Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN THỊ HỒNG HẠNH THIẾT KẾ NGUỒN ĐIỆN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI CÓ BỘ
TỰ ĐỘNG CHỌN ĐIỂM LÀM VIỆC CỰC ĐẠI THEO
PHƢƠNG PHÁP P&O (Perturb and Observe)

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN 2014

khoa học đề xuất: phương pháp P&O (Perturb and Observe), phương pháp sử
dụng mô hình của mạng nơron, giảm bậc Trong đó phương pháp P&O có xét

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

đến các yếu tố ảnh hưởng của nhiệt độ, cường độ sáng. Vì vậy, sau hai năm học
tập và nghiên cứu cùng với sự định hướng của thầy hướng dẫn TS. Ngô Đức Minh
em đã lựa chọn đề tài là “Thiết kế nguồn điện năng lượng Mặt trời có bộ tự động
chọn điểm làm việc cực đại theo phương pháp P&O (Perturb and Observe)”.
Luận văntrình bày bao quát cả một hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập
với đầy đủ các thành phần cần thiết trong hệ. Sau đó Luận văntập trung nghiên
cứu sâu hơn vào nguồn điện pin mặt trời gồm pin mặt trời, bộ DC/DC, phương
pháp và thuật toán điều khiển MPPT để thấy rõ đặc tính làm việc của pin thay
đổi dưới tác động của nhiệt độ thời tiết và so sánh nguyên lý làm việc, ưu nhược
điểm, khả năng ứng dụng của các thuật toán điều khiển MPPT nhằm để hệ pin
mặt trời được làm việc tối ưu nhất.
Luận văn gồm có 4 chương với nội dung tổng quan như sau:
Chương 1. Tổng quan về năng lượng mới và tái tạo.
Chương 2. Mạng điện khai thác năng lượng từ pin mặt trời.
Chương 3. Bộ theo dõi điểm làm việc cực đại.
Chương 4. Thiết kế hệ thống có khai thác năng lượng từ tấm pin mặt trời.
Trong quá trình thực hiện luận văn, em đã củng cố được những kiến thức
đã được học và tiếp thu thêm được một số kiến thức và kinh nghiệm mới về pin
mặt trời. Trên tất cả là em đã được học và rèn luyện được phương pháp làm
việc, nghiên cứu một cách chủ động hơn, linh hoạt hơn và đặc biệt là phương
pháp làm việc theo nhóm. Quá trình làm Luận vănthực sự đã rất có ích cho em
về nhiều mặt. Tuy nhiên bản luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, kính mong
nhận được sự góp ý của các thầy cô giáo và người đọc.
E xin bày tỏ sự biết ơn chân thành của mình tới thầy giáo TS. Ngô Đức
Minh đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện để em hoàn thành bản luận văn này.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

39 Tỷ lít etanol/năm 33 GWh NL Địa nhiệt 0,3-0,4 GW Pin Mặt trời
Các nguồn năng lượng hóa thạch đã được khai thác và sử dụng từ rất lâu
và đang dần cạn kiệt. Cùng với sự tăng trưởng về kinh tế, nhu cầu về năng lượng
cho sản xuất và đời sống ngày càng gia tăng do đó việc tìm kiếm các công nghệ
sử dụng NLTT như thủy điện nhỏ, năng lượng gió, năng lượng Mặt trời, năng
lượng sinh khối, năng lượng địa nhiệt… có ý nghĩa sống còn đối với nhân loại
và được sự quan tâm rộng rãi trên quy mô toàn thế giới.
Trong những năm cuối của thế kỷ XX và những năm gần đây, Thế giới
trong giai đoạn khủng hoảng năng lượng, cho nên công tác nghiên cứu, thăm dò,
khai thác và sử dụng NLTT được nhiều quốc gia chú ý và đạt được thành tựu
đáng kể. Đặc điểm chung của các nguồn NLTT là mặc dù chúng có mặt khắp
nơi trên Trái đất dưới dạng nước, gió, ánh sáng Mặt trời, rác thải… nhưng chúng
đều có chung một đặc điểm là phân tán, và không liên tục. Việc khai thác trên
quy mô công nghiệp đòi hỏi công nghệ cao và vốn đầu tư lớn. Trước mắt, khai
thác trên quy mô nhỏ, cục bộ cũng là rất thiết thực và đem lại hiệu quả to lớn.
Tiếp theo là hình thành mạng phân tán kết nối lưới – Đó là mô hình tất yếu của
một tương lai gần.
Cho đến nay với sự nỗ lực vượt bậc của các Nhà khoa học trên toàn Thế
giới và sự phát triển đồng bộ của các lĩnh vực khoa học, các nghiên cứu về tự
nhiên môi trường,… rất nhiều dạng năng lượng mới và tái tạo đã được đưa vào
khai thác sử dụng một cách khá hiệu quả. Ví dụ như: năng lượng gió, năng
lượng Mặt trời, thủy điện nhỏ, năng lượng từ đại dương, dầu thực vật phế thải
dùng để chạy xe, năng lượng từ tuyết, nguồn năng lượng địa nhiệt, khí Mêtan
hydrate, năng lượng từ sự lên men sinh học. Tuy nhiên, ở Việt Nam hiện nay với
đặc điểm và điều kiện tự nhiên chúng ta chỉ quan tâm đến các dạng năng lượng
chính là điện Mặt trời, phong điện, thủy điện nhỏ, địa nhiệt và năng thủy triều
sóng biển


Tiềm năng về năng lượng Mặt trời của các nước trên Thế giới là rất lớn.
Tuy nhiên, phân bố không đều, mạnh nhất ở vùng xích đạo và những khu vực
khô hạn, giảm dần về phía hai địa cực. Tiềm năng kinh tế của việc sử dụng năng
lượng Mặt trời phụ thuộc vào vị trí địa điểm trên Trái đất, phụ thuộc vào đặc

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

điểm khí hậu, thời tiết cụ thể của vùng miền. Theo số liệu thống kê bức xạ trung
bình của một địa điểm trên Thế giới vào khoảng 2000 kWh/m
2
/năm.
Bảng 1. 1 : Bảng tổng hợp tiềm năng của năng lượng Mặt trời
Khu vực
Bức xạ Mặt
trời
[1000 TWh]
Chỉ số chất lượng
trung bình DNI
[kWh/tháng/năm]
Công suất có thể
khai thác
[1000 TWh/năm]
North America
11,500
2410
1,150
South America
13,500
2330
1,350

cạn kiệt.
Vì vậy, sử dụng năng lượng Mặt trời như một nguồn năng lượng tại chỗ và
tiến đến kết nối lưới có ý nghĩa rất lớn về khoa học và thực tiễn. Góp phần đảm

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

bảo cho cân băng năng lượng bền vững. Tuy nhiên, việc ứng dụng năng lượng
Mặt trời ở Việt Nam cho đến nay chưa phát triển xứng với kỳ vọng.
Bảng 1. 2: Số liệu về bức xạ năng lượng Mặt trời của các vùng ở Việt Nam.
Vùng
Giờ nắng
trong năm
Bức xạ
kcal/cm
2
/năm
Khả năng
ứng dụng
Đông Bắc
1500-1700
100-125
Thấp
Tây Bắc
1750-1900
125-150
Trung bình
Bắc Trung Bộ
1700-2000
140-160
Tốt


1.3. Năng lƣợng gió
1.3.1. Sự hình thành năng lƣợng gió
Bức xạ Mặt trời chiếu xuống bề mặt Trái đất không đồng đều làm cho bầu
khí quyển, nước và không khí nóng không đều nhau. Một nửa bề mặt của Trái
đất (mặt ban đêm), bị che khuất không nhận được bức xạ của Mặt trời và thêm
vào đó là bức xạ Mặt trời ở các vùng gần xích đạo nhiều hơn ở các cực. Do đó,
hình thành sự chênh lệch về nhiệt độ và áp suất dẫn đến sự dịch chuyển của các
khối không khí tạo thành gió. Mặt khác, Trái đất tự quay tròn theo một trục
nghiêng 23
0
5 so với mặt phẳng quỹ đạo Trái đất quay xung quanh Mặt trời. Điều
này là nguyên nhân hình thành các quy luật thay đổi về thời tiết, khí hậu theo
mùa. Hình 1.2 minh họa cho sự hình thành gió. Hình 1. 2 Sự hình thành gió
Ngoài ra, gió còn chịu ảnh hưởng bởi địa hình tại từng địa phương, do
nước và đất có nhiệt dung khác nhau nên ban ngày đất nóng lên nhanh hơn
nước, tạo nên khác biệt về áp suất và vì thế có gió thổi từ biển hay hồ vào đất
liền. Vào ban đêm đất liền nguội đi nhanh hơn nước và hiệu ứng này xảy ra theo
chiều ngược lại. Như vậy, năng lượng gió là động năng của không khí di chuyển
trong bầu khí quyển Trái đất.
1.3.2. Tiềm năng gió
- Tiềm năng về năng lượng gió của một số nước trên Thế giới:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Năng lượng gió được nghiên cứu và triển khai với tốc độ rất nhanh trong
khoảng 10 năm gần đây. Biểu đồ trên hình 1.3 cho thấy tốc độ triển khai năng

tại một số điểm. Các số liệu đo gió ở độ cao trên đã xác định được vận tốc gió
thông qua công thức gần đúng sau:
V= V
1

1
h
h
1/5 (1.1)
Trong đó: + V: Vận tốc gió cần tìm trên độ cao h.
+ V
1
: Vận tốc gió đo được ở độ cao h
1
.
Tiềm năng gió của Việt Nam có thể đánh giá thông qua số liệu về gió của
Tổng Cục Khí tượng Thủy văn theo bảng 1.3
Bảng 1. 3: Sự phát triển của turbine gió từ 1985 đến 2004
Năm
Công suất (kW)
Đường kính rotor (m)
1985
50
15
1989
300
30
1992
500
37

vrP


(1.2)
- Máy phát điện sức gió: Máy phát làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng cơ
học thành năng lượng điện. Có nhiều thiết kế hệ thống máy phát điện chạy bằng
sức gió đã được ứng dụng phổ biến như: Máy phát điện một chiều, máy phát
điện xoay chiều đồng bộ nam châm vĩnh cửu, máy phát điện dị bộ nguồn kép,
V.V…Ví dụ, các máy phát được áp dụng trong một số mô hình khai thác trên
hình 1.4a,b.

Hình 1. 4 :
a) Sơ đồ máy phát điện sức gió;
b) Sơ đồ nối lưới của máy phát nối lưới không đồng bộ nguồn kép
1.4. Thủy điện nhỏ
1.4.1. Khái niệm chung về thủy điện nhỏ
Thủy điện nhỏ được hiểu một cách không thống nhất. Đa số các nước
phân loại thủy điện nhỏ có công suất dưới 10 MW, tuy nhiên Canađa phân loại
thủy điện nhỏ có công suất dưới 20 MW, Hoa Kỳ dưới 30 MW. Trong loại thủy
điện nhỏ, thủy điện mini có công suất dưới 500 kW, micro dưới 100 kW, trạm
a) b)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

pico có công suất dưới 5 kW. Trung Quốc là nước đứng đầu Thế giới về khai
thác thủy điện nhỏ.
Thủy điện nhỏ là nguồn năng lượng có hiệu quả kinh tế rất cao, được chú
ý rộng rãi trên toàn thế giới, đóng góp quan trọng cho cân bằng năng lượng của
mỗi quốc gia và đặc biệt có ý nghĩa cho bảo vệ môi trường.
1.4.2. Tiềm năng và tình hình khai thác ở Việt Nam

những dòng chảy (sông) lớn. Trong khi đó, thủy điện nhỏ lại khai thác từ nhiều
dạng thái thủy năng khác nhau từ các dòng chảy nhỏ, suối
- TN – Cơ năng – Máy xay, bơm nước
- TN – Cơ năng – Máy phát điện
Các trạm thủy điện nhỏ không có yêu cầu cao về công trình thủy công
như đập chắn, hồ chứa, bể xả, khả năng điều tiết mức nước. Nước từ thượng lưu
qua kênh dẫn hoặc đường ống tới hệ thống turbine-máy phát điện, biến đổi thủy
năng thành điện năng. Các trạm thủy điện công suất nhỏ (loại mini) có thể
không có đập chắn mà lợi dụng những dòng kênh thủy lợi.
Đối với một dòng chảy có lưu lượng Q (m
3
/s), độ chênh cột nước H (m),
tỷ trọng của nước ρ (kg/m
3
), η là hiệu suất truyền động, tao nên công suất P tính
bằng kW:
P = 9,81ρηQH (1.3)
Bảng 1.4 cho thấy quan hệ giữa công suất đặt của máy phát thủy điện nhỏ
theo lưu lượng và chiều cao cột nước.
Bảng 1. 4: Quan hệ công suất theo lưu lượng, chiều cao cột nước
Công suất P (W)
Chiều cao H (m)
Lưu lượng Q (l/s)
10
3-5
2
300
4-7
3
500

mô vừa và lớn trong các lĩnh vực như:
- Nhà máy điện địa nhiệt
- Trung tâm địa nhiệt
1.5.2. Tiềm năng của năng lƣợng địa nhiệt
- Tiềm năng địa nhiệt trên Thế giới:
Nhà máy điện địa nhiệt đầu tiên trên Thế giới được xây dựng từ năm 1904
ở Italia. Nhà máy địa nhiệt đầu tiên ở Hoa Kỳ được xây dựng từ năm 1922 cung
cấp nhiệt và điện cho khu nghỉ mát. Nhà máy điện địa nhiệt lớn nhất Thế giới
The Geysers của Hoa Kỳ có công suất 1360 MW được xây dựng từ năm 1960.
Điện lực Bắc California có các nhà máy điện địa nhiệt có tổng công suất 740
MW. Hoa Kỳ là nước khai thác địa nhiệt hàng đầu Thế giới. Năm 2005 Hoa Kỳ
đã hợp đồng xây dựng các nhà máy địa nhiệt tổng công suất 500 MW cho 11
nước. Mehicô là nước khai thác địa nhiệt thứ ba trên Thế giới, năm 2007 đã lắp
đặt 959 MW. Chiếm 3,24% điện năng toàn quốc. Iceland cũng là nước có tiềm
năng địa nhiệt lớn, điện địa nhiệt chiếm 19,1% và 87% nhiệt năng. Nguồn địa
nhiệt của Philipin đảm bảo 17,5% điện năng. Tiềm năng địa nhiệt Thế giới
khoảng 100 GW và đã được sử dụng vì mục đích thương mại trên 70 nước.
Năng lượng địa nhiệt đã cung cấp 1% nhu cầu năng lượng của Thế giới.
- Tiềm năng địa nhiệt ở Việt Nam.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Việt Nam có nguồn địa nhiệt phong phú, cả nước có hơn 300 nguồn nước
khoáng nóng có nhiệt độ bề mặt lên tới 105
0
C. Miền Bắc đã phát hiện và đăng
ký 119 nguồn hầu hết là nguồn nước nóng. Theo tính toán sơ bộ năng lượng địa
nhiệt của các tỉnh phía Bắc có thể dùng để phát điện bước đầu với công suất 100
MW. Bắc Trung Bộ cũng là vùng có nhiều triển vọng địa nhiệt có thể khai thác
công nghiệp phát điện từ 40 MW đến 60 MW tương đương với Nam Trung Bộ.


Các nghiên cứu địa chất, địa hóa cho thấy các nguồn địa nhiệt này đều có
chất lượng cao, phù hợp với các tiêu chuẩn quốc tế và mỗi địa điểm có thể đặt
nhà máy địa nhiệt quy mô thương mại khoảng 40-50 MW.
1.5.3. Công nghệ khai thác địa nhiệt
Có hai loại nguồn địa nhiệt:
- Các nguồn thủy nhiệt (nước nóng) là nguồn tương đối nông từ vài trăm
mét tới 3000 m. Chúng chứa nước nóng, hơi nước hoặc hỗn hợp, được khai thác

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

cho mục đích địa nhiệt thương mại du lịch và sấy sưởi,V.V Các nguồn thủy
nhiệt có thể cung cấp năng lượng trong khoảng 10-50 năm.
- Các nguồn nhiệt trong đá nóng nằm khá sâu trong lòng đất vào khoảng
4000 m và sâu hơn, hiện đang được tập trung nghiên cứu nhưng chưa được khai
thác thương mại. Các nguồn nhiệt trong đá nóng có thể cung cấp năng lượng lâu
dài. Năng lượng địa nhiệt có nhiều ưu điểm so với các nguồn năng lượng hóa
thạch truyền thống, là nguồn năng lượng sạch, có giá thành khai thác thấp, làm
việc liên tục nên có thể làm việc ở đáy đồ thị phụ tải. Tuy nhiên là hơi nước
trong lòng đất có chứa nhiều tạp hóa học chất dễ ăn mòn (có thể độc hại) và có
nhiệt độ tương đối thấp nên hiệu suất nhiệt động của các nhà máy điện địa nhiệt
bị hạn chế. Các vùng (bồn chứa) thủy nhiệt bao gồm nguồn đá nóng có tính
thẩm thấu lớn và chứa nước với nhiệt độ khoảng từ 100- 400
0
C. Chất lỏng này
còn chứa một lượng đáng kể các chất rắn không hòa tan và chất khí không
ngưng tụ. Các giếng khoan dùng để lấy chất lỏng địa nhiệt sâu khoảng 200-
3500m. Từ giếng khoa có hệ thống đường ống vận chuyển chất lỏng địa nhiệt
tới các thiết bị trong nhà máy điện. Thông thường, Các nguồn thủy nhiệt có
nhiệt độ cao trên 200

trong dòng chảy có tốc độ 1 - 2,5 m/giây, tùy thuộc vào vị trí và kích thước của
diều, mỗi TFcó công suất từ 150 đến 800 kW, và hoạt động ở các vùng nước sâu
50-300m. Các nhà khoa học rất kỳ vọng về diều TF và cho rằng đó là một nguồn
năng lượng tuyệt vời cho Trái đất.
- Tiềm năng ở Việt Nam
Kết quả đánh giá của Viện Khoa học Năng lượng Việt Nam, Việt Nam có
tiềm năng khai thác nguồn năng lượng thủy triều khá cao bởi có rất nhiều vũng,
vịnh, cửa sông, đầm phá và đặc biệt là có đường bờ biển dài trên 3.200km. Khu
vực Quảng Ninh, mật độ năng lượng thủy triều đạt khoảng 3,7 GWh/km
2
, Nghệ
An khoảng 2,5 GWh/km
2
và giảm dần đến khu vực Thừa Thiên Huế với 0,3
GWh/ km
2
. Về phía Nam, Phan Thiết là 2,1 GWh/km
2
, Bà Rịa - Vũng Tàu với
5,2 GWh/km
2Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

1.6.3. Công nghệ khai thác
Năng lượng do thủy triều và sóng biển tạo ra vô cùng to lớn và cũng rất
khó khai thác. Có hai giải pháp sử dụng năng lượng thủy triều và sóng biển:
- Sử dụng thế năng do độ chênh mức nước thủy triều trong ngày và theo
tháng để quay turbine phát điện.

, 16.000 tấn thép. Nhà máy làm
việc hoàn toàn tự động do máy tính PDP 8 điều khiển, có tính đến chu trình
nước biển, sự sẵn sàng hoạt động của thiết bị. Vào giờ thấp điểm của hệ thống
người ta sử dụng bơm để hỗ trợ tích nước trong hồ chứa. Sản lượng điện bình

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

quân một năm là 600 GWh tương đương công suất trung bình 68 MW. Nhà máy
điện thủy triều Annapolis Royal, vịnh Fundy Canađa công suất 18 MW, độ
chênh mức nước thủy triều 17 m. Nga có nhà máy điện thủy triều Vislaya Guba
12 MW. Do giá đầu tư lớn nên nhà máy điện thủy triều ít được phát triển.
- Nhà máy thủy điện sóng biển sử dụng động năng sóng biển và dòng hải
lưu để quay turbine và máy phát điện
Trong nhà máy sử dụng động năng sóng biển và dòng hải lưu, công suất P
(kW) được tính bằng:
3
2
1
AvP


(1.5)
Trong đó

là hiệu suất turbine,

là tỷ trọng của nước biển bằng 1025
kg/m
3
, A là diện tích cánh turbine, v là vận tốc dòng chảy (m/s).

quan tâm trên Thế giới, trong đó có Việt Nam. Trên cơ sở đó, định hướng
nghiên cứu cho đề tài, những nội dung chính của luận văn. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

CHƢƠNG 2
MẠNG ĐIỆN KHAI THÁC NĂNG LƢỢNG TỪ PIN MẶT TRỜI
2.1. Giới thiệu chung
Tấm pin mặt trời có thể đặt trực tiếp trên các mái nhà, tường nhà, công
trình công cộng ở các khu dân cư đông đúc. Với việc phát triển công nghệ chế
tạo pin mặt trời hiện nay, hiệu suất của các tấm pin ngày càng tăng lên nên các

xa hoặc trên các hải đảo xa xôi mà lưới điện quốc gia không đưa đến được. Mô
hình này không được kết nối với lưới điện, bao gồm các tấm pin năng lượng mặt
trời và hệ thống lưu trữ điện năng (ắc quy) nhằm đảm bảo việc cung cấp điện
được liên tục và hiệu quả kể cả vào lúc không có ánh sáng mặt trời như ban đêm
hay ngày trời nhiều mây.
Mô hình kiểu này thường được thiết kế cấp điện cho các ứng dụng sau:
- Hệ thống bơm nước
- Trạm đo thời tiết, trạm địa chấn hay các trạm thu thập dữ liệu khác
- Hệ thống báo hiệu trên đường, cảng biển hay sân bay
Hình 2.2. Mô hình hệ thống PV độc lập

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

- Các biển quảng cáo
- Hệ thống điện dự phòng thay thế cho các máy phát điện chạy dầu
Để đáp ứng được cho phụ tải, dung lượng của hệ thống tích trữ năng
lượng phải đủ lớn và bộ nghịch lưu phải điều chế được dạng sóng sin chuẩn để
có thể thích ứng được với nhiều loại phụ tải khác nhau.
2.2.2. Mạng điện có PV kếp hợp với các nguồn khác không kết nối lƣới
- Hệ thống kết hợp máy phát điện NLMT với máy phát điện khác như tua
bin gió, tuabin thủy điện nhỏ, bộ động cơ diesel, có đầy đủ lợi thế của tất cả
các nguồn năng lượng tiềm năng tại địa phương.
- Được sử dụng cho nhu cầu tải điện cao và liên tục.
- Các khách hàng phổ biến tại VN: Trạm viễn thông, nhà máy điện ở nông
thôn.

Hình 2.4. Mô hình PV kết nối lưới
Trong hệ thống này, dòng điện 1 chiều từ các tấm pin mặt trời sẽ được đi
qua các bộ biến đổi điện áp 1 chiều DC/DC, bộ nghịch lưu DC/AC và đồng bộ
với lưới điện. Năng lượng sẽ được chạy qua công tơ đo Watt-giờ để đo đếm điện
năng. Trong các hệ thống này, tùy theo yêu cầu vận hành và so sánh chi phí để
có thể trang bị bộ tích trữ lượng.
2.3. Các khối chức năng trong hệ thống điện có PV
Hình 2.5 mô tả sơ đồ khối của hệ thống điện có khai thác năng lượng từ
các tấm mặt trời.

2.3.1. Tấm pin mặt trời (Solar Panel)
Pin mặt
trời
Hình 2.5. Sơ đồ khối của hệ thống điện sử dụng năng lượng mặt trời
Bộ biến đổi
DC/DC
Ắc
quy
Bộ biến đổi
DC/AC
Tải
hoặc
lưới