MỤC LỤC

Chương 1............................................................................................................................2
TỔNG QUAN CHUNG VỀ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO.........................2
1.1. Năng lượng tái tạo.....................................................................................................2
1.1.1. Khái niệm năng lượng tái tạo..............................................................................2
1.1.2. Phân loại năng lượng tái tạo...............................................................................2
1.2. Năng lượng Mặt Trời.............................................................................................4
1.2.1. Khái niệm năng lượng Mặt Trời.........................................................................4
1.2.2. Vai trò và lợi ích của năng lượng Mặt Trời........................................................5
1.3. Các phương pháp khai thác, sử dụng năng lượng mặt trời........................................5
1.3.1. Các phương pháp khai thác.................................................................................5
1.3.2. Một số thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời.......................................................6
1.4. Giới thiệu chung sơ đồ hệ thống tích hợp điều khiển và vận hành năng lượng tái
tạo.....................................................................................................................................9
1.4.1. Sơ đồ hệ thống tích hợp năng lượng tái tạo........................................................9
1.4.2. Sơ đồ nguyên lý hệ thống.................................................................................10
Chương 2..........................................................................................................................14
HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI NỐI LƯỚI....................................14
2.1. Mô tả hệ thống điện mặt trời nối lưới.....................................................................14
1


2.1.1. Sơ đồ khối hệ thống..........................................................................................14
2.1.2. Ý nghĩa của các khối trong sơ đồ......................................................................15
2.2. Pin mặt trời (PV – Photovoltaic).............................................................................18
2.2.1. Khái niệm..........................................................................................................18
2.2.2. Mơ hình tốn và đặc tính làm việc của pin mặt trời.........................................18
2.2.3. Mảng PV...........................................................................................................20
2.2.4. Hệ thống pin năng lượng mặt trời.....................................................................21
2.2.5. Phân loại hệ thống PV.......................................................................................22

2.3. Kho lưu trữ năng lượng ắc-quy...............................................................................23
2.3.1. Khái niệm..........................................................................................................23
2.3.2. Cấu tạo của bình ắc-quy axit.............................................................................24
2.3.3. Q trình hóa học trong bình ắc-quy................................................................25
2.4. Lý thuyết hòa đồng bộ hệ thống điện mặt trời với lưới...........................................26
2.4.1. Các điều kiện hòa đồng bộ................................................................................26
2.4.2. Đồng vị pha trong hai hệ thống lưới.................................................................27
Chương 3..........................................................................................................................28
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI NỐI LƯỚI................28

2


3


Chương 1
TỔNG QUAN CHUNG VỀ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG
TÁI TẠO

1.1. Năng lượng tái tạo
1.1.1. Giới thiệu chung về năng lượng tái tạo
Năng lượng tái tạo là năng lượng thu được từ những nguồn tự nhiên, liên tục được
xem là vô hạn, khơng thể trở thành cạn kiệt được (ví dụ năng lượng Mặt trời) hoặc là
những nguồn năng lượng tự tái tạo trong thời gian ngắn và liên tục sau mỗi chu kỳ sử
dụng (ví dụ năng lượng sinh khối). Có thể coi đây là nguồn vơ tận.

4



Hầu hết các nguồn năng lượng tái tạo có nguồn gốc từ Mặt trời. Một phần năng
lượng tái tạo có nguồn gốc từ lực hấp dẫn của Mặt trăng, Mặt trời, Trái đất. Bức xạ Mặt
trời chiếu xuống Trái đất dưới dạng trực tiếp (ví dụ năng lượng nhiệt) hoặc gián tiếp (ví
dụ như năng lượng gió, năng lượng sinh khối...). Và được biến đổi thành các dạng năng
lượng hay các vật mang năng lượng khác nhau.
1.1.2. Phân loại năng lượng tái tạo
Năng lượng tái tạo bao gồm: năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng
thủy triều (sóng), thủy điện, địa nhiệt, sinh khối, nhiên liệu sinh học và một số nguồn
năng lượng tái tạo nhỏ khác (Hình 1.1).

Hình 1.1. Phân loại năng lượng tái tạo
a) Năng lượng Mặt Trời
Năng lượng Mặt trời (hình 1.2) được phát ra từ Mặt trời là nguồn năng lượng sạch,
có đặc tính tái tạo và có trữ lượng khổng lồ. Năng lượng Mặt trời là nguồn gốc của các
nguồn năng lương sạch và tái tạo khác như: năng lượng gió, năng lượng sinh khối, thủy
năng và năng lượng đại dương.
5


Hình 1.2. Năng lượng mặt trời
Mặt trời là một nhà máy nhiệt hạt nhân khổng lồ, công suất 3.865 .1017GW. Tuy
nhiên, Trái đất chỉ nhận được một phần rất nhỏ năng lượng gió. Cụ thể là mỗi giây, Trái
đất chỉ nhận được 17.57.1010 MJ , bằng năng lượng khi đốt cháy hết 6 triệu tấn than.
Ngoài ra, năng lượng Mặt trời còn phân bố rộng khắp trên mặt đất. Mọi quốc gia
trên thế giới có thể khai thác, ứng dụng nguồn năng lượng
b) Năng lượng gió
Năng lượng gió (hình 1.3) là động năng của khơng khí di chuyển trong bầu khí
quyển Trái Đất. Năng lượng gió là một hình thức gián tiếp của năng lượng Mặt Trời.
Năng lượng gió được con người khai thác từ các tuabin gió.


6


Hình 1.3. Năng lượng gió
Hình 1.4 thể hiện cơng suất sản xuất điện gió trên thế giới trong khoảng thời gian
từ năm 1996 đến 2008. Tổng lượng công suất sản xuất trên thế giới vào năm 2009
là 159.2 GW, với 340 TWh năng lượng, xác nhận mức tăng trưởng 31% mỗi năm, một
con số khá lớn giữa lúc nền kinh tế toàn cầu đang gặp nhiều khó khăn.
140
120

Cơng suất (MW)

100
80
120.791

60
93.823

40
20
0

6.1
1996

7.6
1997


10.2

13.6

17.4

1998

1999

2000

23.9
2001

31.1
2002

Năm

7

39.431

2003

47.62

2004


59.091

2005

74.052

2006

2007

2008


Hình 1.4. Biểu đồ cơng suất điện gió trên thế giới
(theo báo cáo Wind Technologies Market Report 2009 – NREL)
b) Năng lượng địa nhiệt
Năng lượng địa nhiệt là năng lượng nhiệt mà Trái đất có được thơng qua các phản
ứng hạt nhân âm ỉ trong lòng Trái đất. Năng lượng địa nhiệt là dạng năng lượng sạch và
bền vững. So với các dạng năng lượng khác như năng lượng gió, mặt trời, thủy điện thì
năng lượng địa nhiệt khơng phụ thuộc vào các yếu tố thời tiết và khí hậu. Địa nhiệt có thể
là nguồn năng lượng sản xuất cơng nghiệp quy mô vừa trong các lĩnh vực như: nhà máy
điện địa nhiệt, sưởi ấm địa nhiệt.
c) Năng lượng thủy triều
Thủy triều sinh ra do lực hấp dẫn của Mặt trăng, Mặt trời đối với Trái đất, trong đó
ảnh hưởng của Mặt trăng tới thủy triều là lớn hơn.
Sự nâng hạ của nước biển (thủy triều lên và thủy triều xuống) có thể làm chuyển
động các máy phát điện trong các nhà máy điện thủy triều. Về lâu dài, hiện tượng thủy
triều sẽ giảm dần mức độ, do tiêu thụ dần động năng tự quay của Trái Đất, cho đến lúc
Trái Đất ln hướng một mặt về phía Mặt Trăng. Thời gian kéo dài của hiện tượng thủy
triều cũng nhỏ hơn so với tuổi thọ của Mặt Trời. Tuy nhiên, đây vẫn là nguồn năng lượng

sạch và vô tận.
d) Thủy điện
Thuỷ điện là nguồn điện có được từ năng lượng nước, sinh ra do lực của nước
chảy và khả năng sản xuất năng lượng này phụ thuộc vào luồng nước có sẵn và độ cao
mà nước chảy. Đa số năng lượng thủy điện có được từ thế năng của nước. Năng lượng
8


này biến thành năng lượng cơ khí khi nước chảy xuống và đập vào cánh tuabin. Các cánh
tuabin quay làm quay nam châm điện sản sinh ra dòng điện trên các cuộn dây tĩnh. Cuối
cùng, dòng điện đi qua một máy biến áp để truyền tải trên các đường dây điện lực.
f) Sinh khối
Sinh khối là dạng vật liệu sinh học từ sinh vật sống, đa số là các cây trồng, vật liệu
có nguồn gốc từ thực vật. Được xem là nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng sinh khối
có thể dùng trực tiếp, gián tiếp một lần hay chuyển thành dạng năng lượng khác
như nhiên liệu sinh học. Sinh khối có thể chuyển thành năng lượng theo ba cách: chuyển
đổi nhiệt, chuyển đổi hóa học, và chuyển đổi sinh hóa.
g) Nhiên liệu sinh học
Nhiên liệu sinh học là loại nhiên liệu được hình thành từ các hợp chất có nguồn
gốc động thực vật như nhiên liệu chế xuất từ chất béo của động thực vật (mỡ động
vật, dầu dừa,...), ngũ cốc (lúa mỳ, ngô, đậu tương...), chất thải trong nông nghiệp (rơm
rạ, phân,...), sản phẩm thải trong công nghiệp (mùn cưa, sản phẩm gỗ thải...),...
Trước kia, nhiên liệu sinh học hồn tồn khơng được chú trọng. Hầu như đây chỉ
là một loại nhiên liệu thay thế phụ, tận dụng ở quy mô nhỏ. Tuy nhiên, sau khi xuất hiện
tình trạng khủng hoảng nhiên liệu ở quy mơ tồn cầu cũng như ý thức bảo vệ môi trường
lên cao, nhiên liệu sinh học bắt đầu được chú ý phát triển ở quy mô lớn hơn.

1.2. Năng lượng Mặt trời
1.2.1. Khái niệm năng lượng Mặt trời
Năng lượng Mặt trời là một trong các nguồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất

mà thiên nhiên ban tặng cho hành tinh chúng ta. Đồng thời nó cũng là nguồn gốc của các
9


nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, năng lượng sinh khối, năng lượng các
dịng sơng…Năng lượng Mặt trời có thể nói là vơ tận. Tuy nhiên để khai thác, sử dụng
nguồn năng lượng này cần phải biết các đặc trưng và tính chất cơ bản của nó.
Về mặt vật chất thì Mặt trời chứa đến 78,4% khí Hidro( H 2), Heli(He) chiếm
19,8%, các nguyên tố kim loại và các nguyên tố khác chỉ chiếm 1,8%. Khối lượng Mặt
trời xấp xỉ 2.1027.106 kg. Như vậy để mặt trời chuyển hóa hết khối lượng của nó thành
năng lượng cần một khoảng thời gian là 15.1013 năm. Từ đó có thể thấy rằng nguồn năng
lượng Mặt trời là khổng lồ và lâu dài.
1.2.2. Vai trị và lợi ích của năng lượng Mặt trời
Năng lượng Mặt trời có tiềm năng thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch và
năng lượng nguyên tử. Sử dụng một cách triệt để các thiết bị cung cấp nhiệt từ năng
lượng mặt trời cũng có thể đáp ứng nhu cầu nước nóng.
Việc sử dụng năng lượng tái tạo đặc biệt là năng lượng mặt trời sẽ mang lại nhiều
lợi ích về sinh thái cũng như là lợi ích gián tiếp cho kinh tế. So với các nguồn năng lượng
khác, năng lượng tái tạo có nhiều ưu điểm hơn vì tránh được các hậu quả có hại đến môi
trường.

1.3. Các phương pháp khai thác, sử dụng năng lượng mặt trời
1.3.1. Các phương pháp khai thác
Hiện nay đang có hai hướng khai thác năng lượng mặt trời đó là điện năng lượng
mặt trời và nhiệt năng lượng mặt trời. Về nhiệt năng lượng mặt trời thì sức nóng mặt trời
được chuyển hóa sang nhiệt năng phục vụ nhu cầu của cuộc sống. Sức nóng của ánh nắng
mặt trời được tập trung lại bằng những thiết bị đặc biệt ví dụ như các tấm gương parabol
10



để đun nước nóng sử dụng trong sinh hoạt hay tạo ra hơi nước để sản xuất điện. Đây là
nguồn năng lượng vơ tận và gần như hồn tồn miễn phí cũng như khơng sản sinh ra chất
thải hủy hoại mơi trường. Cịn cơng nghệ biến đổi năng lượng mặt trời thành điện năng
trực tiếp được thực hiện nhờ tấm pin mặt trời (Solar cell), trong đó các tế bào quang điện
sẽ tạo ra dịng điện dưới sự kích thích của các hạt photon bức xạ từ mặt trời. Một điểm
nổi bật của năng lượng mặt trời là có thể sử dụng khá hiệu quả ở quy mô hộ gia đình.
Hiện nay có hai cơng nghệ nguồn pin mặt trời thơng dụng. Đó là hệ thống nguồn
điện pin mặt trời nối lưới và hệ nguồn độc lập. Đối với các khu vực khơng có lưới điện
hoặc sử dụng điện với quy mô nhỏ, người ta dùng công nghệ nguồn pin mặt trời độc lập.
Trong hệ nguồn pin mặt trời nối lưới, điện năng một chiều từ dàn pin mặt trời
được biến đổi thành dòng điện xoay chiều và được hòa vào mạng điện công nghiệp.
Đứng đầu trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học công nghệ, sản xuất và ứng dụng
các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời là các quốc gia như Mỹ, Nhật Bản, Đức, một số
nước thuộc EU và Trung Quốc. Việt Nam là quốc gia đang phát triển, do đó nhu cấu
năng lượng ngày càng tăng với tốc độ tăng trưởng khoảng 15-20%. Hiện tại chính sách
quốc gia của Việt nam về nhu cầu năng lượng dựa vào việc thiết lập hệ thống các nhà
thủy điện, nhà máy nhiệt điện tua bin hơi và tua bin khí…
Các hệ thống phát năng lượng điện mặt trời ở Việt Nam chưa phát triển được
thành nhà máy phát điện. Tuy nhiên đã có một số hệ thống phát điện năng lượng mặt trời
công suất nhỏ. Việc khai thác nguồn năng lượng mặt trời ở nước ta còn nhiều hạn chế,
khai thác và sử dụng năng lượng mặt trời còn đang ở quy 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),
các hệ thống pin mặt trời và hòa vào lưới điện hầu như chưa có. Nguồn năng lượng từ
11


mặt trời có thể khai thác được ở nhiều nơi. Có nhiều hướng khai thác năng lượng mặt trời
phục vụ cho sinh hoạt con người, trong đó xu hướng biến đổi năng lượng mặt trời thành
điện năng chiếm xu thế chủ đạo.
Tuy nhiên để đảm bảo phát triển bền vững và đặc biệt cân bằng được năng lượng

của quốc gia trong tương lai, Việt Nam đã và đang tập trung nghiên cứu phát triển các
nguồn năng lượng mới trong đó năng lượng mặt trời vẫn là một nguồn năng lượng tối ưu
trong tương lai cho điều kiện Việt Nam đứng về phương diện địa dư và nhu cầu phát triển
kinh tế.
1.3.2. Một số thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời
a) Pin mặt trời
Pin mặt trời là phương pháp sản xuất điện trực tiếp từ năng lượng mặt trời qua
thiết bị biến đổi quang điện. Pin mặt trời có ưu điểm là gọn nhẹ, có thể lắp bất kì đâu có
ánh sáng mặt trời, đặc biệt trong lĩnh vực tàu vũ trụ. Ứng dụng năng lượng mặt trời dưới
dạng này được phát triển với tốc độ rất nhanh, nhất là ở các nước phát triển. Tuy nhiên
giá thành thiết bị pin mặt trời còn khá cao nên ở những nước đang phát triển, pin mặt trời
mới chỉ có khả năng là cung cấp năng ượng điện sử dụng cho các vùng sâu vùng xa mà
đường điện quốc gia chưa có.

Hình 1.5. Pin mặt trời
12


b) Nhà máy điện sử dụng năng lượng mặt trời
Điện năng cịn có thể tạo ra từ NLMT dựa trên nguyên tắc tạo nhiệt độ cao bằng
một hệ thống gương phản chiếu và hội tụ để gia nhiệt cho môi chất làm việc truyền động
cho máy phát điện.

Hình 1.6. Nhà máy nhiệt điện mặt trời
c) Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời
Bếp sử dụng năng lượng mặt trời được sử dụng rộng rãi ở các nước nhiều năng
lượng mặt trời như các nước châu Phi.

13



Hình 1.7. Bếp nấu sử dụng năng lượng mặt trời
d) Thiết bị chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời
Thường có hai loại: Loại có nắp kính phẳng có chi phí cao, tuổi thọ khoảng 30
năm và loại nắp plastic có chi phí rẻ hơn nhưng hiệu quả chưng cất kém hơn.

Hình 1.8. Thiết bị chưng cất nước dùng NLMT
e) Thiết bị sấy dùng năng lượng mặt trời
Hệ thống sấy khô sử dụng năng lượng mặt trời được ứng dụng khá phổ biến trong
lĩnh vực nông nghiệp để sấy các sản phẩm và sử dụng để sấy các sản phẩm khác.

14


Hình 1.9. Máy sấy dùng năng lượng mặt trời
f) Xe đạp dùng năng lượng mặt trời
Hệ thống xe đạp điện sử dụng năng lượng mặt trời đã được ứng dụng và sử dụng
rộng rãi.

Hình 1.10. Xe đạp điện mặt trời
Ngồi ra còn rất nhiều thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời, trong đề tài chỉ nêu
một vài thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời điển hình.
15


1.4. Giới thiệu chung sơ đồ hệ thống tích hợp điều khiển và vận hành năng
lượng tái tạo
Hệ thống tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo cho phép tích hợp các nguồn năng
lượng nhỏ, phân tán với các công nghệ, công suất phát khác nhau như nguồn năng lượng
mặt trời, năng lượng gió, các kho năng lượng, và máy phát điện kết hợp với nguồn điện

lưới trung hoặc hạ áp của nguồn lưới điện quốc gia tạo thành hệ thống tích hợp điện năng
lượng tái tạo hay cịn gọi là lưới điện thông minh khi kết hợp thêm các công nghệ giám
sát, điều khiển số, hệ thống cảm biến, thu thập, giám sát dữ liệu… nhằm đảm bảo nhu cầu
cung ứng điện năng, khai thác tối đa năng lượng từ các nguồn phát trên, tối ưu quá trình
vận hành và khai thác hạ tầng lưới điện, giảm tải nguy cơ rủi ro, sự cố trong khi vận hành
ở những trạng thái bất lợi, trong những giờ cao điểm.
1.4.1. Sơ đồ hệ thống tích hợp năng lượng tái tạo

16


Hình 1.11. Sơ đồ hệ thống tích hợp năng lượng tái tạo
Trong sơ đồ hệ thống tích hợp và vận hành năng lượng tái tạo (hình 1.11), do đặc
tính tự nhiên nên phổ biến nhất là năng lượng mặt trời và năng lượng gió đi kèm theo là
nhu cầu về các kho năng lượng lưu trữ thông dụng nhất là ắc-quy giúp giảm tải cho các
nguồn phát (lưới điện và máy phát điện). Máy phát điện dự phòng giúp giảm đáp ứng nhu
cầu điện năng trong trường hợp xảy ra sự cố đối với lưới và giúp giảm tải trong giờ cao
điểm.
Tùy theo mục đích và nhu cầu sử dụng, có thể sử dụng độc lập những nguồn năng
lượng tái tạo đó khi mà cơng suất của chúng đáp ứng được công suất mà phụ tải sử dụng,
hoặc sử dụng đồng thời với nguồn lưới điện hoặc nguồn máy phát để cung cấp bổ sung
điện năng cho phụ tải trong các trường hợp như giờ cao điểm. Nếu công suất huy động từ
17


năng lượng mặt trời đủ cung cấp cho phụ tải và cịn dư thừa thì khi đó sẽ nạp vào ắc-quy
lưu trữ năng lượng. Nguồn từ ắc-quy kết hợp với lưới điện sẽ cung cấp bổ sung điện năng
hoặc sử dụng vào thời điểm như ban đêm.
Hệ thống thu thập dữ liệu, giám sát và điều khiển thông qua các mạng truyền
thông trong công nghiệp như mạng ethernet, giao tiếp modbus, xanbus… hiện nay thì

mạng internet được sử dụng phổ biến. Việc tích hợp thêm các cơng nghệ điều khiển số,
các cảm biến, các bộ điều khiển thông minh giúp cho việc vận hành và điều khiển nhanh,
chính xác, có thể giám sát, điều khiển từ xa và gia tăng độ tin cậy cho hệ thống.
1.4.2. Sơ đồ nguyên lý hệ thống
Dưới đây là sơ đồ nguyên lý hệ thống trong phịng thí nghiệm thuộc dự án nghiên
cứu và phát triển năng lượng tái tạo.

18


19


20