Nghiên cứu chế độ vận hành tối ưu cho hệ thống điện mặt trời quy mô nhỏ

Việc phát triển các lưới điện thông minh nhỏ microgrid bao gồm nguồn năng lượng mặt trời, Ắc qui battery systems, và nguồn điện lưới là cần thiết nhằm - Giảm áp lực lên đường dây truyền

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

HUỲNH TẤN PHÁT

NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH TỐI ƯU CHO

HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI QUY MÔ NHỎ

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI, NĂM 2017

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

HUỲNH TẤN PHÁT

NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH TỐI ƯU CHO

HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI QUY MÔ NHỎ

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số: 60.52.02.02

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Phạm Đức Đại

HÀ NỘI, NĂM 2017

i

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận văn

Huỳnh Tấn Phát

ii

LỜI CÁM ƠN

Tác giả xin trân trọng cám ơn Thầy hướng dẫn khoa học cùng các thầy cô khoa Năng lượng đã tận tình hướng dẫn trong suốt quá trình nghiên cứu và các đồng nghiệp tại trường Cao đẳng nghề Ninh Thuận đã giúp đỡ và đóng góp ý kiến hoàn thành luận văn

iii

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH v

DANH MỤC BẢNG BIỂU vi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vii

MỞ ĐẦU viii

CHƯƠNG 1 NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP KHAI THÁC SỬ DỤNG 1

1.1 Nguồn năng lượng mặt trời 1

1.1.1 Bức xạ mặt trời 1

1.1.2 Nguồn gốc năng lượng mặt trời 2

1.2 Năng lượng mặt trời trên thế giới và tiềm năng NLMT tại Việt Nam 4

1.2.1 Quá trình phát triển và triển khai ứng dụng năng lượng mặt trời 4

1.2.2 Tình hình ứng dụng năng lượng mặt trời trên thế giới 5

1.2.3 Tiềm năng năng lượng mặt trời của Việt Nam 8

1.3 Đặc điểm sản xuất nông nghiệp Ninh Thuận và ảnh hưởng của NLMT 11

1.4 Các phương pháp khai thác sử dụng năng lượng mặt trời 13

1.4.1 Cung cấp nước nóng bằng năng lượng mặt trời 14

1.4.2 Cung cấp điện bằng năng lượng mặt trời 15

1.4.3 Các phương pháp khai thác khác 15

1.5 Các công nghệ chế tạo pin năng lượng mặt trời 16

1.5.1 Cấu tạo pin mặt trời 16

1.5.2 Pin Silic tinh thể (Crytalline silicon solar cell) 17

1.5.3 Pin màng mỏng 18

1.5.4 Nguyên lý hoạt động pin mặt trời 18

1.5.5 Mạch điện tương đương của tế bào quang điện 19

1.5.6 Điện áp hở mạch và dòng ngắn mạch 20

1.6 Hệ thống điện mặt trời độc lập 21

1.7 Hệ thống điện mặt trời hoà lưới 23

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC MÔ TẢ NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI .25

2.1 Mô hình nguồn năng lượng mặt trời (PV generation model) 25

iv

2.1.1 Mô hình dòng điện ngắn mạch 26

2.1.2 Mô hình điện áp hở mạch 27

2.1.3 Mô hình tính toán công suất đầu ra tấm pin mặt trời 28

2.1.4 Khảo sát sự phụ thuộc công suất đầu ra vào nhiệt độ và độ bức xạ 38

2.2 Mô hình nguồn dự trữ (Storage Battery) 41

2.2.1 Trạng thái sạc của Acqui 41

2.2.2 Quá trình xả điện của Acqui 43

2.2.3 Dung lượng của Acqui 44

2.3 Mô hình nguồn lưới điện (Grid model) 44

2.4 Mô hình tải (Loads) 45

2.5 Hệ thống kết nối NLMT, Acqui, lưới điện 45

2.5.1 Hoạt động của hệ thống 45

2.5.2 Các điều kiện đảm bảo hoạt động của hệ thống 46

2.5.3 Giám sát dòng năng lượng 48

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG BÀI TOÁN VẬN HÀNH TỐI ƯU NGUỒN ĐIỆN MẶT TRỜI – NGUỒN LƯU TRỮ HOÀ VỚI LƯỚI ĐIỆN 50

3.1 Xây dựng các ràng buộc vận hành 51

3.1.1 Các ràng buộc cơ bản trong mạng lưới điện 51

3.1.2 Các ràng buộc về chế độ vận hành cho mạng điện 51

3.2 Xây dựng hàm mục tiêu chi phí mua bán điện 54

3.3 Áp dụng tối ưu hoạt động cho hệ thống NLMT nối lưới cho mạng phụ tải nhỏ .57

3.3.1 Các thông số của hệ thống NLMT nối lưới 57

3.3.2 Xây dựng mô hình và tính toán mô phỏng trên phần mềm GAMS 62

3.3.3 Kết quả tính toán tối ưu 63

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO 70

PHỤ LỤC 71

v

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Công suất phát điện mặt trời hàng năm trong giai đoạn 2004-2013 trên toàn

cầu [4] 7

Hình 1.2 Đầu tư (tỷ USD) và công suất điện PV (GW) xây dựng thêm hàng năm trên toàn cầu giai đoạn 2004-2013 [4] 8

Hình 1.3 Hệ thống cung cấp nước nóng bằng NLMT theo kiểu đối lưu tự nhiên 14

Hình 1.4 Hình dạng thực tế và cấu tạo pin mặt trời 16

Hình 1.5 Hiệu ứng quang điện 19

Hình 1.6 Mạch điện tương đương của tế bào quang điện 19

Hình 1.7 Đặc điểm dòng và áp của tế bào quang điện lúc trời có nắng và không 21

Hình 1.8 Hệ thống điện mặt trời độc lập 22

Hình 1.9 Hệ thống điện mặt trời hòa lưới 24

Hình 2.1 Sơ đồ tương đương pin mặt trời 25

Hình 2.2 Mô hình dòng điện ngắn mạch 26

Hình 2.3 Mô hình điện áp hở mạch 27

Hình 2.4 Công suất của pin mặt trời theo từng thời điểm trong ngày 40

Hình 2.5 Sơ đồ hệ thống PV nối lưới kết hợp Acqui 45

Hình 3.1 Hệ thống với các thiết bị đo công suất 50

Hình 3.3 Biểu đồ giá điện 62

Hình 3.4 Biểu đồ công suất mua điện lưới 63

Hình 3.6 Biểu đồ công suất lưới 64

Hình 3.7 Biểu đồ công suất nạp của Acqui 65

Hình 3.8 Biểu đồ công suất xả của Acqui 65

Hình 3.9 Biểu đồ công suất Acqui 66

Hình 3.10 Biểu đồ SOC của Acqui 66

Hình 3.11 Biểu đồ công suất hệ thống 67

vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Tốc độ tăng trưởng trung bình (%) công suất phát điện NLTT giai đoạn

2008-2013 và năm 2013 [4] 6

Bảng 1.2 Năng lượng mặt trời trên các vùng lãnh thổ Việt Nam 9

Bảng 2.1 Công suất, đặc tính của PV cho bởi nhà sản xuất theo các điều kiện 29

Bảng 2.2 Các công thức tính công suất của pin mặt trời [9] 30

Bảng 2.3 Thông số của các hệ số tính hiệu suất theo công thức: 34

Bảng 2.4 Bảng tính hiệu suất của pin mặt trời theo nhiệt độ [9] 35

Bảng 2.5 Công suất của pin MT theo nhiệt độ và độ bức xạ trong ngày 39

Bảng 3.1 Thông số mỗi tấm PV đo trong điều kiện chuẩn, sử dụng trong hệ thống PV .57

Bảng 3.2 Thông số mỗi Acqui sử dụng trong hệ thống lưu trữ 57

Bảng 3.3 Cấu hình hệ thống PV (Hệ 48 VDC) 58

Bảng 3.4 Các điều kiện ràng buộc cho hệ thống 58

Bảng 3.5 Công suất tải và PV thay đổi trong ngày 59

Bảng 3.6 Giá mua và bán điện trong ngày 61

NLMT Năng lượng mặt trời

NLTT Năng lượng tái tạo

NOCT (Nominal Operating Cell Temperature) Nhiệt độ hoạt động danh định của tế

bào quang điện

NTE (Nominal Terestrial Environment) Môi trường ngoài trời danh định

PV (Photovoltaic) Pin quang điện; pin mặt trời

SOC (State of charge) Trạng thái sạc

STC (Standard test condition) Điều kiện kiểm tra chuẩn

viii

MỞ ĐẦU

Năng lượng tái tạo, trong đó có năng lượng mặt trời đã và đang được cả thế giới quan tâm nghiên cứu và sử dụng Trên thế giới, các nước phát triển đã có rất nhiều ứng dụng trong đời sống và trong công nghiệp để thu được các nguồn năng lượng này Với ưu điểm là sẵn có, dồi dào, là nguồn năng lượng sạch, thân thiện với môi trường, năng lượng mặt trời đang là giải pháp thay thế cho các nguồn năng lượng khác đang ngày cạn kiệt trên Trái Đất Tại các nước đang phát triển, trong đó có Việt Nam việc sử dụng năng lượng mặt trời đã được quan tâm và khích lệ

Hệ thống điện mặt trời mang tính khả thi cao, dễ thực hiện, đặc biệt là các hệ thống nhỏ Tuy nhiên các hệ thống hiện tại chưa phát huy thế mạnh về chi phí vận hành, các

hệ thống nhỏ chỉ tập trung cấp điện tại chỗ, chưa xản xuất điện để bán lúc dư thừa Ngày 11/4/2017, Thủ tướng chính phủ đã ký quyết định mua điện mặt trời với giá

2086 đồng/KWh, như vậy, hệ thống điện mặt trời có thể hoà lưới bằng hai chế độ để bán khi thừa và mua khi thiếu

Việc phát triển các lưới điện thông minh nhỏ (microgrid) bao gồm nguồn năng lượng mặt trời, Ắc qui (battery systems), và nguồn điện lưới là cần thiết nhằm

- Giảm áp lực lên đường dây truyền tải điện trong những giờ cao điểm

- Giảm tổn thất trên đường dây truyền tải và tăng độ tin cậy cho mạng lưới cấp điện

- Dễ quản lý và vận hành, xử lý sự cố

- Mang lại lợi ích kinh tế cho các hộ sử dụng năng lượng mặt trời

Để góp phần tích cực trong việc tận dụng nguồn năng lượng mặt trời phục vụ cho sản xuất nông nghiệp và sinh hoạt, đồng thời góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường Mục đích tối ưu việc sử dụng nguồn năng lượng mặt trời, nguồn lưu trữ, kết hợp với nguồn từ lưới điện đảm bảo cung cấp cho các phụ tải cục bộ với chi phí thấp nhất Đề

tài “Nghiên cứu chế độ vận hành tối ưu cho hệ thống điện mặt trời quy mô nhỏ” đặt ra

và giải quyết phù hợp với nhu cầu kinh tế, phát triển nông nghiệp, bảo vệ môi trường

Cấu trúc của luận văn gồm 3 chương

- Chương 1: Năng lượng mặt trời và các phương pháp khai thác sử dụng

- Chương 2: Mô hình toán học mô tả nguồn năng lượng mặt trời

- Chương 3: Xây dựng bài toán vận hành tối ưu nguồn điện mặt trời – nguồn lưu trữ hoà với lưới điện

Kết luận, đánh giá và đưa ra kết quả tính toán tối ưu chi phí vận hành

1

KHAI THÁC SỬ DỤNG

Chương này luận văn sẽ trình bày những nội dung tổng quan

- Nguồn năng lượng mặt trời

- Năng lượng mặt trời trên thế giới, tiềm năng NLMT tại Việt Nam và Ninh Thuận

- Các phương pháp khai thác sử dụng năng lượng mặt trời

- Các công nghệ chế tạo Pin MT

Có 2 loại bức xạ mặt trời (BXMT): BXMT đến bên ngoài bầu khí quyển và BXMT đến trên mặt đất

1.1.1.1 Bức xạ mặt trời đến bên ngoài bầu khí quyển

BXMT đến bên ngoài bầu khí quyển có giá trị khá ổn định ứng với một vị trí khảo sát

cụ thể và có phương rất rõ ràng, đó là đường nối từ mặt trời đến vị trí khảo sát Các khảo sát thực tế cho thấy - về mặt giá trị - BXMT đến bên ngoài bầu khí quyển cũng

có những biến đổi nhẹ Có 2 lý do gây ra sự biến đổi này: sự biến đổi lượng bức xạ xuất phát từ mặt trời do các hiện tượng diễn ra trong nội bộ mặt trời và sự biến đổi của khoảng cách từ mặt trời đến Trái đất Đối với các bài toán kỹ thuật, có thể xem cường

độ bức xạ phát ra từ mặt trời là ổn định và BXMT đến bên ngoài bầu khí quyển là BXMT đến trên mặt đất nhưng không tính đến ảnh hưởng của bầu khí quyển

2

1.1.1.2 Bức xạ mặt trời đến trên mặt đất

Khi các tia BXMT đi vào bầu khí quyển, do ảnh hưởng của bầu khí quyển và các vật thể li ti có trong bầu khí quyển cho nên các tia BXMT sẽ phải chịu hiện tượng hấp thụ

và phản xạ Về cơ bản, hiện tượng hấp thụ các tia BXMT là do ôzôn và hơi nước, mức

độ hấp thụ khác nhau tùy theo bước sóng Ứng với các tia cực tím có bước sóng nhỏ hơn 0,29m thì khả năng hấp thụ các tia bức xạ của ôzôn rất mạnh, ứng với các tia có bước sóng lớn hơn 0,29m thì khả năng hấp thụ của ôzôn giảm xuống đáng kể, khi bước sóng vượt quá 0,35m thì ôzôn không còn khả năng hấp thụ các tia bức xạ được nữa Trong khi đó, hơi nước có khả năng hấp thụ mạnh các tia hồng ngoại Đặc biệt, ở trong vùng lân cận các bước sóng 1m, 1,4m và 1,8m thì khả năng hấp thụ các tia hồng ngoại của hơi nước rất mạnh Chính hiện tượng hấp thụ làm giảm cường độ của các tia bức xạ và làm cho quang phổ của các tia bức xạ đến mặt đất thu hẹp lại, có thể nói các tia bức xạ có bước sóng lớn hơn 2,3m rất khó đến được bề mặt Trái đất Cùng với hiện tượng hấp thụ, hiện tượng phản xạ làm một bộ phận của tia bức xạ bị đổi phương, do đó phương của thành phần bị phản xạ không rõ ràng Kết quả của các hiện tượng vừa nêu là, càng tiến đến gần bề mặt đất, cường độ của các tia bức xạ tổng càng giảm Một cách tổng quát, người ta xem lượng bức xạ tổng đi vào bầu khí quyển để đến một bề mặt khảo sát nào đó trên mặt đất bao gồm hai thành phần là trực xạ và khuếch tán Thành phần trực xạ có phương rõ ràng, đó là đường thẳng nối từ mặt trời đến địa điểm khảo sát Trong khi đó, đối với thành phần khuếch tán, việc xác định phương hướng và cường độ của thành phần khuếch tán là khá phức tạp

1.1.2 Nguồn gốc năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời (NLMT) có vai trò quan trọng đối với sự tồn tại và phát triển của các yếu tố sự sống trên Trái đất

Trước hết, NLMT là nguồn năng lượng khổng lồ có tính tái sinh NLMT được sinh ra

do các phản ứng nhiệt hạt nhân tổng hợp các hạt nhân đồng vị Hydro (H) để tạo ra các hạt nhân Heli (He) liên tục xảy ra trên Mặt trời Công suất bức xạ của Mặt trời là 3,865.1026W, nhưng phần NLMT đến bề mặt trái đất chỉ là 17,57.1016W

3

Ngoài khí quyển Trái đất mật độ NLMT là 1.353W/m2 Nhưng khi tới mặt đất các tia mặt trời phải đi qua lớp khí quyển Trái đất nên bị mất khoảng 30% do các hiện tượng hấp thụ, tán xạ bởi các phân tử khí, hơi nước của lớp khí quyển Vì vậy, trên bề mặt Trái đất, mật độ BXMT chỉ còn khoảng 1.000W/m2 Mặc dù ở các vĩ độ khác nhau thì NLMT khác nhau, nhưng nhìn chung NLMT phân bố khắp trên bề mặt trái đất Ở đâu cũng có thể khai thác và ứng dụng nguồn năng lượng này

Bản chất của BXMT là sóng điện từ có phổ bước sóng trải từ 10-10m đến 1014m, trong đó mắt người có thể nhận biết được dải sóng có bước sóng từ 0,4 đến 0,7m và được gọi là áng sáng nhìn thấy Vùng bức xạ điện từ có bước sóng nhỏ hơn 0,4m được gọi là vùng sóng tử ngoại Còn vùng có bước sóng lớn hơn 0,7m được gọi là vùng hồng ngoại Do bản chất của sóng điện từ nên NLMT là nguồn năng lượng không có phát thải, không gây ô nhiễm môi trường hay được gọi là nguồn năng lượng sạch

Ngoài lớp khí quyển trái đất BXMT chỉ có một thành phần Đó là các tia mặt trời đi thẳng phát ra từ mặt trời Nhưng khi tới mặt đất, do các hiện tượng tán xạ trong lớp khí quyển Trái đất, bức xạ mặt trời bị biến đổi và gồm 3 thành phần:

(1)- Thành phần trực xạ gồm các tia mặt trời đi thẳng từ mặt trời đến mặt đất Nhờ các tia trực xạ này mà ta có thể nhìn thấy mặt trời;

(2)- Thành phần nhiễu hay tán xạ gồm các tia mặt trời tới mặt đất từ mọi phương trên bầu trời do hiện tượng tán xạ của tia mặt trời trên các phân tử khí, hơi nước, các hạt bụi,… Nhờ các tia tán xạ này mà chúng ta vẫn có ánh sáng ngay cả những ngày mây

mù, không thể nhìn thấy mặt trời, ở trong nhà, dưới bóng cây,…;

Tổng hai thành phần trên được gọi là tổng xạ của bức xạ mặt trời ở mặt đất Các trạm Khí tượng thường đo các thành phần này nhiều lần trong một ngày và liên tục trong nhiều năm để có số liệu đánh giá tiềm năng NLMT

(3)- Thành phần phản xạ từ mặt nền ở nơi quan sát hay nơi đặt bộ thu NLMT, nó phụ thuộc vào hệ số phản xạ của mặt nền và tổng xạ tới Thành phần này chỉ được phân

4

biệt khi thiết kế, tính toán các bộ thu NLMT Trong trường hợp chung nó là một phần

rất nhỏ trong thành phần bức xạ tán xạ

1.2 Năng lượng mặt trời trên thế giới và tiềm năng NLMT tại Việt Nam

1.2.1 Quá trình phát triển và triển khai ứng dụng năng lượng mặt trời

NLMT trung bình trên bề mặt Trái đất nằm trong khoảng 150 đến 300W/m2 hay từ 3,5 đến 7,0kWh/m2/ngày

NLMT từ lâu đã được con người khai thác sử dụng bằng các phương pháp tự nhiên, trực tiếp và đơn giản như phơi sấy (quần áo, vật dụng; nông, lâm, hải sản; sưởi ấm…) Tuy nhiên cách sử dụng NLMT theo các phương cách tự nhiên nói trên có hiệu quả thấp và hoàn toàn thụ động

NLMT có thể sử dụng dưới dạng nhiệt hay biến đổi thành điện Điện từ mặt trời là dạng điện năng được tạo ra khi biến đổi NLMT thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện (photovoltaic effect, viết tắt PV) một cách trực tiếp, hoặc nhờ các hệ thống nhiệt điện thông qua hiệu ứng hội tụ tia mặt trời (concentrated solar power, viết tắt CSP) một cách gián tiếp Các hệ thống CSP sử dụng các thấu kính hay các gương hội tụ và

hệ thống “dõi theo mặt trời” (solar tracking systems) để hội tụ một diện tích lớn các tia mặt trời vào một diện tích nhỏ hơn (gọi là điểm hay đường hội tụ) Nguồn nhiệt hội tụ này sau đó được sử dụng để phát điện Các hệ thống này gọi là hệ nhiệt điện mặt trời Còn các hệ thống PV biến đổi ánh sáng thành điện năng khi dùng hiệu ứng quang điện được gọi là hệ thống điện PV

Ứng dụng quan trọng đầu tiên của pin mặt trời là nguồn dự phòng (back-up) cho vệ tinh nhân tạo Vanguard I vào năm 1958, nó đã cho phép truyền tín hiệu về Trái đất hơn một năm sau khi nguồn Acqui điện hóa đã bị kiệt Sự hoạt động thành công này của pin mặt trời trên vệ tinh đã được lặp lại trong nhiều vệ tinh khác của Liên Xô và

Mỹ Vào cuối những năm 1960, PV đã trở thành nguồn năng lượng được được sử dụng riêng cho vệ tinh PV đã có một vai trò rất quan trọng công nghệ vệ tinh thương mại và

nó vẫn giữ vị trí đó đối với hạ tầng viễn thông ngày nay

5

Nhờ sự phát triển của khoa học công nghệ nên hiện nay con người đã biết khai thác NLMT một cách hiệu quả và chủ động hơn nhờ các công nghệ hiện đại Nhà máy nhiệt điện mặt trời thương mại đầu tiên được xây dựng trong những năm 1980 Nhà máy có công suất lớn nhất là 354MW xây dựng tại Sa mạc Mojave ở California (Mỹ) Các nhà máy lớn khác như nhà máy Solnova (150MW) và Andasol (100MW), cả hai đều ở Tây Ban Nha [1]

Sự cấm vận dầu năm 1973 và sự khủng hoảng năng lượng năm 1979 đã làm thay đổi chính sách năng lượng trên thế giới và công nghệ NLMT được quan tâm thúc đẩy phát triển Chiến lược triển khai tập trung vào các chương trình tăng tốc như: “Chương trình sử dụng PV Liên Bang” ở Mỹ; “Chương trình NLMT” ở Nhật Các cố gắng khác gồm có sự xây dựng các cơ sở nghiên cứu ở Mỹ (SERI, nay là NREL), Nhật (NEDO),

và Đức (Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE)

Giữa các năm 1970 và 1983 các dự án PV tăng rất nhanh, nhưng đầu những năm 1980

do giá dầu giảm nên làm giảm nhịp độ phát triển của PV Từ 1997, sự phát triển của

PV lại được gia tốc do các vấn đề khó khăn về cung cấp dầu và khí, do sự nóng lên của Trái đất, và sự cải thiện của công nghệ sản xuất PV, dẫn đến tính kinh tế của PV trở nên tốt hơn Sản xuất PV tăng trung bình 40%/năm từ năm 2000 và công suất lắp đặt

đã đạt đến 10,6GW vào cuối năm 2007 và 14,73GW vào năm 2008 Đến đầu năm

2014 thứ bậc của 5 cường quốc điện mặt trời được sắp xếp theo thứ tự về tổng công suất tính bằng Gigawatt (số đầu) và tỷ lệ điện năng mặt trời trong tổng điện năng quốc gia (số thứ hai) như sau: Đức (35,65GW; 5,3%), Ý (18GW; 9%), Trung Quốc (17,7GW; 0,1%), Nhật (11,86GW; 0,8%) và Hoa Kỳ (11,42GW; 0,3 %) [3]

1.2.2 Tình hình ứng dụng năng lượng mặt trời trên thế giới

Năng lượng tái tạo (NLTT) đã chiếm tỷ lệ 22,1% trong tổng sản xuất điện năng trên toàn cầu tính đến năn 2013 Nếu kể thêm cả sản xuất nhiệt thì tỷ lệ NLTT trong tổng sản xuất điện năng trên toàn cầu còn có tỷ lệ cao hơn nhiều Đặc biệt, giai đoạn 2008-

2013, tốc độ tăng trưởng NLTT nói chung và NLMT nói riêng đạt giá trị khá cao (Bảng 1.1) Trừ 2 nguồn thủy điện và địa nhiệt có tốc độ dưới 4%/năm thì các nguồn NLTT khác có tốc độ tăng trưởng trên 10%/năm Ấn tượng nhất là tốc độ tăng trưởng

2020, khoảng 20 triệu dân (trên tổng số 65 triệu) sống ở các vùng sử dụng 100% NLTT [4]

Bảng 1.1 Tốc độ tăng trưởng trung bình (%) công suất phát điện NLTT giai đoạn 2008-2013

và năm 2013 [4]

Tốc độ tăng trưởng về công suất điện NLTT (%) Nhiệt (%)

Giao thông vận tải (Nhiên liệu sinh học, %) Thời

gian

Địa nhiệt Thủy điện Điện MT

(PV)

Nhiệt điện MT NL gió

Nhiệt Mặt trời

SX ethanol

SX biodiesel

Trong các năm gần đây, các công nghệ NLMT có tốc độ tăng trưởng cao và liên tục

Lý do của xu hướng trên là: (1) Công nghệ ngày càng hoàn thiện, dẫn đến giá NLMT càng ngày càng giảm sâu; (2) Vấn đề an ninh năng lượng, NLMT là nguồn NL địa phương nên không phụ thuộc vào nguồn nhập khẩu, và do đó không phụ thuộc vào các biến đổi chính trị và các tác động khác; (3) Các nguồn NL hóa thạch đã dần cạn kiệt, trong lúc nhu cầu NL không ngừng tăng; (4) Ô nhiễm môi trường do khai thác sử dụng

NL hóa thạch đã đến mức báo động, dẫn đến các hiện tượng biến đổi khí hậu trên toàn cầu Việc cắt giảm phát thải, sử dụng các nguồn NL sạch trở nên cấp bách và có tính nghĩa vụ đối với các quốc gia

7

Tổng công suất PV đã lắp đặt giai đoạn 2004-2013 trên thế giới (hình 1.1) Đến năm

2013, tổng công suất PV toàn cầu đạt đến 139 GW Nói riêng, công suất PV lắp đặt của một số nước và vùng lãnh thổ dẫn đầu như: Năm 2013, Đức lắp thêm 3,3 GW, đưa tổng công suất đến 2013 lên 36 GW; Trung Quốc lắp thêm 12,9 GW, chiếm khoảng 72% tổng công suất PV lắp thêm năm 2013 trên toàn thế giới, trở thành nước có vị trí thứ 2, với tổng công suất khoảng 19 GW; Vị trí thứ 3 là Ý, với tổng công suất đến

2013 khoảng 17,5 GW; Mỹ đứng vị trí thứ 5 sau Nhật Bản, có tổng công suất 12,5

GW, năm 2013 lắp thêm 4,8 MW; Nhật Bản lắp thêm 6,9 GW, tăng 50% so với công suất đã xây dựng trước đó, đưa tổng công suất lên khoảng 14 GW [4]

40 70 100 139

Hình 1.1 Công suất phát điện mặt trời hàng năm trong giai đoạn 2004-2013 trên toàn cầu [4] Một trong các nguyên nhân về sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ PV là do giá PV liên tục giảm sâu Trên hình 1.2, đầu tư vào các hệ nguồn điện PV trên toàn cầu tăng liên tục, trong đó giai đoạn 2009-2011 tăng rất nhanh Cùng với sự tăng đầu tư, thì công suất phát điện PV cũng tăng gần như cùng tốc độ Đặc biệt, trong năm 2013, đầu

tư giảm 22% nhưng công suất PV được xây dựng mới lại tăng lên 32% với công suất khoảng 39GW Sự tăng mạnh đầu tư vào phát triển nguồn điện PV trong những năm gần đây chủ yếu do giá mô đun PV và giá hệ thống PV giảm liên tục và khá nhanh Đã đến lúc điện PV đã có thể cạnh tranh được với NL hóa thạch truyền thống

8

Hình 1.2 Đầu tư (tỷ USD) và công suất điện PV (GW) xây dựng thêm hàng năm trên toàn

cầu giai đoạn 2004-2013 [4]

1.2.3 Tiềm năng năng lượng mặt trời của Việt Nam

Việt Nam được đánh giá là có nguồn tài nguyên NLMT vào loại cao trên thế giới Nguồn NL sạch và tiềm năng lớn này hoàn toàn có thể tham gia đóng góp vào cân bằng NL quốc gia Cho đến nay, các hoạt động nghiên cứu khai thác, ứng dụng NLMT còn rất hạn chế, trình độ thấp, qui mô nhỏ lẻ, manh mún và tự phát Lý do cơ bản cho

sự trì trệ đó là do trước đây chúng ta chưa có chính sách về NLTT nói chung và NLMT nói riêng Tuy nhiên, đến 4/2017, Thủ tướng chính phủ đã ký quyết định mua điện mặt trời với giá 2086 đồng/KWh, như vậy, hệ thống điện mặt trời có thể hoà lưới bằng hai chế độ để bán khi thừa và mua khi thiếu Đây cũng là một lợi thế tốt để phát triển nguồn điện mặt trời tại Việt Nam

Để đánh giá tiềm năng NLMT thường người ta dùng 2 đại lượng, đó là Mật độ NLMT trung bình ngày và số giờ nắng trung bình năm

Nhiều địa phương trên lãnh thổ Việt Nam có giá trị các đại lượng trên khá cao Tính trung bình cho cả nước thì bằng 4,5kWh/m2/ngày và khoảng 2000 giờ/năm Tuy nhiên

do điều kiện tự nhiên mà NLMT trên các vùng lãnh thổ khác nhau cũng khác nhau như được chỉ ra trong bảng 1.2

Theo Tổ chức NLMT của các nước ASEAN, tiềm năng NLMT phân loại thành 4 mức: Mức 1 (mức cao): Bức xạ trung bình ngày cả năm >4,8 kWh/m2.ngày

Mức 2 (mức khá): Bức xạ trung bình ngày cả năm từ 3,8 đến 4,8 kWh/m2.ngày

Mức 3 (mức trung bình): Bức xạ trung bình ngày cả năm từ 3,2 đến 3,7 kWh/m2.ngày Mức 4 (mức kém): Bức xạ trung bình ngày cả năm < 3,2 kWh/m2.ngày

Theo chuẩn phân loại NLMT của ASEAN thì chỉ có vùng Đông Bắc nước ta có NLMT ở mức 3 là mức trung bình, còn các vùng khác thuộc mức khá và mức cao, tức

là những vùng có tiềm năng NLMT cao, khai thác ứng dụng có hiệu quả tốt, đặc biệt là khu vực miền Nam (từ Đà Nẵng trở vào) Như vậy, Việt Nam có nguồn tài nguyên NLMT khá lớn, đây là nguồn tài nguyên rất quí giá của đất nước và cần được nghiên

Dự án điện mặt trời được nối lưới đầu tiên là Nhà máy quang năng An Hội (Côn Đảo,

Bà Rịa - Vũng Tàu) Dự án được triển khai từ giữa tháng 3/2014 và hoàn thành việc xây dựng lắp đặt và đấu nối vào lưới điện của Điện lực Côn Đảo vào đầu tháng 12/2014 với công suất 36 kWp, điện lượng hơn 50 MWh

Trong Quy hoạch điện VII (điều chỉnh) cũng nêu rõ yêu cầu đẩy nhanh tiến độ các dự

án nguồn điện sản xuất từ năng lượng tái tạo, trong đó có NLMT bao gồm cả nguồn

NL tập trung lắp đặt trên mặt đất và các nguồn riêng lẻ lắp đặt trên nóc nhà Mục tiêu nhằm góp phần nâng công suất nguồn điện mặt trời từ mức không đáng kể như hiện nay lên khoảng 850 MW vào năm 2020, khoảng 4.000 MW vào năm 2025 và khoảng 12.000 MW đến năm 2030 Theo lộ trình này, từ nay đến năm 2020, mỗi năm chúng ta phải xây dựng các dự án điện mặt trời với công suất hơn 200 MW; từ năm 2020 -

2025, mỗi năm phải lắp đặt hơn 600 MW và 5 năm tiếp theo, mỗi năm phải lắp đặt 1.600 MW mới đạt kế hoạch đề ra

Hiện nay, cả nước có khoảng 30 nhà đầu tư bắt đầu xúc tiến lập các dự án điện mặt trời có công suất từ 20 đến trên 300 MW tại một số địa phương, tập trung chủ yếu ở khu vực miền Trung Trong đó đáng chú ý là 2 dự án của Công ty Đầu tư và Xây dựng Thiên Tân (tại tỉnh Quảng Ngãi và Ninh Thuận) và dự án Tuy Phong do Công ty TNHH DooSung Vina (Hàn Quốc) đầu tư với quy mô 66 triệu USD, công suất 30 MW tại tỉnh Bình Thuận

Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) cũng đang dự định triển khai nghiên cứu phát triển 2 dự án trên đất liền tại thủy điện Trị An (tỉnh Đồng Nai) và dự án nổi trên mặt nước tại hồ thủy điện Đa Mi (tỉnh Bình Thuận)

1.3 Đặc điểm sản xuất nông nghiệp Ninh Thuận và ảnh hưởng của NLMT

Ninh Thuận là một vùng khô hạn có đặc điểm địa hoá cảnh quan độc đáo ở Việt Nam

Ở đây, lớp đất canh tác mỏng, nghèo vật chất hữu cơ, thành phần sét trong đất thấp, thành phần vụn thô chiếm ưu thế Các nguyên tố kiềm, kiềm – thổ cũng như các nguyên tố vi lượng được giữ lại khá cao và có xu hướng tập trung trong đất Tuy đất vùng Ninh Thuận luôn tiềm ẩn nguy cơ bị thoái hoá trong vùng khí hậu khắc nghiệt, nhưng đất ở vùng khô nóng này cũng có thể cải tạo, quy hoạch hợp lý để phát huy những tiềm năng riêng mà các vùng khác ở Việt Nam không có

Về khí hậu, Ninh Thuận là vùng nắng nóng gay gắt nhất Việt Nam Theo bản đồ bức

xạ mặt trời của Meteonorm, Ninh Thuận là khu vực có nguồn bức xạ dồi dào, khoảng 1.800 kWh/m2/năm Mặt khác, sự chênh lệch về BXMT giữa các mùa trong năm không cao, đây là điều kiện rất thuận lợi cho việc khai thác hiệu quả nguồn NLMT Trung bình các tháng có thời gian chiếu sáng hơn 12 giờ mỗi ngày; dài nhất vào 2 tháng 6 và 7 với hơn 13 giờ/ngày; ngắn nhất vào 2 tháng 12 và 1 cũng hơn 11 giờ 30 phút/ngày Do đó, Ninh Thuận có điều kiện tiếp nhận hàng năm một lượng lớn BXMT Tổng số giờ nắng trung bình ở Ninh Thuận là 2837,8 giờ/năm cao nhất trong cả nước (so với Cam Ranh 2663,6 giờ/năm; Phan Thiết 2782,8 giờ/năm)

Theo Quy hoạch tổng thể phát triển kinh tế - xã hội tỉnh Ninh Thuận, đến năm 2020 thì Ninh Thuận phấn đấu trở thành Trung tâm NLTT Việc ứng dụng điện mặt trời và điện gió được tỉnh quan tâm phát triển, nhằm tạo tăng trưởng kinh tế nhanh và bền vững theo hướng xanh, sạch Hơn nữa, theo dự báo về những tiến bộ mới trong công nghệ sản xuất các tấm pin mặt trời với hiệu suất hiện nay là 12 - 16%, sẽ tăng lên tới 25% vào năm 2030 và có thể tăng tới 40% vào năm 2050 và tuổi thọ tấm pin dự báo cũng

sẽ tăng từ 25 năm lên đến 40 năm, dẫn tới suất đầu tư nhà máy và giá thành điện mặt trời sẽ thấp Đồng thời, giá mua điện của Tập đoàn EVN cũng sẽ tăng dần theo lộ trình Do vậy, thời gian thu hồi vốn đầu tư sẽ ngắn hơn và sản xuất, kinh doanh điện mặt trời sẽ có lợi nhuận

Ninh Thuận từ trước năm 2000, ngành Bưu điện đã có ứng dụng điện mặt trời (hệ độc lập) để cấp điện cho các Bưu cục ở các xã vùng sâu, vùng xa của tỉnh chưa có lưới điện quốc gia Năm 2006 – 2007, thực hiện Dự án nghiên cứu ứng dụng công nghệ điện mặt trời cung cấp điện cho các vùng đặc thù và trang trại chăn nuôi chưa có lưới điện đi qua, với công suất 2 kWp cho 2 trang trại nông nghiệp, đèn tín hiệu khu vực bãi rùa đẻ và 10 hộ dân ở huyện Ninh Sơn, với kinh phí mua sắm máy móc thiết bị là 237,4 triệu đồng (suất đầu tư 168,7 triệu đồng/kWp) Năm 2010, Công ty TNHH Tập đoàn Quốc tế Kim Đỉnh (Hà Nội) tài trợ thiết bị và lắp đặt tại Quảng trường 16 tháng 4

2 trụ đèn chiếu sáng, công suất 35W/trụ ứng dụng điện mặt trời và điện gió Ngày 12-2012, lễ khánh thành công trình hệ thống phát điện sử dụng NLMT (nối lưới), công suất 10 kWp do Công ty Hanvit, Hàn Quốc tài trợ cho thôn Đá Hang, xã Vĩnh Hải, huyện Ninh Hải Ngày 30-12-2012 bàn giao sử dụng trạm điện mặt trời (hỗn hợp) tại

17-13

khu vực Văn phòng UBND tỉnh Ninh Thuận, với công suất 14,82 kWp Năm 2013, từ nguồn kinh phí hỗ trợ 100 triệu đồng của Công ty Holcim, Trường Đại học Bách khoa TP.Hồ Chí Minh phối hợp với Hội Nông dân tỉnh thực hiện Mô hình tưới phun mưa sử dụng NLMT cho hộ nông dân thuộc xã An Hải, huyện Ninh Phước, với công suất 0,8 kWp

Đồng thời, để triển khai nhân rộng ứng dụng điện mặt trời sắp tới, Sở KH&CN tỉnh đã khảo sát, đánh giá nhu cầu phụ tải điện, mặt bằng mái nhà và xây dựng phương án ứng dụng điện mặt trời (hỗn hợp) cho các cơ quan hành chính cấp tỉnh đóng trên địa bàn

Tp Phan Rang – Tháp Chàm, gồm: Sở Công Thương (6,08 kWp); Sở Khoa học và Công nghệ (6,08 kWp); Sở Kế hoạch và Đầu tư (3,8 kWp); Sở Xây Dựng (6,84 kWp);

Sở Tài Chính (7,6 kWp); Sở Tài nguyên và Môi trường (13,68 kWp); Sở Văn hóa, Thể thao và Du lịch (5,32 kWp) và Trường THPT Chuyên Lê Quý Đôn (15,2 kWp) [6] Đến nay, Ninh Thuận đã ký kết biên bản ghi nhớ với Công ty TNHH Sinenergy Holdings (thuộc Tập đoàn SHS Holdings Singapore) về việc nghiên cứu, triển khai dự

án điện mặt trời quy mô lớn (300MW), kết hợp sản xuất nông nghiệp công nghệ cao, gắn với xuất khẩu tại Ninh Thuận Theo đề nghị của Sinenergy Holdings, doanh nghiệp này sẽ đầu tư nhà máy sản xuất điện mặt trời kết hợp nông nghiệp công nghệ cao tại xã Phước Hữu (Ninh Phước) trên diện tích 832ha, với tổng vốn đầu tư 7.920 tỷ đồng Quy mô đầu tư của dự án là 300MW điện mặt trời, kết hợp nông nghiệp công nghệ cao (trồng rau, cà chua, táo, tỏi…) và rau sạch xuất khẩu sang thị trường Singapore và thế giới

Tóm lại, Ninh Thuận là tỉnh có tiềm năng NLMT lớn, các đự án điện mặt trời đặt ở đây sẽ có tính khả thi cao Nhưng nguồn ngân sách của tỉnh còn hạn chế nên các dự án điện mặt trời hiện tại chỉ dựa vào các nguồn tài trợ, các dự án nhỏ lẻ mang tính tự phát theo khả năng của từng hộ gia đình

1.4 Các phương pháp khai thác sử dụng năng lượng mặt trời

Mặc dù được đánh giá là có tiềm năng rất đáng kể về NLMT, nhưng do nhiều nguyên nhân khác nhau, tỉ trọng của NLMT trong cán cân NL sử dụng chung vẫn còn rất nhỏ Tuy vậy, có thể thấy rõ NLMT đã được nghiên cứu và đưa vào sử dụng từ rất lâu Bên

14

cạnh các phương thức khai thác truyền thống, đơn giản, mang tính dân gian như phơi nông sản và sấy khô các loại thủy hải sản, các hoạt động nghiên cứu và sử dụng NLMT cho đến hiện nay thường tập trung vào các lĩnh vực như cung cấp nước nóng dùng trong sinh hoạt và phát điện

1.4.1 Cung cấp nước nóng bằng năng lượng mặt trời

Sử dụng năng lượng mặt trời qua quá trình trao đổi nhiệt theo kiểu đối lưu tự nhiên

1- Collector mặt trời 2- Ống nước nóng tuần hoàn

Hình 1.3 Hệ thống cung cấp nước nóng bằng NLMT theo kiểu đối lưu tự nhiên

Dưới tác động của các tia BXMT, nước trong collector mặt trời (1) sẽ gia tăng nhiệt độ

và dần dần đi lên theo đường ống dẫn nước nóng (2) Tương ứng, nước có nhiệt độ thấp hơn sẽ chảy từ bình chứa (3) đặt ở phía trên để đi vào collector (1) theo đường ống dẫn nước lạnh tuần hoàn (4) và tạo nên vòng tuần hoàn khép kín Trong trường hợp này chuyển động của nước là hoàn toàn tự nhiên, có nghĩa là không do tác động của bơm, chuyển động này được tạo nên là do sự sụt giảm khối lượng riêng của nước khi nhiệt độ nước gia tăng Cứ tiếp tục như thế nhiệt độ của nước trong bình chứa sẽ tăng dần Khi BXMT ở mức còn đủ để làm nóng nước thì nước trong bình chứa bị phân lớp khá đáng kể theo nhiệt độ, theo đó nhiệt độ của nước ở vị trí cao hơn sẽ có giá trị lớn hơn Nguyên tắc làm việc cơ bản của các hệ thống loại này là sự tích lũy dần nhiệt lượng nhận được từ các tia BXMT từ sáng cho đến chiều, do vậy thường chỉ nên

sử dụng nước nóng mặt trời từ cuối buổi chiều trở đi

15

Tùy vào đặc điểm của từng hệ thống cụ thể, và tùy vào tình hình thời tiết cụ thể, mà nhiệt độ trung bình của nước vào cuối mỗi buổi chiều có thể biến đổi trong khoảng từ

45o C cho đến khoảng gần 70 o C

1.4.2 Cung cấp điện bằng năng lượng mặt trời

Về mặt nguyên lý, pin mặt trời được tạo nên từ những chất bán dẫn Dưới tác động của các tia BXMT, các điện tử sẽ được tách ra khỏi các nguyên tử, sự chuyển động của các điện tử khi được đấu nối qua vật dẫn điện sẽ tạo nên dòng điện Quá trình biến đổi từ các tia sáng mặt trời (Photons) thành điện (Voltage) được gọi là hiệu ứng quang điện (Photovoltaic Effect) Cho đến nay, về mặt thị trường, vật liệu thường được sử dụng trong công nghiệp chế tạo pin mặt trời là Silic tinh thể và Silic vô định hình Trong những năm gần đây, một số nhà nghiên cứu có xu hướng chuyển sang chế tạo pin mặt trời trên cơ sở nano-TiO2 tẩm chất nhạy quang (Dye-Sensitized Nanocrystalline TiO2 Solar Cell) Tùy theo cấu tạo và loại vật liệu được sử dụng mà hiệu suất pin mặt trời có

thể biến đổi trong khoảng từ 11,1% cho đến 27,3% Thông thường mỗi tấm pin mặt

trời được tạo nên từ nhiều module giống nhau, bằng cách ghép các module theo một cách nào đó người ta có thể chế tạo ra các tấm pin mặt trời có mức điện áp và công suất khác nhau Do khả năng cung cấp điện của pin mặt trời có quan hệ chặt chẽ với cường độ BXMT, mà cường độ BXMT lại thường xuyên biến đổi, cho nên không thể biểu diễn công suất của pin mặt trời ở dạng W (Watt) mà phải là Wp (Watt-peak)

Theo định nghĩa, Wp là công suất điện một chiều của pin mặt trời được đo đạc trong

các điều kiện tiêu chuẩn như sau:

- Cường độ sáng: 1000W/m 2

- Nhiệt độ môi trường: 25o C

- Quang phổ của nguồn sáng thử nghiệm phải tương tự như quang phổ của BXMT tương ứng với hệ số khối lượng không khí là 1,5

1.4.3 Các phương pháp khai thác khác

Như đã trình bày ở trên, ngoại trừ nước nóng mặt trời và pin mặt trời, việc ứng dụng NLMT vào các lĩnh vực khác được xem là không đáng kể Tuy nhiên, trong số các ứng dụng ít ỏi còn lại, sấy và nấu ăn bằng năng lượng mặt trời có vẻ vẫn được chú ý nhiều

16

hơn do giá thành rẻ và công nghệ chế tạo đơn giản Hiện nay, ở một số nơi người ta ứng dụng NLMT để sấy nông hải sản, chủ yếu là nông sản Phương pháp sấy thường được ứng dụng là làm nóng không khí trực tiếp bằng NLMT, có nghĩa là không thông qua trung gian của những chất tải nhiệt khác Tuy nhiên, do cấu tạo của hệ thống sấy thô sơ cho nên hiệu quả vẫn còn khá thấp Để làm nóng không khí người ta thường dùng collector mặt trời dạng phẳng, trong trường hợp này không khí có thể được cho

đi phía trên hay phía dưới của bề mặt hấp thụ Trong một số trường hợp khác, việc làm nóng không khí có thể được thực hiện bởi các ống 2 lớp bọc bằng plastic có tiết diện tròn Cùng với sấy, hiện đang có một vài dự án triển khai các bếp mặt trời cho các vùng sâu, vùng xa Phương án thường được sử dụng là chảo parabol Trong trường hợp này người ta đặt vật cần nhận nhiệt ở tiêu điểm của parabol Nói chung công nghệ sản xuất chảo parabol khá đơn giản Thỉnh thoảng cũng xuất hiện các bếp mặt trời dạng hình hộp Nhìn chung bếp mặt trời vẫn chưa hấp dẫn được nhiều người do vận hành không ổn định và do những bất tiện khác

1.5 Các công nghệ chế tạo pin năng lượng mặt trời

Pin mặt trời là phương pháp sản xuất điện trực tiếp từ NLMT qua thiết bị biến đổi quang điện Pin mặt trời có ưu điểm gọn nhẹ có thể lắp bất kỳ ở đâu có ánh sáng mặt trời Ứng dụng NLMT dưới dạng này được phát triển với tốc độ rất nhanh, nhất là các nước phát triển và dần dần thay thế nguồn năng lượng truyền thống

1.5.1 Cấu tạo pin mặt trời

Hình 1.4 Hình dạng thực tế và cấu tạo pin mặt trời

- Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc – đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm nguội và làm rắn Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn nhưng chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp

- Dải silic tạo ra từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ silicon

Một lớp tiếp xúc bán dẫn P-N có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng BXMT thành điện năng nhờ hiệu ứng quan điện bên trong gọi là pin mặt trời Pin mặt 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 silic tinh khiết, để có vật liệu tinh thể bán dẫn Si loại N, người ta pha tạp chất donor là photpho có hóa trị 5 Còn vật liệu bán dẫn tinh thể loại P thì tạp chất acceptor được dùng để pha vào silic là Bo có hóa trị 3 Đối với pin mặt trời từ vật liệu tinh thể silic khi BXMT chiếu đến thì hiệu điện thế hở mạch giữa 2 cực khoảng 0,55V và dòng điện đoản mạch của nó khi BXMT có cường

độ 1000W/m2 vào khoảng 25–30mA/cm2

Hiện nay, người ta đã chế tạo pin mặt trời bằng vật liệu silic 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 suất thấp hơn và kém ổn định hơn

1.5.2 Pin Silic tinh thể (Crytalline silicon solar cell)

Tinh thể silicon (c-Si) là chất bán dẫn đã được sử dụng nhiều nhất trong tế bào NLMT, mặt dù nó là một chất hấp thụ ánh sáng tương đối nghèo và đòi hỏi một độ dày đáng

kể (vài trăm micron) của vật liệu Tuy nhiên nó đã chứng tỏ vị trí thuận tiện vì nó

18

mang lại sự ổn định cho các tế bào NLMT với hiệu quả tốt Có hai loại silicon tinh thể được sử dụng trong ngành công nghiệp chế tạo:

- Đầu tiên là monocrystalline, sản xuất bằng cách cắt mảnh bán dẫn (đường kính dày

từ 150 mm và lên đến 350 microns) từ một phôi tinh thể lớn, việc làm này tốt kém rất nhiều chi phí Các silicon phải có độ tinh khiết rất cao và có một cấu trúc tinh thể gần hoàn hảo

- Loại thứ hai là multicrytalline silicon, sử dụng các công nghệ sản xuất mới, một phương pháp phát triển một ribbon của silicon bằng cách kéo ra từ một silicon nóng chảy Các tế bào NLMT được làm từ các tấm bán dẫn đơn tinh thể nói chung là quá đắt đối với sản xuất hàng loạt quy mô lớn Đây chính là lý do tại sao xu hướng sản xuất các tế bào tinh thể silicon chủ yếu là chuyển hướng sản xuất đa tinh thể, mặc dù các tế bào đa tinh thể có kết quả không hiệu quả như silicon tinh thể đơn lẻ

1.5.3 Pin màng mỏng

Pin màng mỏng (Thin-Film CIGS and CdTe Photovoltaic Technologies) vô định hình thường được gọi tắt là pin màng mỏng hoặc pin vô định hình Vật liệu cốt lỏi để chế tạo pin màng mỏng là silic vô định hình Công nghệ này thay vì sử dụng các tấm tinh thể rắn silicon mỏng sử dụng khí silane (SiH4) mà là một hợp chất hóa học có chi phí sản xuất thấp hơn so với silicon tinh thể

Pin NLMT được sản xuất từ vật liệu màng mỏng có hiệu suất khoảng 4% Nếu so sánh với hiệu suất 16% của pin mặt trời sử dụng vật liệu silic tinh thể thì rõ ràng hiệu suất của vật liệu màng mỏng thấp hơn nhiều Nhưng với vật liệu pin màng mỏng không cần ánh sáng mặt trời chiếu trực tiếp vẫn có thể chuyển đổi BXMT thành điện năng điều này có nghĩa là thời gian chuyển đổi BXMT thành điện năng bằng vật liệu này sẽ kéo dài hơn so với vật liệu đơn tinh thể

1.5.4 Nguyên lý hoạt động pin mặt trời

Cấu tạo vật lý của tế bào quang điện (pin mặt trời) tương tự như các Diode cổ điển với một lớp tiếp xúc P-N Khi lớp tiếp xúc hấp thụ BXMT thì năng lượng của các photon bức xạ được truyền đến các hạt electron các electron này thông thường nằm ở lớp ngoài cùng nên chúng kết dính với nguyên tử lân cận và không thể di chuyên đi xa

Hình 1.5 Hiệu ứng quang điện

1.5.5 Mạch điện tương đương của tế bào quang điện

Cấu trúc vật lý phức tạp của tế bào quang điện được đại diện bởi một mạch điện tương đương như hình 1.6

Hình 1.6 Mạch điện tương đương của tế bào quang điện Các thông số mạch như sau:

Dòng điện I tại ngõ ra sẽ bằng với dòng điện IL do BXMT sinh ra và nó nhỏ hơn dòng điện đi qua Diode ID và dòng ISH của điện trở shunt RSH Điện trở mắc nối tiếp RS đại diện cho trở kháng tại dòng chảy của dòng điện hiện tại và nó phụ thuộc vào độ sâu của tiếp xúc PN, tạp chất và dòng điện của điện trở Tại điều kiện lý tưởng của tế bào

20

quang điện RS= 0, RSH= ∞ Với những tế bào quang điện chất lượng cao, trong 1 Inch vuông thì RS có giá trị từ 0,05 đến 0,10 Ω và RSH có giá trị từ 200 đến 300 Ω Sự chuyển đổi của hiệu ứng quang điện thay đổi với sự thay đổi rất nhỏ từ RS nhưng nó không chịu ảnh hưởng của RSH Khi RS tăng một lượng nhỏ sẽ làm giảm đáng kể công suất của tế bào quang điện

Trong mạch tương đương thì dòng tải bên ngoài bằng với dòng tải IL, nhỏ hơn ID và

ISH Điện áp hở mạch VOC của tế bào quang điện được tính khi dòng điện của tải bằng

0 Nghĩa là khi I = 0 thì VOC sẽ được tính theo biểu thức:

ID: Dòng bảo hòa của Diode

Q: 1,6x10-19C

A: Hằng số đường cong cố định

K: Hằng số Boltzmann = 1,38x10-23J/0K

T: Nhiệt độ quy đổi tuyệt đối 0K

Dòng tải sẽ được tính bằng biểu thức:

Hệ thống điện mặt trời độc lập là hệ thống sử dụng NLMT để tạo ra điện, tự hoạt động

mà không cần nối vào lưới công cộng; gồm 2 thành phần chính: Thành phần lưu trữ năng lượng và các bộ biến đổi bán dẫn

 Thành phần lưu giữ năng lượng (Hệ thống Acqui)

Hệ thống độc lập cần phải có khâu lưu giữ điện năng để có thể phục vụ cho tải trong những thời gian thiếu nắng, ánh sáng yếu hay vào ban đêm Có nhiều phương pháp lưu trữ năng lượng trong hệ thống Phổ biến nhất vẫn là sử dụng Acqui để lưu trữ năng lượng Acqui cần phải có một bộ điều khiển nạp để bảo vệ và đảm bảo cho tuổi thọ của Acqui

22

Hình 1.8 Hệ thống điện mặt trời độc lập

 Các bộ biến đổi bán dẫn

Các bộ bán dẫn trong hệ thống gồm có bộ biến đổi một chiều DC/DC; bộ sạc Acqui và

bộ biến đổi DC/AC (Inverter) Bộ DC/DC dùng để xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất của pin và làm ổn định nguồn điện một chiều lấy từ pin mặt trời để cung cấp cho tải và Acqui Bộ biến đổi DC/DC còn có tác dụng điều khiển chế độ nạp và phóng để bảo vệ và nâng cao tuổi thọ cho Acqui

Bộ DC/AC có nhiệm vụ chuyển đổi nguồn 1 chiều sang xoay chiều (110 hoặc 220 VAC, tần số 50Hz hoặc 60Hz) để phục vụ cho các thiết bị xoay chiều Có nhiều kiểu

bộ biến đổi DC/AC, chúng có thể làm việc cả hai chế độ là từ một chiều sang xoay chiều sang một chiều Nhìn chung, bộ biến đổi DC/AC trong hệ thống độc lập có thể làm việc ở mức điện áp một chiều là 24, 48, 96, 120, 240 VDC tùy từng hệ Bộ biến đổi dùng trong hệ thống độc lập có những đặc điểm như sau:

- Điện áp ra hình Sin

- Điện áp và tần số nằm trong giới hạn cho phép

- Bám sát được sự thay đổi của điện áp vào

- Điều chỉnh điện áp ra

23

- Hiệu quả cao đối với tải nhẹ

- Ít tạo sóng hài để tránh làm hư hại đến các thiết bị điện khác như tivi, tránh gây tổn hao công suất, làm nóng thiết bị

- Có thể chịu quá tải trong một thời gian ngắn trong trường hợp dòng khởi động lớn như của máy bơm …

- Có bảo vệ quá áp, bảo vệ tần số, bảo vệ ngắn mạch…

- Tổn hao không tải thấp

Hệ thống này thích hợp cho vùng không có điện lưới như: nông thôn, hải đảo, vùng sâu vùng xa, miền núi, … Hoặc những nơi có điện nhưng điện lưới không ổn định, hoặc nhà phố ở khu đô thị muốn có hệ thống điện NLMT dùng dự phòng khi cúp điện

1.7 Hệ thống điện mặt trời hoà lưới

Hệ thống điện mặt trời hòa lưới là hệ thống bao gồm: các tấm pin NLMT, Inverter nối lưới, lưới điện và các phụ tải đang sử dụng

Điện thu được từ các tấm pin NLMT (Hệ thống PV) là điện 1 chiều (DC), điều chỉnh (DC/DC) và đến bộ hòa lưới điện (Inverter) có nhiệm vụ đổi nguồn từ điện DC sang điện AC cùng pha (1 pha hoặc 3 pha) cùng tần số với điện lưới và hòa chung với điện lưới

Hệ thống này cũng có thể cho phép tự duy trì hoạt động của tải bằng nguồn năng lượng dự trữ Acqui và đồng thời có thể bơm phần năng lượng dư thừa vào lưới điện để bán Khi nguồn mặt trời sinh ra nhiều năng lượng điện thì nguồn năng lượng dư thừa

sẽ được chuyển lên lưới điện, còn trong những điều kiện thời tiết xấu, không có nắng hay mưa, pin mặt trời không sinh ra đủ năng lượng để đáp ứng cho phụ tải thì hệ sẽ lấy điện từ lưới Hệ thống này có thể trở thành một phần của lưới điện lớn Cấu trúc của hệ còn phụ thuộc vào quy mô của hệ và đặc tính phụ tải sử dụng Khi hệ thống được nối với lưới, nguồn công suất có hai chiều hướng Lưới sẽ hấp thụ nguồn điện mặt trời khi thừa và sẽ cung cấp cho các thiết bị tiêu thụ khi hệ thống không thể sinh ra điện vào thời gian yếu ánh sáng hoặc vào ban đêm

24

Hình 1.9 Hệ thống điện mặt trời hòa lưới

Hệ thống được nối với lưới điện ở đầu ra của bộ ngắt đồng bộ phía cuối đầu ra của bộ đổi điện Dòng chảy công suất phụ thuộc vào cả hai hướng của điểm tiếp nối với bộ ngắt Các yêu cầu cơ bản đối với điện áp tại điểm nối như sau:

- Biên độ và pha của điện áp phải cân bằng với biên độ và pha của dòng công suất Điện áp được điều khiển bằng hệ số biến đổi máy biến áp hoặc góc mở bộ DC/AC trong hệ điều khiển mạch vòng kín

- Phải đảm bảo đồng bộ với tần số của lưới bằng cách sử dụng tần số hệ tần số chuẩn cho tần số đóng mở của bộ DC/AC

- Hệ thống phải được bảo vệ ngắn mạch, quá dòng, quá áp, nối đất, chống sét và bảo

vệ tách biệt…

Kết luận chương 1

Trình bày sự cần thiết và cấp bách của việc ứng dụng NLMT để sản xuất điện; những kiến thức cơ bản về pin NLMT và các hệ thống điện mặt trời cơ bản Hình thành nên những kiến thức tổng quan về NLMT Tuy nhiên, để hiểu rõ và sâu hơn về hệ thống NLMT đặc biệt là những hệ thống quy mô nhỏ, chúng ta cần tiếp tục nghiên cứu xây dựng, tính toán và mô phỏng mô hình hệ thống cụ thể trong chương 2

- Tổng quan về mô hình tính công suất NLMT

- Mô hình nguồn lưu trữ (Acqui) cho quá trình phóng và nạp

- Mô hình hệ thống điện lưới

- Mô hình tải

- Hoạt đông của hệ thống kết nối nguồn PV, Acqui, lưới, tải

2.1 Mô hình nguồn năng lượng mặt trời (PV generation model)

Khi được chiếu sáng, nếu ta nối các bán dẫn P và N của một tiếp xúc P-N bằng một dây dẫn, thì pin mặt trời phát ra một dòng quang điện Iph (hình 2.1) Vì vậy trước hết pin mặt trời có thể xem như một nguồn dòng

Lớp tiếp xúc bán dẫn P-N có tính chỉnh lưu tương đương như một Diode Tuy nhiên, khi phân cực ngược, do điện trở lớp tiếp xúc có giới hạn, nên vẫn có một dòng điện được gọi là dòng rò qua nó Đặt trưng cho dòng rò qua lớp tiếp xúc P-N người ta đưa vào đại lượng điện trở Shunt Rsh Dòng quang điện chạy trong mạch phải đi qua các lớp bán dẫn P và N, các điện cực, các tiếp xúc,… Đặt trưng cho tổng các điện trở của các lớp đó là một điện trở RS nối tiếp trong mạch (có thể coi là nội trở của pin mặt trời)

Hình 2.1 Sơ đồ tương đương pin mặt trời

Iph: Dòng điện do pin mặt trời sinh ra (A)

ID: Dòng điện qua Diode (A)

Ish: Dòng qua nội trở Shunt Rsh (A)

I: Dòng điện chạy qua tải và nội trở nối tiếp RS (A)

Is: Dòng điện bão hòa của Diode (thường lấy IS = 8×10-4A)

Rsh, Rs: Là nội trở song song và nội trở nối tiếp của pin mặt trời

V: Điện áp trên tải (V)

Trong điều kiện chiếu sáng bình thường (không có hội tụ) thì hiệu ứng điện trở nối tiếp

Rs có thể bỏ qua, và ID = 0, do đó có thể suy ra công thức dòng ngắn mạch (2.3)

ln ph 1

oc

s

I NKT V

28

2.1.3 Mô hình tính toán công suất đầu ra tấm pin mặt trời

Công thức cơ bản để tính công suất đầu ra của pin mặt trời bằng tích điện áp và dòng điện lớn lớn nhất đo tại ngõ ra

P V I  FF V I (2.5) Trong đó,

Vm: Điện áp tương ứng tại điểm cực đại trên đặc tính I-V

Im: Dòng điện tương ứng tại điểm cực đại trên đặc tính I-V

V I

2.1.3.1 Công suất đầu ra của PV

Công suất đầu ra của PV phụ thuộc vào các yếu tố sau:

- Điều kiện làm việc như độ BXMT thực tế (GI)

- Nhiệt độ làm việc (Tamb)

- Cách đặt tấm PV (mouting)

- Tốc độ gió

Ở các điều kiện chuẩn, công suất PV được cho bởi nhà sản xuất Tuy nhiên, ở điều kiện làm việc thực tế, công suất PV thường được ước lượng bởi các phương trình phụ thuộc vào độ bức xạ (GT) và nhiệt độ làm việc của tấm PV (Tc) và các tham số chuẩn NOCT

PPV: Công suất ra của pin mặt trời tại MPP (W)

PPV,STC: Công suất MPP tại điều kiện kiểm tra chuẩn (STC); được cho bởi nhà sản xuất

GT: Mức độ chiếu xạ tại STC (W/m2) (theo điều kiện làm việc)

γ = 0.0035: Hệ số nhiệt độ tại MPP

Tc: Nhiệt độ pin mặt trời (0C)

NPVs: Số lượng mô đun nối tiếp trong hệ thống

NPVp: Số lượng mô đun song song trong hệ thống

Tamb: Nhiệt độ môi trường

NOCT (Nominal Operating Cell Temperature): Nhiệt độ hoạt động danh định của pin mặt trời; được đo khi hở mạch PV NTE (Nominal Terrestrial Environment): Môi

trường danh định ngoài trời

Bảng 2.1 Công suất, đặc tính của PV cho bởi nhà sản xuất theo các điều kiện

NOCT (Nominal Operating Cell Temperature)

STC (standard test condition)

Nhiệt độ PV (cell

temperature- Tc)

Trong [9], công suất đầu ra của pin mặt trời cũng được tính theo công thức: