Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển cho hệ thống phát điện pin mặt trời tối đa hóa lượng điện năng thu được

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:74

Thêm vào BST

Báo xấu

1
lượt xem 0
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển cho hệ thống phát điện pin mặt trời tối đa hóa lượng điện năng thu được" trình bày các nội dung chính sau: Khái quát về năng lượng tái tạo và hệ thống phát điện pin mặt trời; Thuật toán tìm điểm công suất cực đại; Thiết kế bộ điều khiển xoay theo vị trí mặt trời.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển cho hệ thống phát điện pin mặt trời tối đa hóa lượng điện năng thu được

LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là : Trần Anh Tú Sinh ngày 13 tháng 10 năm 1989 Học viên lớp cao học K18 – Kỹ thuật điện – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Hiện đang công tác tại Trường trung cấp nghề Dân tộc nội trú Thái Nguyên. Tôi xin cam đoan: Bản luận văn: ‘‘ Nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển cho hệ thống phát điện pin mặt trời tối đa hóa lượng điện năng thu được ’’ do thầy giáo TS. Nguyễn Minh Ý hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cá các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc rõ ràng. Các kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Nếu sai tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm. Thái nguyên, Ngày tháng năm 201 Tác giả luận văn Trần Anh Tú 1
LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian nghiên cứu, được sự động viên, giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của thầy giáo hướng dẫn TS Nguyễn Minh Ý, luận văn với đề tài “Nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển cho hệ thống phát điện pin mặt trời tối đa hóa lượng điện năng thu được” đã hoàn thành. Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến: Thầy giáo hướng dẫn TS. Nguyễn Minh Ý đã tận tình hướng dẫn và cung cấp cho tác những tài liệu để hoàn thành luận văn này, cũng như việc truyền thụ những kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian làm luận văn. Phòng quản lý đào tạo sau đại học, các thầy giáo, cô giáo Khoa Điện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập cũng như trong quá trình nghiên cứu đề tài. Toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và người thân đã quan tâm, động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn. Tác giả luận văn Trần Anh Tú 2
MỤC LỤC Danh mục các ký hiệu và viết tắt NLMT Năng lượng mặt trời NLTT Năng lượng tái tạo MPPT Maximum power point Thuật toán tìm điểm công suất cực đại tracking MPP Maximum power point Điểm công suất cực đại PV Photovaltaic Pin Mặt trời DC DC Bộ biến đổi một chiều sang một chiều DC AC Bộ biến đổi một chiều sang xoay chiều Danh mục các bảng Bang ̉ Tên bang̉ Trang 1.1 Công suất năng lượng tái tạo khai thác ở Việt Nam 18 1.2 Số liệu về bức xạ năng lượng Mặt trời của các vùng ở Việt Nam 18 3.1 Các thiết bị cần thiết để thiết kế dàn pin mặt trời xoay hai trục 66 3
Danh mục các hình vẽ, đồ thị Hinh ̀ Tên hinh ̀ Trang 1.1 Sơ đồ khối của hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời. 19 2.1 Mạch tương đương của modul PV 23 2.2 Quan hệ I(U) và P(U) của PV 24 2.3 Thuật toán tìm MPP theo phương pháp P&O 25 2.4 Trường hợp không hội tụ của phương pháp P&O 26 2.5 Phương pháp INC 27 2.6 Phương pháp ANN 31 2.7 Hệ thống suy diễn mờ 32 2.8 Thuật toán theo dõi MPP ở chế độ làm việc không lý tưởng 35 2.9 Nguyên lý làm việc của bộ buck converter 35 2.10 Chế độ làm việc của bộ buck converter 36 Sự biến thiên điện áp và dòng theo thời gian trong hoạt động bộ 2.11 36 biến đổi buck lý tưởng trong chế độ liên tục Sự biến thiên điện áp và dòng theo thời gian trong hoạt động bộ 2.12 38 biến đổi buck lý tưởng trong chế độ không liên tục 2.13 Mạch lọc tần số thấp 39 2.14 Mạch lọc tần số cao 40 2.15 Đồ thị dạng xung điều chế PWM 40 2.16 Mạch nguyên lý điều khiển tải bằng PWM 41 2.17 Sơ đồ xung của van điều khiển và đầu ra 41 2.18 Tạo xung vuông bằng phương pháp so sánh 42 2.19 Sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển động cơ DC 43 2.20 Đường đặc tính P-V và thuật toán P&O 44 Lưu đồ thuật toán P&O điều khiển thông qua điện áp tham 2.21 45 chiếu Vref 2.22 Mạch điều khiển tìm điểm công suất cực đại 47 3.1 Quỹ đạo quay của Trái Đất quanh Mặt Trời 48 3.2 Góc giữa mặt trời và đường xích đạo 49 3.3 Góc cao độ β và góc phương vị ΦS 50 3.4 Tia bức xạ trực tiếp, bức xạ tán xạ và bức xạ phản xạ 50 3.5 Cường độ bức xạ ngoài khí quyển ngày quang đãng 51 3.6 Chùm tia bức xạ trục tiếp, bức xạ tán xạ, bức xạ phản xạ 52 3.7 Dàn pin mặt trời cố định 53 Đồ thị mô tả mức năng lượng thu được của tia bức xạ trực tiếp 3.8 53 trong một ngày 3.9 Đồ thị mô tả mức năng lượng thu được của tia bức xạ tán xạ 54 4
trong một ngày Đồ thị mô tả mức năng lượng thu được của tia bức xạ phản xạ 3.10 55 trong một ngày Dàn pin mặt trời một trục xoay theo hướng Đông – Tây và một 3.11 55 trục hướng về phía Nam và nghiêng một góc bằng vĩ độ (a) dàn pin mặt trời xoay một góc 150/ 1h. 3.12 56 (b) Dàn pin nhìn từ Bắc Cực xuống. 3.13 Năng lượng thu được của bức xạ trực tiếp 56 3.14 Năng lượng thu được của bức xạ tán xạ 57 3.15 Năng lượng thu được của bức xạ phản xạ 58 Dàn pin mặt trời xoay hai trục theo hướng Bắc Nam và Đông 3.16 59 – Tây 3.17 Năng lượng thu được của bức xạ trực tiếp 59 3.18 Năng lượng thu được của bức xạ tán xạ 60 3.19 Năng lượng thu được của bức xạ phản xạ 60 3.20 Tổng năng lượng dàn pin mặt trời nhận được trong 1 ngày/m 2 61 3.21 Tổng năng lượng dàn pin mặt trời nhận được trên 1m2/1 năm 62 3.22 Sơ đồ khối dàn pin mặt trời xoay hai trục 62 3.23 Các cảm biến quang trở được lắp trên dàn pin mặt trời 63 3.24 Cảm biến quang trở 63 3.25 Điện trở của LDR ở điều kiện ánh sáng khác nhau 64 3.26 Mô đun TB6560 65 3.27 Vị trí các cảm biến được bố trí trên dàn pin mặt trời 67 3.28 Kết nối LDR với Arduino 67 3.29 Kết nối Aruino với TB6560 và động cơ bước 68 Mô hình dàn pin mặt trời xoay hai trục 3.30 68 (1): động cơ bước; (2): Cơ cấu cơ khí Mô hình dàn pin mặt trời xoay hai trục. 3.31 (3): Cảm biến quang trở; (4): Tấm pin mặt trời; (5) Modul 69 TB6560; (6) Ắc qui; (7) Mạch tìm điểm công suất cực đại. 3.32 Lưu đồ thuật toán điều khiển xoay hai trục theo hướn mặt trời 69 3.33 Đồ thị công suất của tấm pin mặt trời 70 3.34 Đồ thị dòng điện của tấm pin mặt trời 71 3.35 Đồ thị điện áp của tấm pin mặt trời 72 3.36 Đồ thị độ rộng xung 72 3.37 Đồ thị công suất của tấm pin mặt trời 73 3.38 Đồ thị dòng điện của tấm pin mặt trời 73 3.39 Đồ thị điện áp của tấm pin mặt trời 74 3.40 Đồ thị độ rộng xung 74 5
3.41 Đồ thị công suất của tấm pin mặt trời 75 3.42 Đồ thị dòng điện của tấm pin mặt trời 76 3.43 Đồ thị điện áp của tấm pin mặt trời 76 3.44 Đồ thị độ rộng xung 77 6
MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Nhu cầu về năng lượng của con người trong thời đại khoa học kỹ thuật phát triển ngày càng tăng. Trong khi đó các nguồn nguyên liệu dự trữ như than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên và ngay cả thủy điện đều có hạn, việc khai thác và sử dụng không hợp lý khiến cho nhân loại đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng và gây ra nhiều hậu quả nghiêm trọng. Nguồn nguyên liệu hóa thạch sử dụng ở các nhà máy nhiệt điện đã thải ra môi trường lượng khí CO2 rất lớn, lượng CO2 này hàng triệu năm sau các loài thực vật mới hấp thụ hết. Việc khai thác than đã làm nhiều hồ thủy lợi lớn bị ô nhiễm, tài nguyên rừng bị suy thoái , gây cạn kiệt dòng sinh thuỷ, gây ngập úng và hạn hán cục bộ, làm bồi lắng lòng hồ, ảnh hưởng không nhỏ đến đời sống dân sinh các khu vực lân cận. Không những vậy mà mà nó còn làm ô nhiễm mỗi trường và làm trái đất nóng dần lên. Dầu mỏ là nguyên liệu hóa thạch được sử dụng nhiều nhất trên thế giới, tuy nhiên việc khai thác và sử dụng chưa hợp lý đã làm ảnh hưởng lớn đến môi trường. Các vụ tràn dầu mỏ trên biển làm ảnh hưởng lớn đến môi trường, các hợp chất trong dầu tràn tác động như một chất độc đối với sinh vật, nếu tồn tại trong môi trường thời gian dài thì chúng sẽ phá hủy hệ sinh thái. Dầu tràn lảm thiệ hại về kinh tế cho các hoạt động ven biển, cho người sử dụng biển và cho việc khắc phục phục ô nhiễm. Nguồn năng lượng nguyên tử được nhiều nước trên thế giới sử dụng trong các nhà máy điện hạt nhân song nó chưa thực sự an toàn và còn chứa đựng nhiều rủi ro. Việc để rò rỉ chất thải phóng xạ và sự cố của các nhà máy đã gây hậu quả nghiêm trọng đến đời sống (Năm 1979 sự cố nghiêm trọng tại nhà máy điện hạt nhân Three Mile Island ở Mỹ khiến quốc gia này phải tạm ngừng xây dựng các lò phản ứng. Năm 1986 nhà máy điện hạt nhân Chernobyl bị nổ, đây được coi là vụ tai nạn hạt nhân trầm trọng nhất trong lịch sử năng lượng hạt nhân và nó đã làm cho đám mây phóng xạ lan rộng ra Đông Âu, Tây Âu, đông Hoa Kỳ gây ô nhiễm nghiêm trọng. Năm 2011 sự cố nhà máy điện Fukushima 1 ở Nhật Bản do thảm họa của động đất và sóng thần đã gây tác động rất nghiêm trọng về người và của, nhất là 7
lượng phóng xạ lan rộng đến các vùng khác. Tại Việt Nam cũng đã đo được bụi phóng xạ tại một số nơi sau vụ nổ nhà máy điện Fukushima.) Tuy nguồn nước sản suất điện là năng lượng sạch và bền vững, không tiêu thụ nhiên liệu, không xả khí thải độc hại đến môi trường nhưng nó lại tàn phá nặng nề môi trường sinh thái ở một số phương diện khác. Thảm thực vật bị phân hủy trong tình trạng bị ngập nước dưới đáy hồ khiến sản sinh ra khí metan, một loại khí nhà kính nguy hiểm. Các con đập đã ngăn chặn mất của những người nông dân vùng hạ lưu dòng phù sa màu mỡ và các loại thủy sản. Những vụ xả hồ chứa bất ngờ để chống quá tải đập trước một cơn lũ bất ngờ gây lũ lụt cho vùng hạ lưu, cuốn trôi nhà cửa, tài sản, hoa màu và cướp đi sinh mạng của nhiều người. Chính vì vậy mà chúng ta cần phải đẩy mạnh nghiên cứu sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo để dần thay thế các nguồn nguyên liệu hóa thạch truyền thống, trong đó, năng lượng mặt trời chính là nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm, không cạnh tranh nguồn nhiên liệu mà ta cần phải hướng tới trong tương lai. Việt nam được xem là một quốc gia có tiềm năng rất lớn về năng lượng mặt trời, số giờ nắng trung bình khoảng 1700-2500 giờ/năm, bức xạ mặt trời trung bình 5 kWh/m2/ngày. Hiện nay, việc sử dụng năng lượng mặt trời (NLMT), thay thế cho việc sử dụng các nguồn năng lượng điện được sản xuất ra nhờ các nguồn nguyên liệu hóa thạch truyền thống như than đá, dầu mỏ, khí đốt,… đã trở nên rất phổ biến tại các quốc gia phát triển. Việc ứng dụng các giải pháp để sử dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam còn rất mới mẻ. Trong khi đó, Việt nam được đánh giá là một quốc gia có tiềm năng rất lớn về nguồn năng lượng tái tạo này. Đây lại là nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm, không cạnh tranh nguồn nhiên liệu. Tuy nhiên do công nghệ còn mới mẻ nên hiện tại giá thành 1kW/h còn cao so với thuỷ điện, nhiệt điện. Ở Việt Nam hầu hết các hệ thống năng lượng mặt trời thường được lắp cố định nên năng lượng thu được còn chưa cao. Chính vì vậy mà việc “ Nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển cho hệ thống phát điện pin mặt trời tối đa hóa lượng điện năng thu được” là rất cần thiết. 8
2. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển cho hệ thống phát điện pin mặt trời (Photovoltaics) đảm bảo tối đa hóa lượng điện năng thu được. Bộ điều khiển gồm 02 phần: + Điều khiển bám điểm công suất cực đại: Điều khiển điện áp đầu ra của pin mặt trời thông qua điều khiển độ rộng xung (PWM) của bộ biến đổi năng lượng DC/DC; cho phép tối đa hóa năng lượng chuyển hóa thành điện năng (hiệu suất) của pin mặt trời. + Điều khiển cơ cấu xoay hệ thống theo vị trí mặt trời: Điều khiển cho hệ thống pin mặt trời luôn vuông góc với ánh sáng mặt trời, thu được nhiều tia bức xạ nhất. 3. Nội dung nghiên cứu + Nghiên cứu về nguồn năng lượng mặt trời. + Nghiên cứu các công nghệ phát điện mặt trời và các yếu tố ảnh hưởng đến chế độ làm việc của nguồn điện năng lượng mặt trời. + Nghiên cứu bộ biến đổi năng lượng sử dụng trong hệ thống phát điện pin mặt trời. + Nghiên cứu thuật toán điều khiển bám công suất cực đại (maximum power point tracking). + Nghiên cứu các cơ cấu xoay, bám mặt trời (1 trục, 2 trục) sử dụng trong nguồn điện mặt trời. 4. Kết quả đạt được Mô hình hệ thống phát điện pin mặt trời hoàn chỉnh. 5. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích đánh giá và hệ thống hóa các công trình nghiên cứu được công bố thuộc lĩnh vực liên quan: bài báo, sách tham khảo, tài liệu hướng dẫn,… - Nghiên cứu thực tiễn: Thiết kế và chế tạo hệ thống cơ cấu xoay bám mặt trời, bộ biến đổi năng lượng sử dụng trong hệ thống phát điện pin mặt trời và lập trình bộ 9
vi xử lý có sử dụng thuật toán điều khiển bám công suất cực đại (maximum power point tracking). 6. Các công cụ, thiết bị cần thiết cho nghiên cứu STT Tên thiết bị, dụng cụ Số lượng, Tình chủng loại trạng 1 Tấm pin năng lượng mặt trời 30W 1 Mới 2 Ắc qui 12V - 15A 1 Mới 3 Vi điều khiển Arduino 1 Mới 4 Thiết bị điện tử công suất 1 Mới 5 Động cơ điện (DC) 2 Mới 6 Cơ cấu cơ khí cho hệ thống xoay 1 Mới (bánh răng, trục, v.v.) 7 Thiết bị hiển thị LCD 1 Mới 7. Bố cục của luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận, luận văn được chia thành 04 chương như sau: + Chương 1: Khái quát về năng lượng tái tạo và hệ thống phát điện pin mặt trời. + Chương 2: Thuật toán tìm điểm công suất cực đại. + Chương 3: Thiêt kế bộ điều khiển xoay theo vị trí mặt trời. + Chương 4: Kết luận và kiến nghị. 10
CHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT VỀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO VÀ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN PIN MẶT TRỜI 1.1. Năng lượng tái tạo 1.1.1. Khái niệm về năng lượng tái tạo1 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. Vô hạn có 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 (thí dụ như năng lượng Mặt Trời) hoặc là năng lượng tự tái tạo trong thời gian ngắn và liên tục (thí dụ như 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. 1.1.2. Phân loại năng lượng tái tạo Nguồn năng lượng tái tạo bao gồm có: Năng lượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt, năng lượng thủy triều, năng lượng gió, thủy điện, sinh khối, nhiên liệu sinh học. Theo nguồn gốc xuất xứ ta phân năng lượng tái tạo thành ba loại như sau: 1.1.2.1. Nguồn gốc từ bức xạ Mặt trời 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 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 máy nhiệt điện của tháp Mặt Trời, hoặc vận động các hệ thống nhiệt như máy điều hòa Mặt Trời. Năng lượng của các photon cũng có thể được hấp thụ và chuyển hóa thành năng lượng trong các liên kết hóa học của các phản ứng quang hóa. 1 Https://vi.wikipedia.org/wiki/Năng_lượng_tái_tạo 11
1.1.2.2. Nguồn gốc 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). 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. 1.1.3. Vấn đề khai thác năng lượng tái tạo ở Việt Nam2 1.1.3.1. Thủy điện Căn cứ vào các báo cáo đánh giá gần đây nhất thì hiện nay có trên 1.000 địa điểm đã được xác định có tiềm năng phát triển thủy điện nhỏ, qui mô từ 100 kW tới 30 MW với tổng công suất đặt trên 7.000 MW và hiện nay mới chỉ khai thác được khoảng 50% tiềm năng. Theo báo cáo của Viện Chiến lược - Chính sách tài nguyên và môi trường, hiện tại có 114 dự án với tổng công suất khoảng 850 MW đã cơ bản hoàn thành, 228 dự án với công suất trên 2600 MW đang được xây dựng và 700 dự án đang giai đoạn nghiên cứu. Ngoài ra các dự án thủy điện cực nhỏ công suất dưới 100 kW phù hợp với vùng sâu, vùng xa, những nơi có địa hình hiểm trở có thể tự cung tự cấp theo lưới điện nhỏ và hộ gia đình cũng đã và đang được khai thác. 2 Lương Duy Thành, Phan Văn Độ, Nguyễn Trọng Tâm(9/2015), Thực trạng khai thác năng lượng tái tạo ở Việt Nam, Tạp chí khoa học kỹ thuật thủy lợi và môi trường – Số 50. 12
1.1.3.2. Điện gió Nằm trong khu vực cận nhiệt đới gió mùa với bờ biển dài hơn 3000 km, Việt Nam có một thuận lợi cơ bản để phát triển năng lượng gió. Trong chương trình đánh giá về năng lượng cho châu Á, Ngân hàng Thế giới đã có một khảo sát chi tiết về năng lượng gió khu vực Đông Nam Á, trong đó Việt Nam có tiềm năng gió lớn nhất. Hiện nay chưa có số liệu đánh giá tiềm năng năng lượng gió chính xác, nhưng sơ bộ các đánh giá khác nhau đưa ra con số tiềm năng năng lượng gió của Việt Nam dao động trong khoảng 1.700 MW – 9000 MW. Thậm chí có báo cáo còn đưa ra số liệu vào khoảng 513.360 MW, tức là bằng hơn 200 lần công suất của thủy điện Sơn La, cao gấp 6 lần công suất dự kiến của ngành điện vào năm 2020 và lớn hơn nhiều so với tiềm năng các nước trong khu vực như Thái Lan (152.392 MW), Lào (182.252 MW) và Campuchia (26.000 MW). Như vậy nếu so với tiềm năng của thủy điện thì nguồn năng lượng gió của Việt Nam rất dồi dào. Chúng ta đã bắt đầu triển khai một số dự án khai thác nguồn năng lượng này như ở Cà Mau, Bạc Liêu, Ninh Thuận và một số huyện đảo không thể đưa điện lưới từ đất liền ra. Tuy nhiên, hiện nay chúng ta mới chỉ khai thác được khoảng 50 MW, một con số rất khiêm tốn so với tiềm năng năng lượng gió của nước ta. 1.1.3.3. Năng lượng sinh khối Là một nước nông nghiệp, Việt Nam có tiềm năng rất lớn về nguồn năng lượng sinh khối. Các loại sinh khối chính là: gỗ củi, phế thải - phụ phẩm từ cây trồng, chất thải chăn nuôi, rác thải ở đô thị và các chất thải hữu cơ khác khác từ chế biến nông-lâm-hải sản... Theo đánh giá của các nghiên cứu gần đây, khả năng khai thác năng lượng sinh khối rắn cho năng lượng và phát điện của Việt Nam có thể đạt 150-170 triệu tấn mỗi năm và đạt công suất 2000MW. Sinh khối được sử dụng ở hai lĩnh vực chính là sản xuất nhiệt và sản xuất điện. Đối với sản xuất nhiệt, sinh khối cung cấp hơn 50% tổng năng lượng sơ cấp tiêu thụ cho sản xuất nhiệt tại Việt Nam. Ở các vùng nông thôn, năng lượng sinh khối vẫn là nguồn nhiên liệu chính để đun nấu cho hơn 70% dân số nông thôn. Đây cũng là nguồn nhiên liệu truyền thống cho nhiều nhà máy sản xuất tại địa phương như sản xuất thực phẩm, mỹ nghệ, gạch, sứ và gốm. Ngoài ra các nguồn sinh khối còn được khai thác ở dạng khí sinh học và 13
nhiên liệu sinh học. Hiện nay năng lượng sinh khối mới chỉ khai thác được khoảng 150 MW. 1.1.3.4. Năng lượng mặt trời Việt Nam được xem là một quốc gia có tiềm năng rất lớn về năng lượng mặt trời, đặc biệt ở các vùng miền trung và miền nam của đất nước, với cường độ bức xạ mặt trời trung bình khoảng 5 kWh/m 2. Trong khi đó cường độ bức xạ mặt trời lại thấp hơn ở các vùng phía Bắc, ước tính khoảng 4 kWh/m 2 do điều kiện thời tiết với trời nhiều mây và mưa phùn vào mùa đông và mùa xuân. Ở Việt Nam, bức xạ mặt trời trung bình 230-250 kcal/cm2 theo hướng tăng dần về phía Nam chiếm khoảng 2.000 - 5.000 giờ trên năm, với ước tính tiềm năng lý thuyết khoảng 43,9 tỷ TOE(tấn dầu tương đương) . Năng lượng mặt trời ở Việt Nam có sẵn quanh năm, khá ổn định và phân bố rộng rãi trên các vùng miền khác nhau của đất nước. Đặc biệt, số ngày nắng trung bình trên các tỉnh của miền trung và miền nam là khoảng 300 ngày/năm. Năng lượng mặt trời được khai thác sử dụng chủ yếu cho các mục đích như: sản xuất điện và cung cấp nhiệt. 1.1.3.5. Năng lượng địa nhiệt Là năng lượng được tách ra từ nhiệt trong lòng Trái Đất. Năng lượng này có nguồn gốc từ sự hình thành ban đầu của hành tinh, từ hoạt động phân hủy phóng xạ của các khoáng vật, và từ năng lượng mặt trời được hấp thụ tại bề mặt Trái Đất. Năng lượng địa nhiệt đã được sử dụng để nung và tắm kể từ thời La Mã cổ đại nhưng ngày nay nó được dùng để phát điện. Có khoảng 10 GW công suất điện địa nhiệt được lắp đặt trên thế giới đến năm 2007, cung cấp 0,3% nhu cầu điện toàn cầu. Thêm vào đó, 28 GW công suất nhiệt địa nhiệt trực tiếp được lắp đặt phục vụ cho sưởi, spa, các quá trình công nghiệp, lọc nước biển và nông nghiệp ở một số khu vực. Như vậy, hiện tại ở Việt Nam có 5 loại năng lượng tái tạo 3 đã được khai thác để sản xuất điện. Theo thống kê chưa đầy đủ, tổng công suất lắp đặt khoảng 1.215 MW. 3 Th.S. Hoàng Thị Thu Hường (04/2014), Thực trạng năng lượng tại tạo Việt Nam và hướng phát triển bền vững Kỳ 1 . 14
Bảng 1.1: Công suất năng lượng tái tạo khai thác ở Việt Nam STT Loại nguồn Công suất (MW) 1 Thủy điện nhỏ 1000 2 Sinh khối 152 3 Rác thải sinh hoạt 8 4 Mặt trời 3 5 Gió 52 Tổng cộng 1215 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. 1.2. Định hướng nghiên cứu đề tài Về mặt vị trí địa lý, Việt Nam được hưởng một nguồn NLTT vô cùng lớn, đặc biệt là năng lượng Mặt trời. Trải dài từ vĩ độ 23 023’ 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 1.2. Số liệu về bức xạ năng lượng Mặt trời của các vùng ở Việt Nam Giờ nắng trong Bức xạ Khả năng Vùng năm (h) (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 Trung Bộ 2000-2600 150-175 Rất tốt Nam Bộ 2200-2500 103-150 Rất tốt Trung bình cả nước 1700-2500 100-175 Tốt Năng lượng Mặt trời có nhiều ưu điểm như: Có tự nhiên, sạch, chi phí nhiên liệu và bảo dưỡng thấp, thân thiện với con người nói riêng cũng như vạn vật xung quanh… Phát triển ngành công nghiệp sản xuất năng lượng từ pin Mặt 15
trời (PV) sẽ góp phần thay thế một phần các nguồn năng lượng hóa thạch, giảm phát khí thải nhà kính, bảo vệ môi trường. Vì vậy, sử dụng năng lượng Mặt trời như một nguồn năng lượng tại chỗ và tiến đến kết nối lưới có ý nghĩa rất lớn về khoa học và thực tiễn. Góp phần đảm bảo cho cân băng năng lượng bền vững. Tuy nhiên, việc ứng dụng năng lượng Mặt trời ở Việt Nam cho đến nay chưa phát triển xứng với kỳ vọng. Trong đề tài này, chúng tôi tập chung nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển hoàn chỉnh cho hệ thống phát điện pin mặt trời (Photovoltaics) đảm bảo tối đa hóa lượng điện năng thu được. Bộ điều khiển gồm 02 phần: - Điều khiển bám điểm công suất cực đại: Điều khiển điện áp đầu ra của pin mặt trời thông qua điều khiển độ rộng xung (PWM) của bộ biến đổi năng lượng DC/DC sử dụng thuật toán điều khiển bám công suất cực đại (maximum power point tracking); cho phép tối đa hóa năng lượng chuyển hóa thành điện năng (hiệu suất) của pin mặt trời. - Điều khiển cơ cấu xoay hệ thống theo vị trí mặt trời: Điều khiển cho hệ thống pin mặt trời luôn vuông góc với ánh sáng mặt trời, thu được nhiều tia bức xạ nhất. 1.3. Hệ thống phát điện pin mặt trời 1.3.1. Sơ đồ khối hệ thống Hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời là một hệ thống khai thác nguồn năng lượng mặt trời thông qua một bộ biến đổi điện tử công suất để biến thành điện áp một chiều, điện áp xoay chiều 1 pha hoặc 3 pha có tần số 50Hz (hoặc 60Hz) để cung cấp cho tải hoặc nối lưới điện quốc gia hoặc nối lưới khu vực. Hệ thống này rất linh hoạt trong lắp đặt và sử dụng, là một bộ phận không thể thiếu trong lưới điện thông minh. Hình 1.1 : Sơ đồ khối của hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời 16
1.3.2. Ý nghĩa của các khối trong sơ đồ - Dàn pin Mặt trời : làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng mặt trời thành điện năng một chiều với công suất điện phụ thuộc vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ làm việc của pin mặt trời. - Khối bộ biến đổi một chiều – một chiều (DC - DC) có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều tương ứng với điểm công suất cực đại thành điện áp một chiều có giá trị phù hợp và ổn định. - Ắc quy sử dụng để tích trữ và phát dòng điện một chiều DC - Bộ biến đổi một chiều – xoay chiều (DC – AC) biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều, tần số 50Hz phù hợp với lưới điện để cung cấp cho tải. - Máy biến áp có nhiệm vụ tăng điện áp xoay chiều để truyền tải lên lưới. 1.4. Kết luận chương 1 Trong chương 1 tác giả đã nghiên cứu, tìm hiểu về : + Các dạng năng lượng tái tạo, phân loại các dạng năng lượng tái tạo, vấn đề khai thác năng lượng tái tạo ở Việt Nam. + Sơ đồ khối của hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời, ý nghĩa của các khối trong sơ đồ. 17
CHƯƠNG 2 THUẬT TOÁN TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI 2.1. Giới thiệu chung: 2.1.1. MPPT là gì? Điều khiển sạc MPPT là một điều khiển sạc bên trong có bộ vi xử lý sử dụng thuật toán MPPT để làm pin mặt trời hấp thu tối đa năng lượng bức xạ của mặt trời và nạp vào ắc quy. Điều khiển sạc MPPT bao gồm một bộ chuyển đổi DC/DC: nó lấy điện DC (một chiều) từ pin mặt trời, sau đó đổi lại điện DC để nạp vào bình ắc quy. Vì điều khiển sạc MPPT điều khiển tích cực và riêng biệt cho cả 2 đầu vào (pin mặt trời) và đầu ra (bình ắc quy) cho nên nó cần 2 dòng DC riêng biệt: Đối với kết nối đến pin mặt trời: bộ vi xử lý sử dụng thuật toán MPPT theo dõi đường cong dòng áp làm việc của pin mặt trời, ép pin mặt trời làm việc tại dòng và áp của điểm công suất cực đại MPP. Đối với kết nối bình ắc quy, điều khiển sạc cấp dòng DC nạp bình có đặc tính dòng nạp tối ưu: + Khi dòng từ pin mặt trời thấp, điều khiển sạc MPPT làm nhiệm vụ tăng, nâng dòng lên để nạp vào bình. + Khi dòng từ pin mặt trời cao, điều khiển sạc MPPT làm nhiệm vụ giảm, hạ dòng xuống để bảo vệ bình. Có thể thấy đối với thời tiết thay đổi, lượng bức xạ mặt trời khi thấp khi cao thì vai trò điều tiết của điều khiển sạc là rất lớn. Do vậy điều khiển sạc MPPT rất hữu dụng nhất là cho các hệ thống năng lượng mặt trời độc lập, sử dụng bình ắc quy và không có kết nối với lưới điện. 2.1.2. Các đặc tính chính của điều khiển MPPT. Theo dõi quan hệ dòng điện điện áp của pin mặt trời để tìm điểm năng lượng cực đại của đường cong I-U. 18
Thay đổi điện áp của pin mặt trời buộc pin mặt trời phải làm việc ở điểm năng lượng cực đại nhằm giúp pin mặt trời hấp thu tối đa năng lượng bức xạ mặt trời. Điều chỉnh dòng điện từ pin mặt trời phù hợp với điện áp bình ắc quy. Điều này giúp bạn có nhiều lựa chọn các sản phẩm pin mặt trời trong thiết kế vì chúng có nhiều điện áp khác nhau, ngay cả khi nó có điện áp cao hơn điện áp bình ắc quy. Nó còn giúp ta tiết kiệm chi phí cho dây dẫn. Thí dụ với trường hợp pin mặt trời đặt xa, ta phải dùng dây dẫn cỡ lớn để điện áp khi đến bình ắc quy không bị suy giảm. Khi có bộ điều khiển sạc, ta có thể dùng dây nhỏ hơn mà không làm giảm hiệu suất của pin mặt trời sạc vào bình. Điều khiển sạc MPPT khiến hệ thống làm việc đơn giản hơn và làm hiệu suất hệ thống tăng lên. 2.2. Mô hình toán học và đặc tính làm việc của pin mặt trời Mô hình toán học của tế bào quang điện đã được nghiên cứu trong nhiều thập kỷ qua. Mạch điện tương đương của mô hình tế bào quang điện bao gồm: Dòng quang điện, điốt, điện trở song song (dòng điện dò), điện trở nối tiếp được chỉ ra trên hình 2.1 ta có: (2.1) Trong đó : Igc - là dòng quang điện (A); Io - là dòng bão hòa (A) phụ thuộc vào nhiệt độ tế bào quang điện.; q - là điện tích của điện tử, q = 1,6.10-19C ; k - là hằng số Boltzman, k = 1,38.10-23J/K ; F - là là hệ số phụ thuộc vào công nghệ chế tạo pin (ví dụ công nghệ Si - mono F =1,2; công nghệ Si-Poly F=1,3…) Tc - là nhiệt độ tuyệt đối của tế bào (0K); Vd - là điện áp trên điốt (V); Rp - là điện trở song song. Hình 2.1 : Mạch tương đương của modul PV 19
Dòng quang điện Igc phụ thuộc trực tiếp vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ pin, được tính theo công thức : (2.2) Với : µsc là hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ của dòng ngắn mạch (A/0C); Tref là nhiệt độ tham chiếu của tế bào quang điện (0K); Tc là nhiệt độ làm việc của tế bào quang điện (0K); Isc là dòng điện ngắn mạch trong điều kiện tiêu chuẩn (nhiệt độ 25 0C và bức xạ mặt trời 1kW/m2); G là bức xạ mặt trời kW/m2 Dòng bão hòa I0 thay đổi theo nhiệt độ của tế bào quang điện theo biểu thức : (2.3) Trong đó: I0α là dòng điện bão hòa tại một bức xạ mặt trời và nhiệt độ tham chiếu; V g là năng lượng lỗ trống của chất bán dẫn được sử dụng làm tế bào; Voc là điện áp hở mạch của tế bào. Đặc tính làm việc của pin mặt trời thể hiện qua đường đặc tính I(U) hai thông số là điện áp hở mạch Uoc (khi dòng điện ra bằng 0) và dòng điện ngắn mạch Isc(khi điện áp ra bằng 0). Hình 2.2. Quan hệ I(U) và P(U) của PV Công suất của pin được tính theo công thức: 20