Đánh giá tiềm năng giảm phát thải carbon của Điện mặt trời thông qua mô phỏng thiết kế, lắp Đặt và vận hành tại khu công nghiệp yên phong, tỉnh bắc ninh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG KHOA HỌC LIÊN NGÀNH VÀ NGHỆ THUẬT NGUYỄN HÙNG CHU ĐÁNH GIÁ TIỀM NĂNG GIẢM PHÁT THẢI CARBON CỦA ĐIỆN MẶT TRỜI THÔNG QUA MÔ PHỎNG THIẾT KẾ, LẮP ĐẶT VÀ VẬN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG KHOA HỌC LIÊN NGÀNH VÀ NGHỆ THUẬT

NGUYỄN HÙNG CHU

ĐÁNH GIÁ TIỀM NĂNG GIẢM PHÁT THẢI CARBON CỦA ĐIỆN MẶT TRỜI THÔNG QUA MÔ PHỎNG THIẾT KẾ, LẮP ĐẶT VÀ VẬN HÀNH

TẠI KHU CÔNG NGHIỆP YÊN PHONG, TỈNH BẮC NINH

DỰ ÁN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG KHOA HỌC LIÊN NGÀNH VÀ NGHỆ THUẬT

NGUYỄN HÙNG CHU

ĐÁNH GIÁ TIỀM NĂNG GIẢM PHÁT THẢI CARBON CỦA ĐIỆN MẶT TRỜI THÔNG QUA MÔ PHỎNG THIẾT KẾ, LẮP ĐẶT VÀ VẬN HÀNH

TẠI KHU CÔNG NGHIỆP YÊN PHONG, TỈNH BẮC NINH

DỰ ÁN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

Chuyên ngành: BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

Mã số: 8900201.01QTD

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Ngọc Trực

(chữ kí của CBHD)

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan dự án tốt nghiệp này công trình nghiên cứu do cá nhân tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS NGUYỄN NGỌC TRỰC, không sao chép các công trình nghiên cứu của người khác Số liệu và kết quả dự án tốt nghiệp chưa từng được công bố ở bất kì một công trình khoa học nào khác

Các thông tin thứ cấp sử dụng trong dự án tốt nghiệp là có nguồn gốc rõ ràng, được trích dẫn đầy đủ, trung thực và đúng qui cách

Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm về tính xác thực và nguyên bản của dự án tốt nghiệp

Tác giả

Họ và tên học viên

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC BẢNG vi

DANH MỤC HÌNH vii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ XÂY DỰNG DỰ ÁN ĐÁNH GIÁ TIỀM NĂNG GIẢM PHÁT THẢI CARBON CỦA ĐIỆN MẶT TRỜI TẠI NHÀ MÁY SAMSUNG DISPLAY VIỆT NAM 6

1.1 Các nghiên cứu khoa học về tiềm năng giảm phát thải carbon của điện mặt trời 6

1.1.1 Một số khái niệm 6

1.1.2 Các nghiên cứu trên thế giới 7

1.1.3 Các nghiên cứu tại Việt Nam 8

1.2 Giới thiệu chung về dự án đánh giá tiềm năng giảm phát thải carbon của điện mặt trời tại nhà máy samsung display Việt Nam 9

1.2.1 Vị trí địa lý của dự án 9

1.2.2 Thông số kỹ thuật của phân xưởng sản xuất 10

1.3 Cơ sở số liệu thực hiện dự án 11

1.3.1 Nguồn số liệu từ các trạm khí tượng 11

1.3.2 Nguồn số liệu về thông số lắp đặt 14

1.3.3 Nguồn số từ phần mềm 14

CHƯƠNG 2 TỔ CHỨC THỰC HIỆN DỰ ÁN ĐÁNH GIÁ TIỀM NĂNG GIẢM PHÁT THẢI CARBON CỦA ĐIỆN MẶT TRỜI 15

2.1 Cơ sở khoa học về sử dụng năng mặt trời 15

2.1.1 Bức xạ mặt trời 15

2.1.2 Công nghệ năng lượng mặt trời 17

2.2 Cơ sở khoa học về hệ thống pin quang điện mặt trời 19

2.2.1 Cấu tạo hệ thống pin quang điện mặt trời 19

2.2.2 Tế bào quang điện, mô đun quang điện, chuỗi quang điện và mảng quang điện 20 2.2.3 Đặc điểm cơ bản của pin quang điện 21

2.3 Phương pháp dự tính sản lượng điện, chi phí và tiềm năng giảm phát thải carbon

bằng phần mền PVsyst 25

2.3.1 Giới thiệu về phần mềm PVsyst 25

2.3.2 Các bước dự tính sản lượng điện, chi phí và tiềm năng giảm phát thải carbon 26

2.4 Trình tự phân tích đánh giá tiềm năng giảm phát thải carbon của điện mặt trời thông qua mô phỏng thiết kế, lắp đặt và vận hành 27

2.4.1 Tính toán công suất lắp đặt 27

2.4.2 Tính toán mô phỏng bóng râm 27

2.4.3 Tính toán góc nghiêng 27

2.4.4 Tính toán góc phương vị (Azimuth, ) 28

2.4.5 Chọn tấm mô đun quang điện và inverter 28

2.4.6 Ước tính chi phí 31

CHƯƠNG 3 TIỀM NĂNG GIẢM PHÁT THẢI CARBON CỦA ĐIỆN MẶT TRỜI TẠI NHÀ MÁY SAMSUNG DISPLAY VIỆT NAM 34

3.1 Sản lượng điện và tỷ lệ hiệu xuất trung bình hằng năm 34

3.2 Tổn thất của hệ thống 35

3.3 Ước lượng chi phí sản xuất điện quy dẫn (LCOE) 37

3.4 Ước lượng khả năng giảm phát thải khí CO2 tương đương(carbon dioxide equivalent: CO2e) của dự án 39

3.4.1 Tổng quan về Đánh giá vòng đời 39

3.4.2 Công thức ước tính lượng giảm phát thải CO2e 42

3.4.3 Ước tính lượng giảm phát thải CO2e cho dự án 43

KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 48

TÀI LIỆU THAM KHẢO 50 PHỤ LỤC

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt Nguyên nghĩa

C Là tốc độ ánh sáng trong môi trường (m/s)

Co Là tốc độ ánh sáng trong chân không (m/s)

∁0 Là hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối

LCOE Chi phí sản xuất điện quy dẫn

T Nhiệt độ bề mặt mặt trời (xem như vật đen tuyệt

ρ Mật độ dòng bức xạ trực xạ chiếu đến 1m2 bề

mặt phía trên cùng của lớp khí quyển của trái đất

φD-T Là hệ số góc bức xạ giữa trái đất và mặt trời

η Hệ số chuyễn đổi năng lượng mặt trời

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 Lượng phát thải CO2e (g/kWh) của các dạng phát điện chính [17] 1 3

Bảng 1.1 Nhiệt độ không khí trung bình (0C) tại trạm quan trắc trên địa bàn tỉnh Bắc Ninh [46] 12

Bảng 1.2 Số giờ nắng các tháng tại trạm quan trắc trên địa bàn tỉnh Bắc Ninh [46] 12

Bảng 1.3 Lượng mưa các tháng tại trạm quan trắc trên địa bàn tỉnh Bắc Ninh [46] 13

Bảng 1.4 Độ ẩm tương đối trung bình các tháng tại trạm quan trắc trên địa bàn tỉnh Bắc Ninh [46] 13

Bảng 1.5 Dữ liệu khí tượng theo tháng của dự án [48] 14

Hình 2.1 Phổ bức xạ điện từ [49] 16

Hình 2.2 Góc nhìn mặt trời [50] 17

Hình 2.3 Quá trình truyền năng lượng mặt trời qua các lớp khí quyễn của trái đất [50] 17

Bảng 2.1: Bức xạ năng lượng mặt trời hàng năm và mức tiêu thụ năng lượng của con người [54] 19

Bảng 2.2 Các thông số chính của thiết bị được sử dụng trong hệ thống điện mặt trời áp mái của dự án 30

Bảng 2.3 Ước tính chi phí ban đầu khi đầu tư thiết bị cho dự án điện mặt trới áp mái với công suất lắp đặt 1436 KWp 32

Bảng 2.4 Ước tính chi phí hoạt động trong 1 năm 33

Bảng 3.1 Thông số bức xạ của địa điểm đề xuất và sản lượng điện năng hàng tháng 34

Bảng 3.2 Hệ số phát thải của các loại hình phát điện khác nhau phạm vi Việt Nam [93] 44 Bảng 3.3 Năng lượng và lượng phát thải carbon của BOS [96] 45

Bảng 3.4 Hệ số phát thải carbon để xuất ra ác tấm pin quang điện và BOS [97] 46

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 Bức Xạ Ngang Toàn Cầu (GHI) [16] 3

Hình 1.1: Vị trí địa lý của dự án [44] 1 10

Hình 1.2: Hình ảnh thực tế của nhà máy [45] 11

Hình 2.4 Sơ đồ hệ thống PV kết nối lưới điện điển hình tại Việt Nam [58] 20

Hình 2.5 Tế bào quang điện, mô đun quang điện, chuỗi quang điện, mảng quang điện [60] 20

Hình 2.6 Ví dụ về đặc tính dòng điện-điện áp (a) và đặc tính công suất-điện áp tương ứng (b) của pin mặt trời khi được chiếu sáng [81] 21

Hình 2.7 Hình ảnh so sánh pin silicon đa tinh thể (trái) và pin silicon đơn tinh thể (phải) [63] 23

Hình 2.8: Pin mặt trời màng mỏng cấu tạo từ tinh thể silicon 24

Hình 2.9 Các bước mô phỏng trên phần mềm PVsyst 26

Hình 2.10 Hình ảnh trực quan về ý nghĩa của góc nghiêng [72] 28

Hình 2.11 Sơ đồ một dây đơn giản của hệ thống điện mặt trời áp mái 30

Hình 3.1 Biểu đồ tỷ lệ hiệu suất hàng tháng 34

Hình 3.2 Sơ đồ tổn thất của hệ thống điện mặt trời 36

Hình 3.3 Sơ đồ tổn thất tính bằng KWp của hệ thống 37

Hình 3.4: Các yếu tố thúc đẩy sự suy giảm của LCOE trung bình toàn cầu của các nhà máy điện mặt trời, giai đoạn 2010-2023 [82] 38

Hình 3.5: Kết quả mô phỏng LCOE 38

Hình 3.6 Dòng chảy các giai đoạn trong vòng đời của pin quang điện [86] 39

Hình 3.7 Kết quả mô phỏng lượng giảm phát thải CO2e từ phần mềm PVSYST1 46

MỞ ĐẦU

1 Lý do thực hiện dự án nghiên cứu

Thứ nhất, giống như tất cả các nguồn năng lượng, điện đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển kinh tế của các quốc gia trên thế giới Không có hoạt động kinh tế nào có thể diễn ra nếu không có năng lượng [1] Tổng lượng điện tiêu thụ chiếm 18 % trong tổng chi tiêu năng lượng trên toàn thế giới và tỷ lệ này sẽ tăng lên trong tương lai [2] Tuy nhiên, 79.5 % lượng tiêu thụ năng lượng bắt nguồn từ nhiên liệu hóa thạch [3] với nhiều hạn chế và nhược điểm như sau:

- Trữ lượng nhiên liệu hóa thạch sẽ cạn kiện trong tương lai do nhu cầu năng lượng ngày càng tăng nhanh [4] Dự báo căn cứ vào trữ lượng đã biết năm

2005, trữ lượng than sẽ cạn kiệt trong khoảng 107 năm, với trữ lượng dầu thô

sẽ cạn kiệt trong 35 năm và khí đốt tự nhiên trong 37 năm Trên cơ sở đó, từ năm 2042, than sẽ là nhiên liệu hóa thạch duy nhất tồn tại đến năm 2112 [5]

- Việc đốt nhiên liệu hóa thạch phát thải ra khí CO2e là một trong những nguyên nhân chính gây ra hiện tượng nóng lên toàn cầu và biến đổi khí hậu [6] dẫn đến các mối đe dọa đối với sức khỏe con người [7]

Ở Việt Nam, điện chủ yếu được sản xuất bởi các nhà máy thủy điện và nhiệt điện với nhiên liệu chính là than, dầu diesel, khí đốt [8], trong khi đó sản xuất điện từ các nguồn năng lượng tái tạo chỉ chiếm 0.4 % tổng sản lượng điện [9] Việt Nam có số lượng nhà máy điện đốt than đá lớn thứ 20 trên toàn thế giới với nguyên liệu thô chính là than antraxit Theo báo cáo của Eurocham (2018), các nhà máy nhiệt điện than của Việt Nam

có mức phát thải khí nhà kính cao nhất Châu Á [10]

Trong bối cảnh nguồn nguyên liệu truyền thống phục vụ sản xuất điện là than, nước đã được tận dụng triệt để và đang có nguy cơ thiếu hụt, năng lượng mặt trời được đánh giá là dạng năng lượng tái tạo tiềm năng và rất có triển vọng Do đó, việc triển khai các dự án cung cấp điện bằng năng lượng mặt trời nói chung và điện mặt trời áp mái nói riêng là hướng phát triển tất yếu và bền vững

Mặc dù không thuận lợi như các tỉnh phía Nam, nhưng Bắc Ninh vẫn được đánh giá là tỉnh có tiềm năng khá tốt, bởi nằm trong vùng cận nhiệt đới ẩm với khí hậu được

bình và số giờ nắng trung bình lần lượt là 1.350 kWh/m2/năm và 1600-1800h/năm Tổng bức xạ mặt trời trung bình tính theo ngày là 3,75 kWh/m2/ngày Đặc biệt Bắc Ninh lại

là nơi tập trung rất nhiều KCN, là 1 trong 3 địa phương ở khu vực phía Bắc có số lượng KCN lớn nhất nước [11]

Thứ hai, năng lượng mặt trời là năng lượng được bức xạ từ mặt trời, là một dạng năng lượng tái tạo và cũng là nguồn năng lượng tái tạo dồi dào nhất mà tất cả các quốc gia đều có thể tiếp cận và miễn phí

Bề mặt trái đất nhận được nhiều năng lượng từ mặt trời, đủ để cung cấp lượng năng lượng lớn gấp 7900 lần lượng năng lượng mà dân số thế giới hiện đang sử dụng Trung bình toàn cầu, mỗi mét vuông bề mặt trái đất nhận đủ ánh sáng mặt trời có thể tạo ra

1700 kW-h (kWh) điện mỗi năm [12, 13] Hằng năm hầu hết mọi nơi trên trái đất đều nhận được số giờ có ánh nắng mặt trời là 4380 giờ (tương đương thời gian là nữa năm) Bức xạ ngang toàn cầu (GHI) là giá trị đo lượng bức xạ nhận được từ mặt trời trên mỗi đơn vị diện tích bề mặt trái đất Các khu vực khác nhau trên trái đất nhận được lượng bức xạ mặt trời trung bình khác nhau hằng năm Bức xạ mặt trời trung bình nhận được

ở Trung Đông được đo bằng bức xạ ngang toàn cầu dao động trong khoảng từ 1800 kWh/m2/năm đến 2300 kWh/m2/năm, trong khi ở Châu Âu, con số này là khoảng 1200 kWh/m2/năm Hoa Kỳ, hầu hết các nước Mỹ Latinh, Châu Phi, Úc, hầu hết Ấn Độ và một phần Trung Quốc cũng như các nước châu Á khác cũng có lượng bức xạ mặt trời cao; đây là những khu vực chính nơi nhu cầu năng lượng dự kiến sẽ tăng đáng kể trong những thập kỷ tới Alaska, Canada, Nga, Bắc Âu và Đông Nam Trung Quốc nhận được

ít lượng bức xạ mặt trời hơn các khu vực khác trên thế giới Việc hướng các tấm pin quang điện mặt trời về phía đường xích đạo có thể làm giảm sự chênh lệch và làm tăng hiệu xuất của các tấm quang điện, đặc biệt là ở vĩ độ cao Tuy nhiên, điều này phụ thuộc vào điều kiện thời tiết của từng khu vực [14, 15, 16] Như Hình 1 dưới đây, minh họa lượng bức xạ ngang toàn cầu, các nước Mỹ Latinh, Châu Phi, Úc, hầu hết Ấn Độ có tiềm năng rất lớn để phát triển các nhà máy quang điện mặt trời do vị trí địa lý nằm gần đường xích đạo

Hình 1 Bức Xạ Ngang Toàn Cầu (GHI) [16]

Thứ ba, như đã đề cập trước đó, giảm phát thải khí nhà kính và giảm thiểu biến đổi khí hậu là mục tiêu chính của chính sách biến đổi khí hậu toàn cầu Ngành sản xuất điện

là một trong những nguồn phát thải khí nhà kính chính Bảng 1 dưới đây đưa ra lượng phát thải CO2e (g/kWh) của các dạng phát điện chính Tổng định mức phát thải khí nhà kính được biểu thị bằng đơn vị gam CO2e trên một kWh năng lượng được sản xuất

Bảng 1 Lượng phát thải CO 2e (g/kWh) của các dạng phát điện chính [17] 1

liệu của hiệp hội hạt nhân thế giới (WNA) [17] cung cấp, phần lớn lượng phát thải CO2e

xuất phát từ các nhà máy điện đốt than Loại hình nhà máy điện đốt than phát thải ra từ

trong khoảng từ 547 đến 935 g CO2e /kwh Trong khi đó các nhà máy điện chạy bằng đốt khí tự nhiên được biết là có lượng phát thải khí CO2e thấp nhất trên mỗi Kiowatt giờ, dao động từ 362 đến 891 g CO2e /kwh So với các nhà máy điện sử dụng nguyên liệu hóa thạch, nhà máy điện hạt nhân khi phát điện không trực tiếp phát thải ra khí CO2e Các nhà máy phát điện dùng các tấm pin quan điện mặt trời có mức phát thải khí CO2e

dao động từ 13 đến 731 g CO2e/kwh Trong khi đó, một nhà máy điện gió phát thải ra từ

6 đến 124 g CO2e /kwh Một nhà máy thủy điện phát thải ra lượng CO2e giao động từ 2 đến 237 g CO2e/kwh, cuối cùng một nhà máy điện sử dụng công nghệ biomas phát thải

ra lượng CO2e thấp nhất, dao động từ 2 đến 101 g CO2e /kwh [17]

Đối với các nhà máy điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch, phần lớn lượng phát thải khí nhà kính phát sinh ra trong quá trình vận hành phát điện Các nhà máy điện hạt nhân

và một số nhà máy điện sử dụng công nghệ năng lượng tái tạo (như năng lượng mặt trời

và năng lượng gió) không trực tiếp phát thải ra khí CO2e trong quá trình vận hành [18] Phát thải khí nhà kính từ chu trình nhiên liệu hạt nhân chủ yếu là do năng lượng dựa trên nhiên liệu hóa thạch và điện cần thiết để khai thác và xử lý nguyên liệu uranium, xây dựng cơ sở hạ tầng lò phản ứng, và cơ sở lưu trữ chất thải hạt nhân [19]

Việc xây dựng thủy điện, tua bin gió và tấm pin mặt trời chiếm khoảng 70–80% tổng lượng khí thải Đối với các nhà máy thủy điện, lượng phát thải CO2e là do sản xuất thép, xi măng và bê tông [20] Lượng CO2e do một nhà máy điện gió tạo ra phụ thuộc phần lớn vào lượng vật liệu và công việc cần thiết để chế tạo các tuabin gió [21] Lượng phát thải CO2e tương đương từ hệ thống điện mặt trời thấp hơn so với lượng phát thải từ nhiên liệu hóa thạch vì công nghệ điện mặt trời không cần nhiên liệu để hoạt động Đối với năng lượng điện mặt trời, phần lớn lượng khí thải là do sử dụng điện trong các giai đoạn sản xuất tế bào quang điện [20,21] Do vậy, năng lượng tái tạo có tiềm năng to lớn trong việc giảm phát thải khí nhà kính, đặc biệt là loại hình năng lượng quang điện mặt trời áp mái do có thể tận dụng khoảng không gian trên mái của các tòa nhà

2 Mục tiêu

▪ Mục tiêu chung

▪ Mục tiêu cụ thể

- Phân tích, đánh giá được hiện trạng và khả năng lắp đặt và vận hành điện mặt trời

áp mái tại khu công nghiệp Yên Phong, tỉnh Bắc Ninh;

- Chỉ ra được các phương pháp và công cụ phân tích, dự tính sản lượng điện tiềm năng được sản xuất, chi phí sản xuất điện quy dẫn và lượng giảm phát thải CO2e

trong toàn bộ vòng đời dự án;

- Đánh giá được tiềm năng giảm phát thải carbon của điện mặt trời tại nhà máy Samsung Display Việt Nam thông qua mô phỏng thiết kế, lắp đặt và vận hành so với nhiệt điện than

3 Nhiệm vụ của dự án

Thực hiện mô phỏng thiết kế hệ thống điện mặt trời áp mái với công suất lắp đặt

dự kiến 1436 KW dựa trên phần mềm PVsyst 7.2 để tính toán ra 3 thông số sau:

- Sản lượng điện sản xuất hằng năm;

- Chi phí sản xuất điện quy dẫn (LCOE);

- Lượng giảm phát thải CO2e

Nhiệm vụ cuối cùng của dự án là phân tích, tính toán và đánh giá được tiềm năng giảm phát thải CO2e thông qua so sánh lượng phát thải CO2e từ dự án điện mặt trời áp mái tại nhà máy Samsung Display Việt Nam với việc sử dụng năng lượng nhiệt điện

4 Phạm Vi của dự án

4.1 Đối tượng nghiên cứu của dự án

Tiềm năng giảm phát thải carbon của điện mặt trời áp mái tại nhà máy Samsung Display Việt Nam so với mức phát thải carbon của nhiệt điện than

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ XÂY DỰNG DỰ ÁN ĐÁNH GIÁ TIỀM NĂNG GIẢM PHÁT THẢI CARBON CỦA ĐIỆN MẶT TRỜI TẠI NHÀ MÁY SAMSUNG

DISPLAY VIỆT NAM

1.1 Các nghiên cứu khoa học về tiềm năng giảm phát thải carbon của điện mặt trời

1.1.1 Một số khái niệm

1.1.1.1 Khái niệm về phát thải Carbon Dioxide (CO 2 )

Lượng khí thải Carbon Dioxide (CO2) tạo thành khí nhà kính chính, xâm nhập vào khí quyển do các hoạt động của con người (đốt các nhiên liệu hóa thạch như than, dầu

và khí tự nhiên) Carbon dioxide giữ nhiệt trong bầu khí quyển Trái đất, nguyên nhân chính gây ra hiện tượng nóng lên toàn cầu cùng các hệ quả liên quan khác như: băng tan hay nước biển dâng

1.1.1.2 Khái niệm về giảm nhẹ biến đổi khí hậu

Giảm nhẹ phát thải khí nhà kính: là các hoạt động nhằm giảm mức độ hoặc cường độ phát thải khí nhà kính (Theo quy định tại khoản 31 Điều 3 Luật Bảo vệ môi trường 2020)

1.1.1.3 Tiềm năng giảm phát thải khí nhà kính trong năng lượng và quá trình công

nghiệp tại Việt Nam

Nhằm giảm phát thải khí nhà kính trong lĩnh vực năng lượng và quá trình công nghiệp, thực hiện mục tiêu giảm phát thải khí nhà kính theo đóng góp do quốc gia tự quyết định của Việt Nam, hướng tới mục tiêu phát thải ròng bằng 0 vào năm 2050 theo cam kết của Việt Nam tại COP26, bộ Công Thương vừa ban hành Kế hoạch giảm nhẹ phát thải khí nhà kính lĩnh vực năng lượng và quá trình công nghiệp đến năm 2025 và giai đoạn 2026-2030 [22] Nội dung chính của kế hoạch được minh họa bằng các mốc thời gian cụ thể như sau:

- Kế hoạch đặt mục tiêu lĩnh vực năng lượng và quá trình công nghiệp đến năm

2025, bằng nguồn lực trong nước giảm ít nhất 8,2% phát thải khí nhà kính so với kịch bản phát triển thông thường (BAU), tương ứng với 36,2 triệu tấn CO2 tương đương (CO2e) trong lĩnh vực năng lượng và quá trình công nghiệp Còn khi có hỗ trợ của quốc

lĩnh vực năng lượng và quá trình công nghiệp Khi có hỗ trợ thêm của quốc tế giảm khoảng 34,8% phát thải khí nhà kính so với Kịch bản phát triển thông thường, tương ứng với 213,7 triệu tấn CO2e trong lĩnh vực năng lượng và quá trình công nghiệp

1.1.2 Các nghiên cứu trên thế giới

Công nghệ pin năng lượng mặt trời (PV) đã trở thành một con đường quan trọng để đạt được mục tiêu giảm phát thải carbon trên toàn thế giới Công suất PV được lắp đặt trên toàn cầu đã tăng hơn tám lần trong 10 năm qua, cung cấp khoảng 3,6% tổng lượng điện tiêu thụ của thế giới vào năm 2021 [23] Nhiều dạng công nghệ PV khác nhau được đề xuất để phát triển rộng rãi và phổ biến, trong đó có công nghệ PV trên mái nhà

Nhiều dự án hệ thống điện mặt trời hòa lưới đã được triển khai để đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật Razali Thaib và Cộng Sự (CS) [24] đã trình bày hiệu quả đầu tư của một nhà máy điện mặt trời với công xuất lắp đặt 3 MW là khả thi với chi phí sản xuất điện quy dẩn là 11,7 cent/kWh cho khuôn viên trường Đại học Samudra với sự trợ giúp của phần mềm System Advisor Model (SAM) Hiệu quả kinh tế của điện mặt trời trên mái nhà cho các khu vực khác nhau ở Thái Lan bằng cách sử dụng phần mềm PSIM

đã được Suntiti Yoomak và CS [25] nghiên cứu và kết quả nghiên cứu cho thấy khu vực miền Trung Thái Lan phù hợp để lắp đặt hệ thống điện mặt trời trên mái nhà Ahmed F Bendary và CS [26] đã đề xuất một giải pháp tìm lỗi tối ưu cho mảng pin mặt trời bằng cách sử dụng hệ thống suy luận thần kinh mờ thích ứng để cải thiện hiệu quả của hệ thống điện mặt trời Theo một nghiên cứu của JunHan và CS [27], hiệu suất ngoài trời của mô đun PV so với kính thường khi lắp vào bề mặt tòa nhà bằng hệ thống thử nghiệm quy mô nhỏ, dữ liệu đo được cho thấy nhiệt độ không khí trong nhà tối đa đối với kính thường gần bằng 34 0C, trong khi chỉ là 29 0C đối với mô đun PV trong cùng điều kiện thời tiết mùa hè Nhóm nghiên cứu của Y Kotak [28] đã nghiên cứu hiệu quả của các

hệ thống PV trên mái nhà trong việc phát điện và làm mát tòa nhà tại năm thành phố lớn

ở Ấn Độ Kết quả mô phỏng của họ chứng minh rằng hệ thống PV đã giảm năng lượng cho tải làm mát mái nhà từ 73 xuống 90% Hơn nữa, hiệu suất và lợi ích của các dự án điện mặt trời trên mái nhà hòa lưới kết hợp với hệ thống lưu trữ cũng đã được nghiên cứu Một phương pháp sử dụng lưu trữ cho hệ thống PV của Pietari Puranen và CS [29]

đã được nghiên cứu để cải thiện mức tiêu thụ tự tải của một hộ gia đình bình thường ở

1.1.3 Các nghiên cứu tại Việt Nam

Trước khi có chính sách hỗ trợ phát triển điện mặt trời hòa lưới, các ứng dụng điện mặt trời sử dụng ắc quy tại Việt Nam chủ yếu là các dự án điện mặt trời độc lập tại các vùng nông thôn, vùng biên giới, hải đảo [30] Một số dự án điện mặt trời hòa lưới trình diễn tại thành phố trong thời gian này không sử dụng ắc quy để đấu nối trực tiếp vào bộ biến tần trong hệ thống điện mặt trời Các ắc quy, nếu có sử dụng, sẽ được đấu nối trực tiếp vào tấm pin mặt trời bằng bộ điều khiển sạc riêng biệt, và các thiết bị lưu trữ này có thể đấu nối với tải ưu tiên bằng hệ thống chuyển đổi điện khác trong tòa nhà

Nhờ chính sách của Chính phủ Việt Nam [31,32] thúc đẩy điện mặt trời hòa lưới, công nghệ này mới được phát triển trong những năm gần đây và được coi là giải pháp đảm bảo an ninh năng lượng và chống biến đổi khí hậu Bất chấp đại dịch Covid-19, điện mặt trời tại Việt Nam vẫn tăng trưởng nhanh chóng trong năm 2020 Công suất điện mặt trời lắp đặt trong giai đoạn 2018-2019 đạt 4.793 MW trong khi tổng công suất lắp đặt điện mặt trời trong giai đoạn 2019-2020 tăng 2,28 lần; nâng tổng công suất điện mặt trời tại Việt Nam lên 16.504 MW Nhờ đó, Việt Nam đã vươn lên vị trí thứ 3 trong top 10 quốc gia có công suất điện mặt trời cao nhất thế giới năm 2020 [33]

Bên cạnh đó, các nhà đầu tư cũng ráo riết xây dựng các dự án điện mặt trời áp mái bắt đầu từ năm 2017 và nâng tổng công suất điện mặt trời áp mái tại Việt Nam lên 9580 MWp vào cuối năm 2020 [34] Nhiều nghiên cứu đã được tiến hành tại Việt Nam để đánh giá hiệu suất của các hệ thống điện mặt trời áp mái Phap và CS [35,36] đã xác định tiềm năng điện mặt trời áp mái và hiệu quả lắp đặt của các dự án điện mặt trời hòa lưới tại Hà Nội Công suất và hiệu suất của hệ thống quang điện (PV) cho hộ gia đình tại Thủ Đức, Việt Nam đã được Thanh và CS nghiên cứu [37] Lan và CS [38] đã tính toán các số liệu thống kê kinh tế của điện mặt trời áp mái với tác động của giá bán lẻ điện tại vùng cao nguyên miền Trung Việt Nam Tiềm năng điện mặt trời áp mái tại tỉnh Hậu Giang đã được Tân và CS đánh giá [39] Trong nghiên cứu của Nguyen và CS [40], hiệu quả sử dụng tấm pin mặt trời thay cho kính cho các tòa nhà tại Việt Nam đã được phân tích

dụng tự dùng, sau đó sản lượng dư thừa mới bán cho ngành điện Các hệ thống điện mặt trời được đưa vào vận hành giúp cung cấp một phần điện tự dùng cho tiêu dùng, sản xuất; tăng cường tiết kiệm năng lượng điện giảm nhu cầu sử dụng năng lượng truyền thống và đáp ứng yêu cầu giảm phát thải khí nhà kính

1.2 Giới thiệu chung về dự án đánh giá tiềm năng giảm phát thải carbon của điện mặt trời tại nhà máy samsung display Việt Nam

Huyện Yên Phong nằm ở phía tây của tỉnh Bắc Ninh, cách thành phố Bắc Ninh khoảng 15km, cách trung tâm Thủ đô Hà Nội khoảng 29km Yên Phong được coi là thủ phủ công nghiệp của tỉnh Bắc Ninh Nếu Bắc Ninh nằm tại vị trí chiến lược trong tam giác tăng trưởng Hà Nội - Hải Phòng - Quảng Ninh, đang giữ vị thế là một trong những tỉnh dẫn đầu cả nước về thu hút vốn FDI thì huyện Yên Phong là nơi tập trung nhiều khu công nghiệp lớn hàng đầu của tỉnh như: Yên Phong 1, Yên Phong 1 mở rộng, Yên Phong 2 (gồm khu công nghiệp Yên Phong 2C và khu công nghiệp VSIP Bắc Ninh 2) đang được đầu tư đi vào hoạt động Hiện nay, những nhà máy với số vốn đầu tư hàng tỷ USD như Samsung, Panasonic, Orion, Hansol, Dawol… đều được đặt tại các khu công nghiệp huyện Yên Phong [43]

Trong dự án này, vị trí của phân xưởng dự kiến mô phỏng lắp đặt hệ thống điện mặt trời áp mái nằm trong KCN Yên Phong, huyện Yên Phong, tỉnh Bắc Ninh ở Vĩ độ

21o2’ Bắc, Kinh độ 105o59’ Đông và độ cao 9 m so với mực nước biển Hình 1.1 dưới đây thể hiện vị trí địa lý của dự án Với kết cấu 5 tầng, chiều cao thiết kế là 50.9 m tính

từ mặt đất đến đỉnh mái tôn, là tòa nhà cao nhất trong khu khuôn viên nhà máy và các tòa nhà lân cận Vì vậy khi lắp đặt các tấm pin trên mái sẽ không bị ảnh hưởng bởi hiện tượng đổ bóng từ các tòa nhà xung quanh Hơn nữa, với kết cấu mái phẳng với toàn bộ diện tích để trống rất thuận tiện cho việc lắp đặt các tấm pin mặt trời

Hình 1.1: Vị trí địa lý của dự án [44] 1 1.2.2 Thông số kỹ thuật của phân xưởng sản xuất

Tòa nhà được đề cập là một cấu trúc hình chữ nhật với các số đo sau:

- Chiều dài: 380 m

- Chiều rộng: 180 m

- Chiều cao mái: 4.3 m

- Chiều cao lớn nhất: 50.9

- Mái có đầu hồi nghiêng một góc 4° so với phương ngang

- Diện tích trống của mái trước: 15,540 m2

- Diện tích trống của mái sau: 15,540 m2

- Hướng mái trước: 600 NE

- Hướng mái sau: 2200 SW

Hình ảnh thực tế của phân xưởng sản xuất được trình bầy như Hình 1.2 dưới đây

N

Hình 1.2: Hình ảnh thực tế của nhà máy [45]

1.3 Cơ sở số liệu thực hiện dự án

1.3.1 Nguồn số liệu từ các trạm khí tượng

Mặc dù không thuận lợi như các tỉnh phía Nam, nhưng Bắc Ninh vẫn được đánh giá là tỉnh có tiềm năng khá tốt, bởi nằm trong vùng cận nhiệt đới ẩm với khí hậu được chia làm 4 mùa rõ rệt, nhiệt độ trung bình năm là 23,30C, tổng bức xạ mặt trời trung bình và số giờ nắng trung bình lần lượt là 1.350 kWh/m2/năm và 1600-1800h/năm Tổng bức xạ mặt trời trung bình tính theo ngày là 3,75 kWh/m2/ngày [11]

Dựa theo dữ liệu về khí tượng của cục thống cục thống kê Bắc Ninh, dữ liệu về nhiệt độ không khí trung bình, số giờ nắng, lượng mưa và độ ẩm tương đối trung bình trên địa bàn tỉnh Bắc Ninh được minh họa như Bảng 1.1, Bảng 1.2, Bảng 1.3 và Bảng 1.4 dưới đây

Bảng 1.1 Nhiệt độ không khí trung bình ( 0 C) tại trạm quan trắc trên địa bàn tỉnh

Bắc Ninh [46]

Bảng 1.2 Số giờ nắng các tháng tại trạm quan trắc trên địa bàn tỉnh Bắc Ninh [46]

Bảng 1.3 Lượng mưa các tháng tại trạm quan trắc trên địa bàn

tỉnh Bắc Ninh [46]

Bảng 1.4 Độ ẩm tương đối trung bình các tháng tại trạm quan trắc trên

địa bàn tỉnh Bắc Ninh [46]

1.3.2 Nguồn số liệu về thông số lắp đặt

Khu vực dự kiến để mô phỏng lắp đặt hệ thống pin mặt trời nằm ở mái phía trước của tòa nhà Căn cứ vào bản vẻ xây dựng và bản vẻ hệ thống điện của nhà máy, các thống số chính được đưa vào làm căn cứ mô phỏng được minh họa dưới đây:

- Diện tích trống của mái trước: 15,540 m2

- Góc nghiêng: 4o

- Hướng máy trước: 60o NE

- Công xuất lắp đặt dự kiến: 1436 KWp

1.3.3 Nguồn số từ phần mềm

Dữ liệu khí tượng được sử dụng trong dự án này được lấy từ phần mềm Meteonorm (Phiên bản 8.1), đây là cơ sở dữ liệu về thời tiết và bức xạ mặt trời được dử dụng và thừa nhận rộng rãi trong ngành năng lượng mặt trời Số liệu thống kê từ phần mềm Meteonorm là sự kết hợp giữa mô hình toán học với các phép đo thời tiết, được trình bầy dưới dạng trung bình hàng tháng, hàng ngày hoặc hằng giờ Dữ liệu khí tượng cho

dự án được cung cấp với định dạng năm khí tượng điển hình (TMY), số liệu trung bình

từ năm 1991 đến năm 2000 của các thông số sau: ba giá trị bức xạ (Bức xạ ngoài trái đất, bức xạ ngang toàn cầu, bức xạ khuếch tán theo phương ngang); chỉ số trong (clearness index); nhiệt độ môi trường, độ ẩm và tốc độ gió [47] Dữ liệu khí tượng cụ thể theo tháng của dự án được trình bầy như Bảng 1.5 dưới đây

Bảng 1.5 Dữ liệu khí tượng theo tháng của dự án [48]

KWh/m² 42.6 47.4 62.6 76.6 82.4 87.2 83.9 80.7 70.6 69 50.2 47.9 Bức xạ ngoài trái đất, KWh/m² 227.

CHƯƠNG 2 TỔ CHỨC THỰC HIỆN DỰ ÁN ĐÁNH GIÁ TIỀM NĂNG GIẢM

PHÁT THẢI CARBON CỦA ĐIỆN MẶT TRỜI

2.1 Cơ sở khoa học về sử dụng năng mặt trời

Năng lượng mặt trời là năng lượng được bức xạ từ mặt trời, là một dạng năng lượng tái tạo và cũng là nguồn năng lượng tái tạo dồi dào nhất mà tất cả các quốc gia đều có thể tiếp cận và miễn phí

2.1.1 Bức xạ mặt trời

Tất cả các bức xạ truyền đi với tốc độ ánh sáng, bằng tích của bước sóng và tần số bức xạ Tốc độ ánh sáng trong môi trường bằng tốc độ ánh sáng trong chân không chia cho chiết suất của môi trường mà nó truyền qua:

𝐶 = × = 𝐶o

𝑛 , (1)

Trong đó: λ là bước sóng tính bằng mét (hoặc micromet [μm], 1 μm = 10 -6 m), ν

là tần số (tính bằng s -1 ), 𝐶 là tốc độ ánh sáng trong môi trường (m/s), 𝐶o là tốc độ ánh

sáng trong chân không (m/s), và n là chiết suất của môi trường

Bức xạ nhiệt là một loại năng lượng điện từ và mọi vật thể đều phát ra bức xạ nhiệt nhờ nhiệt độ của chúng Khi một vật thể được làm nóng, các nguyên tử, phân tử hoặc electron của nó được nâng lên mức hoạt động cao hơn gọi là trạng thái kích thích Tuy nhiên, chúng có xu hướng quay trở lại trạng thái năng lượng thấp hơn và trong quá trình này, năng lượng được phát ra dưới dạng sóng điện từ Những thay đổi về trạng thái năng lượng là kết quả của sự sắp xếp lại các trạng thái điện tử, quay và dao động của các nguyên tử và phân tử Vì những sự sắp xếp lại này bao gồm những lượng thay đổi năng lượng khác nhau và những thay đổi năng lượng này có liên quan đến tần số, nên bức xạ phát ra từ vật thể được phân bổ trên một dải bước sóng Một phần của phổ điện từ được thể hiện trong Hình 2.1 dưới đây Các bước sóng liên quan đến các cơ chế khác nhau không được xác định rõ ràng; bức xạ nhiệt thường được coi là nằm trong dải từ khoảng 0,1 đến 100 μm, trong khi bức xạ mặt trời có phần lớn năng lượng trong khoảng từ 0,1

đến 3 μm

Đặc trưng của bức xạ mặt trời truyền trong không gian bên ngoài mặt trời là một

như một nữa trong tổng số năng lượng mặt trời tập trung trong khoảng bước sóng 0.38

– 0.78 μm đó là vùng nhìn thấy của phổ hay còn gọi là phần ánh trắng

• 𝜑𝐷−𝑇: là hệ số góc bức xạ giữa trái đất và mặt trời, được tính theo công thức như sau:

• ∁0 = 5.76 W/m2 × K4, là hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối

• 𝑇  5762 oK, nhiệt độ bề mặt mặt trời (xem như vật đen tuyệt đối)

Hình 2.2 Góc nhìn mặt trời [50]

Do khoảng cách giữa trái đất và mặt trời thay đổi thay đổi theo mùa trong năm, nên 𝛽 cũng thay đổi, vì vậy 𝜌 cũng thay đổi nhưng độ thay đổi này không lớn lắm và có thể xem như 𝜌 không đổi và được gọi là hằng số Mặt Trời

Khi đi lớp khí quyển của trái đất các chùm tia bức xạ bị hấp thụ và tán xạ bởi tầng

ô zôn, hơi nước và bụi trong khí quyển, chỉ một phần năng lượng bức xạ được truyền xuống đến bề mặt trái đất Phần năng lượng bức xạ mặt trời truyền xuống bề mặt trái đất trong nhưng ngày quang đãng (không mây) ở thời điểm cao nhất vào khoảng 1000 W/m2, được minh họa như Hình 2.3 dưới đây

Hình 2.3 Quá trình truyền năng lượng mặt trời qua các lớp khí quyễn của trái đất

[50]

2.1.2 Công nghệ năng lượng mặt trời

Công nghệ năng lượng mặt trời trực tiếp bao gồm việc sử dụng các tấm pin quang điện hoặc bộ thu nhiệt mặt trời, sử dụng thiết bị điện hoặc cơ khí để chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng đầu ra hữu ích Trong khi đó công nghệ năng lượng mặt trời gián tiếp bao gồm định hướng xây dựng tòa nhà về phía Mặt Trời, lựa chọn vật liệu có khối lượng nhiệt hoặc đặc tính phân tán ánh sáng thuận lợi và thiết kế các không gian lưu thông không khí một cách tự nhiên.Công nghệ năng lượng mặt trời trực tiếp làm tăng lượng năng lượng được sản xuất và được coi là công nghệ phía cung, trong khi công nghệ năng lượng mặt trời gián tiếp làm giảm nhu cầu về nguồn năng lượng thay thế và thường được coi là công nghệ phía cầu Các phương pháp đặc biệt tạo ra điện (sử dụng

tế bào quang điện hoặc phương pháp nhiệt mặt trời sử dụng năng lượng Mặt Trời để đun

sôi nước một cách hiệu quả và chạy tua bin hơi nước) thường được mô tả là công nghệ năng lượng mặt trời [51]

Khoảng 70% năng lượng mặt trời tới bề mặt Trái đất và được hấp thụ bởi đất liền, đại dương và bầu khí quyển làm tăng nhiệt độ của chúng Sự tuần hoàn của khí quyển được thúc đẩy bởi không khí ấm và ẩm bốc lên từ các đại dương Ở độ cao lớn, nơi đủ lạnh, hơi nước trong không khí ngưng tụ tạo thành các đám mây, tạo ra mưa rơi xuống

bề mặt Trái Đất, do đó thúc đẩy chu trình thủy văn (nước) Khi nước ngưng tụ, ẩn nhiệt của nó khuếch đại quá trình đối lưu gây ra gió, lốc xoáy và phản xoáy thuận, trong khi

bề mặt Trái đất được duy trì ở nhiệt độ trung bình 14 0C nhờ sự hấp thụ ánh sáng mặt trời của đại dương và các khối đất liền [52] Ánh sáng được hấp thụ bởi cây xanh thúc đẩy quá trình quang hợp chuyển đổi năng lượng Mặt Trời thành năng lượng hóa học bằng phản ứng quang hóa giữa H2O và CO2E và là nguồn cung cấp sinh khối cho tất

cả các loại cây trồng và sinh khối từ thực vật [53]

Tổng năng lượng mặt trời được hấp thụ bởi bầu khí quyển, đại dương và đất liền của Trái đất lên tới khoảng 3.850.000 EJ mỗi năm và là lượng năng lượng được cung cấp trong một giờ nhiều hơn lượng năng lượng nhân loại sử dụng trong cả năm Quá trình quang hợp thu được khoảng 3.000 EJ mỗi năm trong sinh khối

chuyển đổi đất trồng trọt từ thực phẩm sang sản xuất nhiên liệu sinh học [53] Vì năng lượng Mặt Trời và gió là những nguồn tài nguyên không liên tục nên có những vấn đề liên quan đến việc lưu trữ năng lượng và cung cấp năng lượng liên tục từ chúng Vì vậy, không có giải pháp nào trong số đó cung cấp giải pháp hoàn chỉnh, mặc dù mỗi giải pháp có thể được ứng dụng như một phần của hỗn hợp năng lượng cuối cùng

Bảng 2.1: Bức xạ năng lượng mặt trời hàng năm và mức tiêu thụ năng lượng của

2.2 Cơ sở khoa học về hệ thống pin quang điện mặt trời

2.2.1 Cấu tạo hệ thống pin quang điện mặt trời

Dựa trên kết nối lưới điện và các thành phần của nó, hệ thống điện mặt trời trên mái nhà có thể được phân loại thành hệ thống hòa lưới, hệ thống pin mặt trời độc lập và

hệ thống pin mặt trời hòa lưới có hệ thống lưu trữ Hệ thống điện mặt trời hòa lưới được ứng dụng rộng rãi cho các hộ gia đình tại Việt Nam và các thành phần của nó được thể hiện trong Hình 2.4 Hệ thống bao gồm các mô-đun quang điện (PV), biến tần, dây dẫn,

hệ thống lắp đặt, tủ điện, thành phần bảo vệ và công tơ hai chiều Mô-đun PV chuyển đổi bức xạ mặt trời thành dòng điện một chiều (DC) chạy qua hộp phân phối DC đến biến tần Biến tần chuyển đổi dòng điện một chiều từ các mô-đun PV thành dòng điện xoay chiều cấp điện cho tải và lưới điện Có ba loại biến tần chính: biến tần độc lập, biến tần được kết nối lưới điện [55] và biến tần dự phòng bằng pin [56] Biến tần độc lập cung cấp điện cho các thiết bị điện trong hệ thống, nhưng không kết nối với lưới điện Biến tần được kết nối lưới điện có thể kết nối với lưới điện và chúng được thiết kế

để tự động ngắt kết nối khỏi lưới điện khi mất điện, tuy nhiên, chúng không cung cấp

có thể kết nối với lưới điện Bộ biến tần kết nối lưới điện được sử dụng rộng rãi trong

các hệ thống điện mặt trời trên mái nhà ở Việt Nam [57]

Hình 2.4 Sơ đồ hệ thống PV kết nối lưới điện điển hình

tại Việt Nam [58]

2.2.2 Tế bào quang điện, mô đun quang điện, chuỗi quang điện và mảng quang điện

Hình 2.5 minh họa các thành phần cơ bản của hệ thống PV, từ tế bào quang điện

đến mảng Mỗi tế bào tạo ra năng lượng và mỗi mô-đun bao gồm nhiều tế bào nối tiếp

nhau Như minh họa trong Hình 2.5, mô đun bao gồm 36 tế bào quang điện nối tiếp với

nhau Nếu mỗi tế bào quang điện trong đun tạo ra điện áp đỉnh 0,5 V (Vp), thì

mô-đun sẽ được định mức xấp xỉ với điện áp danh định là 18 Vp [59, P.50] Các mô-mô-đun

được ghép nối tiếp được gọi là chuỗi, trong khi các chuỗi được ghép song song được

Công tơ điện

2 chiều Lưới điện

Tế bào

quang

điện

Mô đun quang điện

Chuổi quang điện

Mảng quang điện

2.2.3 Đặc điểm cơ bản của pin quang điện

Một pin mặt trời được chiếu sáng có thể cung cấp một điện áp quang (U) nhất định

ở một dòng quang (I) nhất định Sự kết hợp các giá trị của U và I mà tại đó pin mặt trời

có thể hoạt động được gọi là điểm làm việc Một điểm làm việc cụ thể của pin mặt trời được cố định với điện trở tải (𝑅𝐿) do định luật Ohm

𝑅𝐿 = 𝑈

𝐼 , (4) Theo định luật Ohm, U cực tiểu khi 𝑅𝐿 cực tiểu, ngược lại I cực tiểu khi 𝑅𝐿 cực đại Các điều kiện hoạt động ngắn mạch và hở mạch của pin mặt trời được định nghĩa

là 𝑅𝐿 tương ứng bằng 0 hoặc cực kỳ cao Các giá trị của I và U ở điều kiện ngắn mạch

và hở mạch lần lượt được gọi là dòng điện ngắn mạch (ISC) và điện áp hở mạch (VOC) Công suất điện bằng 0 khi pin mặt trời hoạt động ngắn mạch và hở mạch

Đặc tính dòng điện-điện áp (đặc tính I–V) của pin mặt trời là đồ thị của tất cả các điểm làm việc có thể có trong một phạm vi được xem xét Hình 2.6 thể hiện dưới dạng

sơ đồ đặc tính I–V của pin mặt trời khi được chiếu sáng

Hình 2.6 Ví dụ về đặc tính dòng điện-điện áp (a) và đặc tính công suất-điện áp

tương ứng (b) của pin mặt trời khi được chiếu sáng [81]

Có một sự kết hợp giữa dòng điện và điện áp mà tại đó công suất của pin mặt trời đạt cực đại (lần lượt là Vmp và Imp) Điểm này trên đặc tính I–V của pin mặt trời được

Pmp = Imp∗ Ump , (5) Các giá trị của ISC, VOC có thể được đo dễ dàng Do đó, sẽ thuận tiện hơn khi mô

tả công suất tối đa của pin mặt trời bằng ISC, VOC và một tham số bổ sung thay vì mô tả đặc tính của pin mặt trời bằng Imp và Ump Tham số bổ sung đặt tích của Imp và Umpliên quan đến tích của ISC và VOC Tham số này mô tả lượng hình chữ nhật ISC - VOC được lấp đầy bởi hình chữ nhật Imp - Ump, và do đó được gọi là hệ số lấp đầy (FF)

FF = 𝐼𝑚𝑝∗ 𝑈𝑚𝑝

𝐼 𝑆𝐶 ∗ 𝑉 𝑂𝐶 , (6) Hiệu xuất chuyển đổi năng lượng mặt trời (η) của pin mặt trời được định nghĩa là

tỷ lệ giữa công suất lấy được ở mức mpp của pin mặt trời và công suất của ánh sáng mặt trời mà pin mặt trời được chiếu sáng (𝑃𝑠𝑢𝑛)

η = FF 𝐼𝑆𝐶 ∗ 𝑉 𝑂𝐶

𝑃𝑆𝑢𝑛 , (7) Hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời là thông số quyết định chi phí và tính bền vững của sản xuất năng lượng PV Giá trị η càng cao thì lượng vật liệu và diện tích cần thiết cho một nhà máy điện PV có công suất lắp đặt nhất định càng thấp Rất nhiều nỗ lực đã được thực hiện trước đây và sẽ tiếp tục trong tương lai (i) nhằm nghiên cứu các hạn chế cơ bản của η đối với các loại pin mặt trời khác nhau, (ii) đối với khoa học vật liệu để tìm ra các vật liệu và sự kết hợp vật liệu phù hợp cho các giá trị cao của η và (iii)

để phát triển các công nghệ cho phép hiện thực hóa các giá trị tối đa của η trong sản xuất hàng loạt và với nguồn lực tối thiểu

2.2.4 Công nghệ sản xuất tế bào quang điện

Pin quang điện (Photovoltaic cells) có thể được sản xuất theo nhiều cách khác nhau và từ nhiều loại vật liệu khác nhau Mặc dù có sự khác biệt này, tất cả chúng đều thực hiện cùng một nhiệm vụ là thu năng lượng mặt trời và chuyển đổi thành điện năng hữu ích Vật liệu phổ biến nhất để chế tạo tấm pin mặt trời là silicon có đặc tính bán dẫn [61]

2.2.4.1 Pin silicon đơn tinh thể (Monocrystalline Silicon Cell)

Các tế bào quang điện đầu tiên được sản xuất thương mại làm từ silicon đơn tinh thể, một dạng silicon cực kỳ tinh khiết Để sản xuất ra những tế bào này, một tinh thể mầm được kéo ra khỏi khối silicon nóng chảy tạo ra một thỏi hình trụ có cấu trúc mạng tinh thể liên tục duy nhất Sau đó, tinh thể này được gia công cơ học, đánh bóng và trộn các phục gia để tạo thành các tấm mỏng Sau khi phủ lớp chống phản xạ và thêm các tiếp điểm kim loại ở mặt trước và mặt sau, cuối cùng, tế bào được hàn dây và đóng gói cùng với nhiều tế bào khác thành một tấm pin mặt trời hoàn chỉnh [62] Các tế bào silicon đơn tinh thể có hiệu suất cao, nhưng quy trình sản xuất của chúng cho năng xuất thấp và đòi hỏi nhiều nhân công, khiến chúng đắt hơn so với các tế bào đa tinh thể hoặc màng mỏng Hình 2.7 dưới đây minh họa về so sánh giữa tế bào quang điện công nghệ đơn tinh thể và đa tinh thể

Hình 2.7 Hình ảnh so sánh pin silicon đa tinh thể (trái) và pin silicon đơn tinh thể

(phải) [63]

2.2.4.2 Pin silicon đa tinh thể (Polycrystalline Silicon Cell)

Thay vì một cấu trúc tinh thể đồng nhất duy nhất, các tế bào đa tinh thể chứa nhiều hạt tinh thể nhỏ như minh họa ở hình 1.9 Chúng có thể được tạo ra bằng cách chỉ cần đúc một thỏi hình khối từ silicon nóng chảy, sau đó cưa và đóng gói tương tự như các tế bào đơn tinh thể Một phương pháp khác được gọi là tăng trưởng màng được xác định cạnh (EFG) liên quan đến việc kéo một dải silicon đa tinh thể mỏng từ khối silicon nóng chảy Một giải pháp thay thế rẻ hơn nhưng kém hiệu quả hơn, các tế bào quang điện silicon đa tinh thể thống trị thị trường thế giới, chiếm khoảng 70% sản lượng quang điện

2.2.4.3 Pin màng mỏng (Thin Film Cells)

Mặc dù các tế bào quang điện tinh thể chiếm ưu thế trên thị trường, các tế bào cũng

có thể được làm từ màng mỏng - khiến chúng linh hoạt và bền hơn nhiều Một loại tế bào quang điện màng mỏng là silicon vô định hình (a-Si) được sản xuất bằng cách lắng đọng các lớp silicon mỏng trên một chất nền thủy tinh Kết quả là một tế bào rất mỏng

và linh hoạt, sử dụng ít hơn 1% silicon cần thiết cho một tế bào tinh thể [62] Do việc giảm nguyên liệu thô này và quy trình sản xuất ít tốn năng lượng hơn, nên việc sản xuất các tế bào silicon vô định hình rẻ hơn nhiều Tuy nhiên, hiệu suất của chúng giảm đáng

kể vì các nguyên tử silicon ít được sắp xếp hơn nhiều so với dạng tinh thể của chúng, để lại 'các liên kết lơ lửng' kết hợp với các nguyên tố khác khiến chúng không hoạt động

về mặt điện Các tế bào này cũng bị giảm 20% hiệu suất trong vài tháng đầu hoạt động trước khi ổn định và do đó được bán với mức công suất dựa trên sản lượng bị suy giảm của chúng Hình 2.8 dưới đây minh họa về pin màng mỏng được chế tạo từ tinh thể silicon

Các loại pin màng mỏng khác bao gồm đồng indium gallium diselenide (CIGS)

và cadmium telluride (CdTe) Các công nghệ pin này cung cấp hiệu suất cao hơn so với silicon vô định hình, nhưng chứa các nguyên tố hiếm và độc hại bao gồm cadmium đòi hỏi phải có các biện pháp phòng ngừa bổ sung trong quá trình sản xuất

và tái chế cuối cùng

2.3 Phương pháp dự tính sản lượng điện, chi phí và tiềm năng giảm phát thải carbon bằng phần mền PVsyst

2.3.1 Giới thiệu về phần mềm PVsyst

Để thực hiện dự án đánh giá tiềm năng giảm phát thải carbon tại nhà máy Samsung Display Việt Nam (Yên Phong, Bắc Ninh), dự án đã sử dụng phần mềm PVsyst PVsyst được phát triển tại Đại học Geneva bởi Andre Mermoud PVsyst có tùy chọn mô phỏng thiết kế sơ bộ hoặc thiết kế toàn bộ dự án Ngoài ra, PVsyst còn

có một công cụ tùy chọn, nơi chứa các công cụ quản lý dữ liệu nền và mô phạm Phương án thiết kế sơ bộ của PVsyst chưa được sử dụng trong nghiên cứu này vì đây

là một mô phỏng thô hơn được cho là không đóng góp thông tin đáng kể so với

phương án mô phỏng thiết kế toàn bộ dự án

PVsyst được coi là một trong những chương trình toàn diện nhất trong số những chương trình được đề cập dưới đây:

PVsyst có độ chính xác cao hơn trong tính toán mô phỏng bóng râm so với PVS

và PV*SOL, đồng thời là chương trình duy nhất cung cấp mô phỏng bằng hình ảnh 3D Greenius cung cấp một phép tính kinh tế sâu rộng, trong khi các chương trình khác khác giống nhau với các mức độ chức năng khác nhau Các cuộc thử nghiệm của các chương trình khác nhau ở Châu Âu cho thấy rằng bóng râm đứng đầu trong việc làm giảm hiệu xuất và là nguyên nhân làm giảm đáng kể tới 30% và hơn thế nữa Mức giảm hiệu suất nhìn chung hóa ra lớn hơn mức người ta nghi ngờ dựa trên diện tích bề mặt bóng râm

Do đó, phân tích bóng râm được biết đến là một điểm nhạy cảm trong mô phỏng hệ thống pin quang điện [64, P.193] Ví dụ về các hệ thống mô phỏng PV khác là PVSIM, PVFORM, PVNet và SimPhoSys [65]

Các phần mềm này được gọi chương trình mô phỏng bước thời gian Trừ phần mềm DASTPVPS, thì các phầm mềm còn lại đều dùng để áp dụng mô phỏng thiết kế

hệ thống điện mặt trời nối lưới SOLDIM, PVS, PV*SOL, Greenius, PV Design Pro và PVsyst còn dùng để mô phỏng thiết kế cho hệ độc lập, hệ thống hybrid, hệ thống bơm cứu hỏa cho các dự án điện mặt trời và một số áp dụng cho các công nghệ khác như gió, pin nhiên liệu, nhà máy nhiệt mặt trời, … Tất cả đều cung cấp một cái nhìn tổng quan

về kinh tế PVS, PV*SOL, PVsyst, PV Design Pro và SOLIM cung cấp các tính toán về bóng râm trong khoảng thời gian một giờ Ngoài ra PVS, PVsyst, PV Design Pro và SOLDIM còn cung cấp các thông số về bức xạ mặt trời [64, P.199]

2.3.2 Các bước dự tính sản lượng điện, chi phí và tiềm năng giảm phát thải carbon

Nhiệm vụ của dự án chủ yếu là tập trung mô phỏng trên phần mềm PVSYST để tính toán ra sản lượng điện dự kiến được sản xuất hằng năm, chi phí sản xuất điện quy

dẫn (LCOE), cũng như lượng giảm phát thải carbon trong toàn bộ vòng đời của hệ thống

Quá trình mô phỏng sử dụng phần mềm PVSYST với dữ liệu thời tiết tích hợp Meteonorm 7.1 [66, 67] được mô tả theo trình tự như trong hình 2.9 dưới đây Trong dự

án này, phần mềm PVsyst V7.2.21 được dùng để thiết kề mô phỏng với dữ liệu thời tiết

tích hợp Meteonorm 8.0

Thiết lập vị trí và dữ liệu khí

tượng Cài đặt góc nghiên & góc phương vị

Chọn tấm mô đun quang điện

Lựa chọn Inverter

Tính toán số chuổi quang điện

Tiến hành chạy mô phỏng

Xuất báo cáo

2.4 Trình tự phân tích đánh giá tiềm năng giảm phát thải carbon của điện mặt trời thông qua mô phỏng thiết kế, lắp đặt và vận hành

2.4.1 Tính toán công suất lắp đặt

Việc lựa chọn công suất lắp đặt của hệ thống ngoài yêu cầu mà nhà đầu tư mong muốn thì phải đảm bảo hai điều kiện là diện tích mái nhà có thể lắp đặt tấm pin quang điện để đạt hiệu suất hệ thống cao và quy định ràng buộc (Điều 41, Thông tư số 39/2015/TT-BCT, tổng công suất đặt của hệ thống điện mặt trời đấu nối vào cấp điện

áp hạ áp của trạm biến áp hạ thế không được vượt quá 30% công suất đặt của trạm biến

áp đó) [68]

Dự án này dựa vào tham vấn từ phòng kỹ thuật điện nhà máy và thông số diện tích mái của tòa nhà, công suất lắp đặt 1436 KWp được lựa chọn.

2.4.2 Tính toán mô phỏng bóng râm

Bóng râm có thể là một vấn đề đối với các tấm pin mặt trời vì chúng làm giảm công suất tối đa có thể tạo ra Một số yếu tố góp phần gây ra vấn đề này, nguyên nhân phổ biến nhất gây ra bóng râm trên tấm pin mặt trời là; 1) Bóng mát từ các cây cối và tòa nhà lân cận ở vùng lân cận, 2) thời tiết nhiều mây điển hình và 3) bóng mát từ các tấm pin mặt trời lân cận [69]

Trong dự án này, phân xưởng được chọn để mô phỏng có độ cao từ mặt đất đến nóc mái là lớn nhất, xung quang không có cây cối hay tòa nhà nào Hơn nữa trong mô phỏng thiết kế, các tấm pin quang điện được xắp xếp trên cùng một mặt phẳng mái phía trước với cùng một góc nghiêng cố định, do vậy trong dự án này bỏ qua mô phỏng hiệu ứng bóng râm trên phần mềm PVsyst Bóng râm không ảnh hưởng đến hiệu xuất của thống

2.4.3 Tính toán góc nghiêng

Các định nghĩa về góc phương vị và góc nghiêng được đề cập trong nhiều nghiên cứu khác nhau Góc nghiêng là góc của các mô-đun quang điện so với mặt phẳng ngang

để lắp cố định (không có hệ thống thay đổi góc nghiêng) [70] Nhìn chung, nên lắp đặt

hệ thống quang điện với góc nghiêng bằng vĩ độ của địa điểm [71] Hình ảnh trực quan

về ý nghĩa của góc nghiêng được thể hiện trong Hình 2.10