Xem mẫu
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ
TIỀM NĂNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP KỸ THUẬT KHAI THÁC HIỆU QUẢ NĂNG
LƢỢNG ĐIỆN TỪ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI Ở VIỆT NAM
Trần Văn Hải, Bùi Văn Hiền
Khoa CN KT Điện – Điện Tử Trường ĐH Công nghiệp Thực phẩm TP.HCM
TÓMTẮT
Bài báo này nghiên cứu về tiềm năng năng l ợng m t trời và các giải pháp kỹ thuật - công nghệ ể khai
thác hiệu quả năng l ợng iện từ năng l ợng m t trời ở Việt Nam. Dự tr n á phân tí h u iểm và nh ợc
iểm của các giải pháp kỹ thuật tr
ây, giải thuật d tìm iểm công su t cự ại cải tiến (D_PO) ợ ề xu t
nh m thu ợc công su t của nguồn năng l ợng iện m t trời là l n nh t. Kết quả thực nghiệm của mô hình thi
ông
hứng tỏ tính hiệu quả của giải thuật D_PO ề xu t.
POTENTIALSANDENGINEERINGSOLUTIONS TO EXPLOIT EFFECTIVELY
ELECTRICAL ENERGY FROM SOLAR ENERGY IN VIETNAM
ABSTRACT
This paperstudiesthe potentialsolar energyandengineering-technologysolutions to exploit effectively
electrical energy from solar energy in Vietnam. Basedontheanalysis ofadvantagesanddisadvantages oftheprior
engineeringsolutions, the algorithmimprovement max power point tracking (D_PO) is proposedto obtainthe
power ofsolarenergy which ismaximum. The experimental resultsof execution modelhave provedthe effectivity
ofthe proposedalgorithmD_PO.
I. GIỚI THIỆU
Trong các nguồn năng l ợng tái tạo, năng l ợng m t trời ng dần trở nên r t phổ biến
bởi vì chúng có nhiều u iểm trong ph ơng pháp phát iện, chí phí bảo d ỡng th p, an toàn
ho ng ời s dụng và không gây ô nhiễm môi tr ờng. Tuy nhiên, ở thời iểm hiện tại giá
thành pin m t trời còn khá cao. Công su t phát ra bởi pin m t trời lại phụ thu c trực tiếp vào
bức xạ, nhiệt
v iều kiện thời tiết Đ c tuyến công su t- iện áp (P-V) v d ng iện- iện
áp (I-V) của pin m t trời lại không tuyến tính, tr n ờng c tuyến
tồn tại m t iểm làm
việc cự ại (MPP) mà ở
ông su t phát ra của pin m t trời là l n nh t Nh ng iểm này
không phải là h ng số, h ng luôn th y ổi theo nhiệt
và bức xạ. Vì vậy, d tìm iểm làm
việc cự ại của pin m t trời (MPPT) phải ợc s dụng ể
pin m t trời luôn làm việc tại
iểm này, nh m nâng cao hiệu su t của pin m t trời.
Trên thế gi i
ph ơng pháp P&O [4]
nhiều nghiên cứu về MPPT: ph ơng pháp iện áp h ng số (k) [3],
Ph ơng pháp iện áp h ng số (k)
năng l ợng cung c p b gián oạn.
nh ợ
iểm là phụ thu c vào giá tr tối u k v
Ph ơng pháp P&O
nh ợ iểm là tố
áp ứng không theo k p v i th y ổi t
ng t của nhiệt
môi tr ờng và bức xạ m t trời, có sự d o ng iện áp gần iểm công su t
cự ại, gây tổn th t năng l ợng.
Để khắc phụ á nh ợ iểm củ h i ph ơng pháp tr n, nh m nghi n ứu
ph ơng pháp P&O cải tiến (D_P&O)
pin m t trời luôn làm việc tại iểm cự ại.
ề xu t
II. PHƢƠNG PHÁP TIẾP CẬN
1. Tiềm năng năng lƣợng mặt trời ở Việt Nam
Nguồn năng l ợng m t trời ợ ánh giá l nguồn năng l ợng dồi d o v
nhiên ban t ng r ng khắp toàn thế gi i (Hình 1.1).
TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ & THỰC PHẨM - SỐ 03/2014
ợc thiên
34
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ
Hình 1. Bản đồ cường độ bức xạ năng lượng mặt trời trung bình trên toàn thế giới
(Nguồn: national renewable energy laboratory (NREL); Illustration: Bryan Christie Design)
Việt N m ũng l quốc gia n m trong vùng
t ơng ối l n c biệt là các tỉnh phía nam (Hình 1.2)
ờng
bức xạ năng l ợng m t trời
Hình 1.2. Phân bố tổng số giờ nắng 3 tháng 1,2,3 năm 2011
Theo số liệu thống kê về ờng
bức xạ m t trời (kWh/m2/ngày) và số giờ nắng
(giờ/ngày) của các khu vực chính trong cả n c trong bảng 1.1 và 1.2 cho th y: khu vực từ Đ
Nẵng trở v o phí n m
ờng
bức xạ và số giờ nắng trung bình m t ng y t ơng ối cao
r t phù hợp ể kh i thá năng l ợng iện từ m t trời.
TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ & THỰC PHẨM – SỐ 03/2014
35
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ
Bảng 1.1. Số liệu cường độ bức xạ mặt trời trung bình cho các khu vực
Địa phƣơng
Quảng Ninh
H N i
Nghệ An
Đ Nẵng
TP.HCM
C M u
Ph Quố
1
2,1
2,1
1,8
3,5
5,1
5,3
5,0
2
2,2
2,2
2,2
4,3
6,3
5,5
5,5
3
2,5
2,3
2,3
5,2
6,6
6,2
5,7
4
2,5
3,3
3,3
5,8
5,7
5,3
5,7
Tháng (kWh/m2/ngày)
5
6
7
8
9
4,6 4,0 3,9 4,2 4,4
5,3 5,5 5,7 5,2 4,8
5,1 5,3 5,7 4,7 4,0
6,4 5,9 6,5 5,7 5,2
5,0 4,9 5,1 5,0 4,8
4,1 4,2 4,3 4,2 4,2
4,9 4,3 4,4 4,1 4,3
10
3,8
4,1
3,1
4,2
4,5
4,2
4,6
11
3,6
3,4
2,0
3,0
4,3
4,3
4,8
12
3,0
3,0
2,0
2,5
4,6
4,4
4,9
TB năm
3,4
3,8
3,4
4,8
5,2
4,6
4,8
Bảng 1.2. Số giờ nắng trung bình trong ngày theo từng tháng cho các khu vực
Địa phƣơng
1
Quảng Ninh 1,9
Hà N i
2,2
Nghệ An
2,6
Đ Nẵng
4,4
TP.HCM
7,9
Cà Mau
8,3
Phú Quốc
7,7
2
2,0
1,6
1,7
5,1
8,8
8,9
8,8
3
2,4
1,4
2,3
3,4
8,8
9,3
8,8
4
3,7
2,7
4,6
6,9
7,7
8,8
7,7
Tháng (giờ/ngày)
5
6
7
8
5,3 4,5 5,4 5,6
5,3 5,2 5,9 5,3
7,3 6,7 7,6 5,8
8,3 7,9 8,3 6,7
6,3 5,7 5,8 5,6
6,9 5,9 6,0 5,8
6,9 6,3 6,0 5,8
9
5,5
5,4
5,2
5,8
5,4
5,6
5,7
10
4,2
5,3
4,6
4,7
5,9
5,7
6,3
11
3,6
4,2
3,2
4,0
6,7
6,3
6,7
12
2,9
3,5
2,8
3,6
7,2
6,7
5,7
TB năm
3,9
4,0
4,5
5,8
6,8
7,0
6,4
2. Các giải pháp kỹ thuật khai thác hiệu quả năng lƣợng điện từ mặt trời ở Việt Nam
Các giải pháp
ợ
ề xu t nh m h
ng t i hai mục tiêu trọng iểm sau:
Giảm giá th nh phát iện trong phạm vi ch p nhận
h i của Việt N m trong t ơng l i
ợc phù hợp iều kiện kinh tế xã
Giải quyết á nh ợ iểm l n củ năng l ợng m t trời ũng nh năng l ợng tái tạo nói
chung về các m t công su t, giá th nh ầu t ,
phân tán và sự phụ thu c vào thiên nhiên.
2.1. Cấu trúc lại hệ thống điện
Hệ thống truyền tải quốc gia v i mô hình liên kết cứng (Hình 1.3) có nhiều u iểm
hiện tại, nh ng sẽ b t cập ối v i những nhà máy công su t nhỏ,
phân tán l n nh iện m t
trời.
V i những n t c thù củ iện m t trời ( phân tán, cục b ) r t phù hợp v i l i phân
tán ho c kết nối l i trong phạm vi hẹp, iều này sẽ giảm thiểu tổn th t ũng nh giảm th p
hi phí h l i, chi phí vận h nh v giá th nh án iện chắc chắc sẽ giảm theo.
TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ & THỰC PHẨM – SỐ 03/2014
36
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ
Hình 1.3. Mô hình hệ thống điện truyền thống
V i hệ thống iện thông minh (Hình 1.4), trong hệ thống iện á nh máy phát iện
ợc bố trí phân tán xen kẽ các trung tâm phụ tải v
c biệt sẽ có thêm các nhà máy phát
iện năng l ợng tái tạo tham gia vào hệ thống.
Hình 1.4. Mô hình hệ thống điện thông minh
2.3.Bộ chuyển đổi DC/DC (Converter)
B biến ổi DC DC ợc s dụng r ng rãi trong nguồn iện m t chiều (DC) ể chuyển
ổi nguồn DC không ổn nh thành nguồn iện DC có thể iều khiển ợc. Trong hệ thống
pin m t trời, b biến ổi DC DC ợc kết hợp ch t chẽ v i ph ơng pháp d tìm ông su t cực
ại (MPPT-Max Power Point Tracking). MPPT s dụng b biến ổi DC DC ể iều chỉnh
nguồn iện áp vào l y từ nguồn pin m t trời, chuyển ổi và cung c p iện áp l n nh t phù hợp
v i tải. B biến ổi DC/DC gồm m t khoá iện t , m t cu n cảm ể giữ năng l ợng, và m t
iôt d n dòng.
Việc chọn loại DC/DC nào dùng trong hệ PV còn tu thu c vào yêu cầu của ắc quy và
tải ối v i iện áp ra của dãy panel m t trời.
B giảm áp buck có thể nh ợ iểm làm việc có công su t tối u mỗi khi iện áp
v o v ợt quá iện áp ra của b biến ổi, tr ờng hợp này ít thực hiện ợ khi ờng
bức
xạ của ánh sáng xuống th p.
TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ & THỰC PHẨM – SỐ 03/2014
37
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ
B tăng áp oost [1]
thể nh iểm làm việc tối u ng y ả v i ờng
yếu. Hệ thống làm việc v i l i dùng b oost ể tăng iện áp ra c p cho tải tr
vào b biến ổi DC/AC.
ánh sáng
khi
Hình 1.5. Sơ đồ nguyên lý mạch boost
ng của b tăng áp oost dự v o
Nguyên lý hoạt
l ợng của cu n dây.
tính l u trữ v tí h ph ng năng
Khi S ng ho d ng qua (TON) d ng iện từ nguồn chạy qua cu n dây, năng l ợng từ
tr ờng ợ tí h lũy trong u n dây Không
d ng iện chạy qu iốt D và dòng tải ợc
cung c p bởi tụ iện C.
Hình 1.6. Dạng sóng điện áp và dòng điện trên cuộn dây L khi S đóng
Khi
:
diL
v L Vd L
diL
dt
(i L ) closed
Vd DT
L
dt
Vd
L
Khi S mở (TOFF), d ng iện cảm ứng chạy vào tải qu
(1.1)
iốt ũng nh nạp lại cho tụ iện
C.
TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ & THỰC PHẨM – SỐ 03/2014
38
nguon tai.lieu . vn
TIỀM NĂNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP KỸ THUẬT KHAI THÁC HIỆU QUẢ NĂNG
LƢỢNG ĐIỆN TỪ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI Ở VIỆT NAM
Trần Văn Hải, Bùi Văn Hiền
Khoa CN KT Điện – Điện Tử Trường ĐH Công nghiệp Thực phẩm TP.HCM
TÓMTẮT
Bài báo này nghiên cứu về tiềm năng năng l ợng m t trời và các giải pháp kỹ thuật - công nghệ ể khai
thác hiệu quả năng l ợng iện từ năng l ợng m t trời ở Việt Nam. Dự tr n á phân tí h u iểm và nh ợc
iểm của các giải pháp kỹ thuật tr
ây, giải thuật d tìm iểm công su t cự ại cải tiến (D_PO) ợ ề xu t
nh m thu ợc công su t của nguồn năng l ợng iện m t trời là l n nh t. Kết quả thực nghiệm của mô hình thi
ông
hứng tỏ tính hiệu quả của giải thuật D_PO ề xu t.
POTENTIALSANDENGINEERINGSOLUTIONS TO EXPLOIT EFFECTIVELY
ELECTRICAL ENERGY FROM SOLAR ENERGY IN VIETNAM
ABSTRACT
This paperstudiesthe potentialsolar energyandengineering-technologysolutions to exploit effectively
electrical energy from solar energy in Vietnam. Basedontheanalysis ofadvantagesanddisadvantages oftheprior
engineeringsolutions, the algorithmimprovement max power point tracking (D_PO) is proposedto obtainthe
power ofsolarenergy which ismaximum. The experimental resultsof execution modelhave provedthe effectivity
ofthe proposedalgorithmD_PO.
I. GIỚI THIỆU
Trong các nguồn năng l ợng tái tạo, năng l ợng m t trời ng dần trở nên r t phổ biến
bởi vì chúng có nhiều u iểm trong ph ơng pháp phát iện, chí phí bảo d ỡng th p, an toàn
ho ng ời s dụng và không gây ô nhiễm môi tr ờng. Tuy nhiên, ở thời iểm hiện tại giá
thành pin m t trời còn khá cao. Công su t phát ra bởi pin m t trời lại phụ thu c trực tiếp vào
bức xạ, nhiệt
v iều kiện thời tiết Đ c tuyến công su t- iện áp (P-V) v d ng iện- iện
áp (I-V) của pin m t trời lại không tuyến tính, tr n ờng c tuyến
tồn tại m t iểm làm
việc cự ại (MPP) mà ở
ông su t phát ra của pin m t trời là l n nh t Nh ng iểm này
không phải là h ng số, h ng luôn th y ổi theo nhiệt
và bức xạ. Vì vậy, d tìm iểm làm
việc cự ại của pin m t trời (MPPT) phải ợc s dụng ể
pin m t trời luôn làm việc tại
iểm này, nh m nâng cao hiệu su t của pin m t trời.
Trên thế gi i
ph ơng pháp P&O [4]
nhiều nghiên cứu về MPPT: ph ơng pháp iện áp h ng số (k) [3],
Ph ơng pháp iện áp h ng số (k)
năng l ợng cung c p b gián oạn.
nh ợ
iểm là phụ thu c vào giá tr tối u k v
Ph ơng pháp P&O
nh ợ iểm là tố
áp ứng không theo k p v i th y ổi t
ng t của nhiệt
môi tr ờng và bức xạ m t trời, có sự d o ng iện áp gần iểm công su t
cự ại, gây tổn th t năng l ợng.
Để khắc phụ á nh ợ iểm củ h i ph ơng pháp tr n, nh m nghi n ứu
ph ơng pháp P&O cải tiến (D_P&O)
pin m t trời luôn làm việc tại iểm cự ại.
ề xu t
II. PHƢƠNG PHÁP TIẾP CẬN
1. Tiềm năng năng lƣợng mặt trời ở Việt Nam
Nguồn năng l ợng m t trời ợ ánh giá l nguồn năng l ợng dồi d o v
nhiên ban t ng r ng khắp toàn thế gi i (Hình 1.1).
TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ & THỰC PHẨM - SỐ 03/2014
ợc thiên
34
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ
Hình 1. Bản đồ cường độ bức xạ năng lượng mặt trời trung bình trên toàn thế giới
(Nguồn: national renewable energy laboratory (NREL); Illustration: Bryan Christie Design)
Việt N m ũng l quốc gia n m trong vùng
t ơng ối l n c biệt là các tỉnh phía nam (Hình 1.2)
ờng
bức xạ năng l ợng m t trời
Hình 1.2. Phân bố tổng số giờ nắng 3 tháng 1,2,3 năm 2011
Theo số liệu thống kê về ờng
bức xạ m t trời (kWh/m2/ngày) và số giờ nắng
(giờ/ngày) của các khu vực chính trong cả n c trong bảng 1.1 và 1.2 cho th y: khu vực từ Đ
Nẵng trở v o phí n m
ờng
bức xạ và số giờ nắng trung bình m t ng y t ơng ối cao
r t phù hợp ể kh i thá năng l ợng iện từ m t trời.
TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ & THỰC PHẨM – SỐ 03/2014
35
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ
Bảng 1.1. Số liệu cường độ bức xạ mặt trời trung bình cho các khu vực
Địa phƣơng
Quảng Ninh
H N i
Nghệ An
Đ Nẵng
TP.HCM
C M u
Ph Quố
1
2,1
2,1
1,8
3,5
5,1
5,3
5,0
2
2,2
2,2
2,2
4,3
6,3
5,5
5,5
3
2,5
2,3
2,3
5,2
6,6
6,2
5,7
4
2,5
3,3
3,3
5,8
5,7
5,3
5,7
Tháng (kWh/m2/ngày)
5
6
7
8
9
4,6 4,0 3,9 4,2 4,4
5,3 5,5 5,7 5,2 4,8
5,1 5,3 5,7 4,7 4,0
6,4 5,9 6,5 5,7 5,2
5,0 4,9 5,1 5,0 4,8
4,1 4,2 4,3 4,2 4,2
4,9 4,3 4,4 4,1 4,3
10
3,8
4,1
3,1
4,2
4,5
4,2
4,6
11
3,6
3,4
2,0
3,0
4,3
4,3
4,8
12
3,0
3,0
2,0
2,5
4,6
4,4
4,9
TB năm
3,4
3,8
3,4
4,8
5,2
4,6
4,8
Bảng 1.2. Số giờ nắng trung bình trong ngày theo từng tháng cho các khu vực
Địa phƣơng
1
Quảng Ninh 1,9
Hà N i
2,2
Nghệ An
2,6
Đ Nẵng
4,4
TP.HCM
7,9
Cà Mau
8,3
Phú Quốc
7,7
2
2,0
1,6
1,7
5,1
8,8
8,9
8,8
3
2,4
1,4
2,3
3,4
8,8
9,3
8,8
4
3,7
2,7
4,6
6,9
7,7
8,8
7,7
Tháng (giờ/ngày)
5
6
7
8
5,3 4,5 5,4 5,6
5,3 5,2 5,9 5,3
7,3 6,7 7,6 5,8
8,3 7,9 8,3 6,7
6,3 5,7 5,8 5,6
6,9 5,9 6,0 5,8
6,9 6,3 6,0 5,8
9
5,5
5,4
5,2
5,8
5,4
5,6
5,7
10
4,2
5,3
4,6
4,7
5,9
5,7
6,3
11
3,6
4,2
3,2
4,0
6,7
6,3
6,7
12
2,9
3,5
2,8
3,6
7,2
6,7
5,7
TB năm
3,9
4,0
4,5
5,8
6,8
7,0
6,4
2. Các giải pháp kỹ thuật khai thác hiệu quả năng lƣợng điện từ mặt trời ở Việt Nam
Các giải pháp
ợ
ề xu t nh m h
ng t i hai mục tiêu trọng iểm sau:
Giảm giá th nh phát iện trong phạm vi ch p nhận
h i của Việt N m trong t ơng l i
ợc phù hợp iều kiện kinh tế xã
Giải quyết á nh ợ iểm l n củ năng l ợng m t trời ũng nh năng l ợng tái tạo nói
chung về các m t công su t, giá th nh ầu t ,
phân tán và sự phụ thu c vào thiên nhiên.
2.1. Cấu trúc lại hệ thống điện
Hệ thống truyền tải quốc gia v i mô hình liên kết cứng (Hình 1.3) có nhiều u iểm
hiện tại, nh ng sẽ b t cập ối v i những nhà máy công su t nhỏ,
phân tán l n nh iện m t
trời.
V i những n t c thù củ iện m t trời ( phân tán, cục b ) r t phù hợp v i l i phân
tán ho c kết nối l i trong phạm vi hẹp, iều này sẽ giảm thiểu tổn th t ũng nh giảm th p
hi phí h l i, chi phí vận h nh v giá th nh án iện chắc chắc sẽ giảm theo.
TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ & THỰC PHẨM – SỐ 03/2014
36
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ
Hình 1.3. Mô hình hệ thống điện truyền thống
V i hệ thống iện thông minh (Hình 1.4), trong hệ thống iện á nh máy phát iện
ợc bố trí phân tán xen kẽ các trung tâm phụ tải v
c biệt sẽ có thêm các nhà máy phát
iện năng l ợng tái tạo tham gia vào hệ thống.
Hình 1.4. Mô hình hệ thống điện thông minh
2.3.Bộ chuyển đổi DC/DC (Converter)
B biến ổi DC DC ợc s dụng r ng rãi trong nguồn iện m t chiều (DC) ể chuyển
ổi nguồn DC không ổn nh thành nguồn iện DC có thể iều khiển ợc. Trong hệ thống
pin m t trời, b biến ổi DC DC ợc kết hợp ch t chẽ v i ph ơng pháp d tìm ông su t cực
ại (MPPT-Max Power Point Tracking). MPPT s dụng b biến ổi DC DC ể iều chỉnh
nguồn iện áp vào l y từ nguồn pin m t trời, chuyển ổi và cung c p iện áp l n nh t phù hợp
v i tải. B biến ổi DC/DC gồm m t khoá iện t , m t cu n cảm ể giữ năng l ợng, và m t
iôt d n dòng.
Việc chọn loại DC/DC nào dùng trong hệ PV còn tu thu c vào yêu cầu của ắc quy và
tải ối v i iện áp ra của dãy panel m t trời.
B giảm áp buck có thể nh ợ iểm làm việc có công su t tối u mỗi khi iện áp
v o v ợt quá iện áp ra của b biến ổi, tr ờng hợp này ít thực hiện ợ khi ờng
bức
xạ của ánh sáng xuống th p.
TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ & THỰC PHẨM – SỐ 03/2014
37
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ
B tăng áp oost [1]
thể nh iểm làm việc tối u ng y ả v i ờng
yếu. Hệ thống làm việc v i l i dùng b oost ể tăng iện áp ra c p cho tải tr
vào b biến ổi DC/AC.
ánh sáng
khi
Hình 1.5. Sơ đồ nguyên lý mạch boost
ng của b tăng áp oost dự v o
Nguyên lý hoạt
l ợng của cu n dây.
tính l u trữ v tí h ph ng năng
Khi S ng ho d ng qua (TON) d ng iện từ nguồn chạy qua cu n dây, năng l ợng từ
tr ờng ợ tí h lũy trong u n dây Không
d ng iện chạy qu iốt D và dòng tải ợc
cung c p bởi tụ iện C.
Hình 1.6. Dạng sóng điện áp và dòng điện trên cuộn dây L khi S đóng
Khi
:
diL
v L Vd L
diL
dt
(i L ) closed
Vd DT
L
dt
Vd
L
Khi S mở (TOFF), d ng iện cảm ứng chạy vào tải qu
(1.1)
iốt ũng nh nạp lại cho tụ iện
C.
TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ & THỰC PHẨM – SỐ 03/2014
38