Thiết kế bộ điều khiển hướng cho tấm pin mặt trời
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (6.04 MB, 87 trang )
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
ĐỖ QUANG CHIẾN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------------------------
ĐỖ QUANG CHIẾN
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
C
C
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN HƢỚNG
R
L
T.
CHO TẤM PIN MẶT TRỜI
DU
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
KHÓA K37
Đà Nẵng – Năm 2020
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------------------------
ĐỖ QUANG CHIẾN
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN HƢỚNG
C
C
CHO TẤM PIN MẶT TRỜI
R
L
T.
DU
Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
Mã số: 8520216
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. NGUYỄN LÊ HÒA
Đà Nẵng – Năm 2020
LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu
trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào
khác.
Tác giả luận văn ký và ghi rõ họ tên
Đỗ Quang Chiến
C
C
DU
R
L
T.
TÓM TẮT
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN HƢỚNG CHO TẤM PIN MẶT TRỜI
Học viên: Đỗ Quang Chiến Chuyên ngành: Tự động hóa
Mã số: 8522016 Khóa: 37 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN
Tóm tắt – Điện mặt trời là một nguồn năng lượng tiềm năng đang được sử dụng ở Việt
Nam hiện nay. Tuy nhiên hầu hết các hệ thống pin năng lượng mặt trời đều được lắp đặt
cố định trong khi mặt trời luôn di chuyển trong ngày dẫn đến lãng phí cũng như khai thác
khơng hiệu quả nguồn năng lượng này. Đề tài “Thiết kế bộ điều khiển hướng cho tấm pin
mặt trời” tiến hành thiết kế hệ thống điều khiển hướng cho các tấm pin mặt trời sử dụng
động cơ điện một chiều theo 2 trục với góc quay của mỗi trục được tính từ ngày, giờ và vĩ
độ. Hệ thống điều khiển hướng sử dụng 3 vòng điều khiển dịng điện (momen), tốc độ và
vị trí để điều khiển góc quay của mỗi trục theo góc đặt. Kết quả mơ phỏng cho thấy hệ
thống đã có khả năng điều khiển góc quay của mỗi trục theo như yêu cầu với sai số nhỏ
và độ chính xác cao giúp cho hệ thống năng lượng mặt trời luôn bám theo tốt mặt trời
trong các thời điểm trong ngày.
C
C
R
L
T.
Từ khóa – điện mặt trời ; điều khiển hướng ; động cơ điện một chiều ;pin mặt trời ; mạch
vòng điều khiển.
DU
DESIGNING DIRECTION CONTROL SYSTEM FOR SOLAR PANNEL
Abstract - Solar power is a potential energy source being used in Vietnam today. However,
most solar battery systems are permanently installed while the sun is always moving during
the day, leading to waste and ineffective exploitation of this energy source. The project
"Designing direction control system for solar pannel" proceeds to design direction control
system for solar panels using a 2-axis DC motor with the rotation angle of each axis
calculated from date, time and latitude. The directional control system uses 3 control rings of
current (torque), speed and position to control the rotation angle of each axis according to the
set angle. The simulation results show that the system was able to control the rotation angle
of each axis as required with small errors and high accuracy, helping the solar system to
always follow the sun well at times during the day.
Key words – Solar power ; direction control ; DC motor; solar pannel; rings of control.
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................
TÓM TẮT ........................................................................................................................
MỤC LỤC ........................................................................................................................
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................................
DANH MỤC CÁC BẢNG...............................................................................................
DANH MỤC CÁC HÌNH ...............................................................................................
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI ......... 3
1.1. Tổng quan về năng lượng mặt trời ........................................................................3
C
C
1.2. Tổng quan về việc sử dụng năng lượng mặt trời trên thế giới và ở Việt Nam .....3
R
L
T.
1.2.1. Tình hình sử dụng năng lượng mặt trời trên thế giới .....................................4
1.2.2. Tình hình việc sử dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam............................... 5
1.3. Cấu trúc của hệ thống điện năng lượng mặt trời ...................................................7
DU
1.3.1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống điện năng lượng mặt trời ........................7
1.3.2. Các thành phần chính của hệ thống năng lượng mặt trời ............................... 8
1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến công suất pin năng lượng mặt trời ........................... 15
1.5. Kết luận ...............................................................................................................15
CHƢƠNG 2: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN HƢỚNG CHO MODULE PIN NĂNG
LƢỢNG MẶT TRỜI ................................................................................................... 16
2.1. Phân tích lý do phải điều khiển hướng cho pin năng lượng mặt trời ..................16
2.2. Các phương pháp định vị vị trí mặt trời .............................................................. 19
2.2.1. Định vị mặt trời chủ động .............................................................................19
2.2.2. Định vị mặt trời thụ động .............................................................................22
2.2.3. Định vị mặt trời bán thụ động .......................................................................24
2.2.4. Định vị mặt trời thủ công ..............................................................................25
2.2.5. Định vị mặt trời theo thời gian .....................................................................26
2.3. Tổng quan các phương pháp điều khiển hướng cho pin năng lượng mặt trời ....26
2.4. Kết luận ...............................................................................................................30
CHƢƠNG 3: MƠ HÌNH TỐN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN HƢỚNG CHO PIN
MẶT TRỜI ................................................................................................................... 31
3.1. Phân tích u cầu của bài tốn điều khiển .......................................................... 31
3.2. Lựa chọn các thành phần của hệ thống điều khiển .............................................33
3.3. Xây dựng mơ hình tốn cho các thành phần của hệ thống điều khiển................35
3.3.1. Động cơ DC ..................................................................................................35
3.3.2. Bộ biến đổi 3 pha có điều khiển ...................................................................37
3.3.3. Các cảm biến .................................................................................................41
3.4. Kết luận ...............................................................................................................41
CHƢƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU HƢỚNG .......................................... 42
4.1 Phương pháp xác định góc quay của 2 trục ........................................................ 42
4.2. Thiết kế hệ thống điều hướng cho 2 trục ............................................................ 45
4.3. Kết luận ...............................................................................................................48
CHƢƠNG 5: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ......................................... 49
C
C
5.1. Các tham số mô phỏng của hệ thống ..................................................................49
R
L
T.
5.2. Tiến hành mô phỏng hệ thống.............................................................................49
5.3. Kết quả mô phỏng ............................................................................................... 57
DU
5.4. Kết luận ...............................................................................................................60
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 61
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 62
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
NLMT: Năng lượng mặt trời
MCCB: Bộ ngắt mạch dạng khối
LDR : Điện trở phụ thuộc ánh sáng
AC: Điện xoay chiều
DC: Điện một chiều
IRENA: Trung tâm năng lượng tái tạo toàn cầu
SIPV: Hệ thống năng lượng mặt trời hịa lưới thơng minh
RE100: Dự án sử dụng năng lượng tái tạo 100% từ nay đến 2025.
C
C
DU
R
L
T.
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 4. 1. Các giá trị của n tương ứng với ngày đầu tiên của các tháng ........................... 43
Bảng 5. 1. Giá trị các góc được tính toán tại 3 thời điểm 6h,12h,18h trong ngày 10
tháng 5 tại Gia Lai .............................................................................................................. 51
Bảng 5. 2. Bảng so sánh góc nghiêng mong muốn và đáp ứng được tại các thời điểm t
= 6h,12h,18h ....................................................................................................................... 58
Bảng 5. 3. Bảng so sánh góc phương vị mong muốn và đáp ứng được tại các thời điểm
t = 6h,12h,18h ..................................................................................................................... 59
C
C
DU
R
L
T.
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1. 1. Sự bức xạ của năng lượng mặt trời đến Trái Đất ................................................ 3
Hình 1. 2. Tổng dung lượng năng lượng mặt trời đã lắp đặt[16] ......................................... 4
Hình 1. 3. Đồ thị bức xạ mặt trời và số giờ nắng trung bình/ngày của đại diện 3 vùng
của Việt Nam [17] ................................................................................................................ 5
Hình 1. 4. Tổng công suất mặt trời đã lắp đặt tại Việt Nam [16] ......................................... 6
Hình 1. 5. Cấu trúc của hệ thống điện mặt trời [7] ............................................................... 7
Hình 1. 6. Tấm pin Poly (trái) và tấm pin Mono (phải) [8].................................................. 8
Hình 1. 7. Sơ đồ inverter nối lưới (trái) và inverter lai ghép (phải) [8] ............................... 9
Hình 1. 8. Sơ đồ hệ thống inverter tương tác lưới [8] ........................................................ 10
Hình 1. 9. Central Inverter (trái) và cấu trúc bên trong của Central Inverter (phải) [8] .... 11
Hình 1. 10. Sơ đồ String Inverter (trái) và Micro Inverter kết hợp Power Optimizer
(phải) [8] ............................................................................................................................. 11
Hình 1. 11. Aptomat DC/AC lần lượt từ trái sang phải của các hãng Schneider, Noark,
FEEO, SUNTREE .............................................................................................................. 12
Hình 1. 12. Chống sét lan truyền DC/AC lần lượt từ trái sang phải của các hãng
Schneider, Phonix, Mersen, Noark ..................................................................................... 13
Hình 1. 13. Hộp tủ điện AC phân phối (trái), Hộp đấu nối (giữa) , Bộ cách li DC (phải) . 13
Hình 1. 14. Cáp điện DC (trái) và cáp điện AC (phải) ....................................................... 14
Hình 1. 15. Các loại cơng tơ điện thường được sử dụng .................................................... 14
Hình 2. 1. Bản đồ bức xạ mặt trời ở Việt Nam [11] ........................................................... 17
Hình 2. 2. Quỹ đạo mặt trời ỏ Đà Nẵng [12] ...................................................................... 18
Hình 2. 3. Quỹ đạo mặt trời ở Gia Lai [12] ........................................................................ 19
Hình 2. 4. Bộ dị vị trí mặt trời trong hệ thống Định vị mặt trời chủ động [4] .................. 20
Hình 2. 5. Sơ đồ mạch điện của bộ dò (a) và giá trị của bộ dị tương ứng với các vị trí
khác nhau của mặt trời (b) [4] ............................................................................................ 21
Hình 2. 6. Sơ đồ của hệ thống định vị mặt trời chủ động theo 2 phương (a) và góc của
mặt trời so với tấm pin (b) [4] ............................................................................................ 21
Hình 2. 7. Sơ đồ các thành phần của hệ thống định vị mặt trời chủ động (trái) và việc
lắp đặt các quang trở trong hệ thống (phải) [4] .................................................................. 21
Hình 2. 8. Sơ đồ hệ thống Định vị mặt trời thụ động khơng có tải định vị (a) và có tải
định vị (b) [4] ...................................................................................................................... 23
Hình 2. 9. Các thành phần của hệ thống định vị : a. Đế b.Khung c.Giá đỡ d.Tấm pin
[4]........................................................................................................................................ 23
Hình 2. 10. Thiết kế Định vị mặt trời thụ động (trái) và hoạt động của định vị mặt trời
thụ động dưới mặt trời (phải) [4] ........................................................................................ 24
Hình 2. 11. Sơ đồ hệ thống Định vị mặt trời bán thụ động [4] .......................................... 24
C
C
DU
R
L
T.
Hình 2. 12. Thuật tốn định vị của Định vị mặt trời thủ công (trái) và Định vị mặt trời
chủ động (phải) [4] ............................................................................................................. 25
Hình 2. 13. Định vị mặt trời theo thời gian xoay các tấm pin tại các thời điểm buối
sáng (a), trưa (b) và chiều (c) [4] ........................................................................................ 26
Hình 2. 14. Sơ đồ hệ thống điều khiển hướng cho pin mặt trời [1] ................................... 27
Hình 2. 15. Mơ hình tốn học của hệ thống điều khiển hướng cho pin mặt trời [1] .......... 27
Hình 2. 16. Đáp ứng của hệ thống đối với tín hiệu vào khơng có nhiễu (trái) và có
nhiễu (phải) [1] ................................................................................................................... 28
Hình 2. 17. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển hướng [5] .......................................... 28
Hình 2. 18. Thuật tốn điều khiển hướng cho các tấm pin mặt trời [5] ............................. 29
Hình 2. 19. Kết quả so sánh hệ thống mặt trời cố định và có điều hướng [5].................... 29
Hình 3. 1. Cấu trúc hệ thống điều hướng cho pin mặt trời [9] ........................................... 32
Hình 3. 2. Các cảm biến quang được gắn vng góc trên bề mặt các tấm pin [9]............. 33
Hình 3. 3. Các thành phần của động cơ Servo [15] ............................................................ 34
Hình 3. 4. Dùng IC 555 để điều khiển servo [15] .............................................................. 35
Hình 3. 5. Mạch điện tương đương của phần ứng động cơ DC [6] .................................... 35
Hình 3. 6. Sơ đồ khối của động cơ một chiều .................................................................... 37
Hình 3. 7. Bộ chỉnh lưu 3 pha có điều khiển [6] ................................................................ 37
Hình 3. 8. Dạng sóng của điện áp và dòng điện của mạch chỉnh lưu 3 pha có điều
khiển [6] .............................................................................................................................. 38
Hình 3. 9. Sự đảo ngược trong bộ biến đổi 3 pha [6] ......................................................... 39
Hình 3. 10. Đặc tính chuyển đổi của bộ chỉnh lưu 3 pha có điều khiển............................. 39
Hình 4. 1. Quỹ đạo của trái đất quay xung quanh mặt trời [7]........................................... 42
Hình 4. 2. Vị trí của mặt trời ở các thời điểm trong năm [7] ............................................. 42
Hình 4. 3. Góc thu giữa trưa [7] ......................................................................................... 43
Hình 4. 4. Góc cao độ và trục Zenith [7] ............................................................................ 44
Hình 4. 5. Góc cao độ và góc phương vị [7] ...................................................................... 44
Hình 4. 6. Sơ đồ tổng quát điều khiển động cơ [6] ............................................................ 45
Hình 4. 7. Sơ đồ cấu trúc 3 mạch vịng của hệ thống điều khiển động cơ ......................... 46
Hình 4. 8. Mơ hình động cơ điện DC khi xét =
.................................................. 46
Hình 4. 9. Các bước thu gọn động cơ DC .......................................................................... 47
Hình 4. 10. Sơ đồ của hệ thống điều khiển động cơ DC .................................................... 47
Hình 5. 1. Hệ thống mơ phỏng trong Matlab Simulink ...................................................... 49
Hình 5. 2. Mơ hình phần tính góc xoay của 2 trục theo ngày, giờ và vĩ độ trong Matlab
Simulink.............................................................................................................................. 52
Hình 5. 3. Mơ hình hệ thống điều khiển động cơ DC sử dụng 3 mạch vịng trong
Matlab Simulink ................................................................................................................. 52
Hình 5. 4. Vịng điều khiển dịng trong Matlab Simulink .................................................. 52
Hình 5. 5. Đáp ứng của hệ thống dao động điều hòa khi K = Kgh = 125014849 .............. 53
C
C
DU
R
L
T.
Hình 5. 6. Giao diện của PID tuner trong Matlab Simulink ............................................... 54
Hình 5. 7. Đáp ứng của vịng điều khiển dịng với tín hiệu đặt là hàm nấc đơn vị được
điều chỉnh bằng PID tuner .................................................................................................. 55
Hình 5. 8. Mạch vòng điều khiển tốc độ trong Matlab Simulink ....................................... 55
Hình 5. 9. Đáp ứng của mạch vịng tốc độ trên giao diện PID tuner ................................. 56
Hình 5. 10. Đáp ứng của vịng điều khiển tốc độ với tín hiệu vào là hàm nấc đơn vị ....... 56
Hình 5. 11. Mạch vịng vị trí trong Matlab Simulink ......................................................... 57
Hình 5. 12. Đáp ứng của vịng điều khiển vị trí với tín hiệu vào là hàm nấc đơn vị ......... 57
Hình 5. 13. Đồ thị góc nghiêng của pin mặt trời từ 0-24h ................................................. 58
Hình 5. 14. Đồ thị góc phương vị từ 0 – 24 h .................................................................... 59
C
C
DU
R
L
T.
1
MỞ ĐẦU
I. Lý do chọn đề tài:
Sử dụng năng lượng mặt trời cho mục đích phát điện đã và đang được khuyến
khích phát triển, góp phần tăng sản lượng điện cho hệ thống điện Quốc gia, đồng thời
làm giảm ô nhiễm mơi trường.
Ứng dụng cơng nghệ chuyển hóa quang năng thành điện năng đã trở thành xu
thế mới để dần thay thế các nguồn điện sử dụng tài nguyên môi trường.
Việt Nam là một trong những quốc gia nằm ở vị trị địa lý có nguồn bức xạ năng lượng
mặt trời dồi dào đặc biệt ở các các tỉnh Nam Trung Bộ, Tây Nguyên và Nam Bộ. Tuy
nhiên khả năng khai thác nguồn tài ngun vơ tận này cịn gặp nhiều hạn chế trong
việc tối ưu lượng công suất tạo ra được từ bức xạ mặt trời.
Hầu hết các hệ thống năng lượng mặt trời đang sử dụng ở Việt Nam hiện nay
đều ở dạng lắp đặt cố định dẫn đến lượng công suất mặt trời tạo ra chỉ tập trung ở một
số thời điểm trong ngày do đó làm giảm khả năng tạo ra lượng công suất mặt trời của
hệ thống làm cho lợi nhuận thu về từ các hệ thống pin mặt trời chưa được cao.
Hệ thống pin mặt trời có điều khiển hướng có thể 1 trục hoặc 2 trục theo hướng
bắc – nam và đông – tây giúp đảm bảo hệ thống luôn định vị tốt mặt trời tại tất cả các
thời điểm trong ngày giúp cho các tấm pin ln thẳng góc với mặt trời từ đó lượng bức
xạ mặt trời thu được là lớn nhất nên lượng công suất thu được là cao nhất.
Các hệ thống pin mặt trời sử dụng hệ thống điều khiển hướng có lượng cơng
suất thu được cao hơn từ 30 – 40 % so với các hệ thống lắp đặt cố định. Tuy có đầu tư
vào hệ thống truyển động để xoay các tấm pin nhưng nếu điều khiển hướng tốt cho các
tấm pin thì lượng cơng suất thu được sẽ tăng đáng kể từ đó lợi nhuận cũng tăng lên.
Xuất phát từ các yêu cầu đó, hướng nghiên cứu của luận văn: “Thiết kế bộ
điều khiển hƣớng cho tấm pin mặt trời” sẽ thiết kế hệ thống điều hướng cho các
tấm pin theo 2 trục giúp hệ thống luôn bám theo mặt trời trong các thời điểm trong
ngày từ đó giúp tăng lượng cơng suất mặt trời tạo ra từ các tấm pin.
2. Mục tiêu nghiên cứu:
Đề xuất giải pháp nâng cao hiệu suất của hệ thống pin năng lượng mặt
trời bằng cách điều khiển định hướng tấm pin theo quỹ đạo của mặt trời.
Hệ thống hoạt động ổn định, hiệu quả trong các điều kiện thời tiết khác
nhau.
3. Phƣơng pháp nghiên cứu:
Xây dựng được mơ hình hệ thống truyền động động cơ điện một chiều
với các vòng điều khiển khác nhau.
Lựa chọn và thiết kế bộ điều khiển cho các mạch vòng điều khiển tương
ứng.
C
C
DU
R
L
T.
2
Tính tốn góc quay tương ứng của các trục theo vĩ độ và thời gian.
Sử dụng Matlab Simulink xây dựng mơ hình mơ phỏng hệ thống rồi tiến
hành mô phỏng và hiệu chỉnh.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:
Đối với các hệ thống năng lượng mặt trời lắp đặt cố định chỉ nhận được công
suất tại một số thời điểm trong ngày dẫn đến lãng phí cũng như khai thác chưa hiệu
quả nguồn năng lượng mặt trời.
Hệ thống năng lượng mặt trời có điều hướng giúp đảm bảo các tấm pin mặt trời
luôn định vị tốt mặt trời ở các thời điểm trong ngày giúp cho công suất mặt trời tạo ra
cao hơn và hiệu quả hơn các hệ thống lắp đặt thông thường.
5. Cấu trúc luận văn
Luận văn được cấu trúc thành các chương như sau:
Chương 1 trình bày tổng quan về hệ thống năng lượng điện mặt trời: Hệ thống
điện mặt trời được sử dung rất nhiều trong đời sông hàng ngày của con người, chuyển
nguồn năng lượng vô hạn của năng lượng mặt trời thành nguồn điện để sử dụng cho
các nhu cầu hàng ngày của con người.
Chương 2: Hệ thống điều khiển hướng cho tấm pin mặt trời: Hầu hết các nhà
máy điện mặt trời tại Gia Lai sử dụng các tấm Pin mặt tròi được gá trên các khung cố
định do đó khả năng hấp thụ năng lượng từ mặt trời một hướng. Do đó để nhận năng
lượng mặt trời một cách hiệu quả nhất cần có hệ thống điều khiển tấm pin theo hướng
mặt trời.
Chương 3: Mơ hình toán hệ thống điều khiển hướng cho pin năng lượng mặt
trời: Sử dụng hai động cơ một chiều để điều khiển tấm pin mặt trời để điều khiển tấm
pin thay đổi hướng tấm pin theo ngày và theo mùa để nhận được ánh sáng mặt trời là
nhiều nhất.
Chương 4: Thiết kế hệ thống điều khiển hướng
Chương 5: Mô phỏng và đánh giá kết quả để tấm pin mặt trời xoay quanh các
góc đã được tính tốn.
C
C
DU
R
L
T.
3
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI
1.1. Tổng quan về năng lƣợng mặt trời
Năng lượng mặt trời, bức xạ ánh sáng và nhiệt từ Mặt trời, đã được khai thác
bởi con người từ thời cổ đại. Bức xạ mặt trời, cùng với tài nguyên thứ cấp của năng
lượng mặt trời như sức gió và sức sóng, sức nước và sinh khối, làm thành hầu hết năng
lượng tái tạo có sẵn trên Trái đất. Chỉ có một phần rất nhỏ của năng lượng mặt trời có
sẵn được sử dụng.
Theo ước tính Trái đất nhận được khoảng 174 petawatts (PW) của bức xạ mặt
trời đến ở phía trên khơng khí (Hình 1.1). Trong đó, khoảng 30% được phản xạ trở lại
khơng gian trong khi phần cịn lại được hấp thụ bởi các đám mây, đại dương và vùng
đất. Bề mặt Trái đất, biển và bầu khơng khí hấp thụ bức xạ mặt trời, và điều này làm
tăng nhiệt độ của chúng. Ánh sáng mặt trời bị hấp thụ bởi các đại dương và các vùng
đất giữ bề mặt ở nhiệt độ trung bình là 14 °C.
Sự bức xạ của năng lượng mặt trời đến Trái Đất được mô tả như hình 1.1.
C
C
R
L
T.
DU
Hình 1. 1. Sự bức xạ của năng lượng mặt trời đến Trái Đất
1.2. Tổng quan về việc sử dụng năng lƣợng mặt trời trên thế giới và ở Việt Nam
Mặc dù cho đến nửa đầu thế kỷ 21, nguồn năng lượng hóa thạch vẫn chiếm vai
trị chủ đạo trong việc cung cấp năng lượng cho nhân loại. Tuy nhiên, ngày nay nguồn
năng lượng này đang ngày một cạn kiệt và là nguyên nhân chính gây ra ơ nhiễm mơi
trường. Chính vì thế, nguồn năng lượng tái tạo đang được đầu tư, nghiên cứu và khai
thác, hứa hẹn sẽ đóng vai trị chủ đạo cung cấp năng lượng cho con người, trong đó
điện mặt trời sẽ có bước phát triển mạnh mẽ.
4
1.2.1. Tình hình sử dụng năng lượng mặt trời trên thế giới
Trong vòng khoảng 15 năm qua điện mặt trời phát triển rất nhanh, với tốc độ
trung bình là 25%/năm. Công nghiệp điện mặt trời bao gồm quang điện mặt trời và
nhiệt điện mặt trời. Quang điện mặt trời tiếp tục là một trong những ngành công
nghiệp phát triển nhanh nhất thế giới. Sự phát triển của quang điện mặt trời thể hiện ba
xu hướng rõ ràng là: Loại hình “Tòa nhà điện mặt trời/ Mái nhà điện mặt trời” ngày
càng gia tăng; Công nghiệp chế tạo pin mặt trời, trong đó đáng chú ý là lượng pin mặt
trời cơng nghệ màng mỏng (thin-film PV) chiếm phần lớn trong tổng công suất lắp đặt
(dẫn đầu thế giới là Hoa Kỳ, Malaysia, Đức…); và sự ra đời hàng loạt các nhà máy
quang điện mặt trời. Công suất các nhà máy quang điện mặt trời nối lưới phát triển
mạnh mẽ từ mức 200 KWp đã tăng lên tới mức 3GWp.
Hình 1.2 miêu tả tổng dung lượng của năng lượng mặt trời trên tồn thế giới
được tính tốn theo Trung tâm năng lượng tái tạo tồn cầu (IRENA). Dựa vào hình 1.2
ta thấy năng lượng mặt trời chủ yếu là quang điện mặt trời trong những năm gần đây
phát triển mạnh, cụ thể như năm 2019 tổng công suất năng lượng mặt trời lắp đặt trên
thế giới là 584842 MW trong đó quang điện mặt trời là 578553 MW, nhiệt mặt trời là
6289 MW.
C
C
R
L
T.
DU
Trong đó các quốc gia sản xuất điện mặt trời lớn trên thế giới như:
Đức : 38250 MW
Trung Quốc : 28330 MW
Nhật Bản : 23409 MW
Italy : 18622 MW
Mỹ : 18317 MW
Hình 1. 2. Tổng dung lượng năng lượng mặt trời đã lắp đặt[16]
5
1.2.2. Tình hình việc sử dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam
1.2.2.1. Tiềm năng bức xạ mặt trời ở Việt Nam
Việt Nam là một trong các quốc gia có tiềm năng đáng kể về năng lượng mặt
trời. Các số liệu khảo sát về lượng bức xạ mặt trời cho thấy, các địa phương ở phía
Bắc bình qn có khoảng từ 1800-2100 giờ nắng trong một năm, còn các tỉnh ở phía
Nam (từ Đà Nẵng trở vào) bình qn có khoảng từ 2000-2600 giờ nắng trong một
năm.
Nhìn một cách khái quát lượng bức xạ mặt trời ở các tỉnh phía Bắc giảm 20%
so với các tỉnh miền Trung và miền Nam, và lượng bức xạ mặt trời không phân phối
đều quanh năm. Vào mùa đông, mùa xuân mưa phùn kéo dài hàng chục ngày liên tục
và nguồn bức xạ mặt trời dường như khơng đáng kể chỉ cịn khoảng 1 – 2 KWh
/m2/ngày, yếu tố này là cản trở lớn cho việc ứng dụng điện mặt trời.
Điều này không xảy ra đối với các tỉnh phía Nam và TP Hồ Chí Minh do có
mặt trời chiếu rọi quanh năm, ổn định kể cả vào mùa mưa. Có thể kết luận rằng bức xạ
mặt trời là một nguồn tài nguyên to lớn cho các tỉnh miền Trung và miền Nam nói
chung trong quá trình phát triển bền vững.
Đồ thị bức xạ mặt trời và số giờ nắng trung bình/ngày tại 3 miền đại diện là 3
thành phố Hồ Chí Minh, Hà Nội và Đà Nẵng được mơ tả như hình 1.3.
C
C
R
L
T.
DU
Hình 1. 3. Đồ thị bức xạ mặt trời và số giờ nắng trung bình/ngày của đại diện 3 vùng
của Việt Nam [17]
1.2.2.2. Hiện trạng năng lực công nghiệp điện mặt trời Việt Nam
Tuy cịn non trẻ song ngành cơng nghiệp điện mặt trời Việt Nam cũng đã đạt
được những thành tựu bước đầu đáng kể. Trong đó, TP Hồ Chí Minh với nguồn "tài
nguyên nắng” dồi dào, và các điều kiện thuận lợi về cơ sở hạ tầng cũng như chất lượng
lực lượng sản xuất, là một trung tâm có tiềm năng phát triển công nghiệp năng lượng
6
mặt trời nhất trong cả nước. Vì vậy, TP Hồ Chí Minh được đánh giá là một “điểm
tựa”, đột phá khẩu cho ngành công nghiệp điện mặt trời Việt Nam với lộ trình 20 năm.
Tính đến nay, cơng nghiệp điện mặt trời TP Hồ Chí Minh đã tạo dựng được một
số cơ sở sản xuất tiêu biểu như nhà máy sản xuất Module pin mặt trời quy mô công
nghiệp đầu tiên tại Việt Nam, cơ sở hạ tầng công nghiệp sản xuất chế tạo các thiết bị
điện tử ngoại vi phục vụ cho điện mặt trời.
Có thể kể đến một số sản phẩm tiêu biểu như modul pin mặt trời, các thiết bị
ngoại vi inveter, thiết bị điện mặt trời nối lưới công nghệ SIPV đã chiếm lĩnh một phần
thị trường trong nước và bước đầu vươn ra thị trường trong khu vực và thị trường thế
giới.
Theo đánh giá của các nhà khoa học, công nghiệp pin mặt trời TP Hồ Chí Minh
đã gần đi vào hồn thiện, hiện chỉ cịn thiếu hai khâu trong một quy trình cơng nghiệp
khép kín, đó là tinh chế quặng silic từ cát và chế tạo phiến pin mặt trời từ phiến silic.
Nếu hoàn thiện nốt hai khâu trên, Việt Nam sẽ trở thành một trong số ít những nước ở
châu Á có nền cơng nghiệp chế tạo pin mặt trời khép kín.
C
C
R
L
T.
Tổng cơng suất điện mặt trời đã lắp đặt tại Việt Nam được tính tốn theo Trung
tâm năng lượng tái tạo tồn cầu (IRENA) được mơ tả như hình 1.4.
DU
Hình 1. 4. Tổng công suất mặt trời đã lắp đặt tại Việt Nam [16]
Dựa vào đồ thị 1.4 ta thấy tổng công suất mặt trời lắp đặt (chủ yếu là quang
điện mặt trời) tại Việt Nam từ năm 2018 đến năm 2019 có sự nhảy vọt. Trong năm
2018 tổng cơng suất điện mặt trời lắp đặt tại Việt Nam là 106 MW, trong khi năm
7
2019 là 5695 MW gấp nhiều lần so với năm 2018, điều này cho thấy điện mặt trời ở
Việt Nam trong những năm gần đây đang có sự bùng nổ mạnh mẽ.
1.2.2.3. Định hướng phát triển công nghiệp điện mặt trời Việt Nam đến năm 2025
Năng lượng là yếu tố cơ bản của các hoạt động kinh tế. Mặc dù đại dịch
COVID-19 đã ảnh hưởng nghiêm trọng đến nền kinh tế của các nước lớn, nền kinh tế
Việt Nam vẫn tăng trưởng 1,81% trong nửa đầu 2020.
Theo báo cáo, cả nước có 121 dự án điện mặt trời với cơng suất 8.100 MW vào
cuối năm 2018, và các cơ quan chức năng đang giải quyết 220 dự án chờ xử lý. Các
nhà đầu tư năng lượng sẽ chi khoảng 150 tỷ USD để đáp ứng nhu cầu điện ngày càng
tăng ở Việt Nam trong thập kỷ tới.
Là một trong những quốc gia đang phát triển nhanh nhất trên thế giới, ngày
càng có nhiều cơng ty trong nhóm RE100 như Nike, Adidas, New Balance, v.v. xây
dựng nhà máy tại Việt Nam. Ngồi ra, ngày càng có nhiều cơng ty lắp đặt hệ thống
năng lượng mặt trời áp mái tại các nhà máy của mình để tiết kiệm chi phí điện năng.
Hơn nữa, theo Chương trình Xúc tiến Năng lượng Mặt trời Áp mái của Việt Nam giai
đoạn 2019-2025 và theo Quyết định 2023 của Bộ Công Thương, Việt Nam đặt mục
tiêu đạt công suất 1 GW năng lượng mặt trời áp mái dưới dạng 100.000 hệ thống năng
lượng mặt trời áp mái vào năm 2025. Thêm vào đó, Việt Nam cịn có tiềm năng lắp đặt
trên 4 GW năng lượng mặt trời áp mái vào năm 2030 với phân khúc thương mại và
công nghiệp chiếm 95% thị phần.
C
C
R
L
T.
DU
1.3. Cấu trúc của hệ thống điện năng lƣợng mặt trời
1.3.1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống điện năng lượng mặt trời
Cấu trúc của hệ thống điện mặt trời được mô tả như hình 1.5.
Hình 1. 5. Cấu trúc của hệ thống điện mặt trời [7]
8
Quang năng từ mặt trời thông qua các tấm pin sẽ được chuyển hóa thành điện 1
chiều. Nguồn 1 chiều này qua bộ inverter sẽ được chuyển đổi thành nguồn xoay chiều
cùng pha và cùng tần số với lưới điện quốc gia để cấp cho tải, nếu dư sẽ được hòa vào
lưới điện.
Các tấm pin được nối với nhau theo từng String như sơ đồ phân Line, mỗi String được
kết nối với đầu vào của Inverter thông qua 01 cặp MC4. Số lượng String kết nối đến
đầu vào của 01 Inverter phụ thuộc vào thông số kỹ thuật của từng loại Inverter.
Đầu ra của inverter được đấu nối đến MCCB tổng của tủ điện AC. Để thực hiện việc
giám sát các thông số vận hành của hệ thống, sử dụng 2 công tơ đo đếm:
Công tơ 1 chiều để đo sản lượng điện do hệ thống năng lượng mặt trời
sinh ra cũng như các thông số vận hành ở đầu ra bộ inverter.
Công tơ 2 chiều để đo sản lượng điện hệ thống NLMT phát ngược lên
lưới (lúc công suất của hệ thống NLMT lớn hơn công suất phụ tải) và sản lượng
điện nhận từ lưới (lúc công suất của hệ thống NLMT nhỏ hơn công suất phụ tải)
cũng như các thông số vận hành của lưới điện.
1.3.2. Các thành phần chính của hệ thống năng lượng mặt trời
1.3.2.1. Tấm pin:
Gồm 2 loại: Poly và Mono được mô tả như hình 1.6.
C
C
R
L
T.
DU
Hình 1. 6. Tấm pin Poly (trái) và tấm pin Mono (phải) [8]
Các tấm pin hiện nay có 2 cơng nghệ chính: Poly và Mono. Độ bền trung bình
của tấm pin khoảng 25 năm (Gần như tất cả các hãng pin đều cam kết bảo hành hiệu
suất tấm pin cuối năm thứ 25 lớn hơn 80%, có một số hãng cam kết 30 năm hiệu suất
≥ 80%). Hiệu suất chuyển đổi quang điện của tấm pin công nghệ Mono cao hơn công
nghệ Poly. Phổ biến trên thị trường hiện nay là các tấm pin có hiệu suất chuyển đổi
quang điện dao động trong dải 17-20%. Tùy vào chiến lược kinh doanh của mỗi nhà
sản xuất mà thời gian bản hành vật lý 10/12/15/25 năm.
9
Dưới đây là những thương hiệu nổi tiếng trên thế giới hiện nay:
Mỹ: Sunpower, First Solar
Hàn Quốc: LG, Q.Cell (Hanwha)
Đức: Ae-Solar
Trung Quốc: Jinko, JA, Canadian, Longi, Trina, Rissen,..
1.3.2.2. Bộ hòa lưới
Gồm 3 loại:
Inverter nối lƣới: Được thiết kế dành riêng cho ứng dụng đấu nối lưới
không yêu cầu hệ thống pin dự phòng. Inverter chuyển đổi DC của tấm pin
thành AC để cấp điện cho phụ tải và điện năng thừa cho lưới điện.
Inverter lai ghép: Inverter lai ghép hoạt động như Inverter độc lập và
Inverter nối lưới. Nó được kết nối với phụ tải, pin lưu trữ, máy phát điện
(diesel, tua pin gió, thủy điện), tấm pin và lưới điện. Hệ thống này thường được
sử dụng để cung cấp điện năng tại những nơi xa trạm phát điện.
Inverter tƣơng tác lƣới: Một Inverter tương tác lưới được thiết kế cho
các ứng dụng dân cư, thương mại và công nghiệp (cung cấp nguồn điện dự
phòng đáng tin cậy trong trường hợp mất điện). Trong điều kiện bình thường,
Inverter duy trì pin ở trạng thái sạc đầy để chuẩn bị sử dụng trong thời gian mất
điện. Khi lưới điện bình thường, Inverter hoạt động như Inverter nối lưới trực
tiếp (chuyển đổi DC thành AC để cấp điện cho phụ tải và điện năng thừa cho
lưới điện). Khi khơng có nguồn điện lưới, Inverter hoạt động như nguồn điện
dự phòng để cấp điện cho phụ tải ưu tiên đã chọn.
Sơ đồ hệ thống inverter nối lưới và inverter lai ghép được mô tả như hình 1.7.
C
C
R
L
T.
DU
Hình 1. 7. Sơ đồ inverter nối lưới (trái) và inverter lai ghép (phải) [8]
10
Sơ đồ hệ thống inverter tương tác lưới được mô tả như hình 1.8.
Hình 1. 8. Sơ đồ hệ thống inverter tương tác lưới [8]
Bộ hòa lưới trực tiếp hiện nay có 3 cơng nghệ chính: Central Inverter, String
Inverter và Micro Inverter. Ngồi ra có một số nhà sản xuất (SolarEdge, Huawei, ...)
nghiên cứu thêm công nghệ Optimizer (lai String Inverter và Micro Inverter).
Central Inverter: Khi sử dụng biến tần trung tâm, nguồn DC được tạo
ra từ mỗi chuỗi chạy dọc theo dây dẫn đến các họp nối nơi chúng được kết nối
song song với các chuỗi khác. Từ hộp nối, nguồn DC sau đó được dẫn vào biến
tần trung tâm và được chuyển đổi thành nguồn AC. Nếu sử dụng Central, chúng
ta sẽ tối ưu cho các hệ thống lớn. Nó địi hỏi ít kết nối thành phần hơn.
String Inverter: là một biến tần trung tâm đóng vai trị là đầu vào của
nguồn năng lượng điện được tạo ra bởi chuỗi những tấm pin năng lượng, từ đó
chạy đến từng đơn vị riêng lẻ. Những tấm pin mặt trời được liên kết với nhau
thành chuỗi và điểm cuối là kết nối vào biến tần. Một biến tần chuỗi có thể có
nhiều đầu vào.
Micro Inverter: Q trình chuyển đổi DC-AC diễn ra trên mỗi tấm pin.
Micro Inverter cho phép giám sát hiệu suất trên mỗi tấm pin riêng lẻ. Tuy nhiên
việc sử dụng Micro Inverter sẽ làm tăng chi phí đầu tư.
Power Otimizer: Tương tự như Micro Inverter, nó được lắp trên mỗi
tấm pin. Tuy nhiên thay vì chuyển đổi DC-AC trực tiếp trên mỗi tấm pin,
Optimizer có chức năng chuyển đổi DC-DC (thay thế hoặc được lắp thêm với
họp kết nối) và truyền DC thứ cấp đến Inverter. Optimizer phù hợp với hệ
thống điện mặt trời nhiều hướng, nhiều góc nghiêng, nhiều loại PV Module. Nó
cũng giúp tăng hiệu suất hệ thống tấm pin so với String Inverter bằng cách liên
tục theo dõi điểm công suất đỉnh của từng tấm pin. Nó cũng giúp giảm ảnh
hưởng của việc che bóng và giám sát hiệu suất trên từng tấm pin riêng lẻ.
C
C
DU
R
L
T.
11
Central Inverter được mơ tả như hình 1.9.
Hình 1. 9. Central Inverter (trái) và cấu trúc bên trong của Central Inverter (phải) [8]
Sơ đồ String Inverter và Micro Inverter kết hợp Power Optimizer được mơ tả
như hình 1.10.
C
C
R
L
T.
Hình 1. 10. Sơ đồ String Inverter (trái) và Micro Inverter kết hợp Power Optimizer
(phải) [8]
Micro Inverter và Optimizer giúp tối ưu hiệu suất hệ thống tốt hơn so với String
Inverter do chúng thực hiện tối ưu trên từng tấm pin riêng lẻ. Các Micro Inverter có
ngưỡng điện áp thấp hơn so với String inverter (230V AC so với khoảng 600 Volts
DC). Tuy vậy bạn sẽ cần bỏ thêm 20% tiền đầu tư cho các hệ thống có Micro Inverter
hoặc các bộ Optimizer. String Inverter thường được lắp đặt trên tường, tất cả các tấm
pin được kết nối với ngõ vào DC của Inverter. Trong khi đó Micro Inverter và
Optimizer sẽ đặt ở mặt sau và kết nối với một hoặc 2 tấm pin riêng lẻ.
Không lắp đặt String Inverter tại những vị trí có ánh nắng mặt trời chiếu vào.
Chúng ta nên chọn khu vực bóng râm, hoặc làm mái che trên Inverter. Ánh sáng mặt
trời trực tiếp chiếu lên Inverter sẽ làm giảm tuổi thọ của Inverter một cách đáng kể.
Nhiệm vụ của Inverter là chuyển đổi điện một chiều mà các tấm pin sản xuất thành
điện xoay chiều phù hợp với lưới điện quốc gia. Do Inverter là một thiết bị sử dụng
linh kiện điện tử nên đây là thành phần dễ bị hỏng nhất trong hệ thống năng lượng mặt
trời trong thời gian 5-10 năm đầu tiên. Hầu hết các hãng Inverter hiện này đều cam kết
bảo hành vật lý tiêu chuẩn là 5 năm. Vì thế dù mức chi phí có giới hạn, bạn hãy ln
cố gắng đầu tư cho mình Inverter có chất lượng và độ tin cậy tốt nhất.
Đối với hệ thống điện mặt trời hiện nay chủ yếu sử dụng công nghệ String
Inverter. Một số thương hiệu Inverter nối tiếng như:
Đức: SMA, KACO, Schneider, Siemen.
Áo: Fronius.
Ý: ABB.
DU
12
Trung Quốc: Huawei, Sungrow, Goodwe.
Đài Loan: Delta
1.3.2.3. Hệ thống khung giàn
Hiện nay chúng ta có hai loại giàn khung để cố định các tấm pin trên mái như
sau: Khung thép mạ kẽm, Hệ thống ray nhôm.
Với hệ thống rail nhôm có rất nhiều nhà cung cấp khác nhau do đó bạn nên đòi
hỏi các nhà cung cấp kỹ trước khi lựa chọn mua sản phẩm.
Chúng ta hãy tìm hiểu rõ xuất xứ cũng như uy tín của hãng sản xuất ray nhôm
trước khi mua sản phẩm. Một số hãng sản xuất ray nhôm chuyên dụng trên thế giới:
TitanSolar, Hopergy, Chiko, Schletter, Sunlock, GraceSolar, Radiant, SolarRack.
Bao gồm các loại:
Hệ khung mái tôn thường
Hệ khung áp mái tôn “Standing scam”
Hệ khung áp mái tiết kiệm ray nhơm
Hệ khung giàn mái ngói
Hệ khung giàn tam giác
Hệ khung giàn chỉnh góc nghiêng
C
C
R
L
T.
DU
1.3.2.4. Hệ thống thiết bị điện
Gồm các thiết bị sau:
Aptomat DC/AC
Chống sét lan truyền DC/AC
Hộp tủ điện AC phân phối
Hộp Junction Box
Bộ cách li DC
Aptomat DC/AC được mơ tả như hình 1.11.
Hình 1. 11. Aptomat DC/AC lần lượt từ trái sang phải của các hãng Schneider, Noark,
FEEO, SUNTREE
Chống sét lan truyền DC/AC được mơ tả như hình 1.12.
13
Hình 1. 12. Chống sét lan truyền DC/AC lần lượt từ trái sang phải của các hãng
Schneider, Phonix, Mersen, Noark
Hộp tủ điện AC phân phối, Hộp Junction Box, Bộ cách li DC được mơ tả như
hình 1.13.
C
C
R
L
T.
DU
Hình 1. 13. Hộp tủ điện AC phân phối (trái), Hộp đấu nối (giữa) , Bộ cách li DC (phải)
1.3.2.5. Cáp điện
Bao gồm các loại:
Đầu nối MC4
Cáp điện DC : Cadivi, Thịnh Phát.
Cáp điện AC : Cadivi, Thịnh Phát.
Cáp điện DC và cáp điện AC được mơ tả như hình 1.14.
14
Hình 1. 14. Cáp điện DC (trái) và cáp điện AC (phải)
1.3.2.6. Hệ thống đo đếm
Những thông số cần đo đếm:
Khi hệ thống hoạt động và tạo ra điện năng. Lượng điện năng này sẽ được ưu
tiên cấp cho tải ( máy giặt, tủ lạnh ,quạt, bóng đèn….) sử dụng. Phần điện năng lượng
mặt trời còn dư sẽ được trả ngược ra lưới. Theo quyết định mới nhất đối với các dự án
điện mặt trời lắp đặt trên mái nhà, Giá bán điện mặt trời 01/01/2019 đến 31/12/2019 là
2.134 đồng/kWh. Tiền điện mặt trời sẽ được thanh toán cho khách hàng vào cuối năm
thơng qua hình thức chuyển khoản.
Nếu như bạn sử dụng thiết bị chủ yếu vào ban ngày. Năng lượng điện mặt trời
được tải tiêu thụ có thể lên đến 70%(chỉ có 30% trả ngược ra lưới).
Nếu bạn ít sử dụng thiết bị điện vào ban ngày, lượng điện mặt trời được tải tiêu thụ có
thể chỉ ở mức 20%.
Các loại đồng hồ đo đếm:
Đồng hồ đo đếm 1 chiều: đo sản lượng điện mặt trời sinh ra
Đồng hồ đo đếm 1 chiều: đo sản lượng phụ tải tiêu thụ
Đồng hồ đo đếm 2 chiều: sản lượng phụ tải từ lưới điện và sản lượng
điện mặt trời phát ngược lên lưới.
Các loại công tơ điện thường được sử dụng được mơ tả như hình 1.15.
C
C
R
L
T.
DU
Hình 1. 15. Các loại công tơ điện thường được sử dụng
