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 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 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 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 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 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) 5.2: 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.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.