Tìm hiểu năng lượng mặt trời và phương pháp thu công suất cực đại - Khóa luận tốt nghiệp

Khóa luận tốt nghiệp GVHD ThS Lê Ngọc Tuân i TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP 1 HỌ VÀ TÊN SINH VIÊN NHÓM SINH VIÊN ĐƯỢC GIAO ĐỀ TÀI 1) ĐÀO KHOA ĐĂNG KHOA MSSV 16082491 2) NGUYỄN TRƯỜNG TÂN MSSV 16065561 3) LÊ CÔNG HẬU MSSV 16075641 4) TRẦN MINH TRÍ MSSV 16065521 2 TÊN ĐỀ TÀI TÌM HIỂU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ PHƯƠNG PHÁP THU CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI 3 NHIỆM VỤ ( NỘI DUNG VÀ SỐ LIỆU BAN ĐẦU) Giai đoạn 1 Tìm hiểu pin mặt trời, chọn pin 20 W, vẽ.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN

PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

1 HỌ VÀ TÊN SINH VIÊN/ NHÓM SINH VIÊN ĐƯỢC GIAO ĐỀ TÀI

1) ĐÀO KHOA ĐĂNG KHOA MSSV: 16082491

2) NGUYỄN TRƯỜNG TÂN MSSV: 16065561

3) LÊ CÔNG HẬU MSSV: 16075641

4) TRẦN MINH TRÍ MSSV: 16065521

2 TÊN ĐỀ TÀI:

TÌM HIỂU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ PHƯƠNG

PHÁP THU CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI

3 NHIỆM VỤ ( NỘI DUNG VÀ SỐ LIỆU BAN ĐẦU)

Giai đoạn 1: Tìm hiểu pin mặt trời, chọn pin 20 W, vẽ khung mô hình, tính toán tỉ

lệ

Giai đoạn 2: Tìm hiểu về cách điều khiển tìm hiểu mpp

Giai đoạn 3: Lập trình động cơ bằng vi xử lí trên mô phỏng máy tính, tính toán các thông số, so sánh

Giai đoạn 4: Lắp đặt các linh kiện và thiết bị mô phỏng demo trong phòng với đèn điện ( tính toán thông số, sửa lỗi nếu có)

Giai đoạn 5: Xong hết 4 giai đoạn không có phát sinh lỗi thì đem mô hình ra ngoài

đo đạc và đánh giá

4 KẾT QUẢ DỰ KIẾN ( TÓM TẮT KẾT QUẢ DỰ KIẾN ĐẠT ĐƯỢC )

-Nguyên lý ứng dụng Các thuật toán MPPT thường được sử dụng

trong các thiết kế bộ điều khiển cho các hệ thống điện mặt trời Các thuật toán gồm các yếu

tố như bức xạ thay đổi ( ánh sáng mặt trời ) và nhiệt độ để đảm bảo rằng hệ thống PV tạo ra

công suất tối đa mọi lúc

- Phương pháp Tìm hiểu giải thuật PO và logic mờ và so sánh 2

phương pháp giải thuật này để chọn phương

pháp tối ưu nhất

- Tiêu chuẩn

- Chương trình máy tính

- Bản vẽ thiết kế Bản vẽ khung mô hình pin mặt trời, bản vẽ mô

hình động cơ điều hướng

- Báo cáo phân tích

- Đề án, quy hoạch

Loại IV

- Bài báo So sánh 2 phương pháp giải thuật của thầy

Nguyễn Thanh Thuận

- Sách chuyên khoa

- Giáo trình Giào trình điện tử công suất, năng lượng tái tạo

- Tài liệu phục vụ giảng

dạy ( bài giảng )

Slide năng lượng mặt trời của thầy Vũ Hoàng

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

GVHD: ThS.Lê Ngọc Tuân

MỤC LỤC

PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP i

1 HỌ VÀ TÊN SINH VIÊN/ NHÓM SINH VIÊN ĐƯỢC GIAO ĐỀ TÀI i

2 TÊN ĐỀ TÀI: i

TÌM HIỂU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ PHƯƠNG PHÁP THU CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI i

3 NHIỆM VỤ ( NỘI DUNG VÀ SỐ LIỆU BAN ĐẦU) i

4 KẾT QUẢ DỰ KIẾN ( TÓM TẮT KẾT QUẢ DỰ KIẾN ĐẠT ĐƯỢC ) ii

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN iv

Lời cảm ơn xiii

MỞ ĐẦU xiv

1 Đặt vấn đề xiv

2 Mục tiêu nghiên cứu xv

2.1 Mục tiêu lâu dài xv

2.2 Mục tiêu cụ thể xv

3 Đối tượng nghiên cứu xv

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu xv

4.1 Cách tiếp cận xv

4.2 Phương pháp nghiên cứu xv

5 Ý nghĩa thực tế xv

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU 1

1.1 Đặc điểm 1

1.2 Vị trí địa lý 2

1.2.1 Khái quát khí hậu Việt Nam 2

1.2.2 Cường độ bức xạ mặt trời tại các khu vực trên lãnh thổ Việt Nam 3

1.3 Nhu cầu năng lượng 7

1.3.1 Nhu cầu tiêu thụ điện năng ở Việt Nam 7

1.3.2 Những thuận lợi trong việc sử dụng những nguồn năng lượng mới 11

1.4 Xu hướng phát triển 12

1.5 Tình hình và điều kiện phát triển trên thế giới 13

1.5.1 Hai loại công nghệ điện mặt trời 13

1.5.1.1 Công nghệ hội tụ năng lượng mặt trời CSP 14

1.5.1.2 Công nghệ quang điện SPV 15

1.5.2 Tổng kết 18

1.6 Cơ sở vật lí của pin năng lượng mặt trời 20

1.6.1 Lịch sử phát triển pin mặt trời 20

1.6.2 Nguyên lý pin mặt trời 22

1.6.3 Nền tảng về pin mặt trời 23

1.6.4 Vật liệu và hiệu suất 23

1.7 Phân loại pin mặt trời 24

1.7.1 Pin mặt trời Mono 24

1.7.2 Pin Mặt Trời Poly 25

1.7.3 Pin mặt trời dạng phim mỏng 25

1.7.4 Pin Mặt trời nhạy cảm chất màu DSC (Dye - sensitized solar cell) 26

1.8 Các mô hình năng lượng mặt trời hiện nay 28

1.8.1 Thiết bị sấy khô dùng năng lượng mặt trời 28

1.8.2 Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời 28

1.8.3 Thiết bị đun nước nóng dùng NLMT 29

1.8.4 Hệ năng lượng mặt trời song song lai ghép nối lưới 30

1.8.5 Các nhà máy điện mặt trời lớn nhất thế giới 32

1.9 Hệ pin mặt trời làm việc độc lập 35

1.9.1 Thành phần lưu giữ năng lượng 35

1.9.2 Các bộ biến đổi bán dẫn trong hệ PV 36

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 41

2.1 Pin quang điện, cấu tạo và nguyên lý hoạt động 41

2.1.1 Cấu tạo 41

2.1.2 Nguyên lý hoạt động 42

2.1.3 Đặc tính làm việc của pin mặt trời 45

2.2 Các bộ biến đổi DC-DC trong hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập 49

2.2.1 Bộ biến đổi DC/DC 49

2.2.2 Điều khiển bộ biến đổi DC-DC 52

2.3 Các hệ thống điều hướng 53

2.3.1 Hệ thống điều hướng xoay theo 1 trục 54

2.3.2 Hệ thống điều khiển quay theo 2 trục 55

2.4 Phương pháp dò tìm điểm công suất cực đại MPPT 56

2.4.1 Giới thiệu chung 56

2.4.2 Nguyên lí cân bằng tải 57

2.4.3 Thuật toán xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất MPPT 57

2.4.3.1 Thuật toán nhiễu loạn và quan sát P&O 58

2.4.3.2 Thuật toán P&O trong điều kiện dãy PV bị bóng che một phần 60

2.4.4 Phương pháp điều khiển MPPT 60

2.4.5 Giới hạn của MPPT 60

2.5 Bộ lưu giữ năng lượng 61

2.5.1 Các đặc tính của ắc quy 62

2.5.1.1 Dung lượng 62

2.5.1.2 Điện áp ngưỡng thấp nhất 62

2.5.1.3 Điện áp hở mạch 63

2.5.2 Chế độ làm việc của ắc quy 63

2.5.2.1 Nạp ắc quy 63

2.5.2.2 Ắc quy phóng 63

2.5.3 Các chế độ nạp của bộ nguồn ắc quy 63

2.5.3.1 Nạp với dòng không đổi 64

2.5.3.2 Nạp với áp không đổi 64

2.5.3.3 Nạp nổi 65

Chương 3THUẬT TOÁN DÒ TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI (MPPT) 66

3.1 Giải thuật P&O (Perturb & Observe) 66

3.1.1 Lưu đồ giải thuật P&O 67

3.1.2 Nhược điểm giải thuật P&O 67

3.2 Giải thuật P&O cải tiến 69

3.2.1 Lưu đồ giải thuật P&O cải tiến 71

3.3 Phương pháp tăng tổng dẫn (Incremental Conductance) 71

3.3.1 Lưu đồ giải thuật tăng tổng dẫn 73

3.4 Nhận xét chung 73

Chương 4THI CÔNG MÔ HÌNH 75

4.1 Phân tích, chọn phương án và kích thước của mô hình 75

4.1.1 Phân tích và chọn phương án 75

4.1.2 Ưu điểm và nhược điểm phương án 75

4.2 Lựa chọn chi tiết cho mô hình 77

4.2.1 Lựa chọn chi tiết khung 77

4.2.2 Lựa chọn thiết bị 77

4.2.2.1 Động cơ servo 77

4.3 Cách thức vận hành 79

4.3.1 Phần điều khiển 79

4.3.1.1 Phần mềm 79

4.3.1.2 Adruino R3 79

4.3.1.3 Code 83

Tài liệu tham khảo 85

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Bản đồ tổng lượng bức xạ mặt trời toàn cầu trung bình/năm (Kwh/m2) 1

Hình 1.2 Khí hậu nhiệt đới gió mùa 2

Hình 1.3: Bản đồ bức xạ mặt trời tại Việt Nam 3

Hình 1.4 Modul thu và chuyển đổi năng lượng mặt trời 13

Hình 1.5: Nhà máy năng lượng mặt trời loại hội tụ nhiệt 14

Hình 1.6: Mô hình nhà máy điện mặt trời loại hội tụ nhiệt 15

Hình 1.7: Mô hình cấu tạo và nguyên lý của pin chất liệu Crystalline silicon 16

Hình 1.8: Tấm pin được làm bằng chất liệu Crystalline silicon 17

Hình 1.9: Tấm pin Thin-film solar cells 18

Hình 1.10: Cấu tạo nguyên tử chất bán dẫn loại p và loại n 22

Hình 1.11: Pin mặt trời Mono 24

Hình 1.12: Pin mặt trời Poly 25

Hình 1.13: Pin mặt trời dạng phin mõng 26

Hình 1.14: Pin Mặt trời nhạy cảm chất màu DSC 27

Hình 1.15: Thiết bị sấy khô dùng năng lượng mặt trời 28

Hình 1.16 : Bếp năng lượng Mặt Trời 29

Hình 1.17: Bộ thiết bị đung nóng năng lượng mặt trời 29

Hình 1.18 : Hệ thống pin mặt trời ghép song song với lưới 30

Hình 1.19: Hệ thống sản xuất điện mặt trời hòa lưới có lưu trữ 31

Hình 1.20: Nhà máy điện mặt trời Topaz Solar Farmlaf nhà máy điện quang số 1 với công suất lên đến 550 MW 33

Hình 1.21: Hệ thống nhà máy điện ở quảng ngãi 34

Hình 1.22 : Sơ đồ khối hệ quang điện làm việc đọc lập 35

Hình 1.23 : Bộ điều khiển MPPT trong hệ thống pin mặt trời 37

Hình 1.24: Bộ điều khiển sạc PWM 38

Hình 1.25: Bộ điều khiển sạc MPPT 39

Hình 2.1: Cấu tạo pin mặt trời 41

Hình 2.2: Nguyên lí làm việc của pin mặt trời 42

Hình 2.3: Hệ thống 2 mức năng lượng trong đó 𝐸1 < 𝐸2 42

Hình 2.4: Các vùng năng lượng 43

Hình 2.5: Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 44

Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 44

Hình 2.7: Đường đặc tính làm việc V-I của pin mặt trời 46

Hình 2.8: Sơ đồ tương đương của pin mặt trời 46

Hình 2.9: Đường cong đặc trưng V-I của pin mặt trời phụ thuộc vào cường độ bức xạ mặt trời 47

Hình 2.10: Đường cong đặc tính V-I của pin mặt trời phụ thuộc vào nhiệt độ của pin 48

Hình 2.11: Đường đặc tính tải và đặc tính của pin mặt trời 48

Hình 2.12: Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp Buck 50

Hình 2.13: Dạng sóng điện áp và dòng điện của mạch Buck 50

Hình 2.14: Mạch vòng điều khiển điện áp 52

Hình 2.15: Mạch vòng dòng điện phản hổi 53

Hình 2.16: Các loại mô hình 1 trục và 2 trục định hướng pin mặt trời 53

Hình 2.17: Hệ thống điều hướng quay theo 2 trục 55

Hình 2.18: Ví dụ tấm pin mặt trười mắc nối tiếp với một tải thuần trở có thể thay đổi được giá trị điện trở 56

Hình 2.19: Đường đặc tính làm việc của pin và tải thuần trở có giá trị điện trở thay đổi được 56

Hình 2.20: Đường đặc tính làm việc I-V của pin khi cường độ bức xạ thay đổi ở cùng một mức nhiệt độ 58

Hình 2.21: Đặc tính làm việc của I-V của pin khi nhiệt độ thay đổi ở cùng một mức cường độ bức xạ 58

Hình 2.22: Thuật toán dò tìm điểm làm việc có công suất lớn nhất P&O 59

Hình 2.23 Đường cong P-V trong điều kiện dãy PV bị bóng che một phần 60

Hình 3.1: Đặc tính công suất phụ thuộc và điện áp đầu ra 66

Hình 3.2: Lưu đồ giải thuật P&O 67

Hình 3.3 : Hệ pin PV phát năng lượng về với lưới 68

Hình 3.4: Khi chiêu độ thay đổi điểm công suất cực đại sẽ sai theo giải thuật P&O 68

Hình 3.5: Cấu tạo một cell PV 69

Hình 3.6: Lưu đồ giải thuật P&O cải tiến 71

Hình 3.7: đặc tuyến đường cong công suất PV 72

Hình 3.8: Lưu đồ giải thuật tăng tổng dẫn 73

Hình 4.1: Mô phỏng mô hình bằng Autocad 76

Hình 4.2: Mô hình thực tế 76

Hình 4.3: Sắt hộp 77

Hình 4.4: Cấu tạo bên trong động cơ servo AC đồng bộ 78

Hình 4.5 : Cấu tạo bên trong động cơ AC cảm ứng 78

Hình 4.6: Cấu tạo bên trong động cơ servo DC 78

Hình 4.7: Sơ đồ chân Arduino 79

Hình 4.8: Vi điều khiển At Mega 328 80

Hình 4.9: Bo mạch Adruino 82

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Số liệu về bức xạ mặt trời tại VN 5

Bảng 1.2 Lượng tổng xạ bức xạ mặt trời trung bình ngày của các tháng trong năm ở một số địa phương của nước ta, (đơn vị: MJ/m2 /ngày) 6

Bảng 1.3: Ưu điểm nhược điểm khi sử dụng năng lượng mặt trời 9

Bảng 1.4: Ưu điểm, nhược điểm khi sử dụng năng lượng gió 10

Bảng 4.1 Bảng thông chân Adruino Uno R3 80

Lời cảm ơn

Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, nhóm em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cô và bạn bè

Nhóm em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Lê Ngọc Tuân giảng viên Bộ môn

Mạch Điện Tử trường ĐH Công Nghiệp TPHCM người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo em trong suốt quá trình làm khoá luận tốt nghiệp

Nhóm em cũng xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong trường ĐH Công Nghiệp TP.HCM nói chung, các thầy cô bộ môn trong Khoa Công Nghệ Điện nói riêng đã tận tình truyền đạt cho nhóm em kiến thức về các môn đại cương cũng như các môn chuyên ngành, giúp em có được cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ nhóm em trong suốt quá trình học tập

Cuối cùng, nhóm em xin chân thành cảm ơn thầy cô, gia đình và bạn bè, đã luôn tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành đồ

án tốt nghiệp

Với điều kiện thời gian cũng như kinh nghiệm còn hạn chế của một sinh viên, đồ án này không thể tránh được những thiếu sót Nhóm em rất mong nhận được sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến của các thầy cô để nhóm em có điều kiện bổ sung, nâng cao kiến thức của mình, phục vụ tốt hơn công tác thực tế sau này

Chúng em chân thành cảm ơn !

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Nguồn năng lượng đóng vai trò quyết định nền văn minh của nhân loại Các nguồn năng lượng hóa thạch (dầu lửa, than đá) hiện nay đang được sử dụng phổ biến nhưng lại gây ô nhiễm môi trường và sẽ cạn kiệt trong một tương lai gần Nguồn năng lượng nguyên

tử thì không an toàn Trong khi đó mặt trời cung cấp một nguồn năng lượng vô cùng tận và gần như hoàn toàn miễn phí cũng như không sản sinh ra chất thải hủy hoại môi trường Tuy nhiên năng lượng mặt trời vẫn còn đang trong thời kỳ đầu của những ứng dụng vì nó đòi hỏi những đầu tư rất lớn cho thiết bị nhưng lại chỉ chuyển hóa được một lượng rất nhỏ năng lượng từ mặt trời sang dạng hữu ích Hơn nữa, năng lượng mặt trời lệ thuộc vào điều kiện

tự nhiên, không đủ ổn định để những thiết bị điện và điện tử có thể sử dụng một cách an toàn và hiệu quả Tận dụng tốt nguồn năng lượng này, phần lớn sẽ giải quyết được bài toán năng lượng của nhân loại

Để sản xuất điện mặt trời người ta thường sử dụng 2 công nghệ: nhiệt mặt trời và pin quang điện

Nhiệt mặt trời: năng lượng mặt trời được hội tụ nhờ hệ thống gương hội tụ để tập trung ánh sáng mặt trời tạo thành nguồn nhiệt có nhiệt độ cao làm bốc hơi nước, hơi nước sinh ra làm quay tuabin để sản xuất ra điện năng

Pin quang điện: được chế tạo từ các chất bán dẫn Điện năng được sinh ra khi có ánh sáng mặt trời chiếu đến Các tế bào quang điện có khả năng thể hiện chức năng này bằng cách nhận năng lượng mặt trời tách electron ra khỏi tinh thể bán dẫn tạo thành dòng điện Như vậy các tế bào quang điện dùng mặt trời là nguồn nhiên liệu

Ở đây nhóm đồ án tập trung vào lĩnh vực thứ hai , tức biến đổi trực tiếp quang năng thành điện năng Tuy nhiên nó có công suất không lớn và giá thành còn quá đắt Do đó để nâng cao công suất và giảm chi phí, nên nhóm đồ án tìm hiểu các phương pháp sao cho công suất của nguồn năng lượng mặt trời thu được là lớn nhất, từ đó nhóm đồ án thiết kế

và điều khiển tối ưu các bộ thu năng lượng mặt trời

Đề tài này cho ta cái nhìn tổng quan về hệ năng lượng mặt trời với các phương pháp

để thu được công suất cực đại trong hệ năng lượng mặt trời và bộ chuyển đổi DC-DC

2 Mục tiêu nghiên cứu

2.1 Mục tiêu lâu dài

Tìm hiểu về hệ năng lượng mặt trời với các phương pháp để thu được công suất cực đại trong hệ năng lượng mặt trời, bộ chuyển đổi DC-DC

2.2 Mục tiêu cụ thể

Tìm hiểu về hệ năng lượng mặt trời với các phương pháp để thu được công suất cực đại trong hệ năng lượng mặt trời, bộ chuyển đổi DC-DC có những nội dung như:

Tìm hiểu tổng quan về bộ chuyển đổi năng lượng DC-DC

Tìm hiểu về thuật toán MPPT

Tìm hiểu về hệ quang điện

3 Đối tượng nghiên cứu

Cấu tạo và nguyên lí làm việc của pin quang điện

Các loại thuật toán MPPT

Bộ chuyển đổi năng lượng DC-DC

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

4.1 Cách tiếp cận

Tham khảo tài liệu về bộ chuyển đổi năng lượng DC-DC và các loại thuật toán MPPT

Thực nghiệm trên mô hình

4.2 Phương pháp nghiên cứu

Thu thập, nghiên cứu tài liệu liên quan đến đề tài đồ án.

Từ xu hướng nghiên cứu về năng lượng tái tạo nhằm góp phần tiết kiệm năng lượng, cũng như giảm tải cho nguồn điện lưới quốc gia một phần năng lượng Nhưng chi phí cho một hệ thống pin mặt trời hiện nay còn quá cao, vậy ta phải tận dụng được công suất tối đa

có thể, trong mọi điều kiện thay đổi của môi trường Chính vì những lý do trên đề tài “ Tìm hiểu về hệ năng lượng mặt trời với các phương pháp để thu được công suất cực đại trong

hệ năng lượng mặt trời và bộ chuyển đổi DC-DC”

Với kết quả nhận được là:

Hiểu rõ và ứng dụng thành công hơn việc sử dụng nguồn năng lượng mặt trời dựa vào thuật toán MPPT và bộ chuyển đổi năng lượng từ DC-DC

Có thêm một hướng nhìn mới về việc phát triển nguồn năng lượng trong tương lai

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU

1.1 Đặc điểm

Trong thời kỳ công nghiệp hóa đất nước, không thể phủ nhận được vai trò to lớn mà nguồn năng lượng mặt trời đem lại cho chúng ta Việc phát huy và sử dụng nguồn năng lượng vô tận đó không chỉ giúp cho con người giải quyết được bài toán về sự thiếu hụt các nguồn tài nguyên khoáng sản trong tương lai mà còn góp phần cung cấp cho con người nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường…

Theo Hiệp hội năng lượng sạch tại Việt Nam, nước ta là một trong những quốc gia

có ánh nắng mặt trời nhiều nhất trong biểu đồ bức xạ mặt trời trên thế giới

Hình 1.1 Bản đồ tổng lượng bức xạ mặt trời toàn cầu trung bình/năm (Kwh/𝑚2)

Ở các vùng miền Trung và miền Nam của đất nước, với cường độ bức xạ mặt trời trung bình khoảng 5000 Kwh/m2 Trong khi đó cường độ bức xạ mặt trời lại thấp hơn ở các vùng phía Bắc, ước tính khoảng 4000 Kwh/m2 do điều kiện thời tiết với trời nhiều mây

và mưa phùn vào mùa Xuân và mùa Đông Tại các tỉnh Tây Nguyên và Nam Trung Bộ, số

giờ nắng đạt từ 2.000-2.600 giờ/năm Bức xạ mặt trời trung bình 150 kcal/m2, chiếm khoảng 2.000-5.000 giờ/năm, với ước tính tiềm năng lý thuyết khoảng 43.9 tỷ TOE (Ton

of Oil Equivalen) Năng lượng mặt trời ở Việt Nam có sẵn quanh năm, khá ổn định và phân

bố rộng rãi trên các vùng miền khác nhau trên đất nước Đặc biệt, số ngày nắng trung bình trên các tỉnh miền Trung và miền Nam là khoảng 300 ngày/năm Năng lượng mặt trời được khai thác sử dụng cho các mục đích như là sản xuất điện và cung cấp nhiệt

1.2 Vị trí địa lý

1.2.1 Khái quát khí hậu Việt Nam

Nước ta nằm hoàn toàn trong vành đai nhiệt đới Bắc bán cầu và nằm đúng vào khu vực gió mùa Đông Nam Đặc điểm này gây ảnh hưởng bao trùm lên nhiều yếu tố trong môi trường tự nhiên Việt Nam đặc biệt là các yếu tố khí hậu, thổ nhưỡng, thủy sản, thực vật Đặc trưng của khí nhiệt đới gió mùa là nhiều nắng, nhiều mưa, độ ẩm trung bình cao là điều kiện thuận lợi cho việc sử dụng pin mặt trời để chuyển đổi quang năng thành điện năng

Do chịu ảnh hưởng của gió mùa Đông Bắc, về mùa Đông nhiệt độ trung bình tháng lạnh nhất ở Bắc Bộ dao động từ 13℃ đến 17℃, ở Trung Bộ từ 17℃ - 27℃, ở Nam Bộ từ 27℃ - 30℃ Ngược lại trong thời kỳ gió mùa xích đạo, nhiệt độ cao và phân bố đồng đều trong cả nước Biên độ nhiệt trong năm chênh lệch nhiều giữa hai miền Nam, Bắc

Hình 1.2 Khí hậu nhiệt đới gió mùa

1.2.2 Cường độ bức xạ mặt trời tại các khu vực trên lãnh thổ Việt Nam

Hình 1.3: Bản đồ bức xạ mặt trời tại Việt Nam

Bức xạ mặt trời là một nguồn tài nguyên rất lớn tại Việt Nam Trung bình, tổng bức

xạ năng lượng mặt trời ở Việt nam là khoảng 5000 kWh/m2/ngày ở các tỉnh miền Trung và khoảng 4000 kWh/m2/ngày ở các tỉnh miền Bắc

Vùng Tây Bắc: Nhiều nắng vào các tháng 8, thời gian có nắng dài nhất vào các tháng

4, 5 và 9, 10 Các tháng 6, 7 rất hiếm nắng, mây và mưa rất nhiều Lượng tổng xạ trung bình ngày lớn nhất vào khoảng 5,234 kWh/m2/ngày và trung bình trong năm là 3,489 kWh/m2/ngày

Vùng Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ: Ở Bắc Bộ, nắng nhiều vào tháng 5 Còn ở Bắc Trung

bộ càng đi sâu về phía Nam thời gian nắng lại càng sớm, nhiều vào tháng 4 Tổng bức xạ trung bình cao nhất ở Bắc Bộ khoảng từ tháng 5, ở Bắc Trung Bộ từ tháng 4 Số giờ nắng trung bình thấp nhất là trong tháng 2, 3 khoảng 2h/ngày, nhiều nhất vào tháng 5 với khoảng 6h-7h/ngày và duy trì ở mức cao từ tháng 7

Vùng Trung Bộ: Từ Quảng Trị đến Tuy Hòa, thời gian nắng nhiều nhất vào các tháng giữa năm với khoảng 8h – 10h/ngày Trung bình từ tháng 3 đến tháng 9, thời gian nắng từ 5h-6 h/ngày với lượng tổng xạ trung bình trên 3,489 kWh/m2/ngày (có ngày đạt 5,815 kWh/m2/ngày)

Vùng phía Nam: Ở vùng này, quanh năm dồi dào nắng Trong các tháng 1, tháng 3, tháng 4 thường có nắng từ 7h sáng đến 17h Cường độ bức xạ trung bình thường lớn hơn 3,489 kWh/m2/ngày Đặc biệt là các khu vực Nha Trang, cường độ bức xạ lớn hơn 5,815 kWh/m2/ngày trong thời gian 8 tháng/năm

Tiềm năng điện mặt trời tốt nhất ở các vùng Thừa Thiên Huế trở vào Nam và vùng Tây Bắc Vùng Tây Bắc gồm các tỉnh Lai Châu, Sơn La, Lào Cai… và vùng Bắc Trung bộ gồm các tỉnh Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh… có năng lượng mặt trời khá lớn Mật độ năng lượng mặt trời biến đổi trong khoảng 300 đến 500 cal/cm2/ngày Số giờ nắng trung bình cả năm trong khoảng 1800 đến 2100 giờ Như vậy, các tỉnh thành ở miền Bắc nước ta đều có thể sử dụng hiệu quả

Còn ở miền Nam, từ Đà Nẵng trở vào, năng lượng mặt trời rất tốt và phân bố tương đối điều hòa trong suốt cả năm Trừ những ngày có mưa rào, có thể nói trên 90% số ngày trong năm đều có thể sử dụng năng lượng mặt trời cho sinh hoạt Số giờ nắng trung bình cả năm trong khoảng 2000 đến 2600 giờ Đây là khu vực ứng dụng năng lượng mặt trời rất hiệu quả

Bảng 1.1 Số liệu về bức xạ mặt trời tại VN

Qua bảng trên cho ta thấy nước ta có lượng bức xạ mặt trời rất tốt, đặc biệt là khu vực phía Nam, ở khu vực phía Bắc thì lượng bức xạ mặt trời nhận được là ít hơn

Lượng bức xạ mặt trời giữa các vùng miền là khác nhau và nó cũng phụ thuộc vào từng tháng khác nhau

Dưới đây là bảng số liệu lượng bức xạ trung bình các tháng ở các địa phương

Bảng 1.2 Lượng tổng xạ bức xạ mặt trời trung bình ngày của các tháng trong năm ở một số địa phương của

nước ta, (đơn vị: MJ/𝑚 2 /ngày)

8.72 19.11

10.43 17.6

12.7 13.57

16.81 11.27

17.56 9.37

Cái

18.81 17.56

19.11 18.23

17.6 16.1

13.57 15.75

11.27 12.91

9.37 10.35

11.23

12.65 12.65

14.25 14.25

16.84 16.84

17.89 17.89

17.47 17.47

Hà Nội)

8.76 20.11

8.63 18.23

9.09 17.22

12.44 15.04

18.94 12.4

19.11 10.66

21.79

8.13 16.39

9.34 15.92

14.5 13.16

20.3 10.22

19.78 9.01

22.84

14.87 20.78

18.02 17.93

20.28 14.29

22.17 10.43

21.04 8.47

16.68

20.07 15.29

20.95 16.38

20.88 15.54

16.72 15.25

15 16.38

18.94

15.29 16.51

16.38

15

15.54 15.75

15.25 15.75

16.38 10.07 Như vậy lượng tổng xạ nhận được ở mỗi vùng miền cũng khác nhau ở mỗi tháng

Ta nhận thấy rằng các tháng nhận được nhiều nắng hơn là tháng 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 Nếu sử dụng năng lượng mặt trời vào những tháng này thì cho hiệu suất rất cao

Tóm lại, Việt Nam là nước có tiềm năng về NLMT, trải dài từ vĩ độ 8° Bắc đến 23° Bắc, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao, với trị số tổng xạ khá lớn từ 100 – 175 kcal/cm2 trong năm, do đó việc sử dụng NLMT ở nước ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế lớn Giải pháp sử dụng năng lượng mặt trời hiện đang được cho là giải pháp tối

ưu nhất Đây là nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường và có trữ lượng vô

cùng lớn do tính tái tạo cao Đồng thời, phát triển ngành công nghiệp sản xuất pin mặt trời

sẽ góp phần thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch, giảm phát khí thải nhà kính, bảo vệ môi trường Vì thế, đây được coi là nguồn năng lượng quý giá, có thể thay thế những dạng năng lượng cũ đang ngày càng cạn kiệt Từ lâu, nhiều nơi trên thế giới đã sử dụng năng lượng mặt trời như một giải pháp thay thế những nguồn tài nguyên truyền thống

Khu vực Tây Bắc được đánh giá có tiềm năng năng lượng mặt trời vào loại khá trong toàn quốc do không bị ảnh hưởng nhiều bởi gió mùa và hoàn toàn có thể ứng dụng hiệu quả các công nghệ sử dụng năng lượng mặt trời tại khu vực Tây Bắc Bức xạ mặt trời trung bình năm từ 4,1 – 4,9 kWh/m2 /ngày

Số giờ nắng trung bình cả năm đạt từ 1800 – 2100 giờ nắng, các vùng có số giờ nắng cao nhất thuộc các tỉnh Điện Biên, Sơn La Thời điểm trong năm khai thác hiệu quả nhất NLMT tại khu vực Tây Bắc là vào tháng 3 đến tháng 9, trong khi vào các tháng mùa đông hiệu quả khai thác NLMT là rất thấp

1.3 Nhu cầu năng lượng

1.3.1 Nhu cầu tiêu thụ điện năng ở Việt Nam

Việt Nam là một trong những quốc gia giàu tiềm năng về năng lượng tái tạo như mặt trời, gió, nước, địa nhiệt, thủy triều và sinh khối Riêng năng lượng điện mặt trời, chúng ta may mắn có vị trí thuận lợi nằm gần xích đạo, nhờ vậy Việt Nam là một trong những quốc gia có thuộc nhóm nhận bức xạ nhiệt mặt trời nhiều nhất trên bản đồ bức xạ thế giới

Nhu cầu tiêu thụ điện năng ở Việt Nam luôn tăng trưởng với tốc độ rất cao, trung bình trong giai đoạn 2001-2010 lên tới 13% mõi năm Từ 2011 đến 2015 là 11% Việt Nam

từ một nước xuất khẩu năng lượng đã trở thành nước nhập khẩu ròng về năng lượng Sự thay đổi này sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến vấn đề an ninh nguồn cung năng lượng

Dự báo, tỷ trọng của năng lượng nhập khẩu trên tổng nguồn cung năng lượng sơ cấp

sẽ tăng lên 37,5% vào năm 2025 và 58,5% vào năm 2035 Điều này sẽ gây tác động lớn tới

an ninh nguồn cung năng lượng và Việt Nam sẽ phải phụ thuộc vào nhiên liệu nhập khẩu, đặc biệt là nguồn nhiên liệu hóa thạch Đến năm 2050, nhu cầu năng lượng trên toàn cầu sẽ tăng 50% và tạo ra một khoảng cách lớn về cân bằng cung - cầu điện Cũng theo dự báo, đến năm 2050 nhu cầu về năng lượng ở VN sẽ tăng lên 15 lần

Theo bà Aisma Vitina, cố vấn kỹ thuật, cơ quan năng lượng Đan Mạch, Chính phủ Việt Nam cần thực hiện những chính sách hỗ trợ để đạt được các mục tiêu của chiến lược phát triển năng lượng tái tạo nhầm nâng tỷ lệ năng lượng tái tạo trong tổng tiêu thụ năng lượng sơ cấp khoảng 31% vào năm 2020 và lên 32,3% vào năm 2030 Vì vậy, Việt Nam cần nhanh chóng hình thành thị trường về năng lượng tái tạo cũng như có chính sách về giá điện để thu hút đầu tư và thúc đẩy phát triển nhanh nguồn năng lượng tái tạo thông qua việc đáp ứng các tiêu chuẩn tỷ lệ năng lượng tái tạo trong hệ thống điện

Ngoài ra, Việt Nam cần có cơ chế thanh toán bù trừ cũng như có chính sách ưu đãi

và hỗ trợ cho phát triển và sử dụng năng lượng tái tạo bao gồm ưu đãi về thuế nhập khẩu

và thuế thu nhập doanh nghiệp, thậm chí là ưu đãi về đất đai và các ưu tiên cho các nghiên cứu liên quan đến phát triển và sử dụng tài nguyên năng lượng tái tạo, đồng thời có chính sách bảo vệ môi trường nhằm xây dựng quỹ phát triển năng lượng bền vững

Theo tính toán của EVN, để đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế với tốc độ tăng trưởng

từ 7,5% -8% và thực hiện được mục tiêu đến năm 2020 Việt Nam cơ bản trở thành một nước công nghiệp thì trong 20 năm tới nhu cầu điện sẽ phải tăng từ 15%-17% mỗi năm

Do đó, phương án đầu tư vào nguồn năng lượng tái tạo tỏ ra có hiệu quả đối với một quốc gia có nhiều điều kiện thuận lợi về địa lý như Việt Nam Theo Quyết định số 428/QĐ-TTG ngày 18/3/2016 của Thủ tướng Chính phủ phê duyệt điều chỉnh Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011-2020 có xét đến năm 2030 (Tổng sơ đồ phát triển điện 7 hiệu chỉnh) Kế hoạch và mục tiêu cho điện mặt trời quyết định này đã nêu rõ: Đưa tổng công suất nguồn điện mặt trời từ mức không đáng kể hiện nay lên khoảng 850 MW vào năm 2020, khoảng 4.000 MW vào năm 2025 và khoảng 12000 MW vào năm 2030; Điện năng sản xuất từ nguồn điện mặt trời chiếm tỷ trọng khoảng 0,5% năm 2020, khoảng 1,6% vào năm 2025 và khoảng 3,3% vào năm 2030 và 11% vào năm 2050

Năng lượng tái tạo được đánh giá là thân thiện nhất với môi trường và ít gây ảnh hưởng xấu về mặt xã hội Trong khi đó, đối với các nguồn năng lượng tái tạo khác có những hạn chế như: Xây dựng một nhà máy thủy điện cần yêu cầu diện tích lớn, di dời vùng dân

cư rộng, gây mất các vùng đất canh tác truyền thống, làm thay đổi điều kiện môi trường, hạn chế giao thông thủy, gây biến đổi địa chất, …; Xây dựng một nhà máy nhiệt điện luôn gây ô nhiễm môi trường nặng nề, nguồn nhiêu liệu hóa thạch là hữu hạn, giá ngày một tăng

cao; Xây dựng một nhà máy điện hạt nhân có nguy cơ ảnh hưởng tới sức khỏe lâu dài của người dân xung quanh nhà máy do khả năng rò rỉ bức xạ hạt nhân, bên cạnh đó nguyên liệu hạt nhân cũng phải nhập khẩu

Việc phát triển nguồn năng lượng tái tạo góp phần tạo ra nhiều công ăn việc làm cho người dân do nhu cầu cần một lực lượng lao động lớn thuộc các ngành nghề, lĩnh vực khác nhau

Gia tăng công việc là góp phần giúp gia tăng thu nhập cho người dân, tránh đi một phần gánh nặng xã hội

Bảng 1.3: Ưu điểm nhược điểm khi sử dụng năng lượng mặt trời

Sử dụng nguồn năng lượng tái tạo Giá thành còn khá cao

Giảm hóa đơn tiền điện Phụ thuộc vào thời tiết Ứng dụng đa dạng Lưu trữ điện mặt trời tốn kém

Chi phí bảo trì thấp Sử dụng nhiều không gian

Áp dụng công nghệ quản lí Chất thải do phế liệu tấm pin

Bảng 1.4: Ưu điểm, nhược điểm khi sử dụng năng lượng gió

Năng lượng gió là năng lượng sạch Gió là nguồn năng lượng giao động ( không liên tục)

và không phù hợp để đáp ứng nhu cầu năng lượng tái

cơ sở trừ khi sử dụng một số hình thức lưu trữ năng

lượng

Tiềm năng của nguồn năng lượng này rất lớn – gấp

20 lần so với những gì con người cần

Việc sản xuất và lắp đặt tua-bin gió đòi hỏi các khoản đầu tư lớn – cả trong các ứng dụng thương

mại và dân dụng

Năng lượng gió có thể tái tạo và không có cách nào

chúng ta có thể chạy ra khỏi nó (vì chúng bắt nguồn

từ mặt trời)

Tua bin gió là không gian hiệu quả đáng kinh ngạc

Chúng có thể tạo ra đủ điện để cung cấp năng lượng

cho 600 ngôi nhà

Chúng chỉ chiếm khoảng 2,5% tổng sản lượng điện

trên toàn thế giới, nhưng đang phát triển với tốc độ

hứa hẹn 25% mỗi năm (2010)

Tua bin gió có thể là mối đe dọa đối với động vật

hoang dã

Giá đã giảm hơn rất nhiều so với trước đây Tạo tiếng ồn

Chi phí vận hành thấp Làm thế nào tuabin gió trông thẩm mỹ cũng là một

mối quan tâm

Tiềm năng trong nước tốt: Tua bin gió dân dụng

mang lại sự tiết kiệm năng lượng và bảo vệ chủ nhà

khỏi sự cố mất điện

Qua các bảng so sánh trên cho ta thấy việc sử dụng năng lượng mặt trời có vai trò to lớn trong việc đóng góp nguồn năng lượng sạch cho quốc gia nói chung và cho quốc tế nói riêng

1.3.2 Những thuận lợi trong việc sử dụng những nguồn năng lượng mới

Thuận lợi đầu tiên phải kể đến khi phát triển nguồn năng lượng sạch tại Việt Nam là một ví trí địa lý thuận lợi so với các quốc gia khác trong khu vực Việt Nam nằm trong khoảng 80 – 230 vĩ độ Bắc thuộc khu vực nhiệt đới gió mùa, có 3000km bờ biển, mỗi năm

có 2 mùa gió chính là Đông Bắc và Đông Nam Theo báo cáo của Ngân hàng Thế giới WB, vùng có tiềm năng gió tốt chiếm khoảng hơn 8.6% diện tích lãnh thổ để xây dựng các trạm điện gió cỡ lớn Trong khi đó, số liệu này ở Campuchia là 0.2%, Thái Lan 0.2%, Lào là 2.9% Nếu xét tiêu chuẩn để xây dựng các trạm điện gió cỡ nhỏ phục vụ phát triển kinh tế

ở những khu vực khó khăn thì Việt Nam có đến 41% diện tích nông thôn

So sánh với con số này ở 3 quốc gia trên là 6%, 9% và 13% Tổng tiềm năng điện gió của Việt Nam khoảng 713,000 MW, tương đương 250 lần công suất của thủy điện Sơn

La và hơn 13 lần tổng công suất dự báo của ngành Điện năm 2020 Hai vùng giàu tiềm năng về điện gió ở Việt Nam là Sơn Hải (Ninh Thuận) và Mũi Né (Bình Thuận) với vận tốc trung bình có thể lên tới 6 – 7m/s và gió có xu thế ổn định, số lượng các cơn bão khu vực ít, thích hợp với các trạm điện gió công suất 3 – 3,5 MW

Nước ta cũng được thiên nhiên ưu ái khi có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao

Số giờ nắng trung bình khoảng 2000 – 2500 giờ/năm, tổng năng lượng bức xạ mặt trời trung bình khoảng 150kCal/cm2 Tiềm năng lý thuyết được các chuyên gia đánh giá khoảng 43,9

tỷ TOE/năm Trong đó, nhiều nhất phải kể đến các thành phố như Hồ Chí Minh, vùng Tây Bắc (Lai Châu, Sơn La…) và vùng Bắc Trung Bộ (Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh)

Bên cạnh đó, chính sách về phát triển năng lượng đã hình thành Nghị định Chính phủ được ban hành năm 2003 nhằm hướng dẫn thực thi quy định sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả

Luật Bảo vệ môi trường 2005, Điều 33 quy định Chính phủ xây dựng, thực hiện chiến lượng phát triển năng lượng sạch, năng lượng tái tạo nhằm tăng cường năng lượng quốc gia, đồng thời hợp tác quốc tế, huy động nguồn lực khai thác và sử dụng năng lượng tái tạo, lồng ghép chương trình phát triển năng lượng tái tạo với các chương trình phát triển kinh tế xã hội khác Luật cũng khuyến khích bằng cách hỗ trợ ưu đãi về thuế, vốn, đất đai,

để xây dựng cơ sở sản xuất sử dụng năng lượng tái tạo, năng lượng sạch thân thiện với môi trường cho các tổ chức, cá nhân tham gia vào ngành

Ngoài luật Bảo vệ môi trường, luật Điện lực 2004 cũng có những quy định khuyến khích việc khai thác sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo để phát điện Các dự án khi đầu

tư phát triển nhà máy phát điện sử dụng nguồn năng lượng tái tạo sẽ được hưởng ưu đãi về đầu tư, giá điện và thuế Các thành phần kinh tế khác nhau cũng được tạo điều kiện đầu tư phát triển sử dụng năng lượng tái tạo không gây ô nhiễm môi trường, đặc biệt ở khu vực nông thôn, miền núi, hải đảo và khuyến khích các tổ chức và cá nhân đầu tư xây dựng mạng lưới điện hoặc các trạm phát điện sử dụng năng lượng tái tạo

Về Chiến lược phát triển năng lượng quốc gia của Việt Nam đến năm 2020, tầm nhìn đến năm 2050 theo Quyết định 1855/QĐ-TTG của Thủ tướng Chính phủ ngày 27/12/2007, một điểm quan trọng là phát triển đồng bộ và hợp lý hệ thống năng lượng bao gồm điện, dầu, khí, than, năng lượng mới và tái tạo; trong đó quan tâm phát triển năng lượng sạch, năng lượng mới và tái tạo Thực hiện điều tra quy hoạch các dạng năng lượng mới và tái tạo chưa được đánh giá đầy đủ, tiến tới quy hoạch, phân vùng các dạng năng lượng này để

có kế hoạch đầu tư, khai thác hợp lý, tăng cường tuyên truyền sử dụng các nguồn năng lượng mới và tái tạo để cấp cho các khu vực vùng sâu, vùng xa, biên giới, hải đảo Hỗ trợ đầu tư cho các chương trình điều tra, nghiên cứu, chế thử, xây dựng các điểm điển hình sử dụng năng lượng mới và tái tạo; ưu đãi thuế nhập thiết bị, công nghệ mới, thuế sản xuất, lưu thông các thiết bị, bảo hộ quyền tác giả cho các phát minh, cải tiến kỹ thuật có giá trị Cho phép các cá nhân, tổ chức kinh tế trong và ngoài nước phối hợp đầu tư khai thác nguồn năng lượng mới và tái tạo trên cơ sở đôi bên cùng có lợi Ưu tiên bố trí nguồn vốn tín dụng

ưu đãi từ quỹ hỗ trợ phát triển, nguồn vốn ODA và các nguồn vốn vay song phương khác của nước ngoài cho các dự án năng lượng như: tìm kiếm thăm dò, phát triển nguồn năng lượng mới tái tạo, năng lượng sinh học Tập trung đào tạo, nâng cao trình độ chuyên môn của đội ngũ cán bộ quản lý, kỹ thuật và công nhân lành nghề; đào tạo bổ sung, đón đầu cho những ngành còn thiếu, còn yếu, nhất là các ngành năng lượng mới và tái tạo, năng lượng sinh học

1.4 Xu hướng phát triển

Nhu cầu năng lượng tăng mạnh, dự báo trong kịch bản cơ sở cho thấy, đến năm

2035, tổng nhu cầu năng lượng cuối cùng, tăng gấp gần 2,5 lần so với năm 2015