Nghiên cứu thiết kế hệ thống năng lượng điện mặt trời nối lưới nhằm đảm bảo cung cấp điện liên tục cho phụ tải

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG
ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

---------------------------

TRẦN NGUYỄN TRUNG HIẾU
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG NĂNG
LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI NHẰM
ĐẢM BẢO CUNG CẤP ĐIỆN LIÊN TỤC CHO
PHỤ TẢI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202

TP. Hồ Chí Minh, ngày 19 tháng 11 năm 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG
ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

---------------------------

TRẦN NGUYỄN TRUNG HIẾU
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG NĂNG
LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI NHẰM
ĐẢM BẢO CUNG CẤP ĐIỆN LIÊN TỤC CHO
PHỤ TẢI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN HÙNG

TP. Hồ Chí Minh, ngày 19 tháng 11 năm 2017


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH
TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.
HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS.NGUYỄN
HÙNG
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ
ký)

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM
ngày … tháng … năm 2017
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc
sĩ)
T
T
1P
G
2T
S.
3T
S.
4P
G
5T
S.

C
h
P
bi
P
bi
Ủ
v

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá sau khi Luận văn đã được
sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV


TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG QLKH – ĐTSĐH

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Tp.HCM, ngày 19 tháng 11 năm 2017.

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: TRẦN NGUYỄN TRUNG HIẾU

Giới tính: NAM

Ngày, tháng, năm sinh: 02/01/1983

Nơi sinh: TP.HCM

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN

MSHV: 1541830023

I- Tên đề tài:
“NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI
NỐI LƯỚI NHẰM ĐẢM BẢO CUNG CẤP ĐIỆN LIÊN TỤC CHO PHỤ TẢI ”
II- Nhiệm vụ và nội dung:
- Khảo sát tình hình khai thác và sử dụng năng lượng điện mặt trời trên thế
giới và tại Việt Nam.
- Tính toán thiết kế phần điện mô hình hệ thống điện mặt trời nối lưới.
- Mô phỏng đáp ứng pin mặt trời và các đặc tính V-I và V-P của nó trên
Matlab/Simulink.
- Mô phỏng hệ thống pin mặt trời kết nối lưới cung cấp điện liên tục cho tải
với cường độ bức xạ và nhiệt độ môi trường thay đổi.
- Đánh giá kết quả mô phỏng và đề xuất.
III- Ngày giao nhiệm vụ:
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ:
V- Cán bộ hướng dẫn: TS. NGUYỄN HÙNG
CÁN BỘ HUỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)

i

LỜI CAM ÐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng Tôi. Các số liệu và
kết quả nghiên cứu được trình bày trong Luận văn là trung thực và chưa từng được
ai công bố ở bất kỳ đâu.
Tôi xin cam đoan mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được
cảm ơn.
Tôi cũng xin cam đoan các nội dung tham khảo trong Luận văn đã được trích
dẫn đầy đủ nguồn gốc.
Học viên thực hiện Luận văn

Trần Nguyễn Trung Hiếu


ii

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, xin chân thành cảm ơn Thầy TS. NGUYỄN HÙNG đã tận tình
hướng dẫn, giúp đỡ và đóng góp những ý kiến quý báu cho quá trình thực hiện Luận
văn này.
Xin cám ơn quý Thầy, Cô đã trang bị cho Tôi các kiến thức quý báu trong
quá trình học tập giúp Tôi đủ năng lực để thực hiện Luận văn này.
Xin cảm ơn tập thể lớp 15SMĐ21 đã động viên và giúp đỡ Tôi trong quá
trình thực hiện Luận văn này.
Cuối cùng, xin cám ơn Trường Đại học Công nghệ Tp. HCM; Khoa Cơ Điện - Điện tử; Phòng Quản lý Khoa học - Đào tạo sau Đại học và Cơ quan nơi Tôi
đang công tác đã tạo các điều kiện tốt nhất cho tôi thực hiện Luận văn này.

Trần Nguyễn Trung Hiếu

3

TÓM TẮT
Luận văn tập trung các vấn đề liên quan đến “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ
HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI NHẰM ĐẢM
BẢO CUNG CẤP ĐIỆN LIÊN TỤC CHO PHỤ TẢI ” bao gồm các nội dung
như sau:
- Chương 1: Giới thiệu đề tài
- Chương 2: Tổng quan hệ điện năng lượng điện mặt trời
- Chương 3: Tính toán thiết kế sơ đồ nhất thứ lưới điện mặt trời kết lưới
- Chương 4: Mô phỏng điều phối công suất hệ điện mặt trời kết lưới cung
cấp điện liên tục cho tải
- Chương 5: Kết luận và hướng phát triển đề tài


4

ABSTRACT
Thesis focuses on the issues related to "Design of grid connected solar power
system for continuous power supply " including the following contents:
Chapter 1: Introduction
Chapter 2: Overview of solar power system
Chapter 3: Design of solar power system one line.
Chapter 4: Simulation of power dispatch of grid connected solar power
system for continuous power supply.
Chapter 5: Conclusions and Future studies


5

MỤC LỤC
LỜI CAM ÐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii
TÓM TẮT ................................................................................................................. iii
MỤC LỤC...................................................................................................................v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................. viii
DANH SÁCH HÌNH VẼ .......................................................................................... ix
DANH SÁCH BẢNG ............................................................................................... xi
CHƯƠNG

1:

GIỚI

THIỆU

ĐỀ

TÀI

...........................................................................1
1.1. Đặt vấn đề ........................................................................................................1
1.2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu.....................................................................3
1.3. Tính cấp thiết của đề tài ...................................................................................4
1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu....................................................................4
1.5. Ý nghĩa của đề tài.............................................................................................5
1.5.1. Ý nghĩa khoa học ......................................................................................5
1.5.2. Ý nghĩa thực tiễn .......................................................................................5
1.6. Phương pháp nghiên cứu..................................................................................5

1.7. Bố cục của luận văn .........................................................................................6
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN HỆ ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI......................7
2.1. Cấu trúc mặt trời ..............................................................................................7
2.2. Quỹ đạo của trái đất quanh mặt trời .................................................................9
2.3. Góc cao độ của mặt trời vào buổi trưa ...........................................................10
2.4. Bức xạ mặt trời ...............................................................................................11
2.5. Ứng dụng năng lượng mặt trời .......................................................................15
2.5.1. Pin mặt trời ..............................................................................................16
2.5.2. Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời...................................17
2.5.3. Động cơ Stirling chạy bằng NLMT ........................................................18
2.5.4. Thiết bị đun nước nóng bằng NLMT ......................................................18
2.5.5. Thiết bị làm lạnh và điều hoà không khí dùng NLMT ...........................19


6

2.6. Tình hình khai thác năng lượng mặt trời tại Việt Nam ..................................20
2.7. Pin quang điện và hệ thống Pin quang điện kết nối lưới ...............................24
2.7.1 Giới thiệu: ................................................................................................24
2.7.2 Sơ đồ thay thế đơn giản của PV ..............................................................26
2.7.3 Sơ đồ thay thế của PV có xét đến các tổn hao ........................................27
2.7.4 Module PV...............................................................................................28
2.7.5 Mảng PV..................................................................................................29
2.7.6 Nối nối tiếp nhiều module PV..................................................................29
2.7.7 Nối song song nhiều module PV..............................................................30
2.7.8 Nối hỗn hợp nhiều module PV.................................................................30
2.7.9 Các ảnh hưởng đến PV ............................................................................31
2.7.10 Ảnh hưởng của cường độ chiếu sáng .....................................................31
2.7.11 Ảnh hưởng của nhiệt độ .........................................................................32
2.7.12 Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm ....................................................32

3.1 Sơ đồ hệ thống điện mặt trời nối lưới .............................................................35
Hệ thống điện mặt trời 750 kW nối lưới trình bày trên Hình 3.1 bao gồm các
thành phần: ........................................................................................................35
3.2 Tính toán hệ thống điện mặt trời nối lưới .......................................................35
3.2.1 Chọn Pin mặt trời .....................................................................................35
3.2.2 Chọn bộ biến đổi DC/DC .........................................................................37
3.2.3 Chọn bộ biến đổi DC/AC 3 pha ...............................................................38
3.2.4 Chọn bộ lọc RL ........................................................................................42
3.2.5 Tính chọn máy biến áp .............................................................................43
3.2.6 Tính chọn dây dẫn ....................................................................................44
Chương 4: MÔ PHỎNG ĐIỀU PHỐI CÔNG SUẤT HỆ ĐIỆN MẶT TRỜI KẾT
LƯỚI CUNG CẤP ĐIỆN LIÊN TỤC CHO TẢI
.......................................................53
4.1 Xây dựng mô hình hệ điện mặt trời kết nối lưới
...............................................53
4.2 Thông số tấm pin năng lượng .........................................................................54
4.4 Thông số và giải thuật bộ điều khiển Inverter ................................................56
4.5 Kết quả mô phỏng:..........................................................................................57


vii

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI............................62
5.1 KẾT LUẬN.....................................................................................................62
5.2 Hướng phát triển đề tài ...................................................................................62
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................63


8

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
NLTT: Năng lượng tái tạo
NLMT: Năng lượng mặt trời
IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor
MBA: Máy biến áp
MPPT: Max Power Point Tracking ( Tìm điểm công suất cực đại)


9

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1 Mô hình hệ thống năng lượng mặt trời hoạt động độc lập...........................2
Hình 1.2 Mô hình lưới điện siêu nhỏ với các nguồn năng lượng khác .......................3
Hình 2.1. Cấu trúc của mặt trời ...................................................................................7
Hình 2.2. Quỹ đạo trái đất quay quanh mặt trời........................................................10
Hình 2.3 Quỹ đạo trái đất ..........................................................................................10
Hình 2.4. Góc cao độ mặt trời ...................................................................................11
Hình 2.5. Dải bức xạ điện từ .....................................................................................12
Hình 2.6. Góc nhìn mặt trời ......................................................................................13
Hình 2.7. Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển của trái đất
..............................................................................................................................14
Hình 2.8. Pin mặt trời ................................................................................................16
Hình 2.9. Nhà máy điện mặt trời...............................................................................17
Hình 2.10. Tháp năng lượng mặt trời........................................................................17
Hình 2.11. Động cơ Stirling dùng NLMT.................................................................18
Hình 2.12. Hệ thống cung cấp nước nóng dùng NLMT ...........................................19
Hình 2.13. Hệ thống máy lạnh dùng NLMT .............................................................20
Hình 2.14 Phổ năng lượng mặt trời...........................................................................24
Hình 2.15 Mô hình đơn giản của PV ........................................................................25
Hình 2.16 Sơ đồ thay thế đơn giản của PV ...............................................................26

Hình 2.17 Các tham số quan trọng của PV: dòng điện ngắn mạch, Isc và điện áp hở
mạch, Voc ...................................................................................................................26
Hình 2.18 Mô hình thay thế PV có xét đến các tổn hao ...........................................27
Hình 2.19 Đặc tính PV có xét đến các ảnh hưởng của Rs và Rp ...............................28
Hình 2.20 Module PV ...............................................................................................28
Hình 2.21 Đặc tính của module PV ..........................................................................29
Hình 2.22 Các module PV được kết hợp nối tiếp với nhau ......................................29
Hình 2.23 Các module PV được kết hợp song song với nhau ..................................30
Hình 2.24 Các module PV được kết hợp hỗn hợp với nhau .....................................31


10

Hình 2.25 Đặc tuyến V-I của PV với các cường độ chiếu sáng khác nhau và nhiệt
0

độ PV không đổi, 25 C..............................................................................................31
Hình 2.26 Đặc tuyến V-I của PV với các nhiệt độ khác nhau và cường độ chiếu
2

sáng không đổi 1 kW/m ...........................................................................................32
Hình 2.27 Module PV với n PV trong trường hợp module không bị che khuất .......33
Hình 2.28 Module PV với n PV trong trường hợp module bị che khuất một phần ..33


11

DANH SÁCH BẢNG
Bảng 2.1. Bảng ngày số n của ngày đầu tiên của mỗi tháng.......................................9
Bảng 2.2. Bảng thống kê góc δ của ngày 21 mỗi tháng ............................................11

Bảng 2.3. Tiềm năng năng lượng mặt trời tại Việt Nam ..........................................21


1

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
1.1. Đặt vấn đề
Ngày nay, nhu cầu sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo đang tăng lên mạnh mẽ
do các nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt và chúng gây ra những hậu
quả về môi trường như hiệu ứng nhà kính, lũ lụt... Trong các nguồn năng lượng tái
tạo như năng lượng sinh khối, năng lượng địa nhiệt, gió, thủy điện nhỏ, năng lượng
mặt trời đang dần trở nên rất phổ biến bởi vì chúng có nhiều ưu điểm trong phương
pháp phát điện, chi phí bảo dưỡng thấp, an toàn cho người sử dụng, không gây ô
nhiễm môi trường và đặc biệt nguồn tài nguyên này cực kỳ lớn.
Ngành năng lượng điện của Việt Nam và thế giới hiện đang gặp phải những
khó khăn như: nhu cầu năng lượng ngày càng tăng nhanh; sự khan hiếm của các
nguồn nhiên liệu hóa thạch; sức ép phải giảm thải khí CO2 do ảnh hưởng đến môi
trường. Điều này đã thúc đẩy các nỗ lực tìm kiếm nguồn năng lượng khác thay thế
bên cạnh việc sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả.
Việt Nam có vị trí địa lý nằm gần xích đạo, có số giờ nắng trung bình 2.000
giờ/năm ở hầu hết các tỉnh. Tại các khu vực đô thị lớn, tiềm năng năng lượng mặt
2

trời có thể đạt 4,08 - 5,15 kWh/m /ngày. Điều này chứng tỏ rằng điều kiện tự nhiên
của Việt Nam rất thuận lợi cho sự phát triển và sử dụng các năng lượng tái tạo nói
chung và năng lượng mặt trời nói riêng. Ngoài ra, có thể nhận thấy rằng năng lượng
mặt trời là một trong những nguồn năng lượng có độ tin cậy cao, có thể dự đoán
được và đặc biệt là có năng suất rất cao vào những giờ cao điểm về tiêu thụ điện.
Các nguồn năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng mặt trời nói riêng ngày
càng có tầm quan trọng hơn. Tuy nhiên, do đặc thù riêng trong việc áp dụng nên

phần lớn các công nghệ năng lượng mặt trời vẫn có giá khá cao và vẫn cần các biện
pháp trợ giá để thúc đẩy phát triển trong tương lai. Điều này thôi thúc các nhà khoa
học không ngừng tìm tòi để nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn năng lượng này.
Bên cạnh đó, việc kết nối lưới hệ thống điện năng lượng mặt trời cũng là một
trong các giải pháp được xem xét cho bài toán kết nối lưới hệ thống năng lượng


2

điện mặt trời mà đang phải gánh chịu các chỉ trích mạnh mẽ liên quan đến ô nhiễm
môi trường khi con người sử dụng các phương án lưu trữ thông qua Pin ắc-quy.
Hệ thống năng lượng tái tạo (NLTT) ngày càng được sử dụng rộng rãi và phổ
biến. Hệ thống NLTT gồm nhiều nguồn năng lượng khác nhau như: năng lượng mặt
trời, năng lượng gió, năng lượng thủy triều, địa nhiệt,… NLTT tận dụng các nguồn
năng lượng thiên nhiên có thể tái tạo tuần hoàn để biến đổi thành điện năng cung
cấp cho con người. Các nguồn năng lượng tái tạo tồn tại khắp nơi trên nhiều vùng
địa lý, ngược lại với các nguồn năng lượng khác chỉ tồn tại ở một số quốc gia. Việc
đưa vào sử dụng năng lượng tái tạo nhanh và hiệu quả có ý nghĩa quan trọng trong
an ninh năng lượng, giảm thiểu biến đổi khí hậu, và có lợi ích về kinh tế. Hệ thống
năng lượng tái tạo là cần thiết để cung cấp nguồn điện 1 cách liên tục hay phục vụ
cho những vùng sâu, vùng xa hoặc hải đảo, biên giới.

Hình 1.1 Mô hình hệ thống năng lượng mặt trời hoạt động độc lập
Do đó, hiện nay trên thế giới người ta đã sử dụng nhiều biện pháp để cung
cấp điện áp một cách liên tục. Một trong những phương pháp đó là dùng hệ thống
microgrid (lưới siêu nhỏ) để hoạt động một cách độc lập hay kết nối lưới tùy vào
nhu cầu sử dụng.


3

Trong các mô hình microgrid, mô hình các bộ nghịch lưu kết nối song song
với nhau sử dụng các phương pháp chia tải khác nhau cũng đang rất phổ biến như
phương pháp sử dụng giao tiếp truyền thông và phương pháp chia tải thụ động.
Phương pháp chia tải thụ động như Droop control tỏ ra hữu hiệu khi dự
đoán trước được công suất yêu cầu của hệ thống.

Hình 1.2 Mô hình lưới điện siêu nhỏ với các nguồn năng lượng khác
Với các phân tích trên, cho thấy rằng giải pháp “Nghiên cứu thiết kế cho hệ
thống điện năng lượng điện mặt trời nối lưới nhằm đảm bảo cung cấp điện cho
phụ tải” cũng không nằm ngoài mục tiêu chung đó, nhằm cung cấp công suất điện
tối đa trong mọi điều kiện môi trường và đặc biệt hơn là hệ thống điện năng lượng
mặt trời này sẽ được nối lưới.
1.2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
Đề tài “Nghiên cứu thiết kế cho hệ thống điện năng lượng điện mặt trời nối
lưới nhằm đảm bảo cung cấp điện cho phụ tải” sẽ được thực hiện với các mục tiêu
và nội dung như sau:


4

- Khảo sát tình hình khai thác và sử dụng năng lượng điện mặt trời trên thế
giới và tại Việt Nam.
- Tính toán thiết kế hệ thống điện mặt trời nối lưới.
- Mô phỏng đáp ứng pin mặt trời và các đặc tính V-I và V-P của nó trên
Matlab/Simulink.
- Mô phỏng hệ thống pin mặt trời kết nối lưới cung cấp điện liên tục cho tải
với cường độ bức xạ và nhiệt độ môi trường thay đổi.
- Đánh giá kết quả mô phỏng và đề xuất.
1.3. Tính cấp thiết của đề tài

Nhận thức được tầm quan trọng, lợi thế và lợi ích của các nguồn năng lượng
tái tạo trước nhu cầu tiêu thụ điện ngày càng tăng phục vụ phát triển kinh tế, theo
dự báo tăng trưởng điện thương phẩm tại Việt Nam bình quân từ 10,5 - 11%, gần
đây Chính phủ Việt Nam đã xem xét việc nghiên cứu, khảo sát, khuyến khích phát
triển năng lượng mới và năng lượng tái tạo.
Ngày nay, nguồn điện để phát triển kinh tế xã hội tại Việt Nam phụ thuộc rất
lớn vào nguồn nhiệu liệu hóa thạch và khí chiếm 53,61%, và nguồn thủy điện chiếm
46,08%. Tuy nhiên, nguồn điện sử dụng từ nguồn nhiên liệu hóa thạch và khí ngày
càng cạn kiệt, giá thành cao; đối với nguồn thủy điện thì có diễn biến rất thất
thường do biến đổi khí hậu toàn cầu. Từ đó, năng lượng tái tạo xem như một nguồn
năng lượng thay thế tất yếu trong hiện tại và tương lai.
1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là một hệ thống pin quang điện mặt trời, một
mảng gồm nhiều mô-đun với mỗi mô-đun có nhiều tế bào pin mặt trời kết nối với
nhau theo một cấu hình cụ thể.
Phạm vi nghiên cứu của đề tài là tìm điểm công suất cực đại của hệ thống điện
năng lượng mặt trời dưới các điều kiện bức xạ và nhiệt độ khác nhau sao cho có thể
tối ưu hóa năng lượng thu được. Đồng thời, hệ thống điện năng lượng mặt trời này
sẽ được nghiên cứu để kết nối với lưới điện.


5

1.5. Ý nghĩa của đề tài
1.5.1. Ý nghĩa khoa học
Việc tìm kiếm mô hình điện mặt trời kết với lưới điện để cung cấp liên tục cho
tải và giảm giá thành đầu tư làm tăng cơ hội phát triển điện mặt trời và làm giảm
biến động môi trường so với các nguồn năng lượng như thủy, nhiệt điện, hạt
nhân….
1.5.2. Ý nghĩa thực tiễn

Giải quyết bài toán năng lượng và bài toán môi trường hiện nay càng lúc càng
cấp bách mà trong đó năng lượng mặt trời nói riêng và năng lượng tái tạo nói chung
là một hướng đi đúng đắn. Hơn nữa, công việc luôn đòi hỏi phải nâng cao hiệu quả
trong cách khai thác và sử dụng năng lượng mặt trời. Đề tài được nghiên cứu nhằm
mục đích đem đến sự hiệu quả cao nhất trong cách khai thác và sử dụng nhằm góp
phần thúc đẩy sự phát triển của công nghệ xanh này.
Đồng thời, giải pháp kết nối hệ thống điện năng lượng mặt trời với lưới điện
cũng góp phần chia sẻ gánh nặng về khả năng cung cấp điện của các nguồn điện
truyền thống mà hoàn toán phù hợp với Quyết định số 2068/QĐ-TTg của Thủ tướng
chính phủ về phê duyệt chiến lược phát triển năng lượng tái tạo của Việt Nam đến
năm 2030, tầm nhìn đến năm 2050, trong đó liên quan trực tiếp đến định hướng
phát triển nguồn năng lượng mặt trời để cung cấp điện cho hệ thống điện quốc gia
và khu vực biên giới, hải đảo, vùng sâu, vùng xa chưa thể cấp điện từ nguồn điện
lưới quốc gia.
1.6. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu các tài liệu về hệ thống điện pin năng lượng mặt trời của Việt Nam
và các nước trên thế giới.
Thiết kế mô hình hệ điện mặt trời nối lưới kết hợp với điện lưới điều phối công
suất nhằm nâng cao hiệu quả của hệ năng lượng mặt trời.


6

1.7. Bố cục của luận văn
Bố cục của luận văn gồm 5 chương:
- Chương 1: Giới thiệu đề tài.
- Chương 2: Tổng quan hệ điện năng lượng mặt trời.
- Chương 3: Tính toán thiết kế sơ đồ nhất thứ lưới điện mặt trời kết lưới.
- Chương 4: Mô phỏng điều phối công suất hệ điện mặt trời kết lưới cung
cấp điện liên tục cho tải.

- Chương 5: Kết luận và hướng phát triển đề tài.


7

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN HỆ ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT
TRỜI
2.1. Cấu trúc mặt trời
6

Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1,390.10 km (lớn hơn 110
6

lần đường kính Trái đất), cách xa trái đất 150.10 km (bằng một đơn vị thiên văn
AU ánh sáng Mặt trời cần khoảng 8 phút để vượt qua khoảng này đến Trái đất).
30

Khối lượng Mặt trời khoảng M0 =2.10
thay đổi trong khoảng từ 10.10
0

6 0

K đến 20.10

kg. Nhiệt độ T0 trung tâm mặt trời

6 0

K, trung bình khoảng 15.600.000

K. Ở nhiệt độ như vậy vật chất không thể giữ được cấu trúc trật tự thông thường

gồm các nguyên tử và phân tử. Nó trở thành plasma trong đó các hạt nhân của
nguyên tử chuyển động tách biệt với các electron. Khi các hạt nhân tự do có va
chạm với nhau sẽ xuất hiện những vụ nổ nhiệt hạch. Khi quan sát tính chất của vật
chất nguội hơn trên bề mặt nhìn thấy được của Mặt trời, các nhà khoa học đã kết
luận rằng có phản ứng nhiệt hạch xảy ra ở trong lòng Mặt trời.

Hình 2.1. Cấu trúc của mặt trời
Về cấu trúc, Mặt trời có thể chia làm 4 vùng, tất cả hợp thành một khối cầu khí
khổng lồ, hình 2.1. Vùng giữa gọi là nhân hay “lõi” có những chuyển động đối lưu,
nơi xảy ra những phản ứng nhiệt hạt nhân tạo nên nguồn năng lượng mặt trời, vùng


8

3

này có bán kính khoảng 175.000 km, khối lượng riêng 160 kg/dm , nhiệt độ ước
tính từ 14 đến 20 triệu độ, áp suất vào khoảng hàng trăm tỷ atmotphe.
Vùng kế tiếp là vùng trung gian còn gọi là vùng “đổi ngược” qua đó năng
lượng truyền từ trong ra ngoài, vật chất ở vùng này gồm có sắt (Fe), canxi (Ca),
natri (Na), stronti (Sr), crôm (Cr), niken (Ni), cacbon ( C), silic (Si) và các khí như
hiđrô (H2), hêli (He), chiều dày vùng này khoảng 400.000 km. Tiếp theo là vùng
0

“đối lưu” dày 125.000 km và vùng “quang cầu” có nhiệt độ khoảng 6.000 K, dày
1.000 km, ở vùng này gồm các bọt khí sôi sục, có chỗ tạo ra các vết đen, là các hố
0

0

xoáy có nhiệt độ thấp khoảng 4.500 K và các tai lửa có nhiệt độ từ 7.000 K 0

10.000 K.
Vùng ngoài cùng là vùng bất định và gọi là “khí quyển” của Mặt trời. Nhiệt độ
0

bề mặt của Mặt trời là 5.762 K nghĩa là có giá trị đủ lớn để các nguyên tử tồn tại
trong trạng thái kích thích, đồng thời đủ nhỏ để ở đây thỉnh thoảng lại xuất hiện
những nguyên tử bình thường và các cấu trúc phân tử. Dựa trên cơ sở phân tích các
phổ bức xạ và hấp thụ của Mặt trời người ta xác định được rằng trên mặt trời có ít
nhất 2/3 số nguyên tố tìm thấy trên Trái đất. Nguyên tố phổ biến nhất trên Mặt trời
là nguyên tố nhẹ nhất Hydrogen. Vật chất của Mặt trời bao gồm khoảng 73,46% là
Hydrogen và gần 24,85% là Hêlium, còn lại là các nguyên tố và các chất khác như
Oxygen 0,77%, Carbon 0,29%, Iron 0,16%, Neon 0,12%, Nitrogen 0,09%, Silicon
0,07%, Magnesium 0,05% và Sulphur 0,04%.
Nguồn năng lượng bức xạ chủ yếu của Mặt trời là do phản ứng nhiệt hạch tổng
hợp hạt nhân Hyđrô, phản ứng này đưa đến sự tạo thành Hêli. Hạt nhân của Hyđrô
có một hạt mang điện dương là proton. Thông thường những hạt mang điện cùng
dấu đẩy nhau, nhưng ở nhiệt độ đủ cao chuyển động của chúng sẽ nhanh tới mức
chúng có thể tiến gần tới nhau ở một khoảng cách mà ở đó có thể kết hợp với nhau
dưới tác dụng của các lực hút. Khi đó cứ 4 hạt nhân Hyđrô lại tạo ra một hạt nhân
Hêli, 2 Neutrino và một lượng bức xạ.
1

4

4H1 → He2 + 2 Neutrino + 

(2.1)


Neutrino là hạt không mang điện, rất bền và có khả năng đâm xuyên rất lớn.
Sau phản ứng các Neutrino lập tức rời khỏi phạm vi mặt trời và không tham gia vào
các “biến cố” sau đó.
Trong quá trình diễn biến của phản ứng có một lượng vật chất của Mặt trời bị
mất đi. Khối lượng của Mặt trời do đó mỗi giây giảm chừng 4.10

6

tấn, tuy nhiên

theo các nhà nghiên cứu, trạng thái của Mặt trời vẫn không thay đổi trong thời gian
hàng tỷ năm nữa. Mỗi ngày Mặt trời sản xuất một nguồn năng lượng qua phản ứng
24

nhiệt hạch lên đến 9.10 kWh (tức là chưa đầy một phần triệu giây Mặt trời đã giải
phóng ra một lượng năng lượng tương đương với tổng số điện năng sản xuất trong
một năm trên Trái đất).
2.2. Quỹ đạo của trái đất quanh mặt trời
Trái đất quay quanh mặt trời theo quỹ đạo hình elip, một vòng của trái đất
quay quanh mặt trời là 365,2564 ngày. Điểm trên quỹ đạo mà Trái đất gần mặt trời
nhất gọi là điểm cận nhật, khoảng cách 146 triệu cây số và vào tháng 1 hàng năm
Trái sẽ tới điểm này. Điểm trên quỹ đạo mà Trái đất xa mặt trời nhất được gọi là
điểm viễn nhật khoảng cách khoảng 152 triệu cây số và vào tháng 7 hằng năm sẽ tới
điểm này.

d  1.5 *108 1 

0.017sin 


 


 360n  93
k

365
m

(2.2)

Trong đó:
n: Ngày đầu tiên trong tháng, ví dụ như ngày 1 tháng 1 thì n=1, ngày 31 tháng
12 thì n= 365.
Bảng 2.1. Bảng ngày số n của ngày đầu tiên của mỗi tháng
T
h
á
n

M H
ột ai
n 1

3
2

B
a
6
0

B
ố
n

N
ă
m

S
á
u

B T C M
ảy á hí ườ
m n i

9
1

1
2
1

1
5

2

1
8
2

2
1
3

2
4
4

2
7
4

M
ư
ư ời

M
ờ
i3
0
5

h
3

3
5


2.3. Góc cao độ của mặt trời vào buổi trưa
Chúng ta đều biết mặt trời mọc ở hướng đông và lặn ở hướng tây và đạt điểm
cao nhất của nó vào thời gian giữa trong ngày. Trong hình 2.2 trái đất quay quanh
mặt trời, khó có thể xác định góc của mặt trời so với mặt phẳng trái đất.

Hình 2.2. Quỹ đạo trái đất quay quanh mặt trời
Một quan điểm khác để thuận tiện cho việc xác định, trong hình 2.3 trái đất là
cố định quay quanh trục Bắc-Nam. Mặt trời nằm ở một số nơi trong không gian từ
từ di chuyển lên xuống như tiến độ mùa. Vào ngày 21 tháng 6 (hạ chí) mặt trời đạt
đến điểm cao nhất của nó và một tia kẻ từ trung tâm của trái đất đến trung tâm của
mặt trời tạo thành với mặt phẳng xích đạo một góc bằng 23,45 độ. Góc này thay đổi
khi trái đất di chuyển và được gọi là góc thiên độ, ký hiệu là δ. Nó nằm trong
khoảng từ -23,45 độ đến 23,45 độ. Và một cách tính xấp xỉ gần đúng cho rằng một
năm có 365 ngày và đặt xuân phân vào ngày n = 81, góc δ sẽ được tính:
  23.45 sin 3 60
81



365

n 



Hình 2.3 Quỹ đạo trái đất

(2.3)