Nghiên cứu giải pháp tổng quát trong thiết kế tối ưu bộ điều khiển biến tần kết nối lưới dùng cho hệ thống điện mặt trời
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.98 MB, 98 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM
---------------------------
LÊ NGỌC TUÂN
NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TỔNG QUÁT
TRONG THIẾT KẾ TỐI ƯU BỘ ĐIỀU KHIỂN
BIẾN TẦN KẾT NỐI LƯỚI DÙNG CHO HỆ
THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 3 năm 2016
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM
---------------------------
LÊ NGỌC TUÂN
NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TỔNG QUÁT
TRONG THIẾT KẾ TỐI ƯU BỘ ĐIỀU KHIỂN
BIẾN TẦN KẾT NỐI LƯỚI DÙNG CHO HỆ
THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
CBHDKH: PGS, TS. NGÔ CAO CƯỜNG
THS. LÊ ĐÌNH LƯƠNG
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 3 năm 2016
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học :
PGS. TS. Ngô Cao Cường
ThS. Lê Đình Lương
Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM
ngày 12 tháng 03 năm 2016
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
TT
1
2
3
4
5
Họ và tên
PGS. TS. Dương Hoài Nghĩa
PGS. TS. Nguyễn Thanh Phương
TS. Đặng Xuân Kiên
PGS. TS. Lê Minh Phương
TS. Võ Hoàng Duy
Chức danh Hội đồng
Chủ tịch
Phản biện 1
Phản biện 2
Ủy viên
Ủy viên, Thư ký
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được
sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM
PHÒNG QLKH – ĐTSĐH
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
TP. HCM, ngày 15 tháng 01 năm 2016
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Lê Ngọc Tuân
Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 30/10/1980
Nơi sinh: Hà Nội
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
MSHV: 1441830027
I- Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TỔNG QUÁT TRONG THIẾT KẾ TỐI ƯU BỘ
ĐIỀU KHIỂN BIẾN TẦN KẾT NỐI LƯỚI DÙNG CHO HỆ THỐNG ĐIỆN
MẶT TRỜI
II- Nhiệm vụ và nội dung:
- Tìm hiểu và nghiên cứu về năng lượng mặt trời.
- Tìm hiểu về các bộ pin mặt trời.
- T m hiểu về giải thuật PSO trong hệ th ng điều khiển t động.
- Phân tích các ảnh hưởng của việc hòa hai nguồn điện.
- Xây d ng phương tr nh và giải thuật để tính toán bộ chuyển đổi năng lượng.
- Dùng phần mềm Matlab 7.0 mô phỏng khi hòa năng lượng mặt trời vào lưới điện
- phân ph i.
III- Ngày giao nhiệm vụ: 20/08/2015
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 15/01/2016
V- Cán bộ hướng dẫn: PGS. TS. Ngô Cao Cường - ThS. Lê Đình Lương
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
PGS. TS. Ngô Cao Cường
KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng 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.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này
đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn
gốc.
Học viên thực hiện Luận văn
Lê Ngọc Tuân
ii
LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy PGS, TS. Ngô Cao
Cường, thầy ThS. Lê Đình Lương và thầy PGS, TS Nguyễn Thanh Phương là
những người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện quyển
luận văn này.
Xin cám ơn trường quý Thầy Cô trường Đại Học Công Nghệ Tp.HCM, Khoa
Cơ - Điện - Điện Tử, Phòng Quản Lý Khoa Học - Đào Tạo Sau đại học, tập thể lớp
14SMĐ11 đã tạo điều kiện cho tôi thực hiện Luận văn này.
Tôi xin cảm ơn quý Thầy Cô trong Hội đồng đánh giá Luận văn đã nhiệt tình
góp ý chỉnh sửa để luận văn được hoàn chỉnh hơn.
Tôi xin cảm ơn các anh chị học viên và các đồng nghiệp đã hổ trợ và đóng góp
ý kiến để luận văn của tôi được hoàn thiện hơn.
Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và người thân đã luôn
ở bên tôi và động viên, giúp đỡ tôi rất nhiều để tôi hoàn thành khóa học này.
Người thực hiện luận văn
Lê Ngọc Tuân
iii
TÓM TẮT
Ngày nay, việc phát triển trong lĩnh vực năng lượng gió và năng lượng mặt
trời đã đạt được nhiều thành tựu đáng kể, đây là các lĩnh vực năng lượng sạch và vô
tận. Trong tình hình nhu cầu năng lượng ngày càng cao thì việc đa dạng hóa các
nguồn năng lượng từ các nguồn năng lượng mới và vô tận là một giải pháp hiệu quả
và luôn được khuyến khích phát triển. Các nguồn năng lượng này sẽ giảm bớt một
phần gánh nặng từ áp lực cung cấp điện năng của lưới điện, chủ yếu dựa vào nhiệt
điện và thủy điện của chúng ta hiện nay. Tuy nhiên, có một số hạn chế đó là công
suất nhỏ và phân tán. Để sử dụng có hiệu quả cần phải kết nối các nguồn năng
lượng này thông qua lưới điện phân phối hiện có bằng các bộ nghịch lưu có khả
năng kết nối với lưới điện xoay chiều.
Trong quá trình hoạt động của các bộ pin năng lượng mặt trời kết nối lưới điện
phân phối, ngoài việc phải hoạt động tại điểm có công suất lớn nhất th o sự thay đổi
của cường độ bức xạ mặt trời thì yêu cầu về tối thiểu hóa tổng độ m o dạng sóng
hài TH
là một yêu cầu cần phải đạt được để đảm bảo chất lượng điện năng trên
lưới điện. Để đạt được yêu cầu này, giải thuật tối ưu hóa bầy đàn PS
đã được
giới thiệu và ứng dụng trong việc xác định các hệ số điều khiển trong bộ điều khiển
dòng điện.
Luận văn tập trung xây dựng một giải thuật điều khiển bộ nghịch lưu kết nối
lưới AC có khả năng tự động ổn định và điều khiển dòng công suất tác dụng bơm
vào lưới điện phân phối luôn đạt giá trị cao nhất có thể thu được từ bộ pin năng
lượng mặt trời. Đồng thời, TH
thấp.
của dòng điện bơm vào lưới luôn được giữ ở mức
iv
ABSTRACT
Nowaday, wind and solar energy have been developing successfully, both
field are green and renewable resource. More and more higher energy demand in
our life need diversity of resource with enjoying of green and renewable is the
effective aproach, which are always encouraged. Those resource will redue demand
of energy from hydroelectric plant and thermoelectricity plant on power system.
However, solar energy have low rate power and dispersion. To increase efficiency
of solar energy need to connect them with power network via invertor, which can
link to power system.
The whole of operation of solar cell units link to power network, beside the
requirement the solar cell units must operate at the maximum power point, the
current was injected to power grid must have minimum total hamonic disturbance
(THD). Solving this requirement, Particle Swarm Optimization (PSO) theory was
introduced and implement in this thesis to determine controll factors of PI current
regulator.
This thesis present a new approach for invertor link to power system. They can
control active and reactive power were inject to power grid. Active power was
remained at maximum power was supplied by solar cell units. Reactive power was
remained approximately zero. It lead to power factor of device approximately 1. In
addition, THD of current is must remain in the minimum value.
v
MỤC LỤC
LỜI CAM Đ AN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii
TÓM TẮT ................................................................................................................. iii
ABSTRACT .............................................................................................................. iv
MỤC LỤC ...................................................................................................................v
MỤC LỤC C C H NH .......................................................................................... viii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .......................................................................... xi
CH ƠN 1
I I THI
.........................................................................................1
1.1 Đặt vấn đề ......................................................................................................... 1
1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ......................................................................................... 3
1.3 Phạm vi nghiên cứu........................................................................................... 3
1.4 Phương pháp nghiên cứu................................................................................... 3
1.5 Điểm mới của luận văn ..................................................................................... 4
1.6 Giá trị thực tiễn của luận văn ............................................................................ 4
1.7 Nội dung của luận văn ...................................................................................... 5
CH ƠN
T N Q AN.......................................................................................6
2.1 Tổng quan về pin năng lượng mặt trời ............................................................... 6
.1.1 Lịch sử phát triển pin mặt trời .....................................................................6
.1. Tình hình phát triển của pin mặt trời hiện nay.............................................8
.1. .1 Trên thế giới .......................................................................................8
.1. . Thực tế tại iệt Nam ........................................................................10
a. Tiềm năng phát triển năng lượng mặt trời tai iệt Nam ..........................10
b. Hiện trạng ứng dụng năng lượng mặt trời tại iệt Nam hiện nay ...........11
.1. Phân loại pin mặt trời .................................................................................13
.1.4 Cấu tạo và hoạt động của pin mặt trời Silic ...............................................14
.1.5 Cấu tạo và hoạt động của các loại pin mặt trời kiểu mới...........................17
2.1.5.1 Pin Mặt trời nhạy cảm chất màu DSC (Dye - sensitized solar cell) .....17
2.2 Tổng quan về kết nối bộ năng lượng mặt trời với lưới điện phân phối ........... 20
vi
2.2.1 Tính cần thiết của việc kết nối bộ pin mặt trời vào lưới điện phân phối ...20
. . Hòa đồng bộ hai máy phát .........................................................................22
. . .1 Hòa đồng bộ hai nguồn áp ................................................................23
. . . Phân tích các điều kiện hòa. ..............................................................25
a. Điều kiện về điện áp. .................................................................................25
b. Điều kiện tần số không thoả mãn. .............................................................25
c. Điều kiện về thứ tự pha. ............................................................................27
d. Điều kiện về góc lệch pha. .......................................................................27
. . . Hòa đồng bộ một nguồn dòng vào một nguồn áp .............................28
2.3 Giải thuật tối ưu hóa bầy đàn ........................................................................... 29
2.3.1. Giới thiệu về thuật toán tối ưu hóa bầy đàn .............................................29
. . Lịch sử phát triển của giải thuật tối ưu hóa bầy đàn ..................................29
. . Khái quát hóa giải thuật tối ưu hóa bầy đàn ..............................................30
2.3.4 Một số khái niệm trong giải thuật tối ưu hóa bầy đàn ...............................32
CH ƠN
KHẢ S T
T NH T
N ...........................................................34
.1 Pin năng lượng mặt trời và phương trình toán của pin năng lượng mặt trời ... 34
.1.1 Phương trình tương đương của pin năng lượng mặt trời ...........................34
3.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến pin năng lượng mặt trời...................................35
.1. Phương trình tương đương của bộ pin năng lượng mặt trời ......................36
3.2 Mạch nghịch lưu kết nối lưới điện phân phối .................................................. 38
3.2.1 Phân loại bộ nghịch lưu .............................................................................38
. . Phương pháp điều khiển khóa công suất trong bộ nghịch lưu nguồn áp ...38
. . Phương pháp điều khiển khóa công suất trong bộ nghịch lưu nguồn dòng
.............................................................................................................................42
. Xây dựng giải thuật tối ưu hóa bầy đàn ........................................................... 45
. .1 Các bước trong việc xây dựng giải thuật PSO ...........................................45
. . Lưu đồ giải thuật PSO................................................................................46
3.3.3 Những vấn đề cần quan tâm khi xây dựng giải thuật PSO ........................47
. . Đặc điểm và ứng dụng của giải thuật PSO ................................................51
vii
CH ƠN 4 M H NH H A
M PH N ....................................................53
4.1 Sơ đồ kết nối bộ pin năng lượng mặt trời vào lưới điện phân phối. ................ 53
4.1.1 Khối bộ pin năng lượng mặt trời................................................................53
4.1.2 Khối nghịch lưu .........................................................................................54
4.1.3 Khối lưới điện phân phối ...........................................................................54
4.1.4 Khối điều khiển ..........................................................................................55
4.1.4.1 Nguyên lí hoạt động của khối MPPT ................................................57
4.1.4.2 Khối PI_V .........................................................................................62
4.1.4.3 Khối PLL ...........................................................................................62
4.1.4.4 Khối DC/AC......................................................................................63
4.1.4.5 Khối điều khiển Hyst r sis điều khiển bang-bang ) ........................63
4. Kết quả khi thực hiện giải thuật PS . .............................................................. 64
4.2.1 Các bước xác định các thông số Kp, Ki bằng giải thuật PSO ...................64
4. . Kết quả thu được khi thực thi giải thuật PS ............................................65
4.3 Kết quả mô phỏng khi kết nối bộ pin năng lượng mặt trời vào lưới điện........ 67
4. .1 Khi cường độ bức xạ mặt trời lần lượt là
4. . Khi năng lượng bức xạ mặt trời lần lượt là
4. . Khi năng lượng bức xạ mặt trời lần lượt là 1
4. .4 Khi năng lượng bức xạ mặt trời lần lượt là
-500-600 W/m2 ...................67
-900-700 W/m2................70
-700-900 W/m2..............73
-400-600 W/m2................76
4.4 Nhận x t và đánh giá ........................................................................................ 79
CH ƠN 5 KẾT L
N
H
N PH T T I N..........................................81
5.1 Các vấn đề được thực hiện trong luận văn ...................................................... 81
5. Đề nghị và các hướng phát triển của luận văn. ................................................ 82
T I LI
THAM KHẢ .........................................................................................83
viii
MỤC LỤC CÁC HÌNH
Hình . 1 Phân bố năng lượng mặt trời tại các vùng trên lãnh thổ iệt Nam ..........11
Hình . Các loại pin mặt trời thường gặp ..............................................................13
Hình . Cấu tạo cơ bản của một tế bào quan điện Silic .........................................14
Hình . 4 Nguyên lí hoạt động của một tế bào quam điện Silic ...............................15
Hình . 5 Hoạt động cơ bản của một bộ pin năng lượng mặt trời ............................16
Hình . Pin mặt trời nhạy cảm chất màu DSC ......................................................17
Hình . Cấu tạo của pin mặt trời nhạy cảm chất màu DSC ..................................18
Hình . Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời nhạy cảm chất màu DSC .............19
Hình . Hình ảnh mô phỏng cấu tạo lá nhân tạo ....................................................20
Hình . 1 Công tác song song .................................................................................24
Hình . 11 Sơ đồ biểu thị vecto khi hòa ....................................................................24
Hình . 1 Sơ đồ v cto khi điện áp không thỏa mãn ................................................25
Hình . 1 Sơ đồ hệ thống ba pha vector quay .........................................................27
Hình . 14 Sơ đồ kết nối nguồn dòng vào nguồn áp khi hòa đồng bộ ......................28
Hình . 15 iểu diễn vector quay của dòng điện và điện áp.....................................28
Hình . 1 Khái niệm về sự thay đổi điểm tìm kiếm của PSO .................................32
Hình 3. 1 Mạch điện tương đương của pin mặt trời................................................................ 34
Hình 3. 2 Mô hình pin mặt trời lý tưởng ...................................................................35
Hình . Mô đun pin mặt trời ..................................................................................36
Hình . 4 Đặc tuyến I-V với các bức xạ khác nhau ..................................................37
Hình . 5 Đặc tuyến P-V với các bức xạ khác nhau .................................................37
Hình 3. 6 Giản đồ xung kích bộ nghịch lưu một pha bằng phương pháp SPWM ....40
Hình 3. 7 Giản đồ dòng và áp ngõ ra nghịch lưu dùng phương pháp SPWM ..........41
Hình . Sơ đồ kết nối đơn giản của bộ nghịch lưu ba pha .....................................42
Hình .
ạng sóng dòng điện trong phương pháp bang bang trên một pha ..........43
ix
Hình . 1
iải thuật điều khiển bang bang trên một cặp chân của bộ nghịch lưu ..43
Hình 3. 11 giải thuật điều khiển bang bang cải tiến ..................................................44
Hình . 1 Lưu đồ chung cho giải thuật PSO ...........................................................47
Hình 3. 13 Chuyển động của cá thể. .........................................................................49
Hình 4. 1 Sơ đồ tổng quát mạch mô phỏng...............................................................53
Hình 4. Sơ đồ kết nối của khối năng lượng mặt trời. .............................................53
Hình 4. Sơ đồ kết nối của khối nghịch lưu.............................................................54
Hình 4. 4 Sơ đồ kết nối của khối lưới điện phân phối ..............................................55
Hình 4. 5 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của mạch điện mô phỏng ..............................56
Hình 4. Sơ đồ kết nối của khối điều khiển trong mạch mô phỏng.........................57
Hình 4. Lưu đồ giải thuật P&O ..............................................................................58
Hình 4. Đặc tuyến V-P của pin mặt trời khi NL XMT không đổi .......................59
Hình 4. 9 Nguyên tắc hoạt động của bộ MPPT ........................................................60
Hình 4. 1 Sơ đồ kết nối của khối PI
...................................................................62
Hình 4. 11 Sơ đồ nguyên lí của khối PLL.................................................................62
Hình 4. 1 Lưu đồ giải thuật PSO .............................................................................65
Hình 4. 13 Bảng tổng kết các kết quả thu được khi thực hiện PSO..........................66
Hình 4. 14 Bảng thông số Kp, Ki theo công suất của pin mặt trời ...........................66
Hình 4. 15 Sơ đồ kết nối của bộ điều khiển dòng điện PI ........................................67
Hình 4. 16 Dạng sóng điện áp khi NL XMT đạt 300-500-600 W/m2 .....................68
Hình 4. 17 Dạng sóng dòng điện khi NL XMT đạt 300-500-600 W/m2.................69
Hình 4. 18 Công suất tại NLBXMT lần lượt là 300-500-600 W/m2 ........................69
Hình 4. 19 Kết quả mô phỏng khi NL XMT đạt 300-500-600 W/m2 .....................70
Hình 4. 20 Dạng sóng điện áp khi NL XMT đạt 600-900-700 W/m2 .....................71
Hình 4. 21 Dạng sóng dòng điện khi NL XMT đạt 600-900-700 W/m2.................72
Hình 4. 22 Công suất tại NLBXMT lần lượt là 600-900-700 W/m2 ........................72
Hình 4. 23 Kết quả mô phỏng khi NL XMT đạt 600-900-700 W/m2 .....................73
Hình 4. 24 Dạng sóng điện áp khi NL XMT đạt 1000-700-900 W/m2 ...................74
x
Hình 4. 25 Dạng sóng dòng điện khi NL XMT đạt 1000-700-900 W/m2...............75
Hình 4. 26 Công suất tại NLBXMT lần lượt là 1000-700-900 W/m2 ......................75
Hình 4. 27 Kết quả mô phỏng khi NL XMT đạt 1000-700-900 W/m2 ...................76
Hình 4. 28 Dạng sóng điện áp khi NL XMT đạt 800-400-600 W/m2 .....................77
Hình 4. 29 Dạng sóng dòng điện khi NL XMT đạt 800-400-600 W/m2.................78
Hình 4. 30 Công suất tại NLBXMT lần lượt là 800-400-600 W/m2 ........................78
Hình 4. 31 Kết quả mô phỏng khi NL XMT đạt 800-400-600 W/m2 .....................79
Hình 4. 32 Bảng kết quả mô phỏng tại một số NLBXMT tiêu biểu ........................80
xi
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
THD:
Tổng độ m o dạng sóng hài total harmonic distortion
PSO:
Giải thuật tối ưu hóa bầy đàn particl s arm optimi ation
DC:
Dòng điện một chiều (direct current)
AC:
Dòng điện xoay chiều (Alternating current)
LED:
Diod phát quang (light dependen resistor)
DSC:
Pin mặt trời nhạy cảm chất màu
MPP:
Điểm công suất cực đại (maximum power point)
y - sensitized solar cell)
1
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
1.1 Đặt vấn đề
Nguồn năng lượng mà chúng ta sử dụng ngày nay chủ yếu là năng lượng hóa
thạch như than đá, dầu mỏ, các sản phẩm từ dầu mỏ, khí thiên nhiên… Các nguồn
năng lượng này là hữu hạn, nó chỉ có thể đảm bảo cho nhu cầu về năng lượng của
chúng ta trong một thời gian nhất định.
o đó, càng ngày người ta càng lo ngại về
một cuộc khủng hoảng năng lượng có thể xảy ra làm thay đổi nền văn minh của loài
người, bởi vì thế giới vẫn còn đang phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch. Dầu,
than đá và khí đốt chiếm khoảng 75% nhu cầu năng lượng thế giới, mỗi ngày trên
thế giới sử dụng đến 80 triệu thùng dầu.
à đương nhiên trong tương lai nhu cầu
toàn cầu về dầu hỏa sẽ vượt xa khả năng cung cấp. Từ năm 1
5, tốc độ khai thác
dầu và tiêu thụ đã vượt xa tốc độ khám phá trữ lượng dầu mới. Công ty BP dự đoán
rằng với tốc độ sử dụng như hiện nay, thì chỉ trong vòng 4 năm nữa sẽ cạn kiệt
nguồn dầu hoả. Mặt khác, sử dụng nguồn năng lượng hóa thạch để lại nhiều hậu quả
về ô nhiễm môi trường, gây ra hiệu ứng nhà kính, góp phần làm gia tăng nhiệt độ
trái đất…
Để giải quyết các vấn đề này, một mặt chúng ta phải khai thác và sử dụng các
nguồn năng lượng hóa thạch này một cách hợp lý, mặt khác chúng ta phải tìm ra các
nguồn năng lượng khác để thay thế. Thế giới đang tìm kiếm các nguồn năng lượng
tái sinh có thể cung cấp năng lượng một cách bền vững trong tương lai, nguồn năng
lượng ấy có thể kể đến như năng lượng gió, năng lượng sinh khối, năng lượng mặt
trời… hoặc là nguồn năng lượng tái sinh khác. Trong đó công nghệ về năng lượng
mặt trời đang được thế giới chú trọng phát triển để khai thác. Các chính phủ đã đón
nhận các công nghệ này một cách hết sức nghiêm túc và đưa ra các mục tiêu đầy
tham vọng cho sản lượng điện tạo ra từ các nguồn năng lượng tái sinh trên. Người
dân ngày càng ý thức về sự tàn phá và ô nhiễm môi trường từ các nguồn nhiên liệu
hoá thạch và năng lượng hạt nhân. Trong khi các nguồn năng lượng tái sinh có thể
khai thác tự do và không bao giờ cạn kiệt. Năng lượng mặt trời là một nguồn năng
lượng sạch có thể thay thế các nguồn năng lượng truyền thống. Các ứng dụng của
2
nó tại các nước phát triển giúp làm giảm hiệu ứng nhà kính và giữ gìn được các
nguồn năng truyền thống đang cạn kiệt. Các quốc gia đã và đang phát triển đều xem
năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng lý tưởng phù hợp với xu hướng phát triển
mới của nhân loại, được ưu tiên đầu tư hàng đầu trong các chính sách về năng
lượng. Khi sử dụng năng lượng mặt trời có những thuận lợi như sau
- Giảm hay thay thế việc xây dựng các nhà máy điện truyền thống dùng năng
lượng hóa thạch.
- Không gây ô nhiễm môi trường khi vận hành sản xuất điện năng.
- Là nguồn năng lượng không bao giờ cạn kiệt.
- Dễ dàng tăng thêm công suất khi cần thiết.
- Việc lắp đặt và xây dựng các tấm pin năng lượng mặt trời tương đối nhanh.
- Mặc dù năng lượng mặt trời hiện nay có giá đắt hơn nhiều so với nguồn năng
lượng truyền thống, nhưng nó không bị ảnh hưởng bởi giá nguyên liệu và sự
gián đoạn cung cấp.
- Ở các nước phát triển nhà nước hỗ trợ về thuế và các ưu đãi khác.
- Công nghệ năng lượng mặt trời có thể thay đổi cho nhiều ứng dụng có công
suất từ nhỏ đến lớn. Thời gian từ khi khảo sát đến lắp đặt và vận hành ngắn và
có những thuận lợi khác mà các nhà máy điện kiểu truyền thống không làm
được.
Hiện nay năng lượng mặt trời ở
iệt Nam với lợi thế là một nước nhiệt đới có
nắng quang năm nên rất có tiềm năng phát triển năng lượng mặt trời. Tuy nhiên,
việc khai thác năng lượng mặt trời ở nước ta còn nhiều hạn chế, một phần là do nhà
nước chưa có chính sách hỗ trợ thích hợp và c ng do giá thành các thiết bị chuyển
đổi năng lượng mặt trời thành điện còn khá cao.
o vậy hiện nay ở nước ta chỉ có
thể phát triển các máy điện năng lượng mặt trời công suất vừa và nhỏ để cung cấp
cho các vùng lưới điện không thể vươn đến hoặc chất lượng điện không đảm bảo
khi đi qua một khoảng cách địa lí không hoàn thiện như các vùng nông thôn, biên
giới, hải đảo.
3
Ngoài ra, khi kinh tế bắt đầu phát triển, việc phát triển năng lượng sạch và bền
vững ngày càng được chú trọng phát triển. Th o xu hướng thiết kế môi trường xanh,
các tòa nhà đã được thiết kế th o hướng sử dụng ít hơn năng lượng từ lưới điện
phân phối và dùng các tấm pin mặt trời để tạo ra nguồn điện
xanh
để cung cấp
một phần nhu cầu cho công trình. Điều này thúc đẩy việc nghiên cứu chế tạo các bộ
chuyển đổi năng lượng mặt trời công suất vừa và nhỏ có khả năng kết nối lưới điện
để thu được công suất lớn nhất từ năng lượng mặt trời.
1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ
- Tìm hiểu và nghiên cứu về năng lượng mặt trời.
- Tìm hiểu về các bộ pin mặt trời.
- Tìm hiểu về giải thuật PS trong hệ thống điều khiển tự động.
- Phân tích các ảnh hưởng của việc hòa hai nguồn điện.
- Xây dựng phương trình và giải thuật để tính toán bộ chuyển đổi năng lượng.
- Dùng phần mềm Matlab 7.0 mô phỏng khi hòa năng lượng mặt trời vào lưới
điện - phân phối.
1.3 Phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu khái quát về năng lượng mặt trời.
- Nghiên cứu về các bộ pin năng lượng mặt trời công suất nhỏ.
- Nghiên cứu về mối quan hệ của các thông số trong bộ pin năng lượng mặt trời
công suất nhỏ.
- Nghiên cứu bộ nghịch lưu công suất nhỏ một pha khi hòa vào lưới điện.
- Nghiên cứu phương pháp tính toán bộ chuyển đổi nguồn DC-AC.
- Nghiên cứu tính toán các thông số khi hòa nguồn năng lượng mặt trời vào lưới
điện phân phối.
- Đưa ra mô hình mô phỏng khi hòa nguồn năng lượng mặt trời vào lưới điện.
1.4 Phương pháp nghiên cứu
- Thu thập tài liệu liên quan đến các vấn đề nghiên cứu.
- Nghiên cứu tổng quan về năng lượng mặt trời.
- Nghiên cứu các thông số ảnh hưởng đến hoạt động của pin mặt trời.
4
- Nghiên cứu và xây dựng mô hình toán học về mối quan hệ giữa các thông số
làm ảnh hưởng đến hiệu suất của bộ pin năng lượng mặt trời công suất nhỏ.
- Nghiên cứu các mô hình hòa đồng bộ giữa hai nguồn năng lượng mặt trời và
lưới điện. Ảnh hưởng của các thông số khi hòa. Đề nghị mô hình tính toán cụ
thể.
- Xây dựng mô hình mô phỏng việc hòa đồng bộ bộ năng lượng mặt trời vào
lưới điện phân phối, từ đó thiết kế và thi công mô hình thực tế.
- Phân tích các kết quả nhận được và các kiến nghị.
- Đánh giá tổng quát toàn bộ bản luận văn. Đề nghị hướng phát triển của đề tài.
1.5 Điểm mới của luận văn
- Xây dựng hoàn chỉnh mô hình kết nối bộ năng lượng mặt trời có công suất
nhỏ hòa đồng bộ lưới điện quốc gia.
- Tìm ra các thông số ảnh hưởng đến việc hòa đồng bộ giữa hai nguồn năng
lượng mặt trời và lưới điện quốc gia.
- Đưa ra giải thuật và chương trình mới để tính toán bộ chuyển đổi nguồn năng
lượng mặt trời hòa vào lưới điện quốc gia.
- Góp phần tiết kiệm năng lượng của các hộ tiêu thụ điện c ng như cung cấp
thêm cho nguồn quốc gia một phần năng lượng.
1.6 Giá trị thực tiễn của luận văn
- Đóng góp một giải pháp quan trọng trong việc dần thay thế các nguồn năng
lượng hóa thạch bằng các nguồn năng lượng vô tận trong xu thế phát triển của
thế giới ngày nay.
- Đây là giải pháp rất khả thi để nâng cao chất lượng điện năng cho các vùng
sâu, vùng xa và xa trung tâm phụ tải. Tại các khu vực này do điều kiện địa lí
tự nhiên nên thường là các vùng cuối lưới điện nên điện áp không đảm bảo.
Việc dùng các bộ năng lượng mặt trời là một giải pháp hữu hiệu để nâng áp
cho các vùng này.
- Nâng cao được hiệu suất cho bộ năng lượng mặt trời công suất nhỏ,
5
- Làm tài liệu tham khảo và làm nền tảng để phát triển hướng cho các nghiên
cứu sau này.
- Ứng dụng rộng rãi việc sử dụng cùng lúc hai nguồn năng lượng mặt trời và
lưới điện quốc gia cho các hộ tiêu thụ điện.
- Giúp các nhà hoạch định chiến lược về nguồn năng lượng quốc gia có thêm
một hướng mới về việc phát triển nguồn năng lượng trong tương lai.
- Sử dụng làm tài liệu giảng dạy.
- Giúp cho các nhà thiết kế các tài liệu quan trọng trong tính toán thiết kế bộ
chuyển đổi nguồn năng lượng mặt trời hòa vào lưới điện quốc gia.
1.7 Nội dung của luận văn
Chương 1
iới thiệu.
Chương
Tổng quan
Chương
Khảo sát và tính toán
Chương 4 Mô hình hóa và mô phỏng
Chương 5 Kết luận và Hướng phát triển
6
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
2.1 Tổng quan về pin năng lượng
2.1.1 Lịch
phát t iển pin
ặt t ời
ặt t ời
Pin mặt mrời là thiết bị giúp chuyển hóa trực tiếp năng lượng ánh sáng mặt trời
quang năng thành năng lượng điện điện năng dựa trên hiệu ứng quang điện.
Lịch sử của pin năng lượng mặt trời được bắt đầu vào thế kỉ 1 khi nhà vật lý
người Pháp Al xandr
dmond
cqu r l phát hiện ra hiệu ứng quang điện khi ông
đưa điện cực ra môi trường ánh sáng. Tuy nhiên mọi chuyện chỉ dừng tại đó mà
không có tiến triển gì thêm.
Mãi đến năm 1
, Willoughby Smith đã phát hiện ra chất quang dẫn S l n, đây
là bước tiến quang trọng trong sự phát triển pin năng lượng mặt trời vì các nghiên
cứu đã đi vào thực chất hơn, đi sâu hơn về các hiện tượng quang điện. Năm 1
Adam đã quan sát về các hiện tượng quan điện trên chất S l n và sau đó xuất bản
thành cuốn sách
Th action o light on s l nnium . Đến năm 1
thì tấm pin
năng lượng mặt trời đầu tiên đã được tạo thành bởi Charl s ritts, ông phủ lên mạch
bán dẫn một lớp selen cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối. Thiết bị chỉ có hiệu
suất 1 . Tuy hiệu suất rất thấp so với các tấm pin năng lượng mặt trời ngày nay
nhưng đó là bước tiến dài trong quá trình nghiên cứu hiện tượng quang điện. Nó
chuyển từ giai đoạn quan sát bằng mắt thường rất định tính và không chính xác sang
quá trình nghiên cứu lí tính với việc tính toán các giá trị dòng áp khi có hiện tượng
quang điện xảy ra.
Năm 1
H rt đã nghiên cứu tia cực tím trong hiện tượng quang điện và khám
phá ra hiện tượng quang điện. Một năm sau, ông cùng với d ard W ston đã đưa ra
các định luật quang điện một cách đầy đủ cho hiệu ứng quang điện ngoài. Đây là
bước tiến dài cho việc ứng dụng hiện tượng quang điện để chế tạo các tấm pin năng
lượng mặt trời khi đã xác định rõ hướng để nghiên cứu vật liệu dùng cho chế tạo
chất quang dẫn và các ánh sáng tương ứng cho từng loại vật liệu quang dẫn khác
nhau. Đến đây, việc ứng dụng hiệu ứng quang điện không còn là sự mò mẫm mà đã
có sự định hướng rất rõ ràng.
7
Năm 1 4, Wilh lm Hall achs đã tạo ra đã tao ra một tiếp xúc bán dẫn cho pin
năng lượng mặt trời bằng đồng và đồng oxit.
iệc chuyển từ kh hở giữa hai cực
âm dương trước đây sang dùng tiếp xúc bán dẫn sẽ nâng cao hiệu suất của pin năng
lượng mặt trời khi ta đã rút ngắn được khoảng cách giữa hai bản cực. Khi đó, các
l ctron sẽ cần ít năng lượng hơn để di chuyển giữa hai bản cực. Đây c ng là bước
tiến lớn về công nghệ khi kích thước của tấm pin sẽ thu nhỏ hơn trước đây, công
suất sẽ tăng lên trên cùng một diện tích bề mặt tiếp xúc.
Năm 1
5, khái niệm về hiệu ứng quang điện đã thay đổi gần như hoàn toàn khi
Alb rt inst in đưa ra một giải thích khác về hiệu ứng quang điện dựa trên thuyết
lượng tử. Trước đây, có nhiều người đưa ra các mô hình giải thích khác nhau về
hiệu ứng quang điện tuy nhiên đều không thành công khi sử dụng mô hình sóng ánh
sáng. Alb rt inst in là người đầu tiên giải thích thành công hiệu ứng quang điện
c ng như các định luật quang điện khi sử dụng mô hình lượng tử ánh sáng. Công
trình này đã dẫn đến sự công nhận về bản chất hạt của ánh sáng và sự phát triển của
lý thuyết lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng.
Năm 1
- Audob rt và Stora đã phát hiện ra hiệu ứng quang điện trong chất
Cadimium sulfua (CdS). Và chất dùng làm quang dẫn này vẫn còn được sử dụng
cho đến hôm nay
Năm 1 54, kỹ thuật pin năng lượng mặt trời được chính thức khai sinh tại Mỹ
khi Daryl Chapin, Calvin Fuller, và Gerald Pearson phát minh ra tấm pin năng
lượng mặt trời bằng chất bán dẫn tại phòng thí nghiệm Bell. Đây là là các tấm pin
năng lượng mặt trời đầu tiên có thể chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng
để cung cấp cho các thiết bị điện hằng ngày. Phòng thí nghiệm
tấm pin năng lượng mặt trời với hiệu suất 4
ll đã cho ra một
và sau đó tăng lên 11 . Từ nay, đã có
thêm một phương pháp mới để sử dụng nguồn năng lượng vô tận từ mặt trời nhằm
cung cấp năng cho nhu cầu của con người.
Năm 1 5 , vệ tinh nhân tạo
anguard I đã sử dụng năng lượng điện thu được từ
các tấm pin năng lượng mặt trời để liện lạc vô tuyến với trạm điều khiển mặt đất.
Một năm sau, đến lượt các vệ tinh Explorer III, Vanguard II, và Sputnik- được
8
trang bị các hệ thống pin năng lượng mặt trời. Mặc dù đã thất bại trong việc thương
mại hóa các bộ pin năng lượng mặt trời bán dẫn trong thập niên 1950 và 1960, tuy
nhiên nó đã đạt được thành công lớn trong việc trở thành nguồn năng lượng thiết
yếu trong lĩnh vực v trụ. Thành công này vẫn còn được duy trì cho đến ngày nay.
Năm 1
, với sự tài trợ từ tập đoàn xxon, tiến sĩ lliot
rman đã tạo ra một
cuộc cách mạng lớn trong việc giảm giá thành sản xuất ra tấm pin năng lượng mặt
trời. iá thành đã giảm từ 100$ xuống còn 20$ cho mỗi Watt điện. Với mức giá đó,
pin năng lượng mặt trời đã có thể sử dụng đại trà để cấp điện cho thiết bị điện, từ
các thiết bị điện dân dụng trong nhà cho đến các đèn báo, còi báo của các công trình
dầu khí xa bờ. Điều này đánh dấu sự thành công trong việc thương mại hóa các thiết
bị chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng trong cuộc sống hằng ngày, đó là
các tấm pin năng lượng mặt trời.
Ngày nay, với sự phát triển như v bão của khoa học kỹ thuật cùng với đó là nhu
cầu tìm kiếm một nguồn năng lượng mới thay thế dần cho năng lượng hóa thạch đã
ngày dần cạn kiệt và gây ô nhiễm môi trường nặng nề. Các nhà máy điện năng
lượng mặt trời có khả năng kết nối với lưới phân phối quốc gia đã được đầu tư xây
dựng tại nhiều nơi trên thế giới. Đặc biệt là tại các quốc gia có nền công nghiệp phát
triển như Mỹ, Đức, Anh…
Có thể nói hiện nay là giai đoạn phát triển rực rỡ của nền công nghiệp năng
lượng mặt trời trên thế giới bởi giá thành chế tạo c ng như chi phí lắp đặt đã giảm
đi rất nhiều và có thể chấp nhận được trong bài toán kinh tế về năng lượng.
2.1.2 Tình hình phát t iển của pin
ặt t ời hiện nay
2.1.2.1 T ên th giới
Theo báo cáo nghiên cứu mới công bố của Pew Charitable Trusts, đầu tư cho
năng lượng sạch tồn cầu đang trên đà tăng mạnh và đạt mức kỷ lục 263 tỷ USD
trong năm
11, tăng ,5
so với năm
Đầu tư cho năng lượng sạch ở châu
1 .
và châu Đại ương đã tăng 1
S , đưa khu vực này trở thành điểm đến hấp dẫn thứ
, lên 5 tỷ
cho đầu tư năng lượng
9
sạch, trong đó Ấn Độ, Nhật Bản, và Indonesia nằm trong những thị trường năng
lượng sạch tăng trưởng nhanh nhất thế giới.
iám đốc chương trình năng lượng sạch của Pew cho biết đầu tư cho năng lượng
sạch, không tính nghiên cứu và phát triển, đã tăng
kể từ năm
4. Sự gia
tăng mạnh mẽ này có ý nghĩa rất quan trọng vì nó thúc đẩy đổi mới, thương mại,
sản xuất và lắp đặt các công nghệ năng lượng sạch, tạo ra cơ hội mới cho các nhà
sáng tạo, các doanh nhân và người lao động.
Trong số các lĩnh vực năng lượng tái tạo, đầu tư vào năng lượng mặt trời đạt 128
tỷ
S , tăng 44 , và chiếm hơn một nửa tổng vốn đầu tư cho năng lượng sạch ở
các nước G20. Chi phí và giá của các môđun năng lượng mặt trời giảm mạnh tới
50% trong vòng một năm qua đã càng thúc đẩy đầu tư vào lĩnh vực này. Giá các tua
bin gió c ng giảm trong năm
C ng trong năm
11.
11 thế giới đã sản xuất được gần
W năng lượng mặt trời.
Sự kết hợp của giá thành giảm và đầu tư phát triển tăng đã giúp tạo ra được một
công suất năng lượng sạch lắp đặt kỷ lục
,5 W trong năm
11, nâng tổng công
suất năng lượng sạch tồn cầu lên 565 GW.
Tính đến hết năm
11, các lĩnh vực năng lượng sạch đã nhận được 1.000 tỷ
S đầu tư tư nhân, đánh dấu một sự tăng trưởng đáng kể trong năm qua.
iá các môđun quang điện, hiện thấp hơn so với cách đây
năm là động lực
quan trọng cho việc phát triển sử dụng năng lượng mặt trời trên quy mô toàn cầu.
Theo nghiên cứu của P
, đầu tư cho năng lượng sạch tại Australia đã tăng 11
trong năm 2011 lên 4,9 tỷ S , trong đó
Trong Nhóm
vào lĩnh vực năng lượng mặt trời.
, Australia đứng thứ 13 về tăng trưởng, thứ 4 về tăng trưởng
trong 5 năm và thứ 9 về tăng trưởng công suất lắp đặt với tổng công suất lắp đặt
năng lượng sạch hiện nay là trên 5 GW.
Trong khi đó, Trung Quốc đã thu hút được 45,5 tỷ
sạch, đứng thứ
trong
S
đầu tư cho năng lượng
. Đầu tư vào năng lượng gió ở Trung Quốc đạt 29 tỷ
USD, cao gấp 3 lần nước thành viên đứng ngay sau trong G20.
10
Trong
năm
1 và
11, Trung Quốc đã lắp đặt được 20 GW công suất điện
gió mỗi năm, đưa tổng công suất lắp đặt năng lượng gió lên hơn 4 W. Đầu tư vào
lĩnh vực năng lượng Mặt Trời của nước này đã tăng lên 11, tỷ USD và thêm 2,3
GW công suất lắp đặt mới trong năm
11.
Lĩnh vực năng lượng sạch của Ấn Độ tiếp tục phát triển mạnh trong năm
với đầu tư tăng 54
,N
năm
11,
lên 1 , tỷ S , đưa quốc gia Nam Á này lên vị trí thứ 6 trong
lhi đặt mục tiêu lắp đặt được
W năng lượng Mặt Trời từ nay đến
với tổng mức đầu tư 4, tỷ USD.
Đầu tư vào năng lượng sạch tại Nhật Bản c ng tăng
lên , tỷ USD, cho
thấy sự chuyển hướng rõ ràng của nước này từ năng lượng hạt nhân sang năng
lượng sạch. Nhật Bản đứng thứ 8 trong G20 về đầu tư cho năng lượng sạch, trong
đó 4
cho lĩnh vực năng lượng Mặt Trời.
Qua các số về tình hình phát triển năng lượng điện mặt trời trên thế giới của một
số nước cho thấy năng lượng mặt trời đã có sự phát triển nhảy vọt trong những năm
gần đây khi mà không chỉ về số lượng pin mặt trời được lắp mới mà còn được sự
đầu tư mạnh tay cho việc nghiên cứu ứng dụng các thành tựu kỹ thuật mới cho lĩnh
vực năng lượng mặt trời hiện nay. Trong tương lai không xa năng lượng mặt trời sẽ
đóng một vai trò quang trọng trong tổng thể các nguồn năng lượng cho nhân loại.
2.1.2.2 Thực t tại iệt Na
a. Tiề
năng phát t iển năng lượng
ặt t ời tai iệt Na
Lãnh thổ Việt nam kéo dài từ vĩ độ 8 –
vĩ độ Bắc, nằm trong khu vực nhiệt
đới, có tiềm năng lớn về NL mặt trời. Số giờ nắng trung bình năm hrs y ar tại các
vùng miền có sự khác nhau tùy vào điều kiện địa hình và thời tiết, tuy nhiên, nhìn
chung số giờ nắng khá cao và năng lượng qui đổi trên mỗi đơn vị diện tích thuộc
hàng cao trên thế giới. Thông số khảo sát được đưa ra như trong hình bên dưới.
ới sự trải dài từ ắc xuống Nam của lãnh thổ địa lí nước ta, sự phân bố về năng
lượng mặt trời được phân ra thành 5 khu vực địa lí khác nhau. Các đặc trưng về
năng lượng mặt trời được đưa ra như trong hình .1 bên dưới.
