Tài liệu 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 http://lrc.tnu.edu.vn 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 http://lrc.tnu.edu.vn 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 http://lrc.tnu.edu.vn 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 http://lrc.tnu.edu.vn 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 http://lrc.tnu.edu.vn 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 http://lrc.tnu.edu.vn 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 http://lrc.tnu.edu.vn 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 http://lrc.tnu.edu.vn 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 http://lrc.tnu.edu.vn 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 http://lrc.tnu.edu.vn 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 http://lrc.tnu.edu.vn 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 http://lrc.tnu.edu.vn 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 http://lrc.tnu.edu.vn 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 http://lrc.tnu.edu.vn 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 http://lrc.tnu.edu.vn 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 http://lrc.tnu.edu.vn 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 http://lrc.tnu.edu.vn 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 http://lrc.tnu.edu.vn 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 http://lrc.tnu.edu.vn 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 http://lrc.tnu.edu.vn