Nghiên cứu thiết kế hệ thống pin năng lượng mặt trời nối lưới công suất đến 10 MW cho vùng nuôi trồng thủy sản tam nông, đồng tháp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
NGÔ XUÂN HIÊN

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

NGÔ XUÂN HIÊN

KỸ THUẬT ĐIỆN – HỆ THỐNG ĐIỆN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI NỐI LƯỚI CÔNG SUẤT ĐẾN 10 MW CHO
VÙNG NUÔI TRỒNG THỦY SẢN TAM NÔNG, ĐỒNG THÁP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỆN – HỆ THỐNG ĐIỆN

KHÓA 2016B
Hà Nội – Năm 2019


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ với nội dung đề tài là “Nghiên cứu thiết kế hệ thống
pin năng lượng Mặt trời nối lưới công suất đến 10 MW cho vùng nuôi trồng thủy sản
Tam Nông, Đồng Tháp” do TS. Bùi Minh Định và PGS.TS. Nguyễn Lân Tráng
hướng dẫn là nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc
và xuất xứ rõ ràng.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2019

Tác giả luận văn
`
Ngô Xuân Hiên


MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ................................................................................................. 4
DANH MỤC BẢNG BIỂU........................................................................................... 8
DANH MỤC BIỂU ĐỒ ................................................................................................ 9
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................... 10
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................... 11
Chương 1 – GIỚI THIỆU CHUNG VÀ ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG NĂNG
LƯỢNG MẶT TRỜI ................................................................................................... 13
1.1 Lịch sử phát triển của pin Mặt trời .................................................................... 13
1.2 Tổng quan tình hình phát triển năng lượng Mặt trời tại Việt Nam ............... 13
1.3 Kết luận .................................................................................................................. 17
Chương 2 – THIẾT KẾ CẤU TRÚC TRONG MÔ PHỎNG ................................. 18
2.1. Pin quang điện, các sơ đồ thay thế PV và các yếu tố môi trường tác động .. 18
2.1.1 Pin quang điện...................................................................................................... 18
2.1.2 Sơ đồ thay thế của PV có xét đến các tổn hao ................................................... 18
2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến đường đặc tính PV ................................................. 20
2.2.1 Ảnh hưởng của cường độ chiếu sáng ...................................................................20
2.2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ .......................................................................................21
2.2.3 Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm ...................................................................22
2.3 Xây dựng cấu trúc và thuật toán bộ bám điểm công suất cực đại, bộ biến đổi
DC/DC .......................................................................................................................... 25
2.3.1 Xây dựng cấu trúc bộ bám điểm công suất cực đại ............................................ 25
2.3.3 Thuật tốn bám điểm cơng suất cực đại .............................................................. 27

2.3.3.1 Thuật toán theo phương pháp điện áp khơng đổi ............................................ 27
2.3.3.2 Thuật tốn theo phương pháp dịng điện ngắn mạch ....................................... 27
2.3.3.3 Thuật tốn theo phương pháp nhiễu loạn và quan sát (P&O) ......................... 28
2.3.3.4 Thuật toán theo phương pháp điện dẫn gia tăng (INC) ................................... 30
2.3.3.5 Kết luận ............................................................................................................. 32
2.3.4 Bộ biến đổi DC – DC Boost ................................................................................ 32
2.4 Bộ biến đổi DC – AC (Inverter) .......................................................................... 33
1


2.5 Cấu trúc chung của một hệ thống điện Mặt trời nối lưới không dự trữ ....... 34
2.6 Cấu trúc chung của một hệ thống điện Mặt trời độc lập ................................. 36
2.7 Kết luận .................................................................................................................. 38
Chương 3 – MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI ................ 39
3.1 Giới thiệu mơ hình cơng suất 100 kW của Matlab/ Simulink ......................... 39
3.1.1 Mơ hình mơ phỏng hệ thống điện Mặt trời công suất 100 kW kết nối lưới ....... 39
3.1.1.1 Các khối trong mô phỏng hệ thống điện Mặt trời cơng suất 100 kW kết nối
lưới ................................................................................................................................. 40
3.1.1.1.1 Mơ hình dàn pin Mặt trời (PV Array) ........................................................... 40
3.1.1.1.2 Mơ hình bộ điều chỉnh điện áp một chiều DC/DC ........................................ 41
3.1.1.1.3 Mơ hình bộ điều khiển tìm cơng suất cực đại ............................................... 42
3.1.1.1.3.1 khảo sát kết quả bộ điều khiển tìm cơng suất cực đại ................................ 43
3.1.1.1.4 Mơ hình bộ nghịch lưu và khối điều khiển.................................................... 46
3.1.2 Kết quả khai thác mơ hình hệ thống điện Mặt trời cơng suất 100 kW kết nối lưới50
3.2 Giới thiệu Mơ hình cơng suất 400 kWcủa Matlab/ Simulink .......................... 52
3.3 Mơ hình mơ phỏng hệ thống điện Mặt trời công suất 2 MW .......................... 54
3.4 Mơ hình mơ phỏng hệ thống điện Mặt trời công suất 10 MW ........................ 57
3.4.1 Kết quả mô phỏng ở trạng thái vận hành bình thường ....................................... 58
3.4.2 Nhận xét phương thức đấu nối mơ hình 10 MW ................................................ 62
3.4.3 Mô phỏng ở trạng thái sự cố ngắn mạch ............................................................. 62

3.4.4 Mô phỏng khả năng vận hành của hệ thống điện Mặt trời khi mất lưới ............ 64
3.5 Kết luận .................................................................................................................. 66
Chương 4 – ĐỀ XUẤT MƠ HÌNH THỰC TẾ ......................................................... 67
4.1 Vị trí địa lý và phương án lắp đặt hệ thống năng lượng Mặt trời ở Tam Nơng67
4.2 Tính chọn thiết bị và các sơ đồ một sợi ............................................................... 72
4.3 Phương án lắp đặt và đấu nối vào lưới điện ...................................................... 74
4.4 Các thiết bị chính trong các khối của hệ thống điện ........................................ 75
4.5 Tính tốn ngắn mạch ............................................................................................ 78
4.6 Sơ đồ một sợi hệ thống và các thành phần .......................................................... 80
4.7 Các khối chức năng của hệ thống ........................................................................82
2


4.8 Tính tốn lợi ích kinh tế khi lắp đặt hệ thống điện Mặt trời .......................... 84
4.8.1 Tính tốn lượng điện năng và tiền điện thu hồi chi tiết theo mức độ bức xạ
(phương pháp 1) ............................................................................................................ 84
Tổng hợp mức độ bức xạ: ............................................................................................. 84
4.8.2 Tính tốn lượng điện năng và tiền điện thu hồi ước lượng theo công suất lắp đặt
dàn PV (phương pháp 2) ............................................................................................... 88
4.8.3 Kết luận ................................................................................................................ 88
4.9 Kết luận .................................................................................................................. 89
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 91
PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 92
1. Code thuật toán MPPT trên Matlab .................................................................... 92
1.1 Thuật toán MPPT theo phương pháp nhiễu loạn và quan sát (P&O) ........... 92
1.2 Thuật toán MPPT theo phương pháp điện dẫn gia tăng (INC) theo phép
chia dP/dV .................................................................................................................... 93
1.3 Thuật toán MPPT theo phương pháp điện dẫn gia tăng (INC) theo phép
chia dI/dV ..................................................................................................................... 94

3


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 2. 1: Mơ hình đơn giản của PV .............................................................................18
Hình 2. 2: Mơ hình thay thế PV có xét đến các tổn hao ...............................................18
Hình 2. 3: Mơ hình thay thế PV có xét đến các tổn hao gồm nhiều cells ....................20
Hình 2. 4: Đặc tính PV có xét đến các ảnh hưởng của Rs và Rp ..................................20
Hình 2. 5: Đặc tuyến V-I của PV khi cường độ sáng khác nhau và nhiệt độ bề mặt
của PV không đổi, 250C................................................................................................ 21
Hình 2. 6: Đặc tuyến V-I của PV với nhiệt độ khác nhau và cường độ sáng không đổi
1000 W/m2 ....................................................................................................................22
Hình 2. 7: Module PV với n cell trong trường hợp khơng cell nào bị che khuất ..........22
Hình 2. 8: Module PV với n cell trong trường hợp 1 cell bị che khuất ........................22
Hình 2. 9: Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm đối với module PV ........................... 23
Hình 2. 10: Module PV với nhiều cell bị che khuất ......................................................24
Hình 2. 11: Module PV sử dụng diode bypass .............................................................. 24
Hình 2. 12: Đặc tính của PV trong trường hợp sử dụng diode bypass .......................... 25
Hình 2. 13: Các đặc tính phi tuyến của PV ...................................................................25
Hình 2. 14: Đặc tính V-I của PV với cường độ bức xạ khác nhau ................................ 26
Hình 2. 15: Hệ thống bám điểm cơng suất cực đại .......................................................26
Hình 2. 18: Lưu đồ thuật tốn tìm điểm cơng suất cực đại phương pháp nhiễu loạn và
quan sát P&O .................................................................................................................29
Hình 2. 20: Thuật tốn điện dẫn gia tăng INC .............................................................. 30
Hình 2. 21: Lưu đồ thuật tốn tìm điểm cơng suất cực đại phương pháp điện dẫn gia
tăng INC ........................................................................................................................31
Hình 2. 22: Bộ biến đổi Boost converter .......................................................................32
Sơ đồ bộ biến đổi tăng áp Boost được mơ tả như hình vẽ 2. 23 ...................................32
Hình 2. 24: Mạch lực nghịch lưu độc lập nguồn áp ba pha...........................................33
Hình 2. 25: Tạo xung vuông bằng phương pháp so sánh ..............................................34

Hình 2. 26: Hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới ...............................................34
Hình 2. 27: Cấu trúc chung hệ thống điện Mặt trời nối lưới không dự trữ ...................35
4


Hình 2. 28: Cấu trúc chung của hệ thống điện Mặt trời độc lập ...................................37
Hình 2. 29: Hệ thống điện mặt trời hoạt động độc lập ..................................................37
Hình 3. 1: Mơ hình hệ thống điện Mặt trời nối lưới cơng suất 100 kW ........................39
Hình 3. 2: Mơ hình dàn pin Mặt trời (PV Array) .......................................................... 40
Hình 3. 3: Pin Mặt trời Sun Power SPR-315E-WHT-D ...............................................41
Hình 3. 4: Đặc tuyển V-I của pin Mặt trời Sun Power SPR-315E-WHT-D .................41
Hình 3. 5: Mơ hình bộ điều chỉnh điện áp một chiều DC/DC Boost converter ............42
Hình 3. 6: Mơ hình tốn học bộ điều chỉnh điện áp một chiều DC/DC ........................42
Hình 3. 7: Mơ hình bộ tìm cơng suất cực đại theo phương pháp nhiễu loạn và quan sát
(P&O) ............................................................................................................................ 42
Hình 3. 8: Mơ hình bộ tìm cơng suất cực đại theo phương pháp điện dẫn gia tăng
(INC) .............................................................................................................................. 43
Hình 3. 9: Các giá trị điều khiển D của bộ MPPT.........................................................43
Hình 3. 10: Khảo sát mơ hình bộ tìm cơng suất cực đại theo phương pháp nhiễu loạn
và quan sát (P&O) .........................................................................................................44
Hình 3. 11: Hệ số điều chế D của bộ tìm cơng suất cực đại theo phương pháp nhiễu
loạn và quan sát (P&O) .................................................................................................44
Hình 3. 12: Khảo sát mơ hình bộ tìm cơng suất cực đại theo phương pháp điện dẫn gia
tăng (INC) ......................................................................................................................45
Hình 3. 13: Hệ số điều chế D của bộ tìm cơng suất cực đại theo phương pháp điện dẫn
gia tăng (INC) ................................................................................................................45
Hình 3. 14: Mơ hình bộ nghịch lưu và khối điều khiển ................................................46
Hình 3. 15: Mơ hình tốn học khối nghịch lưu ba pha nguồn áp ..................................46
Hình 3. 16: Mơ hình khối điều khiển VSC control .......................................................47
Hình 3. 17: Mơ hình vịng khóa pha ..............................................................................47

Hình 3. 18: Mơ hình khối điều chỉnh điện áp một chiều VDC Regulator ....................48
Hình 3. 19: Mơ hình khối điều chỉnh dịng điện Current Regulator ............................. 48
Hình 3. 20: Mơ hình lưới điện kết nối với PV............................................................... 49
Hình 3. 21: Mạch lọc LC và máy biến áp 100 kVA 0,4 kV/24 kV ............................... 49

5


Hình 3. 22: Kết quả mơ phỏng hệ PV có sự tham gia của bộ MPPT với D = 0,8 mơ
hình 100 kW ..................................................................................................................50
Hình 3. 23: Kết quả mơ phỏng hệ PV có sự tham gia của bộ MPPT mơ hình 100 kW 51
Hình 3. 24: Kết quả mơ phỏng hệ PV có sự tham gia của bộ MPPT mơ hình 100 kW
với cường độ sáng và nhiệt độ thay đổi. ........................................................................52
Hình 3. 25: Mơ hình cơng suất 400 kW hệ thống điện Mặt trời nối lưới ......................53
Hình 3. 26: Kết quả thu được trên dàn PV 100 kW khi có bộ MPPT mơ hình 400 kW
.......................................................................................................................................54
Hình 3. 27: Mơ hình cơng suất 2 MW hệ thống điện Mặt trời nối lưới ........................55
Hình 3. 28: Kết quả thu được trên dàn PV 100 kW khi có bộ MPPT mơ hình 2 MW .56
Hình 3. 29: Phương thức đấu nối 1 của mơ hình 10 MW .............................................57
Hình 3. 30: Phương thức đấu nối 2 của mơ hình 10 MW .............................................58
Hình 3. 31: Kết quả thu được trên dàn PV 100 kW khi có bộ MPPT mơ hình 10 MW
phương thức đấu nối 1 ...................................................................................................59
Hình 3. 32: Đặc tính cơng suất tổng cộng sau máy biến áp mơ hình 10 MW phương
thức đấu nối 1 ................................................................................................................60
Hình 3. 33: Cơng suất dàn PV 100 kW khi có bộ MPPT tác động mơ hình 10 MW
phương thức đấu nối 2 ...................................................................................................61
Hình 3. 34: Đặc tính cơng suất tổng cộng sau máy biến áp mơ hình 10 MW phương
thức đấu nối 2 ................................................................................................................61
Hình 3. 35: Ngắn mạch ba pha hệ thống PV 10 MW nối lưới phương thức đấu nối 1 ..62
Hình 3. 36: Đáp ứng đầu ra sau máy biến áp khi ngắn mạch ba pha phương thức đấu

nối 1 ............................................................................................................................... 63
Hình 3. 37: Hệ thống PV 10 MW khi mất lưới ............................................................. 64
Hình 3. 38: Kết quả thu được trên dàn PV 100 kW khi mất lưới điện .......................... 65
Hình 3. 39: Đặc tính cơng suất tổng cộng đầu ra sau máy biến áp khi mất lưới ...........65
Hình 4. 1: Vị trí địa lý huyện Tam Nơng tỉnh Đồng Tháp ............................................67
Hình 4. 2: Cường độ bức xạ Mặt trời và số giờ nắng trong ngày .................................68
Hình 4. 3: Lắp đặt giàn pin Mặt trời ..............................................................................69
Hình 4. 4: Kênh Mười Tải, xã Phú Cường, huyện Tam Nông, Đồng Tháp ..................70
6


Hình 4. 5: Hệ thống điều khiển và giám sát ..................................................................71
Hình 4. 6: Phương thức lắp đặt tấm pin Mặt trời .......................................................... 75
Hình 4. 7: Mặt bằng lắp đặt tấm pin Mặt trời ................................................................ 75
Hình 4. 8 Bộ nghịch lưu hồ lưới PVS800-TS-2000KW-C .........................................78
Hình 4. 9: Sơ đồ một sợi bộ nghịch lưu hồ lưới PVS800-TS-2000KW-C điển hình ..78
Hình 4. 10: Sơ đồ thay thế tính tốn ngắn mạch ........................................................... 79
Hình 4. 11: Sơ đồ một sợi tủ điện một chiều DC 250 kW và ghép nối khối PV 250 kW
.......................................................................................................................................80
Hình 4. 12: Sơ đồ một sợi kết nối 8 khối PV 250 kW với Inverter 2 MW ...................81
Hình 4. 13: Sơ đồ một sợi kết nối 8 khối PV 250 kW với Inverter 2 MW với MBA 2,5
MVA .............................................................................................................................. 82
Hình 4. 14: Bảo vệ so lệch máy biến áp ba cuộn dây....................................................83

7


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1. 1: Tiềm năng năng lượng Mặt trời tại Việt Nam .............................................14
Bảng 3. 1: Thông số pin Mặt trời Sun Power SPR-315E-WHT-D ............................... 41

Bảng 3. 2: Giá trị điện áp và công suất PV khi không có bộ MPPT tác động ..............50
Bảng 3. 3: Các thơng số cơ bản của mơ hình PV 400 kW và 2 MW ............................ 56
Bảng 4. 1: Thiết bị chính hệ PV cơng suất 10 MW.......................................................75
Bảng 4. 2: Thiết bị chính khối đo lường........................................................................76
Bảng 4. 3: Thiết bị chính khối điều khiển và bảo vệ .....................................................76
Bảng 4. 4: Thiết bị chính khối tủ hạ thế ........................................................................77
Bảng 4. 5: Thông số kỹ thuật của bộ nghịch lưu hoà lưới PVS800-TS-2000KW-C ....77
Bảng 4. 6: Giá bán điện .................................................................................................84
Bảng 4. 7: Bảng phân bố bức xạ theo các tháng 1÷12 ..................................................84
Bảng 4. 8: Bảng tổng bức xạ các ngày điển hình .......................................................... 85
Bảng 4. 9:Bảng số giờ nắng hàng tháng trong năm ......................................................85
Bảng 4. 10: Bảng điện năng (kWph) thu hồi hàng tháng trong năm ............................. 86
Bảng 4. 11: Bảng tiền điện thu hồi hàng tháng ............................................................. 87
Bảng 4. 12: Bảng tính tổng hợp .....................................................................................87

8


DANH MỤC BIỂU ĐỒ
Biểu đồ 4. 1: Số giờ nắng hàng tháng trong năm .......................................................... 85
Biểu đồ 4. 2: Điện năng (kWph) thu hồi hàng tháng ....................................................86
Biểu đồ 4. 3: Tiền điện thu hồi hàng tháng (tỷ VNĐ) ...................................................87

9


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt
P&O
INC

PV
PMT
kWp
MPP
MPPT
PWM
PLL
V-I
Rs
Rp

DC
AC
VSC

Thuật ngữ tiếng Anh
Perturbation & Observation
Incremental Conductance
algorithm
Photovoltaic
Kilowatt peak
Maximum Power Point
Maximum Power Point
Tracking
Pulse Width Modulation

Thuật ngữ tiếng Việt
Nhiễu loạn và quan sát
Thuật toán điện dẫn gia tăng
Pin quang điện

Pin Mặt trời
Ki lơ ốt cơng suất đỉnh
Điểm công suất cực đại
Bộ bám điểm công suất cực đại
Điều chế độ rộng xung

Phase lock loop
Voltage Ampers
Serial resistor
Paralell resistor
Irradiance
Duty cycle
Direct current
Alternating current
Voltage Source Converter
Inverter

Vịng khóa pha
Vơn Ampe
Điện trở mắc nối tiếp
Điện trở mắc song song
Cường độ sáng
Hệ số điều chế
Dòng điện một chiều
Dòng điện xoay chiều
Bộ nghịch lưu nguồn áp
Bộ nghịch lưu

10

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay, việc nghiên cứu và sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo để thay thế các
nguồn năng lượng truyền thống đang rất phát triển. Trong đó, việc sử dụng năng lượng
Mặt trời (photovoltaic-PV) có tốc độ phát triển rất nhanh và được xem như là nguồn
năng lượng bền vững trong tương lai. Vì vậy, vấn đề đặt ra cho các kỹ sư và nhà
nghiên cứu là phải thiết kế, ứng dụng năng lượng Mặt trời vào các hộ gia đình cơng
suất nhỏ khoảng vài kW cũng như đến các nhà máy điện Mặt trời cơng suất trung bình
đến lớn khoảng hơn chục đến hàng ngàn MW.
Vì vậy em chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ thống pin năng lượng Mặt trời nối
lưới công suất đến 10 MW cho vùng nuôi trồng thủy sản Tam Nông, Đồng Tháp” với
mong muốn khi đề tài được ứng dụng trong thực tế sẽ tạo ra những hữu ích trong việc
thiết kế xây dựng các nhà máy điện Mặt trời và làm cơ sở để tạo nên những nhà máy
điện Mặt trời trong tương lai.
2. Mục đích nghiên cứu
Thiết kế hệ thống điện Mặt trời cơng suất trung bình cung cấp cho một vài xã hoặc một
vài nhà máy công nghiệp.
3. Đối tượng nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu của luận văn
Đối tượng nghiên cứu: Thiết kế nhà máy điện Mặt trời công suất 10 MW lắp đặt tại
kênh Mười Tải – xã Phú Cường – huyện Tam Nông – tỉnh Đồng Tháp.
Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu các đặc tính của tấm pin năng lượng Mặt trời và sự
phụ thuộc của tấm pin vào điều kiện môi trường như nhiệt độ, cường độ ánh sáng để
nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn năng lượng. Đồng thời, cũng phân tích các cách thức
kết nối để đề xuất xây dựng mơ hình hệ thống điện Mặt trời cơng suất lớn.
4. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp phân tích và tổng hợp lí thuyết: từ việc phân tích cấu trúc cơ bản của pin
Mặt trời ta tiến hành xây dựng hệ thống điện Mặt trời kết nối lưới với các dải cơng
suất khác nhau qua khai thác chương trình Matlab/Simulink.

11


Tổng hợp kế thừa các kết quả nghiên cứu liên quan: thơng qua kết quả mơ phỏng mơ
hình Matlab/Simulink đi đến đề xuất xây dựng mơ hình nhà máy điện Mặt trời công
suất 10 MW.
5. Bố cục của luận văn
Nội dung của luận văn gồm 4 chương.
Chương 1: Giới thiệu chung và ứng dụng của hệ thống năng lượng Mặt trời.
Chương 2: Thiết kế cấu trúc trong mô phỏng.
Chương 3: Mô phỏng hệ thống điện Mặt trời nối lưới.
Chương 4: Đề xuất mơ hình thực thế.
-

Giới thiệu về địa điểm lắp đặt kênh Mười Tải – Phú Cường – Tam Nơng –
Đồng Tháp.

-

Tính chọn thiết bị, các sơ đồ một sợi trong hệ thống điện năng lượng Mặt trời.

-

Tính tốn lợi ích kinh tế khi lắp đặt hệ thống điện Mặt trời.

12


Chương 1 – GIỚI THIỆU CHUNG VÀ ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG NĂNG
LƯỢNG MẶT TRỜI

1.1 Lịch sử phát triển của pin Mặt trời
Hiệu ứng quang điện được phát hiện bởi nhà vật lý Pháp Alexandre
Edmond Becquerel.
1883 Một pin năng lượng Mặt trời mới được tạo thành, bởi Charles Fritts, ông
phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối
1946 Russell Ohl xem là người tạo ra pin năng lượng Mặt trời đầu tiên, thiết bị
chỉ có hiệu suất 1%.
1954 Tế bào quang điện đạt hiệu suất 6% được làm từ Silíc (Phịng thí nghiệm
Bell ở Mỹ) và Cu2S/CdS (Không quân Mỹ).
1963 Sharp Corp (Nhật) đã sản xuất những tấm pin Mặt trời tinh thể Silíc thương
mại đầu tiên.
1966 Đài quan sát thiên văn của NASA sử dụng hệ thống pin Mặt trời công suất
1 kW.
1973 Năm quan trọng của điện Mặt trời. Do cuộc khủng hoảng dầu mỏ, các nước
bắt đầu quan tâm nhều hơn tới năng lượng tái tạo. Hội thảo Cherry Hill tại
Mỹ đánh dấu sự ra đời quỹ nghiên cứu về điện Mặt trời. Ngôi nhà đầu tiên
được lắp hệ thống pin Mặt trời làm từ Cu2S do trường ĐH Delaware chế
tạo.
1982 Nhà máy điện Mặt trời đầu tiên có cơng suất 1 MW được hoàn thành ở Mỹ.
1985 Mr. Green tại đại học New South Wales, Australia phá vỡ rào cản hiệu suất
20% cho pin năng lượng Mặt trời đơn tinh thể (monocrystal, c-Si) trong
phịng thí nghiệm.
1995 Dự án thí điểm “1000 mái nhà” lắp pin Mặt trời của Đức, là động lực cho
việc phát triển chính sách về điện Mặt trời ở Đức và ở Nhật.
1999 Tổng công suất lắp đặt pin Mặt trời trên thế gới đạt 1 GW.
2010 Tổng công suất pin Mặt trời trên thế giới đạt 37,4 GW (trong đó Đức có
cơng suất lớn nhất với 7,6 GW).
1.2 Tổng quan tình hình phát triển năng lượng Mặt trời tại Việt Nam
1839

Lãnh thổ Việt Nam kéo dài từ 80 đến 2300 vĩ Bắc, nằm trong khu vực có cường độ
bức xạ Mặt trời tương đối cao với trị số tổng xạ khá lớn từ 100-175 kcal/cm2/năm. Do
đó, việc sử dụng năng lượng Mặt trời ở nước ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế lớn. Giải
pháp sử dụng năng lượng Mặt trời hiện đang được cho là giải pháp tối ưu. Đây là
nguồn năng lượng sạch, khơng gây ơ nhiễm mơi trường và có trữ lượng vô cùng lớn.
Đồng thời, việc phát triển ngành công nghiệp sản xuất PV sẽ góp phần thay thế các
nguồn năng lượng hóa thạch, giảm phát khí thải nhà kính và bảo vệ môi trường. Đây
được coi là nguồn năng lượng quý giá, có thể thay thế các dạng năng lượng cũ đang
13


ngày càng cạn kiệt. Các quốc gia trên thế giới đã sử dụng năng lượng Mặt trời như một
giải pháp thay thế những nguồn tài nguyên truyền thống. Tuy nhiên, Việt Nam mới chỉ
khai thác được số ít năng lượng tái tạo này. Do lãnh thổ của Việt Nam trải dài nên tiềm
năng về năng lượng Mặt trời ở mỗi vùng cũng khác nhau, có thể chia ra thành 5 vùng
với tiềm năng tại mỗi vùng như sau:

STT

Khu vực

Năng lượng mặt

Số giờ nắng trung

trời trung bình

bình năm

(kcal/cm2.năm)

100 ÷ 125

(giờ/năm)

1

Đơng Bắc Bộ

2

Tây Bắc Bộ

125 ÷ 150

1750 ÷ 1900

3

Bắc Trung Bộ

140 ÷ 160

1700 ÷ 2000

4

Nam Trung Bộ và Tây Nguyên

150 ÷ 175

2000 ÷ 2600

5

Nam Bộ

130 ÷ 150

2200 ÷ 2500

130 ÷ 152

1830 ÷ 2450

Trung bình cả nước

1500 ÷ 1700

Bảng 1. 1: Tiềm năng năng lượng Mặt trời tại Việt Nam
Với tiềm năng về năng lượng và số giờ nắng trong năm như Bảng 1.1, Việt Nam được
đánh giá là một quốc gia có tiềm năng lớn về năng lượng Mặt trời.
Tại Việt Nam, với sự hỗ trợ của nhà nước và một số tổ chức quốc tế đã thực hiện
thành công việc xây dựng các trạm pin quang điện có cơng suất khác nhau phục vụ
nhu cầu sinh hoạt và văn hóa của các địa phương vùng sâu, vùng xa, các cơng trình
nằm trong khu vực khơng có lưới điện. Tuy nhiên, hiện nay pin quang điện vẫn đang
cịn là món hàng xa xỉ đối với các nước đang phát triển.
Định hướng phát triển năng lượng tái tạo theo Quyết định số 2068/QĐ-TTg ngày
25/11/2015 phê duyệt Chiến lược phát triển năng lượng tái tạo của Việt Nam đến năm
2030, tầm nhìn đến năm 2050 đã nêu rõ:
-

Mục tiêu của kế hoạch phát triển điện năng lượng Mặt trời ở nước ta là nhằm
góp phần nâng công suất nguồn điện Mặt trời từ mức không đáng kể như hiện
nay lên khoảng 850 MW vào năm 2020, khoảng 4.000 MW vào năm 2025 và
khoảng 12.000 MW đến năm 2030. Như vậy, theo lộ trình này, từ nay đến năm
2020, mỗi năm chúng ta phải xây dựng các dự án điện Mặt trời với công suất
14


hơn 200 MW; từ năm 2020 ÷ 2025, mỗi năm phải lắp đặt hơn 600 MW và 5
năm tiếp theo, mỗi năm phải lắp đặt 1.600 MW mới đạt kế hoạch đề ra.
-

Điện năng sản xuất từ nguồn điện Mặt trời chiếm 0,5% năm 2020; 1,6% năm
2025 và 3,3% năm 2030.

Hiện nay cả nước có khoảng 30 nhà đầu tư bắt đầu xúc tiến lập các dự án điện Mặt
trời có cơng suất từ 20 đến trên 300 MW tại một số địa phương, tập trung chủ yếu ở
khu vực miền Trung. Trong đó đáng chú ý là 2 dự án của Công ty Đầu tư và Xây dựng
Thiên Tân (tại tỉnh Quảng Ngãi và Ninh Thuận) và dự án Tuy Phong do Công ty
TNHH DooSung Vina (Hàn Quốc) đầu tư với quy mô 66 triệu USD, công suất 30 MW
tại tỉnh Bình Thuận.
Trong ngành cơng nghiệp, các trạm pin quang điện phát điện sử dụng làm nguồn
cung cấp điện dự phòng cho các thiết bị điều khiển trạm biến áp 500 kV, thiết bị máy
tính và sử dụng làm nguồn cung cấp điện nối với điện lưới quốc gia.
Trong ngành giao thông đường bộ, các trạm pin quang điện phát điện dần được sử
dụng làm nguồn cung cấp điện cho các cột đèn đường chiếu sáng.
Trong sinh hoạt của các hộ gia đình vùng sâu, vùng xa, các trạm pin quang điện
phát điện sử dụng để thắp sáng, nghe đài, xem vô tuyến.
Khu vực miền Nam ứng dụng các dàn pin quang điện phục vụ thắp sáng và sinh

hoạt văn hóa tại một số vùng nơng thơn xa lưới điện. Các trạm điện Mặt trời có cơng
suất từ 500 đến 1000 W được lắp đặt ở trung tâm xã, nạp điện vào ắc qui cho các hộ
gia đình sử dụng. Các dàn pin quang điện có cơng suất từ 250 đến 500 W phục vụ thắp
sáng cho các bệnh viện, trạm xá và các cụm văn hoá xã. Đến nay, có khoảng 800 đến
1000 dàn pin quang điện đã được lắp đặt và sử dụng cho các hộ gia đình, cơng suất
mỗi dàn từ 22,5 đến 70 W.
- Dự án phát điện ghép giữa pin quang điện và thuỷ điện nhỏ, công suất 125 kW
được lắp đặt tại xã Trang, huyện Mang Yang, tỉnh Gia Lai, trong đó cơng suất của hệ
thống PMT là 100 kWp (kilowatt peak) và của thuỷ điện là 25 kW. Dự án được đưa
vào vận hành từ cuối năm 1999, cung cấp điện cho 5 làng. Hệ thống điện do Điện lực
Mang Yang quản lý và vận hành.
- Dự án phát điện lai ghép giữa pin quang điện và động cơ gió phát điện với công
15


suất là 9 kW, trong đó pin quang điện là 7 kW. Dự án trên được lắp đặt tại làng Kongu
2, huyện Đak Hà, tỉnh Kon Tum, do Viện Năng lượng thực hiện. Cơng trình đã được
đưa vào sử dụng từ tháng 11/2000, cung cấp điện cho một bản người dân tộc thiểu số
với 42 hộ gia đình. Hệ thống điện do sở Công thương tỉnh quản lý và vận hành.
Các dàn pin quang điện đã lắp đặt ứng dụng tại các tỉnh Gia Lai, Quảng Nam, Bình
Định, Quảng Ngãi và Khánh Hồ, hộ gia đình cơng suất từ 40 ÷ 50 Wp. Các dàn đã
lắp đặt ứng dụng cho các trung tâm cụm xã và các trạm y tế xã có cơng suất từ 200 đến
800 W. Hệ thống điện sử dụng chủ yếu để thắp sáng và truyền thông. Đối tượng phục
vụ là người dân, do dân quản lý và vận hành.
Khu vực miền Bắc, việc ứng dụng các dàn pin quang điện phát triển với tốc độ khá
nhanh, phục vụ các hộ gia đình ở các vùng núi cao, hải đảo và cho các trạm biên
phịng. Cơng suất của dàn pin quang điện dùng cho hộ gia đình từ 40 đến 75 W. Các
dàn dùng cho các trạm biên phịng, nơi hải đảo có cơng suất từ 165 đến 300 W. Các
dàn dùng cho trạm xá và các cụm văn hố thơn, xã là 165 đến 525 W.
Tại Quảng Ninh có hai dự án năng lượng Mặt trời do vốn trong nước (từ ngân sách)

tài trợ:
- Dự án pin quang điện cho đơn vị bộ đội tại các đảo vùng Đông Bắc. Tổng công
suất lắp đặt khoảng 20 kW. Dự án trên do Viện Năng lượng và Trung tâm Năng lượng
mới Trường đại học Bách khoa Hà Nội thực hiện. Hệ thống điện sử dụng chủ yếu để
thắp sáng và truyền thông, đối tượng phục vụ là bộ đội, do đơn vị quản lý và vận hành.
- Dự án pin quang điện cho các cơ quan hành chính và một số hộ dân của huyện đảo
Cơ Tơ. Tổng công suất lắp đặt là 15 kW. Dự án trên do Viện Năng lượng thực hiện.
Cơng trình đã vận hành từ tháng 12/2001.
- Công ty BP Solar của Úc đã tài trợ một dự án pin quang điện có công suất là 6120
Wp phục vụ cho trạm xá, trụ sở xã, trường học và khoảng 10 hộ gia đình. Dự án trên
được lắp đặt tại xã Sĩ Hai, huyện Hà Quảng, tỉnh Cao Bằng.
- Dự án “Ứng dụng thí điểm điện Mặt trời cho vùng sâu, vùng xa” tại xã Ái Quốc,
tỉnh Lạng Sơn đã hoàn thành vào tháng 11/2002. Tổng công suất dự án là 3000 W,
cung cấp điện cho trung tâm xã và trạm truyền hình, chủ yếu để thắp sáng và truyền
thông, đối tượng phục vụ là người dân, do dân quản lý và vận hành.
16


- Trạm pin Mặt trời nối lưới của Viện Năng lượng công suất 1080 W bao gồm 8
module.
- Lắp đèn năng lượng Mặt trời trên đường phố Đà Nẵng sử dụng nguồn năng lượng
Mặt trời. Hệ thống thu điện năng được “dán” thẳng trên thân trụ đèn. Bên trong trụ có
tám bình ắc qui dùng để tích năng lượng.
- Hai cột đèn năng lượng Mặt trời kết hợp năng lượng gió đầu tiên được lắp đặt
thành cơng tại Ban quản lý dự án Cơng nghệ cao Hịa Lạc. Hai cột đèn trị giá 8.000
USD, do Công ty cổ phần tập đoàn quốc tế Kim Đỉnh lắp đặt. Hiện tại, hai cột đèn này
có thể sử dụng trong 10h mỗi ngày, có thể thắp sáng bốn ngày liền nếu khơng có nắng
và gió.
- Tập đồn Điện lực Việt Nam cũng đang dự định triển khai nghiên cứu phát triển 2
dự án trên đất liền tại thủy điện Trị An (tỉnh Đồng Nai) và dự án nổi trên mặt nước tại

hồ thủy điện Đa Mi (tỉnh Bình Thuận).
- Ngồi ra EVN cũng vừa đề xuất với tỉnh Ninh Thuận về việc đầu tư dự án điện
mặt trời với tổng vốn đầu tư khoảng 8.000 tỷ đồng, công suất 200 MW trên diện tích
400 ha tại xã Phước Thái, huyện Ninh Phước, tỉnh Ninh Thuận. Dự kiến dự án này sẽ
được tiến hành khởi công trong năm 2018.
1.3 Kết luận
Chương 1 giới thiệu về ứng dụng của hệ thống điện Mặt trời trên thế giới và trong
nước. Chi tiết về cấu tạo, sơ đồ của pin quang điện cũng như bộ biến đổi một chiều
DC/DC, bộ nghịch lưu inverter DC/AC sẽ được trình bày ở chương 2.

17


Chương 2 – THIẾT KẾ CẤU TRÚC TRONG MÔ PHỎNG
2.1. Pin quang điện, các sơ đồ thay thế PV và các yếu tố môi trường tác động
2.1.1 Pin quang điện
Pin năng lượng Mặt trời hay pin quang điện (Solar panel: PV) bao gồm nhiều tế bào
quang điện - là phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các cảm
biến ánh sáng là diode quang. Nó biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng
điện theo hiệu ứng quang điện.
Mơ hình đơn giản của PV được mơ tả như hình 2.1 :

Hình 2. 1: Mơ hình đơn giản của PV
Sơ đồ thay thế đơn giản của pin quang điện gồm 1 diode mắc song song với một
nguồn dịng.
2.1.2 Sơ đồ thay thế của PV có xét đến các tổn hao
Trong thực tế, PV ln có tổn hao, đặc trưng cho sự tổn hao này là các thơng số
Rs và Rp. Khi ấy, mơ hình PV được mơ tả như hình 2.2:

Hình 2. 2: Mơ hình thay thế PV có xét đến các tổn hao

Trong đó:
+ Rs: Điện trở nối tiếp
18


+ Rsh: Điện trở song song
+ Isc: Dòng điện ngắn mạch
+ Irs: Dòng điện bão hòa PV
+ Iph: Dòng điện phát của PV phụ thuộc cường độ chiếu sáng
+ ID: Dòng điện qua diode
+ Is: Dòng điện qua điện trở Rs
+ Ish: Dòng điện qua điện trở Rsh
+ I: Dòng điện chạy qua PV cell
+ V: Điện áp trên hai đầu PV cell
+ Tref: Nhiệt độ ở điều kiện tiêu chuẩn 25o C
+ T: Nhiệt độ thực tế
+  : Cường độ bức xạ ánh sáng ( w/m2)
+ : Dòng bão hịa
+ q: Điện tích electron
+ ki: Hằng số Bolzman
+ T: Nhiệt độ bề mặt theo độ Kenvin
Biểu thức đặc trưng của PV có xét đến các ảnh hưởng của Rs và Rp:

,

*

+

I ph  [ I sc  ki T  298]

-

(1)


1000

I

I rs 
e

sc
q .Voc
A. K .Tref

 T
I s  I rs . 
T
 ref

1
3


 .e


q . Eg .(

1 1
 )
Tref T

K.A

 q.(V  I .Rs ) 
I D  I s .  e A.K .T  1



19


I sh 

V  I .Rs
Rsh

Trường hợp pin Mặt trời cấu tạo bởi Np diode ghép song song, Ns diode ghép nối tiếp
(2)

Hình 2. 3: Mơ hình thay thế PV có xét đến các tổn hao gồm nhiều cells
Từ phương trình trên có đặc tính PV có xét đến các ảnh hưởng của Rs và Rp như trong
hình vẽ.

Hình 2. 4: Đặc tính PV có xét đến các ảnh hưởng của Rs và Rp
2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến đường đặc tính PV
Các PV có bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như cường độ chiếu sáng, nhiệt độ, hiện

tượng bóng râm.
2.2.1 Ảnh hưởng của cường độ chiếu sáng
Cường độ chiếu sáng càng lớn thì cơng suất thu được của PV càng lớn, dòng Isc
càng lớn, điện áp hở mạch ít thay đổi.
20


8

1000W/m2
800W/m2

6

I(A)

600W/m2

4
400W/m2

2

200W/m2

0

10

20

30

V(vol)

Hình 2. 5: Đặc tuyến V-I của PV khi cường độ sáng khác nhau và nhiệt độ bề mặt
của PV không đổi, 250C
2.2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ
Với một tế bào quang điện cụ thể thì đường đặc tính sẽ thay đổi theo các điều kiện
về môi trường. Như trong hình 2.6 thể hiện sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến đường đặc
tính V-I của tế bào quang điện. Khi nhiệt độ thay đổi thì dịng điện ngắn mạch Isc hầu
như không thay đổi trong khi điện áp hở mạch Voc sẽ giảm dần theo nhiệt độ trên bề
mặt pin.

8

1000W/m2

I(A)

6
750C
500C
250C

4
2

0

10

20
V(vol)

21

30


Hình 2. 6: Đặc tuyến V-I của PV với nhiệt độ khác nhau và cường độ sáng không đổi
1000 W/m2
2.2.3 Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm
Hiện tượng bóng râm được định nghĩa khi PV bị che phủ một phần mà có thể gây
ra các ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất của PV.

Hình 2. 7: Module PV với n cell trong trường hợp không cell nào bị che khuất
Trên hình 2.7 thể hiện PV với n cell (tế bào quang điện) được chiếu sáng hồn tồn,
hệ thống có điện áp V và dịng điện I.

Hình 2. 8: Module PV với n cell trong trường hợp 1 cell bị che khuất
Khi 1 cell bị tre khuất như hình 2.8 thì điện áp hệ thống sẽ là:
(2)
22


Trong đó:
(

)

(3)

Suy ra:
(

)

(4)

Khi ấy, sụt áp gây ra bởi hiện tượng bóng râm được xác định như sau:
(

)

(5)
(6)
Mặt khác, do Rp >> Rs. Khi ấy:
(7)
Đặc tính của module PV khi bị ảnh hưởng bởi hiện tượng bóng râm được biểu diễn
như hình 2.9:

Khơng bị che khuất
Bị che khuất

I

∆V

0

V

Vsh

Hình 2. 9: Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm đối với module PV
Trong trường hợp khi nhiều cell PV bị che khuất thì các đặc tuyến có thể được
biểu diễn như hình 2.9.

23