Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh nhu cầu về nguồn năng lượng bền vững ngày càng cấp thiết, năng lượng mặt trời nổi lên như một giải pháp ưu việt với tiềm năng lớn tại Việt Nam. Theo báo cáo ngành, điện mặt trời và điện gió chiếm lần lượt 46% và 32% tổng vốn đầu tư vào năng lượng tái tạo toàn cầu giai đoạn 2013-2022. Đặc biệt, hệ thống năng lượng mặt trời áp mái kết hợp bộ lưu trữ năng lượng (PV-BES) đang được quan tâm do khả năng giảm chi phí điện, nâng cao độ tin cậy và giảm phát thải khí nhà kính. Luận văn này tập trung thiết kế hệ thống PV-BES công suất 230kWp cho tòa nhà Thư viện Đại học Quốc tế Miền Đông (EIU), tỉnh Bình Dương, nhằm tối ưu hóa quản lý năng lượng, đảm bảo hiệu quả kinh tế và môi trường.

Mục tiêu nghiên cứu bao gồm: thiết kế hệ thống PV-BES nối lưới, phát triển thuật toán điều khiển tối ưu, mô phỏng hiệu suất bằng phần mềm chuyên dụng như HOMER, MATLAB, PVSyst, và đánh giá tiềm năng năng lượng cũng như chi phí đầu tư. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào tòa nhà thư viện EIU với dữ liệu thực tế về bức xạ mặt trời, phụ tải điện và cấu trúc mái nhà trong năm 2024. Kết quả nghiên cứu góp phần thúc đẩy ứng dụng năng lượng tái tạo trong các công trình dân dụng, đồng thời cung cấp tài liệu tham khảo cho sinh viên và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực kỹ thuật điện và năng lượng tái tạo.

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 năng lượng mặt trời và quang điện (PV): Năng lượng mặt trời được chuyển đổi thành điện năng qua hiệu ứng quang điện, với công suất cực đại (kWp) phụ thuộc vào bức xạ mặt trời và hiệu suất tấm pin. Công thức tính công suất điện và năng lượng sản xuất được áp dụng theo chuẩn quốc tế, có tính đến hệ số tổn thất do biến đổi môi trường và thiết bị.

  • Mô hình hệ thống PV-BES nối lưới: Hệ thống bao gồm tấm pin mặt trời, bộ lưu trữ năng lượng (BESS), bộ biến tần và kết nối với lưới điện dân dụng. Mô hình này cho phép tối ưu hóa nguồn năng lượng, giảm chi phí điện và phát thải khí nhà kính.

  • Thuật toán điều khiển MPPT (Maximum Power Point Tracking) - P&O (Perturb and Observe): Thuật toán này liên tục điều chỉnh điện áp đầu ra của tấm pin để khai thác công suất tối đa dưới các điều kiện bức xạ và nhiệt độ thay đổi. Thuật toán P&O được cải tiến để giảm dao động công suất sau khi đạt điểm tối đa.

  • Điều khiển inverter ba pha: Sử dụng lý thuyết công suất tức thời để điều khiển dòng điện và điện áp, đảm bảo đồng bộ với lưới điện, kiểm soát công suất hoạt động và công suất phản kháng, nâng cao chất lượng điện năng.

  • Phân tích chi phí đầu tư: Chi phí được phân bổ theo tấm pin (50%), biến tần (25%), hệ thống cân bằng (17%) và nhân công lắp đặt (8%). Thời gian hoàn vốn được tính dựa trên tổng chi phí đầu tư và lợi ích tài chính hàng năm từ tiết kiệm điện và bán điện.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa cơ sở lý thuyết và mô phỏng thực nghiệm:

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập dữ liệu bức xạ mặt trời, phụ tải điện thực tế của tòa nhà thư viện EIU, thông số kỹ thuật của tấm pin JA Solar JAM72-S03-400-PR, bộ lưu trữ pin lithium-ion và biến tần.

  • Phương pháp chọn mẫu: Lựa chọn tòa nhà thư viện EIU làm đối tượng nghiên cứu do có dữ liệu thực tế đầy đủ và cấu trúc mái phù hợp cho lắp đặt hệ thống PV-BES.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phần mềm HOMER để mô phỏng cấu trúc hệ thống và đánh giá hiệu suất, PVSyst để phân tích chi tiết sản lượng điện và tổn thất, MATLAB để phát triển và kiểm thử thuật toán điều khiển MPPT và quản lý năng lượng.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu bắt đầu từ tháng 1/2024, hoàn thành thiết kế và mô phỏng vào tháng 5/2024, bảo vệ luận văn tháng 6/2024.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu suất hệ thống PV-BES: Mô phỏng cho thấy hệ thống PV-BES 230kWp tại tòa nhà thư viện EIU có thể sản xuất trung bình khoảng 280 kWh/ngày, đáp ứng khoảng 75% nhu cầu điện hàng ngày của tòa nhà với tổng công suất tiêu thụ khoảng 230 kWh/ngày.

  2. Chi phí đầu tư và thời gian hoàn vốn: Tổng chi phí đầu tư ước tính khoảng 2,7 tỷ đồng, tương đương 12 triệu đồng/kWp. Thời gian hoàn vốn dự kiến từ 4 đến 5 năm, dựa trên giá điện bình quân 2000 VNĐ/kWh và các khoản tiết kiệm từ việc sử dụng điện mặt trời.

  3. Hiệu quả thuật toán điều khiển MPPT: Thuật toán P&O cải tiến giúp duy trì công suất đầu ra gần điểm công suất tối đa, giảm dao động công suất xuống dưới 2%, nâng cao hiệu quả khai thác năng lượng mặt trời.

  4. Tác động môi trường: Hệ thống PV-BES giúp giảm phát thải khí nhà kính, ước tính giảm khoảng 30-40 tấn CO2 mỗi năm so với sử dụng điện lưới truyền thống.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng và phân tích cho thấy hệ thống PV-BES là giải pháp khả thi về mặt kỹ thuật và kinh tế cho tòa nhà thư viện EIU. Việc lựa chọn tấm pin JA Solar với hiệu suất 20,5% và hệ số nhiệt độ thấp giúp tối ưu hóa sản lượng điện trong điều kiện khí hậu Bình Dương. So với các nghiên cứu tương tự trong khu vực, thời gian hoàn vốn 4-5 năm là hợp lý và cạnh tranh, phù hợp với xu hướng giảm chi phí đầu tư của công nghệ năng lượng mặt trời.

Thuật toán điều khiển MPPT P&O cải tiến đã khắc phục được nhược điểm dao động công suất thường gặp, giúp hệ thống vận hành ổn định hơn, đặc biệt trong điều kiện bức xạ thay đổi theo giờ và mùa. Biểu đồ mô phỏng công suất đầu ra theo giờ trong ngày minh họa rõ sự phù hợp giữa sản lượng điện và phụ tải tiêu thụ, đảm bảo hiệu quả sử dụng năng lượng.

Việc tích hợp bộ lưu trữ năng lượng lithium-ion giúp tăng khả năng tự cung cấp điện, giảm phụ thuộc vào lưới điện và nâng cao độ tin cậy hệ thống. Tuy nhiên, chi phí pin vẫn là thách thức lớn, đòi hỏi các giải pháp tài chính và chính sách hỗ trợ để thúc đẩy đầu tư.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai hệ thống PV-BES quy mô tương tự tại các tòa nhà công cộng: Khuyến khích các trường đại học, bệnh viện và cơ quan hành chính tại Bình Dương và các tỉnh lân cận áp dụng hệ thống PV-BES để giảm chi phí điện và phát thải khí nhà kính trong vòng 3-5 năm tới.

  2. Phát triển thuật toán điều khiển năng lượng thông minh: Nâng cấp thuật toán MPPT và quản lý pin để tối ưu hóa hiệu suất vận hành, giảm hao tổn và kéo dài tuổi thọ pin, thực hiện trong giai đoạn 1-2 năm tiếp theo bởi các nhóm nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ.

  3. Chính sách hỗ trợ tài chính và ưu đãi thuế: Đề xuất các chính sách ưu đãi thuế, hỗ trợ vay vốn lãi suất thấp cho các dự án năng lượng mặt trời áp mái kết hợp lưu trữ, nhằm giảm gánh nặng chi phí đầu tư ban đầu, thúc đẩy đầu tư trong 2-3 năm tới.

  4. Tăng cường đào tạo và nâng cao nhận thức: Tổ chức các khóa đào tạo, hội thảo cho sinh viên, kỹ sư và nhà quản lý về thiết kế, vận hành và bảo trì hệ thống PV-BES, nhằm nâng cao năng lực và thúc đẩy ứng dụng rộng rãi trong 1-2 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật Điện và Năng lượng tái tạo: Luận văn cung cấp kiến thức thực tiễn về thiết kế, mô phỏng và điều khiển hệ thống PV-BES, hỗ trợ học tập và nghiên cứu chuyên sâu.

  2. Kỹ sư thiết kế và thi công hệ thống năng lượng mặt trời: Tài liệu chi tiết về lựa chọn thiết bị, phân tích chi phí và mô phỏng hiệu suất giúp kỹ sư tối ưu hóa thiết kế và vận hành hệ thống.

  3. Nhà quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Cung cấp cơ sở dữ liệu và phân tích kinh tế kỹ thuật để xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển năng lượng tái tạo và giảm phát thải khí nhà kính.

  4. Doanh nghiệp cung cấp giải pháp năng lượng tái tạo: Tham khảo quy trình thiết kế, thuật toán điều khiển và mô phỏng để phát triển sản phẩm, dịch vụ phù hợp với thị trường Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ thống PV-BES là gì và có lợi ích gì?
    Hệ thống PV-BES là sự kết hợp giữa tấm pin năng lượng mặt trời (PV) và bộ lưu trữ năng lượng (BESS), giúp khai thác năng lượng mặt trời hiệu quả, lưu trữ điện để sử dụng khi cần, giảm chi phí điện và phát thải khí nhà kính.

  2. Tại sao chọn tấm pin JA Solar cho hệ thống?
    Tấm pin JA Solar có hiệu suất 20,5%, hệ số nhiệt độ thấp 0,26%, phù hợp với điều kiện khí hậu Việt Nam, đồng thời có giá thành cạnh tranh và được đánh giá cao về độ bền.

  3. Thuật toán MPPT P&O hoạt động như thế nào?
    Thuật toán P&O liên tục điều chỉnh điện áp đầu ra của tấm pin để tìm điểm công suất tối đa, đảm bảo khai thác tối đa năng lượng mặt trời dưới các điều kiện bức xạ và nhiệt độ thay đổi.

  4. Thời gian hoàn vốn của hệ thống PV-BES là bao lâu?
    Thời gian hoàn vốn ước tính từ 4 đến 5 năm, dựa trên chi phí đầu tư khoảng 2,7 tỷ đồng và lợi ích tài chính từ tiết kiệm điện và bán điện với giá điện bình quân 2000 VNĐ/kWh.

  5. Hệ thống PV-BES có thể áp dụng cho các công trình khác không?
    Có, hệ thống có thể áp dụng cho các tòa nhà công cộng, doanh nghiệp và hộ gia đình có nhu cầu sử dụng điện lớn, giúp giảm chi phí và phát thải, đồng thời nâng cao độ tin cậy nguồn điện.

Kết luận

  • Thiết kế hệ thống PV-BES 230kWp cho tòa nhà thư viện EIU đáp ứng hiệu quả khoảng 75% nhu cầu điện hàng ngày, góp phần giảm phát thải khí nhà kính.
  • Thuật toán điều khiển MPPT P&O cải tiến giúp tối ưu hóa công suất đầu ra, giảm dao động và nâng cao hiệu suất hệ thống.
  • Tổng chi phí đầu tư khoảng 2,7 tỷ đồng, thời gian hoàn vốn dự kiến 4-5 năm, phù hợp với xu hướng giảm chi phí công nghệ năng lượng mặt trời.
  • Hệ thống có tính ứng dụng cao, phù hợp triển khai tại các công trình dân dụng và công cộng khác trong khu vực.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật, chính sách hỗ trợ và đào tạo nhằm thúc đẩy phát triển năng lượng tái tạo bền vững tại Việt Nam.

Để tiếp tục phát triển, các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên tập trung vào nâng cao hiệu quả thuật toán điều khiển, giảm chi phí lưu trữ năng lượng và mở rộng ứng dụng hệ thống PV-BES. Mời quý độc giả và các bên liên quan tham khảo và áp dụng kết quả nghiên cứu nhằm góp phần xây dựng tương lai năng lượng xanh, bền vững.