Giáo trình Điều khiển kỹ thuật cảm biến và điều khiển điện thông minh

ụng trong pin nhiên liệu hyrdo, tương tự 
như pin lưu trữ để cung cấp năng lượng cho động cơ điện. Trong cả hai trường hợp sản xuất 
quan trọng của hydrogen này đòi hỏi động cơ nhiệt có sức mạnh lớn, nên “được cái này, thì 
 88 
mất cái khác” những nhà máy sản xuất động cơ chạy bằng hơi nước sẽ xả khí thải nhiều 
hơn. Ngày nay, có một số phương pháp đầy hứa hẹn để sản xuất khí hydro chẳng hạn như 
năng lượng mặt trời, chúng ta có thể hy vọng vào một bức tranh tích cực hơn trong tương lai 
gần. 
  Năng lượng địa nhiệt 
 Năng lượng địa nhiệt là năng lượng được tách ra từ nhiệt trong tâm của Trái Đất. 
Nguồn năng lượng này xuất phát từ sự hình thành ban đầu của hành tinh, từ quá trình phân 
rã phóng xạ của các khoáng vật, và từ năng lượng mặt trời được hấp thụ tại bề mặt Trái Đất. 
Ở một số khu vực nhất định, độ dốc địa nhiệt (tăng dần nhiệt độ theo độ sâu) sẽ đủ cao để có 
thể khai thác và tạo ra điện. Công nghệ để khai thác năng lượng này còn bị giới hạn ở mộ vài 
địa điểm trên Trái đất cũng như còn tồn tại nhiều vấn đề kỹ thuật làm hạn chế tiện ích của 
nó. Một dạng năng lượng địa nhiệt khác là năng lượng Trái đất, đây là kết qủa của việc lưu 
trữ nhiệt trên bề mặt Trái đất. Dạng năng lượng này chỉ có thể dùng để duy trì nhiệt độ thoải 
mái trong các tòa nhà, chứ không thể sử dụng để sản xuất điện được. 
  Các dạng năng lượng tái tạo khác 
 Năng lượng từ thủy triều, đại dương và phản ứng tổng hợp hydro nóng là những dạng 
khác có thể được sử dụng để tạo ra điện. Những dạng năng lượng tái sinh này có những 
nhược điểm đáng kể vẫn đang được các nhà khoa học thảo luận để giải quyết trong cuộc 
khủng hoảng năng lượng sắp tới. 
 6.1.2. Vai trò năng lượng tái tạo 
 89 
  Các mô hình tính toán trên lý thuyết 
 Năng lượng tái tạo có tiềm năng thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch và năng 
lượng nguyên tử. Trên lý thuyết, chỉ với một hiệu suất chuyển đổi là 10% và trên một diện 
tích 700 x 700 km ở sa mạc Sahara thì đã có thể đáp ứng được nhu cầu năng lượng trên toàn 
thế giới bằng cách sử dụng năng lượng mặt trời. 
 Trong các mô hình tính toán trên lý thuyết người ta cũng đã cố gắng chứng minh là với 
trình độ công nghệ ngày nay, mặc dầu là bị thất thoát công suất và nhu cầu năng lượng ngày 
một tăng, vẫn có thể đáp ứng được toàn bộ nhu cầu về năng lượng điện của châu Âu bằng 
các tuốc bin gió dọc theo bờ biển phía Tây châu Phi hay là bằng các tuốc bin gió được lắp 
đặt ngoài biển (off-shore). 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. 
  Năng lượng tái tạo và hệ sinh thái 
 Người ta hy vọng là việc sử dụng năng lượng tái tạo sẽ mang lại nhiều lợi ích về sinh 
thái cũng như là lợi ích gián tiếp cho kinh tế. So sánh 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. Nhưng 
các ưu thế về sinh thái này có thực tế hay không thì cần phải xem xét sự cân đối về sinh thái 
trong từng trường hợp một. Thí dụ như khi sử dụng sinh khối phải đối chiếu giữa việc sử 
dụng đất, sử dụng các chất hóa học bảo vệ và làm giảm đa dạng của các loài sinh vật với sự 
mong muốn giảm thiểu lượng CO2. Việc đánh giá các hiệu ứng kinh tế phụ cũng còn nhiều 
điều không chắc chắn. Sử dụng năng lượng tái tạo rộng rãi và liên tục có thể tác động đến 
việc phát triển của khí hậu Trái Đất về lâu dài. Có thể hình dung đơn giản: dòng chuyển 
động của gió sẽ yếu đi khi đi qua các cánh đồng cánh quạt gió, nhiệt độ không khí giảm 
xuống tại các nhà máy điện mặt trời (do lượng bức xạ phản xạ trở lại không khí bị suy 
giảm). 
  Mâu thuẫn về lợi ích trong công nghiệp năng lượng 
 Khác với các nước đang phát triển, những nơi mà cơ sở hạ tầng còn chậm phát triển, 
việc mở rộng xây dựng các nguồn năng lượng tái tạo trong các nước công nghiệp gặp nhiều 
khó khăn vì phải cạnh tranh với các công nghệ năng lượng thông thường. Về phía các tập 
đoàn năng lượng mà sự vận hành các nhà máy điện dựa trên năng lượng hóa thạch, sự tồn tại 
vẫn là một phần của câu hỏi. Nhưng trong mối quan hệ này cũng là câu hỏi của việc tạo việc 
làm mới trong lãnh vực sinh thái cũng như trong lãnh vực của các công nghệ mới. 
 Hệ thống cung cấp điện đã ổn định tại các nước công nghiệp như Đức dựa trên một hạ 
tầng cơ sở tập trung với các nhà máy phát điện lớn và mạng lưới dẫn điện đường dài. Việc 
cung cấp điện phi tập trung ngày một tăng thông qua các thiết bị dùng năng lượng gió hay 
quang điện có thể sẽ thay đổi hạ tầng cơ sở này trong thời gian tới. 
 90 
  Mâu thuẫn về lợi ích trong xã hội 
 Việc sử dụng năng lượng tái tạo có thể làm cho việc can thiệp vào môi trường trở nên 
cần thiết, một việc có thể trở thành bất lợi cho những người đang sống tại đó. Một thí dụ cụ 
thể là việc xây đập thủy điện, như trong trường hợp của đập Tam Hiệp ở Trung 
Quốc khoảng 2 triệu người đã phải dời chỗ ở. 
6.2. Năng lượng mặt trời 
 6.2.1. Khái niệm và phân loại năng lượng mặt trời 
 a) Khái niệm 
 Năng lượng mặt trời là bức xạ ánh sáng và nhiệt từ mặt trời được con người khai thác 
và lưu trữ và chuyển đổi thành điện năng thông qua Tấm Pin Năng Lượng Mặt Trời. Đây là 
nguồn năng lượng gần như vô tận. 
 b) Phân loại năng lượng mặt trời. 
  Hệ thống năng lượng mặt trời độc lập (off grid solar system) 
 - Ưu điểm: Rất phù hợp cho những khu vực khó khăn về lưới điện, chưa có điện lưới 
quốc gia EVN 
 - Nhược điểm: 
 + Chi phí đầu tư ban đầu cao (chủ yếu ở ắc quy) 
 + Chi phí bảo dưỡng (bảo dưỡng ắc quy) lớn, tuổi thọ của hệ thống ắc qui không cao, 
chỉ khoảng 2-5 năm tùy loại ắc quy 
 + Hiệu suất chuyển đổi điện thấp (chủ yếu do hệ thống ắc qui, giữa chu trình phóng và 
chu trình nạp bị tiêu hao rất lớn) 
 91 
  Hệ thống điện mặt trời nối lưới (on grid solar system) 
 - Ưu điểm 
 + Chi phí đầu tư ban đầu thấp, không phải bỏ chi phí cho hệ thống ắc quy 
 + Phi phí bảo dưỡng thấp 
 + Hiệu quả chuyển đổi năng lượng rất cao 
 - Nhược điểm 
 +Về mặt chính sách, chưa được cho phép triển khai ở Việt Nam. Do hệ thống phát điện 
trực tiếp vào lưới, có thể khiến quay ngược đồng hồ khi tải trong hộ gia đình thấp. Ở các 
nước khác, ví dụ như Thái Lan, các hộ gia đình được khuyến khích triển khai hệ thống này, 
tiền điện cuối tháng sẽ được khấu trừ, đôi khi nhà nước còn phải trả ngược tiền phát điện cho 
các hộ gia đình. Hi vọng trong tương lai gần, Việt Nam cũng sẽ cho phép triển khai thực 
hiện chính sách này. 
 +Hệ thống chỉ hoạt động được khi có điện lưới, nếu mất điện lưới hệ thống cũng ngừng 
hoạt động 
  Hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới có dự trữ 
 Hệ thống kết hợp hai hệ thống trên, khắc phục nhược điểm mất điện khi không có điện 
lưới nhưng lại bao gồm thêm chi phí bảo dưỡng và thay thế ắc qui. 
 6.2.2. Vai trò năng lượng mặt trời 
 Tạo ra các máy nước nóng sử dụng nguồn nhiệt từ mặt trời để sử dụng trong sinh hoạt, 
bể bơi, 
 92 
 Các máy nước nóng năng lượng mặt trời 
 Hệ thống sưởi ấm từ năng lượng mặt trời áp dụng trong xây dựng, sử dụng các vật liệu 
nhiệt khối như đá, xi màng, nước,.. 
 Hệ thống xử lý nước sử dụng nhiệt mặt trời và điện năng lượng mặt trời để khử 
mặn hoặc khử khuẩn 
 Bếp năng lượng mặt trời, người ta cũng sử dụng kỹ thuật hội tụ ánh sáng mặt trời để 
tạo nhiệt phục vụ nấu ăn, điển hình là các bếp công nghiệp ở Ấn Độ đang phục vụ tới 35.000 
suất ăn mỗi ngày. 
 Lợi ích to lớn từ điện năng lượng mặt trời 
 Điện năng lượng mặt trời là nguồn điện được chuyển đổi từ năng lượng ánh sáng mặt 
trời thành điện năng, nên đầu tiên chúng ta có một nguồn tài nguyên có thể xem là vô tận để 
khai thác 
 Ý nghĩa kinh tế của điện năng lượng mặt trời 
 Nguồn cung cấp vô tận, chi phí sản xuất pin năng lượng mặt trời đang ngày càng giảm, 
sản lượng điện cung cấp đang tăng dần theo thời gian góp phần giảm giá thành tiêu thụ điện. 
 An ninh năng lượng 
 Điện năng lượng mặt trời trong tương lai có thể thay thế các hình thức sản xuất điện 
khác từ việc đốt nguyên liệu hóa thạch cũng như hạn chế thủy điện làm thay đổi hệ sinh thái 
 Lợi ích môi trường của điện năng lượng mặt trời 
 Điện năng lượng mặt trời được công nhận là nguồn năng lượng xanh, sạch và thân 
thiện với môi trường, công nghệ tái chế pin năng lượng mặt trời cũng dần hoàn thiện, theo 
thống kê năm 2014, lượng phát thải khí CO2 trung bình của điện năng lượng mặt trời là 
41g/kWh so với điện than là 820g/kWh và dầu khí là 490g/kWh 
 93 
 Ngoài ra, điện năng lượng mặt trời được ứng dụng sâu rộng trong đời sống của con 
người từ sinh hoạt đến sản xuất, có khả năng triển khai với quy mô rất đa dạng và phù hợp 
với mọi đối tượng. 
6.3. Năng lượng gió 
 6.3.1. Khái niệm 
 Điện gió - là một lĩnh vực của ngành năng lượng, chuyên về chuyển đổi động năng của 
không khí trong khí quyển thành điện năng, cơ năng, nhiệt năng, hay một dạng năng lượng 
khác để phục vụ cho nền kinh tế. Việc chuyển đổi này được thực hiện bằng các tổ hợp thiết 
bị, như máy phát điện bằng tua bin gió (để thu được điện năng), cối xay gió (để thu được cơ 
năng), cánh buồm (trong vận tải), v.v... 
 6.3.2. Các đại lượng liên quan đến năng lượng gió 
 Năng lượng gió có được nhờ hoạt động của mặt trời, vì vậy thuộc dạng tự tái tạo, dễ 
tiệm cận, sạch về sinh thái và có chi phí vận hành thấp. Các trạm điện tua bin gió lớn thường 
được nối với hệ thống điện, các trạm nhỏ hơn thường được xây dựng và vận hành để cung 
cấp điện cho những vùng ở xa lưới điện. 
 Việc phát triển điện gió thường gặp một số khó khăn mang tính kỹ thuật và kinh tế. 
Khi tỷ trọng của điện gió trong lưới điện tăng lên, sự không ổn định của gió sẽ làm gia tăng 
sự không ổn định trong cung cấp điện, đòi hỏi phải áp dụng công nghệ thông minh trong vận 
hành và quản lý hệ thống phân phối điện. 
 6.3.3. Khảo sát bộ thực hành tua bin gió 3 pha 400W 
 Các thành phần của tuabin gió và các thông tin kỹ thuật 
 Bắt đầu tốc độ gió 1,5m / s 
 Tốc độ gió đánh giá 12m / s 
 Cắt-tốc độ gió 2m / s 
 Điện áp định mức 12V / 24V 
 Công suất định mức 400W/430W 
 Năng lượng tối đa 400W/430W 
 Chất liệu cánh Sợi thủy tinh 
 Số cánh quạt 5 
 Đường kính quạt 0.6m 
 Tốc độ gió an toàn 40m / s 
 Tổng trọng lượng 
 Điều kiện môi trường không giới hạn 
 94 
 Nhiệt độ Tua bin gió là -20 ~ + 85  
 Độ ẩm Tua bin gió là ≤90% 
 Độ cao ≤4500m ( điều kiện độ cao đánh 
 giá là 1000m ) 
 Tốc độ gió tối đa ≤35m / s , tốc độ gió tối đa tức 
 thời ≤50m / s 
 Gió chiều cao lắp đặt tuabin 3.5m ~ 13m (phụ thuộc) 
 Công suất ra 
 Tốc độ gió Công suất ra 
 2m / s 1.5W 
 4m / s 10W 
 7m / s 80W 
 8m / s 100W 
 9m / s 250W 
 10m / s 350W 
 12m / s 450W 
 Trên 15m / s 650W 
 6.3.4. Vận hành bộ thực hành tích hợp năng lượng mặt trời và năng lượng gió giám 
sát bằng máy tính. 
 Xây dựng và vận hành mô hình hệ thống điều khiển nguồn lai gió và mặt trời trên phần 
mềm Matlab/Simulink 
6.4. Lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời 
 6.4.1. Khảo sát các phần tử trên hệ thống điện năng lượng mặt trời. 
 Sơ cấu trúc điều của khiển hệ thống điện mặt trời nối lưới 
 95 
 - Khối Modul quang điện (PV). 
 - Khối dò điểm công suất tối đa. 
 - Khối biến đổi một chiều - một chiều (DC/DC). 
 - Khối biến đổi Một chiều - Xoay chiều có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều tại DC 
bus thành điện áp xoay chiều hình sin 1 pha hoặc 3 pha có tần số 50Hz để nối với lưới điện 
quốc gia hoặc vi lưới ốc đảo (Island Microgrid). 
 - Khối lọc có nhiệm vụ lọc các sóng hài của điện áp và dòng điện do bộ biến đổi gây ra. 
 - Khối đồng bộ hóa lưới 
 - Khối điều khiển 
 6.4.2. Lắp đặt hệ thống điện năng lượng mặt trời. 
 Quy trình lắp đặt 1 hệ thống điện mặt trời 
 - Khảo sát hệ thống phù hợp với nhu cầu sử dụng 
 Hệ thống điện mặt trời được chia làm 3 loại: 
 Hệ thống điện mặt trời hòa lưới: Đây là hệ thống được sử dụng phổ biến nhất, sử dụng 
cho các hộ gia đình, sản xuất, kinh doanh. Lượng điện được tạo từ hệ thống sẽ cung cấp cho 
nhu cầu sử dụng trong gia đình vào ban ngày. Lượng điện dư thừa không sử dụng đến sẽ 
được hòa vào lưới điện quốc gia. 
 Hệ thống điện mặt trời độc lập: Điện sản xuất được tích trữ trong ắc quy. Hệ thống này 
phù hợp cho những nơi điện lưới không ổn định, hoặc muốn sử dụng phòng trường hợp cúp 
điện, có điện sử dụng vào ban đêm. 
 Hệ thống điện mặt trời hòa lưới có lưu trữ (Hybrid): Đây là hệ thống thông minh, kết 
hợp giữa 2 hệ thống điện mặt trời trên, nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng điện cả ban ngày và 
ban đêm. 
 Tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng của gia đình, đội ngũ lắp đặt sẽ tư vấn hệ thống phù 
hợp với các thông số cụ thể. 
 96 
 Hệ thống điện năng lượng mặt trời áp mái 
 - Lựa chọn hướng và góc phù hợp để lắp đặt hệ thống NLMT 
 Sau khi xác định hệ thống lắp đặt là quá trình khảo sát địa điểm lắp đặt. Việc khảo sát 
này sẽ làm cơ sở để lên thiết kế khung giàn, hướng lắp đặtgiúp hệ thống phát huy hiệu quả 
cao nhất. Bằng việc tạo góc nghiêng 10-15 độ về hướng nam, giàn pin sẽ đón được ánh nắng 
mặt trời được nhiều nhất từ đó sản lượng điện sản xuất ra cũng ở mức cực đại. 
 Tại sao không được bỏ qua quá trình khảo sát thực tế trước khi lắp đặt hệ thống điện 
năng lượng mặt trời? 
 - Đảm bảo cho việc lắp đặt các tấm pin lắp trên mái nhà tạo độ mát mẻ, tạo thẩm mỹ 
cho ngồi nhà của bạn. 
 - Đảm bảo hệ thống đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật về điện của điện lực Việt Nam (EVN). 
 - Dễ dàng hơn trong việc thi công, lắp đặt hệ thống. 
 - Thiết kế hệ thống đúng và đủ – phù hợp nhất với điều kiện lắp đặt thực tế. 
 97 
 Lắp đặt đúng hướng với độ nghiêng thích hợp giúp hệ thống phát huy hiệu quả tối đa 
 Một số lưu ý khi lắp đặt hệ thống pin mặt trời trên mái nhà: 
 - Hệ thống pin nên được thiết kế có khoảng cách giữa pin mặt trời và mái/sàn để đảm 
bảo thông gió tản nhiệt. 
 - Nguồn điện mà pin mặt trời phát ra là dòng điện một chiều DC ở mức có thể gây 
nguy hiểm do đó trong quá trình lắp đặt cần có các trang bị bảo hộ lao động phù hợp, sử 
dụng găng tay và giày bảo hộ khi lắp đặt. 
 - Không đứng lên các tấm pin có thể gây vỡ hoặc xước bề mặt kính. 
 - Không lắp đặt các tấm pin bị ướt hoặc lắp đặt trong điều kiện mưa gió. 
 - Pin phát ra điện 1 chiều nên cần chú ý đấu đúng cực trong quá trình lắp đặt. 
 - Đảm bảo các mối nối phải được cách điện đúng kỹ thuật. 
 - Hệ thống giá đỡ phải đảm báo chắc chắn trong điều kiện gió bão. 
 Ngoài ra, nên lựa chọn giá đỡ cho hệ thống năng lượng mặt trời, dụng loại được làm từ 
chất liệu inox hoặc nhôm. Vì chúng rất bền có thể sử dụng lâu dài và tạo sự chắc chắn cho 
bộ khung. Để đảm bảo chịu được gió bão và các tác động khắc nghiệt của thời tiết. 
 98 
 XÁC NHẬN KHOA 
 Bài giảng môn học/mô đun “..” đã bám sát các nội 
dung trong chương trình môn học, mô đun. Đáp ứng đầy đủ các nội dung về kiến thức, kỹ 
năng, năng lực tự chủ trong chương trình môn học, mô đun. 
Đồng ý đưa vào làm Bài giảng cho môn học, mô đun........................................ thay thế cho 
giáo trình. 
 Người biên soạn Lãnh đạo Khoa 
 ( Ký, ghi rõ họ tên) ( Ký, ghi rõ họ tên)