phủ trong phát triển năng lượng tái tạo

Chính phủ đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy phát triển năng lượng tái tạo thông qua các chính sách hỗ trợ và khuyến khích đầu tư vào công nghệ năng lượng sạch.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu sử dụng năng lượng tái tạo ngày càng tăng mạnh mẽ do sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch và tác động tiêu cực đến môi trường như hiệu ứng nhà kính và biến đổi khí hậu. Trong số các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng mặt trời nổi bật với ưu điểm chi phí bảo dưỡng thấp, an toàn và không gây ô nhiễm môi trường. Việt Nam có vị trí địa lý thuận lợi với số giờ nắng trung bình khoảng 2.000 giờ/năm và cường độ bức xạ mặt trời từ 4,08 đến 5,15 kWh/m²/ngày tại các khu vực đô thị lớn, tạo điều kiện thuận lợi cho phát triển năng lượng mặt trời. Tuy nhiên, việc khai thác và sử dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam mới đạt khoảng 25% tiềm năng, đòi hỏi các giải pháp kỹ thuật hiệu quả để tối ưu hóa nguồn năng lượng này.

Luận văn tập trung nghiên cứu thiết kế hệ thống năng lượng điện mặt trời nối lưới nhằm đảm bảo cung cấp điện liên tục cho phụ tải, đặc biệt trong điều kiện biến đổi của cường độ bức xạ và nhiệt độ môi trường. Mục tiêu cụ thể bao gồm khảo sát tình hình khai thác năng lượng mặt trời trong và ngoài nước, tính toán thiết kế sơ đồ hệ thống điện mặt trời nối lưới, mô phỏng đặc tính điện của pin mặt trời trên Matlab/Simulink, và đánh giá hiệu quả cung cấp điện liên tục cho tải. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống pin quang điện mặt trời kết nối lưới điện tại Việt Nam, với dữ liệu mô phỏng dựa trên các điều kiện môi trường thực tế.

Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong việc phát triển mô hình hệ thống điện mặt trời nối lưới giúp giảm chi phí đầu tư và tăng hiệu quả khai thác năng lượng tái tạo. Về thực tiễn, đề tài góp phần giải quyết bài toán năng lượng và môi trường, đồng thời phù hợp với chiến lược phát triển năng lượng tái tạo của Việt Nam đến năm 2030 và tầm nhìn 2050, đặc biệt cho các vùng sâu, vùng xa chưa có điện lưới quốc gia.

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:

• Lý thuyết quang điện và mô hình pin mặt trời (Photovoltaic - PV): Mô hình PV được mô tả bằng sơ đồ thay thế gồm dòng điện ngắn mạch (Isc), điện áp hở mạch (Voc), và các tổn hao điện trở nối tiếp (Rs) và song song (Rp). Đặc tính V-I và V-P của pin mặt trời được phân tích dưới các điều kiện bức xạ và nhiệt độ khác nhau, ảnh hưởng đến hiệu suất và công suất thu được.

• Mô hình hệ thống điện mặt trời nối lưới: Hệ thống bao gồm các tấm pin mặt trời, bộ biến đổi DC/DC, bộ biến đổi DC/AC 3 pha, bộ lọc RL, máy biến áp và dây dẫn. Mô hình này cho phép kết nối trực tiếp với lưới điện quốc gia, đảm bảo cung cấp điện liên tục cho phụ tải.

• Mô hình điều khiển và điều phối công suất inverter: Sử dụng giải thuật điều khiển tối ưu điểm công suất cực đại (MPPT) để khai thác tối đa năng lượng mặt trời, đồng thời điều phối công suất giữa hệ thống PV và lưới điện nhằm duy trì sự ổn định và liên tục cung cấp điện.

Các khái niệm chính bao gồm: điểm công suất cực đại (MPPT), đặc tính V-I và V-P của pin mặt trời, tổn hao điện trở trong PV, và mô hình microgrid kết nối lưới.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp tổng hợp tài liệu trong và ngoài nước về hệ thống điện năng lượng mặt trời, kết hợp với thiết kế mô hình và mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink. Cỡ mẫu nghiên cứu là hệ thống pin mặt trời công suất 750 kW nối lưới, được mô phỏng trong các điều kiện bức xạ và nhiệt độ thay đổi nhằm đánh giá hiệu quả cung cấp điện liên tục.

Phương pháp chọn mẫu là lựa chọn hệ thống thực tế có công suất lớn, phù hợp với điều kiện khí hậu Việt Nam, nhằm đảm bảo tính khả thi và ứng dụng thực tiễn. Phân tích dữ liệu dựa trên các đặc tính điện của pin mặt trời, hiệu suất biến đổi điện năng, và khả năng điều phối công suất của inverter.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2017, bao gồm các giai đoạn khảo sát tài liệu, thiết kế mô hình, mô phỏng và đánh giá kết quả. Kết quả được trình bày qua các biểu đồ đặc tính V-I, V-P, và bảng số liệu hiệu suất hệ thống dưới các điều kiện môi trường khác nhau.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của cường độ bức xạ và nhiệt độ đến hiệu suất pin mặt trời: Kết quả mô phỏng cho thấy khi cường độ bức xạ tăng từ 200 W/m² lên 1000 W/m², dòng điện ngắn mạch (Isc) tăng tương ứng khoảng 400%, từ đó công suất đầu ra tăng đáng kể. Ngược lại, khi nhiệt độ pin tăng từ 25°C lên 50°C, điện áp hở mạch (Voc) giảm khoảng 10%, làm giảm công suất đầu ra khoảng 5-7%.

2. Hiệu quả của mô hình hệ thống điện mặt trời nối lưới 750 kW: Hệ thống thiết kế có khả năng cung cấp điện liên tục cho phụ tải với độ ổn định cao, đạt hiệu suất chuyển đổi điện năng trung bình trên 85% trong điều kiện bức xạ và nhiệt độ biến đổi. So với các hệ thống độc lập, hệ thống nối lưới giảm thiểu sự phụ thuộc vào lưu trữ ắc-quy, giảm chi phí và ô nhiễm môi trường.

3. Tác động của hiện tượng bóng râm: Mô phỏng cho thấy khi một phần module PV bị che khuất, điện áp đầu ra giảm khoảng 15-20%, ảnh hưởng trực tiếp đến công suất cung cấp. Việc thiết kế mảng PV với cấu hình hỗn hợp nối tiếp và song song giúp giảm thiểu tác động này, duy trì công suất ổn định hơn.

4. Hiệu quả điều phối công suất inverter: Giải thuật MPPT và điều khiển inverter giúp tối ưu hóa công suất thu được từ pin mặt trời, đồng thời phối hợp với lưới điện để đảm bảo cung cấp điện liên tục cho tải. Mô phỏng cho thấy công suất đầu ra duy trì ổn định trên 95% công suất yêu cầu trong các điều kiện môi trường thay đổi.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự biến động công suất là do ảnh hưởng của cường độ bức xạ và nhiệt độ môi trường, phù hợp với các nghiên cứu trong ngành năng lượng tái tạo. Việc sử dụng mô hình nối lưới giúp khắc phục hạn chế của hệ thống độc lập, đặc biệt là giảm chi phí lưu trữ và tăng độ tin cậy cung cấp điện.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả mô phỏng cho thấy hiệu suất hệ thống tương đương hoặc cao hơn nhờ áp dụng giải thuật điều khiển MPPT và thiết kế mảng PV tối ưu. Việc giảm thiểu tác động của bóng râm thông qua cấu hình mảng hỗn hợp là một điểm cải tiến quan trọng, giúp duy trì công suất ổn định.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đặc tính V-I và V-P dưới các điều kiện bức xạ và nhiệt độ khác nhau, cùng bảng tổng hợp hiệu suất hệ thống theo thời gian và điều kiện môi trường. Điều này giúp minh họa rõ ràng ảnh hưởng của các yếu tố môi trường đến hiệu quả hoạt động của hệ thống.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường ứng dụng hệ thống điện mặt trời nối lưới: Khuyến khích các doanh nghiệp và cơ quan quản lý đầu tư phát triển hệ thống điện mặt trời nối lưới công suất từ 500 kW trở lên, nhằm tăng tỷ lệ năng lượng tái tạo trong tổng nguồn điện quốc gia. Thời gian thực hiện trong 3-5 năm tới, chủ thể là Bộ Công Thương và các nhà đầu tư năng lượng.

2. Nâng cao hiệu quả thiết kế mảng PV: Áp dụng cấu hình mảng hỗn hợp nối tiếp-song song để giảm thiểu ảnh hưởng của bóng râm và tăng hiệu suất thu năng lượng. Đề xuất áp dụng trong các dự án mới và cải tạo hệ thống hiện có, với thời gian triển khai 1-2 năm, do các đơn vị thiết kế và thi công thực hiện.

3. Phát triển giải thuật điều khiển MPPT và inverter thông minh: Nghiên cứu và ứng dụng các thuật toán điều khiển tiên tiến nhằm tối ưu hóa công suất thu được và điều phối công suất với lưới điện, đảm bảo cung cấp điện liên tục và ổn định. Thời gian nghiên cứu và triển khai khoảng 2-3 năm, do các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ thực hiện.

4. Chính sách hỗ trợ và khuyến khích phát triển năng lượng mặt trời: Nhà nước cần ban hành các chính sách ưu đãi về thuế, trợ giá và hỗ trợ kỹ thuật cho các dự án điện mặt trời nối lưới, đặc biệt tại các vùng sâu, vùng xa. Thời gian thực hiện ngay trong giai đoạn 2024-2026, do các Bộ ngành liên quan phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về thiết kế và mô phỏng hệ thống điện mặt trời nối lưới, giúp nâng cao hiểu biết và phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan.

2. Doanh nghiệp và nhà đầu tư năng lượng tái tạo: Thông tin về hiệu quả và thiết kế hệ thống giúp các đơn vị này đánh giá và triển khai các dự án điện mặt trời nối lưới phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam.

3. Cơ quan quản lý nhà nước và hoạch định chính sách: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng các chính sách phát triển năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời, góp phần đảm bảo an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường.

4. Kỹ sư thiết kế và vận hành hệ thống điện: Các giải pháp kỹ thuật và mô hình mô phỏng trong luận văn hỗ trợ công tác thiết kế, vận hành và bảo trì hệ thống điện mặt trời nối lưới, nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống điện mặt trời nối lưới là gì?
   Hệ thống điện mặt trời nối lưới là hệ thống pin mặt trời kết nối trực tiếp với lưới điện quốc gia, cho phép cung cấp điện cho phụ tải và có thể hòa lưới để bán điện dư thừa. Ví dụ, hệ thống 750 kW được nghiên cứu trong luận văn có khả năng cung cấp điện liên tục cho phụ tải trong điều kiện biến đổi môi trường.

2. Tại sao cần mô phỏng đặc tính V-I và V-P của pin mặt trời?
   Mô phỏng giúp hiểu rõ ảnh hưởng của cường độ bức xạ và nhiệt độ đến hiệu suất pin, từ đó tối ưu thiết kế và điều khiển hệ thống. Ví dụ, khi nhiệt độ tăng, điện áp hở mạch giảm, làm giảm công suất đầu ra.

3. Hiện tượng bóng râm ảnh hưởng thế nào đến hệ thống PV?
   Bóng râm che phủ một phần module PV làm giảm điện áp và công suất đầu ra, ảnh hưởng đến hiệu suất tổng thể. Giải pháp là thiết kế mảng PV với cấu hình hỗn hợp để giảm thiểu tác động này.

4. Giải thuật MPPT có vai trò gì trong hệ thống?
   MPPT giúp tìm điểm công suất cực đại của pin mặt trời, tối ưu hóa năng lượng thu được và đảm bảo cung cấp điện ổn định cho tải. Trong mô phỏng, MPPT giúp duy trì công suất đầu ra trên 95% công suất yêu cầu.

5. Lợi ích của hệ thống điện mặt trời nối lưới so với hệ thống độc lập?
   Hệ thống nối lưới giảm chi phí lưu trữ ắc-quy, tăng độ tin cậy và hiệu quả cung cấp điện, đồng thời giảm ô nhiễm môi trường. Ví dụ, hệ thống 750 kW trong nghiên cứu có hiệu suất chuyển đổi trên 85% và cung cấp điện liên tục cho phụ tải.

Kết luận

• Luận văn đã thiết kế và mô phỏng thành công hệ thống điện mặt trời nối lưới công suất 750 kW, đảm bảo cung cấp điện liên tục cho phụ tải trong điều kiện bức xạ và nhiệt độ biến đổi.
• Phân tích ảnh hưởng của cường độ bức xạ, nhiệt độ và bóng râm giúp tối ưu hóa thiết kế mảng PV và điều khiển hệ thống.
• Giải thuật MPPT và điều phối công suất inverter đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì hiệu suất và độ ổn định của hệ thống.
• Nghiên cứu góp phần thúc đẩy phát triển năng lượng tái tạo tại Việt Nam, phù hợp với chiến lược phát triển năng lượng quốc gia đến năm 2030 và 2050.
• Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và chính sách hỗ trợ nhằm tăng cường ứng dụng hệ thống điện mặt trời nối lưới trong thực tế.

Next steps: Triển khai thử nghiệm thực tế hệ thống thiết kế, mở rộng nghiên cứu các giải thuật điều khiển tiên tiến và đề xuất chính sách hỗ trợ phát triển năng lượng mặt trời.

Các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp và cơ quan quản lý năng lượng nên phối hợp để ứng dụng và phát triển các giải pháp điện mặt trời nối lưới nhằm đảm bảo an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu đề tài. - Chương 2: Tổng quan hệ điện năng lượng mặt trời. - Chương 3: Tính toán thiết kế sơ đồ nhất thứ lưới điện mặt trời kết lưới. - Chương 4: Mô phỏng điều phối công suất hệ điện mặt trời kết lưới cung cấp điện liên tục cho tải.

- Chương 5: Kết luận và hướng phát triển đề tài. 7 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN HỆ ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 2. Cấu trúc mặt trời Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1,390.106 km (lớn hơn 110 lần đường kính Trái đất), cách xa trái đất 150. Khối lượng Mặt trời khoảng M0 =2.

Nhiệt độ T0 trung tâm mặt trời thay đổi trong khoảng từ 10.106 0K, trung bình khoảng 15. Ở nhiệt độ như vậy vật chất không thể giữ được cấu trúc trật tự thông thường gồm các nguyên tử và phân tử. Nó trở thành plasma trong đó các hạt nhân của nguyên tử chuyển động tách biệt với các electron. Khi các hạt nhân tự do có va chạm với nhau sẽ xuất hiện những vụ nổ nhiệt hạch.

Khi quan sát tính chất của vật chất nguội hơn trên bề mặt nhìn thấy được của Mặt trời, các nhà khoa học đã kết luận rằng có phản ứng nhiệt hạch xảy ra ở trong lòng Mặt trời. Cấu trúc của mặt trời Về cấu trúc, Mặt trời có thể chia làm 4 vùng, tất cả hợp thành một khối cầu khí khổng lồ, hình 2. Vùng giữa gọi là nhân hay “lõi” có những chuyển động đối lưu, nơi xảy ra những phản ứng nhiệt hạt nhân tạo nên nguồn năng lượng mặt trời, vùng 8 này có bán kính khoảng 175.000 km, khối lượng riêng 160 kg/dm 3, nhiệt độ ước tính từ 14 đến 20 triệu độ, áp suất vào khoảng hàng trăm tỷ atmotphe. Vùng kế tiếp là vùng trung gian còn gọi là vùng “đổi ngược” qua đó năng lượng truyền từ trong ra ngoài, vật chất ở vùng này gồm có sắt (Fe), canxi (Ca), natri (Na), stronti (Sr), crôm (Cr), niken (Ni), cacbon ( C), silic (Si) và các khí như hiđrô (H2), hêli (He), chiều dày vùng này khoảng 400.

Tiếp theo là vùng “đối lưu” dày 125.000 km và vùng “quang cầu” có nhiệt độ khoảng 6.000 km, ở vùng này gồm các bọt khí sôi sục, có chỗ tạo ra các vết đen, là các hố xoáy có nhiệt độ thấp khoảng 4.500 0K và các tai lửa có nhiệt độ từ 7. Vùng ngoài cùng là vùng bất định và gọi là “khí quyển” của Mặt trời. Nhiệt độ bề mặt của Mặt trời là 5.762 0K nghĩa là có giá trị đủ lớn để các nguyên tử tồn tại trong trạng thái kích thích, đồng thời đủ nhỏ để ở đây thỉnh thoảng lại xuất hiện những nguyên tử bình thường và các cấu trúc phân tử. Dựa trên cơ sở phân tích các phổ bức xạ và hấp thụ của Mặt trời người ta xác định được rằng trên mặt trời có ít nhất 2/3 số nguyên tố tìm thấy trên Trái đất.

Nguyên tố phổ biến nhất trên Mặt trời là nguyên tố nhẹ nhất Hydrogen. Vật chất của Mặt trời bao gồm khoảng 73,46% là Hydrogen và gần 24,85% là Hêlium, còn lại là các nguyên tố và các chất khác như Oxygen 0,77%, Carbon 0,29%, Iron 0,16%, Neon 0,12%, Nitrogen 0,09%, Silicon 0,07%, Magnesium 0,05% và Sulphur 0,04%. Nguồn năng lượng bức xạ chủ yếu của Mặt trời là do phản ứng nhiệt hạch tổng hợp hạt nhân Hyđrô, phản ứng này đưa đến sự tạo thành Hêli. Hạt nhân của Hyđrô có một hạt mang điện dương là proton.

Thông thường những hạt mang điện cùng dấu đẩy nhau, nhưng ở nhiệt độ đủ cao chuyển động của chúng sẽ nhanh tới mức chúng có thể tiến gần tới nhau ở một khoảng cách mà ở đó có thể kết hợp với nhau dưới tác dụng của các lực hút. Khi đó cứ 4 hạt nhân Hyđrô lại tạo ra một hạt nhân Hêli, 2 Neutrino và một lượng bức xạ.1) 1 2 9 Neutrino là hạt không mang điện, rất bền và có khả năng đâm xuyên rất lớn. Sau phản ứng các Neutrino lập tức rời khỏi phạm vi mặt trời và không tham gia vào các “biến cố” sau đó. Trong quá trình diễn biến của phản ứng có một lượng vật chất của Mặt trời bị mất đi.

Khối lượng của Mặt trời do đó mỗi giây giảm chừng 4.106 tấn, tuy nhiên theo các nhà nghiên cứu, trạng thái của Mặt trời vẫn không thay đổi trong thời gian hàng tỷ năm nữa. Mỗi ngày Mặt trời sản xuất một nguồn năng lượng qua phản ứng nhiệt hạch lên đến 9. Quỹ đạo của trái đất quanh mặt trời Trái đất quay quanh mặt trời theo quỹ đạo hình elip, một vòng của trái đất quay quanh mặt trời là 365,2564 ngày. Điểm trên quỹ đạo mà Trái đất gần mặt trời nhất gọi là điểm cận nhật, khoảng cách 146 triệu cây số và vào tháng 1 hàng năm Trái sẽ tới điểm này.

Điểm trên quỹ đạo mà Trái đất xa mặt trời nhất được gọi là điểm viễn nhật khoảng cách khoảng 152 triệu cây số và vào tháng 7 hằng năm sẽ tới điểm này.2)   365   Trong đó: n: Ngày đầu tiên trong tháng, ví dụ như ngày 1 tháng 1 thì n=1, ngày 31 tháng 12 thì n= 365. Bảng ngày số n của ngày đầu tiên của mỗi tháng Mười Mười Tháng Một Hai Ba Bốn Năm Sáu Bảy Tám Chín Mười một hai n 1 32 60 91 121 152 182 213 244 274 305 335 10 2. Góc cao độ của mặt trời vào buổi trưa Chúng ta đều biết mặt trời mọc ở hướng đông và lặn ở hướng tây và đạt điểm cao nhất của nó vào thời gian giữa trong ngày.2 trái đất quay quanh mặt trời, khó có thể xác định góc của mặt trời so với mặt phẳng trái đất. Quỹ đạo trái đất quay quanh mặt trời Một quan điểm khác để thuận tiện cho việc xác định, trong hình 2.3 trái đất là cố định quay quanh trục Bắc-Nam.

Mặt trời nằm ở một số nơi trong không gian từ từ di chuyển lên xuống như tiến độ mùa. Vào ngày 21 tháng 6 (hạ chí) mặt trời đạt đến điểm cao nhất của nó và một tia kẻ từ trung tâm của trái đất đến trung tâm của mặt trời tạo thành với mặt phẳng xích đạo một góc bằng 23,45 độ. Góc này thay đổi khi trái đất di chuyển và được gọi là góc thiên độ, ký hiệu là δ. Nó nằm trong khoảng từ -23,45 độ đến 23,45 độ.

Và một cách tính xấp xỉ gần đúng cho rằng một năm có 365 ngày và đặt xuân phân vào ngày n = 81, góc δ sẽ được tính:  360   23 .3 Quỹ đạo trái đất 11 Từ công thức (2.3) ta có thể tính được góc δ. Bảng thống kê góc δ của ngày 21 mỗi tháng Mười Mười Tháng Một Hai Ba Bốn Năm Sáu Bảy Tám Chín Mười một hai δ (độ) -20.1 không thể hiện được quỹ đạo quay của trái đất quanh mặt trời, nhưng nó lại thích hợp cho việc hiển thị các vĩ độ khác nhau và góc để tính toán thu nhận năng lượng mặt trời, cụ thể đó là góc cao độ βN của mặt trời vào buổi trưa. Góc cao độ là góc giữa tia sáng mặt trời và đường chân trời. Góc cao độ mặt trời Góc cao độ của mặt trời vào buổi trưa là một thông số quan trọng để tham chiếu với việc tính toán về năng lượng mặt trời.

Bức xạ mặt trời Trong toàn bộ bức xạ của mặt trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các phản ứng hạt nhân xảy ra trong nhân mặt trời không quá 3%. Bức xạ γ ban đầu khi đi qua 5.105 km chiều dày của lớp vật chất mặt trời, bị biến đổi rất mạnh. Tất cả các dạng của bức xạ điện từ đều có bản chất sóng và chúng khác nhau ở bước sóng. Bức xạ γ là sóng ngắn nhất trong các sóng đó.

Từ tâm mặt trời đi ra do sự va chạm hoặc tán xạ mà năng lượng của chúng giảm đi và bây giờ chúng ứng với bức xạ có bước 12 sóng dài. Như vậy, bức xạ chuyển thành bức xạ Rơngen có bước sóng dài hơn. Gần đến bề mặt mặt trời nơi có nhiệt độ đủ thấp để có thể tồn tại vật chất trong trạng thái nguyên tử và các cơ chế khác bắt đầu xảy ra. Đặc trưng của bức xạ mặt trời truyền trong không gian bên ngoài mặt trời là một phổ rộng trong đó cực đại của cường độ bức xạ nằm trong dải 10 -1-10µm và hầu như một nửa tổng năng lượng mặt trời tập trung trong khoảng bước sóng 0,38 - 0,78 μm đó là vùng nhìn thấy của phổ.

Độ dài bước són m) ( g 2 10 -8 10 -6 10 -4 10-2 10 10 104 106 108 1010 Bức xạ nhiệt Tia Tia gamma Radar, TV, Radio tử ngoại Tia cosmic Tia X Tia hồng ngoại Radio Radio Gần Xa Sóng Sóng Ánh sáng nhìn thấy ngắn dài Năng lượng mặt trời Hình 2. Dải bức xạ điện từ Chùm tia truyền thẳng từ Mặt trời gọi là bức xạ trực xạ. Tổng hợp các tia trực xạ và tán xạ gọi là tổng xạ. Mật độ dòng bức xạ trực xạ ở ngoài lớp khí quyển, tính đối với với 1m2 bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ, được tính theo công thức: q   D _ T .5) Trong đó:  D _ T : Hệ số góc bức xạ giữa trái đất và mặt trời 2 D _T  (2.6) 4 13 Trong đó: : Góc nhìn mặt trời C0=5,67 W/m2.K4: Hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối T=5762 0K: Nhiệt độ bề mặt mặt (xem giống như vật đen tuyệt đối) Đường kính, D = 1.000 Mặt trời km Trái đất β= Đường kính, D' = 12.700 km Khoảng cách, L = 149.

Góc nhìn mặt trời Như vậy: 2  2 * 3.7) Do khoảng cách giữa Trái đất và Mặt trời thay đổi theo mùa trong năm nên β cũng thay đổi, do đó q cũng thay đổi nhưng độ thay đổi này không lớn lắm nên có thể xem q là không đổi và được gọi là hằng số mặt trời. Khi truyền qua lớp khí quyển bao bọc quanh Trái đất, các chùm tia bức xạ bị hấp thụ và tán xạ bởi tầng ôzôn, hơi nước và bụi trong khí quyển, chỉ một phần năng lượng được truyền trực tiếp tới Trái đất. Đầu tiên ôxy phân tử bình thường O 2 phân ly thành ôxy nguyên tử O2 để phá vỡ liên kết phân tử đó, cần phải có các photon bước sóng ngắn hơn 0,18μm, do đó các photon (xem bức xạ như các hạt rời rạc - photon) có năng lượng như vậy bị hấp thụ hoàn toàn.