Nghiên cứu thuật toán điều khiển sạc tối ưu của hệ thống pin năng lượng mặt trời
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.58 MB, 22 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
HUỲNH LÂM NGỌC TÂM
NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN SẠC TỐI ƯU
CỦA HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 605250
S K C0 0 4 6 8 1
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
HUỲNH LÂM NGỌC TÂM
NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN SẠC TỐI ƯU
CỦA HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 605250
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
HUỲNH LÂM NGỌC TÂM
NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN SẠC TỐI ƯU
CỦA HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 605250
Hướng dẫn khoa học:
TS. TRƯƠNG ĐÌNH NHƠN
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015
Luận văn Thạc sĩ
GVHD: TS. Trương Đình Nhơn
LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:
Họ & tên: Huỳnh Lâm Ngọc Tâm
Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 11/03/1978
Nơi sinh: Tiền Giang
Quê quán: Tiền Giang
Dân tộc: Kinh
Địa chỉ liên lạc: 36, YerSin, phường 4, thành phố Mỹ Tho, tỉnh Tiền Giang
Điện thoại cơ quan: 073 3 886 288
Điện thoại riêng: 0972933386
Fax: 073 3 886 289
Email:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung học chuyên nghiệp: Không
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính quy; Thời gian đào tạo từ 10/1997 đến 05/2002
Nơi học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh
Ngành học: Điện Khí hóa và Cung cấp điện
Luận án tốt nghiệp: Tính toán máy biến áp một pha công suất nhỏ bằng ngôn ngữ lập
trình Matlab
Ngày & nơi bảo vệ luận án tốt nghiệp: 03/2002 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ
thuật thành phố Hồ Chí Minh
Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Trọng Thắng
3. Thạc sĩ:
Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ: 10/2013 đến 10/2015
Nơi học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh
Ngành học: Kỹ thuật điện
Tên luận văn: Nghiên cứu thuật toán điều khiển sạc tối ưu của hệ thống pin năng
lượng mặt trời
Ngày & nơi bảo vệ luận văn: Ngày 25/10/2015, tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ
thuật Thành phố Hồ Chí Minh
Người hướng dẫn: TS. Trương Đình Nhơn
HVTH: Huỳnh Lâm Ngọc Tâm
i
Luận văn Thạc sĩ
GVHD: TS. Trương Đình Nhơn
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:
Thời gian
Nơi công tác
Công việc đảm nhiệm
05/2002
Cty chế biến thực phẩm Tân Tân
Nhân viên bảo trì
02/2003
BCH Quân sự tỉnh Tiền Giang
Chiến sĩ thông tin
05/2005
Cty tư vấn thiết kế điện Phúc Thiên
Kỹ sư thiết kế
04/2006
Đến nay
Trung tâm Khuyến công và Tư vấn
PTCN – Sở Công Thương Tiền Giang
Trưởng phòng tư vấn
phát triển công nghiệp
HVTH: Huỳnh Lâm Ngọc Tâm
ii
Luận văn Thạc sĩ
GVHD: TS. Trương Đình Nhơn
LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố
trong bất kỳ công trình nào khác
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 10 năm 2015
Huỳnh Lâm Ngọc Tâm
HVTH: Huỳnh Lâm Ngọc Tâm
iii
Luận văn Thạc sĩ
GVHD: TS. Trương Đình Nhơn
LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian học tập và nghiên cứu hoàn thành luận văn tốt nghiệp, tôi đã nhận
được rất nhiều sự động viên và giúp đỡ.
Trước tiên, tôi xin chân thành cảm ơn TS. Trương Đình Nhơn, người Thầy đã dành
nhiều thời gian tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt
quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn tốt nghiệp.
Xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Quý Thầy – Cô, đặc biệt là thầy cô Khoa
Điện - Điện tử Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh đã trang bị cho
tôi những kiến thức quý báo trong những năm học tập tại Trường.
Xin cảm ơn tất cả bạn bè, đồng nghiệp đã đồng hành trong suốt quá trình nghiên cứu.
Xin chân thành cảm ơn gia đình và những người thân yêu đã luôn động viên giúp đỡ,
là chỗ dựa tinh thần vững chắc cho tôi vượt qua những khó khăn trong thời gian học tập và
nghiên cứu hoàn thành luận văn tốt nghiệp.
Cuối cùng, xin cảm ơn Ban Lãnh đạo Sở Công Thương Tiền Giang, Trung tâm
Khuyến công và Tư vấn phát triển công nghiệp đã tạo điều kiện cho tôi trong suốt thời gian
học tập tại Trường.
Trân trọng!
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 10 năm 2015
Học viên thực hiện
Huỳnh Lâm Ngọc Tâm
HVTH: Huỳnh Lâm Ngọc Tâm
iv
Luận văn Thạc sĩ
GVHD: TS. Trương Đình Nhơn
TÓM TẮT
Việc thiếu hụt nguồn năng lượng đang là vấn đề nghiêm trọng với nhiều quốc gia
trên thế giới. Để giải quyết vấn đề trên thì các nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là nguồn
năng lượng mặt trời đang được xem là nguồn năng lượng bổ sung. Nhưng khó khăn chính
của việc sử dụng nguồn năng lương mặt trời là chi phí đầu tư cao, hiệu suất thấp. Trong
luận văn này chỉ giải quyết vấn đề tối ưu về công suất. Giải thuật tìm điểm công suất cực
đại của hệ thống pin quang điện được đề xuất trong luận văn này đó là giải thuật P&O.
Việc mô phỏng này được thực hiện bằng phần mềm Matlab/Simulink. Có thể kết
luận từ kết quả nghiên cứu rằng giải thuật đề xuất có thể làm tăng hiệu suất của bộ sạc
trong hệ thống pin mặt trời.
HVTH: Huỳnh Lâm Ngọc Tâm
v
Luận văn Thạc sĩ
GVHD: TS. Trương Đình Nhơn
ABSTRACT
The lack of energy is a serious problem for many countries around the world. To
solve the above problem, renewable energy sources, especially solar energy is being
considered as a additional energy source. But the main difficulty of using solar energy is
the high investment cost, low perfomance. This thesis only solves the optimization
problem of power. P&O algorithm to find the maximum power point of the photovoltaic
system is proposed.
The simulation results were performed by using Matlab/Simulink software. It can be
concluded from the simulation results that the proposed algorithm can improve the
efficient of the PV charger for the studied PV system.
HVTH: Huỳnh Lâm Ngọc Tâm
vi
Luận văn Thạc sĩ
GVHD: TS. Trương Đình Nhơn
MỤC LỤC
Trang
Quyết định giao đề tài
Xác nhận hoàn thành luận văn
Lý lịch khoa học....................................................................................................................... i
Lời cam đoan.......................................................................................................................... iii
Lời cảm ơn.............................................................................................................................. iv
Tóm tắt..................................................................................................................................... v
Abstract................................................................................................................................... vi
Mục lục.................................................................................................................................. vii
Danh mục các chữ viết tắt ...................................................................................................... x
Danh mục các hình ................................................................................................................ xi
Danh mục các bảng.............................................................................................................. xiv
Chương 1: TỒNG QUAN
1.1 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu.......................................................................... 1
1.2 Lý do chọn đề tài................................................................................................... 9
1.3 Mục đích của đề tài............................................................................................... 9
1.4 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài....................................................................... 10
1.5 Phương pháp nghiên cứu ................................................................................... 10
1.6 Điểm mới của luận văn ...................................................................................... 10
1.7 Giá trị thực tiễn của luận văn............................................................................ 11
1.8 Nội dung của luận văn........................................................................................ 11
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Các loại quang điện ............................................................................................ 12
2.1.1 Pin quang điện bán dẫn Silic............................................................ 12
2.1.1.1 Cấu tạo của pin quang điện Silic ................................................ 13
2.1.1.2 Nguyên lý hoạt động của pin quang điện Silic........................... 14
2.1.2 Pin quang điện nhạy cảm chất màu DSC......................................... 15
HVTH: Huỳnh Lâm Ngọc Tâm
vii
Luận văn Thạc sĩ
GVHD: TS. Trương Đình Nhơn
2.1.3 Pin quang điện dạng keo nước ........................................................ 18
2.1.4 Mô hình toán của pin mặt trời ......................................................... 18
2.2 Điểm làm việc cực đại của pin mặt trời .......................................................... 22
2.3 Hệ thống pin mặt trời ......................................................................................... 24
2.4 Các bộ biến đổi bán dẫn trong hệ thống pin mặt trời ................................... 26
2.4.1 Bộ biến đổi DC/DC.......................................................................... 26
2.4.2 Các loại biến đổi DC/DC ................................................................ 27
2.4.3 Điều khiển bộ biến đổi DC/DC ....................................................... 32
2.5 Phương pháp dò tìm điểm công suất cực đại MPPT .................................... 33
2.5.1 Giới thiệu chung................................................................................. 33
2.5.2 Nguyên lý dung hợp tải ...................................................................... 35
2.5.3 Thuật toán xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất MPPT ............ 36
2.5.4 Phương pháp điều khiển MPPT.................................................................. 38
2.5.4.1 Phương pháp điều khiển PI .................................................................. 39
2.5.4.2 Phương pháp điều khiển trực tiếp......................................................... 39
2.5.4.3 Phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu ra.................................. 40
2.5.5 Giới hạn của MPPT ..................................................................................... 41
2.6 Bộ lưu trữ năng lượng ........................................................................................ 42
2.6.1 Các loại ắc quy ............................................................................................. 42
2.6.1.1 Ắc quy chì – axít .................................................................................... 42
2.6.1.1 Ắc quy kiềm ........................................................................................... 43
2.6.2 Các đặc tính ắc quy...................................................................................... 43
2.6.2.1 Dung lượng............................................................................................. 43
2.6.2.2 Điện áp ngưỡng thấp nhất ..................................................................... 43
2.6.2.3 Điện áp hở mạch .................................................................................... 43
2.6.3 Chế độ làm việc của ắc quy (ắc quy chì – axít).......................................... 44
2.6.3.1 Nạp ắc quy.............................................................................................. 44
2.6.3.2 Ắc quy phóng......................................................................................... 44
2.6.4 Các chế độ của bộ nguồn nạp ắc quy.......................................................... 44
HVTH: Huỳnh Lâm Ngọc Tâm
viii
Luận văn Thạc sĩ
GVHD: TS. Trương Đình Nhơn
2.6.4.1 Nạp với dòng không đổi........................................................................ 45
2.6.4.2 Nạp với áp không đổi ............................................................................ 46
2.6.4.3 Nạp nổi ................................................................................................... 46
2.6.5 Các sự cố cần bảo vệ của ắc quy chì - axít ................................................. 47
2.6.6 Các tiêu chí lựa chọn ắc quy........................................................................ 47
2.6.7 Các thông số đặc trưng của ắc quy ............................................................. 48
2.6.7.1 Đặc tính phóng....................................................................................... 48
2.6.7.2 Các phương pháp nạp cho ắc quy......................................................... 49
2.6.7.2.1 Nạp với dòng điện không đổi ......................................................... 50
2.6.7.2.2 Nạp với điện áp không đổi.............................................................. 51
2.6.7.2.3 Phương pháp nạp dòng áp............................................................... 52
Chương 3: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ KẾT
QUẢ THUẬT TOÁN
3.1 Mô hình mô phỏng một phần tử pin mặt trời................................................. 54
3.2 Nghiên cứu Solar cell ......................................................................................... 54
3.2.1 Khi điện trở nối tiếp Rs thay đổi...................................................... 54
3.2.2 Khi Is thay đổi.................................................................................. 56
3.2.3 Khi thay đổi nhiệt độ T .................................................................... 57
3.3 Phân tích giải thuật P&O.......................................................................... 58
3.4 Mô hình hóa hệ thống pin năng lượng mặt trời ....................................... 59
3.5 Kết quả mô phỏng .................................................................................... 62
Chương 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
4.1 Các vấn đề được thực hiện trong luận văn ..................................................... 65
4.2 Đề nghị và hướng phát triển của luận văn...................................................... 65
Tài liệu tham khảo ....................................................................................................... 66
Phụ lục.......................................................................................................................... 68
HVTH: Huỳnh Lâm Ngọc Tâm
ix
Luận văn Thạc sĩ
GVHD: TS. Trương Đình Nhơn
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
- PV (Photovoltaic): Pin quang điện, biến quang năng thành điện năng
- MPP (Maximum Power Point): Điểm công suất cực đại
- MPPT (Maximum Power Point Tracking): Dò tìm điểm công suất cực đại
- Hệ MPPT: Ứng dụng điều khiển cho pin quang điện photovoltaic (PV)
- P&O (Perturb & Observe): Thuật toán quan sát và nhiễu loạn (biến đổi để đạt đến
điểm cực đại), còn gọi là phương pháp “Hill climbing: Leo đồi”
- IncCond (Incremental Conductance): Thuật toán độ dẫn
- AC (Alternating Current): Dòng điện xoay chiều
- DC (Direct Current): Dòng điện một chiều
- CC (Constant Current): Giải thuật dòng điện không đổi
- CV (Constant Voltage): Giải thuật điện áp không đổi
- PD (Proportional Integral Derivative): Điều khiển tỉ lệ vi phân.
- PI (Proportional Integral Derivative): Điều khiển tỉ lệ tích phân.
- PID (Proportional Integral Derivative): Điều khiển tỉ lệ tích phân vi phân.
- PWM (Pulse-width modulation): Điều chế độ rộng xung
- IR (Infrared): Tia hồng ngoại
- UV ( UltraViolet): Tia cực tím
- AM (Air Mass ratio): Tỷ số khối khí Phổ bức xạ
- FF (Fill Factor): Là hệ số lấp đầy
HVTH: Huỳnh Lâm Ngọc Tâm
x
Luận văn Thạc sĩ
GVHD: TS. Trương Đình Nhơn
DANH MỤC CÁC HÌNH
Trang
Hình 1.1. Dự báo nhu cầu điện của Việt Nam 1995 – 2030 ............................................... 3
Hình 1.2. Bản đồ cường độ bức xạ mặt trời ở Việt Nam .................................................... 5
Hình 2.1. Pin quang điện ..................................................................................................... 12
Hình 2.2. Cấu tạo pin quang điện Silic ............................................................................... 13
Hình 2.3. Sơ đồ cấu trúc của pin quang điện Silic ............................................................. 13
Hình 2.4. Nguyên lý hoạt động của pin quang điện........................................................... 14
Hình 2.5. Pin quang điện nhạy cảm chất màu DSC........................................................... 15
Hình 2.6. Cấu tạo của Pin quang điện nhạy cảm chất màu DSC...................................... 16
Hình 2.7. Nguyên lý hoạt động của Pin quang điện nhạy cảm chất màu DSC ............... 17
Hình 2.8. Mô phỏng Pin quang điện lá nhân tạo................................................................ 18
Hình 2.9. Mạch điện tương đương của pin mặt trời........................................................... 18
Hình 2.10. Mô hình pin mặt trời lý tưởng .......................................................................... 20
Hình 2.11. Mô đun pin mặt trời........................................................................................... 20
Hình 2.12. Đặc tuyến I-V với bức xạ khác nhau................................................................ 21
Hình 2.13. Đặc tuyến P-V với bức xạ khác nhau............................................................... 22
Hình 2.14. Đặc tuyến I-V, P-V của pin mặt trời với điểm công suất cực đại .................. 22
Hình 2.15. Các điểm MPP dưới các điều kiện môi trường thay đổi................................. 23
Hình 2.16. Sơ đồ khối hệ quang điện làm việc độc lập ..................................................... 24
Hình 2.17. Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp Buck ................................................................... 27
Hình 2.18. Dạng sóng điện áp và dòng điện của mạch Buck............................................ 28
Hình 2.19. Sơ đồ nguyên lý mạch Boost............................................................................ 30
Hình 2.20. Dạng sóng dòng điện của mạch Boost............................................................. 30
Hình 2.21. Sơ đồ nguyên lý mạch Buck – Boost............................................................... 31
Hình 2.22. Mạch vòng điều khiển điện áp.......................................................................... 32
Hình 2.23. Mạch vòng dòng điện phản hồi........................................................................ 33
HVTH: Huỳnh Lâm Ngọc Tâm
xi
Luận văn Thạc sĩ
GVHD: TS. Trương Đình Nhơn
Hình 2.24. Tấm pin mặt trời được mắc trực tiếp với một tải thuần trở có thể thay đổi giá trị
điện trở được.......................................................................................................................... 34
Hình 2.25. Đường đặc tính làm việc của pin và của tải thuần trở có giá trị điện trở thay đổi
được........................................................................................................................................ 34
Hình 2.26. Tổng trở vào Rin được điều chỉnh bằng D ..................................................... 36
Hình 2.27. Đường đặc tính làm việc của pin khi cường độ bức xạ thay đổi ở cùng một
mức nhiệt độ.......................................................................................................................... 36
Hình 2.28. Đặc tính làm việc I – V của pin khi nhiệt độ thay đổi ở cùng một mức cường
độ bức xạ................................................................................................................................ 37
Hình 2.29. Phương pháp tìm điểm làm việc công suất lớn nhất P&O ............................. 37
Hình 2.30. Lưu đồ thuật toán Phương pháp P&O ............................................................. 39
Hình 2.31. Sơ đồ khối phương pháp điều khiển MPPT sử dụng bộ bù PI....................... 40
Hình 2.32. Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển trực tiếp MPPT............................... 40
Hình 2.33. Mối quan hệ giữa tổng trở vào của mạch Boost và hệ số làm việc D............ 45
Hình 2.34. Các chế độ nạp ắc quy....................................................................................... 48
Hình 2.35. Đặc tính phóng của ắc quy................................................................................ 50
Hình 2.36. Sơ đồ đặc tính nạp với dòng điện không đổi ................................................... 51
Hình 3.1. Mô hình mô phỏng một phần tử pin mặt trời .................................................... 54
Hình 3.2. Đặc tuyến I-V, P-V khi thay đổi Rs ................................................................... 55
Hình 3.3. Đặc tuyến I-V và P-V khi Is thay đổi................................................................. 56
Hình 3.4. Đặc tuyến I-V và P-V khi T thay đổi ................................................................. 57
Hình 3.4. Lưu đồ giải thuật P&O........................................................................................ 58
Hình 3.5. Mô hình MPPT phương pháp P&O điều khiển sạc trong hệ thống pin năng
lượng mặt trời........................................................................................................................ 59
Hình 3.6. Mô phỏng hệ thống pin năng lượng mặt trời..................................................... 60
Hình 3.7. Sơ đồ tổng quát thuật toán P&O và mạch tăng giảm điện áp........................... 60
Hình 3.8. Mô phỏng mạch Buck - Boost............................................................................ 60
Hình 3.9. Mô phỏng mạch sạc ắc quy lưu trữ .................................................................... 61
Hình 3.10. Mô phỏng mạch Boost điện áp......................................................................... 61
HVTH: Huỳnh Lâm Ngọc Tâm
xii
Luận văn Thạc sĩ
GVHD: TS. Trương Đình Nhơn
Hình 3.11. Mô phỏng mạch Boost điện áp......................................................................... 61
Hình 3.12. Độ rọi thay đổi ngẫu nhiên trong thời gian 4 giây........................................... 62
Hình 3.13. Điện áp ra của pin mặt trời khi chưa có thuật toán MPPT.............................. 62
Hình 3.14. Sơ đồ bộ điều khiển MPPT sử dụng thuật toán P&O..................................... 62
Hình 3.15. Điện áp ra của pin mặt trời khi sử dụng thuật toán P&O................................ 63
Hình 3.16. So sánh điện áp ra của pin mặt trời................................................................... 63
Hình 3.17. Dòng điện nạp vào của ắc quy.......................................................................... 64
Hình 3.18. Đặc tính V_I của ắc quy.................................................................................... 64
HVTH: Huỳnh Lâm Ngọc Tâm
xiii
Luận văn Thạc sĩ
GVHD: TS. Trương Đình Nhơn
DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1.1. Dự báo nhu cầu năng lượng điện 2015 - 2030.................................................... 4
Bảng 1.2. Lượng tổng xạ bức xạ mặt trời trung bình ngày của các tháng trong năm ở một
số địa phương của nước ta...................................................................................................... 5
Bảng 3.1. Giá trị Vm, Pm khi Rs thay đổi ...................................................................... 55
Bảng 3.2. Giá trị Vm, Pm khi Is thay đổi ....................................................................... 56
Bảng 3.3. Giá trị Vm, Pm khi T thay đổi ........................................................................ 58
HVTH: Huỳnh Lâm Ngọc Tâm
xiv
Luận văn Thạc sĩ
GVHD: TS. Trương Đình Nhơn
Chương 1
TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu
Năng lượng có vai trò đặc biệt quan trọng trong việc duy trì mức tăng trưởng
kinh tế cao, cải thiện đời sống nhân dân, góp phần đảm bảo an ninh chính trị, an
ninh năng lượng và phát triển bền vững của mỗi quốc gia.
Ngày nay, do sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật, các ngành công
nghiệp sử dụng các dạng năng lượng tăng mạnh (phụ tải tăng). Cùng với sự biến đổi
khí hậu diễn biến phức tạp nên việc sử dụng năng lượng ngày càng tăng, nguồn
năng lượng thiên nhiên khai thác tăng nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng năng lượng
trên toàn cầu, nguồn năng lượng hóa thạch thì có hạn, con người khai thác đến một
lúc nào đó sẽ hết, sẽ dần cạn kiệt, hơn nữa việc khai thác và sử dụng nguồn năng
lượng hóa thạch, thủy điện,…đã để lại cho con người những hậu quả về tác động
môi trường là vô cùng lớn. Cụ thể, khi sử dụng nguồn nguyên liệu này thải ra môi
trường các loại khí độc làm ô nhiễm bầu khí quyển từ đó làm thay đổi khí hậu, tác
động xấu đến cuộc sống của con người trong hiện nay và trong tương lai.
Ngày nay, khi tiềm năng thủy điện được khai thác gần hết, còn nguyên liệu
như than đá, dầu khí thì không có khả năng tái tạo và sẽ cạn kiệt trong tương lai,
còn năng lượng nguyên tử chứa đựng nhiều yếu tố nguy hiểm do sự độc hại của nó
thì việc nghiên cứu tìm ra các nguồn năng lượng mới và sạch đã trở thành yêu cầu
cấp thiết của nhiều quốc gia, đặc biệt là các nước đang phát triển và đã đạt được
nhiều thành công nhất định như sự ra đời của các nhà máy phát điện dùng năng
lượng gió, năng lượng mặt trời với công suất lên tới hàng ngàn MW. Tuy nhiên các
nguồn năng lượng này tương đối phụ thuộc vào tự nhiên. Hòa cùng xu hướng phát
triển về khoa học kỹ thuật trên thế giới, thì trong những năm gần đây hoạt động
nghiên cứu năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng mặt trời nói riêng ở nước ta
triển khai khá mạnh mẽ bởi tính ưu việc của nó như luôn có sẵn, siêu sạch và gần
như vô tận. Vì vậy, chúng ta cần nghiên cứu và ứng dụng nguồn năng lượng vô tận
này một cách tốt nhất và hiệu quả nhất.
HVTH: Huỳnh Lâm Ngọc Tâm
1
Luận văn Thạc sĩ
GVHD: TS. Trương Đình Nhơn
Chính vì vậy, việc tập trung chỉ đạo, đầu tư cho phát triển nguồn năng lượng
luôn được Đảng và Nhà nước ta chú trọng, đặc biệt là nguồn năng lượng tái tạo như
năng lượng mặt trời, năng lượng sinh khối, gió, thủy điện.
Hiện nay, năng lượng gió tạo ra trên thế giới hàng năm tăng 20% với sản
lượng điện năng năm 2011 đạt 238.000 MW và tổng sản lượng năng lượng mặt trời
trên toàn thế giới đã đạt 67.000 MW. Trên thực tế, hệ thống năng lượng mặt trời với
công suất lớn có thể cung cấp tin cậy một phần năng lượng trên toàn thế giới.
Trong khi đó ở Việt Nam, theo chiến lược phát triển năng lượng quốc gia giai
đoạn từ năm 2011 đến năm 2020 và tầm nhìn đến năm 2030 đã được Thủ tướng
chính phủ phê duyệt, lượng năng lượng tái tạo và năng lượng mới sẽ đạt mức 5,6%
tổng sản lượng điện quốc gia vào năm 2020 và tăng trưởng đến mức 9,4% vào năm
2030. Vì nguồn năng lượng này có nhiều ưu điểm như chi phí bảo dưỡng thấp, an
toàn cho người sử dụng, không gây ô nhiễm môi trường và đặc biệt nguồn tài
nguyên này vô cùng phong phú.
Việt Nam có vị trí địa lý nằm gần đường xích đạo nên chúng ta có nguồn năng
lượng tái tạo vô cùng lớn, đặc biệt năng lượng mặt trời có cường độ bức xạ tương
đối cao, với bức xạ trung bình đạt 4 đến 5 kWh/m2 mỗi ngày. Các khu vực có
cường độ ánh sáng cao phải kể đến khu vực phía Nam có những khu vực cường độ
ánh sáng lên đến 5 kWh/m2 thời gian nắng lên đến 7000 h/năm. Như vậy có thể nói
ở khu vực phía Nam là nơi thuận lợi để khai thác tiềm năng năng lượng mặt trời.
Các khu vực còn lại như ở phía Bắc do điều kiện khí hậu 4 mùa thay đổi do đó thời
gian có năng ở khu vực này không cao, cường độ ánh sáng trung bình thấp, chỉ có
một vài tháng hè có cường độ ánh sáng cao nhưng tính thời gian trung bình có nắng
trong năm lại thấp do đó ở các khu vực này khó sử dụng pin mặt trời hơn, nếu sử
dụng thì sản lượng điện thu được cũng không cao do đó tính hiệu quả kinh tế sẽ
thấp.
Kinh tế Việt Nam đã có bước phát triển khá nhanh trong những năm gần đây.
Mức sống của người dân đặc biệt là khu đô thị ngày một nâng cao do đó nhu cầu sử
dụng điện năng với chất lượng cao cũng tăng. Theo các tính toán dự báo thì các
HVTH: Huỳnh Lâm Ngọc Tâm
2
Luận văn Thạc sĩ
GVHD: TS. Trương Đình Nhơn
nguồn năng lượng truyền thống như dầu mỏ, than đá đang dần cạn kiệt, không có đủ
khả năng cấp năng lượng cho việc phát triển kinh tế. Việt Nam đang mong muốn
khai thác và sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời
và cũng đã có một số chủ trương chính sách cho việc này. Cho đến nay đã có các
hợp tác quốc tế và trợ giúp cho các doanh nghiệp nhỏ và vừa (SME) Việt Nam
trong việc nghiên cứu khảo sát thị trường và ứng dụng năng lượng tái tạo trong cuộc
sống: VBCF, IPP, GIZ, SECO, USAid, ADB, WB...
Theo số liệu thống kê chính thức, tốc độ tăng trưởng GDP bình quân của Việt
Nam là 7,03% năm trong vòng một thập kỷ vừa qua. Kết quả của sự phát triển này
là GDP bình quân đầu người của Việt Nam tăng lên đáng kể và Việt Nam trở thành
một quốc gia có thu nhập trung bình vào năm 2011. Với việc phát triển kinh tế như
vậy, nhu cầu về điện của Việt Nam tăng rất nhanh theo thời gian.
Hình 1.1. Dự báo nhu cầu điện của Việt Nam 1995 – 2030
(nguồn: N.T. Nguyen, M. Ha-Duong / Energy Policy 37 (2009) 1601–1613)
Như vậy, nhu cầu năng lượng tăng 4 lần từ năm 2013 đến 2030 (N.T. Nguyen,
M.Ha-Duong / Energy Policy 37 (2009) 1601–1613). Việt nam sẽ thiếu 70% năng
lượng điện cho phát triển kinh tế, bắt buộc phải nhập khẩu điện. Việc thiếu điện ở
Việt Nam đã xảy ra vào các năm 2005 – 2009, dự báo tình trạng thiếu điện sẽ gia
tăng trong thời gian tới. Năm 2010, điện năng sản xuất toàn hệ thống điện quốc gia
HVTH: Huỳnh Lâm Ngọc Tâm
3
Luận văn Thạc sĩ
GVHD: TS. Trương Đình Nhơn
đạt 100,071tỷ kWh bao gồm cả sản lượng điện bán cho Campuchia, sản lượng điện
toàn quốc là 99,106tỷ kWh chưa tính sản lượng điện bị tiết giảm, tăng 14,37% so
với năm 2009. Mức tăng trưởng này cao hơn tốc độ tăng trung bình các năm gần
đây (1999 ~ 2009) chỉ là 13,84%. Về nhu cầu phụ tải năm 2010, công suất cực đại
đạt cao nhất là 15.416MW tăng 11,64% so với năm 2009 (Tô Quốc Trụ - Trung
tâm Tư vấn Năng lượng Việt Nam). Theo các phân tích trên đây, thì việc phát triển
máy phát điện năng lượng mặt trời là rất cần thiết khi khu vực thành phố sẽ có nguy
cơ thiếu điện.
Bảng 1.1. Dự báo nhu cầu năng lượng điện 2015 - 2030
Năm
Dự báo nhu cầu năng
lượng điện (tỷ kWh)
Thị phần năng lượng tái tạo (%)
2015
194 - 210
3,5
2020
330 - 362
4,5
2030
695 - 834
6,0
(Nguồn: Quyết định 1208/QĐ-TTg ngày 21/7/2011 về việc phê duyệt quy hoạch
phát triển điện quốc gia giai đoạn 2011-2020 tầm nhìn đến năm 2030)
Ở các nước có nền công nghiệp điện mặt trời phát triển, Chính phủ có các
chính sách hỗ trợ lớn để khuyến khích các hộ gia đình, các cơ quan hành chính sử
dụng hệ thống điện mặt trời nối lưới. Hiện nay, chi phí đầu tư hệ thống điện mặt trời
nối lưới ở các nước trên thế giới là vào khoảng 7$/W. Tại Việt Nam, Thủ tướng
Chính phủ đã ký Quyết định 1208/QD-TTg ngày 21/7/2011 về việc phê duyệt quy
hoạch phát triển điện quốc gia giai đoạn 2011-2020 tầm nhìn đến năm 2030 (Bảng
1.1), bao gồm các nội dung chính sau:
- Nhu cầu điện trong được dự báo 194-210 tỷ kWh vào năm 2015, 330-362 tỷ
kWh vào năm 2020 và 695-834 tỷ kWh vào năm 2030.
- Ưu tiên năng lượng tái tạo trong sản xuất điện, điện từ năng lượng tái tạo để
thị phần từ 3,5% năm 2010 lên 4,5% trong năm 2020 và 6,0% trong năm 2030.
- Đẩy nhanh chương trình điện khí hóa nông thôn. Nhắm mục tiêu gần 100%
xã có điện trong năm 2020.
HVTH: Huỳnh Lâm Ngọc Tâm
4
S
K
L
0
0
2
1
5
4
