THIẾT KẾ CUNG CẤP ĐIỆN MẶT TRỜI CHO HỘ GIA ĐÌNH VỚI PHỤ TẢI MÁY THU HÌNH, MÁY TÍNH, QUẠT, ĐÈN CHIẾU SÁNG BẰNG LED

Nhận được tài trợ từ chính phủ Pháp, ông thành côngtrong việc tạo ra một thiết bị giúp chuyển hóa năng lượng mặt trời thành năng lượnghơi nước và từ đó cho ra đời chiếc máy hơi nước chạy

LỜI CẢM ƠN

Dưới áp lực của tốc độ phát triển kinh tế xã hội và sự gia tăng dân số nhanh,nhu cầu năng lượng của con người cũng ngày một tăng lên Mỗi năm, nhu cầu điệnnăng ở Việt Nam tăng khoảng 15%, trong khi đó các nguồn năng lượng hoá thạchđang giảm nhanh chóng và sẽ cạn kiệt dần trong tương lai Do vậy, phát triển nănglượng tái tạo đặc biệt năng lượng mặt trời đang trở thành một xu thế cho tương lai

Tuy nguồn năng lượng sạch từ mặt trời là vô tận, nhưng không phải ai cũng cóthể tận dụng để biến nó thành nguồn năng lượng điện phục vụ cho cuộc sống hằngngày, nhất là những gia đình có kinh tế khó khăn nói riêng và người dân nói chung, vìvậy việc áp dụng điện mặt trời phục vụ cho cuộc sống hằng ngày của hộ gia đình làđiều cần thiết

Với tư cách là một sinh viên của trường ĐH Nha Trang, được tiếp cận vớinhững công nghệ, kiến thức và những sản phẩm tiên tiến của nhân loại, tôi xin đượcthực hiện đề tài “THIẾT KẾ CUNG CẤP ĐIỆN MẶT TRỜI CHO HỘ GIA ĐÌNHVỚI PHỤ TẢI: MÁY THU HÌNH, MÁY TÍNH, QUẠT, ĐÈN CHIẾU SÁNG BẰNGLED”, nhằm đưa lý thuyết, công nghệ vào thực tiễn để đến gần hơn với người dân,cũng như tìm kiếm cơ hội để phát huy những gì mình học được, tìm hiểu được

Trong quá trình thực hiện đề tài: “THIẾT KẾ CUNG CẤP ĐIỆN MẶT TRỜICHO HỘ GIA ĐÌNH VỚI PHỤ TẢI: MÁY THU HÌNH, MÁY TÍNH, QUẠT, ĐÈNCHIẾU SÁNG BẰNG LED” tôi muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến Thầy TrầnTiến Phức đã gợi ý, khơi nguồn cảm hứng và ý tưởng để tôi có thể thực hiện thànhcông đề tài này

Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến các Thầy, Cô trong bộ môn đã giảng dạy,cung cấp cho tôi nhiều kiến thức trong suốt quá trình học tập tại trường Đại học NhaTrang, những kiến thức mà tôi đã nhận được trên giảng đường Đại học sẽ là hành tranggiúp tôi vững bước trong tương lai

Do vốn kiến thức của Tôi còn hạn chế nên chắc chắn đồ án không tránh khỏinhiều thiếu sót Tôi rất mong được sự chỉ bảo, góp ý của Thầy cô và các bạn

Nha Trang, ngày 19 tháng 12 năm 2013

Sinh viên

Nguyễn Quang Hải

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC HÌNH ii

MỞ ĐẦU 1

TỔNG QUAN 4

CHƯƠNG 1 5

MẶT TRỜI VÀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 5

1 LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CỦA NHÂN LOẠI 5

2 TIỀM NĂNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 8

3 ĐIỆN MẶT TRỜI 12

3.1 Các phương pháp chuyển đổi tạo nên điện mặt trời 12

3.2 Tốc độ phát triển điện mặt trời trên thế giới 15

3.3 Tốc độ phát triển điện mặt trời ở Việt Nam 17

4 MỘT SỐ CÔNG TRÌNH ĐIỆN MẶT TRỜI TRÊN THẾ GIỚI 20

5 ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM KHI ÁP DỤNG ĐIỆN MẶT TRỜI VÀO THỰC TẾ 21

CHƯƠNG 2 23

ĐIỆN MẶT TRỜI, TIỀM NĂNG LỚN Ở VIỆT NAM 23

1 TIỀM NĂNG ĐIỆN MẶT TRỜI Ở VIỆT NAM 23

2 MỘT SỐ ỨNG DỤNG ĐIỆN MẶT TRỜI TẠI VIỆT NAM 26

CHƯƠNG 3 31

PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 31

1 CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA PIN MẶT TRỜI 31

1.1 Cấu tạo pin mặt trời 31

1.2 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 32

1.3 Hiệu suất của quá trình biến đổi quang điện 35

2 ỨNG DỤNG PIN MẶT TRỜI 36

CHƯƠNG 4 38

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY CUNG CẤP ĐIỆN MẶT TRỜI CHO HỘ GIA ĐÌNH VỚI PHỤ TẢI: MÁY THU HÌNH, MÁY TÍNH, QUẠT, ĐÈN CHIẾU SÁNG BẰNG LED 38

1 VỊ TRÍ ĐỊA LÍ 38

2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI 38

3 PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MỘT HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 38

3.1 Các thông số cần thiết để thiết kế hệ thống điện mặt trời 40

3.2 Các bước thiết kế hệ thống điện mặt trời 42

CHƯƠNG 5 52

KẾT QUẢ TRIỂN KHAI THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI CHO HỘ GIA ĐÌNH VỚI PHỤ TẢI: LAPTOP, LED, LOA, QUẠT, RADIO 52

1 KẾT QUẢ TRIỂN KHAI THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG 52

1.1 Ứng dụng hệ thống điện mặt trời sau khi hoàn thành lắp đặt 52

1.2 Số liệu các giá trị U V , I V , U S , I N từ bộ điều khiển sạc mặt trời (control- solar panel) đo đạc được sau khi lắp đặt xong hệ thống điện mặt trời 54

1.3 Kết luận 54

2 THAY THẾ THIẾT BỊ CHIẾU SÁNG TẠI HỘ GIA ĐÌNH 54

2.1 Sơ đồ nguyên lý nguồn cung cấp 55

2.2 Các thành phần của mạch 55

2.3 Kết quả khi thay thế led vào trong chiếu sáng 56

2.4 Kết luận 57

3 NGHIÊN CỨU HIỆU SUẤT TẤM PIN QUA CÁC HƯỚNG 57

CHƯƠNG 6 59

CÁC BỘ PHẬN VÀ CHỨC NĂNG CỦA MÁY CUNG CẤP ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TỰ THIẾT KẾ 59

(AUTO SOLAR POWER) 59

1 SƠ ĐỒ KHỐI MÁY AUTO SOLAR POWER 59

2.1 Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển trung tâm 60

2.2 Chức năng của bộ điều khiển trung tâm 60

2.3 Hình ảnh thực tế của bộ điều khiển trung tâm 61

3 BỘ PHÂN ÁP CHO ADC CỦA ATMEGA16 61

3.1 Sơ đồ nguyên lý 61

3.2 Chức năng của mạch phân áp 61

3.3 Hình ảnh thực tế của bộ phân áp 62

4 KHỐI THI HÀNH SẠC VÀ NGẮT 62

4.1 Sơ đồ nguyên lý của khối thi hành sạc và ngắt 62

4.2 Chức năng của khối thi hành sạc và ngắt 63

4.3 Hình ảnh thực tế của khối thi hành sạc và ngắt 63

5 LCD HIỂN THỊ ĐIỆN ÁP 63

6 KHỐI CUNG CẤP NGUỒN DC 64

6.1 Sơ đồ nguyên lý 64

6.2 Chức năng của bộ cung cấp điện áp DC 64

6.3 Hình ảnh thực tế của bộ cung cấp điện áp DC 65

7 BỘ NGHỊCH LƯU DC-AC 220V/50HZ (INVERTER) 65

7.1 Sơ đồ nguyên lý bộ nghịch lưu DC-AC 220V/50Hz (Inverter) 65

7.2 Chức năng của bộ nghịch lưu DC-AC 220V/50Hz (Inverter) 66

7.3 Hình ảnh thực tế bộ nghịch lưu DC-AC 220V/50Hz (Inverter) 66

8 CHỨC NĂNG CỦA MÁY CUNG CẤP ĐIỆN MẶT TRỜI (AUTO SOLAR POWER) 67

9 TỔNG QUAN KẾT CẤU BÊN NGOÀI CỦA MÁY CUNG CẤP ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI (AUTO SOLAR POWER) 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Edmond Becquerel……… 5

Hình 1.2: Chiếc máy hơi nước chạy bằng năng lượng mặt trời……… … 6

Hình 1.3: Thiết kế sử dụng gương tạo ra nguồn năng lượng mặt trời……… 7

Hình 1.4: Mẫu thiết kế pin mặt trời đầu tiên……… 7

Hình 1.5: Jonh Ericson……… ……… 8

Hình 1.6: Công viên sử dụng quang điện……… 13

Hình 1.7: Tấm pin mặt trời tập trung………

13 Hình 1.8: Hệ thống dàn xoay 1 trục……… 14

Hình 1.9: Hệ thống dàn xoay 2 trục……….… 14

Hình 1.10: Dự báo công suất lắp đặt điện mặt trời toàn cầu đến năm 2016……… 15

Hình 1.11: Công suất lắp đặt điện mặt trời dự đoán đến năm 2016 ……… 16

Hình 1.12: Công suất điện mặt trời lắp đặt mới ở các nước ngoài EU……… 17

Hình 1.13: Mô hình điện mặt trời tại Buôn Chăn (Đăk Lăk)………19

Hình 2.1: Hệ thống điện mặt trời tại nhà máy Intel Việt Nam……… 26

Hình 2.2: Pin mặt trời nối lưới trình diễn tai trụ sở Bộ Công Thương……… 27

Hình 2.3:Dự án điện mặt trời-diesel ở thôn Bãi Hương, Cù Lao Chàm,Quảng Nam……… 27

Hình 2.4: Dự án pin mặt trời tại trung tâm y tế Tam Kỳ (Quảng Nam)………28

Hình 2.5: Dự án tại xã Thượng Trạch, Bố Trạch, Quảng Bình……….28

Hình 2.6: Dàn pin công suất 5 Kwp tại đảo Hòn Chuối, Cà Mau……….29

Hình 2.7: Trường Tiểu học cấp 2 Minh Châu, Quan Lạn và Trạm y tế Minh Châu….29 Hình 2.8: Những tấm pin năng lượng mặt trời trên nóc nhà đảo Trường Sa Đông… 30

Hình 2.9: Những tấm pin năng lượng mặt trời đầu tiên do nhà máy sản xuất……… 30

Hình 3.1: Quá trình tạo module……….32

Hình 3.2: Cấu tạo module……… 32

Hình 3.3: Pin mặt trời………32

Hình 3.4: Hệ 2 mức năng lượng………33

Hình 3.5: Các vùng năng lượng……….…34

Hình 3.6: Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời……… 35

Hình 4.1: Hệ thống pin mặt trời………39

Hình 4.2: Góc nghiêng của pin mặt trời……… 42

Hình 4.3: Sơ đồ khối của hệ thống điện mặt trời……… 43

Hình 4.4: Acquy axit……….47

Hình 5.1: Bộ inverter DC – AC trong máy đang cung cấp điện năng 220V cho Laptop, quạt và loa đang sử dụng ……… 52

Hình 5.2: Quạt đang chạy lấy điện từ máy cung cấp điện mặt trời 52

Hình 5.3: Sử dụng Radio lấy điện từ hệ thống điện mặt trời

… 53

Hình 5.4: Chiếu sáng băng LED lấy nguồn DC từ máy điện mặt trời… ………… 53

Hình 5.5 Sơ đồ mạch nguồn xung cho led sử dụng IC 555………… ……… 55

Hình 5.6: So sánh hiệu suất của 1 hệ thống pin mặt trời gắn cố định và hệ thống pin mặt trời được điều khiển……… ……… 58

Hình 6.1: Sơ đồ khối máy Auto Solar Power 60

Hình 6.2: Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển trung tâm .60

Hình 6.3: Hình ảnh thực tế của bộ điều khiển trung tâm .61

Hình 6.4: Sơ đồ nguyên lý của bộ phân áp 61

Hình 6.5: Hình ảnh thực tế của bộ phân áp 62

Hình 6.6: Sơ đồ nguyên lý khối thi hành sạc và ngắt 62

Hình 6.7: Hình ảnh thực tế khối thi hành sạc và ngắt 63

Hình 6.8: Thông tin hiển thị trên LCD 63

Hình 6.9: Sơ đồ nguyên lý bộ cung cấp các mức điện áp DC cho tải 64

Hình 6.10: Hình ảnh thực tế của bộ cung cấp các mức điện áp DC cho tải 65

Hình 6.11: Sơ đồ nguyên lý bộ inverter DC-AC 65

Hình 6.12: Hình ảnh thực tế của bộ inverter DC-AC 66

Hình 6.13: Hình ảnh phía trước và nắp trên của máy 67

Hình 6.14: Hình ảnh nơi cấp nguồn DC của máy 68

Hình 6.15: Hình ảnh nơi cấp nguồn AC của máy 68

Hình 6.16: 2 nút điều khiển tay của máy (sạc và ngắt nóng) 68

Hình 6.17: Mặt sau của máy đã được kết nối với PIN và ACU 68

Hình 6.18: Máy Auto Solar Power và các thiết bị gia đình 68

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Giá trị trung bình cường độ bức xạ mặt trời ngày trong năm và số giờ nắng

của một số khu vực khác nhau ở Việt Nam……… 25

Bảng 2.2: Số giờ nắng và bức xạ mặt trời của khu vực miền Nam……… 26

Bảng 2.3: Điều tra năng lượng mặt trời tại vùng Tây Bắc………26

Bảng 4.1: Quan hệ giữa cường độ dòng điện và tiết diện dây dẫn……… 51

Bảng 5.1 Bảng giá trị U, I của hệ thống điện mặt trời đo được sau khi hoàn tất lắp đặt……… 53

Bảng 5.2: Thông số led 1W……… 54

Bảng 5.3: Độ rọi của led (5W) trên sàn nhà (đơn vị đo lx)……… 56

Bảng 5.4: Độ rọi của bóng đèn huỳnh quang trên sàn nhà (đơn vị đo lx)……….57

Bảng 5.5: Giá trị U, I của tấm pin theo các hướng………58

MỞ ĐẦU

Nhu cầu về năng lượng của con người trong thời đại khoa học kỹ thuật pháttriển ngày càng tăng Trong khi đó các nguồn nhiên liệu dự trữ như than đã, dầu mỏ,khí thiên nhiên và ngay cả thuỷ điện đều có hạn, khiến cho nhận loại đứng trước nguy

cơ thiếu hụt năng lượng

Vấn đề tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới như năng lượng hạtnhân, năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió và năng lượng mặt trời… là hướng quantrọng trong kế hoạch phát triển năng lượng

Việc nghiên cứu sử dụng năng lượng mặt trời ngày càng được quan tâm, nhất làtrong tình trạng thiếu hụt năng lượng và vấn đề cấp bách về môi trường hiện nay Nănglượng mặt trời được xem là dạng năng lượng ưu việt trong tương lai, đó là nguồn nănglượng sẵn có siêu sạch và miễn phí Do vậy năng lượng mặt trời ngày càng được sửdụng rộng rãi trên thế giới

Ở Việt Nam năng lượng mặt trời cũng đã dần thức giấc đem lại nhiều hiệu quảcao trong kinh tế Điện mặt trời đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.Tuy nhiên, do chi phí đầu tư để sử dụng điện mặt trời là khá cao đối với những hộ giađình và hầu như những thiết kế đều dành cho sự phát triển kinh tế nhiều hơn là phục

vụ cho cuộc sống hằng ngày Ý thức được những lợi ích to lớn không chỉ về kinh tế vàmôi trường của điện mặt trời, nhà nước ta cũng đã khuyến khích phát triển nguồn nănglượng sạch này để phục vụ cho cuộc sống; nhằm giảm bớt gánh nặng về điện từ cácnguồn năng lượng khác, đặc biệt là điện thủy điện

 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Không phải cứ điện đưa vào sản xuất là mới phát triển kinh tế, đem lại lợi ích,

mà đưa vào phục vụ cuộc sống hằng ngày của hộ gia đình, đặc biệt là những gia đình ởvùng sâu vùng xa cũng hết sức có ý nghĩa và mang lại hiệu quả kinh tế

Hiện nay việc mang ánh sáng điện đến từng nhà hầu như đã thực hiện được.Tuy nhiên, việc phân phối và truyền tải điện năng đến từng nhà, từng người buộc nhànước phải bỏ ra số tiền rất lớn để đầu tư cho mạng điện phân phối, hơn nữa lượng điệntổn thất hàng năm trong quá trình truyền tải là hơn 10%

Mặc khác, hằng năm cứ vào mùa khô thì các hộ gia đình thường xuyên bị mấtđiện, do cạn kiệt nguồn nước từ các hồ thủy điện, dẫn đến thiếu hụt điện năng vàlượng điện sản xuất ra được buộc phải ưu tiên cho phát triển sản xuất.

Một vấn nạn nữa đó là, việc dự trữ nước từ các đập thủy điện nhằm đảm bảoduy trì điện năng vào mùa khô đã làm không ít đất đai quanh khu vực thủy điện bịthoái hóa, người dân không sản xuất được, mùa mưa thì ồ ạc xả đập làm hủy hoại mùamàn

Một thực tế là giá điện hàng năm liên tục tăng, dân số đông, nhu cầu điên năngngày càng tăng cao không chỉ trong sản xuất mà còn cả trong phục vụ cuộc sống hằngngày của từng gia đình, phục vụ cho vui chơi giải trí, hơn nữa là phục vụ cho “thú vuicông nghệ”

Nghị quyết số 24-NQ/TW, ngày 3/6/2013, Hội nghị lần thứ 7, Ban Chấp hànhTrung ương Đảng khóa XI cũng đã chỉ ra tầm quan trọng trong việc chủ động ứng phóvới biến đổi khí hậu, tăng cường quản lý tài nguyên và bảo vệ môi trường, tận dụngcác nguồn năng lượng sạch thay thế dần các nguồn năng lượng hóa thạch

Vì vậy, cần phải tìm nguồn năng lượng vừa có thể phục vụ cho sự phát triển,vừa đảm bảo cho môi trường, đó chính là nguồn năng lượng tái tạo được Điển hình lànăng lượng mặt trời

Từ lâu, công nghệ sử dụng năng lượng mặt trời đã được ứng dụng ở nhiều nơi,trong nhiều lĩnh vực Giờ đây nó sẽ được đi đến và phục vụ cho từng hộ gia đình, từngnhà và từng người, với chi phí không quá lớn như ngày xưa

 NHIỆM VỤ VÀ PHẠM VI ÁP DỤNG THỰC TẾ CỦA ĐỀ TÀI

 Nhiệm vụ

Đề ra cấu hình tối ưu và thực hiện thiết kế máy cung cấp điện mặt trời cho hộgia đình sử dụng các phụ tải chiếu sáng, thông tin liên lạc, giải trí và các thiết bị côngnghệ là TV, điện thoại, quạt, laptop, LED chiếu sáng

 Phạm vi áp dụng thực tế của đề tài

Đề tài thực hiện phục vụ cho sinh hoạt hàng ngày của hộ gia đình và cá nhân

Thiết kế máy cung cấp điện mặt trời cho hộ gia đình với mục đích giúp giảm sựthiết hụt về điện năng cho nhà nước, gia đình, tiết kiệm năng lượng, nhiên liệu, tận

dụng tối đa nguồn năng lượng vô tận có sẵn và góp phần bảo vệ môi trường Đề tàiđược nghiên cứu và áp dụng ngay tại hộ gia đình.

- Tìm hiểu về năng lượng mặt trời, điện mặt trời, cách thiết kế, tính toán một hệthống điện mặt trời

- Khảo sát thực tế lấy các thông tin như: công suất tiêu thụ và sử dụng của một sốthiết bị điện mà hộ gia đình dùng hàng ngày (TV, đèn chiếu sáng, LED chiếu sáng,laptop, quạt, một số thiết bị dùng nguồn DC khác như: điện thoại, radio, máy ảnh, )

- Thông qua số liệu đã thu thập được tính toán thiết kế đưa ra cấu hình hệ thốngđiện mặt trời tối ưu đáp ứng đủ tổng công suất sử dụng của các thiết bị trên trong hộgia đình

- Đánh giá kết quả đạt được

TỔNG QUAN

Việt Nam với lợi thế là một trong những nước nằm trong giải phân bố ánh nắngmặt trời nhiều nhất trong năm trên bản đồ bức xạ của thế giới, năng lượng mặt trời ởViệt Nam có sẵn quanh năm, khá ổn định và phân bố rộng rãi trên các vùng miền Đặcbiệt, số ngày nắng trung bình trên các tỉnh của miền Trung và miền Nam là khoảng

Tuy nhiên, hạn chế chủ yếu việc áp dụng pin mặt trời là giá thành dàn pin còncao và hiệu suất hệ thống giảm vào những ngày không có nắng chính vì vậy vấn đềcần giải quyết là tính toán cấu hình hệ thống phù hợp đáp ứng đủ công suất cho nhữngngày trời không có nắng

CHƯƠNG 1

MẶT TRỜI VÀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Mặt trời là một trong những ngôi sao phát sáng mà con người có thể quan sátđược trong vũ trụ Mặt trời cùng với các hành tinh và các thiên thể của nó tạo nên hệmặt trời nằm trong dải ngân hà cùng với hàng tỷ hệ mặt trời khác Mặt trời luôn phát

ra một nguồn năng lượng khổng lồ và một phần năng lượng đó truyền bằng bức xạ đếntrái đất chúng ta Trái đất và mặt trời có quan hệ chặt chẽ, chính bức xạ mặt trời là yếu

tố quyết định cho sự tồn tại của sự sống trên hành tinh của chúng ta Năng lượng mặttrời là một trong các nguồn năng lượng sạch và vô tận và nó là nguồn gốc của cácnguồn năng lượng khác trên trái đất Con người đã biết tận hưởng nguồn năng lượngquý giá này từ rất lâu, tuy nhiên việc khai thác, sử dụng nguồn năng lượng này mộtcách hiệu quả nhất thì vẫn là vấn đề mà chúng ta đáng quan tâm

1 LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CỦA NHÂN LOẠI

 Năm 1838: Edmond Becquerel, nhà vật lý người Pháp, được ghi nhận là người

đầu tiên có những ý tưởng và ghi chép chính thống về một phương pháp “thần diệu”giúp chuyển biến ánh sáng thành năng lượng Tại thời điểm bấy giờ, ý tưởng của ôngđược nhiều người cho là khá mới mẻ và thú vị, tuy nhiên nó không có nhiều ứng dụngthực tế cho lắm nên đã nhanh chóng đi vào quên lãng

 Giai đoạn 1860 – 1881: Phải hơn 2 thập kỷ sau, những ý tưởng của Becquerel

mới lại được người ta nhắc đến Tiếp nối những ghi chép lại của người tiền bối,

Hình 1.1: Edmond Becquerel

Auguste Mouchout đã được cấp bằng sáng chế cho mẫu động cơ đầu tiên có khả năngchạy bằng năng lượng mặt trời Nhận được tài trợ từ chính phủ Pháp, ông thành côngtrong việc tạo ra một thiết bị giúp chuyển hóa năng lượng mặt trời thành năng lượnghơi nước và từ đó cho ra đời chiếc máy hơi nước chạy bằng năng lượng mặt trời đầutiên.

Không dừng lại đây, nhà phát minh này sau đó đã sử dụng động cơ hơi nước của mình

để lắp cho một chiếc tủ làm lạnh, Ông muốn chứng minh cho mọi người thấy rằng tianắng mặt trời nếu được ứng dụng đúng cách thậm chí có thể tạo ra băng đá, như

Newton đã nói: “năng lượng không tự nhiên sinh ra, cũng chẳng tự nhiên mất đi Nó chỉ chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác”.

Đáng tiếc là những nghiên cứu của Auguste Mouchout chỉ dừng lại tại đây.Nước Pháp ít lâu sau ký được một số thỏa thuận với nước Anh trong việc cung cấp lâudài nguồn năng lượng than đá giá rẻ Phát minh của Auguste trong việc tìm ra nguồnnăng lượng thay thế đã không còn là ưu tiên của chính phủ Pháp Không nhận đượcnguồn kinh phí tài trợ cần thiết cho việc nghiên cứu, Auguste Mouchout sau đó đãsớm phải từ bỏ giấc mơ về một nguồn năng lượng mới vô tận của mình

 Năm 1873: Willoughby Smith, một nhà khoa học người Anh tình cờ phát hiện

ra vật liệu chế tạo pin năng lượng mặt trời Khi đang thử nghiệm một số chất liệu chomẫu thiết kế dây cáp viễn thông xuyên đại dương của mình, ông vô tình tìm ra mộtloại chất liệu mới có tính nhạy sáng cao Một số thí nghiệm đầu tiên đã được thực hiện

và ghi lại liên quan tới mẫu vật liệu mới này

Hình 1.2: Chiếc máy hơi nước chạy bằng năng lượng mặt trời

 Giai đoạn 1876 – 1878: William Adams cho ra đời cuốn sách chính

thống đầu tiên về năng lượng mặt trời mang tên: “Nguồn năng lượng thay thế cho năng lượng hóa thạch tại các quốc gia nhiệt đới” Cùng với sự trợ giúp của cậu sinh

viên Richard Day trẻ tuổi, Ông đã có mẫu thiết kế thú vị sử dụng gương để tạo ranguồn năng lượng mặt trời tương đương với động cơ 2,5Hp Mẫu thiết kế của Ôngđược coi là bước tiến bộ vượt bậc (mẫu thiết kế trước đó của Mouchout chỉ tươngđương với động cơ 0,5Hp), và vẫn còn được ứng dụng cho tới tận ngày nay

Hình 1.3: Thiết kế sử dụng gương tạo ra nguồn năng lượng mặt trời

 Năm 1883: Charles Fritz là nhà khoa học đầu tiên thành công trong việc

chuyển hóa năng lượng mặt trời thành năng lượng điện Mẫu thiết kế pin mặt trời củaÔng tuy có mức chuyển hóa không cao, chỉ từ 1 – 2%, tuy nhiên vẫn được cộng đồngkhoa học quốc tế đánh giá là cột mốc quan trọng trong lịch sử phát triển và ứng dụngnăng lượng mặt trời của nhân loại

Hình 1.4: Mẫu thiết kế pin mặt trời đầu tiên

 Năm 1888: Jonh Ericson, một người Mỹ nhập cư đã viết ra những nhận

định như sau: “Sau hơn 2000 năm sinh sống và tồn tại trên trái đất, nhân loại sẽ sớm

sử dụng hết những nguồn năng lượng hóa thạch của mình Con cháu của chúng ta sẽ phải đối mặt với tình trạng thiếu thốn năng lượng trầm trọng trong thế kỷ mới Viễn cảnh đen tối này sẽ trở thành hiện thực trừ khi chúng ta tìm ra cách chế ngự và khai thác năng lượng mặt trời…”

Lời “tiên tri” trên khép lại giai đoạn mở đầu trong dòng lịch sử nghiên cứu và ứng

dụng năng lượng mặt trời Nhân loại bước sang kỷ nguyên mới, kỷ nguyên của

“NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI”.

2 TIỀM NĂNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Năng lượng mặt trời (NLMT) là nguồn năng lượng mà con người biết sử dụng

từ rất sớm, nhưng ứng dụng năng lượng mặt trời vào các công nghệ sản xuất và trênquy mô rộng thì mới chỉ thực sự vào cuối thế kỷ 18 và cũng chủ yếu ở những nướcnhiều năng lượng mặt trời, những vùng sa mạc Từ sau các cuộc khủng hoảng nănglượng thế giới năm 1968 và 1973, năng lượng mặt trời càng được đặc biệt quan tâm.Các nước công nghiệp phát triển đã đi tiên phong trong việc nghiên cứu ứng dụngnăng lượng mặt trời

Với chi phí lắp đặt ngày một giảm, việc sử dụng năng lượng mặt trời đang trở nênngày một phổ biến trên thế giới, thậm chí còn hơn cả năng lượng gió, nhờ dễ khai thác

và sản xuất

Hình 1.5: Jonh Ericson

Các ứng dụng năng lượng mặt trời phổ biến hiện nay bao gồm 2 lĩnh vực chủyếu:

Thứ nhất là năng lượng mặt trời được biến đổi trực tiếp thành điện năng nhờcác tế bào quang điện bán dẫn, hay còn gọi là pin mặt trời, các pin mặt trời sản xuất rađiện năng một cách liên tục chừng nào còn có bức xạ mặt trời chiếu tới

Lĩnh vực thứ hai là sản xuất điện mặt trời đưới dạng nhiệt năng, ở đây chúng tadùng các thiết bị thu bức xạ nhiệt mặt trời và tích trữ nó dưới dạng nhiệt năng để dùngvào các mục đích khác nhau

Theo thống kê trên thế giới: “Tổng sản lượng điện năng lượng mặt trời từ 38% năm

2006 đến 89% năm 2008, trước khi thụt lùi xuống còn 51% năm 2009 Riêng sản xuất điện từ quang năng trên thế giới cứ sau 2 năm là tăng gần gấp đôi kể từ năm 2001 và

có tổng công suất vượt ngưỡng 20000 MW trong năm 2011”

Về mặt sản xuất, những nước tiên phong như Mỹ, Nhật, Đức đã bị Trung Quốcvượt mặt, hiện tại công suất của các tấm pin mặt trời được sản xuất hàng năm ở TrungQuốc đã gấp đôi Nhật Bản

Mỹ đang xúc tiến khoảng 77 dự án quang điện qui mô lớn và nâng tổng côngsuất quang điện lên tới 13200 MW Nhóm công nghiệp năng lượng của Italia đang có

dự án lắp đặt các nhà máy phát điện bằng quang năng với tổng công suất 15000 MWvào năm 2020 Còn Nhật Bản đang lên kế hoạch nâng tổng công suất phát điện lên

3000 MW vào năm 2017

Maroco hiện đang lên kế hoạch tiến hành 5 dự án sản xuất năng lượng quy môlớn (trong đó có cả quang năng lẫn nhiệt năng hoặc kết hợp cả hai) với công suất phátđiện của mỗi dự án 100 – 500 MW

Saudi Arabia – đất nước giàu năng lượng mặt trời – đã thông báo kế hoạchchuyển dần sang sử dụng năng lượng mặt trời cho các nhà máy khử muối, biến nướcbiển thành nước ngọt cung cấp đủ nước canh tác và sinh hoạt cho nhân dân Đất nướcnày đang tiêu tốn tới 15 triệu thùng dầu để cung cấp năng lượng cho khoảng 30 nhàmáy khử muối hoạt động

Tính đến cuối năm 2009, tổng công suất quang điện trên toàn thế giới lên tới

23000 MW, tương đương với công suất phát điện của 23 nhà máy điện hạt nhân

Với một nhà máy có công suất quang điện gần 10000 MW đã được lắp đặt, Đức đã bỏ

xa nước đứng đầu thế giới về công suất phát điện của các nhà máy quang điện đơn lẻ.Đến năm 2020, tổng công suất của các nhà máy quang điện trên toàn thế giới có thểlên tới 1,5 triệu MW Mặc dù đây là một mục tiêu xem ra quá tham vọng, nhưng trênthực tế điều đó có thể đạt được bởi nếu 1,5 tỷ người đang thiếu điện hàng ngày mà lại

có đủ điện dùng vào năm 2020 thì chắc chắn là họ cần lắp đặt các hệ thống năng lượngmặt trời tại nhà Nhiều trường hợp, việc lắp đặt các thiết bị năng lượng mặt trời chocác hộ gia đình rẻ hơn là phải xây cả một mạng lưới cung cấp điện từ một nhà máyphát điện trung tâm

Ngoài quang điện, một phương pháp khác là biến nhiệt năng của mặt trời thànhđiện năng cũng được áp dụng Đây chính là phương pháp giúp xây dựng các nhà máyđiện mặt trời công suất lớn (CSP) Phương pháp này sử dụng những tấm gươngparabol tập trung nhiệt lượng mặt trời làm nóng chảy muối, sản xuất ra hơi nước đểvận hành quạt gió và sản xuất điện năng

Nhiệt lượng thu được từ mặt trời có thể được lưu trữ trong muối nóng chảy ở nhiệt độtrên 1.0000F Sau đó, số nhiệt lượng được lưu trữ này lại biến thành hơi nước quayturbin phát điện trong khoảng thời gian từ 8 – 10 tiếng đồng hồ sau khi mặt trời lặn.CSP đầu tiên được xây dựng trong năm 1991 cùng với khu nhà máy liên hợp nhiệtnăng 350 MW ở California Đó là cơ sở sản xuất nhiệt năng qui mô tiện ích duy nhấttrên thế giới cho đến khi hoàn thành nhà máy năng lượng 64 MW ở tiểu bang Nevadanăm 2007 Mỹ đã có hơn 40 nhà máy nhiệt năng đang hoạt động và hiện đang trongquá trình xây dựng, phát triển một loạt các nhà máy tương tự có công suất từ 10 đến

1200 MW

Tây Ban Nha có 60 nhà máy phát điện CSP và mỗi nhà máy có công suất 50

MW Theo hội năng lượng mặt trời Mỹ, nguồn nhiệt năng mặt trời ở miền Tây Namnước Mỹ có thể đáp ứng gấp 4 lần nhu cầu điện năng hiện nay của nước Mỹ

Tháng 7 năm 2009, một nhóm 11 doanh nghiệp châu Âu hàng đầu và một doanhnghiệp Algeria (do hãng tái bảo hiểm Munich Re cầm đầu) thông báo sẽ phát triển sảnxuất điện mặt trời ở Bắc Phi và Trung Đông Dự án điện mặt trời khổng lồ này có thểthỏa mãn nhu cầu điện các quốc gia sản xuất và cung cấp một phần điện năng chochâu Âu thông qua cáp dẫn điện ngầm dưới biển

Trước dự án này, Algeria – một nước xuất khẩu dầu – đang có kế hoạch xâydựng nhà máy sản xuất điện mặt trời có công suất 6000 MW để xuất khẩu điện sangchâu Âu thông qua cáp ngầm dưới biển Algeria có đủ năng lượng mặt trời có thể đápứng nhu cầu điện của kinh tế thế giới.

Về phía Đức đã nhanh chóng đáp ứng và có kế hoạch xây dựng một hệ thốngvận chuyển điện dài 1900 dặm từ Adra (Ageria) đến Aachen, một thành phố ở biêngiới giữa Đức và Hà Lan

Ở mức độ toàn cầu, Greenpeace, hiệp hội năng lượng điện nhiệt năng vàchương trình Solar Paces cơ quan năng lượng quốc tế đã thảo ra một kế hoạch nâng

công suất điện mặt trời lên 1,5 triệu MW vào năm 2050 và vào năm 2025, “nguồn năng lượng mặt trời sẽ thay thế cho sản lượng điện hàng năm của khoảng 150 nhà máy phát điện chạy bằng than đá”.

Theo kế hoạch ổn định khí hậu toàn cầu của Học viện chính sách trái đất đưa ramục tiêu xây dựng nhà máy CSP 200000 MW vào năm 2020 để đảm bảo môi trường

an toàn cho con người Nhịp độ phát triển nhiệt năng đang tăng lên cũng như việc lắpđặt các máy làm nóng nước bằng năng lượng mặt trời trên mái nhà đang cất cánh nhờnhững thiết bị thu nhiệt năng đa dạng Thiết bị này hiện đang được sử dụng nhiều nhấttại Trung Quốc để cung cấp nước nóng cho 120 triệu hộ gia đình

Báo cáo của hai Tổ chức: “Hòa Bình Xanh” và Hiệp hội Công nghiệp sản xuấtđiện từ ánh sáng mặt trời châu Âu” (EPIA) cho biết các hệ thống sản xuất điện từ ánhsáng mặt trời hiện đang cung cấp 0,5% nhu cầu điện của thế giới và có thể tăng lên2,5% vào năm 2025, sau đó tăng vọt lên 16% vào năm 2040 Cũng theo báo cáo trongnăm 2005 thị trường các hệ thống quang điện sử dụng ánh sáng mặt trời đã thu về 8,1

tỷ Euro (10,41 tỷ USD) Theo dự kiến con số này sẽ tăng 113,8 tỷ Euro vào năm 2025

Ở châu Âu, khoảng 2 triệu người Đức đang sử dụng các hệ thống năng lượngtrên mái nhà để làm nóng nước và sưởi ấm

Việc giá thành các tấm panel pin mặt trời đã thu hút nhiều quốc gia khác tham gia nhưIsrael, Tây Ban Nha và Bồ Đào Nha tận dụng khai thác nguồn năng lượng mặt trời

Ngay cả tại châu lục đen, Nam Phi cũng đang thúc đẩy việc phát triển các máylàm nóng nước bằng năng lượng mặt trời trên mái nhà

Việt Nam là nước có tiềm năng về năng lượng mặt trời, trải dài từ vĩ độ 8’’ Bắcđến 23’’ Bắc, là một trong những nước nằm trong dải phân bố ánh nắng mặt trời nhiềunhất trong năm trên bản đồ bức xạ mặt trời của thế giới, với lượng bức xạ trung bình5Kw/m2/ngày với khoảng 2000 giờ nắng/năm Do đó việc sử dụng năng lượng mặt trời

ở nước ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế lớn

Việt Nam đã áp dụng nhiều hệ thống sử dụng năng lượng mặt trời, trong đóhiệu quả nhất là sử dụng năng lượng mặt trời vào đun nóng nước Một số liệu củaTrung tâm Thông tin Khoa học công nghệ quốc gia cho biết năm 2008 ở Việt Nammới chỉ có khoảng 60 hệ thống đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời cho tập thể

và hơn 5000 hệ thống cho gia đình

Thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam hiện nay chủ yếu là hệ thốngcung cấp điện dùng pin mặt trời, hệ thống nấu cơm có gương phản xạ, hệ thống cungcấp nước nóng, chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời, dùng năng lượng mặt trờichạy các động cơ nhiệt (động cơ Stirling), và ứng dụng năng lượng mặt trời để làmlạnh là đề tài hấp dẫn có tính thời sự đã và đang được nhiều nhà khoa học trong vàngoài nước nghiên cứu

Với những lợi thế và tiềm năng của mình, điện mặt trời có thể là một nguồn nănglượng thay thế giúp giải quyết những khó khăn như thiếu lương thực, tình trạng ônhiễm… mà cả thế giới đang phải đối mặt hiện nay Tuy vậy, vì giá thành của 1 hệthống năng lượng mặt trời vẫn còn cao nên nó vẫn còn là một món hàng xa xỉ vớinhững nước nghèo trên thế giới

3 ĐIỆN MẶT TRỜI

3.1 Các phương pháp chuyển đổi tạo nên điện mặt trời

Dùng pin mặt trời, hay tế bào quang điện (PV) chuyển đổi trực tiếp ánh sángthành dòng điện bằng cách sử dụng hiệu ứng quang điện (khi ánh sáng chiếu tới các tếbào quang điện, nó sẽ sản sinh ra điện năng, khi không có ánh sáng các tế bào nàyngừng sản xuất điện quá trình chuyển đổi này được gọi là hiệu ứng quang điện)

- Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1838 bởi Nhà vật lý PhápAlexandre Edmon Becquerel Tuy nhiên cho đến năm 1883 một tấm pin năng lượng

mới được tạo thành, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn Selen một lớp cựcmỏng vàng để tạo mạch nối Thiết bị chỉ có hiệu suất 1%

Hệ thống pin mặt trời tập trung có nghĩa tiếng Anh là ConcentratorPhotovoltaics (CPS) Ý tưởng chung của pin mặt trời tập trung là sử dụng hệ thốngquang học tập trung ánh sáng vào một tế bào quang điện nhỏ, nhờ đó diện tích trungtâm của tấm pin được giảm đi, đồng thời cường độ ánh sáng được khuyếch đại lêntương ứng với tỷ lệ tập trung của hệ thống Nhờ giảm diện tích pin sử dụng và tănghiệu suất mà có thể giảm được chi phí trên mỗi đơn vị Watt của tấm pin

Đặc điểm của hệ pin mặt trời tập trung này là nó chỉ hấp thụ được các tia sángtrực tiếp, do đó các hệ thống này thường đòi hỏi dàn xoay theo hướng mặt trời ( dànxoay 1 trục dùng cho hệ thống quang học hội tụ theo đường và dàn xoay 2 trục dùng

Hình 1.7: Tấm pin mặt trời tập trung Hình 1.6: Công viên sử dụng quang điện

cho hệ thống quang học hội tụ theo điểm) để tận dụng tối đa nguồn sáng trực tiếp,cùng với bộ phận quang học, dàn xoay làm tăng thêm chi phí và mức độ phức tạp của

hệ thống, đồng thời đòi hỏi các công tác bảo trì thường xuyên hơn

Sau 30 năm nghiên cứu và phát triển, ngày nay thị trường pin mặt trời tập trungdường như đã sẵn sàng cất cánh với tốc độ phát triển nhanh chóng nhờ vào chính sách

hỗ trợ giá FIT ở một số nước cũng như việc cải thiện hiệu suất tấm pin lên tới 40%cho loại tế bào quang điện đa kết nối

Hình 1.8: Hệ thống dàn xoay 1 trục

Hình 1.9: Hệ thống dàn xoay 2 trục

Từ đó ta rút ra được ưu, nhược điểm của hệ thống điện mặt trời tập trung:

- Ưu điểm:

+ Tiết kiệm nguyên liệu (do diện tích tế bào quang điện nhỏ)

+ Hiệu suất cao (cường độ ánh sáng cực lớn)

- Nhược điểm:

+ Phải sử dụng dàn xoay (do tế bào quang điện chỉ hấp thu ánh sáng trực tiếp)

+ Chi phí dàn xoay, bộ phận quang học, sản xuất pin đắt

3.2 Tốc độ phát triển điện mặt trời trên thế giới

Trong vòng khoảng 15 năm qua điện mặt trời phát triển rất nhanh, với tốc độtrung bình là 25% năm Công nghiệp điện mặt trời bao gồm quang điện mặt trời vànhiệt điện mặt trời

Năm 2010 điện mặt trời là công nghệ năng lượng tái tạo dẫn đầu ở châu Âu vớimức tăng trưởng công suất tới 13000MW Sản lượng năng lượng từ các dự án điệnmặt trời này tương đương với sản lượng điện của hai nhà máy nhiệt điện lớn Tính đếncuối năm 2011, tổng công suất lắp đặt điện mặt trời ở châu Âu đã vượt qua con số28000MW, với sản lượng điện bằng mức tiêu thụ của 10 triệu hộ gia đình ở châu Âu

Không chỉ dừng lại ở đó, công suất điện mặt trời trên thế giới được dự đoáng sẽcòn tăng cực kỳ mạnh cho đến năm 2016 con số sẽ là 77,265 MW, vượt xa so với con

số hiện nay là 41,361 MW (năm 2013)

Hình 1.10 Dự báo công suất lắp đặt điện mặt trời toàn cầu đến năm

2016

Chủ tịch Hiệp hội điện mặt trời châu Âu cho biết: “Điện mặt trời đã trở thành công nghệ được chứng minh, đóng góp vào tiến trình giảm lượng carbon hoá trong cơ cấu năng lượng của chúng ta, và do đó sẽ được khai thác nhiều hơn bởi các quốc gia thành viên nhằm đạt các mục tiêu năng lượng tái tạo 2020”, Ông cho biết thêm: “Hơn 70% tất cả các công suất mới lắp đặt là từ các hệ thống điện mặt trời nhỏ và trung bình Điện mặt trời trên thực tế là sự lựa chọn đầu tiên của mọi người trong các công nghệ tái tạo, khi họ trực tiếp tham gia và đóng góp cá nhân vì môi trường sạch hơn”.

- Là khu vực phát triển mạnh nhất về vấn đề năng lượng mặt trời, Châu Âu đóngvai trò là mũi tên dẫn đầu trong ngành năng lượng sạch, với con số hiện nay là 89,941

MW và cho đến năm 2016 là 154,992 MW gần gấp đôi so với con số hiện nay

- Lần đầu tiên, công suất lắp đặt trong năm của Italia và Cộng Hoà Séc đã vượtmức 1000MW

- Sau Italia, Cộng Hoà Séc là Bỉ, Pháp và Tây Ban Nha với mức tăng trưởngđáng kể trong năm 2010 Các phân tích thị trường và dự báo ngành trong vòng 4 nămtới sẽ được thảo luận vào hội thảo thị trường của hiệp hội trong tháng 3 này

- Bà Eleni Despotou – Tổng thư ký hiệp hội EIPA nhận xét: “Các biện pháp chính sách hỗ trợ cho điện mặt trời nên tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong việc thiết lập một lộ trình quốc gia mạch lạc cho việc phát triển thị trường điện mặt trời đi tới cạnh tranh hoàn toàn càng sớm càng tốt”.

Hình 1.11 Công suất lắp đặt điện mặt trời dự đoán đến năm 2016

Theo ước tính mới nhất của EIPA, hơn 3000 MW điện mặt trời được lắp đặtmới ngoài châu Âu trong năm 2011 Các đóng góp chính là từ Nhật Bản, nơi gần như1000MW đã được lắp đặt, tiếp theo là Mỹ, Trung Quốc

3.3 Tốc độ phát triển điện mặt trời ở Việt Nam

Việt Nam có cơ sở rất lớn để phát triển ngành công nghiệp điện mặt trời

Nước ta phát triển điện mặt trời từ những năm 1960, tới nay đã hoàn toàn làmchủ công nghệ điện mặt trời

Vì vậy hiện nay điện mặt trời đã từng bước nhân rộng khắp các địa phương trên

cả nước góp phần đẩy nhanh chương trình điện khí hoá nông thôn (dự kiến đến năm

2020, cung cấp điện cho toàn bộ 100% hộ dân nông thôn, miền núi, hải đảo)

Hình 1.12: Công suất điện mặt trời lắp đặt mới ở các nước ngoài EU

Từ những năm 1990, khi nhiều thôn xóm ngoại thành chưa có lưới điện quốcgia, phân viện TP Hồ Chí Minh đã triển khai các sản phẩm điện mặt trời Tại một sốhuyện như: Bình Chánh, Cần Giờ, Củ Chi điện mặt trời đã được sử dụng trong một sốnhà văn hoá, bệnh viện… Đặc biệt, công trình điện mặt trời trên đảo Thiềng Liềng, xãCán Gáo, huyện Cần Giờ cung cấp cho 50% số hộ sống trên đảo.

Năm 1995 mạng lưới điện mặt trời đi vào hoạt động tại buôn Chăn, xã Easol,huyện Ealeo, tỉnh Đăk Lăk cung cấp điện sinh hoạt cho hơn 200 hộ dân, nhà sinh hoạtcộng đồng của Buôn, các lớp học, bơm nước giếng khoan,…

Gần đây, dự án phát điện ghép giữa pin mặt trời và thuỷ điện nhỏ, công suất125Kw được lắp đặt tại xã Trang, huyện Mang Yang, tỉnh Gia Lai, và dự án phát điệnlai ghép giữa pin mặt trời và động cơ gió với công suất 9Kw đặt tại làng Kongu 2,huyện Đăk Hà, tỉnh Kon Tum do Viện năng lượng thực hiện, góp phần cung cấp điệncho khu vực đồng bào dân tộc thiểu số

Từ những thành công này Viện năng lượng và Trung tâm năng lượng mới(Trường Đại học bách khoa Hà Nội) triển khai ứng dụng giàn pin mặt trời nhằm cungcấp điện cho một số hộ gia đình và các trạm biên phòng ở đảo Cô Tô (Quảng Ninh),

đồng thời thực hiện dự án “ứng dụng thí điểm điện mặt trời cho vùng sâu, vùng xa” tại

xã Ái Quốc, tỉnh Lạng Sơn

Tại Nha Trang đã lắp đặt hệ thống gồm 14 trụ điện sử dụng những tấm pin mặttrời thiết kế quanh quảng trường 2/4 chiều cao 5m Dự kiến trong thời gian tới đènnăng lượng mặt trời sẽ được sử dụng rộng rãi trong thành phố Nha Trang

Điện mặt trời cũng được ứng dụng trong nuôi trồng thuỷ sản: Mới đây ứngdụng năng lượng mặt trời được áp dụng tại các hộ nuôi tôm sú ở một số tỉnh miền TâyNam Bộ góp phần giảm chi phí sản xuất, bảo vệ môi trường và tăng lợi nhuận chongười nuôi

Tuy còn non trẻ song ngành công nghiệp điện mặt trời Việt Nam cũng đã đạt được

những thành tựu bước đầu đáng kể Trong đó, thành phố Hồ Chí Minh với nguồn “tài nguyên nắng” dồi dào, và các điều kiện thuận lợi về cơ sở hạ tầng cũng như chất lượng

lực lượng sản xuất, là một trung tâm có tiềm năng phát triển công nghiệp năng lượngmặt trời nhất trong cả nước Vì vậy, thành phố Hồ Chí Minh được đánh giá là một

“điểm tựa” đột phá cho ngành công nghiệp điện mặt trời Việt Nam với lộ trình 20năm.

Thông tin từ hội thảo điện mặt trời công nghiệp (tại thành phố Hồ Chí Minh)cho thấy, nhiều dự án ứng dụng pin mặt trời đang được triển khai và nhà máy pin nănglượng mặt trời đầu tiên ở Việt Nam vừa khởi công nhằm thay thế dần nguồn nănglượng truyền thống

Về việc triển khai các dự án ứng dụng pin mặt trời, đã triển khai tại Phú Quốc, buônChăn (Đăk Lăk), Sóc Bom Bo (Bình phước), quần đảo Trường Sa, đảo Cồn Cỏ,…

Tính đến nay, công nghiệp điện mặt trời thành phố Hồ Chí Minh đã tạo dựngđược một số cơ sở sản xuất tiêu biểu như nhà máy sản xuất module pin mặt trời quy

mô công nghiệp đầu tiên tại Việt Nam, cơ sở hạ tầng công nghiệp sản xuất chế tạo cácthiết bị điện tử ngoại vi phục vụ cho điện mặt trời xây dựng trên sự hợp tác giữa Solar

và Công ty Cổ phần Nam Thái Hà, Nhà máy “Solar Materials Incorporated” có khảnăng cung cấp cả hai loại silic khối (mono anh multi – crystaline) sử dụng cho côngnghiệp sản xuất pin mặt trời

Có thể kể đến một số sản phẩm tiêu biểu như module pin mặt trời, các thiết bịngoại vi inverter, các nhà máy smart, thiết bị điện mặt trời nối lưới công nghệ SIPV đã

Hình 1.13: Mô hình điện mặt trời tại Buôn Chăn (Đăk Lăk)

chiếm lĩnh một phần thị trường trong nước và bước đầu vươn ra thị trường trong khuvực và thị trường thế giới.

Tại tỉnh Long An tháng 3/2008, Trung tâm tiết kiệm năng lượng thành phố HồChí Minh phối hợp với Công ty cổ phần năng lượng mặt trời đỏ đã khởi công xâydựng nhà máy pin năng lượng mặt trời đầu tiên ở Việt Nam Nhà máy được thiết kếtheo tư vấn kỹ thuật của Tập đoàn Sunwatt (Pháp), sản phẩm chính là các tấm pin(module panel) 25 Wp – 175 Wp, và có thể kết nối thành các trạm phát điện công suấtlớn, dự án đã hoàn thành vào cuối tháng 11/2008

Theo đánh giá của các nhà khoa học, công nghiệp pin mặt trời thành phố HồChí Minh đã gần đi vào hoàn thiện, hiện chỉ còn thiếu hai khâu trong một quy trìnhcông nghiệp khép kín, đó là tinh chế quặng silic từ cát và chế tạo phiến pin mặt trời từphiến silic Nếu hoàn thiện nốt hai khâu trên, Việt Nam chúng ta sẽ trở thành mộttrong số ít những nước châu Á có nền công nghiệp chế tạo pin mặt trời khép kín

4 MỘT SỐ CÔNG TRÌNH ĐIỆN MẶT TRỜI TRÊN THẾ GIỚI

Từ lâu nhiều nước trên thế giới đã sử dụng điện mặt trời như một giải pháp thaythế những nguồn tài nguyên truyền thống bởi năng lượng mặt trời có nhiều ưu điểm(sạch, chi phí nhiên liệu bảo dưỡng thấp, an toàn cho người sử dụng …), vì vậy trongvài năm tới, điện mặt trời chắc chắn sẽ dần trở thành đối thủ cạnh tranh về chi phí vớicác loại điện năng khác

Dưới đây là một vài ứng dụng và công trình độc đáo sử dụng điện mặt trời củamột số nước trên thế giới:

Hãng sản xuất xe ôtô Toyota của Nhật Bản vừa cho lắp đặt 17000 tấmquang điện tại nhà máy ở Debyshire, Anh, ước tính sẽ cung cấp đủ nguồn năng lượng

để sản xuất 7000 chiếc xe mỗi năm Theo tính toán, hệ thống này có khả năng cungcấp đủ năng lượng để sản xuất khoảng 7000 chiếc xe đồng thời giảm 2000 tấn khí thảiCO2 mỗi năm

Đây là nhà máy sản xuất ôtô đầu tiên tại Anh lắp đặt hệ thống tấm năng lượngmặt trời trên quy mô lớn và là một phần trong chiến lược giảm lượng khí thải carboncủa Công ty Toyota

Nước Anh đang khởi động dự án xây dựng cầu năng lượng mặt trời lớn nhất thếgiới tại trung tâm London, có khả năng sản xuất 900000 KWh điện mỗi năm và dự

kiến khi công trình được đưa vào sử dụng (mùa hè 2012), lượng khí thải CO2 mỗi năm

sẽ giảm hơn 500 tấn… Gần đây thị trường điện mặt trời tại khu vực châu Á – TháiBình Dương dự kiến sẽ đạt mức tăng trưởng ấn tượng trong năm 2012

Phát minh máy bay sử dụng nguồn năng lượng mặt trời: Máy bay sử dụng nănglượng mặt trời từ lâu đã được một số quốc gia như Anh, Mỹ, Nhật Bản… tìm cáchphát triển và đã thu được thành công lớn Chiếc máy bay chạy bằng điện mặt trời hiệnđại nhất hiện nay của Mỹ là loại máy bay có sải cánh dài 70 m, trọng lượng khoảng1,6 tấn thực hiện thành công nhiều chuyến bay không cần đến nhiên liệu nào khác

Năng lượng sạch trong sinh hoạt của con người: Tại một số nơi trên thế giới,năng lượng mặt trời đã bắt đầu được sử dụng để cung cấp điện năng cho các khu dân

cư sinh sống Ở Mỹ, Anh, Pháp… người ta đã lắp đặt những tấm pin thu năng lượng

mặt trời trên những diện tích rộng hàng trăm hecta và chính “những cánh đồng pin”

năng lượng mặt trời đã cung cấp đủ lượng điện sinh hoạt của hơn 78000 hộ gia đình

Mô hình này hiện nay đã phát huy hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu và đang được nhânrộng khắp thế giới

Trạm xe buýt chiếu sáng tự động: Ý tưởng này bắt đầu được đưa ra thực hiệntại Florence – Italia Vào ban đêm, những trạm xe buýt này trở thành những công trìnhchiếu sáng công cộng sang trọng và thu hút nhiều khách tham quan Ngoài ra, trongtrạm xe buýt, còn cài đặt thêm hệ thống cho phép người đợi xe kết nối wifi và sử dụngđiện thoại truy cập internet miễn phí trong lúc chờ đợi tất cả hệ thống đều sử dụngđiện lấy từ pin mặt trời

Một nhà máy điện mặt trời quy mô lớn công suất 154 MW nối với lưới điệnquốc gia với trị giá 420 triệu đôla, đây là nhà máy quang điện lớn nhất và hiệu quảnhất thế giới sẽ được xây dựng ở Tây Bắc bang Victoria-Australia Nhà máy này sẽđược sử dụng công nghệ tập trung quang năng bằng kính hướng nhật (HCPV) (Cáctấm gương dò theo hướng mặt trời) Nhà máy sẽ bao gồm nhiều bãi đặt kính hướngnhật thu ánh sáng mặt trời vào các bình chứa nhiều module gồm nhiều dãy tấm pinmặt trời hiệu suất siêu cao sẽ chuyển trực tiếp ánh sáng mặt trời thành điện năng

5 ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM KHI ÁP DỤNG ĐIỆN MẶT TRỜI VÀO THỰC TẾ

Khi đánh giá ưu điểm và nhược điểm của điện mặt trời, chúng ta cần phải xemxét các khả năng sử dụng điện mặt trời từ quan điểm của các yêu cầu công nghiệpcũng như yêu cầu của người dùng Chúng ta hãy xét các lợi ích và hạn chế có liênquan đến điện mặt trời

Đây là một số lợi thế mà điện mặt trời cung cấp:

- Đầu tiên và quan trọng nhất, năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng táitạo và không bao giờ kết thúc Khi mặt trời còn tồn tại, ta sẽ có năng lượng mặt trời cósẵn vì vậy điện mặt trời sẽ không bao giờ cạn có thể dùng thoải mái không lo cạn kiệt

- Thứ hai, vì năng lượng mặt trời không phải ở một vị trí cụ thể giống nhưmột số dạng năng lượng khác Bất kể một người trong một thành phố đông đúc hoặctrong một xã vùng sâu, trong một sa mạc khô cằn hay trong một khu rừng xanh tốt,trên biển hoặc lên trên núi… đều có ánh sáng mặt trời vì vậy bất kỳ nơi đâu ta đều cóđiện mặt trời

- Với những nguyên liệu hoá thạch chỉ có ở 1 số vùng miền, chi phí khai thác,vận chuyển rất lớn Còn ánh sáng mặt trời thì có ở khắp mọi nơi, tất cả những gì cầnthiết là 1 tấm pin mặt trời để khai thác nó

- Giá nhiên liêu hoá thạch liên tục biến động Với điện mặt trời thì khác nó làmiễn phí

- Sử dụng nguyên liệu hoá thạch giải phóng nhiều khí độc hại gây ô nhiễmmôi trường, ảnh hưởng tới sức khoẻ con người Với năng lượng mặt trời không có bất

kỳ một sản phẩm độc hại nào và luôn thân thiện với môi trường

- Nhược điểm chính của năng lượng mặt trời là chi phí ban đầu lắp đặt một hệthống điện mặt trời Tấm pin mặt trời tương đối khá đắt tiền do nguyên liệu và thiết kếphức tạp

- Trời mây mù, điều kiện mưa,… Có thể ảnh hưởng đến việc sản xuất điệnmặt trời

- Điện mặt trời sẽ không được sản xuất vào ban đêm Giải pháp duy nhấtcho vấn đề này là dự trữ điện vào các bình acquy vào ban ngày và sử dụng nó vàoban đêm

Ở trên là một số ưu điểm và nhược điểm mà điện mặt trời mang lại, tuy còn tồntại nhiều nhược điểm nhưng với sự tiến bộ từng ngày của khoa học một ngày nào đónhững khuyết điểm sẽ bị loại bỏ.

CHƯƠNG 2

ĐIỆN MẶT TRỜI, TIỀM NĂNG LỚN Ở VIỆT NAM

1 TIỀM NĂNG ĐIỆN MẶT TRỜI Ở VIỆT NAM

Là một nước có tiềm năng lớn nguồn năng lượng tái tạo, nhưng Việt Nam cónhiều lợi thế phát triển hệ thống sử dụng năng lượng mặt trời Trong đó, hiệu quả nhất

là sử dụng năng lượng mặt trời vào việc sản xuất điện mặt trời Tuy vậy, Việt Nammới chỉ khai thác được 25% nguồn năng lượng mặt trời này và còn lại 75% vẫn chưakhai thác được

Với sự tăng trưởng kinh tế mạnh mẽ của Việt Nam trong hơn thập kỷ qua đãkhiến cho nhu cầu điện năng tăng thêm khoảng 15% mỗi năm Tuy nhiên, lĩnh vựcđiện năng đang chủ yếu dựa vào nhiệt điện và thuỷ điện Vì vậy, sự thiếu hụt nguồnđiện của Việt Nam cũng đang gia tăng, đặc biệt là vào mùa khô do sự phụ thuộc quálớn vào thuỷ điện Trong điều kiện khí hậu nhiệt đới như Việt Nam, nguồn điện năng

do mặt trời đem lại hầu như quanh năm… tiềm năng điện mặt trời tốt nhất ở các vùngThừa Thiên Huế trở vào Nam và vùng Tây Bắc (gồm các tỉnh Lai Châu, Sơn La, LàoCai…), vùng Bắc Trung Bộ (gồm các tỉnh Thanh Hoá, Nghệ An, Hà Tĩnh…) có nănglượng mặt trời khá lớn

Mật độ năng lượng mặt trời biến đổi trong khoảng 300 đến 500Cal/cm2/ngày

Số giờ nắng trung bình cả năm trong khoảng 1800 – 2100 giờ Như vậy, các tỉnh thành

ở miền Bắc nước ta đều có thể có sản xuất điện mặt trời cung cấp cho sinh hoạt

Còn ở miền Nam, từ Đà Nẵng trở vào, năng lượng mặt trời rất tốt và phân bốđiều hoà trong suốt cả năm Trừ những ngày có mưa rào, có thể nói trên 90% số ngàytrong năm đều có thể sử dụng năng lượng mặt trời tạo ra điện mặt trời Số giờ nắngtrung bình cả năm trong khoảng 2000 đến 2600 giờ Đây là khu áp dụng điện mặt trờirất hiệu quả.

Nhiều gia đình ở nước ta, nhất là các tỉnh phía Nam có điều kiện ánh sáng mặt trời ổnđịnh, đã bắt đầu làm quen và bắt tay vào lắp đặt hệ thống điện mặt trời đáp ứng nhucầu sinh hoạt hàng ngày

Tại khu vực Tây Bắc tình hình cung cấp và sử dụng điện tại khu vực Tây Bắcnói chung còn gặp nhiều khó khăn, các giải pháp cung cấp điện nay đều không đảmbảo được chất lượng và sự ổn định cao Đối với các địa phương xa lưới điện quốc giathì giải pháp khả thi nhất là sử dụng điện mặt trời để cung cấp điện năng phục vụ nhucầu của đồng bào, chiến sĩ tại khu vực này

Theo đề tài nghiên cứu 52C – 01 – 01 thuộc chương tình tiến bộ kỹ thuật củanhà nước về năng lượng mới đã xây dựng sổ tra cứu về bức xạ mặt trời của Việt Namtrên cơ sở số liệu quan trắc nhiều năm ở 18 trạm đo bức xạ ( khu vực miền Bắc có 9trạm đo, khu vực miền Trung có 6 trạm đo, khu vực miền Nam có 3 trạm đo) và 74trạm đo nắng trên phạm vi cả nước Kết quả của đề tài nghiên cứu 52C – 01 – 01 chothấy, khu vực Tây Bắc được đánh giá có tiềm năng năng lượng mặt trời vào loại khátrong toàn quốc do không bị ảnh hưởng nhiều bởi gió mùa và hoàn toàn có thể ứngdụng hiệu quả hệ thống điện mặt trời tại khu vực Tây Bắc Bức xạ mặt trời trung bìnhnăm từ 4,1 – 4,9 Kwh/m2/ngày Số giờ nắng trung bình năm đạt từ 1800 – 2100 giờnắng, các vùng có số giờ nắng cao nhất thuộc các tỉnh Điện Biên, Sơn La Số liệu

Bảng 3.3 cho thấy, thời điểm trong năm khai thác hiệu quả nhất năng lượng mặt trời

tại khu vực Tây Bắc là vào tháng 3 đến tháng 9

Đối với khu vực phía Nam chỉ có 2 mùa: Mùa mưa có năng lượng bức xạ nặttrời khoảng 3 – 4,5 Kwh/m2/ngày và mùa khô có năng lượng bức xạ mặt trời khoảng

5 – 6,5 Kwh/m2/ngày với số giờ nắng từ 2500 – 2900 giờ/năm Đây là khu vực ứngdụng điện mặt trời rất hiệu quả Hàng năm, có khoảng 300 ngày nắng, năng lượng bức

xạ mặt trời tập trung mạnh trong khoảng thời gian từ 9h – 15h Đặc điểm riêng của cáctỉnh miền Nam là ít khi trời mưa hoặc âm u suốt cả ngày Ngay cả trong mùa mưa

cũng chỉ có mưa lớn trong thời gian ngắn và sau đó lại có nắng ngay Có thể nói điềukiện khí tượng của các tỉnh phía Nam nói chung rất thuận lợi cho việc ứng dụng điện

mặt trời Số liệu Bảng 3.2 cho thấy, thời điểm trong năm khai thác hiệu quả nhất năng

lượng mặt trời tại khu vực miền Nam là vào tháng 1 đến tháng 4 và hai tháng 11 và 12

Năng lượng là nhu cầu sống còn của nhân loại trong tương lai Năng lượng chophát triển trong thế kỉ 21 phải là năng lượng sạch, do đó nguồn năng lượng mặt trời lànguồn năng lượng vô tận Điện mặt trời là đích tới của loài người 20 – 30 năm tới, đócũng là một thời gian tối thiểu để xây dựng và phát triển nền công nghiệp điện mặt trời

ở Việt Nam Việt Nam cần phải trở thành một nước có nền công nghiệp năng lượngmặt trời tiên tiến, cạnh tranh thế giới, dựa trên chính tiềm năng sản xuất điện mặt trờidồi dào của mình

Bảng 2.1: Giá trị trung bình cường độ bức xạ mặt trời ngày trong năm và số giờ

nắng của một số khu vực khác nhau ở Việt Nam

(Nguồn: Theo sổ tra cứu về bức xạ mặt trời của Việt Nam)

Bảng 2.2: Số giờ nắng và bức xạ mặt trời của khu vực miền Nam:

(Nguồn: Theo sổ tra cứu về bức xạ mặt trời của Việt Nam)

Số giờ nắng

(giờ/ngày) 8 8,7 8,6 7,9 6,5 5,9 5,7 5,4 5,3 5,8 6,7 7,3 6,8Bức xạ mặt

(kw/m2) 0,57

0,62

0,6

7 0,7

0,78

0,96

1,08

1,07

0,88

0,75

0,6

1 0,56Tổng xạ TB ngày

(kwh/m2/ngày) 2,94

3,66

4,29

4,66

5,01

4,63

4,87

5,01

5,02

4,17

3,0

7 2,81Tổng xạ trung bình

tháng

(kwh/m2/tháng)

91,0

5 102 132 139 155 138 151 155 150 129 91 87

2 MỘT SỐ ỨNG DỤNG ĐIỆN MẶT TRỜI TẠI VIỆT NAM

Hệ thống điện mặt trời tại nhà máy Intel Việt Nam, được làm từ 1092 tấm nănglượng mặt trời, tổng công suất 200 Kwp, cùng 21 bộ biến điện được kết nối nhau bởihơn 10000 m dây cáp Sử dụng pin của Hãng Sunpower Do Tập đoàn GES thiết kế thicông Tổng giá trị dự án là 1,1 triệu USD Khánh thành 24 – 4 – 2012

Bảng 2.3: Điều tra năng lượng mặt trời tại vùng Tây Bắc

(Nguồn: Theo sổ tra cứu về bức xạ mặt trời của Việt Nam)

Một “nhà máy điện mặt trời” cũng được lắp đặt tại nóc nhà trụ sở Bộ Công

Thương tại Hà Nội Dự án có công suất 12 KWp gồm 52 module x 230 Wp sử dụngpin của Hãng SolarWorld Do CHLB Đức tài trợ, Công ty Altus của Đức và Trungtâm năng lượng mới Đại học bách khoa Hà Nội kết hợp triển khai

Dự án điện mặt trời - diesel ở thôn Bãi Hương, Cù Lao Chàm, Quảng Nam Hệthống 20 Kw diesel kết hợp 28 Kw pin mặt trời do Công ty Systech lắp đặt Tổng vốnđầu tư 412000USD trong đó chính phủ Thụy Điển tài trợ 332000USD, còn lại do tỉnhQuảng Nam đầu tư

Hình 2.2: Pin mặt trời nối lưới trình diễn tai trụ sở Bộ Công Thương

Hình 2.1: Hệ thống điện mặt trời tại nhà máy Intel Việt Nam

Dự án pin mặt trời tại Trung tâm y tế Tam Kỳ (Quảng Nam) Công suất 3 Kwp,trị giá 720 triệu đồng do chính phủ Tây Ban Nha tài trợ 50% Hệ thống do Công tysolarleb lắp đặt, hoàn thành 5 – 2010.

Dự án tại xã Thượng Trạch, Bố Trạch, Quảng Bình Công suất 11 Kwp, trị giá

160000 USD Dự án do quỹ Suez Foundation tài trợ và do Tập đoàn Schenier Đức lắpđặt

Dàn pin công suất 5 Kwp tại đảo Hòn Chuối, Cà Mau do RCEE và AbakusSolar Ag lắp đặt trong khuôn khổ dự án Solar Campus

Hình 2.3: Dự án điện mặt trời - diesel ở thôn Bãi Hương, Cù Lao Chàm, Quảng Nam

Hình 2.4: Dự án pin mặt trời tại trung tâm y tế Tam Kỳ (Quảng Nam)

Hình 2.5: Dự án tại xã Thượng Trạch, Bố Trạch, Quảng Bình

Trường Tiểu học cấp 2 Minh Châu, Quan Lạn và Trạm y tế Minh Châu, QuảngNinh Dàn pin công suất 1,3 Kwp Trong khuôn khổ dự án Solar Campus Viet Nam doRCEE và Abakus Solar Ag phối hợp lắp đặt

Trung tâm tiết kiệm năng lượng TP.Hồ Chí Minh – Sở Khoa học công nghệTP.HCM (cơ quan chủ trì dự án ) đã phối hợp với Phòng phát triển Công nghệ điệnmặt trời (Solarlab) – Viện vật lý TP.HCM, Công ty TNHH đầu tư và phát triển năng

Hình 2.6: Dàn pin công suất 5 Kwp tại đảo Hòn Chuối, Cà Mau

Hình 2.7: Trường Tiểu học cấp 2 Minh Châu, Quan Lạn và Trạm y tế Minh Châu

lượng mặt trời Bách khoa và công ty TNHH Selco – Việt Nam thực hiện dự án thử

nghiệm “ứng dụng năng lượng mặt trời và năng lượng gió cung cấp điện cho quần đảo Trường Sa” Dự án được thực hiện trong thời gian 24 tháng với tổng kinh phí đầu

tư 5,8 tỷ đồng

Hiện nay Việt Nam đã có nhà máy lắp ráp pin mặt trời do Công ty cổ phầnnăng lượng mặt trời đỏ với 2 đối tác chính là Trung tâm tiết kiệm năng lượng thànhphố Hồ Chí Minh (ECC) và Công ty TNHH thương mại – kỹ thuật Tân Kỷ Nguyênxây dựng sản phẩm chính của nhà máy là các tấm thu điện năng lượng mặt trời (SolarPanel) có công suất từ 50 Wp đến 175 Wp, đạt tiêu chuẩn Châu Âu (IEC), với hiệusuất gần 16%, và tuổi thọ trung bình khoảng 25 năm Nguồn nguyên liệu chính là các

tế bào quang điện (solar cells) được Công ty nhập khẩu trực tiếp từ Đức (Công tySchott và Solarworld) Nhờ vậy mà giá thành tấm pin năng lượng mặt trời đã giảmxuống rất nhiều

Hình 2.8: Những tấm pin năng lượng mặt trời trên nóc nhà đảo Trường Sa Đông

Hình 2.9: Những tấm pin năng lượng mặt trời đầu tiên do nhà máy sản xuất

CHƯƠNG 3 PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Pin mặt trời là phương pháp sản xuất điện trực tiếp từ năng lượng mặt trời quathiết bị biến đổi quang điện Pin mặt trời có ưu điểm là gọn nhẹ có thể lắp bất kì ở đâu

có ánh sáng mặt trời, đặc biệt là trong lĩnh vực tàu vũ trụ Ứng dụng năng lượng mặttrời dưới dạng này được phát triển với tốc độ rất nhanh, nhất là ở các nước phát triển.Ngày nay, con người đã ứng dụng pin mặt trời trong lĩnh vực hàng không vụ trụ, đểchạy xe và trong sinh hoạt thay thế dần nguồn năng lượng truyền thống

1 CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA PIN MẶT TRỜI

1.1 Cấu tạo pin mặt trời

Hiện nay vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời là các silic tinh thể

Pin mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại:

 Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski.Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16% Chúng thường rất đắt tiền do được cắt từcác thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module

 Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc - đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làmnguội và làm rắn Các pin này thường rẻ hơn các tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kémhơn Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơntinh thể bù lại nó cho hiệu suất thấp

 Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinhthể Loại này thường có hiệu quả thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại vìkhông cần phải cắt từ thỏi silicon

Một lớp tiếp xúc bán dẫn p - n có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức

xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên trong gọi là pin mặt trời Pinmặt trời được sản xuất và ứng dụng phổ biến hiện nay là các pin mặt trời được chế tạo

từ vật liệu tinh thể bán dẫn silicon (Si) có hóa trị 4 Từ tinh thể Si tinh khiết, để có vật

liệu tinh thể bán dẫn Si loại n, người ta pha tạp chất donor là photpho có hoá trị 5 Còn bán dẫn loại p thì tạp chất accceptor được dùng để pha vào Si là Bo có hóa trị 3 Đốivới pin mặt trời từ vật liệu tinh thể Si khi bức xạ mặt trời chiếu đến thì hiệu điện thế

hở mạch giữa 2 cực khoảng 0,55V và dòng điện đoản mạch của nó khi bức xạ mặt trời

có cường độ 1000W/m2vào khoảng 25 30( mA cm/ 2).

Hiện nay người ta đã chế tạo pin mặt trời bằng vật liệu Si vô định hình (a - Si)

So với pin mặt trời tinh thể Si thì pin mặt trời a - Si giá thành rẻ hơn nhưng hiệu suấtthấp hơn và kém ổn định

Ngoài Si, hiện nay người ta đang nghiên cứu và thử nghiệm các loại vật liệukhác có triển vọng hơn như Sunfit cadmi-đồng (CuCds), Galium-asenit (GaAs)…

Công nghệ chế tạo pin mặt trời gồm nhiều công đoạn khác nhau, ví dụ để chếtạo pin mặt trời từ Silicon đa tinh thể cần qua các công đoạn như Hình 4.1 cuối cùng tađược module như Hình 4.2

1.2 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

Hình 4.3: Pin mặt trờiHình 3.2: Cấu tạo module

Hình 3.1: Quá trình tạo module

Pin mặt trời làm việc theo nguyên lý là biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạmặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện.

 Hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1838 bởi nhà vật lý PhápAlexandre Edmond Becquerel Tuy nhiên cho đến 1883 một pin năng lượng mới đượctạo thành, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng

để tạo nên mạch nối Thiết bị chỉ có hiệu suất 1%, Russell Ohl xem là người tạo ra pinnăng lượng mặt trời đầu tiên năm 1946 Sau đó Sven Ason Berglund đã có các phươngpháp liên quan đến việc tăng khả năng cảm nhận ánh sáng của pin

Xét một hệ hai mức năng lượng điện tử (Hình 4.4) E1<E2, bình thường điện tửchiếm mức năng lượng thấp hơn E1 Khi nhận bức xạ mặt trời, lượng tử ánh sáng

photon có năng lượng hv (trong đó h là hằng số Planck, v là tần số ánh sáng) bị điện tử

hấp thụ và chuyển lên mức năng lượng E2

Ta có phương trình cân bằng năng lượng: Hv = E1 – E2 (4.1)Trong các vật thể rắn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vòngngoài, nên các mức năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng khác nhau và

tạo thành vùng năng lượng (Hình 4.5) Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi ở trạng thái cân bằng gọi là vùng hóa trị , mà mặt trên của nó có mức năng

lượng Ev Vùng năng lượng phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một

phần gọi là vùng dẫn, mặt dưới của vùng có năng lượng là Ec Cách ly giữa 2 vùnghóa trị và vùng dẫn là một vùng có độ rộng với năng lượng Eg, trong đó không có mứcnăng lượng cho phép nào của điện tử

Hình 3.4: Hệ 2 mức năng lượng