Nghiên cứu khảo sát tiềm năng và thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới cho một số cơ quan cấp sở tại tỉnh bắc kạn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

TRẦN HÙNG

NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT TIỀM NĂNG VÀ THIẾT KẾ
HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI NỐI LƯỚI
CHO MỘT SỐ CƠ QUAN CẤP SỞ TẠI TỈNH BẮC KẠN
Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã số: 8520201

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

Người hướng dẫn khoa học: PGS-TS. NGUYỄN HỮU CÔNG

Thái Nguyên - 2019

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Trần Hùng
Sinh ngày: 14 tháng 10 năm 1977
Học viên lớp cao học khoá 20 – Kỹ thuật điện - Trường Đại học Kỹ
Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên.
Hiện đang công tác tại: Công ty Điện lực Bắc Kạn.
Tôi cam đoan toàn bộ nội dung trong luận văn do tôi làm theo định
hướng của giáo viên hướng dẫn, không sao chép của người khác.

Các phần trích lục các tài liệu tham khảo đã được chỉ ra trong luận văn.
Nếu có gì sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm.

Tác giả luận văn

Trần Hùng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên tác giả xin chân thành cảm ơn tới các thầy giáo, cô giáo
Phòng Đào tạo, Khoa Điện trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã giúp đỡ
và đóng góp nhiều ý kiến quan trọng cho tác giả để tác giả có thể hoàn thành
bản luận văn của mình.
Trong quá trình thực hiện đề tài tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình
của các thầy, cô giáo trong khoa Điện của trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
thuộc ĐH Thái Nguyên và các bạn đồng nghiệp. Đặc biệt là dưới sự hướng
dẫn và góp ý của thầy PGS-TS. Nguyễn Hữu Công đã giúp cho đề tài hoàn
thành mang tính khoa học cao. Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quý báu
của các thầy, cô.
Do thời gian, kiến thức, kinh nghiệm và tài liệu tham khảo còn hạn chế
nên đề tài khó tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được sự đóng góp ý
kiến của các thầy, cô giáo và các bạn đồng nghiệp để tôi tiếp tục nghiên cứu,
hoàn thiện hơn nữa trong quá trình công tác sau này.

Học viên

Trần Hùng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT................................................................................. vi
DANH MỤC CÁC BẢNG........................................................................................ ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.....................................................................................x
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của đề tài ..........................................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................2
3. Nội dung của luận văn.............................................................................................3
CHƯƠNG 1: KHẢO SÁT TIỀM NĂNG PHÁT TRIỂN NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI ................................................................................................................4
1.1. TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ................................................4
1.1.1. Khái niệm chung ...............................................................................................4
1.1.2. Mô hình sử dụng năng lượng mặt trời trong hệ thống cung cấp điện ...............6
1.1.3. Phương pháp khai thác nguồn năng lượng pin mặt trời ....................................7
1.1.4. Cấu trúc chung của hệ thống khai thác nguồn pin mặt trời ............................10
1.2. TIỀM NĂNG KHAI THÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TAI
TỈNH BẮC KẠN ......................................................................................................13
1.2.1. Tiềm năng nguồn năng lượng mặt trời của tỉnh Bắc Kạn ...............................13
1.2.2. Đánh giá tiềm năng .........................................................................................14
1.2.2.1. Thuận lợi ......................................................................................................14

1.2.2.2. Khó khăn ......................................................................................................15
1.3. ĐÁNH GIÁ THỰC TRẠNG VIỆC SỬ DỤNG ĐIỆN TẠI ĐƠN VỊ CẤP
SỞ CỦA TỈNH ..........................................................................................................16
1.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 .................................................................................16
CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI
CHO CƠ QUAN CẤP SỞ CỦA TỈNH BẮC KẠN ..............................................18
2.1. MỞ ĐẦU ............................................................................................................18
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




2.2. CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI ................................18
2.3. PIN MẶT TRỜI (PV - Photovoltaic) .................................................................19
2.3.1. Khái niệm ........................................................................................................19
2.3.2. Mô hình toán và đặc tính làm việc của pin mặt trời........................................20
2.4. BỘ BIẾN ĐỔI MỘT CHIỀU - MỘT CHIỀU (DC/DC) ..................................23
2.4.1. Chức năng .......................................................................................................23
2.4.2. Các bộ biến đổi DC-DC không cách li ...........................................................24
2.4.3. Bộ biến đổi DC/DC có cách ly........................................................................30
2.5. NGHỊCH LƯU NỐI LƯỚI (Grid Tie Inverter) .................................................30
2.5.1. Mở đầu ............................................................................................................30
2.5.2. Chuyển đổi khung tham chiếu ........................................................................31
2.5.3. Khung tham chiếu trong hệ thống 1 pha .........................................................34
2.5.4. Điều chế độ rộng xung (PWM - Pulse Width Modulation) ............................35
2.5.5. Bù sóng hài ......................................................................................................38
2.6. ĐỒNG BỘ HÓA LƯỚI .....................................................................................39
2.6.1. Lọc phát hiện điểm qua zero (ZCD - Zero Cross Detection) ..........................39
2.6.2. Lọc điện áp lưới ..............................................................................................40
2.6.3. Vòng lặp khóa pha (PLL - Phase Lock Loop) ................................................40

2.6.4. PLL thích nghi.................................................................................................42
2.7. CHỐNG CÔ LẬP HÓA (Anti Islanding) ..........................................................42
2.7.1 Phương pháp thụ động ....................................................................................43
2.7.2. Phương pháp tích cực ......................................................................................44
2.8. Kết luận chương 2 ..............................................................................................44
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID HỆ THỐNG NĂNG
LƯỢNG MẶT TRỜI NỐI LƯỚI MỘT PHA ......................................................45
3.1. ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI 1 PHA.................45
3.2. ĐIỀU KHIỂN DUY TRÌ ĐIỂM LÀM VIỆC CÓ CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI ...45
3.2.1. Khái niệm ........................................................................................................45
3.2.2. Thuật toán điện áp không đổi (CV - Constant Voltage) ................................47
3.2.3. Thuật toán xáo trộn và quan sát (P&O - Perturb and Observe) ......................47
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




3.2.4. Kết quả mô phỏng ..........................................................................................49
3.3. ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU .............................................................52
3.4. ĐIỀU KHIỂN BỘ CHUYỂN ĐỔI DC-AC .......................................................52
3.4.1. Khái niệm ........................................................................................................52
3.4.2. Bộ điều khiển tỉ lệ tích phân (PI) ....................................................................53
3.4.3. Bộ điều khiển cộng hưởng tỉ lệ (PR - Proportional Resonant) .......................54
3.4.4. Bộ điều khiển phản hồi trạng thái ...................................................................55
3.5. ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TÁC DỤNG VÀ PHẢN KHÁNG CHO
BIẾN TẦN MỘT PHA NỐI LƯỚI ..........................................................................56
3.5.1. Giới thiệu.........................................................................................................56
3.5.2. Công suất tác dụng và công suất phản kháng một pha trên hệ qui chiếu ảo
2 trục ..........................................................................................................................57
3.5.3. Cấu trúc mạch điều khiển công suất ...............................................................60

3.5.4. Kết quả mô phỏng ...........................................................................................63
3.5.5. Đánh giá kết quả..............................................................................................66
3.6. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3...................................................................................66
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................67
1. Kết luận .................................................................................................................67
2. Kiến nghị ...............................................................................................................68
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................69

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
Các ký hiệu:
STT Ký hiệu

Diễn giải nội dung đầy đủ

1

f

Tần số lưới điện

2

f(t)

Hàm chu kỳ không sin

3

U1

Biên độ thành phần điện áp điều hoà cơ bản

4

Un

Biên độ thành phần điện áp điều hoà bậc n

5

I1

Biên độ thành phần dòng điện điều hoà cơ bản

6

In

Biên độ thành phần dòng điện điều hoà bậc n

7

PF

Hệ số công suất

8

p

Công suất tác dụng tức thời

9

q

Công suất phản kháng tức thời

10

P

Công suất tác dụng

11

Q

Công suất phản kháng

12

R

Điện trở lọc

13

L

Điện cảm lọc

14

C

Điện dung lọc

15

iS

Dòng điện nguồn

16

iL

Dòng điện lưới phía tải (dòng tải)

17

iF

Dòng điện chạy qua bộ lọc

18

Us

Điện áp nguồn

19

Uh

Điện áp thành phần điều hoà bậc cao

20

UF

Điện áp thành phần cơ bản

21

u0, u, u

Điện áp biểu diễn trên hệ trục 

22

ua, ub, uc

Điện áp biểu diễn trên hệ trục abc

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




23

ia, ib, ic

Dòng điện biểu diễn trên hệ trục abc

24

i0, i, i

Dòng điện biểu diễn trên hệ trục 

25

ud, uq

Điện áp biểu diễn trên hệ trục dq

26

id, iq

Dòng điện biểu diễn trên hệ trục dq

27



Tần số góc nguồn điện

28

Udc

Điện áp 1 chiều

29

S

Công suất biểu kiến

30

,

Công suất tác dụng, phản kháng tương ứng với thành
phần dòng xoay chiều

31
32

Công suất tác dụng, phản kháng tương ứng với thành
phần dòng 1 chiều

T

Chu kỳ dòng điện

Các chữ viết tắt
STT Ký hiệu

Diễn giải nội dung đầy đủ

33

CSPK

Công suất phản kháng

34

CSTD

Công suất tác dụng

35

THD

Hệ số méo dạng

36

SVC

Đóng ngắt bằng Thyristor

37

DC

Một chiều

38

AC

Xoay chiều

39

AFn

Bộ lọc tích cực song song

40

AFS

Bộ lọc tích cực nối tiếp

41

FACTS

Hệ thống truyền tải điện linh hoạt - Flexible AC
Transmission

42

SSSC

Static Synchronous Series Controllers

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




43

TCSC

Thyristor Controlled Series Compensation

44

TSC

Thyristor Switched Capacitor):

45

TSR

Thyristor Switched Reactor

46

TCR

Thyristor controller Reactor

47

DFT

Discrete Fourier Transform

48

FFT

Fast Fourier Transform

49

PLL

Phase locked loop

50

SVM

Space vector modulation method

51

ĐCVTKG

Điều chế véc tơ không gian

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




DANH MỤC CÁC BẢNG
Bang 1. Tiềm năng về năng lượng mặt trời ở việt Nam .............................................1
Bảng 1.1. Bảng tổng hợp tiềm năng của năng lượng Mặt trời ....................................5
Bảng 1.2. Số liệu về bức xạ năng lượng Mặt trời của các vùng ở Việt Nam .............6
Bảng 3.1. Thông số tấm pin mặt trời ........................................................................50

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1. 1. Mô hình điện mặt trời cho cơ quan, hộ gia đình ........................................7
Hình 1. 2. Cánh đồng pin năng lượng mặt trời (ven biển) ..........................................8
Hình 1. 3. Lắp đặt pin năng lượng mặt trời trên mái nhà............................................8

Hình 1. 4. Lắp đặt pin năng lượng mặt trời trên đồi núi .............................................9
Hình 1. 5. Phương pháp tổ hợp pin mặt trời .............................................................10
Hình 1. 6. Cấu trúc chung của hệ thống khai thác pin mặt trời ................................11
Hình 1. 7. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2010 khu vực Đông Bắc .......13
Hình 1. 8. Phân bố nắng tại thị xã Bắc Kạn theo Global Solaratlas .........................14
Hình 2. 1. Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời nối lưới ..............................................18
Hình 2. 2. Mô hình tương đương của module PV ....................................................20
Hình 2. 3. Quan hệ I(U) và P(U) của PV ..................................................................21
Hình 2. 4. Họ đặc tính của PV ..................................................................................22
Hình 2. 5. Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp Buck ...........................................................24
Hình 2. 6. Sơ đồ nguyên lý mạch tăng áp .................................................................25
Hình 2. 7. Sơ đồ nguyên lý mạch Buck-Boost ..........................................................26
Hình 2. 8. Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi Cuk .............................................................27
Hình 2. 9. Sơ đồ mạch Cuk khi khóa SW mở thông dòng ........................................28
Hình 2. 10. Sơ dồ mạch Cuk khi khóa SW đóng ......................................................28
Hình 2. 11. Bộ chuyển đổi DC/DC có cách ly ..........................................................30
Hình 2. 12. Chuyển đổi từ hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ αβ .....................................31
Hình 2. 13. Chuyển đổi từ hệ qui chiếu αβ sang hệ qui chiếu dq .............................33
Hình 2. 14. Cấu trúc của SOGI .................................................................................34
Hình 2. 15. Điều chế độ rộng xung dựa trên sóng mang hình sin.............................36
Hình 2. 16. Biểu diễn véc tơ không gian của điện áp ra ...........................................37
Hình 2. 17. Vòng lặp khóa pha cơ bản ......................................................................40
Hình 2. 18. Sơ đồ vòng khóa pha cùng với các chuyển đổi ......................................42
Hình 3.1. Quan hệ I(U) và P(U) của PV ...................................................................46
Hình 3. 2. Đặc tính V-A của tải và của pin mặt trời .................................................47
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

Hình 3.3. Lưu đồ thuật toán P&Q .............................................................................48
Hình 3. 4. Lưu đồ thuật toán INC .............................................................................49
Hình 3. 5. Sơ đồ mô phỏng thuật toán MPPT trên Psim ...........................................50
Hình 3. 6. Đáp ứng hệ thống khi sử dụng thuật toán xáo trộn và quan sát ...............51
Hình 3. 7. Đáp ứng hệ thống khi sử dụng thuật toán điện dẫn gia tăng ....................51
Hình 3. 8. Cấu trúc điều khiển điện áp một chiều sử dụng bộ điều khiển PI ...........52
Hình 3. 9. Sơ đồ khối của nghịch lưu nối lưới ..........................................................56
Hình 3. 10. Đồ thị véc tơ điện áp và dòng điện của biến tần ....................................57
Hình 3.11. Sơ đồ nguyên lý SOGI ............................................................................58
Hình 3. 12. Vòng điều khiển dòng điện ....................................................................61
Hình 3. 13. Bộ điều khiển công suất .........................................................................62
Hình 3.14. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển công suất .........................................62
Hình 3.15. Đáp ứng công suất của pin theo bức xạ mặt trời .....................................63
Hình 3. 16. Đáp ứng điện áp một chiều ....................................................................64
Hình 3. 17. Đáp ứng công suất tác dụng của hệ thống .............................................64
Hình 3.18. Đáp ứng công suất phản kháng của hệ thống..........................................65
Hình 3.19. Đáp ứng điện áp, dòng điện nối lưới.......................................................65

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Với sự phát triển không ngừng của nền công nghiệp trong đất nước. Nhu
cầu về tiêu thụ năng lượng điện ngày càng tăng, vì vậy xu thế phát triển đa
dạng các nguồn năng lượng là một đòi hỏi tất yếu. Hiện nay, các nguồn năng
lượng tái tạo ở nước ta đã có một bước phát triển đó là đã xuất hiện một số
nhà máy phát điện sức gió nhưng mới dừng ở công suất 800KW, còn các nhà

máy có công suất lớn hơn thì vẫn đang được xây dựng hoặc mới chỉ là dự án.
Việc khai thác nguồn năng lượng mặt trời và các dạng năng lượng tái tạo khác
còn rất nhiều hạn chế, mới chỉ dừng lại ở công suất nhỏ, việc khai thác nguồn
năng lượng mặt trời ở nước ta còn nhiều hạn chế, với qui mô nhỏ lẻ và tập
trung chủ yếu vào việc nghiên cứu, sử dụng trực tiếp năng lượng mặt trời (hệ
thống đun nước nóng, sấy hoa quả ...).
Bang 1. Tiềm năng về năng lượng mặt trời ở việt Nam

Từ bảng số liệu trên cho thấy chúng ta có thể phát triển khai thác nguồn
năng lượng tái tạo này trên khắp cả nước. Tuy nhiên tính đến thời điểm hiện
tại vẫn chưa đạt được kỳ vọng.
Đề tài nghiên cứu khảo sát tiềm năng phát triển khai thác nguồn năng
lượng mặt trời tại tỉnh Bắc Kạn bằng việc thiết kế hệ thống điều khiển nhằm
khai thác được nguồn năng lượng mặt trời đưa vào phục vụ sản xuất và đời
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




sống, nhất là áp dụng cho các cơ quan cấp sở của tỉnh Bắc Kạn nhằm góp
phần giảm tiêu hao năng lượng hóa thạch, đồng thời giảm phát thải khí gây
hiệu ứng nhà kính. Nguồn năng lượng mặt trời phong phú với bức xạ nắng
trung bình là 4kWh/m2 /ngày. Bên cạnh đó việc sử dụng năng lượng mặt trời
như là một nguồn năng lượng tại chỗ để thay thế cho các dạng năng lượng
truyền thống đáp ứng nhu cầu năng lượng của các vùng dân cư không tập
trung là một kế sách có ý nghĩa về mặt kinh tế, an ninh quốc phòng và phát
triển văn hoá giáo dục…
Từ những đánh giá quan trọng trên chúng ta cần phải tiến hành nghiên
cứu tiềm năng khai thác nguồn năng lượng mặt trời tại tỉnh Bắc Kạn cũng như
nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển nối lưới hệ thống này để cung cấp cho

một số cơ quan cấp sở của tỉnh Bắc Kạn. Vì vậy tôi chọn đề tài: "Nghiên cứu
khảo sát tiềm năng và thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới cho
một số cơ quan cấp sở tại tỉnh bắc kạn".
2. Mục tiêu nghiên cứu
* Mục tiêu chung:
Nghiên cứu khảo sát tiềm năng và thiết kế bộ điều khiển đảm bảo nối
lưới trực tiếp với lưới điện quốc gia có mô phỏng để kiểm chứng lý thuyết.
*. Các mục tiêu cụ thể là:
- Về lý thuyết:
+ Nghiên cứu khảo sát tiềm năng năng lượng mặt trời tại tỉnh Bắc Kạn.
+ Đánh giá khả năng khai thác nguồn năng lượng mặt trời nối lưới cho
một số cơ quan cấp sở tại tỉnh Bắc Kạn.
+ Xây dựng mô tả toán học của hệ thống phát điện nguồn áp xoay chiều
(AC) được biến đổi từ năng lượng mặt trời (DC).
+ Thiết kế bộ điều khiển nối lưới hệ thống khai thác pin mặt trời nối lưới.
- Mô phỏng:
Sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để mô phỏng kiểm chứng kết quả.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




3. Nội dung của luận văn
Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm các chương sau:
Chương 1: Khảo sát tiềm năng phát triển năng lượng mặt trời
Chương 2: Xây dựng cấu trúc điều khiển hệ thống năng lượng mặt trời
nối lưới cho một số cơ quan cấp sở của tỉnh Bắc Kạn
Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới
một pha
Kết luận và kiến nghị

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Chương 1
KHẢO SÁT TIỀM NĂNG PHÁT TRIỂN NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI
1.1. TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
1.1.1. Khái niệm chung
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 0C. 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 khoa 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 mật độ công suất khoảng 1353 W/m2 , đó chính 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 (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.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Tiềm năng của năng lượng mặt trời 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 bình của một địa điểm trên thế giới
vào khoảng 2000 kWh/m2/năm, bảng 1. 2.
Bảng 1.1. Bảng tổng hợp tiềm năng của năng lượng Mặt trời

Khu vực

Bức xạ Mặt

Chỉ số chất lượng

Công suất có thể

trời

trung bình DNI

khai thác

[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 của năng lượng mặt trời ở Việt Nam:
Về mặt vị trí địa lý, Việt Nam được hưởng một nguồn năng lượng mặt trời
vô cùng lớn. Trải dài từ vĩ độ 23023’ Bắc đến 8027’ Bắc, Việt Nam nằm trong
khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao. Trong đó, nhiều nhất
phải kể đến thành phố Hồ Chí Minh, tiếp đến là các vùng Tây Bắc (Lai Châu,
Sơn La, Lào Cai) và vùng Bắc Trung Bộ (Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh),
bảng 1. 3.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Bảng 1 2. Số liệu về bức xạ năng lượng Mặt trời của các vùng ở Việt Nam

Giờ nắng

Bức xạ

Khả năng

trong năm

kcal/cm2/năm

ứng dụng

Đông Bắc

1500-1700

100-125

Thấp

Tây Bắc

1750-1900

125-150

Trung bình

Bắc Trung Bộ

1700-2000

140-160

Tốt

Tây Nguyên, Nam TB

2000-2600

150-175

Rất tốt

Nam Bộ

2200-2500

130-150

Rất tốt

Trung bình cả nước

1700-2500

100-175

Tốt

Vùng

1.1.2. Mô hình sử dụng năng lượng mặt trời trong hệ thống cung cấp điện
Như đã phân tích, đặc điểm chung của các nguồn điện sử dụng năng
lượng tái tạo đó là phân tán, công suất nhỏ và đang được hoàn thiện dần
về chất lượng điện năng cung cấp. Hiện tại, các nguồn điện điện thuộc
dạng này chủ yếu được khai thác dưới các hình thức sau: Mạng điện độc
lập, mạng điện có kế nối lưới và dần dần tiến đến trong tương lai gần là
mạng điện thông minh.
Đối với những vùng sâu vùng xa, nơi mà điện lưới quốc gia không có điều
kiện vươn tới, như những khu vực biên giới hải đảo thì việc thiết lập một
mạng điện độc lập là giải pháp duy nhất. Trước đây, nguồn cung cấp cho
mạng điện độc lập chủ yếu là máy phát điện diesel với công suất từ vài chục
đên một vài trăm kW. Ngày nay, việc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo
cho mạng điện độc lập đang được phổ cập. Ví dụ như: hệ pin mặt trời, điện
sức gió, điện đại dương, V.V. Mô hình mạng điện độc lập nguồn năng lượng
tái tạo được phát triển đa dạng cả về loại nguồn và cấu trúc sơ đồ, đa dạng về
công suất từ nhỏ đến vừa phù hợp cho cắc đối tượng ứng dụng khác nhau,

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




thậm chí dùng riêng cho một phụ tải hay một hộ gia đình. Ví dụ như trên các
hình vẽ sau;
Sơ đồ trên hình 1.1 mô tả một mạng điện với nguồn được sử dụng ở đây là
dạng pin mặt trời gồm các module kết nối thành hệ nguồn PV Array có điện
áp và công suất phù hợp. Pin sản sinh ra điện một chiều qua bộ điều khiển nạp
cho ắc quy có dung lượng 3116 Wh/ ngày. Từ ắc quy, một nhánh cấp trực tiếp
cho tủ lạnh chạy điện dc, một nhánh khác thông qua biến tần DC/AC cấp cho
các tải xoay chiều trong cơ quan, hộ gia đình.

Hình 1.1. Mô hình điện mặt trời cho cơ quan, hộ gia đình

1.1.3. Phương pháp khai thác nguồn năng lượng pin mặt trời
Hệ thống điện sử dụng năng lượng tái tạo nối lưới là một hệ thống cho
phép tích hợp điện năng của năng lượng điện của nhiều loại năng lượng tái
tạo nói chung và của năng lượng mặt trời nói riêng trong một bộ biến đổi điện
tử công suất để biến đổi thành điện xoay chiều 1 pha hoặc 3 pha có tần số
50Hz (hoặc 60Hz) cung cấp trực tiếp cho tải hoặc nối với lưới điện quốc gia
hoặc lưới điện khu vực. Hệ thống này rất linh hoạt trong lắp đặt và sử dụng và
là một bộ phận không thể thiếu được của lưới điện thông minh.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Việc khai thác nguồn năng lượng mặt trời hiện nay đang phát triển rất
mạnh mẽ, nhất là ở các nước có nền kinh tế phát triển như Mỹ, Trung
Quốc,… Có nhiều phương thức lắp đặt các tấm pin mặt trời để khai thác
nguồn năng lượng này như: Lắp đặt ở ven biển thành dạng cánh đồng pin mặt
trời (hình 1.2), lắp trên các mái nhà (hình 1.3), lắp đặt trên đồi núi (hình 1.4),
v.v…

Hình 1.2. Cánh đồng pin năng lượng mặt trời (ven biển)

Hình 1.3. Lắp đặt pin năng lượng mặt trời trên mái nhà

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

Hình 1.4. Lắp đặt pin năng lượng mặt trời trên đồi núi

Nguồn pin mặt trời phổ biến hiện nay được cấu thành từ các chất bán
dẫn cấu trúc tinh thể (các nguyên tố thuộc phân nhóm chính nhóm IV trong
bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học) như Silicon, Germanium và hình
thành một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng
bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên trong. Các
nguyên tố như Boron, Photpho, Gallium, Cadmium và Tellurium cũng được
sử dụng như các chất phụ gia để gia tăng khả năng dẫn điện cho PVg. Khi
chiếu sáng lớp tiếp xúc p-n, các cặp điện tử - lỗ trống được tạo thành, do tác
dụng của điện trường tiếp xúc nên các cặp bị tách ra, bị gia tốc về các phía đối
diện và tạo nên một sức điện động quang điện.
Một đặc điểm cơ bản của pin mặt trời là luôn phát dòng điện một chiều
ra mạch ngoài khi có tải và bức xạ mặt trời chiếu vào. Mối quan hệ giữa dòng
điện ipv và điện áp vpv phát ra từ PVg là một mối quan hệ phi tuyến phức tạp,
trong đó công suất phát ra tại mỗi thời điểm phụ thuộc vào nhiệt độ T của lớp
tiếp giáp p-n, công suất của bức xạ mặt trời G và mức tiêu thụ của phụ tải.
Đồng thời, quá trình chuyển từ trạng thái vận hành này sang trạng thái vận

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




hành khác là tức thời và không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố liên quan đến
quán tính.
Mặt khác, pin mặt trời luôn tồn tại một trạng thái vận hành mà công suất

phát ra là lớn nhất tương ứng với mỗi cặp giá trị (G, T). Khai thác được trạng
thái vận hành này sẽ giúp khắc phục được nhược điểm hiệu suất thấp, giá
thành cao của dạng nguồn này. Điều này có thể đạt được nhờ điều chỉnh
lượng tải hấp thụ tương ứng với công suất tại MPP.

Hình 1.5. Phương pháp tổ hợp pin mặt trời

Xuất phát từ các cell đơn lẻ với công suất và điện áp nhỏ, PVg thường
được sử dụng dưới dạng tổ hợp các cell thành module, tổ hợp các module
thành panel, tổ hợp các panel thành array như mô tả trên hình 1.1. Trong đó,
các nhà sản xuất cung cấp ra thị trường các sản phẩm được đóng gói dưới
dạng các panel.
1.1.4. Cấu trúc chung của hệ thống khai thác nguồn pin mặt trời
Năng lượng pin mặt trời được khai thác trong mạng điện cô lập hoặc kết
nối với lưới điện (1 pha hoặc 3 pha) qua các bộ biến đổi, máy biến áp (MBA).
Cấu trúc chung của hệ thống này được mô tả trên hình 1.6.
Các thông tin cần phải thu thập để thực hiện điều khiển, phân phối điện
năng là vpv, ipv, G, T, điện áp Vdc trên DCbus, điện áp ug và dòng điện ig tại
điểm kết nối lưới. Các bộ điều khiển sử dụng các thông tin thu thập được để
tính toán, đưa ra các quyết định về xung điều khiển CS 1, CS2, CS3 nhờ các kỹ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




thuật điều khiển nhằm thực hiện các chức năng cơ bản hoặc nâng cao được
mô tả trên hình 1.6.

Hình 1.6. Cấu trúc chung của hệ thống khai thác pin mặt trời

Để thực hiện được vai trò điều khiển dòng năng lượng từ PVg cung cấp
cho phụ tải hoặc kết nối với lưới điện, các BBĐ đều sử dụng phần tử bán dẫn
không điều khiển như diode hoặc khóa chuyển mạch SW có điều khiển như
thyristor, GTO, BJT, MOSFET, IGBT kết hợp với các phần tử có khả năng
tích, phóng năng lượng như tụ điện C, cuộn cảm L. Với bộ biến đổi một chiều
– một chiều DC/DC, sự thay đổi vị trí của SW có thể thực hiện vai trò tăng áp
(boost), giảm áp (buck) hoặc vừa boost vừa buck. Với bộ biến đổi một chiều –
xoay chiều DC/AC, các SW được điều khiển phối hợp để điều tiết dòng năng
lượng trong mỗi chu kỳ, qua đó thực hiện vai trò giữ V dc ở giá trị không đổi,
ghép nối với lưới điện, phát công suất vào lưới điện.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Một số biện pháp nâng cao chất lượng và hiệu suất cho hệ thống khai
thác PVg như vận hành tại MPP, sử dụng các BBĐ hiệu suất cao, kết hợp với
điện gió, cải tiến cell. Trong đó có phân biệt các kỹ thuật tìm MPP thành hai
nhóm là nhóm kỹ thuật tìm kiếm và nhóm kỹ thuật dựa trên mô hình toán học.
Nhóm kỹ thuật tìm kiếm dễ thực hiện với chi phí thấp nhưng mất nhiều thời
gian mới hội tụ về MPP trong khi nhóm kỹ thuật dựa trên mô hình toán hội tụ
nhanh hơn nhưng đòi hỏi phải biết chính xác thông số của PVg, phải trang bị
các thiết bị đo G, T và phải sử dụng máy tính tốc độ cao.
Các nghiên cứu trong nước về vấn đề tìm MPP đều tập trung vào nhóm
kỹ thuật tìm kiếm như INC, P&O hay SC. Việc quan sát dao động dựa trên kỹ
thuật FL thông qua việc so sánh công suất hiện thời với công suất lần lấy mẫu
trước: nếu nhỏ hơn (hoặc lớn hơn) thì điều khiển điện áp đầu ra theo hướng
ngược lại, nếu không thì duy trì điện áp đầu ra không đổi. Một số nghiên cứu
đã kết hợp kỹ thuật P&O và kỹ thuật FL để chia vùng đường cong vpv-ppv, nhờ
đó bộ điều khiển tự động giảm độ lớn bước nhảy khi điểm vận hành tiến dần

đến đỉnh. Đồng thời các nghiên cứu cũng thực hiện xây dựng cấu trúc điều
khiển cho hệ ghép giữa PVg với điện gió hoặc pin nhiên liệu. Một số nghiên
cứu khác tập trung vào vấn đề điều khiển BBĐ, cải thiện các bộ biến đổi để
mang lại khả năng điều khiển dạng nguồn năng lượng tái tạo tốt hơn như
BBĐ nguồn Z, BBĐ đa mức.
Từ những vấn đề nghiên cứu chỉ ra ở trên cho thấy việc nghiên cứu
khai thác hiệu quả nguồn năng lượng mặt trời cần được nghiên cứu phát triển
sâu rộng hơn nữa vì đây là một nguồn năng lượng sạch không gây ô nhiễm và
mất cân bằng sinh thái môi trường. Với việc phát triển ngày càng cao về công
nghệ vật liệu nên việc khai thác nguồn năng lượng mặt trời ngày càng phát
triển rộng khắp trên thế giới không chỉ ở các nước phát triển mà còn có cả ở
những nước đang phát triển như Việt Nam.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




1.2. TIỀM NĂNG KHAI THÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TAI
TỈNH BẮC KẠN
1.2.1. Tiềm năng nguồn năng lượng mặt trời của tỉnh Bắc Kạn
Các tỉnh thuộc khu vực Đông Bắc có số ngày năng trong năm so với cả
nước ở mức trung bình. Trung bình số ngày nắng trong năm của tỉnh Bắc Kạn
là 274,7 ngày/năm chiếm 75,3% số ngày trong năm có nắng, cũng giống như
hầu hết các tỉnh thuộc khu vực Đông Bắc (phân bố giờ nắng các tỉnh thuộc
khu vực Đông Bắc như hình 1.7), tỉnh Bắc Kạn có tổng số giờ nắng trong
năm là 1474,2 giờ tức là trung bình một ngày có từ 4 đến 5 giờ nắng như vậy
có thể cung cấp năng lượng cho các nhu cầu thiết yếu trong sinh hoạt như bếp
đun năng lượng mặt trời, bình nước nóng hay các thiết bị sử dụng năng lượng
điện mặt trời. Mặc dù theo bảng 1.2 mức độ bức xạ mặt trời của các tỉnh khu
vực Đông Bắc ở mức thấp, tuy nhiên do tỉnh Bắc Kạn là một tỉnh miền núi và

cách xa nguồn điện quốc gia nên việc phát triển các hệ thống cung cấp điện sử
dụng pin mặt trời giới hạn ở việc cung cấp cho các đơn vị cấp sở, hộ gia đình
của tỉnh Bắc Kạn là có tính khả thi cao.
Để thấy rõ hơn ta đi xem xét phân bố số giờ nắng giữa các tháng trong
năm tại khu vực Đông Bắc:

Hình 1.7. Phân bố số giờ nắng các tháng trong năm 2010 khu vực Đông Bắc

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN