Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện lai sức gió và mặt trời tại tỉnh Lào Cai (Luận văn thạc sĩ)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN TRUNG THAO

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN LAI SỨC GIÓ
VÀ MẶT TRỜI TẠI TỈNH LÀO CAI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỆN

Thái Nguyên - năm 2020


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN TRUNG THAO

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN LAI SỨC GIÓ VÀ
MẶT TRỜI TẠI TỈNH LÀO CAI
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã số: 8 52 02 01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. Đặng Danh Hoằng

Thái Nguyên - năm 2020

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: Nguyễn Trung Thao
Đề tài luận văn: Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện lai sức gió và
mặt trời tại tỉnh Lào Cai.
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số: 8.52.02.01
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận
tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày
03/10/2020 với các nội dung sau:
- Sửa sai sót về lỗi chính tả.
- Sửa tên chương 1, sửa lại hình 2.17, 2.18 và hình 3.8.
Thái Nguyên, ngày 15 tháng 10 năm 2020
Giáo viên hướng dẫn

Tác giả luận văn

TS. Đặng Danh Hoằng

Nguyễn Trung Thao

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

PGS.TS. Võ Quang Lạp
i

LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Nguyễn Trung Thao
Sinh ngày: 19 tháng 10 năm 1990
Học viên lớp cao học khoá 21 – Kỹ thuật điện - Trường Đại học Kỹ Thuật
Công Nghiệp – Đại học Thái Nguyên.
Hiện đang công tác tại: Trường Cao đẳng Lào Cai.
Tơi cam đoan tồn 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 tơi hồn toàn chịu trách nhiệm.
Tác giả luận văn

Nguyễn Trung Thao

ii


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên tác giả xin chân thành cảm ơn tới các thầy giáo, cô giáo Khoa
sau đại học, Khoa Điện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp cùng các thầy
giáo, cô giáo, các anh chị tại Trung tâm thí nghiệm đã giúp đỡ và đóng góp
nhiều ý kiến quan trọng cho tác giả để tác giả có thể hồn thành bản luận văn
của mình.
Trong q trình thực hiện đề tài tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của
các thầy, cơ giáo trong khoa Điện của trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp
thuộc Đại học Thái Nguyên và các bạn đồng nghiệp. Đặc biệt là dưới sự hướng
dẫn và góp ý của thầy TS. Đặng Danh Hoằng đã giúp cho đề tài hồn 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, cơ giáo và các bạn đồng nghiệp để tôi tiếp tục nghiên cứu, hồn
thiện hơn nữa trong q trình cơng tác sau này.
Học viên

Nguyễn Trung Thao

iii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................... II
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................III
MỤC LỤC .......................................................................................................... IV
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................. VI
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ..................................................................... IX
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ............................... X
MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................. 1
2. Mục tiêu nghiên cứu.................................................................................... 1
3. Nội dung của luận văn ................................................................................ 2
CHƯƠNG 1: ĐÁNH GIÁ TIỀM NĂNG KHAI THÁC NGUỒN NĂNG
LƯỢNG GIÓ VÀ MẶT TRỜI TẠI TỈNH LÀO CAI ..................................... 3
1.1. Tổng quan nguồn năng lượng gió và mặt trời ....................................... 3
1.1.1. Tổng quan về nguồn năng lượng mặt trời [17, 19] ............................. 3
1.1.2. Tổng quan về nguồn năng lượng gió [11, 21]..................................... 7
1.2. Tiềm năng, thực trạng khai thác điện gió và mặt trời tại tỉnh Lào Cai
[17] .................................................................................................................. 15
1.2.1. Tiềm năng, thực trạng khai thác năng lượng mặt trời....................... 15
1.2.1.1. Thuận lợi .................................................................................... 17

1.2.1.2. Khó khăn .................................................................................... 18
1.2.2. Tiềm năng, thực trạng khai thác năng lượng gió .............................. 18
1.3. Kết luận chương 1 .................................................................................. 20
CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG LAI
GIÓ VÀ PIN MẶT TRỜI ................................................................................. 22
2.1. Cấu trúc hệ thống điện mặt trời [16].................................................... 22
2.1.1. Pin mặt trời (PV - Photovoltaic) ...................................................... 22
2.1.1.1. Khái niệm ................................................................................... 22
iv


2.1.1.2. Mơ hình tốn và đặc tính làm việc của pin mặt trời .................. 23
2.1.1.3. Khối xác định và duy trì điểm làm việc có cơng suất lớn nhất . 26
2.2. Cấu trúc điều khiển hệ thống năng lượng gió ..................................... 34
2.2.1. Điều khiển turbine ............................................................................ 36
2.2.2. Điều khiển Crowbar hoặc Stator switch .......................................... 39
2.2.3. Điều khiển phía lưới và phía máy phát ............................................ 39
2.3. Cấu trúc điều khiển của hệ thống lai gió và mặt trời ......................... 40
2.4. Thiết kế bộ điều khiển cho bộ nghịch lưu DC/AC .............................. 41
2.4.1 Mở đầu ............................................................................................... 41
2.4.2. Chuyển đổi khung tham chiếu .......................................................... 41
2.5. Thiết kế điều khiển nghịch lưu nối lưới DC/AC ................................. 46
2.6. Kết luận chương 2 .................................................................................. 47
CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG48
3.1. Xây dựng mơ hình hệ thống điều khiển nguồn lai gió và mặt trời trên
phần mềm Matlab/Simulink [4] ................................................................... 48
3.2. Kết quả mô phỏng .................................................................................. 50
3.3. Đánh giá chất lượng điều khiển hệ thống ............................................ 54
3.4. Kết luận chương 3 .................................................................................. 54
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................... 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 56

v


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Các ký hiệu:
STT Ký hiệu

Diễn giải nội dung đầy đủ

1

G

Công suất bức xạ mặt trời

2

T

Nhiệt độ lớp tiếp giáp p-n

3

Ipv

Dòng điện quang (A)

4

Igc

Dòng quang điện (A)

5

I0

Dòng bão hòa (A)

6

Tc

Nhiệt độ tuyệt đối của tế bào (0K)

7

Tref

Nhiệt độ tham chiếu của tế bào quang điện (0K)

8

Isc

Dịng điện ngắn mạch trong điều kiện chuẩn

9

µsc

Hệ số phụ thuộc nhiệt độ của dòng ngắn mạch

10

I0α

11

Vg

12

V0c

Điện áp hở mạch của tế bào

13

UOC

Điện áp hở mạch

14

Ton

Thời gian khóa K mở

15

T

Chu kỳ dịng điện

16

fDC

Tần số đóng cắt

17

C

Tụ điện

18

L

Cuộn kháng

19

D

Hệ số làm việc

20

tb

Mật độ khơng khí

21

Rcg

Bán kính của cánh gió

Dịng điện bão hòa tại một bức xạ mặt trời và nhiệt độ
tham chiếu
Năng lượng lỗ trống của chất bán dẫn được sử dụng
làm tế bào

vi


22

vgm

Tốc độ gió ở một khoảng cách đủ xa phía trước cánh gió

23

Ctb

Hệ số phụ thuộc vào cấu trúc khí động học của turbine gió

24

p

25

vgm

Tốc độ gió

26

tb

Tốc độ góc quay của turbine

27

p

Cơng suất tác dụng

28

q

Cơng suất phản kháng

29

i, i

Dịng điện biểu diễn trên hệ trục 

30

u, u

Điện áp biểu diễn trên hệ trục 

31

id, iq

Dòng điện biểu diễn trên hệ trục dq

32

ud, uq

Điện áp biểu diễn trên hệ trục dq

33



Tần số góc nguồn điện

34

u

Điện áp lưới

35

i

Dịng điện

36

p , q

Cơng suất tác dụng, phản kháng tương ứng với hệ trục 

37

Pdq , qdq

Công suất tác dụng, phản kháng tương ứng với hệ trục dq

Góc xoay của cánh gió so với mặt cắt ngang đi qua
trung tâm của cánh gió

Các chữ viết tắt
STT Ký hiệu

Diễn giải nội dung đầy đủ

38

AC

Xoay chiều

39

DC

Một chiều

40

MPP

Max Power Point

41

LCOE

Levelized Cost Of Electricity

42

CHLB

Cộng hòa liên bang

43

TNHH

Trách nhiệm hữu hạn

vii


44

PV

Photovoltaic

45

Si

Silicon

46

P

Photpho

49

MPPT

Maximum Power Point Tracker

50

MĐKĐBNK Máy điện không đồng bộ 3 pha nguồn kép

51

NLPL

Nghịch lưu phía lưới

52

NLMP

Nghịch lưu máy phát

53

SOGI

Second-order generalised integrator

54

PID

Proportional Integral Derivative

viii


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Số liệu về bức xạ năng lượng Mặt trời của các vùng ở Việt Nam ........................... 16

ix


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Mơ hình điện mặt trời cho cơ quan, hộ gia đình ................................... 4
Hình 1.2: Cánh đồng pin năng lượng mặt trời (ven biển) ..................................... 5
Hình 1.3: Lắp đặt pin năng lượng mặt trời trên mái nhà ...................................... 5
Hình 1.4: Lắp đặt pin năng lượng mặt trời trên đồi núi ........................................ 6
Hình 1.5: Phương pháp tổ hợp pin mặt trời .......................................................... 7
Hình 1.6: Tuabin gió - Ngày càng có nhiều các tua bin gió hiện đại được thiết kế
và lắp đặt ở độ cao trên 100m. Độ cao đặt tua bin tăng lên cho phép tăng được
đường kính cánh quạt (tăng cơng suất) và giải phóng được diện tích đất cho các
hoạt động kinh tế khác. ......................................................................................... 8
Hình 1.7: Đồ thị công suất điện (We) của tua bin ở các tốc độ gió (m/s) khác
nhau ..................................................................................................................... 10
Hình 1.8: Đồ thị giá thành 1 MWe từ các nguồn năng lượng ............................. 14
Hình 1.9: Đồ thị thể hiện số giờ nắng trong các tháng tại tỉnh Lào Cai ............... 15
Hình 1.10: Phân bố nắng tại tỉnh lào Cai theo Global Solaratlas ....................... 17
Hình 2.1: Mơ hình tương đương của module PV ............................................... 23
Hình 2.2: Quan hệ I(U) và P(U) của PV ............................................................. 24

Hình 2.3: Họ đặc tính của PV ............................................................................. 25
Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp Buck ...................................................... 27
Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý mạch tăng áp ............................................................ 28
Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý mạch Buck-Boost..................................................... 29
Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi Cuk ........................................................ 30
Hình 2.8: Sơ đồ mạch Cuk khi khóa SW mở thơng dịng................................... 30
Hình 2.9: Sơ đồ mạch Cuk khi khóa SW đóng ................................................... 31
Hình 2.10: Lưu đồ thuật tốn tìm điểm cơng suất cực đại .................................. 32
Hình 2.11: Sơ cấu trúc điều của khiển hệ thống điện mặt trời nối lưới .............. 33
Hình 2.12: Máy phát đồng bộ 3 pha kích thích vĩnh cửu hoặc khơng đồng bộ 3
pha rotor lồng sóc ................................................................................................ 34
x


Hình 2.13: Máy phát khơng đồng bộ 3 pha nguồn kép ....................................... 34
Hình 2.14: Hệ thống phát điện sức gió sử dụng crowbar ................................... 35
Hình 2.15: Hệ thống phát điện sức gió sử dụng stator switch ............................ 36
Hình 2.16: Các đường cong sử dụng trong giải pháp điều khiển turbine ........... 38
Hình 2.17: Hệ thống lai phát điện sức gió và pin mặt trời sử dụng crowbar ...... 40
Hình 2.18: Hệ thống lai phát điện sức gió và pin mặt trời sử dụng stator switch41
Hình 2.19: Chuyển đổi từ hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ αβ ................................ 42
Hình 2.20: Chuyển đổi từ hệ qui chiếu αβ sang hệ qui chiếu dq ........................ 44
Hình 2.21: Cấu trúc của SOGI ............................................................................ 45
Hình 2.22: Sơ đồ cấu trúc điều khiển mạch vịng dịng điện phía lưới sử dụng
khâu PI................................................................................................................. 46
Hình 3.1: Sơ đồ mơ phỏng tồn hệ thống ........................................................... 49
Hình 3.2: Khối mơ tả máy phát điện sức gió ...................................................... 49
Hình 3.3: Khối bộ DC/DC của Pin mặt trời và nghịch lưu DC/AC ................... 50
Hình 3.4: Đáp ứng cơng suất của pin theo bức xạ mặt trời ................................ 50
Hình 3.5: Đáp ứng công suất của pin mặt trời theo bức xạ mặt trời ................... 51

Hình 3.6: Đáp ứng điện áp pha đầu ra của bộ nghịch lưu DC/AC ..................... 51
Hình 3.7: Đáp ứng dòng điện 3 pha đầu ra của bộ nghịch lưu DC/AC .............. 52
Hình 3.8: Đáp ứng tốc độ của máy phát gió ....................................................... 52
Hình 3.9: Đáp ứng mơ men của máy phát gió .................................................... 53
Hình 3.10: Đáp ứng công suất phản kháng của hệ thống ................................... 53

xi


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Đề tài nghiên cứu khảo sát tiềm năng phát triển khai thác nguồn năng
lượng mặt trời tại tỉnh Lào Cai 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 sống,
nhất là áp dụng cho các cơ quan cấp sở của tỉnh Lào Cai nhằm góp phần giảm
tiêu hao năng lượng hóa thạch, đồng thời giảm phát thải khí gây hiệu ứng nhà
kính. Nguồn năng lượng gió và mặt trời phong phú với nguồn gió ở các khu vực
núi cao và bức xạ nắng trung bình là 5kWh/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 phịng và
phát triển văn hố giáo dục…
Từ những đánh giá quan trọng trên chúng ta cần phải tiến hành nghiên cứu
tiềm năng khai thác nguồn năng lượng gió và mặt trời tại tỉnh Lào Cai cũng như
nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển hệ thống này để cung cấp cho một số
phụ tải tại tỉnh Lào Cai. Vì vậy em chọn đề tài: "Nghiên cứu ứng dụng hệ
thống phát điện lai sức gió và mặt trời tại tỉnh Lào Cai".
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Nghiên cứu khảo sát tiềm năng năng lượng gió và mặt trời tại tỉnh lào
Cai.

- Đánh giá khả năng khai thác nguồn năng lượng gió và mặt trời để cung
cấp cho một số phụ tải tại tỉnh Lào Cai.
- Xây dựng mô tả toán học của hệ thống phát điện nguồn áp xoay chiều
(AC) được biến đổi từ năng lượng gió và mặt trời (DC).
- Thiết kế bộ điều khiển hệ thống khai thác nguồn năng lượng gió và mặt
trời.

1


3. Nội dung của luận văn
Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm các chương sau:
Chương 1: Đánh giá tiềm năng khai thác năng lượng gió và mặt trời tại tỉnh
Lào Cai.
Chương 2: Xây dựng cấu trúc điều khiển hệ thống khai thác nguồn năng
lượng gió và mặt trời.
Chương 3: Mô phỏng và đánh giá chất lượng hệ thống
Kết luận và kiến nghị

2


CHƯƠNG 1
ĐÁNH GIÁ TIỀM NĂNG KHAI THÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ
MẶT TRỜI TẠI TỈNH LÀO CAI
1.1. Tổng quan nguồn năng lượng gió và mặt trời
1.1.1. Tổng quan về nguồn năng lượng mặt trời [17, 19]
Như đã phân tích, đặc điểm chung của các nguồn điện sử dụng năng lượng
tái tạo đó là phân tán, cơng 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 khơng 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. Mơ 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, 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 mơ 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.

3


Hình 1.1: Mơ hình điện mặt trời cho cơ quan, hộ gia đình
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.
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…

4


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

5


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 ngun tố thuộc phân nhóm chính nhóm IV trong bảng
tuần hồn các ngun 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 ln phát dịng điện một chiều ra
mạch ngồi 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
cơng suất phát ra tại mỗi thời điểm phụ thuộc vào nhiệt độ T của lớp tiếp giáp pn, 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 hành khác là tức thời
và không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố liên quan đến quán tính.
6


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.
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.

Hình 1.5: Phương pháp tổ hợp pin mặt trời
1.1.2. Tổng quan về nguồn năng lượng gió [11, 21]
Điện gió - là một lĩnh vực của ngành năng lượng, chun về chuyển đổi
động năng của khơng khí trong khí quyển thành điện năng, cơ năng, nhiệt năng,
hay một dạng năng lượng khác để phục vụ cho nền kinh tế. Việc chuyển đổi này
được thực hiện bằng các tổ hợp thiết bị, như máy phát điện bằng tua bin gió (để
thu được điện năng), cối xay gió (để thu được cơ năng), cánh buồm (trong vận
tải), v.v...
Năng lượng gió có được nhờ hoạt động của mặt trời, vì vậy thuộc dạng tự
tái tạo, dễ tiệm cận, sạch về sinh thái và có chi phí vận hành thấp. Các trạm điện
tua bin gió lớn thường được nối với hệ thống điện, các trạm nhỏ hơn thường
được xây dựng và vận hành để cung cấp điện cho những vùng ở xa lưới điện.
7

Hình 1.6: Tuabin gió - Ngày càng có nhiều các tua bin gió hiện đại được thiết
kế và lắp đặt ở độ cao trên 100m. Độ cao đặt tua bin tăng lên cho phép tăng
được đường kính cánh quạt (tăng cơng suất) và giải phóng được diện tích đất
cho các hoạt động kinh tế khác.
Việc phát triển điện gió thường gặp một số khó khăn mang tính kỹ thuật và
kinh tế. Khi tỷ trọng của điện gió trong lưới điện tăng lên, sự khơng ổn định của
gió sẽ làm gia tăng sự khơng ổn định trong cung cấp điện, địi hỏi phải áp dụng
công nghệ thông minh trong vận hành và quản lý hệ thống phân phối điện. Các
nhược điểm cơ bản của việc phát triển điện gió gồm:
1/ Sản lượng điện phát ra của các tua bin gió phụ thuộc hồn tồn vào sức
gió - một đại lượng rất không ổn định trong ngày, trong tháng, trong năm và
trong cả nhiều năm. Khơng có hệ thống điện nào có thể chấp nhận được sự bất
định như vậy.
2/ Trong khi biểu đồ phụ tải của hệ thống điện vốn rất khơng ổn định, các
tua bin gió dù lớn hay nhỏ khơng những khơng có khả năng tham gia vào việc
8


điều tần của hệ thống điện (vì phụ thuộc 100% vào tự nhiên), mà còn gây ra
nhiều bất cập trong điều độ của hệ thống, đòi hỏi hệ thống điện phải có nguồn
dự phịng cao.
3/ Khi tỷ trọng cơng suất điện gió lớn, để có dự phịng cao, địi hỏi phải xây
dựng thêm các nguồn điện đắt tiền khác như nhiệt điện chạy khí, nhiệt điện chạy
dầu, thủy điện, và thủy điện tích năng. Điều này sẽ dẫn đến một rào cản khác về
mặt kinh tế là giá thành điện bình quân của hệ thống sẽ tăng lên rất cao. Vì vậy,
trên thế giới, chủ quản của các hệ thống điện thường khơng “mặm mà” với điện
gió, và khơng muốn đấu nối điện gió vào hệ thống, trừ khi có sự ép buộc của
Chính phủ và/hoặc có cơ chế bù đắp chi phí.

4/ Khi tỷ trọng điện gió trong hệ thống đạt mức 20÷25%, sẽ xuất hiện các
vấn đề nghiêm trọng trong lưới điện (lưới điện sẽ bị mất kiểm sốt - khơng điều
phối được). Đây là điều bắt buộc phải tính đến trong qui hoạch phát triển ngành
điện trên quan điểm đảm bảo an toàn và ổn định về cung cấp điện cho nền kinh
tế.
5/ Đối với các tua bin gió nhỏ lẻ, việc đấu nối với lưới quốc gia có thể trở
nên khơng khả thi về mặt kinh tế. Vấn đề này chỉ có thể giải quyết được một
phần nếu tua bin gió được nối với lưới điện cục bộ (tại chỗ) với điều kiện các
thiết bị phân phối, truyền tải hiện có và tua bin gió phải có cơng suất phù hợp
với nhau.
6/ Đối với các tua bin gió cơng suất lớn, vấn đề khó khăn nhất liên quan
đến các qui trình sửa chữa, duy tu, bảo dưỡng (khi phải sửa chữa hay thay thế
các chi tiết/bộ phận có kích thước lớn và trọng lượng lớn như rotor, cánh quạt) ở
độ cao hơn 100m.
Các máy phát điện gió (tua bin gió) có thể chia thành 2 loại: cơng nghiệp
và gia dụng. Các máy tua bin gió cơng nghiệp hiện đại có cơng suất lên tới
7,5MWe. Cơng suất của tua bin gió phụ thuộc vào diện tích hứng gió của các
cánh quạt (rotor của tua bin) và chiều cao của tua bin so với mặt đất.
Ví dụ, loại tua bin gió cơng suất 3MWe (V90) của hãng Vestas (Đan Mạch)
có tổng chiều cao 115m, chiều cao tháp 70m, và đường kính cánh quạt 90m.
9


Theo lý thuyết về khí động học, các luồng khơng khí chuyển động ở gần
mặt đất hay mặt biển thuộc loại các dịng chảy theo lớp/tầng (laminar), trong đó,
các lớp nằm thấp hơn sẽ cản các lớp nằm ở phía trên cao hơn. Hiệu ứng này rất
rõ nét ở độ cao đến 1000m, nhưng giảm mạnh ở độ cao trên 100m. Vì vậy, ngày
càng có nhiều các tua bin gió hiện đại được thiết kế và lắp đặt ở độ cao trên
100m. Độ cao đặt tua bin tăng lên cho phép tăng được đường kính cánh quạt
(tăng cơng suất) và giải phóng được diện tích đất cho các hoạt động kinh tế

khác.
Các tua bin gió hiện đại được thiết kế phát điện ở tốc độ gió từ 3m/s và tự
động dừng phát điện khi tốc độ gió lớn hơn 25m/s. Hiệu suất tối đa của tua bin
gió thường đạt được ở tốc độ gió 15m/s. Cơng suất phát điện của tua bin gió tỷ
lệ bậc 3 với tốc độ gió. Ví dụ, nếu tốc độ gió tăng lên 2 lần (từ 5m/s lên 10m/s),
công suất phát điện sẽ tăng lên 8 lần.

Hình 1.7: Đồ thị cơng suất điện (We) của tua bin ở các tốc độ gió (m/s)
khác nhau
Đồ thị trên cho thấy, một tua bin gió có cơng suất khoảng 500W ở tốc độ
gió 5m/s, và có cơng suất khoảng 4.900W ở tốc độ gió 10m/s (tăng gần 10 lần).
10


Trên thế giới, tua bin gió phổ biến nhất hiện nay có 3 cánh, trục nằm
ngang. Đơi khi cũng có loại 2 cánh. Đối với những nơi có tốc độ gió thấp, loại
tua bin có trục đứng được coi là có hiệu quả nhất (kiểu con quay, chong chóng).
Loại tua bin trục đứng cũng đang có thị trường mở rộng vì phần lớn dân cư nằm
trong đất liền, nơi có tốc độ gió trung bình 3÷12m/s thấp hơn so với vùng ven
biển. Ở những nơi có tốc độ gió thấp, tua bin trục thẳng đứng có hiệu suất cao
hơn hẳn so với tua bin trục nằm ngang.
Ngoài ra, tua bin trục đứng cịn có nhiều ưu điểm đáng kể khác như: hầu
như khơng có tiếng ồn, khơng địi hỏi bất kỳ công việc duy tu/bảo dưỡng nào,
thời hạn làm việc hơn 20 năm. Hệ thống hãm theo các thiết kế mới nhất cho
phép tua bin làm việc ổn định ngay cả khi tốc độ gió tăng vọt (giật) lên đến 60
m/s.
Điện gió ngồi khơi
Các vùng biển ngồi khơi gần bờ (cách bờ 10÷60km) được coi là (khơng
chiếm đất, có độ sâu nước khơng q lớn, có gió biển điều hịa, và khơng nhận
thấy từ đất liền) có triển vọng nhất để sản xuất điện bằng tua bin gió. Tuy nhiên,

chi phí đầu tư xây dựng các tua bin gió ngồi khơi thường cao hơn 1,5-2 lần so
với trong đất liền (tháp gió phải cao hơn, nền móng phải vững bền hơn, chịu
được nước mặn, v.v...). Ở ngoài khơi, các tháp tua bin được đặt trên móng cọc,
các cọc móng được đóng sâu tới 30m, hoặc được đặt trên các giàn nổi.
Tua bin gió nổi ngồi biển đầu tiên được cơng ty H Technologies BV thiết
lập vào cuối năm 2007 có cơng suất 80kW, nằm cách bờ biển phía Nam Ý 10,6
hải lý, ở nơi nước biển có độ sâu 108m. Công ty StatoilHydro của Na Uy đã
thiết kế các tua bin gió nổi cho các trạm điện gió ngồi khơi có độ sâu lớn.
Từ năm 2009, cơng ty StatoiHydro đã xây dựng một tua bin gió “Hywind”
trình diễn có cơng suất 2,3MW, nặng 5.300 tấn, đường kính rotor 82,4m, với
tháp của tua bin có độ cao 65m trên mực nước biển và 100m nằm trong nước
biển, cách đảo Carma 10km phía tây - nam Na Uy.
11


Điện gió trên đất liền
Một trạm điện gió có thể bao gồm nhiều tua bin gió (có thể lên tới hơn 100
tua bin) được lắp đặt gần nhau và thường được thiết lập ở những nơi có có tốc
độ gió trung bình cao nhất từ 4,5m/s. Trạm điện gió ở gần thành phố Roscoe,
bang Texas, Mỹ được công ty E.ON của Đức xây dựng đưa vào vận hành từ
2009 có tới 627 tua bin gió do Mitsubishi, General Electric và Siemens chế tạo,
với tổng cơng suất gần 780MW và có diện tích khơng nhỏ hơn 400 km2.
Gió trong đất liền thường không ổn định (về tốc độ và về hướng) như gió ở
ngồi khơi. Việc xây dựng các trạm điện gió trong đất liền đỏi hỏi phải khảo sát
rất bài bản về tốc độ gió và hướng gió.
Việc khảo sát (đo) tốc độ và hướng gió cần được tiến hành ở độ cao từ trên
30m và trong thời gian 1÷2 năm. Thơng thường, các số liệu thống kê có sẵn về
tốc độ gió của các trạm khí tượng khơng dùng được cho việc thiết kế tua bin gió
vì các trạm khí tượng chỉ đo gió ở độ cao khoảng 10m và nằm trong các vùng
gần khu dân cư hay tại các sân bay.

Ở nhiều nước, các tua bin gió được thiết kế theo bản đồ gió do các cơ quan
nhà nước thành lập, hoặc được thiết lập bằng vốn ngân sách. Ví dụ, ở Canada
Bộ Phát triển và Bộ Tài nguyên đã thành lập tập bản đồ (atlat) gió và phần mềm
mơ phỏng về năng lượng gió (Wind Energy Simulation Toolkit- WEST) cho
phép khảo sát để lập phương án xây dựng tua bin gió ở bất kỳ vị trí nào. Chương
trình Phát triển của Liên hợp quốc từ năm 2005 đã thành lập bản đồ gió cho 19
nước đang phát triển.
Để giảm thiểu ảnh hưởng của các tua bin gió đến môi trường, người ta phải
đưa ra một số qui định cụ thể đối với các tua bin gió. Ví dụ, ở Anh, Đức, Đan
Mạch độ ồn tối đa của các tua bin gió nhỏ hơn 45 dB vào ban ngày và nhỏ hơn
35 dB vào ban đêm; khoảng cách tối thiểu đến các nhà có người ở là 300m,
trong thời kỳ chim di cư, các tua bin gió phải ngừng hoạt động, v.v...

12