Thiết kế nguồn điện năng lượng mặt trời có bộ tự động chọn điểm làm việc cực đại theo phương pháp po (perturb and observe)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN THỊ HỒNG HẠNH

THIẾT KẾ NGUỒN ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CÓ BỘ
TỰ ĐỘNG CHỌN ĐIỂM LÀM VIỆC CỰC ĐẠI THEO
PHƯƠNG PHÁP P&O (Perturb and Observe)

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN 2014


LỜI NÓI ĐẦU
Khoa học và thực tiễn trên thế giới đã chỉ ra những nhược điểm rõ ràng của
các nguồn điện truyền thống như nhiệt điện, thủy điện, điện hạt nhân đã có
những tác động rất xấu đến môi trường, cuộc sống con người và sẽ không thể
cung cấp đủ nhu cầu trong tương lai không xa.
Một trong những biện pháp đang được quan tâm nhất hiện nay là sử dụng
các dạng năng lượng tái tạo nhằm đáp ứng trực tiếp cho các phụ tải hay giúp
phân bố lại công suất truyền tải trong lưới phân phối. Qua đó, giúp giảm việc
xây mới các nhà máy điện quy mô lớn, tăng hiệu quả vận hành cho toàn hệ
thống điện.
So với những nguồn năng lượng mới đang được khai thác sử dụng như
năng lượng gió, năng lượng hạt nhân… Năng lượng mặt trời được coi là một
nguồn năng lượng rẻ, vô tận, là một nguồn năng lượng sạch không gây hại cho
môi trường đang thu hút sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học, nhà nghiên
cứu và sẽ trở thành nguồn năng lượng tốt nhất trong tương lai. Hệ thống quang
điện sử dụng năng lượng mặt trời (Hệ pin mặt trời) có nhiều ưu điểm như không
cần nguyên liệu, không gây ô nhiễm môi trường, ít phải bảo dưỡng, không gây

tiếng ồn… Hiện nay năng lượng mặt trời đã được khai thác và đưa vào ứng dụng
trong cuộc sống cũng như trong công nghiệp dưới nhiều dạng và hình thức khác
nhau, thông thường để cấp nhiệt và điện.
Với ưu điểm không phát ra tiếng ồn, dễ chế tạo tấm pin mặt trời PV
(Photovotaic), không đòi hỏi khắt khe về điều kiện lắp đặt (có thể đặt trực tiếp
trên công trình) nên việc khai thác năng lượng từ PV đang được rất nhiều các
Nhà khoa học, các quốc gia trên thế giới quan tâm, đầu tư để đạt được hiệu quả
tối đa. Tuy nhiên, năng lượng phát ra được từ tấm pin mặt trời lại phụ thuộc
hoàn toàn vào thời điểm có bức xạ mặt trời.
Phương pháp khai thác điểm làm việc cực đại của PV đã được nhiều các nhà
khoa học đề xuất: phương pháp P&O (Perturb and Observe), phương pháp sử
dụng mô hình của mạng nơron, giảm bậc.... Trong đó phương pháp P&O có xét


đến các yếu tố ảnh hưởng của nhiệt độ, cường độ sáng. Vì vậy, sau hai năm
học tập và nghiên cứu cùng với sự định hướng của thầy hướng dẫn TS. Ngô
Đức Minh em đã lựa chọn đề tài là “Thiết kế nguồn điện năng lượng Mặt trời
có bộ tự động chọn điểm làm việc cực đại theo phương pháp P&O (Perturb
and Observe)”.
Luận văntrình bày bao quát cả một hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập
với đầy đủ các thành phần cần thiết trong hệ. Sau đó Luận văntập trung nghiên
cứu sâu hơn vào nguồn điện pin mặt trời gồm pin mặt trời, bộ DC/DC, phương
pháp và thuật toán điều khiển MPPT để thấy rõ đặc tính làm việc của pin thay
đổi dưới tác động của nhiệt độ thời tiết và so sánh nguyên lý làm việc, ưu nhược
điểm, khả năng ứng dụng của các thuật toán điều khiển MPPT nhằm để hệ pin
mặt trời được làm việc tối ưu nhất.
Luận văn gồm có 4 chương với nội dung tổng quan như sau:
Chương 1. Tổng quan về năng lượng mới và tái tạo.
Chương 2. Mạng điện khai thác năng lượng từ pin mặt
trời. Chương 3. Bộ theo dõi điểm làm việc cực đại.

Chương 4. Thiết kế hệ thống có khai thác năng lượng từ tấm pin mặt trời.
Trong quá trình thực hiện luận văn, em đã củng cố được những kiến thức
đã được học và tiếp thu thêm được một số kiến thức và kinh nghiệm mới về pin
mặt trời. Trên tất cả là em đã được học và rèn luyện được phương pháp làm
việc, nghiên cứu một cách chủ động hơn, linh hoạt hơn và đặc biệt là phương
pháp làm việc theo nhóm. Quá trình làm Luận vănthực sự đã rất có ích cho em
về nhiều mặt. Tuy nhiên bản luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, kính
mong nhận được sự góp ý của các thầy cô giáo và người đọc.
E xin bày tỏ sự biết ơn chân thành của mình tới thầy giáo TS. Ngô Đức
Minh đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện để em hoàn thành bản luận văn này.


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO
1.1. Các dạng năng lượng mới và tái tạo
Năng lượng tái tạo (NLTT) hay năng lượng tái sinh là năng lượng từ những
nguồn liên tục mà theo chuẩn mực của con người là vô hạn. Nguyên tắc cơ bản
của việc sử dụng năng lượng tái sinh là tách một phần năng lượng từ các quy
trình diễn biến liên tục trong môi trường tự nhiên và đưa vào trong các sử dụng
kỹ thuật cho một mục đích nào đó của con người. Các quy trình này luôn tuân
theo quy luật được thúc đẩy từ Mặt trời. Vô hạn có hai nghĩa: hoặc là năng
lượng tồn tại nhiều đến mức mà không thể cạn kiệt (ví dụ như năng lượng Mặt
trời) hoặc là NLTT tự tái tạo theo quy luật của tự nhiên trong thời gian (vòng
đời) ngắn và liên tục (ví dụ như năng lượng sinh khối, phong năng, thủy điện
nhỏ từ sóng biển, thủy triều hay các dòng suối…) trong các quy trình còn diễn
tiến trong một thời gian dài trên Trái đất.
Tình hình NLTT trên toàn cầu được thống kê năm 2006 qua biểu đồ sau:

Hình 1. 1 Các nguồn NLTT trên Thế giới năm 2006
Trong đó:

770 GW Thủy điện lớn 235GWh Sinh khối nhiệt 105 GWh Mặt trời điện nhiệt
74 GW NL Gió

73 GW Thủy điện nhỏ

45 GW NL Sinh khối điện


39 Tỷ lít etanol/năm

33 GWh NL Địa nhiệt

0,3-0,4 GW Pin Mặt trời

Các nguồn năng lượng hóa thạch đã được khai thác và sử dụng từ rất lâu
và đang dần cạn kiệt. Cùng với sự tăng trưởng về kinh tế, nhu cầu về năng lượng
cho sản xuất và đời sống ngày càng gia tăng do đó việc tìm kiếm các công nghệ
sử dụng NLTT như thủy điện nhỏ, năng lượng gió, năng lượng Mặt trời, năng
lượng sinh khối, năng lượng địa nhiệt… có ý nghĩa sống còn đối với nhân loại
và được sự quan tâm rộng rãi trên quy mô toàn thế giới.
Trong những năm cuối của thế kỷ XX và những năm gần đây, Thế giới
trong giai đoạn khủng hoảng năng lượng, cho nên công tác nghiên cứu, thăm dò,
khai thác và sử dụng NLTT được nhiều quốc gia chú ý và đạt được thành tựu
đáng kể. Đặc điểm chung của các nguồn NLTT là mặc dù chúng có mặt khắp
nơi trên Trái đất dưới dạng nước, gió, ánh sáng Mặt trời, rác thải… nhưng chúng
đều có chung một đặc điểm là phân tán, và không liên tục. Việc khai thác trên
quy mô công nghiệp đòi hỏi công nghệ cao và vốn đầu tư lớn. Trước mắt, khai
thác trên quy mô nhỏ, cục bộ cũng là rất thiết thực và đem lại hiệu quả to lớn.
Tiếp theo là hình thành mạng phân tán kết nối lưới – Đó là mô hình tất yếu của
một tương lai gần.

Cho đến nay với sự nỗ lực vượt bậc của các Nhà khoa học trên toàn Thế
giới và sự phát triển đồng bộ của các lĩnh vực khoa học, các nghiên cứu về tự
nhiên môi trường,… rất nhiều dạng năng lượng mới và tái tạo đã được đưa vào
khai thác sử dụng một cách khá hiệu quả. Ví dụ như: năng lượng gió, năng
lượng Mặt trời, thủy điện nhỏ, năng lượng từ đại dương, dầu thực vật phế thải
dùng để chạy xe, năng lượng từ tuyết, nguồn năng lượng địa nhiệt, khí Mêtan
hydrate, năng lượng từ sự lên men sinh học. Tuy nhiên, ở Việt Nam hiện nay với
đặc điểm và điều kiện tự nhiên chúng ta chỉ quan tâm đến các dạng năng lượng
chính là điện Mặt trời, phong điện, thủy điện nhỏ, địa nhiệt và năng thủy triều
sóng biển...


1.2. Năng lượng Mặt trời
1.2.1. Sự hình thành năng lượng Mặt trời
Năng lượng Mặt trời thu được trên Trái đất là năng lượng của dòng bức
xạ điện từ xuất phát từ Mặt trời đến Trái đất. Mặt trời là quả cầu lửa khổng lồ,
trong lòng nó diễn ra phản ứng nhiệt hạch với nhiệt độ rất cao lên tới hàng triệu
0

C. Trái đất sẽ tiếp tục nhận được dòng năng lượng này cho đến khi phản ứng

hạt nhân trên Mặt trời cạn kiệt, ước chừng của các Nhà khoan học là khoảng 5 tỷ
năm nữa. Như vậy năng lượng Mặt trời được coi là như vô tận so với chuẩn mực
của đời sống con người. Mặt trời liên tục bức xạ ra không gian xung quanh với
2

mật độ công suất khoảng 1353 W/m , đó chính là là nguồn gốc của mọi sự sống
trên Trái đất. Khi xuyên qua khí quyển của Trái đất một phần năng lượng Mặt
trời bị hấp thụ. Kết quả tính toán cho thấy năng lượng Mặt trời phân bố trên bề
mặt Trái đất với mật độ năng lượng trung bình, cứ mỗi mét vuông hàng năm

nhận được năng lượng từ Mặt trời tương đương với khoảng 1,5 thùng dầu.
Các nghiên cứu của con người đem lại có thể trực tiếp thu lấy năng lượng
này thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển năng lượng của bức xạ Mặt trời
(BXMT) thành điện năng, như pin Mặt trời. Năng lượng của các photon cũng có
thể được hấp thụ để làm nóng các vật thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, ứng
dụng cho bình đun nước Mặt trời, các nhà máy nhiệt điện Mặt trời, các hệ thống
máy điều hòa Mặt trời, V.V... Trường hợp khác, năng lượng của các photon có
thể được hấp thụ và chuyển hóa thành năng lượng trong các liên kết hóa học của
các phản ứng quang hóa, V.V...
1.2.2. Tiềm năng năng lượng Mặt trời
- Tiềm năng trên Thế giới:
Tiềm năng về năng lượng Mặt trời của các nước trên Thế giới là rất lớn.
Tuy nhiên, phân bố không đều, mạnh nhất ở vùng xích đạo và những khu vực
khô hạn, giảm dần về phía hai địa cực. Tiềm năng kinh tế của việc sử dụng năng
lượng Mặt trời phụ thuộc vào vị trí địa điểm trên Trái đất, phụ thuộc vào đặc


điểm khí hậu, thời tiết cụ thể của vùng miền. Theo số liệu thống kê bức xạ trung
2

bình của một địa điểm trên Thế giới vào khoảng 2000 kWh/m /năm.
Bảng 1. 1 : Bảng tổng hợp tiềm năng của năng lượng Mặt trời
Bức xạ Mặt

Chỉ số chất lượng

Công suất có thể

trời

trung bình DNI

khai thác

Khu vực

[1000 TWh]

[kWh/tháng/năm] [1000 TWh/năm]

North America

11,500

2410

1,150

South America

13,500

2330

1,350

Africa/Europe/Asia

73,500

2600

7,350

Pacific

23,000

2950

2,300

Total

121,500

12,150

- Tiềm năng ở Việt Nam:
Về mặt vị trí địa lý, Việt Nam được hưởng một nguồn NLTT vô cùng
0

0

lớn, đặc biệt là năng lượng Mặt trời. Trải dài từ vĩ độ 23 23’ Bắc đến 8 27’ Bắc,
Việt Nam nằm trong khu vực có cường độ bức xạ Mặt trời tương đối cao. Trong
đó, nhiều nhất phải kể đến thành phố Hồ Chí Minh, tiếp đến là các vùng Tây
Bắc (Lai Châu, Sơn La, Lào Cai) và vùng Bắc Trung Bộ (Thanh Hóa, Nghệ An,
Hà Tĩnh)…
Năng lượng Mặt trời có nhiều ưu điểm như: Có tự nhiên, sạch, chi phí

nhiên liệu và bảo dưỡng thấp, thân thiện với con người nói riêng cũng như vạn
vật xung quanh… Phát triển ngành công nghiệp sản xuất năng lượng từ pin Mặt
trời (PV) sẽ góp phần thay thế một phần các nguồn năng lượng hóa thạch, giảm
phát khí thải nhà kính, bảo vệ môi trường. Vì thế, đây được coi là nguồn năng
lượng quý giá, có thể thay thế dần những dạng năng lượng cũ đang ngày càng
cạn kiệt.
Vì vậy, sử dụng năng lượng Mặt trời như một nguồn năng lượng tại chỗ và
tiến đến kết nối lưới có ý nghĩa rất lớn về khoa học và thực tiễn. Góp phần đảm
Số hóa bởi Trung tâm Học
liệu

/>

bảo cho cân băng năng lượng bền vững. Tuy nhiên, việc ứng dụng năng lượng
Mặt trời ở Việt Nam cho đến nay chưa phát triển xứng với kỳ vọng.
Bảng 1. 2: Số liệu về bức xạ năng lượng Mặt trời của các vùng ở Việt Nam.
Vùng

Giờ nắng
trong năm

Bức xạ
2
kcal/cm /năm

Khả năng
ứng dụng

Đông Bắc

1500-1700

100-125

Thấp

Tây Bắc

1750-1900

125-150

Trung bình

Bắc Trung Bộ

1700-2000

140-160

Tốt

Tây Nguyên, Nam TB

2000-2600

150-175

Rất tốt

Nam Bộ

2200-2500

130-150

Rất tốt

Trung bình cả nước

1700-2500

100-175

Tốt

1.2.3. Công nghệ sử dụng năng lượng Mặt trời
Bức xạ Mặt trời gửi tới Trái đất dưới dạng sóng bức xạ, năng lượng sóng
phụ thuộc bước sóng (phổ sóng), không phải là truyền nhiệt đến Trái đất. Muốn
khai thác năng lượng Mặt trời (NLMT) phải có thiết bị hấp thụ năng lượng của
các sóng bức xạ, từ đó hình thành nhiều công nghệ khai thác khác nhau dựa trên
các nguyên tắc chủ yếu sau:
- BXMT - điện năng – phụ tải điện
- BXMT - nhiệt năng – phụ tải nhiệt
- BXMT - nhiệt năng – điện năng – phụ tải điện
Năng lượng Mặt trời có thể sử dụng trong nhiều mục đích khác nhau tùy
theo mục đích người sử dụng. Đối với ngành hệ thống điện, chỉ tập trung nghiên
cứu đến khả năng chuyển hóa BXMT- điện năng- phụ tải điện dựa trên nguyên
tắc của hiệu ứng quang điện trong thiết bị pin quang điện hay thường gọi là pin
Mặt trời, tiếng anh là Photo Voltaics (viết tắt là PV ).

Số hóa bởi Trung tâm Học
liệu

/>

1.3. Năng lượng gió
1.3.1. Sự hình thành năng lượng gió
Bức xạ Mặt trời chiếu xuống bề mặt Trái đất không đồng đều làm cho bầu
khí quyển, nước và không khí nóng không đều nhau. Một nửa bề mặt của Trái
đất (mặt ban đêm), bị che khuất không nhận được bức xạ của Mặt trời và thêm
vào đó là bức xạ Mặt trời ở các vùng gần xích đạo nhiều hơn ở các cực. Do đó,
hình thành sự chênh lệch về nhiệt độ và áp suất dẫn đến sự dịch chuyển của các
khối không khí tạo thành gió. Mặt khác, Trái đất tự quay tròn theo một trục
0

nghiêng 23 5 so với mặt phẳng quỹ đạo Trái đất quay xung quanh Mặt trời. Điều
này là nguyên nhân hình thành các quy luật thay đổi về thời tiết, khí hậu theo
mùa. Hình 1.2 minh họa cho sự hình thành gió.

Hình 1. 2 Sự hình thành gió
Ngoài ra, gió còn chịu ảnh hưởng bởi địa hình tại từng địa phương, do
nước và đất có nhiệt dung khác nhau nên ban ngày đất nóng lên nhanh hơn
nước, tạo nên khác biệt về áp suất và vì thế có gió thổi từ biển hay hồ vào đất
liền. Vào ban đêm đất liền nguội đi nhanh hơn nước và hiệu ứng này xảy ra theo
chiều ngược lại. Như vậy, năng lượng gió là động năng của không khí di chuyển
trong bầu khí quyển Trái đất.
1.3.2. Tiềm năng gió
- Tiềm năng về năng lượng gió của một số nước trên Thế giới:
Số hóa bởi Trung tâm Học

liệu

/>

Năng lượng gió được nghiên cứu và triển khai với tốc độ rất nhanh trong
khoảng 10 năm gần đây. Biểu đồ trên hình 1.3 cho thấy tốc độ triển khai năng
lượng gió giai đoạn 1997-2010 trên thế giới.

Hình 1. 3 Tốc độ triển khai năng lượng gió giai đoạn 1997-2010 trên thế giới.
Các turbine gió hiện đại bắt đầu được sản xuất từ năm 1979 ở Đan Mạch
với công suất từ 200-300 kW. Từ năm 2000 đến 2006 công suất các turbine gió
tăng nhiều lần, thông dụng là các turbine từ 1 đến 2 MW, lớn có thể đến 5 MW.
Ngày nay, tổng công suất turbine gió trên Thế giới ước tính đạt 93.849 MW,
trong đó châu Âu chiếm tới 65%. Đan Mạch là nước sử dụng năng lượng gió
rộng rãi nhất, chiếm 1/5 sản lượng điện quốc gia.
Theo Hội Năng lượng gió Hoa Kỳ năm 2008 sản lượng điện gió chiếm
1% tổng điện năng. Ấn Độ đứng thứ tư trên Thế giới về năng lượng gió với
8.000 MW, công suất đặt năm 2007 chiếm 3% sản lượng điện.
- Tiềm năng năng lượng gió của Việt Nam:
0

0

Việt Nam nằm ở khu vực gần xích đạo trong khoảng 8 đến 23 vĩ Bắc
thuộc khu vực nhiệt đới gió mùa. Gió ở Việt Nam có hai mùa rõ rệt: Gió Đông
Bắc và gió Tây Nam với tốc độ trung bình ở vùng ven biển từ 4,5- 6 m/s (ở độ
cao 10-12m). Tại các vùng đảo xa, tốc độ gió đạt tới 6- 8 m/s. Như vậy tuy
Số hóa bởi Trung tâm Học
liệu

/>

không cao bằng tốc độ gió ở các nước Bắc Âu ở cùng độ cao nhưng cũng đủ lớn
để sử dụng động cơ gió có hiệu quả.
Trên thực tế vận tốc gió được đo ở độ cao 10-12m. Các động cơ gió công
suất lớn đến 1000 kW thường được lắp trên độ cao 50- 60m. Các dữ liệu vận tốc
gió ở độ cao này chưa có, một số đơn vị đã tiến hành đo gió ở độ cao 50-60 m
tại một số điểm. Các số liệu đo gió ở độ cao trên đã xác định được vận tốc gió
thông qua công thức gần đúng sau:
V= V1 h 1/5

(1.1)

h1

Trong đó:

+ V: Vận tốc gió cần tìm trên độ cao h.
+ V1: Vận tốc gió đo được ở độ cao h1.

Tiềm năng gió của Việt Nam có thể đánh giá thông qua số liệu về gió của
Tổng Cục Khí tượng Thủy văn theo bảng 1.3
Bảng 1. 3: Sự phát triển của turbine gió từ 1985 đến 2004
Năm

Công suất (kW)

Đường kính rotor (m)

1985

50

15

1989

300

30

1992

500

37

1994

600

46

1998

1500

70

2003

3000-3600

90-104

2004

4500-5000

112-128

1.3.3. Công nghệ sử dụng năng lượng gió
Như vậy gió là dòng chuyển dời của khối không khí mang năng lượng mà
các thiết bị thu chủ yếu nhận được dưới dạng động năng. Từ cổ xưa đến nay đã
hình thành nhiều công nghệ khai thác năng lượng gió (NLG):
- NLG – chuyển động tịnh tiến – thuyền buồm, xe buồm, tàu lượn
- NLG – chuyển động quay – Máy xay gió
Số hóa bởi Trung tâm Học
liệu

/>

- NLG – chuyển động quay – Máy phát điện.
Đối với ngành Mạng, thiết bị và nhà mát điện, chủ yếu quan tâm về công
nghệ khai thác năng lượng gió như sau: NLG – chuyển động quay – Máy phát
điện. Đặc của công nghệ này gồm:
- Turbine gió: Công suất P của turbine gió phụ thuộc vào sải cánh của
rôto, vào tỷ trọng không khí và tốc độ gió và cho bằng công thức:
1
2 3

P  r v
2

(1.2)

- Máy phát điện sức gió: Máy phát làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng cơ
học thành năng lượng điện. Có nhiều thiết kế hệ thống máy phát điện chạy bằng
sức gió đã được ứng dụng phổ biến như: Máy phát điện một chiều, máy phát
điện xoay chiều đồng bộ nam châm vĩnh cửu, máy phát điện dị bộ nguồn kép,
V.V…Ví dụ, các máy phát được áp dụng trong một số mô hình khai thác trên
hình 1.4a,b.
a)

b)

Hình 1. 4 :
a) Sơ đồ máy phát điện sức gió;
b) Sơ đồ nối lưới của máy phát nối lưới không đồng bộ nguồn kép
1.4. Thủy điện nhỏ
1.4.1. Khái niệm chung về thủy điện nhỏ
Thủy điện nhỏ được hiểu một cách không thống nhất. Đa số các nước
phân loại thủy điện nhỏ có công suất dưới 10 MW, tuy nhiên Canađa phân loại
thủy điện nhỏ có công suất dưới 20 MW, Hoa Kỳ dưới 30 MW. Trong loại thủy
điện nhỏ, thủy điện mini có công suất dưới 500 kW, micro dưới 100 kW, trạm


pico có công suất dưới 5 kW. Trung Quốc là nước đứng đầu Thế giới về khai
thác thủy điện nhỏ.
Thủy điện nhỏ là nguồn năng lượng có hiệu quả kinh tế rất cao, được chú
ý rộng rãi trên toàn thế giới, đóng góp quan trọng cho cân bằng năng lượng của

mỗi quốc gia và đặc biệt có ý nghĩa cho bảo vệ môi trường.
1.4.2. Tiềm năng và tình hình khai thác ở Việt Nam
Ở Việt Nam, với đặc điểm địa lý của đất nước có nhiều đồi núi, cao
nguyên và sông hồ, lại có mưa nhiều. Hàng năm mạng lưới sông suối vận
3

chuyển ra biển hơn 870 tỷ m nước, tương ứng với lưu lượng trung bình khoảng
37.500 m3/giây. Đó là tiềm năng lớn cho việc phát triển các nhà máy thủy điện
nói chung và thủy điện nhỏ nói riêng.
Vì vậy, cùng với việc tiếp tục triển khai xây dựng các nhà máy thủy điện
có công suất lớn do Tập đoàn Ðiện lực Việt Nam làm chủ đầu tư, như Sơn La
công suất 2.400MW, Tuyên Quang 342 MW, Bản Vẽ 320MW, Ðại Ninh
300MW,... nhiều doanh nghiệp trong và ngoài ngành điện cũng mạnh dạn tự đầu
tư xây dựng các nhà máy thủy điện công suất vừa và nhỏ, với gần 300 dự án có
tổng công suất lắp máy khoảng 2.500 MW đến 3.000 MW, tương ứng với lượng
điện hàng năm khoảng 10 tỷ kWh.
Ði đầu trong việc phát triển thủy điện vừa và nhỏ là Tổng công ty Sông
Ðà. Với thế mạnh của một tổng công ty đã tham gia xây dựng nhiều công trình
thủy điện trọng điểm của quốc gia như: Thác Bà, Hòa Bình, Trị An, YaLy...
Bằng kinh nghiệm của mình, Tổng công ty đang từng bước tự khẳng định là nhà
đầu tư lớn các dự án năng lượng điện, với việc tự đầu tư nhiều công trình thủy
điện có công suất từ vài MW đến hàng trăm MW. Bên cạnh các dự án thủy điện
đã hoàn thành như thủy điện Sê San 3A (108 MW), Cần Ðơn (77,6 MW), Nậm
Mu (12 MW), Nà Lơi (9,3 MW)...Tổng công ty đang thực hiện nhiều dự án thủy
điện vừa và nhỏ ở miền trung và Tây Nguyên với tổng công suất hơn 40 MW.


1.4.3. Công nghệ thủy điện nhỏ
Đối với các nhà máy thủy điện lớn, thủy năng (TN) được tập trung trên
những dòng chảy (sông) lớn. Trong khi đó, thủy điện nhỏ lại khai thác từ nhiều

dạng thái thủy năng khác nhau từ các dòng chảy nhỏ, suối ...
- TN – Cơ năng – Máy xay, bơm nước
- TN – Cơ năng – Máy phát điện
Các trạm thủy điện nhỏ không có yêu cầu cao về công trình thủy công
như đập chắn, hồ chứa, bể xả, khả năng điều tiết mức nước. Nước từ thượng lưu
qua kênh dẫn hoặc đường ống tới hệ thống turbine-máy phát điện, biến đổi thủy
năng thành điện năng. Các trạm thủy điện công suất nhỏ (loại mini) có thể
không có đập chắn mà lợi dụng những dòng kênh thủy lợi.
3

Đối với một dòng chảy có lưu lượng Q (m /s), độ chênh cột nước H (m),
3

tỷ trọng của nước ρ (kg/m ), η là hiệu suất truyền động, tao nên công suất P tính
bằng kW:
P = 9,81ρηQH

(1.3)

Bảng 1.4 cho thấy quan hệ giữa công suất đặt của máy phát thủy điện nhỏ
theo lưu lượng và chiều cao cột nước.
Bảng 1. 4: Quan hệ công suất theo lưu lượng, chiều cao cột nước
Công suất P (W)

Chiều cao H (m)

Lưu lượng Q (l/s)

10
300

500
600

3-5
4-7
3-5
3-5

2
3
8
10

800
1000
1200

3-5
4-6
4-6

15
20
25

1500

5-8

30

1.5. Năng lượng địa nhiệt


1.5.1. Sự hình thành năng lượng địa nhiệt
Nhiệt năng của Trái đất hay còn gọi là địa nhiệt, là năng lượng nhiệt mà
Trái đất có được từ các phản ứng hạt nhân âm ỉ dưới lòng đất. Nhiệt năng này
làm nóng chảy các lớp đất đá trong lòng Trái đất, gây ra hiện tượng di dời thềm
lục địa và sinh ra núi lửa. Các phản ứng hạt nhân trong lòng Trái đất sẽ tắt dần
và nhiệt độ lòng Trái đất trong quá trình nguội dần hình thành các vùng nhiệt dư
phân tán ở nhiều nơi trong kiến tạo của vỏ Trái đất, Mỗi vùng có đặc điểm về
cấu trúc vật chất và quá trình nhiệt có hầu như không giống nhau .
Địa nhiệt có thể được xem là nguồn năng lượng sản xuất công nghiệp quy
mô vừa và lớn trong các lĩnh vực như:
- Nhà máy điện địa nhiệt
- Trung tâm địa nhiệt
1.5.2. Tiềm năng của năng lượng địa nhiệt
- Tiềm năng địa nhiệt trên Thế giới:
Nhà máy điện địa nhiệt đầu tiên trên Thế giới được xây dựng từ năm 1904
ở Italia. Nhà máy địa nhiệt đầu tiên ở Hoa Kỳ được xây dựng từ năm 1922 cung
cấp nhiệt và điện cho khu nghỉ mát. Nhà máy điện địa nhiệt lớn nhất Thế giới
The Geysers của Hoa Kỳ có công suất 1360 MW được xây dựng từ năm 1960.
Điện lực Bắc California có các nhà máy điện địa nhiệt có tổng công suất 740
MW. Hoa Kỳ là nước khai thác địa nhiệt hàng đầu Thế giới. Năm 2005 Hoa Kỳ
đã hợp đồng xây dựng các nhà máy địa nhiệt tổng công suất 500 MW cho 11
nước. Mehicô là nước khai thác địa nhiệt thứ ba trên Thế giới, năm 2007 đã lắp
đặt 959 MW. Chiếm 3,24% điện năng toàn quốc. Iceland cũng là nước có tiềm
năng địa nhiệt lớn, điện địa nhiệt chiếm 19,1% và 87% nhiệt năng. Nguồn địa
nhiệt của Philipin đảm bảo 17,5% điện năng. Tiềm năng địa nhiệt Thế giới
khoảng 100 GW và đã được sử dụng vì mục đích thương mại trên 70 nước.

Năng lượng địa nhiệt đã cung cấp 1% nhu cầu năng lượng của Thế giới.
- Tiềm năng địa nhiệt ở Việt Nam.


Việt Nam có nguồn địa nhiệt phong phú, cả nước có hơn 300 nguồn nước
0

khoáng nóng có nhiệt độ bề mặt lên tới 105 C. Miền Bắc đã phát hiện và đăng
ký 119 nguồn hầu hết là nguồn nước nóng. Theo tính toán sơ bộ năng lượng địa
nhiệt của các tỉnh phía Bắc có thể dùng để phát điện bước đầu với công suất 100
MW. Bắc Trung Bộ cũng là vùng có nhiều triển vọng địa nhiệt có thể khai thác
công nghiệp phát điện từ 40 MW đến 60 MW tương đương với Nam Trung Bộ.
Gần đây với sự hợp tác của công ty ORMAT Hoa Kỳ các chuyên gia địa chất đã
đánh giá địa hóa học trên 60 nguồn nước nóng và đã chọn 6 địa điểm thuộc các
tỉnh Quảng Ngãi, Bình Định, Khánh Hòa và Bà Rịa-Vũng Tàu có khả năng phát
triển các nhà máy điện địa nhiệt với tổng công suất 200 MW. Đặc điểm về nhiệt
độ địa nhiệt của các địa điểm được cho trong bảng 1.5.
Bảng 1. 5 Nhiệt độ địa nhiệt của một số địa điểm ở Việt Nam
TT

Địa điểm

0
Nhiệt độ max ( C )

1

Bang-Lệ Thủy, Quảng Bình

184

2

Mộ Đức, Quảng Ngãi

187

3

Hội Vân, Bình Định

142

4

Tu Bông, Khánh Hòa

151

5

Đảnh Thanh, Khánh Hòa

131

6

Bình Châu, Vũng tàu

142

Các nghiên cứu địa chất, địa hóa cho thấy các nguồn địa nhiệt này đều có
chất lượng cao, phù hợp với các tiêu chuẩn quốc tế và mỗi địa điểm có thể đặt
nhà máy địa nhiệt quy mô thương mại khoảng 40-50 MW.
1.5.3. Công nghệ khai thác địa nhiệt
Có hai loại nguồn địa nhiệt:
- Các nguồn thủy nhiệt (nước nóng) là nguồn tương đối nông từ vài trăm
mét tới 3000 m. Chúng chứa nước nóng, hơi nước hoặc hỗn hợp, được khai thác


cho mục đích địa nhiệt thương mại du lịch và sấy sưởi,V.V... Các nguồn thủy
nhiệt có thể cung cấp năng lượng trong khoảng 10-50 năm.
- Các nguồn nhiệt trong đá nóng nằm khá sâu trong lòng đất vào khoảng
4000 m và sâu hơn, hiện đang được tập trung nghiên cứu nhưng chưa được khai
thác thương mại. Các nguồn nhiệt trong đá nóng có thể cung cấp năng lượng lâu
dài. Năng lượng địa nhiệt có nhiều ưu điểm so với các nguồn năng lượng hóa
thạch truyền thống, là nguồn năng lượng sạch, có giá thành khai thác thấp, làm
việc liên tục nên có thể làm việc ở đáy đồ thị phụ tải. Tuy nhiên là hơi nước
trong lòng đất có chứa nhiều tạp hóa học chất dễ ăn mòn (có thể độc hại) và có
nhiệt độ tương đối thấp nên hiệu suất nhiệt động của các nhà máy điện địa nhiệt
bị hạn chế. Các vùng (bồn chứa) thủy nhiệt bao gồm nguồn đá nóng có tính
0

thẩm thấu lớn và chứa nước với nhiệt độ khoảng từ 100- 400 C. Chất lỏng này
còn chứa một lượng đáng kể các chất rắn không hòa tan và chất khí không
ngưng tụ. Các giếng khoan dùng để lấy chất lỏng địa nhiệt sâu khoảng 2003500m. Từ giếng khoa có hệ thống đường ống vận chuyển chất lỏng địa nhiệt
tới các thiết bị trong nhà máy điện. Thông thường, Các nguồn thủy nhiệt có
0

nhiệt độ cao trên 200 C mới có thể áp dụng cho nhà máy điện địa nhiệt phát điện

thương mại.
1.6. Năng lượng thủy triều và sóng biển
1.6.1. Sự hình thành năng lượng thủy triều và sóng biển
Trường hấp dẫn không đều trên bề mặt Trái đất gây ra bởi Mặt trăng,
cộng với trường lực quán tính ly tâm không đều tạo nên bề mặt hình elipsoit của
thủy quyển Trái đất (và ở mức độ yếu hơn, của khí quyển Trái đất và thạch
quyển Trái đất). Hình elipsoit này cố định so với đường nối Mặt trăng và Trái
đất, trong khi Trái đất tự quay quanh nó, dẫn đến mực nước biển trên một điểm
của bề mặt Trái đất dâng lên hạ xuống trong ngày, tạo ra hiện tượng thủy triều.
Sự nâng hạ của mực nước biển tác động lên các tổ hợp Cơ-Điện làm máy
phát điện. Đó là nguyên lý họa động cơ bản của các nhà máy điện thủy triều.


1.6.2. Tiềm năng năng lượng thủy triều và sóng biển
- Tiềm năng trên thế giới:
Công ty Minesto, Thụy Điển đã phát triển một thiết bị để khai thác nguồn
năng lượng từ các Đại dương. Đó là diều turbine dưới nước với phần trên là một
chiếc diều, mang theo ở phía dưới một tổ hợp turbine-máy phát (TF) vận hành
nhờ thuỷ triều. Các chuyên gia của công ty đã thử nghiệm tại biển Strangford
Lough, Bắc Ireland trong những năm gần đây. Diều có sải cánh 8-14 m, mang
theo một TF phía dưới. Chúng được neo bởi một dây cáp ở đáy biển. Diều
"bay" trong dòng thuỷ triều để tăng tốc độ dòng chảy qua turbine lên 10 lần.
Thiết bị phát điện diều TF phát ra năng lượng điện nhờ các dòng thủy
triều là thế hệ đầu tiên có quy mô thương mại lớn, mạnh hơn 4 lần các máy phát
điện dung năng lượng thủy triều khác. Diều lơ lửng trong nước biển và miệng
turbine được bảo vệ không cho các vật cứng hay cá lọt qua.
Ander Jansson, giám đốc điều hành của Minesto nói: “Diều làm việc
trong dòng chảy có tốc độ 1 - 2,5 m/giây, tùy thuộc vào vị trí và kích thước của
diều, mỗi TFcó công suất từ 150 đến 800 kW, và hoạt động ở các vùng nước sâu
50-300m. Các nhà khoa học rất kỳ vọng về diều TF và cho rằng đó là một nguồn

năng lượng tuyệt vời cho Trái đất.
- Tiềm năng ở Việt Nam
Kết quả đánh giá của Viện Khoa học Năng lượng Việt Nam, Việt Nam có
tiềm năng khai thác nguồn năng lượng thủy triều khá cao bởi có rất nhiều vũng,
vịnh, cửa sông, đầm phá và đặc biệt là có đường bờ biển dài trên 3.200km. Khu
2

vực Quảng Ninh, mật độ năng lượng thủy triều đạt khoảng 3,7 GWh/km , Nghệ
2

An khoảng 2,5 GWh/km và giảm dần đến khu vực Thừa Thiên Huế với 0,3
2

2

GWh/ km . Về phía Nam, Phan Thiết là 2,1 GWh/km , Bà Rịa - Vũng Tàu với
5,2 GWh/km

2


1.6.3. Công nghệ khai thác
Năng lượng do thủy triều và sóng biển tạo ra vô cùng to lớn và cũng rất
khó khai thác. Có hai giải pháp sử dụng năng lượng thủy triều và sóng biển:
- Sử dụng thế năng do độ chênh mức nước thủy triều trong ngày và theo
tháng để quay turbine phát điện.
- Sử dụng động năng của sóng hoặc dòng hải lưu quay turbine-máy phát
điện.
Nguyên lý làm việc của nhà máy điện thủy triều sử dụng thế năng độ
chênh mức thủy triều như sau: Tại vị trí eo biển hẹp có độ chênh mức thủy triều

lớn người ta xây đập chắn và đặt tổ turbine-máy phát điện. Khi thủy triều lên
nước biển qua đập chắn quay tua bin vào hồ chứa, khi thủy triều xuống nước từ
hồ qua turbine thoát ra biển. Như vậy cả hai chu trình nước biển vào, ra hồ chứa
đều có khả năng quay turbine và phát ra điện. Năng lượng thủy triều E được tính
bằng công thức:

E

1
Ah 2
2

(1.4)

Trong đó A là diện tích bể chứa, ρ là khối lượng riêng của nước biển bằng
3

1025 kg/m , h là chiều cao thủy tĩnh.
Nhà máy điện thủy triều quy mô công nghiệp đầu tiên nằm trên cửa sông
Rance, thuộc miền Bretagne phía đông nước Pháp và đổ vào biển Manche (hình
2

1.5). Eo biển này tạo nên hồ chứa rộng 22 km độ chênh nước thủy triều cực đại
10 m. Ngày 28-10-1968 đã khánh thành nhà máy điện thủy triều gồm 24 tổ máy
với công suất tổ máy 10 MW, tốc độ quay 93,75 v/ph. Máy phát đồng bộ kích từ
tĩnh, điện áp định mức 3500 V. Phần đập cố định dài 160m và đập di dộng dài
3

115m, rộng 53m. Khối lượng bê tông 35.000 m , 16.000 tấn thép. Nhà máy làm
việc hoàn toàn tự động do máy tính PDP 8 điều khiển, có tính đến chu trình

nước biển, sự sẵn sàng hoạt động của thiết bị. Vào giờ thấp điểm của hệ thống
người ta sử dụng bơm để hỗ trợ tích nước trong hồ chứa. Sản lượng điện bình


quân một năm là 600 GWh tương đương công suất trung bình 68 MW. Nhà máy
điện thủy triều Annapolis Royal, vịnh Fundy Canađa công suất 18 MW, độ
chênh mức nước thủy triều 17 m. Nga có nhà máy điện thủy triều Vislaya Guba
12 MW. Do giá đầu tư lớn nên nhà máy điện thủy triều ít được phát triển.
- Nhà máy thủy điện sóng biển sử dụng động năng sóng biển và dòng hải
lưu để quay turbine và máy phát điện
Trong nhà máy sử dụng động năng sóng biển và dòng hải lưu, công suất P
(kW) được tính bằng:
1
P  Av 3
2

(1.5)

Trong đó  là hiệu suất turbine,  là tỷ trọng của nước biển bằng
1025
3

kg/m , A là diện tích cánh turbine, v là vận tốc dòng chảy (m/s).
Năm 2008 nhà máy thủy điện sử dụng dòng hải lưu SeaGen ở Bắc Ailen
có công suất 1,2 MW đưa vào vận hành (hình 1.6)

Hình 1.5 Nhà máy điện thủy triều
Rance, CH Pháp

Hình 1.6 Trạm phát điện sử dụng dòng

hải lưu SeaGen, Bắc Ailen

1.7. Đề xuất hướng nghiên cứu
Trên cơ sở phân tích những dạng năng lượng mới và tái tạo, nhận thấy
rằng công nghệ khai thác quang điện mặt trời là một trong những ngành phát
triển nhanh nhất trên thế giới. Vì vậy, tác giả luận văn đề xuất hướng nghiên cứu
của đề tài vào dạng năng lượng mặt trời. Với mục đích đưa ra một mô hình
mạng điện có khai thác NLMT với việc thực hiện giải pháp khai thác tối đa năng
Số hóa bởi Trung tâm Học
liệu

/>

lượng phát ra từ tấm mặt trời. Nội dung nghiên cứu gồm những phần chính sau
đây:
- Mô hình mạng điện có khai thác năng lượng mặt trời
- Đặc điểm hoạt động của mạng điện có kết nối lưới và không kết nối
lưới
- Giải pháp khai thác tối đa năng lượng điện từ mặt trời
- Thuật toán MPPT
- Mô phỏng kết quả nghiên cứu trong Matlab và kết quả thực nghiệm.
- Kết luận và kiến nghị.
1.8. Kết luận chương 1
Nội dung chương 1 đã làm rõ khái niệm Năng lượng tái tạo và nêu được
tổng quan về một số dạng năng lượng mới và tái tạo cơ bản, hiện đang được
quan tâm trên Thế giới, trong đó có Việt Nam. Trên cơ sở đó, định hướng
nghiên cứu cho đề tài, những nội dung chính của luận văn.


CHƯƠNG 2

MẠNG ĐIỆN KHAI THÁC NĂNG LƯỢNG TỪ PIN MẶT TRỜI
2.1. Giới thiệu chung
Tấm pin mặt trời có thể đặt trực tiếp trên các mái nhà, tường nhà, công
trình công cộng ở các khu dân cư đông đúc. Với việc phát triển công nghệ chế
tạo pin mặt trời hiện nay, hiệu suất của các tấm pin ngày càng tăng lên nên các
hệ thống điện có khai thác năng lượng phát ra từ các tấm pin mặt trời đang ngày
càng phát triển để thay thế dần các nguồn năng lượng truyền thống

Hình 2.1. Hệ thống điện có khai thác năng lượng mặt trời
Trên hình 2.1, tấm pin mặt trời có thể đặt trực tiếp trên mái nhà hoặc xây
dựng tập trung cùng với các dạng năng lượng khác như năng lượng gió, máy
phát diesel. Năng lượng từ các nguồn này có thể được phát điện trực tiếp vào
lưới điện hoặc được lưu lại trên các bộ lưu trữ năng lượng như ắc quy để phục
vụ trực tiếp cho phụ tải lân cận hay phát vào lưới theo yêu cầu vận hành.
Các tấm pin mặt trời biến đổi năng lượng của các tia sáng tới từ mặt trời
thành dòng quang điện (dòng điện 1 chiều). Nhược điểm chính của PV là năng
lượng phát ra từ các tấm pin mặt trời luôn biến thiên theo thời gian, địa điểm và
các điều kiện ngoại sinh như bức xạ mặt trời, nhiệt độ. Đồng thời hiệu suất của
các tấm pin mặt trời khá thấp nên việc khai thác năng lượng của PV cần phải có
những phương pháp nhất định. Với sự phát triển của lĩnh vực điện tử công suất


và công nghệ chế tạo pin mặt trời, năng lượng của PV sẽ được khai thác dưới
các dạng sau:
- PV độc lập với lưới điện
- PV hybrid (kết hợp với các dạng nguồn khác)
- PV kết nối lưới.
2.2. Các loại mạng điện có khai thác năng lượng từ PV
2.2.1. Mạng điện PV độc lập.

Hình 2.2. Mô hình hệ thống PV độc lập
Mô hình hệ thống điện năng lượng mặt trời độc lập hiện nay được sử
dụng để phát điện chủ yếu cho các hộ gia đình ở những khu vực vùng sâu vùng
xa hoặc trên các hải đảo xa xôi mà lưới điện quốc gia không đưa đến được. Mô
hình này không được kết nối với lưới điện, bao gồm các tấm pin năng lượng mặt
trời và hệ thống lưu trữ điện năng (ắc quy) nhằm đảm bảo việc cung cấp điện
được liên tục và hiệu quả kể cả vào lúc không có ánh sáng mặt trời như ban đêm
hay ngày trời nhiều mây.
Mô hình kiểu này thường được thiết kế cấp điện cho các ứng dụng sau:
- Hệ thống bơm nước
- Trạm đo thời tiết, trạm địa chấn hay các trạm thu thập dữ liệu khác
- Hệ thống báo hiệu trên đường, cảng biển hay sân bay


- Các biển quảng cáo
- Hệ thống điện dự phòng thay thế cho các máy phát điện chạy dầu...
Để đáp ứng được cho phụ tải, dung lượng của hệ thống tích trữ năng
lượng phải đủ lớn và bộ nghịch lưu phải điều chế được dạng sóng sin chuẩn để
có thể thích ứng được với nhiều loại phụ tải khác nhau.
2.2.2. Mạng điện có PV kếp hợp với các nguồn khác không kết nối lưới
- Hệ thống kết hợp máy phát điện NLMT với máy phát điện khác như tua
bin gió, tuabin thủy điện nhỏ, bộ động cơ diesel, ... có đầy đủ lợi thế của tất cả
các nguồn năng lượng tiềm năng tại địa phương.
- Được sử dụng cho nhu cầu tải điện cao và liên tục.
- Các khách hàng phổ biến tại VN: Trạm viễn thông, nhà máy điện ở nông
thôn.
Bộ điều
khiển

PV

Chỉnh lưu

Ắc quy

Tổ động cơ máy phát gồm
các tua bin gió, tuabin thủy
điện nhỏ …

Tải một
chiều
Biến
Tần

Tải xoay
chiều

Hình 2.3. Mô hình hệ thống PV kếp hợp

Hệ thống này tận dụng ưu điểm của mỗi dạng năng lượng: PV chỉ có thể
phát điện vào ban ngày (khi có ánh sáng mặt trời), tua bin gió có thể phát điện
vào mọi thời điểm có gió (ít dùng ở nơi đông dân cư), thủy điện nhỏ chỉ có thể
xây dựng ở những nơi có nguồn nước phù hợp… Ở những vùng xa xôi hải đảo,
việc kết hợp những dạng năng lượng này là khá phù hợp vì có thể giúp giảm các
chi phí xây dựng cũng như giảm giảm giá thành điện năng, đảm bảo cung cấp
điện cho các phụ tải.


2.2.3. Mạng điện có PV kết nối lưới

Hình 2.4. Mô hình PV kết nối lưới
Trong hệ thống này, dòng điện 1 chiều từ các tấm pin mặt trời sẽ được đi
qua các bộ biến đổi điện áp 1 chiều DC/DC, bộ nghịch lưu DC/AC và đồng bộ
với lưới điện. Năng lượng sẽ được chạy qua công tơ đo Watt-giờ để đo đếm điện
năng. Trong các hệ thống này, tùy theo yêu cầu vận hành và so sánh chi phí để
có thể trang bị bộ tích trữ lượng.
2.3. Các khối chức năng trong hệ thống điện có PV
Hình 2.5 mô tả sơ đồ khối của hệ thống điện có khai thác năng lượng từ
các tấm mặt trời.
Pin mặt
trời

Bộ biến đổi
DC/DC

Ắc
quy

MPPT

Bộ biến đổi
DC/DC

Bộ biến đổi
DC/AC

Tải
hoặc
lưới
điện

Tải

Hình 2.5. Sơ đồ khối của hệ thống điện sử dụng năng lượng mặt trời
2.3.1. Tấm pin mặt trời (Solar Panel)