Tài liệu Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới điện

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP VŨ CHÍ CƯỜNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI HÒA LƯỚI ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỆN Thái Nguyên, Năm 2020 ii ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP VŨ CHÍ CƯỜNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI HÒA LƯỚI ĐIỆN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN MÃ SỐ: 8.52.02.01 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỆN Người hướng dẫn khoa học PGS.TS. Nguyễn Hữu Công Thái Nguyên, Năm 2020 iii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn là công trình nghiên cứu của riêng cá nhân, do tôi tự nghiên cứu, thực hiện và tỏng hợp dựa trên sự hướng dẫn của PGS. TS Nguyễn Hữu Công- PGĐ Đại học Thái Nguyên. Trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo đã trích dẫn trong phần tài liệu tham khảo. Các số liệu, chương trình phần mềm và những kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong bất kì nghiên cứu nào khác. Tôi xin khẳng định về sự trung thực của lời cam đoan trên./. Thái Nguyên, ngày 18 tháng 09 năm 2020 Học viên Vũ Chí Cường iv LỜI CẢM ƠN Qua thời gian học tập, nghiên cứu chương trình cao học kỹ thuật điện của trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, đã giúp tác giả nhận thức sâu sắc về cách thức nghiên cứu, phương pháp tiếp cận các đối tượng nghiên cứu và lựa chọn đề tài luận văn tốt nghiệp cao học; đồng thời góp phần nâng cao kiến thức chuyên môn vững vàng, nâng cao năng lực thực hành, khả năng thích ứng cao trước sự phát triển của khoa học, kĩ thuật và kinh tế; có khả năng phát hiện, giải quyết độc lập những vấn đề thuộc chuyên ngành được đào tạo và phục vụ cho công tác được tốt hơn. Việc thực hiện nhiều bài tập nhóm trong thời gian học đã giúp tác giả sớm tiếp cận được cách làm, phương pháp nghiên cứu, tạo tiền đề cho việc độc lập trong nghiên cứu và hoàn thành luận văn này. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: PGS. TS Nguyễn Hữu Công đã giúp đỡ, hướng dẫn hết sức chu đáo, nhiệt tình trong quá trình thực hiện để tác giả hoàn thành luận văn thạc sĩ này; Các CBCNV trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình tiến hành thực nghiệm đề tài và bảo vệ luận văn thạc sĩ; Gia đình, bạn bè của tác giả đã giúp đỡ, tạo điều kiện về thời gian, động viên tác giả trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn này; Tác giả mong muốn tiếp tục nhận được sự chia sẻ, hỗ trợ và tạo điều kiện của Hội đồng Chấm luận văn thạc sĩ, để bản luận văn này hoàn thiện hơn. Xin trân trọng cám ơn! Lạng Sơn, ngày 16 tháng 07 năm 2020 Tác giả luận văn Vũ Chí Cường v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................................i MỤC LỤC .................................................................................................................................iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT .................................................................... vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG ................................................................................ix MỞ ĐẦU .................................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài .......................................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................................... 2 3. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................................ 2 4. Những kết quả đạt được .......................................................................................................... 2 5. Cấu trúc của luận văn.............................................................................................................. 3 Chương 1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC ............................................................................................................................ 6 1.1. Phương pháp khai thác, sử dụng các nguồn năng lượng sạch ................................. 6 1.1.1. Tổng quan về các nguồn năng lượng sạch ................................................. 6 1.1.2. Lợi ích của năng lượng sạch ...................................................................... 8 1.1.3. Các giải pháp về năng lượng của loài người .............................................. 8 1.2. Tổng quan hệ thống điện năng lượng mặt trời ......................................................... 9 1.2.1. Tổng quan .................................................................................................. 9 1.2.2. Một số nghiên cứu ngoài nước ................................................................. 14 1.2.3. Một số nghiên cứu trong nước ................................................................. 16 1.3. Kết luận chương 1 .................................................................................................. 20 Chương 2. HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI HÒA LƯỚI ĐIỆN QUỐC GIA .................................................................................................................. 21 2.1. Hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới .......................................................... 21 2.1.1. Pin mặt trời ............................................................................................... 21 2.1.2. Bộ đóng cắt mềm ..................................................................................... 23 2.1.3. Bộ biến đổi DC/DC hay bộ Boost Converter........................................... 23 2.1.4. Bộ nghịch lưu DC/AC.............................................................................. 27 2.1.5. Bộ lọc phía lưới ........................................................................................ 29 vi 2.1.6. Thiết bị điều khiển ................................................................................... 29 2.2. Lý thuyết hòa lưới điện .......................................................................................... 31 2.2.1. Các điều kiện hòa đồng bộ ....................................................................... 31 2.2.2 Đồng vị pha trong hai hệ thống lưới ......................................................... 33 2.3. Kết luận chương 2 .................................................................................................. 33 Chương 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN MẶT TRỜI HÒA LƯỚI . 35 3.1. Lý thuyết về bộ nghịch lưu áp ba pha nối lưới ...................................................... 35 3.1.1. Định nghĩa ................................................................................................ 35 3.1.2. Phân loại ................................................................................................... 36 3.2. Phương pháp điều chế véc tơ không gian SVM..................................................... 38 3.2.1. Thành lập véc tơ không gian .................................................................... 38 3.2.2. Chuyển hệ tọa độ (α, β) sang hệ tọa độ (d, q) cho véc tơ không gian ..... 29 3.2.3. Trạng thái của van và các véc tơ biên chuẩn ........................................... 40 3.3. Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống ...................................................................... 45 3.3.1. Mô tả Dàn Pin Mặt trời ............................................................................ 45 3.3.2. Thiết kế mạch điều khiển cho bộ Boost Converter .................................. 47 3.3.3. Thiết kế mạch điều khiển cho bộ nghịch lưu áp ba pha DC/AC (Voltage Source Inverter - VSI) .................................................................................... 55 3.4. Kết luận chương 3 .................................................................................................. 63 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ....................................................................................... 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 65 vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu: IΦ: dòng quang điện (A/m2); ID: dòng qua điot (A/m2); IS: dòng bão hoà (A/m2); n: được gọi là thừa số lý tưởng phụ thuộc vào các mức độ hoàn thiện công nghệ chế tạo pin mặt trời. Gần đúng có thể lấy n = 1; RS: điện trở nối tiếp (điện trở trong) của pin mặt trời (/m2); Rsh: điện trở sơn (điện trở dò) (/m2) q: điện tích của điện tử (C). UDC: Điện áp một chiều Q: hàm đo chất lượng của mạch UPV, IPV: là điện áp và dòng điện của dàn Pin mặt trời UL, IL: là dòng điện ba pha của Lưới điện. CDC: điện dung của bộ DC link isu, isv, isw là ba dòng điện pha của lưới điện ba pha u, v, w là ba cuộn dây pha của lưới i s s là véc tơ dòng is quan sát trên hệ tọa độ αβ i f s là véc tơ dòng is quan sát trên hệ tọa độ dq isα và isβ là các thành phần dòng thuộc hệ trục tọa độ αβ θ là góc lệch pha của hệ tọa độ cùng gốc dq so với hệ αβ isd và isq là các thành phần dòng thuộc hệ trục tọa độ dq Ts là chu kỳ cắt mẫu tp, tt là thời gian điều chế SVM : Phương pháp điều chế vectơ không gian PWM: Phương pháp điều chế độ rộng xung Uoc là điện áp hở mạch của Pin mặt trời Isc (short circuit current) dòng điện mạch ngắn trong Pin mặt trời viii DC – DC: Bộ biến đổi một chiều - một chiều (Bộ tăng thế hay bộ Boost Converter) DC – AC: Bộ biến đổi một chiều – xoay chiều (Bộ nghịch lưu) Chữ viết tắt: Chữ viết tắt Biểu diễn NLMT Năng lượng mặt trời PMT Pin mặt trời BĐK Bộ điều khiển BBĐ Bộ biến đổi NL Nghịch lưu MPPT Dò tìm điểm công suất cực đại Ghi chú tiếng anh Maximum Power Point Tracking PWM Modul điều chế độ rộng xung Pulse - Width – Modulation INC Tăng độ dẫn Incremental Conductance VSI Nghịch lưu nguồn áp Voltage Source Inverter SVM Điều chế véc tơ không gian Space Vector Modulation ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG Hình 1.1. Năng lượng sạch không tạo ra những chất thải độc hại ---------------------------------- 5 Hình 1.2. Những tấm pin giúp thu năng lượng từ mặt trời ------------------------------------------ 5 Hình 1.3. Tuabin gió trong hệ thống Năng lượng gió ----------------------------------------------- 6 Hình 1.4. Mô hình một nhà máy năng lượng địa nhiệt ----------------------------------------------- 7 Hình 1.5. Sơ đồ nối lưới hệ thống năng lượng mặt trời --------------------------------------------- 10 Hình 1.6. Tấm pin năng lượng mặt trời --------------------------------------------------------------- 11 Hình 1.7. Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trờ ----------------------------------------------------- 11 Hình 1.8. Bộ chuyển đổi dòng điện (inverter) ------------------------------------------------------- 12 Hình 1.9. Bộ chuyển nguồn tự động ATS ------------------------------------------------------------ 13 Hình 1.10. Hệ thống giám sát năng lượng mặt trời -------------------------------------------------- 14 Hình 2.1. Hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới ------------------------------------ 21 Hình 2.2. Sơ đồ tương đương của Pin mặt trời --------------------------------------------------- 22 Hình 2.3. Bộ đóng cắt mềm ------------------------------------------------------------------- 23 Hình 2.4. Bộ Boost Converter đóng cắt bằng MOSFET ---------------------------------- 24 Hình 2.5. Lý tưởng đóng cắt cho mạch tăng áp -------------------------------------------- 24 Hình 2.6. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển cho bộ Boost Converter ------------------- 27 Hình 2.7. Sơ đồ mạch động lực bộ nghịch lưu DC/AC------------------------------------ 28 Hình 2.8. Bộ lọc phía lưới -------------------------------------------------------------------- 29 Hình 2.9. Sơ đồ nguyên lý điều khiển --------------------------------------------------------------- 31 Hình 3.1. Biểu diễn dòng điện is dưới dạng véc tơ không gian với các phần tử isα và isβ thuộc hệ tọa độ αβ ---------------------------------------------------------------------------------------- 39 Hình 3.2: Biểu diễn véc tơ không gian trên hệ tọa độ dq --------------------------------------- 40 Hình 3.3. Bộ nghịch lưu ba pha nối lưới -------------------------------------------------------------- 41 Hình 3.4. Các khả năng xảy ra khi đóng mở các van của bộ nghịch lưu--------------------- 42 Bảng 3.1: Giá trị các điện áp pha và dây của lưới ----------------------------------------------- 42 Hình 3.5. Các véc tơ biên chuẩn và các góc phần sáu----------------------------------------------- 43 Bảng 3.2. Bảng lựa chọn véc tơ biên chuẩn và véc tơ không ---------------------------------- 45 Hinh 3.6. Sơ đồ điện thay thế tương đương của PIN năng lượng mặt trời------------------- 45 Hình 3.7. Mô phỏng Pin Mặt trời trên Matlab Simulink --------------------------------------- 46 Hình 3.8. Đặc tính dòng áp của dàn Pin ---------------------------------------------------------- 46 Hình 3.9. Đặc tính P-V của dàn pin --------------------------------------------------------------- 47 x Hình 3.10. Đặc tính dòng áp của dàn Pin mặt trời qua mô phỏng trên Matlab - Simulink 47 Hình 3.11. Sơ đồ mô phỏng bộ Boost Converter trên Matlab ---------------------------- 48 Hình 3.12. Thông số mạch Boost Converter ------------------------------------------------ 49 Hình 3.13. Mô tả bộ điều khiển DC-DC (MPPT) ------------------------------------------ 49 Hình 3.14. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển MPPT -------------------------------------- 50 Hình 3.15. Các mạch cung cấp tín hiệu tỷ lệ với công suất đầu vào của máy phát: (a)- Bằng bộ nhân analog, (b)- Bằng sơn ------------------------------------------------------------- 50 Hình 3.16. Điều chế và giải mã cho quá trình duy trì điểm công suất cực đại (MPPT) ------------------------------------------------------------------------------------------- 51 Hình 3.17. Sơ đồ mạch MPPT vi phân ---------------------------------------------------------------- 51 Hình 3.18. Sơ đồ mạch điều chế xung rộng (PWM) --------------------------------------- 52 Hình 3.19. Lưu đồ thuật toán xác định điểm công suất cực đại ------------------------------- 53 Hình 3.20. Sơ đồ mô tả khối MPPT trên Matlab ------------------------------------------------ 53 Hình 3.21. Đồ thị điện áp đầu vào bộ Boost Converter ----------------------------------------- 54 Hình 3.22. Đồ thị điện áp ra bộ Boost Converter ----------------------------------------------- 54 Hình 3.23. Sơ đồ mô phỏng điều khiển bộ nghịch lưu DC/AC ------------------------------ 56 Hình 3.24. Thông số của mạch điều khiển nghịch lưu DC/AC--------------------------- 56 Hình 3.25. Sơ đồ mô tả bộ điều khiển nghịch lưu ----------------------------------------------- 57 Hình 3.26. Khối tính toán Id ref---------------------------------------------------------------------- 57 Hình 3.27. Khâu điều chỉnh dòng ----------------------------------------------------------------- 57 Hình 3.28. Khối tính toán Uabc_ref ------------------------------------------------------------------ 58 Hinh 3.29. Mô tả mạch vòng khóa pha PLL và các khối đo lường ------------------------------- 58 Hình 3.30. Mô tả bộ chuyển hệ tọa độ ------------------------------------------------------------ 58 Hình 3.31. Mô tả bộ Phase Lock Loop PLL ------------------------------------------------------ 60 Hình 3.32. Mạch điều khiển toàn hệ thống ------------------------------------------------------- 61 Hình 3.33. Điện áp đầu ra hệ thống có dạng sin chuẩn khi nối lưới -------------------------- 62 Hình 3.34. Dòng điện Id và Iq----------------------------------------------------------------- 62 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo rất lớn, có tiềm năng không những ở Việt Nam mà cả trên thế giới, đang dần dần thay thế cho năng lượng hóa thạch dần cạn kiệt. Do đó trong những năm gần đây các kết quả nghiên cứ về hệ thống điện năng lượng mặt trời đã và đang được đưa vào ứng dụng. Ở các nước phát triền, việc khai thác sử dụng nguồn năng lượng mặt trời là rất phổ biến, cơ chế mua bán giữa các hộ sử dụng điện với các cơ quan bán điện cũng có quy định rất rõ dàng. Công nghệ và thiết bị của hệ thống hòa lưới điện cũng rất hiện đại, tuy nhiên giá thành khá cao. Ở Việt Nam, điện năng lượng mặt trời cũng được khai thác và sử dụng, tuy nhiên phần lớn vẫn chỉ dừng lại ở mức sử dụng cục bộ, việc hòa lưới còn nhiều hạn chế, tuy nhiên Quyết định Số: 11/2017/QĐ-TTg ngày 11/04/ 2017 của Thủ tướng chính phủ về cơ chế khuyến khích phát triển các dự án điện mặt trời tại việt nam và Thông tư số 16/2017/TT-BCT ngày 12/09/2017 Quy định về phát triển dự án và hợp đồng mua bán điện mẫu áp dụng cho các dự án điện mặt trời đã mở ra cho chúng ta một cơ hội khai thác, sử dụng và bán điện năng lượng mặt trời, đồng thời khuyến khích phát triển các dự án điện năng lượng mặt trời. Tuy nhiên, qua phân tích các đề tài, dự án năng lượng mặt trời nối lưới hiện tại đang ứng dụng ở Việt Nam cho thấy đa số các hệ thống năng lượng mặt trời ở Việt Nam chủ yếu vẫn là hệ thống khai thác cục bộ, sử dụng và tiêu tốn một hệ thống Acquy khá lớn để tích trữ năng lượng, ít có những hệ thống hòa lưới điện Quốc gia. Các thiết bị chủ yếu được nhập ngoại và lắp đặt tại Việt Nam nên giá thành khá cao, phụ thuộc hoàn toàn vào đối tác nước ngoài khi cần bảo dưỡng, thay thế, sửa chữa. Chính vì thế vấn đề cần thiết đặt ra là cần tạo ra một hệ thống điện mặt trời hòa lưới điện Quốc gia mang thương hiệu Việt Nam, trên cơ sở kế thừa và phát triển các sản phẩm của nước ngoài với một số đặc điểm nổi bật sau: + Không sử dụng Acquy để lưu trữ năng lượng nên giảm giá thành đầu tư Acquy 2 + Có khả năng bán năng lượng lên lưới, trong trường hợp không sử dụng hết nguồn năng lượng mặt trời, và ngược lại lấy năng lượng từ lưới khi nguồn năng lượng mặt trời không đủ cung cấp cho phụ tải. Bộ Inverter hòa lưới cần được xây dựng thuật toán để có chế độ thông minh, tự dò tìm và đồng bộ pha nhằm kết nối giữa điện năng tạo ra từ hệ pin mặt trời và điện lưới. Chế độ làm việc thông minh của bộ inverter với việc ưu tiên sử dụng lượng điện năng từ hệ pin mặt trời để cung cấp trực tiếp cho tải sử dụng sẽ giúp tối ưu hóa năng lượng từ hệ pin mặt trời. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Tìm hiểu và đánh giá một vài phương pháp hoà lưới điện phổ biến hiện nay. - Nghiên cứu lý thuyết về các hệ thống điều khiển thông minh. - Xây dựng thành công mô hình mô phỏng hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới bằng phần mềm Matlab Simulink 3. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết tổng quan về đối tượng điều khiển, các bộ điều khiển và xây dựng thành công thuật toán điều khiển cho đối tượng là hệ thống năng lượng mặt trời hòa lưới. 4. Những kết quả đạt được Luận văn đã đạt được một số yêu cầu như sau: - Tổng quan về hệ thống điện năng lượng mặt trời - Phân tích, đánh giá một số nghiên cứu ngoài nước - Phân tích, đánh giá một số nghiên cứu trong nước - Thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới - Mô phỏng hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới trên phần mềm Matlab Simulink - Kết quả của luận văn là nguồn tư liệu phục vụ cho công tác học tập và giảng dạy trong nhà trường; Làm tài liệu tham khảo cho các chuyên gia và cán bộ kỹ thuật ngành Điện lực. 3 5. Cấu trúc của luận văn Tính cấp thiết của đề tài được trình bày ở phần mở đầu của luận văn. Chương I của luận văn trình bày tổng quan về hệ thống điện năng lượng mặt trời, các thành phần cơ bản của chúng, đánh giá một số nghiên cứu trong và ngoài nước. Chương II xây dựng mô hình thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời, tính chọn mạch động lực. Chương III thiết kế hệ thống điều khiển cho điện năng lượng mặt trời nối lưới, đồng thời mô hình hóa và mô phỏng trên phần mềm Matlab Simulink. Các kết luận và kiến nghị được mô tả ở cuối chương 3. 4 Chương 1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 1.1. Phương pháp khai thác, sử dụng các nguồn năng lượng sạch 1.1.1. Tổng quan về các nguồn năng lượng sạch Hiện nay xu hướng toàn cầu hóa đang tập trung hướng tới mục tiêu bảo vệ môi trường. Chính vì thế năng lượng sạch đang không ngừng được chú trọng và sử dụng rộng rãi. Đặc biệt, Việt Nam là một trong các khu vực địa lý có điều kiện tự nhiên thuận lợi nhất để phát triển mạnh các nguồn năng lượng sạch. Vậy năng lượng sạch là gì? Các dạng năng lượng sạch là gì? Khi mà tình trạng sử dụng các nguồn nguyên liệu từ than đá, dầu mỏ, khí đốt,… Đang gây ra những ảnh hưởng vô cùng nghiêm trọng tới môi trường. Đặc biệt là những hiện tượng hiệu ứng nhà kính, mưa axit, ô nhiễm không khí, ô nhiễm nước, đất,… Đã và đang tác động trực tiếp đến đời sống sức khỏe của người dân. Theo đó, một dang năng lượng mới được phát hiện ra. Đó chính là, năng lượng sạch. Năng lượng sạch là dạng năng lượng mà trong quá trình sinh công bản thân nó không tạo ra những chất thải độc hại gây ảnh hưởng cho môi trường xung quanh. Thông thường, các nguồn năng lượng sạch đều có sẵn từ thiên nhiên hoặc là chế phẩm của các sản phẩm tự nhiên nên không gây ô nhiễm, ít bị cạn kiệt. Điển hình như năng lượng nước, năng lượng gió, năng lượng mặt trời,…Các nguồn năng lượng phải dựa trên cơ sở sử dụng công nghệ chuyển hóa năng lượng sạch. Đảm bảo thân thiệt đối với môi trường trong suốt quá trình sản xuất. Đồng thời, các nơi sản xuất năng lượng sạch cũng phải đảm bảo quy trình thực hiện đúng với quy định bảo vệ môi trường. Hiện nay trên thế giới, ngành công nghiệp năng lượng sạch vô cùng phát triển. Ngày càng có nhiều loại năng lượng sạch được phát hiện và thử nghiệm. Điển hình như: Pin nhiên liệu, năng lượng mặt trời, gió, nước, dầu thực vật phế thải, năng lượng tuyết, năng lượng lên men, năng lượng địa nhiệt, khí Metan Hydrate,… 5 Hình 1.1. Năng lượng sạch không tạo ra những chất thải độc hại Năng lượng mặt trời Năng lượng lượng mặt trời sử dụng những tấm pin bán dẫn để thu lại bức xạ ánh sáng và nhiệt từ Mặt trời. Sau đó sử dụng để cung cấp cho thiết bị khác như bóng đèn, bình nước nóng, các thiết bị điện,… Các nước Nhật Bản, Mỹ và một số quốc gia Tây Âu là những nơi đi đầu trong việc sử dụng nguồn năng lượng mặt trời (từ những năm 50 ở thế kỷ trước). Tại nước ta, công nghệ này được sử dụng nhiều ở khu vực các tỉnh Tây Nguyên và Nam Trung Bộ. Hình 1.2. Những tấm pin giúp thu năng lượng từ mặt trời 6 Năng lượng nước Việc sử dụng nước từ sông suối chính là một nguồn năng lượng sạch được ứng dụng nhiều nhất ở nước ta. Thủy điện dựa vào sức nước ở các con sông lớn để làm quay tua bin sinh ra điện. Ngoài ra, nguồn năng lượng từ đại dương cũng vô cùng phong phú. Sóng và thủy triều được sử dụng để quay các turbin phát điện. Nguồn điện sản xuất ra có thể dùng trực tiếp cho các thiết bị đang vận hành trên biển. Như hải đăng, phao, cầu cảng, hệ thống hoa tiêu dẫn đường,… Năng lượng gió Năng lượng gió được coi là nguồn năng lượng xanh dồi dào và phong phú nhất hiện nay, nó có mặt ở mọi nơi. Người ta sử dụng sức gió để quay các tua bin phát điện để sử dụng trong cuộc sống. Hiện nay tại Việt Nam, với điều kiện địa lý thuận lợi bờ biển dài, lượng gió nhiều và phân bổ đều quanh năm. Đây sẽ là một dạng năng lượng được chú trọng phát triển ở hiện tại và tương lai. Hình 1.3. Tuabin gió trong hệ thống Năng lượng gió Năng lượng từ tuyết Hiệp hội nghiên cứu năng lượng thiên nhiên ở Bihai của Nhật đã thành công trong việc ứng dụng tuyết để làm lạnh các kho hàng. Cũng như làm điều hòa không khí ở những tòa nhà khi thời tiết nóng bức. Theo dự án này, tuyết được chứa trong các nhà kho để giữ nhiệt độ kho từ 0 oC đến 4oC. Đây là mức nhiệt độ lý tưởng dùng để bảo quản nông sản vì vậy mà giảm được chi phí sản xuất và giảm giá thành sản phẩm. 7 Năng lượng địa nhiệt Đây là nguồn năng lượng nằm sâu dưới lòng những hòn đảo, núi lửa. Nguồn năng lượng này có thể thu được bằng cách hút nước nóng từ hàng nghìn mét sâu dưới lòng đất để chạy turbin điện. Tại nước ta, việc nghiên cứu nguồn năng lượng địa nhiệt được bắt đầu từ những năm 80,90 của thế kỷ 20. Qua quá trình điều tra, đánh giá sơ bộ tiềm năng của các nguồn địa nhiệt trên cả nước. Tuy nhiên đến nay, nguồn năng lượng này vẫn chưa được khai thác. Hình 1.4. Mô hình một nhà máy năng lượng địa nhiệt Pin nhiên liệu Pin nhiên liệu là kỹ thuật có thể cung cấp năng lượng cho con người. Mà không phát ra khí thải CO2 hay bất kỳ loại khí độc nào khác. Pin nhiên liệu sản sinh điện năng trực tiếp bằng phản ứng giữa hydro và oxy hay methanol và oxy. Trong đó hydro xuất hiện ở các nguồn khí thiên nhiên và metanol lấy từ chất thải sinh. Do không bị đốt cháy nên chúng không phát ra các khí thải độc hại. Đi đầu trong lĩnh vực này là Nhật Bản. Quốc gia này sản xuất được nhiều nguồn pin nhiên liệu khác nhau. Dùng cho xe phương tiện giao thông, ôtô, các thiết bị dân dụng như điện thoại di động,… Năng lượng sạch từ sự lên men sinh học Nguồn năng lượng này được tạo bởi sự lên men sinh học các đồ phế thải sinh hoạt. Theo đó, người ta sẽ phân loại và đưa chúng vào những bể chứa. Để cho lên 8 men nhằm tạo ra khí metan. Khí đốt này sẽ làm cho động cơ hoạt động từ đó sản sinh ra điện năng. Sau khi quá trình phân hủy hoàn tất, phần còn lại được sử dụng để làm phân bón. Khí Mêtan hydrate Khí Mêtan hydrate được coi là nguồn năng lượng tiềm ẩn nằm sâu dưới lòng đất. Có màu trắng dạng như nước đá. Đây là một chất kết tinh bao gồm phân tử nước và metan. Nó ổn định ở điều kiện nhiệt độ thấp và áp suất cao. Phần lớn được tìm thấy bên dưới lớp băng vĩnh cửu và những tầng địa chất sâu bên dưới lòng đại dương. Đây là nguồn nguyên liệu thay thế cho dầu lửa và than đá rất tốt. 1.1.2. Lợi ích của năng lượng sạch Đối với môi trường và con người: Năng lượng sạch góp phần giảm thiểu các tác động tiêu cực đến môi trường. Theo đó, khi sử dụng loại năng lượng này sẽ giúp con người giảm bớt lượng khí thải ảnh hưởng xấu đến môi trường sống xung quanh ta. Cũng theo đó mà đảm bảo sức khỏe của con người Đối với đất nước: Sử dụng năng lượng sạch liên quan trực tiếp đến sự hình thành lối sống văn minh và phát triển bền vững của một quốc gia. Ngoài ra, nó còn tạo tiềm năng kinh tế vùng. Và phát triển mạnh mẽ an ninh năng lượng của cả đất nước. Khi mà tình trạng khan hiếm nhiên liệu ngày càng gia tăng như hiện nay. Việc sử dụng nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày một cạn kiệt. Trái đất đang nóng lên từng ngày vì sự biến đổi khí hậu do ô nhiễm môi trường. Chính vì thế năng lượng sạch đang là một hướng đi của tương lai. 1.1.3. Các giải pháp về năng lượng của loài người Chiến lược năng lượng thế giới Hằng năm cả thế giới tiêu thụ nguồn nhiên liệu tương đương 8 tỷ tấn dầu quy đổi( Theo báo cáo của LHQ), trong đó có 90% có nguồn gốc từ nhiên liệu hóa thạch như: dầu, than đá, khí đốt tự nhiên. Khối lượng lớn nhiên liệu này bị đốt cháy sẽ thải vào môi trường 37.051.670 tấn CO2. Chiến lược và chính sách năng lượng thế giới đề ra một số hành động ưu tiên sau: 9 - Soạn thảo những chiến lược quốc gia về năng lượng cho thời gian 30 năm tới. - Hạn chế sử dụng các loại nhiên liệu hóa thạch, sự lãng phí trong phân phối năng lượng và ô nhiễm môi trường trong sản xuất năng lượng thương mại. - Phát triển các nguồn năng lượng tái tạo được và năng lượng khôgn hóa thạch. - Sử dụng năng lượng có hiệu quả cao hơn nữa. - Phát động các chiến dịch truyền thông để tiết kiệm hơn nữa. Trong bối cảnh môi trường thế giới đang bị biến động mạnh bởi sự gia tăng hiệu ứng nhà kính và biến đổi khí hậu toàn cầu, thì việc giảm bớt sự phát thải khí nhà kính đang là vấn đề cần được ưu tiên của các tổ chức quốc tế và các quốc gia thành viên. Một số ý kiến khác cho rằng, sử dụng phương án TQM về cải tiến chất lượng. TQM là một phương pháp tổng hợp vừa có cơ sở lý thuyết, vừa có ứng dụng hệ thống các công cụ và kỹ thuật giải quyết vấn đề, và là một phương pháp khó phản bác. Tuy nhiên, phương pháp TQM chưa đáp ứng đủ yêu cầu nếu nó chỉ được áp dụng một cách riêng lẻ. TQM có thể đạt được chất tốt nếu biết sử dụng tốt các nguồn lực của mình, nó là bài toán đố có thể giúp giải quyết chống ô nhiễm. Chiến lược năng lượng ở Việt Nam Hiện nay, Việt Nam vẫn chưa có một chiến lược và chính sách năng lượng. Tuy nhiên, dựa vào các văn bản liên quan đến bảo vệ môi trường quốc gia thì có thể phát thảo một khung chiến lược năng lượng Việt Nam, gồm các điểm sau: Chiến lược về nguồn năng lượng; Chiến lược tiết kiệm tiêu dùng năng lượng thương mại; Chiến lược ưu tiên phát triển và sử dụng năng lượng sạch, năng lượng tái tạo quy mô nhỏ. 1.2. Tổng quan hệ thống điện năng lượng mặt trời 1.2.1. Tổng quan Năm 1954, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng silicon, một nguyên tố được tìm thấy trong cát, đã tạo ra một điện tích khi nó tiếp xúc với ánh sáng mặt trời. 10 Phát hiện này đã dẫn đến sự phát triển của tấm pin thu năng lượng mặt trời và biến chúng thành điện năng. Kể từ đó, công nghệ đã phát triển và các hệ thống năng lượng mặt trời ra đời, phát triển và hiện đáng được lắp đặt nhiều để cung cấp những lợi ích về tài chính và môi trường vô cùng hấp dẫn cho các chủ nhà, doanh nghiệp và phi lợi nhuận trên khắp thế giới. Nhờ có pin mặt trời, chúng ta có quyền tiếp cận vào một nguồn năng lượng vô tận - ánh sáng mặt trời. Trong suốt cả ngày, các tế bào trên các tấm pin của chúng ta hấp thụ năng lượng từ ánh sáng mặt trời. Mạch trong các tế bào thu thập năng lượng đó và biến nó thành dòng điện trực tiếp (DC). Điện DC được truyền qua một thiết bị gọi là biến tần để chuyển đổi thành điện xoay chiều (AC) được sử dụng bởi hầu hết các gia đình và doanh nghiệp. Chúng ta có thể sử dụng điện đó trong nhà, lưu trữ bằng ắc quy hoặc gửi lại vào lưới điện Quốc Gia. Hình 1.5. Sơ đồ nối lưới hệ thống năng lượng mặt trời Những thành phần tạo nên một hệ thống điện năng lượng mặt trời: + Tấm pin quang điện mặt trời (solar panel) + khung giá đỡ + Bộ điều khiển sạc + Bộ chuyển đổi dòng điện (INVERTER) + Hệ thống chuyển nguồn tự động ATS + Hệ thống giám sát hiệu suất điện năng lượng mặt trời + Hệ thống lưu trữ điện mặt trời (Bình acquy)