Luận văn Thạc sĩ Kĩ thuật: Thiết kế hệ thống điều khiển phát điện sử dụng năng lượng mặt trời

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:85

Thêm vào BST

Báo xấu

31
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn tìm hiểu về cấu trúc điều khiển hệ thống phát điện sử dụng nguồn năng lượng mặt trời. Khảo sát chất lượng điều khiển hệ thống bằng bộ điều khiển PID thông qua mô phỏng. Mời các bạn tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kĩ thuật: Thiết kế hệ thống điều khiển phát điện sử dụng năng lượng mặt trời

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN QUẾ HƢNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÁT ĐIỆN SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA KHOA CHUYÊN MÔN NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TRƢỞNG KHOA TS. Đặng Danh Hoằng PHÒNG ĐÀO TẠO Thái Nguyên – 2016 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
ii LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Nguyễn Quế Hƣng Sinh ngày:17 tháng 09 năm 1976 Học viên lớp cao học khoá 16 - Tự động hoá - Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên. Hiện đang công tác tại: Trường Trung Cấp Nghề Nam Thái Nguyên. Tôi cam đoan toàn bộ nội dung trong luận văn do tôi làm theo định hướng của giáo viên hướng dẫn, không sao chép của người khác. Các phần trích lục các tài liệu tham khảo đã được chỉ ra trong luận văn. Nếu có gì sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm. Tác giả luận văn Nguyễn Quế Hƣng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
iii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tác giả xin chân thành cảm ơn tới các thầy giáo, cô giáo Khoa sau đại học, Khoa Điện trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp cùng các thầy giáo, cô giáo, các anh chị tại Trung tâm thí nghiệm đã giúp đỡ và đóng góp nhiều ý kiến quan trọng cho tác giả để tác giả có thể hoàn thành bản luận văn của mình. Trong quá trình thực hiện đề tài tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy, cô giáo trong khoa Điện của trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp thuộc ĐH Thái Nguyên và các bạn đồng nghiệp. Đặc biệt là dưới sự hướng dẫn và góp ý của thầy TS. Đặng Danh Hoằng đã giúp cho đề tài hoàn thành mang tính khoa học cao. Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quý báu của các thầy, cô. Do thời gian, kiến thức, kinh nghiệm và tài liệu tham khảo còn hạn chế nên đề tài khó tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy, cô giáo và các bạn đồng nghiệp để tôi tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện hơn nữa trong quá trình công tác sau này. Học viên NguyễnQuế Hƣng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
iv MỤC LỤC MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI .................................................................................................2 1.1. NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO ..................................................................................2 1.1.1. Khái niệm năng lượng tái tạo ............................................................................2 1.1.2. Phân loại năng lượng tái tạo ..............................................................................3 1.1.3. Vấn đề khai thác năng lượng tái tạo ở Việt Nam ..............................................5 1.1.4. Xu thế phát triển điện gió và điện mặt trời tại Việt Nam ..................................7 1.2. Năng lượng mặt trời [1, 7, 8] ...............................................................................8 1.3. Mô hình sử dụng năng lượng mặt trời trong hệ thống cung cấp điện ................10 1.4. Định hướng nghiên cứu ......................................................................................11 1.5. Kết luận chương .................................................................................................11 CHƢƠNG 2. CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƢỚI ........................................................................................................................12 2.1. Mô tả hệ thống điện mặt trời nối lưới ................................................................12 2.1.1. Sơ đồ khối hệ thống ........................................................................................12 2.1.2. Điều khiển trong hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời nối lưới ...14 2.2. Pin mặt trời (PV-Photovoltaic) [8, 9, 10] ..........................................................14 2.2.1. Khái niệm ........................................................................................................14 2.2.2. Mô hình toán và đặc tính làm việc của pin mặt trời........................................15 2.3. Bộ biến đổi một chiều – một chiều (DC - DC) [9] ...........................................18 2.3.1. Chức năng .......................................................................................................18 2.3.2. Các loại bộ biến đổi DC/DC ...........................................................................19 2.3.2.1. Bộ biến đổi DC-DC không cách ly ..............................................................19 2.3.2.2. Bộ biến đổi DC-DC có cách ly ....................................................................26 2.3.3. Điều khiển bộ biến đổi DC-DC.......................................................................26 2.3.3.1. Mạch vòng điều khiển điện áp .....................................................................26 2.3.3.2. Mạch vòng điều khiển dòng điện .................................................................27 2.4.1. Tính chọn các thông số của bộ chuyển đổi DC-DC ........................................27 2.4.2. Bộ chuyển đổi DC-AC ...................................................................................34 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
v Chƣơng 3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI .......................................37 3.1. Tổng hợp bộ điều khiển PID ..............................................................................37 3.1.1. Thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở hàm quá độ h(t) .........................................38 3.1.2. Thiết kế điều khiển ở miền tần số ..................................................................40 3.3. Thiết kế bộ điều khiển PID cho nghịch lưu phía lưới ........................................43 3.3.1. Đặt vấn đề .......................................................................................................43 3.3.2. Thiết kế bộ điều khiển [5] ...............................................................................45 3.3.3. Kết quả mô phỏng ...........................................................................................48 3.3.4. Nhận xét ..........................................................................................................50 3.4. Kết luận chương 3 ..............................................................................................50 Chƣơng 4. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI ...................................................................................................... 51 4.1. Đặt vấn đề ..........................................................................................................51 4.2. Tổng quan hệ logic mờ và điều khiển mờ [2, 3] ................................................52 4.2.1. Hệ Logic mờ ....................................................................................................52 4.2.2. Bộ điều khiển mờ ............................................................................................60 4.3. Thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID [3] ..............62 4.3.1. Phương pháp thiết kế.......................................................................................62 4.2.2. Nhận xét ..........................................................................................................66 4.3. Khảo sát bằng mô phỏng Matlab/Simulink [6] ..................................................66 4.3.1. Sơ đồ mô phỏng ..............................................................................................66 4.3.2. Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID ................67 4.3.3. Nhận xét ..........................................................................................................69 4.4. Kết luận chương 4 ..............................................................................................69 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................70 1. Kết luận: ................................................................................................................70 2. Kiến nghị: ..............................................................................................................70 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................71 PHỤ LỤC .................................................................................................................72 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu: STT Ký hiệu Diễn giải nội dung đầy đủ 1 PV Pin mặt trời 2 PID Bộ điều khiển 3 DC Một chiều 4 DC Hai chiều Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
vii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Mô hình điện mặt trời cho hộ gia đình......................................................11 Hình 2.1: Hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời nối lưới ........................12 Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời ....................13 Hình 2.3: Mạch tương đương của modul PV ............................................................16 Hình 2.5 a,b,c,d: Họ đặc tính của PV ........................................................................18 Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp Buck ............................................................20 Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý mạch Boost ....................................................................21 Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lý mạch Buck - Boost........................................................22 Hình 2.9: Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi Cuk .............................................................23 Hình 2.10: Sơ đồ mạch bộ Curk khi khoá SW mở thông dòng ...............................24 Hình 2.12: Bộ chuyển đổi DC-DC có cách ly...........................................................26 Hình 2.13: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển điện áp ........................................27 Hình 2.14: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng điện ....................................27 Hình 3.1: Sơ đồ khối bộ điều khiển tuyến tính (PID) ...............................................37 Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID .............................................................37 Hình 3.3: Đồ thị quá độ .............................................................................................38 Hình 3.4: Sơ đồ hệ thống điều khiển .........................................................................40 Hình 3.5: Sơ đồ điều khiển dòng điện biến tần 3 pha nối lưới .................................45 Hình 3.5: Sơ đồ mô phỏng toàn hệ thống .................................................................46 Hình 3.6: Sơ đồ cấu trúc khối điều khiển hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời ......................................................................................................................46 Hình 3.7: Sơ đồ khối lọc và điều khiển dòng ............................................................47 Hình 3.8: Cấu trúc khối điều khiển dòng ..................................................................47 Hình 3.9: Đáp ứng điện áp đầu ra 1pha hệ thống phát điện sử dụng pin mặt trời ....48 Hình 3.10: Đáp ứng điện áp đầu ra 3 pha hệ thống phát điện sử dụng pin mặt trời .48 Hình 3.11: Đáp ứng điện áp đầu ra 1 pha khi nối lưới ở 0,04s .................................49 Hình 3.12: Đáp ứng điện áp đầu ra 3 pha khi nối lưới ở 0,04s .................................49 Hình 4.1: Hàm thuộc biến ngôn ngữ .........................................................................53 Hình 4.2: Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ..............................................................53 Hình 4.3: Luật hợp thành ..........................................................................................54 Hình 4.4: Mờ hoá ......................................................................................................55 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
viii Hình 4.5: Thực hiện phép suy diễn mờ .....................................................................56 Hình 4.6: Thực hiện phép hợp mờ ............................................................................57 Hình 4.7: Những nguyên lý giải mờ ........................................................................58 Hình 4.8: Cấu trúc một hệ logic mờ ..........................................................................59 Hình 4.9: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển mờ PD ........................................................60 Hình 4.10: Sơ đồ khối hệ thống với bộ điều chỉnh mờ PI(1) ....................................60 Hình 4.11: Sơ đồ khối hệ thống với bộ điều khiển mờ PI(2) ....................................61 Hình 4.13: Phương pháp điều khiển thích nghi gián tiếp .........................................61 Hình 4.14: Phương pháp điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID .....62 Hình 4.15: Phương pháp chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID .......................63 Hình 4.16: Bên trong bộ điều chỉnh mờ ....................................................................63 Hình 4.17: Tập mờ e và e’ ........................................................................................64 Hình 4.18: Tập mờ  .................................................................................................64 Hình 4.19: Tập mờ Kp và KD ....................................................................................64 Hình 4.20: Sơ đồ mô phỏng với bộ điều khiển mờ chỉnh định và PID .....................66 Hình 4.21: Sơ đồ mô phỏng với cấu trúc bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID...........................................................................................................67 Hình 4.22: Đáp ứng đầu ra 1 pha của hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời .............................................................................................................................67 Hình 4.23: Đáp ứng đầu ra 3 pha của hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời .............................................................................................................................68 Hình 4. 24: Đáp ứng đầu ra 1 pha của hệ thống khi nối lưới ở 0,04s .......................68 Hình 4. 25: Đáp ứng đầu ra 3 pha của hệ thống khi nối lưới ở 0,04s .......................69 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
1 MỞ ĐẦU 1. Mục tiêu của luận văn Nguồn năng lượng mặt trời đang là một giải pháp hữu hiệu trong việc khai thác nguồn năng lượng phục vụ đời sống và sản xuất mà không gây tác hại đến môi trường. Việc nghiên cứu thiết kế điều khiển hệ thống phát điện sử dụng nguồn năng lượng mặt trời nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng cũng như triển khai ứng dụng vào thực tế là điều hết sức cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn cao. Hơn nữa hiện nay, tôi đang giảng dạy tại Trường Trung cấp nghề Nam Thái Nguyên và đang mong muốn xây dựng một số mô hình điều khiển hiện đại trong đó có hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời nhằm nâng cao năng lực giảng dạy và nghiên cứu khoa học cho các giáo viên. Việc nghiên cứu hệ thống điều khiển phát điện năng lượng mặt trời qua luận văn này sẽ giúp tôi có có sở để xây dựng mô hình hệ thống thí nghiệm điều khiển phát điện sử dụng năng lượng mặt trời tại Trường Trung cấp nghề Nam Thái Nguyên. Vì vậy tôi chọn đề tài: "Thiết kế hệ thống điều khiển phát điện sử dụng năng lượng mặt trời ". 2. Mục tiêu nghiên cứu - Tìm hiểu về cấu trúc điều khiển hệ thống phát điện sử dụng nguồn năng lượng mặt trời. - Khảo sát chất lượng điều khiển hệ thống bằng bộ điều khiển PID thông qua mô phỏng. - Đề xuất thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID nhằm nâng cao chất lượng điều khiển so với bộ điều khiển PID bằng mô phỏng. 3. Nội dung của luận văn Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm các chương sau: Chương 1: Tổng quan hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời Chương 2: Cấu trúc điều khiển hệ thống điện mặt trời nối lưới Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển PID điều khiển hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời. Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID cho hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời. Kết luận và kiến nghị Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
2 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI 1.1. NĂNG LƢỢNG TÁI TẠO 1.1.1. Khái niệm năng lƣợng tái tạo Năng lượng tái tạo được hiểu là những nguồn năng lượng hay những phương pháp khai thác năng lượng mà nếu đo bằng các chuẩn mực của con người thì là vô hạn, theo hai nghĩa: Hoặc là năng lượng tồn tại nhiều đến mức mà không thể trở thành cạn kiệt vì sự sử dụng của con người (năng lượng Mặt Trời) hoặc là năng lượng tự tái tạo trong thời gian ngắn và liên tục (năng lượng sinh khối) trong các quy trình còn diễn tiến trong một thời gian dài trên Trái Đất. Theo ý nghĩa về vật lý, năng lượng không được tái tạo mà trước tiên là do Mặt Trời mang lại và được biến đổi thành các dạng năng lượng hay các vật mang năng lượng khác nhau. Tùy theo trường hợp mà năng lượng này được sử dụng ngay tức khắc hay được tạm thời dự trữ. Việc sử dụng khái niệm "tái tạo" theo cách nói thông thường là dùng để chỉ đến các chu kỳ tái tạo mà đối với con người là ngắn đi rất nhiều (thí dụ như khí sinh học so với năng lượng hóa thạch). Trong cảm giác về thời gian của con người thì Mặt Trời sẽ còn là một nguồn cung cấp năng lượng trong một thời gian gần như là vô tận. Mặt Trời cũng là nguồn cung cấp năng lượng liên tục cho nhiều quy trình diễn tiến trong bầu sinh quyển Trái Đất. Những quy trình này có thể cung cấp năng lượng cho con người và cũng mang lại những cái gọi là nguyên liệu tái tăng trưởng. Luồng gió thổi, dòng nước chảy và nhiệt lượng của Mặt Trời đã được con người sử dụng trong quá khứ. Quan trọng nhất trong thời đại công nghiệp là sức nước nhìn theo phương diện sử dụng kỹ thuật và theo phương diện phí tổn sinh thái. Ngược lại với việc sử dụng các quy trình này là việc khai thác các nguồn năng lượng như than đá hay dầu mỏ, những nguồn năng lượng mà ngày nay được tiêu dùng nhanh hơn là được tạo ra rất nhiều. Theo ý nghĩa của định nghĩa tồn tại "vô tận" thì phản ứng tổng hợp hạt nhân (phản ứng nhiệt hạch), khi có thể thực hiện trên bình diện kỹ thuật, và phản ứng phân rã hạt nhân (phản ứng phân hạch) với các lò phản ứng tái sinh (breeder reactor), khi năng lượng hao tốn lúc khai thác Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
3 uranium hay thorium có thể được giữ ở mức thấp, đều là những nguồn năng lượng tái tạo mặc dù là thường thì chúng không được tính vào loại năng lượng này. 1.1.2. Phân loại năng lƣợng tái tạo Năng lượng tái tạo bao gồm: Năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng thủy triều (sóng), thủy điện, địa nhiệt, sinh khối, nhiên liệu sinh học. Theo nguồn gốc xuất xứ ta phân năng lượng tái tạo thành 3 loại như sau 1.1.2.1. Nguồn gốc từ bức xạ mặt trời [1, 7, 12] Năng lượng Mặt Trời thu được trên Trái Đất là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ Mặt Trời đến Trái Đất. Chúng ta sẽ tiếp tục nhận được dòng năng lượng này cho đến khi phản ứng hạt nhân trên Mặt Trời hết nhiên liệu, vào khoảng 5 tỷ năm nữa. Có thể trực tiếp thu lấy năng lượng này thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển năng lượng các photon của Mặt Trời thành điện năng, như trong pin Mặt Trời. Năng lượng của các photon cũng có thể được hấp thụ để làm nóng các vật thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, sử dụng cho bình đun nước Mặt Trời, hoặc làm sôi nước trong các máynhiệt điện của tháp Mặt Trời, hoặc vận động các hệ thống nhiệt như máy điều hòa Mặt Trời. Năng lượng của các photon có thể được hấp thụ và chuyển hóa thành năng lượng trong các liên kết hóa học của các phản ứng quang hóa. Một phản ứng quang hóa tự nhiên là quá trình quang hợp. Quá trình này được cho là đã từng dự trữ năng lượng Mặt Trời vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch không tái sinh mà các nền công nghiệp của thế kỷ 19 đến 21 đã và đang tận dụng. Nó cũng là quá trình cung cấp năng lượng cho mọi hoạt động sinh học tự nhiên, cho sức kéo gia súc và củi đốt, những nguồn năng lượng sinh học tái tạo truyền thống. Trong tương lai, quá trình này có thể giúp tạo ra nguồn năng lượng tái tạo ở nhiên liệu sinh học, như các nhiên liệu lỏng (diesel sinh học, nhiên liệu từ dầu thực vật), khí (khí đốt sinh học) hay rắn. Năng lượng Mặt Trời cũng được hấp thụ bởi thủy quyển Trái Đất và khí quyển Trái Đất để sinh ra các hiện tượng khí tượng học chứa các dạng dự trữ năng lượng có thể khai thác được. Trái Đất, trong mô hình năng lượng này, gần giống bình đun nước của những động cơ nhiệt đầu tiên, chuyển hóa nhiệt năng hấp thụ từ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
4 photon của Mặt Trời, thành động năng của các dòng chảy của nước, hơi nước và không khí, và thay đổi tính chất hóa học và vật lý của các dòng chảy này. Thế năng của nước mưa có thể được dự trữ tại các đập nước và chạy máy phát điện của các công trình thủy điện. Một dạng tận dụng năng lượng dòng chảy sông suối có trước khi thủy điện ra đời là cối xay nước. Dòng chảy của biển cũng có thể làm chuyển động máy phát của nhà máy điện dùng dòng chảy của biển. Dòng chảy của không khí, hay gió, có thể sinh ra điện khi làm quay tuốc bin gió. Trước khi máy phát điện dùng năng lượng gió ra đời, cối xay gió đã được ứng dụng để xay ngũ cốc. Năng lượng gió cũng gây ra chuyển động sóng trên mặt biển. Chuyển động này có thể được tận dụng trong các nhà máy điện dùng sóng biển. Đại dương trên Trái Đất có nhiệt dung riêng lớn hơn không khí và do đó thay đổi nhiệt độ chậm hơn không khí khi hấp thụ cùng nhiệt lượng của Mặt Trời. Đại dương nóng hơn không khí vào ban đêm và lạnh hơn không khí vào ban ngày. Sự chênh lệch nhiệt độ này có thể được khai thác để chạy các động cơ nhiệt trong các nhà máy điện dùng nhiệt lượng của biển. Khi nhiệt năng hấp thụ từ photon của Mặt Trời làm bốc hơi nước biển, một phần năng lượng đó đã được dự trữ trong việc tách muối ra khỏi nước mặn của biển. Nhà máy điện dùng phản ứng nước ngọt - nước mặn thu lại phần năng lượng này khi đưa nước ngọt của dòng sông trở về biển. 1.1.2.2. Nguồn gốc từ nhiệt năng của Trái Đất Nhiệt năng của Trái Đất, gọi là địa nhiệt, là năng lượng nhiệt mà Trái Đất có được thông qua các phản ứng hạt nhân âm ỉ trong lòng. Nhiệt năng này làm nóng chảy các lớp đất đá trong lòng Trái Đất, gây ra hiện tuợng di dời thềm lục địa và sinh ra núi lửa. Các phản ứng hạt nhân trong lòng Trái Đất sẽ tắt dần và nhiệt độ lòng Trái Đất sẽ nguội dần, nhanh hơn nhiều so với tuổi thọ của mặt Trời. Địa nhiệt có thể là nguồn năng lượng sản xuất công nghiệp quy mô vừa, trong các lĩnh vực như: Nhà máy điện địa nhiệt; Sưởi ấm địa nhiệt 1.1.2.3. Nguồn gốc từ động năng hệ Trái Đất - Mặt Trăng Trường hấp dẫn không đều trên bề mặt Trái Đất gây ra bởi Mặt Trăng, cộng với trường lực quán tính ly tâm không đều tạo nên bề mặt hình elipsoit của thủy quyển Trái Đất (và ở mức độ yếu hơn, của khí quyển Trái Đất và thạch quyển Trái Đất). Hình elipsoit này cố định so với đường nối Mặt Trăng và Trái Đất, trong khi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
5 Trái Đất tự quay quanh nó, dẫn đến mực nước biển trên một điểm của bề mặt Trái Đất dâng lên hạ xuống trong ngày, tạo ra hiện tượng thủy triều. Sự nâng hạ của nước biển có thể làm chuyển động các máy phát điện trong các nhà máy điện thủy triều. Về lâu dài, hiện tượng thủy triều sẽ giảm dần mức độ, do tiêu thụ dần động năng tự quay của Trái Đất, cho đến lúc Trái Đất luôn hướng một mặt về phía Mặt Trăng. Thời gian kéo dài của hiện tượng thủy triều cũng nhỏ hơn so với tuổi thọ của Mặt Trời. 1.1.2.4. Các nguồn năng lượng tái tạo nhỏ Ngoài các nguồn năng lượng nêu trên dành cho mức độ công nghiệp, còn có các nguồn năng lượng tái tạo nhỏ dùng trong một số vật dụng: - Một số đồng hồ đeo tay dự trữ năng lượng lắc lư của tay khi con người hoạt động thành thế năng của lò xo, thông qua sự lúc lắc của một con quay. Năng lượng này được dùng để làm chuyển động kim đồng hồ. - Một số động cơ có rung động lớn được gắn tinh thể áp điện chuyển hóa biến dạng cơ học thành điện năng, làm giảm rung động cho động cơ và tạo nguồn điện phụ. Tinh thể này cũng có thể được gắn vào đế giầy, tận dụng chuyển động tự nhiên của người để phát điện cho các thiết bị cá nhân nhỏ như PDA, điện thoại di động... - Hiệu ứng điện động giúp tạo ra dòng điện từ vòi nước hay các nguồn nước chảy, khi nước đi qua các kênh nhỏ xíu làm bằng vật liệu thích hợp. - Các ăngten thu dao động điện từ (thường ở phổ radio) trong môi trường sang năng lượng điện xoay chiều hay điện một chiều. Một số đèn nhấp nháy gắn vào điện thoại di động thu năng lượng sóng vi ba phát ra từ điện thoại để phát sáng, hoạt động theo cơ chế này. 1.1.3. Vấn đề khai thác năng lƣợng tái tạo ở Việt Nam Theo một báo cáo của Bộ Công Thương, hiện nay Việt Nam có đến 7 dạng NLTT có tiềm năng khai thác. NL gió: tiềm năng 8% diện tích toàn lãnh thổ, đã đo xác định 1800MW, hiện khai thác 1.25MW; NL mặt trời: tiềm năng 4-5kWh/m2/d, hiện khai thác 1.2KW; Thủy điện nhỏ: hiện khai thác 300MW/4000MW tiềm năng; NL sinh khối: hiện khai thác 150MW/800MW tiềm năng; Rác thải: hiện khai thác 2.4MW/350MW tiềm năng; Khí sinh học: hiện khai thác 2MW/150MW tiềm năng; NL địa nhiệt: hiện khai thác 0MW/340MW tiềm năng. Theo đó có thể thấy NL gió và NL mặt trời là hai nguồn NLTT có tiềm năng lớn nhất. Tuy nhiên, đây lại là 2 nguồn NLTT được khai thác ít nhất cả về công suất và hiệu quả. Có rất nhiều nguyên nhân, trong đó nguyên nhân về mặt kinh tế (chi phí đầu tư ban Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
6 đầu quá cao, quy mô đầu tư lớn, giá thành sản phẩm không cạnh) và các chính sách hỗ trợ của Nhà nước đang là rào cản lớn đối với việc phát triển nguồn NL này. Thủy điện nhỏ hiện đang được khai thác với công suất lớn nhất (hơn 300MW). Tuy nhiên, theo Thạc sĩ Nguyễn Minh Việt – Viện Thủy điện và Năng lượng tái tạo, tỉ lệ các trạm thủy điện nhỏ ngừng hoạt động trên cả nước là 61%. Tổng công suất của các trạm đang còn hoạt động chỉ vào khoảng 3% tiềm năng và chỉ đạt khoảng 50 đến 70% công suất thiết kế.Nguyên nhân là do: năng suất không ổn định do những bất ổn của thời tiết và biến đổi khí hậu; và thủy điện nhỏ chưa được đầu tư đúng mức. Xét về hiệu quả khai thác (tỉ lệ công suất khai thác so với tiềm năng) thì NL sinh khối đang được khai thác nhiều và hiệu quả nhất (18.75%). NL sinh khối là nguồn năng lượng được khai thác chủ yếu từ các phụ phẩm nông nghiệp (trấu, bã mía, rơm rạ…). NL sinh khối ở Việt Nam hiện nay vẫn chưa phát triển, quá trình thương mại hóa vẫn còn hạn chế. Cho đến nay, chỉ có 33 trên tổng số 43 nhà máy mía đường của Việt Nam sử dụng hệ thống đồng phát nhiệt điện bằng bã mía với tổng công suất lắp đặt 130MW. Ngoài ra, sinh khối được sử dụng ở vùng nông thôn như nguồn nguyên liệu phục vụ đun nấu với quy mô nhỏ và chưa có công nghệ thích hợp nên hiệu suất thấp. Bảng 0.1: Công suất năng lượng tái tạo khai thác tại Việt Nam STT Loại nguồn Công suất (MW) 1 Thủy điện nhỏ 3000 2 Gió 52 3 Mặt trời 3 4 Sinh khối 152 5 Rác thải sinh hoạt 8 Tổng cộng 3215 Thực trạng khai khác năng lượng tái tạo còn rất nhỏ so với tiềm năng chiếm khoảng 3,4%. Trong khi đó theo Quy hoạch điện VII, chỉ tiêu được đặt ra là tăng tỷ lệ điện năng sản xuất từ các nguồn NLTT chiếm 3,5% năm 2010 lên 4,5% và 6% vào năm 2020 và năm 2030. Với bối cảnh hiện nay và dự báo trong thời gian tới cần có giải pháp cụ thể để nâng mức phát triển năng lượng tái tạo cao hơn. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
7 1.1.4. Xu thế phát triển điện gió và điện mặt trời tại Việt Nam Trong giai đoạn vừa qua, đã có nhiều công trình nghiên cứu phát triển nguồn năng gió và mặt trời. + Đối với điện gió: Nhà máy phát điện sức gió đầu tiên ở Việt nam phải kể đến là nhà máy đặt tại huyện đảo Bạch Long Vĩ, Hải Phòng. Có công suất 800KW và với số vốn đầu tư 14 tỷ đồng thì thời gian hoàn vốn 7 đến 8 năm (giá bán điện tính trung bình 750VNĐ/KWh) Sau đó là nhà máy phát điện sức gió kết hợp với máy phát điện Diesel có tổng vốn đầu tư 200 tỷ đồng, cho đến nay đã thực hiện song giai đoạn 2 và đang tiếp tục thực hiện giai đoạn 3 trong các năm 2009 - 2012 với tổng công suất lên đến 10MW. Việt Nam cũng đã có một dự án điện gió với công suất 50 MW, đó là nhà máy điện gió Phương Mai ở Bình Định phục vụ cho Khu Kinh tế Nhơn Hội, tuy nhiên tiến độ rất chậm so với kế hoạch vì thế khó có thể đánh giá được hiệu quả kinh tế. Nhà máy Phong điện 1 là dự án điện gió có quy mô lớn đầu tiên tại Việt Nam do Công ty cổ phần Năng lượng tái tạo Việt Nam (REVN) làm chủ đầu tư. Vào năm 2011, toàn bộ dự án sẽ hoàn thành và đi vào hoạt động với 80 tua-bin, có tổng công suất là 120 MW. 1.500 ha của dự án chủ yếu được quy hoạch trên vùng đất bạc màu, chỉ có cây bụi và những rẫy dưa còi cọc. Giai đoạn một gồm 20 tua-bin chiều cao cột 85 m, đường kính cánh quạt 77 m, công suất 1,5 MW, tổng trọng lượng tua- bin là 89,4 tấn, cột tháp là 165 tấn. Toàn bộ thiết bị do Fuhrlaender, hãng chế tạo thiết bị điện gió nổi tiếng thế giới của Đức cung cấp và được Công ty Fuhrlaender Việt Nam lắp đặt. Tổng mức đầu tư giai đoạn một gần 820 tỷ đồng. Khi cả 20 tổ máy đi vào hoạt động ổn định, sản lượng điện mà nó mang lại vào khoảng 100 triệu kWh/năm. Đây không phải là một con số lớn nhưng lại vô cùng có ý nghĩa, nó mở đầu cho ngành công nghiệp điện gió Việt Nam. + Đối với điện mặt trời: Các hệ thống phát năng lượng điện mặt trời ở nước ta chưa phát triển được thành nhà máy phát điện. Tuy nhiên cũng đã có một số hệ thống phát điện năng lượng mặt trời công suất nhỏ như hệ thống năng lượng pin mặt trời đặt tại Trường ĐHKTCN Thái nguyên do tổ chức phi chính phủ Singapor tài trợ, mái nhà điện mặt Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
8 trời của TS. Nguyễn Thị Tố thành phố Hồ Chí Minh, bộ pin mặt trời Usolar (thiết bị nhập ngoại từ Hoa Kỳ) … Việc khai thác nguồn năng lượng mặt trời ở nước ta còn nhiêu hạn chế, khai thác và sử dụng năng lượng mặt trời ở nước ta còn đang ở qui mô nhỏ lẻ và tập trung chủ yếu vào việc nghiên cứu, sử dụng trực tiếp năng lượng mặt trời (hệ thống đun nước nóng), các nghiên cứu về hệ thống pin mặt trời và hòa vào lưới điện hầu như chưa có.Nguồn năng lượng từ mặt trời có thể khai thác được ở nhiều nơi, ngay cả trong trung tâm các thành phố. Có nhiều hướng khai thác năng lượng mặt trời phục vụ cho sinh hoạt con người, trong đó xu hướng biến đổi năng lượng mặt trời thành điện năng chiếm xu thế chủ đạo. 1.2. Năng lƣợng mặt trời [1, 7, 8] Năng lượng mặt trời thu được trên trái đất là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ mặt trời đến Trái đất. Mặt trời là quả cầu lửa khổng lồ, trong lòng nó diễn ra phản ứng nhiệt hạch với nhiệt độ rất cao lên tới hàng triệu 0C. Trái đất sẽ tiếp tục nhận được dòng năng lượng này cho đến khi phản ứng hạt nhân trên mặt trời cạn kiệt, ước chừng của các Nhà khoa học là khoảng 5 tỷ năm nữa. Như vậy năng lượng mặt trời được coi là như vô tận so với chuẩn mực của đời sống con người. Mặt trời liên tục bức xạ ra không gian xung quanh với mật độ công suất khoảng 1353 W/m2 , đó chính là nguồn gốc của mọi sự sống trên trái đất. Khi xuyên qua khí quyển của trái đất một phần năng lượng mặt trời bị hấp thụ. Kết quả tính toán cho thấy năng lượng mặt trời phân bố trên bề mặt trái đất với mật độ năng lượng trung bình, cứ mỗi mét vuông hàng năm nhận được năng lượng từ mặt trời tương đương với khoảng 1,5 thùng dầu. Các nghiên cứu của con người đem lại có thể trực tiếp thu lấy năng lượng này thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển năng lượng của bức xạ mặt trời (BXMT) thành điện năng (pin mặt trời). Năng lượng của các photon cũng có thể được hấp thụ để làm nóng các vật thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, ứng dụng cho bình đun nước mặt trời, các nhà máy nhiệt điện Mặt trời, các hệ thống máy điều hòa mặt trời, v.v... Trường hợp khác, năng lượng của các photon có thể được hấp thụ và chuyển hóa thành năng lượng trong các liên kết hóa học của các phản ứng quang hóa, v.v. Tiềm năng của năng lƣợng mặt trời trên thế giới: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
9 Tiềm năng về năng lượng mặt trời của các nước trên thế giới là rất lớn. Tuy nhiên, phân bố không đều, mạnh nhất ở vùng xích đạo và những khu vực khô hạn, giảm dần về phía hai địa cực. Tiềm năng kinh tế của việc sử dụng năng lượng Mặt trời phụ thuộc vào vị trí địa điểm trên Trái đất, phụ thuộc vào đặc điểm khí hậu, thời tiết cụ thể của vùng miền. Theo số liệu thống kê bức xạ trung bình của một địa điểm trên thế giới vào khoảng 2000 kWh/m2/năm, bảng 1. 2. Bảng 1. 2 Bảng tổng hợp tiềm năng của năng lượng Mặt trời Chỉ số chất lượng Công suất có thể Bức xạ Mặt trời Khu vực trung bình DNI khai thác [1000 TWh] [kWh/tháng/năm] [1000 TWh/năm] North America 11,500 2410 1,150 South America 13,500 2330 1,350 Africa/Europe/Asia 73,500 2600 7,350 Pacific 23,000 2950 2,300 Total 121,500 12,150 Tiềm năng của năng lƣợng mặt trời ở Việt Nam: Về mặt vị trí địa lý, Việt Nam được hưởng một nguồn năng lượng mặt trời vô cùng lớn. Trải dài từ vĩ độ 23023’ Bắc đến 8027’ Bắc, Việt Nam nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao. Trong đó, nhiều nhất phải kể đến thành phố Hồ Chí Minh, tiếp đến là các vùng Tây Bắc (Lai Châu, Sơn La, Lào Cai) và vùng Bắc Trung Bộ (Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh), bảng 1. 3. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
10 Bảng 1. 3 Số liệu về bức xạ năng lượng Mặt trời của các vùng ở Việt Nam Vùng Giờ nắng Bức xạ Khả năng trong năm kcal/cm2/năm ứng dụng Đông Bắc 1500-1700 100-125 Thấp Tây Bắc 1750-1900 125-150 Trung bình Bắc Trung Bộ 1700-2000 140-160 Tốt Tây Nguyên, Nam TB 2000-2600 150-175 Rất tốt Nam Bộ 2200-2500 130-150 Rất tốt Trung bình cả nước 1700-2500 100-175 Tốt 1.3. Mô hình sử dụng năng lƣợng mặt trời trong hệ thống cung cấp điện Như đã phân tích, đặc điểm chung của các nguồn điện sử dụng năng lượng tái tạo đó là phân tán, công suất nhỏ và đang được hoàn thiện dần về chất lượng điện năng cung cấp. Hiện tại, các nguồn điện điện thuộc dạng này chủ yếu được khai thác dưới các hình thức sau: Mạng điện độc lập, mạng điện có kế nối lưới và dần dần tiến đến trong tương lai gần là mạng điện thông minh. Đối với những vùng sâu vùng xa, nơi mà điện lưới quốc gia không có điều kiện vươn tới, như những khu vực biên giới hải đảo thì việc thiết lập một mạng điện độc lập là giải pháp duy nhất. Trước đây, nguồn cung cấp cho mạng điện độc lập chủ yếu là máy phát điện diesel với công suất từ vài chục đên một vài trăm kW. Ngày nay, việc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo cho mạng điện độc lập đang được phổ cập. Ví dụ như: hệ pin mặt trời, điện sức gió, điện đại dương, V.V. Mô hình mạng điện độc lập nguồn năng lượng tái tạo được phát triển đa dạng cả về loại nguồn và cấu trúc sơ đồ, đa dạng về công suất từ nhỏ đến vừa phù hợp cho cắc đối tượng ứng dụng khác nhau, thậm chí dùng riêng cho một phụ tải hay một hộ gia đình. Ví dụ như trên các hình vẽ sau; Sơ đồ trên hình 1. 4 mô tả một mạng điện với nguồn được sử dụng ở đây là dạng pin mặt trời gồm các module kết nối thành hệ nguồn PV Array có điện áp và công suất phù hợp. Pin sản sinh ra điện một chiều qua bộ điều khiển nạp cho ắc quy có dung lượng 3116 Wh/ ngày. Từ ắc quy, một nhánh cấp trực tiếp cho tủ lạnh chạy điện dc, một nhánh khác thông qua biến tần dc/ac cấp cho các tải xoay chiều trong gia đình. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
11 Hình 1.1: Mô hình điện mặt trời cho hộ gia đình 1.4. Định hƣớng nghiên cứu Đề tài tập trung vào việc xây dựng cấu trúc điều khiển và nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển nhằm nâng cao chất lượng sử dụng năng lượng mặt trời trong hệ thống điện (có kể đến nối lưới) bằng bộ điều khiển mờ và có so sánh chất lượng điều khiển mờ với bộ điều khiển PID. 1.5. Kết luận chƣơng Chương 1 đã giải quyết được một số vấn đề sau: - Giới thiệu những vấn đề cơ bản về năng lượng tái tạo. - Phân tích tổng quan về tiềm năng và việc sử dụng năng lượng mặt trời. - Lựa chọn phương pháp điều khiển mờ để điều khiển hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời. Trên cơ sở các nghiên cứu bước đầu về hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời, trong chương 2 sẽ đi sâu nghiên cứu về cấu trúc điều khiển cho hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
12 CHƢƠNG 2 CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƢỚI 2.1. Mô tả hệ thống điện mặt trời nối lƣới 2.1.1. Sơ đồ khối hệ thống Hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời (còn gọi là hệ thống phát điện sử dụng năng lượng tái tạo) là một hệ thống cho phép năng lượng khai thác nguồn năng lượng mặt trời thông qua một bộ biến đổi điện tử công suất để biến thành điện xoay chiều 1 pha hoặc 3 pha có tần số 50Hz (hoặc 60Hz) cung cấp trực tiếp cho tải hoặc nối với lưới điện quốc gia hoặc lưới điện khu vực. Hệ thống này rất linh hoạt trong lắp đặt và sử dụng và là một bộ phận không thể thiếu được của lưới điện thông minh. Trong phạm vi đề tài, chỉ tập trung nghiên cứu hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời biến đổi thành điện xoay chiều nối với lưới điện 1 pha tần số 50Hz. Những kết quả nghiên cứu của hệ thống này cũng dễ dàng áp dụng cho hệ thống 3 pha. Hình 2.1 minh họa một hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời nối lưới một pha [11, 12]: Hình 2.1: Hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời nối lưới Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn