Luận văn Nghiên cứu vận hành hệ thống điện năng lượng mặt trời tại điểm công suất cực đại (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu vận hành hệ thống điện năng lượng mặt trời tại điểm công suất cực đại (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ THUẬN THÁI HÒA NGHIÊN CỨU VẬN HÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI TẠI ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 9 NĂM 2016
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ THUẬN THÁI HÒA NGHIÊN CỨU VẬN HÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI TẠI ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. HUỲNH CHÂU DUY TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 09 NĂM 2016
3. CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM Cán bộ hƣớng dẫn khoa học : . (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn Thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp. HCM ngày tháng năm Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ) TT Họ và tên Chức danh Hội đồng 1 Chủ tịch 2 Phản biện 1 3 Phản biện 2 4 Ủy viên 5 Ủy viên, Thƣ ký Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã đƣợc sửa chữa (nếu có). Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn
4. TRƢỜNG ĐH SPKT TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG ĐTSĐH Độc lập – Tự do – Hạnh phúc Tp. HCM, ngày tháng năm 20 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: LÊ THUẬN THÁI HÒA Giới tính: NAM Ngày, tháng, năm sinh: Nơi sinh: Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN MSHV: I- Tên đề tài: NGHIÊN CỨU VẬN HÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI TẠI ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI II- Nhiệm vụ và nội dung: - Tổng quan tình hình khai thác và sử dụng năng lƣợng điện mặt trời tại Việt Nam. - Nghiên cứu và mô phỏng các đặc tính V-I và V-P của pin quang điện. - Nghiên cứu và phân tích các đặc tính V-I và V-P của pin quang điện. - Nghiên cứu các thuật toán điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ pin quang điện. - Nghiên cứu vận hành hệ thống điện năng lƣợng mặt trời tại điểm công suất cực đại. III- Ngày giao nhiệm vụ: IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: V- Cán bộ hƣớng dẫn: TS. HUỲNH CHÂU DUY CÁN BỘ HUỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)
5. LỜI CAM ÐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, đề xuất và kết quả nghiên cứu đạt đƣợc trong Luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố ở bất kỳ đâu. Tôi xin cam đoan mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã đƣợc cảm ơn. Tôi cũng xin cam đoan các nội dung tham khảo trong Luận văn đã đƣợc trích dẫn đầy đủ nguồn gốc. Học viên thực hiện Luận văn Lê Thuận Thái Hòa i
6. LỜI CÁM ƠN Đầu tiên, xin chân thành cám ơn Thầy TS. Huỳnh Châu Duy đã tận tình giúp đỡ, đóng góp những ý kiến quý báu và hƣớng dẫn em thực hiện Luận văn này. Xin cám ơn quý Thầy, Cô đã trang bị cho em các kiến thức quý báu trong quá trình học tập giúp em đủ kiến thức để thực hiện Luận văn này. Cuối cùng, xin cám ơn Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp. HCM; Khoa Điện - Điện tử; Phòng Đào tạo sau đại học và Cơ quan nơi em đang công tác đã tạo các điều kiện tốt nhất cho em thực hiện Luận văn này. Học viên thực hiện Luận văn Lê Thuận Thái Hòa ii
7. TÓM TẮT Luận văn tập trung các vấn đề liên quan đến “Nghiên cứu vận hành hệ thống điện năng lƣợng mặt trời tại điểm công suất cực đại” mà bao gồm các nội dung nhƣ sau: + Chƣơng 1: Giới thiệu chung + Chƣơng 2: Tổng quan nguồn năng lƣợng điện mặt trời + Chƣơng 3: Pin quang điện + Chƣơng 4: Thuật bám điểm công suất cực đại + Chƣơng 5: Mô phỏng vận hành hệ thống điện năng lƣợng mặt trời tại điểm công suất cực đại + Chƣơng 6: Kết luận và hƣớng phát triển tƣơng lai iii
8. ABSTRACT The thesis presents issues relating to "Operation of solar PV energy systems at maximum power points" that includes the following contents: + Chapter 1: Introduction + Chapter 2: Literature review of solar energy source + Chapter 3: Photovoltaic cell + Chapter 4: Algorithms for maximum power point tracking + Chapter 5: Simulation results for operation of solar PV energy systems at maximum power points + Chapter 6: Conclusions and future works iv
9. MỤC LỤC LỜI CAM ÐOAN i LỜI CÁM ƠN ii TÓM TẮT iii ABSTRACT iv MỤC LỤC v DANH SÁCH HÌNH VẼ vii DANH SÁCH BẢNG x CHƢƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1 1.1. Giới thiệu 1 1.2. Tính cấp thiết của đề tài 2 1.3. Đối tƣợng nghiên cứu 3 1.4. Phạm vi nghiên cứu 3 1.5. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 3 1.6. Phƣơng pháp nghiên cứu 4 1.7. Bố cục của luận văn 4 CHƢƠNG 2 TỔNG QUAN NGUỒN NĂNG LƢỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI 5 2.1. Năng lƣợng mặt trời 5 2.2. Ứng dụng của năng lƣợng mặt trời [1]-[2] 7 2.2.1. Hệ thống pin quang điện 7 2.2.2. Máy nƣớc nóng sử dụng năng lƣợng mặt trời 7 2.2.3. Ứng dụng năng lƣợng mặt trời trong nuôi trồng thủy sản 7 2.2.4. Sấy nông sản bằng năng lƣợng mặt trời 9 2.2.5. Máy ấp trứng sử dụng năng lƣợng mặt trời 10 2.2.6. Hệ thống đèn năng lƣợng mặt trời 11 2.2.7. Bếp nấu sử dụng năng lƣợng mặt trời 12 2.2.8. Thiết bị chƣng cất nƣớc sử dụng năng lƣợng mặt trời 13 2.2.9. Động cơ Stirling sử dụng năng lƣợng mặt trời 13 v
10. 2.3. Tổng quan tình hình nghiên cứu 14 CHƢƠNG 3 PIN QUANG ĐIỆN 17 3.1. Giới thiệu 17 3.2. Nguyên lý hoạt động của tế bào quang điện 19 3.3. Ảnh hƣởng của độ bức xạ và nhiệt độ lên tấm quang điện 20 3.4. Phân loại hệ thống PV 22 3.4.1. Hệ thống PV kết nối lƣới điện 22 3.4.2 Hệ thống PV độc lập 23 CHƢƠNG 4 THUẬT TOÁN BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI 25 4.1. Giới thiệu 25 4.2. Thuật toán P&O (Perturbation and Observation) [19] 26 4.3. Thuật toán điện dẫn gia tăng InC (Incremental Conductance) [19] 30 4.4. Thuật toán điện áp hằng số [19] 32 4.5. Ứng dụng thuật toán bám điểm công suất cực đại, InC cải tiến 34 4.6. Phƣơng pháp điều khiển MPPT 37 4.6.1. Phƣơng pháp điều khiển PI 37 4.6.2. Phƣơng pháp điều khiển trực tiếp 38 4.6.3. Phƣơng pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu ra 41 CHƢƠNG 5 MÔ PHỎNG VẬN HÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI TẠI ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI 42 5.1. Giới thiệu 42 5.2. Mô phỏng các đặc tính của PV 44 5.3. Mô phỏng và các kết quả của trƣờng hợp bức xạ mặt trời thay đổi chậm 47 5.4. Mô phỏng và các kết quả của trƣờng hợp bức xạ mặt trời thay đổi nhanh 50 5.5. Mô phỏng và các kết quả của trƣờng hợp bức xạ mặt trời thay đổi (tăng và giảm) 53 CHƢƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN TƢƠNG LAI 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 vi
11. DANH SÁCH HÌNH VẼ HÌNH Trang Hình 2.1. Bức xạ mặt trời ngoài khí quyển 6 Hình 2.2. Mô hình ứng dụng năng lƣợng mặt trời vào nuôi trồng thuỷ sản 7 Hình 2.3. Mô hình ứng dụng năng lƣợng mặt trời vào nuôi trồng thủy sản ở đồng bằng sông Cửu Long 8 Hình 2.4. Sấy trực tiếp nông sản bằng năng lƣợng mặt trời 9 Hình 2.5. Mô hình máy ấp trứng tự động sử dụng năng lƣợng mặt trời 10 Hình 2.6. Cổng chào sử dụng hệ thống chiếu năng lƣợng mặt trời tại nghĩa trang Hàng Dƣơng, Côn Đảo 12 Hình 2.7. Bếp năng lƣợng mặt trời tại tỉnh Quảng Nam 12 Hình 2.8. Động cơ stirling sử dụng năng lƣợng mặt trời 13 Hình 3.1. Cấu trúc một mảng PV 18 Hình 3.2. Nguyên lý hoạt động của tế bào quang điện 19 Hình 3.3. Ảnh hƣởng của điện áp và dòng điện theo độ bức xạ 20 Hình 3.4. Ảnh hƣởng của công suất điện theo độ bức xạ 21 Hình 3.5. Ảnh hƣởng của điện áp và dòng điện theo nhiệt độ 22 Hình 3.6. Ảnh hƣởng của công suất điện theo nhiệt độ 22 Hình 3.7. Hệ thống PV kết nối lƣới điện 23 Hình 3.8. Hệ thống PV độc lập 24 Hình 3.9. Hệ thống PV độc lập trực tiếp 24 Hình 4.1. Quan hệ điện áp và dòng điện của PV 25 Hình 4.2. Giải thuật P&O khi tìm điểm làm việc có công suất lớn nhất 26 Hình 4.3. Lƣu đồ giải thuật P&O 28 Hình 4.4. Sự thay đổi điểm MPP theo gia tăng bức xạ 29 Hình 4.5. Giải thuật InC 30 Hình 4.6. Lƣu đồ giải thuật InC 32 Hình 4.7. Lƣu đồ giải thuật điện áp không đổi 33 vii
12. Hình 4.8. Đặc tính V-I của PV tƣơng ứng với các cƣờng độ bức xạ khác nhau là các dòng điện ngắn mạch khác nhau 34 Hình 4.9. Lƣu đồ giải thuật InC cải tiến 36 Hình 4.10. Sơ đồ khối phƣơng pháp điều khiển MPPT sử dụng bộ bù PI 38 Hình 4.11. Sơ đồ khối của phƣơng pháp điều khiển trực tiếp MPPT 39 Hình 4.12. Mối quan hệ giữa tổng trở vào Rin và hệ số làm việc D 40 Hình 5.1. Pin quang điện RS - P618 - 22 42 Hình 5.2. Sơ đồ mô phỏng điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ thống pin quang điện 43 Hình 5.3. Đặc tính V-I của pin quang điện RS - P618 - 22 44 Hình 5.4. Đặc tính V-P của pin quang điện RS - P618 - 22 45 Hình 5.5. Đặc tính V-I của pin quang điện RS - P618 - 22 trong trƣờng hợp nhiệt độ không đổi (t = 250C) và bức xạ mặt trời thay đổi (G = 1kW/m2  5kW/m2) 45 Hình 5.6. Đặc tính V-P của pin quang điện RS - P618 - 22 trong trƣờng hợp nhiệt độ không đổi (t = 250C) và bức xạ mặt trời thay đổi (G = 1kW/m2  5kW/m2) 46 Hình 5.7. Đặc tính V-I của pin quang điện RS - P618 - 22 trong trƣờng hợp nhiệt độ thay đổi (t = 250C  1000C) và bức xạ mặt trời không đổi (G = 1 kW/m2) 46 Hình 5.8. Đặc tính V-P của pin quang điện RS - P618 - 22 trong trƣờng hợp nhiệt độ thay đổi (t = 250C  1000C) và bức xạ mặt trời không đổi (G = 1 kW/m2) 47 Hình 5.9. Mô phỏng sự thay đổi chậm của bức xạ mặt trời của pin quang điện RS - P618 - 22 48 Hình 5.10. Công suất ngõ ra đạt đƣợc trong trƣờng hợp sử dụng và không sử dụng thuật toán InC tƣơng ứng với sự thay đổi chậm của bức xạ mặt trời 48 viii
13. Hình 5.11. Công suất ngõ ra đạt đƣợc trong trƣờng hợp sử dụng và không sử dụng thuật toán InC cải tiến tƣơng ứng với sự thay đổi chậm của bức xạ mặt trời 49 Hình 5.12. So sánh công suất ngõ ra đạt đƣợc trong trƣờng hợp sử dụng thuật toán InC và thuật toán InC cải tiến tƣơng ứng với sự thay đổi chậm của bức xạ mặt trời 49 Hình 5.13. Mô phỏng sự thay đổi nhanh của bức xạ mặt trời của pin quang điện RS - P618 - 22 50 Hình 5.14. Công suất ngõ ra đạt đƣợc trong trƣờng hợp sử dụng và không sử dụng thuật toán InC tƣơng ứng với sự thay đổi nhanh của bức xạ mặt trời 51 Hình 5.15. Công suất ngõ ra đạt đƣợc trong trƣờng hợp sử dụng và không sử dụng thuật toán InC cải tiến tƣơng ứng với sự thay đổi nhanh của bức xạ mặt trời 51 Hình 5.16. So sánh công suất ngõ ra đạt đƣợc trong trƣờng hợp sử dụng thuật toán InC và thuật toán InC cải tiến tƣơng ứng với sự thay đổi nhanh của bức xạ mặt trời 52 Hình 5.17. Mô phỏng sự tăng và giảm của bức xạ mặt trời của pin quang điện RS - P618 - 22 53 Hình 5.18. Công suất ngõ ra đạt đƣợc trong trƣờng hợp sử dụng và không sử dụng thuật toán InC tƣơng ứng với sự tăng và giảm của bức xạ mặt trời 54 Hình 5.19. Công suất ngõ ra đạt đƣợc trong trƣờng hợp sử dụng và không sử dụng thuật toán InC cải tiến tƣơng ứng với sự tăng và giảm của bức xạ mặt trời 54 Hình 5.20. So sánh công suất ngõ ra đạt đƣợc trong trƣờng hợp sử dụng thuật toán InC và thuật toán InC cải tiến tƣơng ứng với sự tăng và giảm của bức xạ mặt trời 55 ix
14. DANH SÁCH BẢNG BẢNG Trang Bảng 4.1. Bảng tóm tắt giải thuật P&O 27 x
15. CHƢƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.1. Giới thiệu Mặt trời là một khối cầu lửa khổng lồ với những phản ứng nhiệt hạch xảy ra liên tục và phát ra nguồn năng lƣợng vô tận. Những phản ứng nhiệt hạch đã và đang diễn ra hàng triệu năm mà chƣa ai dự đoán đƣợc thời điểm kết thúc của nó. Quả cầu lửa mặt trời khổng lồ này mới chỉ truyền một phần năng lƣợng nhỏ bé của nó xuống trái đất với khoảng cách hàng triệu km. Năng lƣợng mặt trời đã mang lại sự sống cho trái đất và cũng có thể thiêu trụi cả trái đất nếu trái đất không có tầng ô zôn và khí quyển bảo vệ. Có thể nhận thấy rằng, năng lƣợng mặt trời là một nguồn năng lƣợng sạch không giống nhƣ bất kỳ một nguồn năng lƣợng nào khác mà chúng ta đang khai thác trên trái đất nhƣ thủy điện có thể gây đột biến dòng chảy của sông và làm mất cân bằng sinh thái ở khu vực hạ lƣu dòng sông đó; nhiệt điện gây bụi và ô nhiễm môi trƣờng bằng khí COx và NOx; còn điện hạt nhân có khả năng gây nhiều nguy cơ kinh khủng hơn nữa. Nếu có thể tận dụng đƣợc nguồn năng lƣợng mặt trời để phục vụ đời sống và phát triển đất nƣớc là một công việc rất có ích và có thể bảo vệ môi trƣờng sinh thái đƣợc bền vững [1]. Một trong các ứng dụng chính ở tầm vĩ mô của nguồn năng lƣợng mặt trời là bài toán sản xuất năng lƣợng điện thông qua hệ thống pin quang điện (Photovoltaic cell, PV). Các ứng dụng này có thể độc lập trong các hộ gia đình, phục vụ chiếu sáng công cộng, phƣơng tiện di chuyển, quân sự và các ứng dụng không gian hoặc là một hệ thống điện năng lƣợng mặt trời sử dụng PV đƣợc kết nối với lƣới điện quốc gia. Trong các hệ thống PV này đang tồn tại hai vấn đề lớn: - Hiệu suất chuyển đổi của năng lƣợng mặt trời thành năng lƣợng điện là rất thấp (9 ÷ 17%), đặc biệt là trong các điều kiện bức xạ thấp; 1
16. - Năng lƣợng điện đƣợc tạo ra bởi PV thay đổi liên tục dƣới các điều kiện thời tiết khác nhau. Mặt khác, đặc tính V–I của PV là phi tuyến và cũng sẽ thay đổi dƣới các điều kiện nhiệt độ và bức xạ khác nhau. Trên các đặc tuyến V–I hoặc V–P, tồn tại một điểm làm việc duy nhất mà đƣợc gọi là điểm công suất cực đại (Maximum power point, MPP). Vị trí của các MPP là không xác định trƣớc đƣợc, nhƣng có thể xác định đƣợc thông qua các mô hình tính toán hoặc các thuật toán tìm kiếm trong quá trình vận hành. Khi các MPP đã đƣợc xác định, các kỹ thuật bám MPP sẽ đƣợc sử dụng để duy trì điểm làm việc của các PV luôn luôn là tại MPP. Bên cạnh đó, việc kết nối lƣới hệ thống điện năng lƣợng mặt trời cũng là một trong các giải pháp đƣợc xem xét cho bài toán lƣu trữ năng lƣợng điện mặt trời mà đang phải gánh chịu các chỉ trích mạnh mẽ liên quan đến ô nhiễm môi trƣờng khi con ngƣời sử dụng các phƣơng án lƣu trữ thông qua ắc-quy. Với các phân tích trên cho thấy rằng hiệu suất chuyển đổi năng lƣợng mặt trời thành năng lƣợng điện của hệ PV là hoàn toàn có thể đƣợc tối ƣu, nhằm nâng cao hiệu quả khai thác. Điều này cũng có nghĩa là sẽ giảm bớt gánh nặng cho các nguồn năng lƣợng điện truyền thống nhƣ thủy điện hay nhiệt điện. Ngoài ra, việc lƣu trữ nguồn năng lƣợng điện từ các nguồn năng lƣợng tái tạo, cụ thể là năng lƣợng mặt trời cũng là một bài toán khó. Giải pháp kết nối hệ thống điện năng lƣợng mặt trời với lƣới điện quốc gia là một trong các giải pháp đƣợc đánh giá hiệu quả cao. Chính vì các lý do trên, đề tài “Nghiên cứu vận hành hệ thống điện năng lƣợng mặt trời tại điểm công suất cực đại” đƣợc lựa chọn và triển khai nghiên cứu trong luận văn này. 1.2. Tính cấp thiết của đề tài Nguồn điện đang gánh chịu các áp lực nặng nề của sự cạn kiệt các nguồn nhiên liệu sơ cấp truyền thống (nƣớc, nhiên liệu hóa thạch, ). Để giảm bớt các gánh nặng này, cũng nhƣ nâng cao hiệu quả khai thác của các nguồn năng lƣợng tái 2
17. tạo, đặc biệt là năng lƣợng mặt trời, đề tài nghiên cứu vận hành hệ thống điện năng lƣợng mặt trời tại điểm công suất cực đại là thật sự cần thiết để đƣợc nghiên cứu và triển khai. 1.3. Đối tƣợng nghiên cứu Các nghiên cứu sẽ đƣợc thực hiện trên mô hình hệ thống điện năng lƣợng mặt trời bao gồm: - Hệ thống pin quang điện, PV. - Bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại. 1.4. Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu của đề tài là: - Khảo sát nguồn năng lƣợng mặt trời. - Tổng quan các kết quả nghiên cứu đã đạt đƣợc liên quan đến đề tài. - Nghiên cứu lý thuyết pin quang điện (PV) và các đặc tính V-I, V-P của nó. - Nghiên cứu các thuật toán bám điểm công suất cực đại của PV dƣới các điều kiện bức xạ và nhiệt độ khác nhau sao cho có thể tối ƣu hóa năng lƣợng thu đƣợc. 1.5. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu Đề tài “Nghiên cứu vận hành hệ thống điện năng lƣợng mặt trời tại điểm công suất cực đại” sẽ đƣợc thực hiện với các mục tiêu và nội dung nhƣ sau: - Khảo sát nguồn năng lƣợng mặt trời. - Nghiên cứu các đặc tính V-I và V-P của PV. - Nghiên cứu và xây dựng một hệ thống điện sử dụng năng lƣợng mặt trời thông qua PV. - Nghiên cứu các thuật toán bám điểm công suất cực đại của hệ thống PV. - Nghiên cứu vận hành hệ thống điện năng lƣợng mặt trời tại điểm công suất cực đại. 3
18. - Mô phỏng các đặc tính V-I và V-P của PV. - Mô phỏng nguyên lý làm việc của hệ thống điện sử dụng năng lƣợng mặt trời thông qua PV. - Mô phỏng vận hành hệ thống điện năng lƣợng mặt trời tại điểm công suất cực đại. 1.6. Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu các tài liệu về vận hành hệ thống điện năng lƣợng mặt trời sử dụng PV tại điểm công suất cực đại. - Tổng hợp, phân tích và đề xuất thuật toán điều khiển bám điểm công suất cực đại của một hệ thống điện năng lƣợng mặt trời sử dụng PV. 1.7. Bố cục của luận văn Bố cục của luận văn gồm 6 chƣơng: + Chƣơng 1: Giới thiệu chung + Chƣơng 2: Tổng quan nguồn năng lƣợng điện mặt trời + Chƣơng 3: Pin quang điện + Chƣơng 4: Thuật bám điểm công suất cực đại + Chƣơng 5: Mô phỏng vận hành hệ thống điện năng lƣợng mặt trời tại điểm công suất cực đại + Chƣơng 6: Kết luận và hƣớng phát triển tƣơng lai 4
19. CHƢƠNG 2 TỔNG QUAN NGUỒN NĂNG LƢỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI 2.1. Năng lƣợng mặt trời Ngày nay, năng lƣợng mặt trời đang ngày càng thu hút nhiều sự quan tâm và đầu tƣ. Tuy nhiên, vấn đề giá cả nguồn điện mặt trời vẫn là một vấn đề gây trở ngại cho sự phát triển của chính nguồn năng lƣợng này. Mặt khác, cho đến thời điểm hiện tại, năng lƣợng mặt trời chỉ cung cấp một phần nhỏ trong nhu cầu về năng lƣợng điện cho con ngƣời nhƣng những ngƣời ủng hộ cho nguồn năng lƣợng này luôn tin tƣởng rằng kỉ nguyên năng lƣợng mặt trời chỉ mới bắt đầu và ngày sẽ càng đƣợc đẩy mạnh khi các quốc gia phát triển thực hiện chiến dịch chống biến đổi khí hậu và hạn chế việc phụ thuộc vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch nhƣ dầu mỏ, than đá, khí đốt, v.v Chính phủ các quốc gia nhƣ Nhật Bản, Đức, Mỹ, đang thúc đẩy việc h trợ ngƣời dân dần dần từ bỏ việc sử dụng các nguồn nhiên liệu hóa thạch. Tại Đức, một gia đình có thể đƣợc chính phủ h trợ hơn 2.000 euro để lắp đặt các tấm pin mặt trời. Họ không phải trả bất kì chi phí nào trong 10 năm và còn đƣợc thu lợi trong 10 năm tiếp theo. Trên cơ sở phân tích các phổ bức xạ và hấp thụ của Mặt trời, xác định đƣợc rằng 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. 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 nhƣ 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 lƣợng bức xạ của Mặt trời chính là do phản ứng tổng hợp hạt nhân Hydrô, phản ứng này tạo thành Hêli. Hạt nhân của Hydrô có một hạt mang điện dƣơng là proton. Thông thƣờng, những hạt mang điện cùng dấu đẩy nhau, nhƣng ở nhiệt độ đủ cao chuyển động của chúng sẽ nhanh tới mức chúng có thể tiến 5
20. gần tới nhau ở một khoảng cách mà ở đó có thể kết hợp với nhau dƣới tác dụng của các lực hút. Trong quá trình diễn biến của phản ứng có một lƣợng vật chất của Mặt trời bị mất đi. Do đó, khối lƣợng của Mặt trời giảm khoảng 4.106 tấn/s. Tuy nhiên, theo các nhà nghiên cứu, trạng thái của Mặt trời vẫn không thay đổi trong thời gian hàng tỷ năm nữa. M i ngày, Mặt trời sản xuất một nguồn năng lƣợng qua phản ứng nhiệt hạch lên đến 9 1024 kWh (tức là chƣa đầy một phần triệu giây Mặt trời đã giải phóng ra một lƣợng năng lƣợng tƣơng đƣơng với tổng số điện năng sản xuất trong một năm trên Trái đất). Việt Nam là nƣớc có tiềm năng về năng lƣợng mặt trời, trải dài từ vĩ độ 80 Bắc đến 230 Bắc, nằm trong khu vực có cƣờng độ bức xạ mặt trời tƣơng đối cao, với số giờ nắng trung bình 2.200 giờ/năm và cƣờng độ bức xạ cao nhất có thể đến 980 W/m2. Do đó, việc sử dụng năng lƣợng mặt trời ở nƣớc ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế lớn. Thiết bị sử dụng năng lƣợng mặt trời ở Việt Nam hiện nay chủ yếu là hệ thống cung cấp điện dùng pin mặt trời, hệ thống nấu cơm có gƣơng phản xạ, hệ thống cung cấp nƣớc nóng, chƣng cất nƣớc dùng năng lƣợng mặt trời, dùng năng lƣợng mặt trời chạy các động cơ nhiệt ( động cơ Stirling ), và ứng dụng năng lƣợng mặt trời để làm lạnh là đề tài hấp dẫn có tính thời sự và đang đƣợc nhiều nhà khoa học trong và ngoài nƣớc nghiên cứu. Hình 2.1. Bức xạ mặt trời ngoài khí quyển 6
21. 2.2. Ứng dụng của năng lƣợng mặt trời [1]-[2] 2.2.1. Hệ thống pin quang điện Với sự h trợ của các tổ chức quốc tế, Việt Nam đã thực hiện thành công việc xây dựng các nhà máy điện pin mặt trời có các công suất khác nhau phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt và văn hoá của các địa phƣơng vùng sâu, vùng xa, nhất là đồng bằng sông Cửu Long và Tây Nguyên. 2.2.2. Máy nƣớc nóng sử dụng năng lƣợng mặt trời Hệ thống cung cấp nƣớc nóng bằng năng lƣợng mặt trời đơn giản, an toàn hiệu quả kinh tế cao, giá cả phù hợp với điều kiện Việt Nam đã và đang đƣợc ứng dụng rộng rãi tại các thành phố lớn nhƣ Hà Nội, Hồ Chí Minh, Đà Nẵng, Bình Dƣơng, Bình Phƣớc, Đồng Nai và nhiều địa phƣơng khác. Các hệ thống này đã tiết kiệm cho ngƣời sử dụng một lƣợng đáng kể về năng lƣợng, góp phần rất lớn trong việc thực hiện chƣơng trình tiết kiệm năng lƣợng của nƣớc ta cũng nhƣ bảo vệ môi trƣờng chung của nhân loại. 2.2.3. Ứng dụng năng lƣợng mặt trời trong nuôi trồng thủy sản Ứng dụng này giúp bà con nông dân giảm chi phí, tiết kiệm năng lƣợng, nhiên liệu trong nuôi thủy sản và góp phần bảo vệ môi trƣờng. Hình 2.2. Mô hình ứng dụng năng lƣợng mặt trời vào nuôi trồng thuỷ sản Cấu tạo của mô hình ứng dụng này bao gồm nguồn cung cấp là hai tấm pin mặt trời có công suất 85 W/tấm đƣợc lắp đặt tại các vị trí sao cho pin có thể dễ dàng 7
22. hấp thụ bức xạ mặt trời nhất nhằm mục đích cung cấp nguồn điện cho toàn bộ hệ thống. Pin mặt trời hấp thụ năng lƣợng mặt trời, chuyển đổi năng lƣợng mặt trời thành năng lƣợng điện và lƣu trữ năng lƣợng điện thông qua hệ thống ắc-quy. Nguồn điện từ ắc-quy sẽ cung cấp cho các thiết bị thổi khí oxy vận hành. Thiết bị lƣu trữ năng lƣợng điện là 2 ắc-quy, 12 VDC đƣợc mắc nối tiếp tạo thành nguồn 24 VDC cung cấp cho hệ thống điện chiếu sáng, động cơ DC sục khí, công suất 120 W, động cơ bơm nƣớc. Kết quả thử nghiệm cho thấy, ngoài tiết kiệm chi phí nhiên liệu, hệ thống tạo khí cho ao nuôi bằng năng lƣợng mặt trời còn loại bỏ khả năng gây ô nhiễm môi trƣờng, không tạo ra các chất gây bẩn trong hệ thống ao hồ và không gây ra tiếng ồn. Hệ thống đảm bảo cấp điện liên tục trong quá trình nuôi thủy sản khi môi trƣờng thời tiết ổn định, tính an toàn cao bởi sử dụng nguồn điện một chiều điện áp thấp. Rõ ràng rằng, đây là một mô hình có thể đƣợc ứng dụng và triển khai rộng rãi. Theo tính toán của nhà sản xuất, với diện tích ao nuôi khoảng 0,5 ha, nếu sử dụng động cơ dầu diesel để vận hành dàn quạt, chi phí sản xuất trung bình m i vụ nuôi khoảng 30 triệu đồng. Trong khi đó, nếu sử dụng hệ thống tạo khí O2 bằng năng lƣợng mặt trời, chi phí sản xuất sẽ không đáng kể do không tốn chi phí nhiên liệu. Hình 2.3. Mô hình ứng dụng năng lƣợng mặt trời vào nuôi trồng thủy sản ở đồng bằng sông Cửu Long 8