Nghiên cứu thiết kế và phân tích kinh tế hệ thống điện mặt trời độc lập tại tỉnh thừa thiên huế

Trong những năm gần đây, các hoạt động nghiên cứu ứng dụng NLMT nói chung và hệ thống điện mặt trời ĐMT nói riêng đã được triển khai.. - Tính toán thiết kế và phân tích kinh tế hệ thống

Trang 1

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và được sự hướng dẫn khoa học của TS Khương Anh Sơn Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá được chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo

Ngoài ra, trong luận văn còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như số liệu của các tác giả khác, cơ quan tổ chức khác đều có trích dẫn và chú thích nguồn gốc.Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn của mình

Huế, ngày 29 tháng 5 năm 2016

Tác giả Luận văn

Nguyễn Hoàng Phương

Trang 2

LỜI CẢM ƠN

Trước hết tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến Ban giám hiệu trường Đại học Nông Lâm Huế, các thầy cô giáo phòng Đào tạo sau đại học, toàn thể các thầy cô giáo khoa Cơ khí - Công nghệ đã tạo điều kiện và tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu để tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Đặc biệt, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Khương Anh Sơn đã dành nhiều thời gian tâm huyết, trực tiếp hướng dẫn tận tình và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình thực hiện nghiên cứu đề tài và hoàn chỉnh luận văn Thạc sĩ chuyên nghành Kỹ thuật Cơ khí và Cơ kỹ thuật

Cuối cùng tôi xin chân thành cám ơn gia đình và bạn bè đã luôn đồng hành, động viên, khích lệ, sẻ chia và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành Luận văn

Huế, ngày 29 tháng 5 năm 2016

Tác giả Luận văn

Nguyễn Hoàng Phương

Trang 3

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Lý do chọn đề tài

Nước ta có tiềm năng khá lớn về nguồn năng lượng mặt trời (NLMT) Trong những năm gần đây, các hoạt động nghiên cứu ứng dụng NLMT nói chung và hệ thống điện mặt trời (ĐMT) nói riêng đã được triển khai Tuy nhiên, việc ứng dụng chưa phát triển, chưa được sâu rộng Rào cản lớn của dạng năng lượng đầy tiềm năng này là giá thành chi phí đầu tư ban đầu khá cao Đồng thời các nghiên cứu về ĐMT phục vụ sinh hoạt chưa nhiều, chưa tính hết sự phụ thuộc vào khí hậu cho từng khu vực, các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật với việc phân tích kinh tế của hệ thống Vì vậy, việc nghiên cứu thiết kế hệ thống ĐMT độc lập thỏa mãn được các điều kiện nêu trên là cần

thiết nên tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế và phân tích kinh tế hệ thống điện

mặt trời độc lập tại tỉnh Thừa Thiên Huế”

Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu

- Nghiên cứu thực trạng sử dụng hệ thống ĐMT tại Thừa Thiên Huế

- Tính toán thiết kế và phân tích kinh tế hệ thống ĐMT phù hợp với điều kiện khí hậu và phụ tải ngôi nhà (tính toán công suất pin mặt trời cần sử dụng, tính toán ắc quy lưu trữ, tính toán bộ chuyển đổi điện DC-AC, tính toán bộ điều khiển sạc)

- Tính toán công suất tối ưu hệ thống ĐMT độc lập (công suất pin mặt trời, công suất ắc quy) cho 3 vị trí tại trạm khí tượng: thành phố Huế, huyện Nam Đông và huyện A Lưới

Đối tượng nghiên cứu

- 3 vị trí tại đài khí tượng thành phố Huế, huyện Nam Đông và A lưới

Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp điều tra, khảo sát, thu thập số liệu

- Phương pháp nghiên cứu tài liệu lý thuyết

- Phương pháp chuyên gia

- Phương pháp tính toán và phân tích

Trang 4

Nội dung và kết quả nghiên cứu

- Tính toán hệ thống ĐMT độc lập cho hộ gia đình

- Tính toán các thành phần của hệ thống ĐMT độc lập cung cấp cho phụ tải ngôi nhà tại một khu vực của tỉnh Thừa Thiên Huế

- Tính toán công suất pin mặt trời, ắc quy của hệ thống ĐMT lập cho một khu vực tại Thừa Thiên Huế

- Phân tích chi phí vòng đời và tính kinh tế của hệ pin mặt trời

- Thiết kế và tính toán trạm sạc NLMT cho xe điện tham quan Đại Nội Huế tại bến xe Nguyễn Hoàng, thành phố Huế

Kết luận

- Tìm hiểu về thực trạng sử dụng NLMT trên thế giới, Việt Nam và tỉnh Thừa Thiên Huế

- Đánh giá hiện trạng sử dụng hệ thống ĐMT tại Thừa Thiên Huế

- Dùng thuật toán di truyền để tối ưu các thông số như công suất dàn pin mặt trời và công suất ắc quy

- Tính toán công suất và phân tích kinh tế cho các hệ thống ĐMT độc lập của các hộ ở 3 khu vực

- Thiết kế và tính toán trạm sạc NLMT cho xe điện tham quan Đại nội Huế tại bến xe Nguyễn Hoàng, thành phố Huế

Trang 5

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT ĐỀ TÀI iii

MỤC LỤC v

DANH MỤC KÝ HIỆU CÁC TỪ VIẾT TẮT viii

DANH MỤC CÁC BẢNG ix

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ xi

MỞ ĐẦU 1

1 Đặt vấn đề 1

2 Mục tiêu của đề tài 1

2.1 Mục tiêu chung 1

2.2 Mục tiêu cụ thể 1

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 2

3.1 Ý nghĩa khoa học 2

3.2 Ý nghĩa thực tiễn 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 3

1.1 Cơ sở lý luận của vấn đề nghiên cứu 3

1.1.1 Khái niệm về năng lượng Mặt Trời 3

1.1.2 Sự cần thiết phát triển năng lượng mặt trời 3

1.1.3 Các ứng dụng của năng lượng mặt trời 3

1.1.4 Khái quát về Pin NLMT 4

1.2 Cơ sở thực tiễn của các vấn đề nghiên cứu 11

1.2.1 Tình hình phát triển năng lượng mặt trời trên thế giới 11

1.2.2 Tình hình phát triển năng lượng mặt trời trong nước 17

1.2.3 Trạm sạc năng lượng mặt trời cho xe ô tô điện 31

1.2.4 Nhận xét và đề nghị hướng nghiên cứu 34

CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 36

Trang 6

2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 36

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 36

2.1.2 Phạm vi nghiên cứu 36

2.2 Nội dung nghiên cứu chính 36

2.3 Phương pháp nghiên cứu 36

2.3.1 Phương pháp điều tra, khảo sát, thu thập số liệu 36

2.3.2 Phương pháp nghiên cứu tài liệu lý thuyết 36

2.3.3 Phương pháp chuyên gia 37

2.3.4 Phương pháp tính toán và phân tích 37

CHƯƠNG 3: NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 38

3.1 Đặc điểm địa bàn nghiên cứu 38

3.2 Hệ thống năng lượng mặt trời độc lập 42

3.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống điện mặt trời độc lập 42

3.2.2 Cấu trúc của hệ thống năng lượng mặt trời độc lập 42

3.2.3 Những tiện ích mà điện năng lượng mặt trời mang lại 48

3.2.4 Tình hình phát triển điện mặt trời ở Thừa Thiên Huế 49

3.3 Mô hình và thuật toán 57

3.3.1 Mô hình dàn pin Mặt Trời 57

3.3.2 Mô hình ắc quy 58

3 3.3 Mô hình độ tin cậy 58

3.3.4 Mô hình kinh tế 59

3.3.5 Hàm mục tiêu và hàm ràng buộc 60

3.4 Áp dụng các thuật toán di truyền trong tính toán tối ưu hệ thống NLMT 61

3.4.1 Thuật toán di truyền 61

3.4.2 Kết quả tính toán tỷ lệ tối ưu từ thuật toán di truyền 62

3.5 Thiết kế mô hình hệ thống điện năng lượng mặt trời độc lập cho hộ gia đình 65

3.5.1 Hệ thống điện mặt trời độc lập 65

3.5.2 Sơ đồ khối hệ thống 67

3.5.3 Tính toán thiết kế và phân tích kinh tế hệ thống ĐMT độc lập 68

Trang 7

3.5.4 Tính toán hệ thống ĐMT cho các hộ dân tại ở thành phố Huế năm 2015 72

3.5.5 Tính toán hệ thống ĐMT cho một hộ dân tại huyện Nam Đông và huyện A Lưới năm 2015 84

3.5.6 Tính toán công suất hệ thống ĐMT có xét đến ảnh hưởng của tỷ lệ lạm phát và chiết khấu 85

3.5.7 Tính toán trạm sạc năng lượng mặt trời cho xe điện tại bến xe Nguyễn Hoàng 90 3.6 Nhận xét và thảo luận 95

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 97

5.1 Kết luận 97

5.2 Kiến nghị 97

TÀI LIỆU THAM KHẢO 98

Trang 8

DANH MỤC KÝ HIỆU CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Giải nghĩa

BD&SC : Bảo dưỡng và sửa chữa

Trang 9

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Xếp hạng các nhà máy điện mặt trời làm việc trên nguyên lý công nghệ

quang điện 16

Bảng 1.2 Số liệu về bức xạ Mặt Trời tại Việt Nam 19

Bảng 1.3 Lượng tổng bức xạ Mặt Trời trung bình ngày của các tháng trong năm ở một số địa phương của nước ta, đơn vị: MJ/m2/ngày 20

Bảng 3.1 Tần suất (%) xuất hiện lượng mưa tháng ≥ 100mm 39

Bảng 3.2 Lượng mây tổng quan trung bình 40

Bảng 3.3 Số ngày nhiều mây trung bình 40

Bảng 3.4 Tổng số giờ nắng trung bình tháng và năm 41

Bảng 3.5 Các thông số kỹ thuật của mô đun pin Mặt Trời 44

Bảng 3.6 Các tham số mô phỏng của ắc quy 58

Bảng 3.7 Kích thước tối ưu của hệ thống NLMT độc lập tai 3 khu vực Khu vực thành phố Huế 63

Bảng 3.8 Chi phí của các thành phần trong hệ thống NLMT độc lập 71

Bảng 3.9 Nhu cầu sử dụng các thiết bị điện của ngôi nhà 72

Bảng 3.10 Lựa chọn các thành phần trong hệ thống NLMT độc lập cho hộ dân 1 74

Bảng 3.12 Tính toán công suất trong hệ thống NLMT độc lập cho hộ dân 2 77

Bảng 3 13 Lựa chọn các thành phần trong hệ thống NLMT độc lập cho hộ dân 2 77

Bảng 3.14 Chi phí các thành phần của hệ thống NLMT cho hộ dân 2 78

Bảng 3 16 Tính toán công suất trong hệ thống NLMT độc lập cho hộ dân 2 79

Bảng 3 17 Lựa chọn các thành phần trong hệ thống NLMT độc lập cho hộ dân 3 79

Bảng 3.18 Chi phí các thành phần của hệ thống NLMT cho hộ dân 3 80

Bảng 3.19 Bảng tổng hợp các chi phí của ba ngôi nhà (VNĐ) 81

Bảng 3.20 Bảng chi phí 1 kW tiền điện dùng điện lưới 82

Bảng 3.21 So sánh cho phí 1 kWh của các hộ khi dùng hệ thống ĐMT và điện lưới 83 Bảng 3.22 Nhu cầu sử dụng các thiết bị điện ngôi nhà của hộ dân 1 84

Trang 10

Bảng 3.26 Tính toán các thành phần trong hệ thống NLMT độc lập 85

Bảng 3.30 Tính toán các thành phần trong một trạm sạc xe điện 94

Bảng 3.31 Tính toán các thành phần trong ba trạm sạc xe điện 94

Bảng 3.32 Tính toán chi phí các thành phần trong ba trạm sạc xe điện 94

Trang 11

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Hệ 2 mức năng lượng 4

Hình 1.2 Các vùng năng lượng 5

Hình 1.3 Nguyên lý hoạt động của pin Mặt Trời 6

Hình 1.4 Quan hệ ( )E g 7

Hình 1.5 Pin mặt trời 7

Hình 1.6 Quá trình tạo Mô đun 8

Hình 1.7 Cấu tạo Mô đun Mặt Trời 9

Hình 1.8.Tình hình xây dựng các nhà máy ĐMT trong các năm 2001-2015 12

Hình 1.9 Đầu tư và công suất điện pin Mặt Trời xây dựng thêm hàng năm (GW) trên toàn cầu giai đoạn 2004-2013 13

Hình 1.10 Diễn biến chi phí 1 Wp điện mặt trời và xây dựng các tấm pin trên thế giới 13

Hình 1.11 Nhà máy điện mặt trời lớn nhất thế giới Ivanpah nằm ở sa mạc Mojave, gần ranh giới giữa bang California và Nevada, Mỹ 15

Hình 1.12 Các tấm pin silicon tại trạm điện Mặt trời nổi Kasai Nhật Bản 16

Hình 1.13 Bản đồ bức xạ mặt trời của Việt Nam 18

Hình 1.14 Bếp nấu ăn NLMT 22

Hình 1.15 Bếp nấu ăn kiểu hộp 22

Hình 1.16 Hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời tại Bệnh viện Đa khoa Gia Đình Đà Nẵng 23

Hình 1.17 Máy sấy lúa dùng NLMT do Giáo viên trường Đại học Nông Lâm Huế thiết kế 24

Hình 1.18 Thiết bị chưng lọc nước ngọt từ nước biển, sử dụng năng lượng Mặt Trời 25 Hình 1.19 Khởi công Dự án cung cấp điện điện bằng NLMT tại Quảng Bình 26

Hình 1.20 Khởi công xây dựng nhà máy điện mặt trời Thiên Tân tại thôn Đạm Thủy, xã Đức Minh, huyện Mộ Đức, tỉnh Quảng Ngãi 26

Hình 1.21 Dàn pin và ắc quy rích trữ điện năng tạiĐồn Biên Phòng Khiểng Phước 29 Hình 1.22 Hệ thống bơm trực tiếp từ nắng 1.5HP để phục vụ tưới tiêu cho vườn thanh long 30

Trang 12

Hình 1.23 Dàn pin NLMT và bộ chuyển đổi tại khu công nghiệpNhơn TRạCH Đồng

Nai 30

Hình 1.24 Hệ thống các cột đèn điện sử dụng điện Mặt Trời 31

Hình 1.25 Hệ thống điện mặt trời trên nóc tòa nhà Bộ công thương Hà Nội 31

Hình 1.26 Trạm sạc ô tô điện Tesla tại Mỹ 32

Hình 1.27 Trạm sạc Energies-sol 33

Hình 1.28 Trạm sạc NLMT của hãng xe BMW 33

Hình 1.29 Trạm sạc NLMT của hãng xe Mitsubishi 34

Hình 1.30 Trạm sạc NLMT của hãng xe Toyota 34

Hình 3.1 Biểu đồ của hệ thống NLMT độc lập 43

Hình 3.2 Sơ đồ hệ thống ĐMT độc lập cho ngôi nhà 43

Hình 3.3 Ắc quy 45

Hình 3.4 Bộ điều khiển sạc cho pin mặt trời 47

Hình 3.5 Bộ kích điện DC-AC 48

Hình 3.6 Chuyển mạch tự động 48

Hình 3.7 Nhiệt độ trung bình của Thừa Thiên Huế năm 2013 49

Hình 3.10 Hệ thống pin NLMT ở bán đảo Sơn Chà, huyện Phú Lộc, tỉnh Thừa Thiên Huế 51

Hình 3.11 Đèn NLMT thắp sáng bán đảo Sơn Chà, huyện Phú Lộc, tỉnh Thừa Thiên Huế 51

Hình 3.12 Hệ thống năng lượng điện mặt trời tại Đồn Biên Phòng Hồng Tháihuyện A Lưới, tỉnh Thừa Thiên Huế với công suất 4 kW 52

Hình 3.13 Hệ thống năng lượng mặt trời tại khách sạn Riverside Resort Huế 52

Hình 3.14 Dàn pin được lắp trên tàu cá ở huyện Phú Lộc 53

Hình 3.15 Cột đèn chiếu sáng đường phố sử dụng pin NLMT tại đường Tôn Đức Thắng, Tp Huế 54

Hình 3.16 Cột đèn tín hiệu giao thông ứng dụng pin NLMT tại đường Tăng Bạt Hổ,Tp Huế 54

Trang 13

Hình 3.17 Cột đèn tín hiệu giao thông ứng dụng NLMT tại đường Đào Duy Anh,

Tp.Huế 55

Hình 3.18 Cột đèn vàng tại ngã tư Phạm Văn Đồng và Lưu Hữu Phước, Tp.Huế 55

Hình 3.19 Đèn NLMT tại Trung tâm bảo trợ trẻ em ở Thủy Xuân, Tp.Huế 55

Hình 3.20 Hệ thống nước nóng NLMT 10.000 lít tại khách sạn MORIN ở Huế 57

Hình 3.21 Bản đồ địa lý các huyên của tỉnh Thừa Thiên Huế 62

Hình 3.22 Góc nghiêng  của hệ thống ĐMT 67

Hình 3.23 Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời 68

Hình 3.24 Biểu đồ so sánh chi phí 1kW điện khi dùng điện NLMT và điện lưới 83

Hình 3.25 So sánh ảnh hưởng của tỷ lệ lạm phát và tỉ lệ lãi suất đến công suất của hệ thống NLMT độc lập 86

Hình 3.30 Dàn xe điện phục vụ tham quan Đại Nội Huế 90

Hình 3.31 Bến xe Nguyễn Hoàng – Nơi tập kết đưa đón khách của xe điện 91

Hình 3.32 Trạm sạc SUDI 92

Hình 3.33 Mô hình trạm sạc cho xe điện tại bến xe Nguyễn Hoàng, TP Huế 95

Trang 14

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Năng lượng mới là mối quan tâm hàng đầu của các quốc gia khi nguồn năng lượng hóa thạch có hạn, khiến nguy cơ thiếu năng lượng trầm trọng Việc tìm kiếm và khai thác nguồn năng lượng mới là một trong những hướng quan trọng trong kế hoạch phát triển năng lượng đối với các nước Những chất thải từ các nguồn năng lượng hóa thạch đã ảnh hưởng lớn đến môi trường Vì vậy, điện NLMT được xem là lựa chọn thay thế điện lưới quốc gia ở các nơi phát triển điện lưới không khả thi về mặt kinh tế Nước ta có tiềm năng khá lớn về nguồn NLMT Trong những năm gần đây, các hoạt động nghiên cứu ứng dụng NLMT nói chung và hệ thống ĐMT nói riêng đã được triển khai Tuy nhiên, việc ứng dụng chưa phát triển, chưa được sâu rộng mà mới chỉ dừng ở quy mô các dự án dành cho người nghèo được chính phủ và các tổ chức nước ngoài tài trợ Hoặc một số cơ quan nhà nước, các hộ gia đình đã tự phát và đi tiên phong trong vấn đề sử dụng Một trong những rào cản lớn của dạng năng lượng đầy tiềm năng này là giá thành chi phí đầu tư ban đầu khá cao, đại đa số người dân chưa nhận thức được lợi ích của nó, chưa tìm hiểu kỹ công nghệ, tính năng kỹ thuật và quy trình vận hành, bảo dưỡng thiết bị nên chưa mặn mà với việc đầu tư xây dựng Đồng thời các nghiên cứu về hệ thống ĐMT phục vụ sinh hoạt chưa nhiều, chưa tính hết sự phụ thuộc vào khí hậu cho từng khu vực, các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật với việc phân tích kinh tế của hệ thống Vì vậy, việc nghiên cứu thiết kế hệ thống ĐMT độc lập thỏa

mãn được các điều kiện nêu trên là cần thiết nên tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu thiết

kế và phân tích kinh tế hệ thống điện mặt trời độc lập tại tỉnh Thừa Thiên Huế”

2 Mục tiêu của đề tài

2.1 Mục tiêu chung

Nghiên cứu thiết kế hệ thống ĐMT độc lập nhằm thỏa mãn chỉ tiêu kinh tế và

kỹ thuật phù hợp với điều kiện khí tượng của từng vùng tại Thừa Thiên Huế để làm cơ

sở xây dựng các giải pháp thúc đẩy phát triển sử dụng NLMT cho phát điện

2.2 Mục tiêu cụ thể

- Nghiên cứu thực trạng sử dụng hệ thống ĐMT tại Thừa Thiên Huế

- Tính toán thiết kế và phân tích kinh tế hệ thống ĐMT phù hợp với điều kiện khí hậu và phụ tải ngôi nhà (Tính toán công suất pin mặt trời cần sử dụng, Tính toán ắc quy lưu trữ, Tính toán bộ chuyển đổi nguồn điện, Tính toán bộ điều khiển sạc) cho 3 vị trí tại trạm khí tượng: thành phố Huế, huyện Nam Đông và huyện A lưới

- Tính toán công suất tối ưu hệ thống ĐMT độc lập (công suất pin mặt trời, công suất ắc quy) cho một khu vực tại Thừa Thiên Huế

Trang 15

- Thiết kế và tính toán trạm sạc NLMT cho xe điện tham quan Đại nội Huế tại bến xe Nguyễn Hoàng, thành phố Huế

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Giúp cho các cán bộ kỹ thuật, người dân hiểu rõ được tính năng kỹ thuật của

hệ thống, từ đó dễ dàng lựa chọn và vận hành, bảo dưỡng thiết bị

- Góp phần khuyến khích thúc đẩy phát triển ứng dụng khai thác ĐMT tại Thừa Thiên Huế để bảo vệ môi trường

Trang 16

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Cơ sở lý luận của vấn đề nghiên cứu

1.1.1 Khái niệm về năng lượng mặt trời

Năng lượng (NL) mặt trời thu được trên trái đất là NL của dòng bức xạ điện

từ xuất phát từ mặt trời đến trái đất Chúng ta sẽ tiếp tục nhận được dòng NL này cho đến khi phản ứng hạt nhân trên mặt trời hết nhiên liệu, vào khoảng 5 tỷ năm nữa Có thể trực tiếp thu lấy NL này thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển NL các photon của mặt trời thành điện năng, như trong pin mặt trời NL của các photon cũng có thể được hấp thụ để làm nóng các vật thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, sử dụng cho bình đun nước nóng bằng mặt trời, hoặc làm sôi nước trong các nhà máy nhiệt điện của tháp mặt trời, hoặc vận động các hệ thống nhiệt như máy điều hòa mặt trời

1.1.2 Sự cần thiết phát triển năng lượng mặt trời

Trong quá trình phát triển, các quốc gia luôn đặt vấn đề an toàn NL lên hàng đầu Cùng với sự phát triển kinh tế, đời sống của người dân ngày càng tăng cao nên nhu cầu sử dụng NL ngày càng tăng Nguồn NL truyền thống đang sử dụng chủ yếu là dầu, than đá, khí ga Nguồn NL hóa thạch này đang được khai thác và sử dụng mạnh

mẽ nên đang cạn kiệt dần, dẫn đến mất an ninh NL ở nhiều quốc gia, khu vực và quốc tế; Việc khai thác và sử dụng nhiên liệu hoá thạch quá mức đã phát thải khí nhà kính làm trái đất nóng lên gây ra biến đổi khí hậu đã tác động không nhỏ đến đời sống, môi trường của con người; Sự biến động giá cả của dầu mỏ trên thế giới đã tác động đến giá của nguồn cung NL.Vì vậy, việc phát triển khai thác năng lượng tái tạo (NLTT), đặc biệt là NLMT đang được nhiều nước trên thế giới quan tâm phát triển

1.1.3 Các ứng dụng của năng lượng mặt trời

Ngày nay, con người đã ứng dụng NLMT trong nhiều lĩnh vực như: sưởi ấm không gian và làm mát thông qua kiến trúc NLMT, chưng cất nước uống và khử trùng, chiếu sáng và sinh hoạt, bình nước nóng, sấy thực phẩm, nấu ăn, chạy và sạc xe điện (xe ô tô, xe đạp), sản xuất hydro, sưởi ấm, máy bay, đèn giao thông, chiếu sáng, đồng

hồ, bảng quảng cáo, sạc pin, thuyền, túi xách, sân vận động,… [5]

Người ta sử dụng 2 công nghệ để phát điện đó là: Công nghệ quang điện và Công nghệ hội tụ NLMT

Công nghệ NLMT có 2 hình thức hoạt động, hoặc thụ động, hoặc chủ động tùy thuộc vào cách chúng nắm bắt, chuyển đổi và phân phối NLMT Kỹ thuật NLMT chủ động bao gồm việc sử dụng các tấm pin quang điện và các tấm thu nhiệt để khai thác

NL Còn kỹ thuật NLMT thụ động có thể minh họa bằng việc hướng một tòa nhà về phía mặt trời, lựa chọn vật liệu có khối lượng nhiệt thuận lợi hoặc ánh sáng phân tán

Trang 17

và thiết kế không gian lưu thông không khí tự nhiên trong ngôi nhà đó để khai thác một cách hiệu quả lượng nhiệt thu được từ mặt trời

1.1.4 Khái quát về Pin NLMT

Pin NLMT thường gọi là pin mặt trời hay pin quang điện, bao gồm nhiều tế bào quang điện là phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là điốt quang, thực hiện biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện

Sự chuyển đổi này thực hiện theo hiệu ứng quang điện

1.1.4.1 Hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên vào năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel Tuy nhiên, cho đến năm 1883 một pin năng lượng mới được tạo 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 pin năng lượng mặt trời đầu tiên năm 1946 Sau đó Sven Ason Berglund đã có các phương pháp liên quan tới việc tăng khả năng cảm nhận ánh sáng của pin

Xét một hệ 2 mức NL điện tử E1

< E2, bình thường điện tử chiếm mức

năng lượng thấp hơn E1 Khi nhận bức

xạ mặt trời, lượng tử ánh sáng photon

Khi nhận bức xạ mặt trời, photon có NL hv tới hệ thống và bị điện tử ở vùng có hóa trị thấp hấp thu và trở thành điện tử tự do e-, để lại ở vùng hóa trị một lỗ trống có thể xem như hạt mang điện dương, kí kiệu là h+ Lỗ trống này có thể di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện

Trang 18

Hình 1.2 Các vùng năng lượng

Hiệu ứng lượng tử của quá trình hấp thụ photon có thể mô tả bằng phương trình:

Ev +hv → e- + h+ Điều kiện để điện tử có thể hấp thu NL của photon và chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử - lổ trống là hv = hc/>= Ec – Ev Từ đó có thể tính được bước sóng tới hạn c của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e- và h+:

( )m E

E

h E E

h

g g c v c

Tóm lại, khi vật rắn nhận tia bức xạ mặt trời, điện tử ở vùng hóa trị hấp thụ năng lượng photon hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặ hạt dẫn điện tử - lỗ trống e- -

h+, tức là đã tạo ra một điện thế Hiện tượng đó gọi là hiệu ứng quang điện bên trong

Trang 19

Hình 1.3 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

1.1.4.2 Hiệu suất của quá trình biến đổi quang điện

Ta có thể xác định hiệu suất giới hạn về mặt lý thuyết  của quá trình biến đổi quang điện của hệ thống 2 mức sau:

( ) ( )

0 0

d J E

c g

Trang 20

( ) 



d J E

0 là tổng NL của các photon tới hệ

Như vậy hiệu suất  là một hàm của E g(hình1.4)

Bằng tính toán lý thuyết đối với chất bán dẫn Silicon thì hiệu suất  0.44 

Hình 1.4 Quan hệ giữa hiệu suất và năng lượng hữu ích

1.1.4.3 Cấu tạo pin mặt trời

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

từ các tinh thể silic chia thành 3 loại:

* Đơn tinh thể mô đun sản xuất

dựa trên quá trình Crochralski Đơn

tinh thể loại này có hiệu suất lên tới

Trang 21

* 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 pin đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn Nhưng chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn loại đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó

* Dãy silic tạo từ các tấm phin mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên nó rẻ nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon

Một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biến đổi trực tiếp NL bức xạ NLMT nhờ hiệu ứng quang 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 tao từ vật liệu tinh thể bán dẫn Silicon (Si) có hóa trị 4 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 hóa trị 5 Còn vật liệu tinh thể bán dẫn loại p thì tạp chất acceptor được dùng để pha vào Si là Bo có hóa trị 3 Đối với pin mặt trời từ tinh thể Si, khi bức xạ mặt trời chiếu đến thì hiệu điện thế hở mạch giữa 2 cực khoảng 0,55V và dòng ngắn mạch của nó khi bức xạ mặt trời có cường độ 1000W/m2 vào khoảng 25 ÷ 30mA/cm2

Hiện nay người ta đã chế tạo Pin mặt trời bằng 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 suất thấp hơn

và kém ổn định

Công nghệ chế tạo pin mặt trời gồm nhiều công đoạn khác nhau để cuối cùng ta được mô đun Ví dụ để chế tạo pin mặt trời từ Si đa tinh thể cần qua các công đoạn như hình 1.6

Hình 1.6 Quá trình tạo mô đun pin mặt trời

Trang 22

Hình 1.7 Cấu tạo mô đun mặt trời

Các thông tin cơ bản về tấm pin mặt trời:

+ Công suất từ 25Wp - 175Wp;

+ Số lượng tế bào trên mỗi tấm pin: 72 tế bào;

+ Kích thước tế bào 5 - 6;

+ Hiệu suất : từ 15% - 18%;

+ Chất liệu của khung: thương là nhôm;

+ Loại tế bào: monocrystalline và polycrystalline;

+ Tuổi thọ trung bình của mỗi tấm pin: 25 ÷ 30 năm

1.1.4.4 Các tham số ảnh hưởng đến chế độ và hiệu suất của pin mặt trời

Các tham số ảnh hưởng đến chế độ làm việc và hiệu suất của pin mặt trời:

Trang 23

Ba tham số đầu là chủ quan và 2 tham số sau là khách quan của pin mặt trời Ở điều kiện bức xạ bình thường (không hội tụ) các tham số trên có thể xem như các tham

số độc lập, chỉ trừ dòng điện bão hòa IS và nhiệt độ T

Điện trở sơn RSh đặc trưng cho dòng dò qua lớp tiếp xúc pn, phụ thuộc vào công nghệ chế tạo lớp tiếp xúc Thông thường giá trị của RSh rất lớn, nên dòng dò có thể bỏ qua

Điện trở nội RS là tổng của các điện trở: điện trở tiếp xúc giữa điện cực dưới và bán dẫn p, R1; điện trở bán dẫn loại p, R2; điện trở bán dẫn loại p, R3; điện trở tiếp xúc giữa bán dẫn n và cực kim loại trên, R4; điện trở của cực lưới kim loại mặt trên, R5 và điện trở của các thanh góp kim loại mặt trên, R6 , tức là:

𝑅𝑆 = ∑6i=1Ri = R1+ R2+ R3+ R4+ R5+ R6

Sự tăng RS hoặc sự giảm RSh ảnh hưởng đến công suất phát điện của pin mặt trời

1.1.4.5 Đặc tính kinh tế của pin năng lượng mặt trời

Trong bối cảnh NLMT đang được chú trọng đầu tư phát triển mạnh mẽ trên thế giới, hiệu quả sử dụng, hiệu quả kinh tế ngày càng cao thể hiện rõ ở chỗ số lượng pin

và các phụ kiện của hệ thống điện mặt trời xuất hiện trên thị trường càng nhiều, giá thành càng ngày càng thấp nhưng tính công nghệ không hề giảm mà càng được cải thiện với chất lượng rất cao Trong khoảng 10 năm trở lại đây, do có sự đầu tư của nhà nước và các danh nghiệp tư nhân nên giá thành ngày càng hạ

Điều quan trọng liên quan đến tính kinh tế của hệ thống ĐMT là giá thành của

hệ thống, chi phí ban đầu cao so với mức thu nhập trung bình người Việt Nam Việc đầu tư hệ thống ĐMT độc lập còn là một điều xa vời với các hộ bình dân, nhưng sẽ không quá xa trong lương lai

1.1.4.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến công suất hệ thống điện mặt trời

- Sự thay đổi hàng ngày, liên quan đến vòng quay trái đất và mùa;

- Vị trí khu đất (bức xạ mặt trời tại đó);

- Độ nghiêng của thiết bị;

- Góc phương vị;

- Bóng đổ;

- Nhiệt độ

Trang 24

1.1.4.7 Các chú ý khi sử dụng pin mặt trời

Các tấm pin mặt trời được lắp đặt ở ngoài trời, những nơi có thể đón nhận được ánh sáng tốt nhất từ mặt trời vì chúng được thiết kế với những tính năng và chất liệu đặc biệt, có thể chịu đựng được sự khắc nghiệt của thời tiết, khí hậu, nhiệt độ

Để tính toán kích cỡ các tấm pin mặt trời cần sử dụng, ta phải tính công suất cực đại (Wp) cần có của tấm pin mặt trời Lượng Wp mà pin mặt trời tạo ra lại tùy thuộc vào khí hậu của từng vùng trên thế giới Cùng 1 tấm pin mặt trời nhưng đặt ở nơi này thì mức độ hấp thu NL sẽ khác với khi đặt nó nơi khác

Lựa chọn tấm pin mặt trời phù hợp với mục đích sử dụng vì hiện tại trên thị trường có rất nhiều loại pin

Để tối đa hóa hiệu suất của hệ thống pin mặt trời cần được lắp đặt theo 1 góc nghiêng và chọn ví trí các tấm pin có thể hấp thụ ánh nắng được tốt nhất cho cả ngày

1.2 Cơ sở thực tiễn của các vấn đề nghiên cứu

1.2.1 Tình hình phát triển năng lượng mặt trời trên thế giới

Trong các năm gần đây, các công nghệ NLTT, trong đó có các công nghệ NLMT

có tốc độ tăng trưởng cao và liên tục Lý do của xu hướng trên là: Công nghệ ngày càng hoàn thiện, dẫn đến giá NLTT càng ngày càng giảm sâu; Vấn đề an ninh NL NLTT là nguồn NL địa phương nên không phụ thuộc vào nguồn nhập khẩu, do đó không phụ thuộc vào các biến đổi chính trị và các tác động khác; Các nguồn NL hóa thạch đã dần cạn kiệt, trong lúc nhu cầu NL không ngừng tăng; 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 Để cắt giảm một phần sự phát thải khí nhà kính các quốc gia cần khuyến khích

sử dụng các nguồn NL sạch và các nguồn NLTT

Đến năm 2013, NLTT đã chiếm tỷ lệ 22,1% trong tổng sản xuất điện năng trên toàn cầu Nếu kể thêm cả sản xuất nhiệt thì tỷ lệ NLTT trong tổng sản xuất NL trên toàn cầu còn có tỷ lệ cao hơn nhiều Đặc biệt, trong các năm gần đây, giai đoạn 2008-

2013, tốc độ tăng trưởng NLTT nói chung và NLMT nói riêng đạt giá trị khá cao 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 của các công nghệ NLMT: ĐMT tăng 55%; nhiệt điện mặt trời - 48% và nhiệt mặt trời (chủ yếu để đun nước nóng) - 14%/năm

Xu thế chung ngày càng rõ nét của tất cả các nước trên thế giới hiện nay là tăng

tỷ phần NLTT và giảm NL hóa thạch Ví dụ, năm 2013, ở Đan Mạch và Tây Ban Nha, điện NL gió đáp ứng lần lượt là 33,2% và 21% tổng nhu cầu điện; nhiều cộng đồng và vùng lãnh thổ đặt mục tiêu sử dụng 100% điện NLTT vào năm 2020 như Dijibouti,

Trang 25

Scotland và các quốc gia đảo vùng Tuvalu; nước Đức đặt ra mục tiêu đến năm 2020, khoảng 20 triệu dân (trên tổng số 65 triệu) sống ở các vùng sử dụng 100% NLTT

Tổng công suất pin mặt trời đã lắp đặt giai đoạn 1995 ÷ 2013 trên thế giới Đến năm 2013, tổng công suất pin mặt trời toàn cầu đạt đến 137GW Nói riêng, công suất pin mặt trời lắp đặt của một số nước và vùng lãnh thổ dẫn đầu như sau: Năm 2013, Đức lắp thêm 3,3GW, đưa tổng công suất đến 2013 lên 36GW; Trung Quốc lắp thêm 12,9GW, chiếm khoảng 72% tổng công suất điện pin mặt trời lắp thêm năm 2013 trên toàn thế giới, trở thành nước có vị trí thứ 2, với tổng công suất khoảng 19GW; Vị trí thứ 3 là Ý, với tổng công suất đến 2013 khoảng 17,5GW; Mỹ đứng vị trí thứ 5 sau Nhật Bản, có tổng công suất 12,5GW, năm 2013 lắp thêm 4,8MW; Nhật Bản lắp thêm 6,9GW, tăng 50% so với công suất đã xây dựng trước đó, đưa tổng công suất lên khoảng 14GW

Số nước trên thế giới tham gia khai thác NLMT, đặc biệt để sản xuất điện tăng thêm hàng năm Tổng công suất điện năng ở một số nước tăng nhanh chóng Nước Đức vẫn đứng ở vị trí số 1 và giữ tỷ lệ tổng công suất điện mặt trời lớn gấp 3 lần nước đứng thứ 2 Với bảng xếp hạng năm 2013, các nước lớn Đức, Ý, Trung quốc, Nhật và

Mỹ nay đã có mặt trong tốp 5 Các nước trong tốp 5 đều có mức tăng trưởng tuyệt đối của tổng sản lượng ĐMT, 2013 so với 2010, rất cao Nước Ý tăng 17 lần, Mỹ tăng 7 lần, Trung quốc tăng 6 lần, Nhật tăng 4,5 lần và Đức tăng 3,6 lần

Theo đà tăng trưởng ĐMT của thế giới, trên hình 1.8 mô tả sự tăng trưởng của tổng sản lượng ĐMT theo từng năm, từ 1995 đến 2013 Rõ ràng, trong 5 năm cuối, đà tăng trưởng diễn ra rất nhanh, gần đến 15 lần

Hình 1.8.Tình hình xây dựng các nhà máy ĐMT trong các năm 2001-2015

Năm 2010, giá mô đun giảm đến khoảng 2000 USD/kWp, dẫn đến giá hệ thống (nối lưới) giảm còn khoảng hơn 6000 USD/kWp Nhưng cuối 2013, có sự giảm giá rất kịch tính: giá mô đun chỉ còn 1000 USD/kWp; giá cả hệ thống còn khoảng 3000 ÷

Trang 26

3500 USD/kWp Do đó, giá điện pin mặt trời hiện nay giảm chỉ còn từ 14 USCents/kWh đến 17USCents/kWh phụ thuộc vào qui mô hệ thống và cường độ bức

xạ mặt trời khu vực lắp đặt Hiện nay giá mô đun chỉ còn khoảng 1000 USD/kWp Đã đến lúc điện pin mặt trời đã có thể cạnh tranh được với NL hóa thạch truyền thống Trên hình 1.9 đầu tư và công suất ĐMT xây dựng thêm hàng năm (GW) trên toàn cầu giai đoạn năm 2004 ÷ 2013

Hình 1.9 Đầu tư và công suất phát điện mặt trời trên toàn cầu giai đoạn 2004-2013

Hình 1.10 Diễn biến chi phí 1 Wp điện mặt trời và xây dựng các tấm pin trên thế giới

Trang 27

NLTT nói chung và NLMT nói riêng trên phạm vi toàn cầu phát triển liên tục với tốc độ ngày càng cao Đặc biệt, trong những năm gần đây, các công nghệ NLMT chiếm ưu thế, trong đó, công nghệ điện pin mặt trời đạt tốc độ tăng trưởng cao nhất, 55%/năm, công nghệ nhiệt mặt trời nhiệt độ thấp có tốc độ tăng trưởng trung bình 18,8%/năm Các công nghệ NLMT đã phát triển vượt qua các công nghệ NLTT khác như điện gió, sinh khối và thủy điện

Một nguyên nhân quan trọng khác của sự phát triển mạnh mẽ của NLMT nói riêng và NLTT nói chung là sự quan tâm của các chính phủ trong việc xây dựng, ban hành và thực hiện các chính sách phù hợp Đến 2013, đã có 70% các nước trên thế giới

có chính sách NLTT và NLMT

Đến nay ĐMT, nhiệt mặt trời và nhiệt điện đã có thể cạnh tranh với các nguồn

NL truyền thống khác Nhiều khu vực, vùng lãnh thổ trên thế giới đặt mục tiêu đến năm 2020 sử dụng 100% NLTT

Xu thế của phát triển NLTT trên toàn cầu đang chuyển dần sang phát triển các công nghệ NLMT, trong đó công nghệ ĐMT có vai trò quan trọng nhất Do có tính cạnh tranh cao nên đến nay mặc dù một số nước đã giảm hay thậm chí bỏ hẳn các chính sách hỗ trợ NLMT nhưng công nghệ này vẫn không ngừng phát triển

Có hai loại công nghệ nhà máy điện, một loại nhà máy ĐMT sử dụng công nghệ quang điện Trong công nghệ này, NL ánh sáng mặt trời được chuyển thành dòng điện bởi hiệu ứng quang điện qua các tế bào quang điện, đó là các pin mặt trời bé nhỏ Các pin nhỏ ghép lại thành tấm pin mặt trời lớn Các tấm pin lớn này lại ghép với nhau

để thành mô đun hay dãy, khi dòng điện đủ lớn có thể nối lên điện lưới Nhà máy ĐMT có thể hoạt động dựa vào loại công nghệ ĐMT tập trung Máy điện này sử dụng một hệ thống rất nhiều tấm gương phản chiếu và các hệ thống điều khiển để tập trung tối ưu ánh sáng mặt trời từ tất cả các gương phản chiếu phân bố trong một khu vực rộng lớn vào một diện tích nhỏ

Dưới đây là một số hình ảnh về các nhà máy ĐMT cho trên các hình dưới đây

Hình 1.11 Nhà máy ĐMT lớn nhất thế giới Ivanpah nằm ở sa mạc Mojave, gần ranh

giới giữa bang California và Nevada, Mỹ Nhà máy sử dụng công nghệ nhiệt mặt trời với gần 350.000 tấm thu NL trải dài trên diện tích 14,2km2 [26]

Trang 28

Hình 1.11 Nhà máy điện mặt trời lớn nhất thế giới Ivanpah nằm ở sa mạc Mojave,

gần ranh giới giữa bang California và Nevada, Mỹ

Trong thời đại phát triển mạnh mẽ như hiện nay, nhu cầu NL không có dấu hiệu giảm đi mà ngày càng tăng mạnh Để đáp ứng điều này, các nguồn NL truyền thống như dầu thô, than đá, thuỷ điện được khai thác triệt để trong cả thế kỷ qua

Thế nhưng, cùng với những hậu quả mà nó gây ra như khí thải gây hiệu ứng nhà kính, các đập nước nhân tạo làm thay đổi hệ sinh thái của cả một vùng rộng lớn, việc các nguồn NL hóa thạch đang dần cạn kiệt đã buộc con người phải tìm đến NL sạch và tái tạo Do vậy điện gió và ĐMT đã trở thành những lựa chọn được ưu ái

Trong số hai loại nguồn điện tái tạo nói trên, ĐMT hiện chiếm ưu thế hơn nhờ yếu tố linh hoạt có thể lắp đặt cả quy mô nhỏ như hộ gia đình lẫn quy mô lớn cho cả một khu vực Tuy nhiên, không thể phủ nhận, ĐMT vẫn có một số nhược điểm

Trước hết, chất bán dẫn Silicon sử dụng cho các tấm pin mặt trời là vật liệu tốt nhất nhưng cũng khá đắt đỏ Ngoài ra, khi chạy máy phát điện, các tấm pin mặt trời sẽ nóng lên, làm giảm hiệu suất phát điện

Bên cạnh đó, nếu xây dựng một trạm phát điện quy mô lớn, các nhà máy ĐMT

sẽ chiếm nhiều diện tích đất, đây là điều khó khăn đặc biệt đối với những quốc gia không có nhiều địa hình bằng phẳng Từ những khó khăn trên, công nghệ ĐMT nổi trên mặt nước đã ra đời, giảm tối đa những hạn hế của công nghệ ĐMT lắp đặt trên mặt đất đang vướng phải

Nắm bắt được nhu cầu cũng như sự phù hợp của loại hình công nghệ mới này, Tập đoàn Kyocera của Nhật Bản đã nhanh chóng tập trung nguồn lực khai thác, trở thành một trong những tập đoàn hàng đầu thế giới về ĐMT nổi trên mặt nước

Trang 29

Hình 1.12 Các tấm pin silicon tại trạm điện mặt trời nổi Kasai Nhật Bản

Trạm điện tại Kasai lắp đặt 9.072 tấm pin NLMT, có tổng cộng chiều dài 333m, rộng 77m có tổng diện tích bề mặt hấp thụ ánh nắng 25.000 mét vuông Các tấm pin silicon trên mặt nước, có diện tích nhỏ hơn so với các tấm pin mặt trời lắp đặt trên đất liền, sẽ được một mạng lưới làm từ sợi thuỷ tinh và chất dẻo siêu nhẹ nâng nổi trên mặt nước Để cho tia sáng mặt trời luôn hội tụ trong các tấm silicon, tấm lưới nâng được xoay dần dần theo sự di chuyển của mặt trời trong ngày nhờ một động cơ nhỏ điều khiển từ xa qua ăng ten Ngoài việc không tốn diện tích đất, công nghệ này còn có những lợi thế như

bề mặt thiết bị chỉ cần 5% lượng silicon so với các tấm silicon cùng cỡ đặt trên đất liền nên sẽ giúp giảm giá thành Bảng 1.1 xếp hạng các nhà máy ĐMT làm việc trên nguyên

lý công nghệ quang điện [24]

Bảng 1.1 Xếp hạng các nhà máy điện mặt trời làm việc trên nguyên lý

công nghệ quang điện

California Valley Solar Ranch, Mỹ 250

Trang 30

Charanka Solar Park, Trung Quốc 221

Imperial Solar Energy Center South, Mỹ 200

Centinela Solar Energy Project, Mỹ 170

1.2.2 Tình hình phát triển năng lượng mặt trời trong nước

1.2.2.1 Tiềm năng năng lượng mặt trời ở Việt Nam

Việt Nam được xem là một quốc gia có tiềm năng rất lớn về NLMT, đặc biệt ở các vùng miền Trung và miền Nam của đất nước Ở Việt Nam, bức xạ mặt trời trung bình 230 ÷ 250 kcal/cm2 theo hướng tăng dần về phía Nam chiếm khoảng 2.000 ÷ 5.000 giờ trên năm, với ước tính tiềm năng lý thuyết khoảng 43,9 tỷ TOE NLMT ở Việt Nam

có sẵn quanh năm, khá ổn định và phân bố rộng rãi trên các vùng miền khác nhau của đất nước Đặc biệt, số ngày nắng trung bình trên các tỉnh của miền Trung và miền Nam

là khoảng 300 ngày/năm NLMT được khai thác sử dụng chủ yếu cho các mục đích như: sản xuất điện và cung cấp nhiệt

Các tỉnh ở phía Bắc (từ Thừa Thiên Huế trở ra) bình quân trong năm có chừng

1800 ÷ 2100 giờ nắng Trong đó, các vùng Tây Bắc (Lai Châu, Sơn La, Lào Cai) và vùng Bắc Trung Bộ (Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh) được xem là những vùng có nắng nhiều ngày, mặt trời chiếu gần như quanh năm, kể cả vào mùa mưa Do đó, các địa phương ở Nam Bộ và Nam Trung Bộ, nguồn bức xạ mặt trời là một nguồn tài nguyên

Trang 31

Hình 1.13 Bản đồ bức xạ mặt trời của Việt Nam

Vùng Tây Bắc

Nhiều nắng vào các tháng 8 Thời gian có nắng dài nhất vào các tháng 4, 5 và

9, 10 Các tháng 6,7 rất hiếm nắng, mây và mưa rất nhiều Lượng tổng bức xạ trung bình ngày lớn nhất vào khoảng 5.234 kWh/m2/ngày và trung bình trong năm là 3,489 kWh/m2/ngày

Vùng núi cao khoảng 1500m trở lên thường ít nắng Mây phủ và mưa nhiều, nhất là vào khoảng tháng 6 đến tháng 1 năm sau Cường độ bức xạ trung bình thấp (<3,489 kWh/m2/ngày)

Vùng Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ

Ở Bắc Bộ, nắng nhiều vào tháng 5 Còn ở Bắc Trung Bộ càng đi sâu về phía

Trang 32

Nam thời gian nắng lại càng sớm, nhiều vào tháng 4

Tổng bức xạ trung bình cao nhất ở Bắc Bộ khoảng từ tháng 5, ở Bắc Trung Bộ

từ tháng 4 Số giờ nắng trung bình thấp nhất là trong tháng 2,3 khoảng 2h/ngày, nhiều nhất vào tháng 5 với khoảng 6 - 7h/ngày và duy trì ở mức cao từ tháng 7

Vùng Trung Bộ

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

Vùng phía Nam

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

Các tỉnh ở phía Nam (từ Đà Nẵng trở vào), bình quân có khoảng 2000 ÷ 2600 giờ nắng, lượng bức xạ mặt trời tăng 20% so với các tỉnh phía Bắc Bảng 1.2 là số liệu

về lượng bức xạ mặt trời tại các vùng miền ở nước ta [4]

Bảng 1.2 Số liệu về bức xạ mặt trời tại Việt Nam

Vùng trong năm Giờ nắng Cường độ BXMT (kWh/m 2 / ngày) Ứng dụng

Trang 33

Bảng 1.3 Lượng tổng bức xạ mặt trời trung bình ngày của các tháng trong năm ở

một số địa phương của nước ta, đơn vị: MJ/m 2 /ngày

10,43 17,60

12,70 13,57

16,81 11,27

17,56 9,37

17,56

19,11 18,23

17,60 16,10

13,57 15,75

11,27 12,91

9,37 10,35

11,23

12,65 12,65

14,45 14,25

16,84 16,84

17,89 17,89

17,47 17,47

4 Láng (Hà Nội) 8,76

20,11

8,63 18,23

9,09 17,22

12,44 15,04

18,94 12,40

19,11 10,66

5 Vinh

8,88 21,79

8,13 16,39

9,34 15,92

14,50 13,16

20,03 10,22

19,78 9,01

22,84

14,87 20,78

18,02 17,93

20,28 14,29

22,17 10,43

21,04 8,47

16,68

20,07 15,29

20,95 16,38

20,88 15,54

16,72 15,25

15,00 16,38

18,94

15,29 16,51

16,38 15,00

15,54 14,87

15,25 15,75

16,38 10,07

Như vậy lượng tổng bức xạ nhận được mỗi vùng miền cũng khác nhau ở mỗi tháng Ta nhận thấy rằng các tháng nhận được nhiều nắng hơn là 4, 5, 6, 7 ,8, 9, 10 Nếu sử dụng NLMT vào các tháng này sẽ cho hiệu quả rất cao

Tóm lại, Việt Nam là nước có tiềm năng về NLMT, trải dài từ vĩ độ 8’’ Bắc đến 23’’ Bắc, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao, với trị số tổng xạ khá lớn từ 100 – 175 kcal/cm2.năm, do đó việc sử dụng NLMT ở nước ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế lớn Giải pháp sử dụng NLMT hiện đang được cho là giải pháp tối ưu nhất Đây là nguồn NL sạch, không gây ô nhiễm môi trường và có trữ lượng vô cùng lớn do tính tái tạo cao Đồng thời, phát triển ngành công nghiệp sản

Trang 34

xuất pin NLMT sẽ góp phần thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch, giảm phát thải khí thải nhà kính, bảo vệ môi trường Vì thế, đây được coi là nguồn NL quý giá, có thể thay thế những dạng NL cũ đang ngày càng cạn kiệt Từ lâu, nhiều nơi trên thế giới đã

sử dụng NLMT như một giải pháp thay thế những nguồn tài nguyên truyền thống

Khu vực Tây Bắc được đánh giá có tiềm năng NLMT vào loại khá trong toàn quốc do không bị ảnh hưởng nhiều bởi gió mùa và hoàn toàn có thể ứng dụng hiệu quả các công nghệ sử dụng NLMT tại khu vực Tây Bắc Bức xạ mặt trời trung bình năm

từ 4,1 – 4,9 kWh/m2/ngày Số giờ nắng trung bình cả năm đạt từ 1800 – 2100 giờ nắng, các vùng có số giờ nắng cao nhất thuộc các tỉnh Điện Biên, Sơn La Thời điểm trong năm khai thác hiệu quả nhất NLMT tại khu vực Tây Bắc là vào tháng 3 đến tháng 9, trong khi vào các tháng mùa đông hiệu quả khai thác NLMT là rất thấp

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

có thể sử dụng hiệu quả

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

1.2.2.2 Các ứng dụng dưới dạng nhiệt mặt trời

• Bếp năng lượng mặt trời

Bếp NLMT trời được ứng dụng rất rộng rãi ở các nước có tiềm năng về NLMT, khan hiếm củi đốt, giá thành nhiên liệu cao như các nước ở Châu Phi, các khu vực vùng sâu vùng xa của các nước đang phát triển Hiện nay, bếp NLMT còn được sử dụng ngày càng nhiều đối với các ngư dân và khách du lịch

Trang 35

hộ Dự án đã cung cấp trên 1000 bếp hình hộp và trên 200 bếp Parabon cho những

người dân nghèo nông thôn Hình 1.14 Bếp nấu ăn kiểu hộp [23]

Trang 36

thiết bị cung cấp nước nóng sử dụng NLMT với quy mô hộ gia đình đã được nhiều cơ

sở sản xuất thương mại hóa, với giá thành có thể chấp nhận được nên người dân sử dụng ngày càng nhiều

Hệ thống cung cấp nước nóng dùng NMLT có rất nhiều loại khác nhau, nhưng nếu xét theo phạm vi nhiệt độ sử dụng thì ta có thể phân làm hai loại nhóm thiết bị chính, đó là hệ thống cung cấp nước nóng với nhiệt độ thấp t ≤ 70oC và hệ thống cung cấp nước nóng dùng NLMT với nhiệt độ cao t ≥80oC

Hệ thống cung cấp nước nóng có nhiệt độ thấp dùng NLMT hiện nay được sử dụng rộng rãi trong sinh hoạt gia đình hoặc trong nhà hàng, khách sạn với mục đích tắm giặt, rửa chén bát, hâm nước bể bơi và hâm nước trước lúc nấu nhằm tiết kiệm

NL Trên hình 1.15 là hệ thống nước nóng NLMT tại Bệnh viện Đa khoa Gia Đình, Đà Nẵng [27]

Hình 1.16 Hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời

tại Bệnh viện Đa khoa Gia Đình Đà Nẵng

• Sấy nông sản, chế biến thực phẩm dùng NLMT

Sấy nông sản, chế biến thực phẩm: một công việc nặng nhọc và vất vả nhất của người nông dân, phơi hay sấy sản phẩm nông sản cũng là giai đoạn quan trọng nhất quyết định chất lượng, từ đó ảnh hưởng đến giá bán Do đó, để giải quyết tất cả những khó khăn trong vấn đề phơi sấy nông sản vốn là vấn đề rất lớn đối với ngành nông sản như lúa, gạo, rau, củ, quả,

Trang 37

Nhu cầu phơi, sấy hiệu quả thì hầu hết là nông dân ai cũng cần, nhưng không phải người nông dân nào cũng có điều kiện để mua thiết bị đắt tiền cho một sự đầu tư bài bản Thế thì trong điều kiện còn nhiều hạn chế ấy, những phương pháp đơn giản nhưng hiệu quả mà nông dân Thừa Thiên Huế nói riêng và cả nước nói chung người ta thường làm với những thiết bị thô sơ, tự tạo, sẵn có hoặc giá cả phải mua với giá rất rẻ Trên thực tế đa phần người dân địa phương thường sử dụng phương pháp thông dụng

là sử dụng ánh nắng mặt trời trực tiếp để phơi nông sản

Hiện nay có nhiều phát minh sấy nông sản thực phẩm dùng NLMT: Máy sấy cá dứa tại Cần Giờ, máy sấy trà tại An Giang, máy sấy nhân tại Vĩnh Long và máy sấy tỏi kiểu đối lưu tự nhiên do các giáo viên khoa Cơ khí - Công nghệ, trường Đại học Nông Lâm Huế chế tạo năm 2012 tại đảo Lý Sơn, tỉnh Quảng Ngãi

Hình 1.17 Máy sấy lúa dùng NLMT do Giáo viên

trường Đại học Nông Lâm Huế thiết kế

• Lọc nước biển thành nước ngọt

Một số mô hình đã được xây dựng và đưa vào sử dụng bằng NLMT thông qua dàn ngưng tụ và bốc hơi, tuy nhiên các đề tài ứng dụng này ở địa bàn tỉnh Thừa Thiên Huế chưa ứng dụng nhiều, do chất lượng nước sinh hoạt cung cấp ở địa phương được đánh giá là chất lượng tốt, lượng nước cung cấp đầy đủ do đó mô hình trên chưa được chú trọng phát triển công nghệ và chỉ sử dụng ở các vùng ngoài đảo là chủ yếu Trên hình 1.17 thiết bị chưng lọc nước ngọt từ nước biển, sử dụng NLMT

do TS Đinh Vương Hùng cùng các cộng sự thuộc khoa Cơ khí - Công nghệ, Trường

Đại học Nông Lâm, Đại học Huế đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công [7]

Trang 38

Hình 1.18 Thiết bị chưng lọc nước ngọt từ nước biển, sử dụng năng lượng mặt trời

1.2.2.3 Ứng dụng quang điện mặt trời

Mặc dù NLMT trời ở Việt Nam được công nhận là có tiềm năng lớn, nhưng các

dự án điện mặt trời vẫn chưa được chú ý phát triển Hầu hết các dự án ĐMT trên khắp

cả nước chỉ ở quy mô nhỏ Chi phí đầu tư lớn là rào cản chủ yếu cho việc phát triển các dự án ĐMT ở Việt Nam

Tuy nhiên nhờ những hiệu quả mà ĐMT đem lại thì nó vẫn là một trong những biện pháp hữu hiệu thay thế cho nguồn NL trong tương lai, nên ở Việt Nam ĐMT đang trên đà phát triển, nhiều dự án được thực hiện và được sử dụng rất tốt tại một số tỉnh ở nước ta

Sáng ngày 01/7/2015, tại Đường 20 Quyết Thắng, huyện Bố Trạch, tỉnh Quảng Bình, Ủy ban nhân dân (UBND) tỉnh và Ban quản lý dự án cung cấp điện bằng NLMT

đã tổ chức lễ khởi công dự án cung cấp điện bằng NLMT cho vùng sâu, vùng xa, vùng

khó khăn mà lưới điện Quốc gia không đến được Dự án cung cấp điện bằng NLMT có

tổng công suất lắp đặt 763,25 kWp với mức đầu tư hơn 13,7 triệu USD từ vốn vay ODA Hàn Quốc Mục tiêu của dự án là cung cấp nguồn điện năng ổn định và tin cậy cho 1 294 hộ gia đình, đa số là người dân tộc thiểu số, là người nghèo và nhóm người

có thu nhập thấp thuộc 46 thôn, bản và 78 cơ quan, đơn vị như UBND xã, đồn biên phòng, trường học, trạm xá,… dọc trên 170km biên giới Việt - Lào của 09 xã chưa có điện lưới Quốc gia thuộc huyện Lệ Thủy, Quảng Ninh, Bố Trạch, Minh Hóa Bên cạnh

đó, Dự án cũng nhằm góp phần nâng cao đời sống kinh tế - xã hội, xóa đói giảm nghèo, đảm bảo an sinh xã hội, an ninh biên giới Quốc gia, đồng thời giảm thiểu các tác động tiêu cực vào môi trường trong vùng sinh thái Di sản Thiên nhiên thế giới Vườn Quốc gia Phong Nha - Kẻ Bảng; Đảm bảo cho người dân trong vùng dự án có

cơ hội tiếp cận giáo dục tốt hơn, làm cơ sở cho triển vọng nâng cao thu nhập trong

Trang 39

tương lai; góp phần tích cực vào chương trình chống biến đổi khí hậu của Việt Nam [28]

Hình 1.19 Lễ khởi công dự án cung cấp điện điện bằng NLMT tại Quảng Bình

Ngày 29/8/2015, dự án Nhà máy quang ĐMT Thiên Tân do Công ty Cổ phần Đầu tư và Xây dựng Thiên Tân làm chủ đầu tư đã chính thức được khởi công xây dựng, nhà máy có công suất 19,2MW, áp dụng công nghệ quang ĐMT của Thái Lan với tổng vốn đầu tư 826 tỷ đồng, được xây dựng trên diện tích 24 ha tại thôn Đạm Thủy, xã Đức Minh, huyện Mộ Đức, tỉnh Quảng Ngãi bằng nguồn vốn vay trong nước

và nước ngoài Dự án do Công ty TNHH Full Advantage làm tư vấn Công trình dự kiến hòa vào điện lưới quốc gia vào giữa năm 2016 [28]

Hình 1.20 Lễ khởi công xây dựng nhà máy điện mặt trời Thiên Tân tại thôn Đạm

Thủy, xã Đức Minh, huyện Mộ Đức, tỉnh Quảng Ngãi

Trang 40

Nhà máy quang ĐMT Thiên Tân được sử dụng công nghệ và thiết bị hiện đại, hiệu suất cao, tuổi thọ dự kiến kéo dài hơn 25 năm Với công suất lắp đặt 19,2MW, khi

đi vào vận hành, Nhà máy ĐMT Thiên Tân cung cấp cho hệ thống điện quốc gia hơn

28 triệu kWh điện mỗi năm Đồng thời, tạo ra công việc làm cho người dân ở địa phương, đặt biệt người dân ở huyện Mộ Đức

Ngay sau đó, Bộ Công Thương phê duyệt đã dự án xây dựng nhà máy ĐMT Tuy Phong tại xã Vĩnh Hảo, huyện Tuy Phong, tỉnh Bình Thuận sau khi điều chỉnh bổ sung quy hoạch phát triển điện lực tỉnh Bình Thuận giai đoạn 2011 – 2015, có xét đến

2020 Công trình này sẽ được xây dựng trên diện tích gần 50 hecta với công suất 30

MW với tổng vốn đầu tư 1.454 tỉ đồng (tương đương 66 triệu USD) dự kiến sẽ khởi công xây dựng giữa năm nay và bắt đầu phát điện từ năm 2017 Đây là dự án NLMT đầu tiên được cấp phép tại Bình Thuận, mở ra giai đoạn mới trong phát triển năng lượng sạch, công nghệ cao, mang lại hiệu quả kinh tế xã hội cho địa phương, góp phần bảo vệ môi trường và chống biến đổi khí hậu, giảm thải hiệu ứng phát thải khí nhà kính và phát triển bền vững

ĐMT không phải là một khái niệm mới nhưng đây là lần đầu tiên những nhà máy sản xuất điện theo kiểu mới này được xây dựng nên nó vẫn chưa thu hút được nhiều sự chú ý của nhiều người mà vấn đề nóng bỏng nhất hiện nay là giá điện

Việc xây dựng các nhà máy ĐMT Thiên Tân và Tuy Phong là một bước đi đúng đắn trong việc triển khai các nguồn NL sạch vào cuộc sống của người dân nhưng

do đây là nhà máy ĐMT đầu tiên tại Việt Nam nên nhiều khả năng giá điện đầu ra sẽ không hề rẻ

Theo các chuyên gia NL, sự tăng trưởng kinh tế mạnh mẽ của Việt Nam trong hơn thập kỷ qua khiến nhu cầu về điện năng tăng thêm khoảng 15% mỗi năm Tuy nhiên, điện năng chủ yếu dựa vào nhiệt điện và thủy điện dù nguồn NLMT ở nước ta được công nhận có tiềm năng lớn Trong chiến lược phát triển NLcủa Chính phủ, mục tiêu đề ra là năm nay NLTT chiếm 5% cơ cấu năng lượng và đạt 8% năm 2020

Điện mặt trời bắt đầu được Solar lab, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam triển khai ứng dụng từ 1989 ÷ 1990 tại huyện Duyên Hải Tp.HCM Sau đó các cơ quan khác: Đại học Bách khoa; Viện Năng lượng,… cùng phát triển lan rộng ra khắp các địa bàn cả nước Cho tới năm 2005, đa phần các hệ thống ĐMT được phát triển từ những dự án (DA) có hỗ trợ của quốc tế từ 30% ÷ 100% Phần vốn đối ứng của Việt Nam cho các DA này được các cơ quan nhà nước như: Chương trình KC-01, Bộ KHCN, sở KHCN, sở Công Thương các địa phương cung cấp Ứng dụng ĐMT khá đa

Định dạng
Số trang	116
Dung lượng	3,94 MB