Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điện mặt trời nổi trên hồ thủy điện đồng nai 4

Tại Việt Nam tiềm năng về năng lượng mặt trời là rất lớn tuy nhiên chúng ta vẫn chưa phát triển đúng với tiềm năng, trong các năm gần đây chính phủ đã có những chính sách ưu tiên để phát

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHAN MINH TÚ

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN

MẶT TRỜI NỔI TRÊN HỒ THỦY ĐIỆN ĐỒNG NAI 4

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện

Mã số: 60.52.02.02

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: TS LƯU NGỌC AN

Đà Nẵng - Năm 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Phan Minh Tú

TRANG TÓM TẮT TIẾNG ANH, TIẾNG VIỆT

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỔI TRÊN HỒ THỦY

ĐIỆN ĐỒNG NAI 4

Học viên: Phan Minh Tú Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số: 60.52.50 Khóa: K31.KTĐ Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt - Năng lượng tái tạo trong đó có năng lượng mặt trời đang được nghiên cứu và

ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Tại Việt Nam tiềm năng về năng lượng mặt trời

là rất lớn tuy nhiên chúng ta vẫn chưa phát triển đúng với tiềm năng, trong các năm gần đây chính phủ đã có những chính sách ưu tiên để phát triển các nguồn điện tái tạo và đã

có một số công trình đưa vào vận hành, trong đó điện mặt trời nổi trên các mặt hồ thủy điện là một tiềm năng rất lớn do diện tích bỏ không lớn, khu vực ít dân cư nhưng giao thông thuận tiện và gần các trạm phân phối điện năng Hồ thủy điện Đồng Nai 4 nằm ở vị trí có bức xạ mặt trời khá tốt, độ giao động mức nước nhỏ rất thích hợp để thiết kế một hệ thống điện mặt trời nối với lưới điện Quốc gia Sử dụng phần mềm PVsyst để thiết kế, tính toán và mô phỏng hoạt động của các máy phát PV nối lên lưới điện Vị trí địa lý, lưới điện tại khu vực, sự biến đổi theo mùa và ngày đêm của bức xạ mặt trời được phân tích

để xác định công suất và phương án nối lưới cho hệ thống Nghiên cứu này áp dụng đề xuất thiết kế, đánh giá về mặt kỹ thuật và tính khả thi cho việc lắp đặt một hệ thống điện mặt trời nối lưới đặt nổi trên mặt hồ Đồng Nai 4

Từ khóa– Hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới; Năng lượng tái tạo; Điện mặt trời nổi STUDY, DESIGNING POWER GENERATION FLOATING PV SYSTEM ON

DONG NAI 4 HYDRO POWER RESEVOIR Abtract - Renewable energy in which solar energy is being studied and used extensively

in a wide range of areas In Vietnam, the potential for solar energy is huge, but we have not developed to the potential In recent years, the government has given priority to the development of renewable energy sources Some project had put into operation, in which the solar power on the surface of hydropower resevoir is a great potential because the area is not large, the area is less populated but the traffic is convenient and near the power distribution station Dong Nai 4 hydropower reservoir is located in a place with good solar radiation, differen water level is small It’s suitable for designing a solar power system connected to the national grid Using PVsyst software to design, calculate and simulate the operation of the PV generator connected to the grid Geographic location, area network, seasonal and diurnal variation of solar radiation were analyzed to determine the capacity and grid connection for solar power system on Dong Nai 4 hydropower reservoir This study applied the proposed design, technical evaluation and feasibility for the installation of a solar grid connected system

Keywords - Grid connected solar system; Recycled energy; Solar cell floating

MỤC LỤC

TRANG BÌA

LỜI CAM ĐOAN

TRANG TÓM TẮT TIẾNG ANH, TIẾNG VIỆT

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

6 Bố cục đề tài 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN MẶT TRỜI 4

1.1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 4

1.1.1 Bức xạ mặt trời 4

1.1.2 Nguồn gốc năng lượng mặt trời 4

1.1.3 Quá trình phát triển và triển khai ứng dụng năng lượng mặt trời 6

1.2 TÌNH HÌNH ỨNG DỤNG ĐIỆN MẶT TRỜI TRÊN THẾ GIỚI VÀ TẠI VIỆT NAM .7

1.2.1 Tình hình phát triển điện mặt trời trên thế giới 7

1.2.2 Tình hình phát triển điện mặt trời tại Việt Nam 10

1.2.2.1 Tiềm năng điện mặt trời ở Việt Nam 10

1.2.2.2 Những dự án điện mặt trời ở Việt Nam 11

1.3 MỘT SỐ CÔNG NGHỆ ỨNG DỤNG SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI 11

1.3.1 Pin mặt trời 11

1.3.1.1 Cấu tạo của pin mặt trời 11

1.3.1.2 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 13

1.3.2 Bộ nghịch lưu 20

1.4 CÁC MÔ HÌNH CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI 20

1.4.1 Vận hành độc lập với lưới (Off Grid) 20

1.4.2 Vận hành kiểu lai (Hybrid) 21

1.4.3 Vận hành kết nối với lưới điện (grid tie) 21

1.5 KẾT LUẬN 22

CHƯƠNG 2 KHẢO SÁT THỰC TRẠNG HỒ THỦY ĐIỆN ĐỒNG NAI 4 23

2.1 TỔNG QUAN VỀ HỒ THỦY ĐIỆN ĐỒNG NAI 4 23

2.1.1 Vị trí địa lý: [6] 23

2.1.2 Tình trạng mặt thoáng: 24

2.1.3 Vị trí lắp đặt thiết bị: 24

2.1.3.1 Vị trí lắp đặt các tấm PV .24

2.1.3.2 Vị trí đặt trạm phân phối 230kV 25

2.1.4 Giao thông 25

2.2 TIỀM NĂNG ĐIỆN MẶT TRỜI LÝ THUYẾT TẠI KHU VỰC [7] 26

2.2.1 Số giờ nắng trung bình tháng năm tại khu vực 27

2.2.2 Nhiệt độ trung bình tháng và năm tại khu vực .27

2.2.3 Tổng xạ theo phương ngang (GHI) tại khu vực 28

2.3 THỰC TRẠNG LƯỚI ĐIỆN TẠI HỒ THỦY ĐIỆN ĐỒNG NAI 4 29

2.3.1 Lưới điện hạ thế và thông tin liên lac: 29

2.3.2 Hệ thống lưới điện 22kV: 29

2.3.3 Lưới điện 230kV: 30

2.4 KẾT LUẬN 31

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỔI TRÊN HỒ ĐỒNG NAI 4 33

3.1 GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ PHẦN MỀM PVSYST [8] 33

3.2 ĐỊNH VỊ ĐỊA ĐIỂM LẤY SỐ DỮ LIỆU KHÍ TƯỢNG 34

3.2.1 Nhập số liệu đầu vào 34

3.2.2 Kết quả số liệu của chương trình 34

3.3 LỰA CHỌN, BỐ TRÍ CÁC TẤM PV 35

3.3.1 Chọn góc nghiêng tấm Pin 36

3.3.2 Chọn khoảng cách giữa các hàng 37

3.3.3 Tính toán, lựa chọn số lượng tấm pin 38

3.3.4 Thiết kế, lựa chọn hệ thống giá đỡ và phao nổi 41

3.3.4.1 Giá đỡ các tấm PV trên cạn 41

3.3.4.2 Phao và giá đỡ trên mặt hồ 41

3.3.4.3 Lựa chọn các tấm PV 43

3.4 LỰA CHỌN INVERTER .44

3.5 LỰA CHỌN, ĐẤU NỐI CÁP DC: 46

3.6 NHẬP CÁC THÔNG SỐ HỆ THỐNG CHO PHẦN MỀM 47

3.6.1 Nhập các thông số chính đầu vào 47

3.6.2 Nhập các dữ liệu tổn thất 48

3.7 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRONG PHẦN MỀM PVSYST 49

3.7.1 Các tham số mô phỏng 49

3.7.2 Các kết quả chính 51

3.7.3 Biểu đồ tổn thất trong cả năm 52

3.8 BỐ TRÍ VÀ ĐẤU NỐI THIẾT BỊ 54

3.8.1 Đấu nối các chuỗi PV 55

3.8.2 Đấu nối các tấm PV tới inverter 56

3.8.3 Đấu nối các trạm inverter vào máy biến áp 22kV 56

3.8.4 Đấu nối máy biến áp 22kV lên trạm phân phối và nối với lưới 220kV 57

3.9 KẾT LUẬN 58

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO)

BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

1 Danh mục kí hiệu cơ bản

q W/m2 Mật độ dòng bức xạ trực xạ ở ngoài lớp khí quyển

En W/m2 Cường độ bức xạ cực đại trong ngày

VOC V Điện áp hở mạch đầu ra của pin quang điện

Isc A Dòng điện ngắn mạch trong mạch của pin quang điện

Vm V Điện áp tại điểm công suất cực đại

Im A Dòng điện tại điểm công suất cực đại

ηm % Hiệu suất của pin quang điện ở nhiệt độ T

To oC Nhiệt độ pin quang điện trong điều kiện tiêu chuẩn

Tamb oC Nhiệt độ không khí

U W/m2.K Hệ số nhiệt pin quang điện

lượng Hoa Kỳ IFC International Finance Corporation Tổ chức tài chính quốc tế IEC International Electrotechnical

Commission Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế IAM Incidence Angle Modifier Sự điều chỉnh góc tới MPP Maximum power point Điểm công suất cực đại STC Standard Test Conditions Các điều kiện tiêu chuẩn

NOCT Nominal Operating Cell

Temperature

Nhiệt độ pin vận hành danh nghĩa LID Light Induced Degradation Ánh sáng bị suy giảm cảm ứng

DANH MỤC CÁC BẢNG

Số

1.1 Các nước có nhà máy điện từ pin mặt trời cỡ lớn (công suất trên

1.2 Các nhà máy điện mặt trời PV lớn nhất thế giới (trên 50MW) 8

1.3 Các nhà máy điện từ pin mặt trời lớn nhất thế giới 9

2.2 Nhiệt độ trung bình tháng, năm tại khu vực (oC) 27

3.2 Bảng phân bố trào lưu công suất khi nối nhà máy điện mặt trời vào

3.6 Bảng tổng hợp số liệu chính để tính toán mô phỏng dự án 47

1.3 Đường đặc trưng theo độ chiếu sáng của pin mặt trời 15

1.5 Ghép nối tiếp hai module pin mặt trời (a)và đường đặc trưng VA

1.6 Ghép song song hai module pin mặt trời (a)và đường đặc trưng

2.1 Hồ thủy điện Đồng Nai 4 từ phần mềm Google Earth 23

2.2 Bản đồ tiềm năng kỹ thuật về CSP tại Việt Nam 24

2.3 Bãi đất trống dự định đặt các tấm PV trên cạn 25

2.6 Biểu đồ số giờ nắng trong năm tại khu vực dự án 27

2.7 Biểu đồ nhiệt độ trung bình tháng, năm tại khu vực 28

2.8 Bản đồ GHI trung bình ngày lý thuyết khu vực 29

2.9 Sơ đồ lưới điện 22kV tại khu vực thủy điện Đồng Nai 4 30

2.10 Sơ đồ lưới điện 230kV tại gần khu vực dự án 31

2.11 Vị trí dự kiến đấu nối NMĐMT ĐN4 vào lưới 230kV 31

3.1 Giao diện nhập số liệu và kết quả của chương trình 34

3.4 Góc nghiêng tối ưu phân tích từ phần mềm PVsyst 37

3.11 Mô hình kết nối của Inverter trung tâm và Inverter chuỗi 45

3.12 Giao diện phần mềm sau khi nhập dữ liệu đầu vào 48

Số

3.18 Tổng mặt bằng bố trí thiết bị tại nhà máy điện mặt trời nổi trên hồ

3.21 Đấu nối phía AC inverter và máy biến áp 0.4/22kV 57

3.22 Sơ đồ nối điện chính trạm 22/230kV nhà máy điện mặt trời nổi

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Nhu cầu về năng lượng của con người trong thời đại khoa học kỹ thuật phát triển ngày càng tăng Trong khi đó các nguồn năng lượng dự trữ như than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên … đều có hạn, khiến cho nhân loại đứng trước nguy cơ thiếu hụt Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới như năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt … là hướng quan trọng để phát triển nguồn năng lượng

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

Tại Việt Nam điện mặt trời vẫn là một chủ đề vẫn còn mới mẻ và chưa được đầu tư

để phát triển đúng với tiềm năng của nó, tuy nhiên chính phủ cũng đã và đang có những quyết định hỗ trợ đầu tư, phát triển nguồn năng lượng sạch này, đồng thời cũng đặt ra các mục tiêu phát triển đến năm 2050

Hiện nay EVN đang chú trọng phát triển điện mặt trời, một số công trình điện mặt trời đã được đưa vào vận hành và một số dự án đang chuẩn bị khởi công tuy nhiên để đạt được lộ trình như chính phủ đưa ra cần phát triển các dự án mặt trời nổi trên các hồ thủy điện do có diện tích bỏ không lớn, phí thuê đất thấp, hiệu suất các tấm pin cao do được làm mát từ nước hồ, mặt khác giảm được lượng bốc hơi trên các mặt hồ để có thêm nước chạy các máy phát thủy điện

Hồ Đồng Nai 4 nằm ở khu vực ít dân cư, giao thông tương đối thuận lợi, lưới điện truyền tải đi gần khu vực hồ, độ chênh mực nước hồ nhỏ do đó thuận lợi cho việc thiết

kế một hệ thống điện mặt trời nổi nối với lưới điện quốc gia

Vì các lý do trên nên việc “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điện mặt trời nổi trên

hồ thủy điện Đồng Nai 4” để cung cấp năng lượng sạch cho lưới điện quốc gia là cần thiết và đó cũng là lý do Tôi chọn đề tài này

2 Mục tiêu nghiên cứu

Thiết kế hệ thống nguồn điện từ các tấm pin mặt trời đặt nổi trên mặt hồ thủy điện Đồng Nai 4, kết nối với hệ thống lưới điện 220kV Quốc gia nhằm cung cấp

nguồn cho hệ thống điện Quốc gia theo lộ trình phát triển các nguồn điện sử dụng năng lượng tái tạo Các mục tiêu cụ thể bao gồm:

Khảo sát, tính toán và đưa ra được các phương án nối lưới cho các máy phát điện mặt trời

Xác định số lượng và vị trí lắp đặt các thiết bị (Tấm pin mặt trời, inveter, máy biến áp…), lựa chọn thiết bị, thiết kế các giá và phao đỡ cho các tấm pin mặt trời

Sử dụng phần mềm PVsyst để mô phỏng sơ đồ đấu nối và chạy ra được kết quả cần thiết

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài này là thiết kế hệ thống máy phát sử dụng các tấm pin mặt trời đặt nổi trên mặt hồ đấu nối với lưới điện 220kV

- Mô phỏng hệ thống pin năng lượng mặt trời nối lưới bằng phần mềm PVsyst

4 Phương pháp nghiên cứu

Để giải quyết các mục tiêu nêu trên, luận văn đưa ra phương pháp nghiên cứu như sau:

- Nghiên cứu lý thuyết: các lý thuyết về năng lượng mặt trời, cấu tạo, nguyên lý làm làm việc của hệ thống pin mặt trời

-Xây dựng hệ thống pin năng lượng mặt trời nổi nối lưới tại hồ thủy điện Đồng Nai 4

- Mô phỏng hoạt động hệ thống pin năng lượng mặt trời nối lưới tại hồ thủy điện Đồng Nai 4 bằng phần mềm PVsys chuyên dụng

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học: Ứng dụng được công nghệ mới vào sản xuất, góp phần phát triển năng lượng mặt trời, là nguồn năng lượng tái tạo, sạch và được nhà nước khuyến khích đầu tư.Thiết kế, tính toán, mô phỏng được sự hoạt động của hệ thống pin năng lượng mặt trời nối với lưới điện 230kV Quốc gia, từ đó có cơ sở đánh giá tính hiệu quả

về mặt kinh tế và kỹ thuật của hệ thống trước khi đầu tư xây dựng

Tính thực tiễn: Góp phần phát triển hệ thống điện mặt trời nối lưới tại các mặt hồ đặc biệt là các mặt hồ thủy điện để đáp ứng nhu cầu về phát triển nguồn năng lượng sạch theo lộ trình của Chính phủ

6 Bố cục đề tài

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan về năng lượng mặt trời trời

Chương 2: Khảo sát thực trạng tại hồ thủy điện Đồng Nai 4

Chương 3: Tính toán , thiết kế hệ thống điện mặt trời nổi trên hồ thủy điện Đồng Nai 4

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN MẶT TRỜI 1.1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

1.1.1 Bức xạ mặt trời

Mặt trời là quả cầu lửa khổng lồ với đường kính trung bình khoảng 1,36 triệu

km và ở cách Trái đất khoảng 150 triệu km Theo các số liệu hiện có, nhiệt độ bề mặt của mặt trời vào khoảng 6.000K, trong khi đó nhiệt độ ở vùng trung tâm của mặt trời rất lớn, vào khoảng 8.106K đến 40.106K Mặt trời được xem là một lò phản ứng nhiệt hạch hoạt động liên tục Do luôn luôn bức xạ năng lượng vào trong vũ trụ nên khối lượng của mặt trời sẽ giảm dần Điều này dẫn đến kết quả là đến một ngày nào đó mặt trời sẽ thôi không tồn tại nữa Tuy nhiên, do khối lượng của mặt trời vô cùng lớn, , nên thời gian để mặt trời còn tồn tại cũng vô cùng lớn Bên cạnh sự biến đổi nhiệt độ rất đáng kể theo hướng kính, một điểm đặc biệt khác của mặt trời là sự phân bố khối lượng rất không đồng đều Ví dụ, khối lượng riêng ở vị trí gần tâm mặt trời vào khoảng 100g/cm3, trong khi đó khối lượng riêng trung bình của mặt trời chỉ vào khoảng 1,41g/cm3

Các kết quả nghiên cứu cho thấy, khoảng cách từ mặt trời đến Trái đất không hoàn toàn ổn định mà dao động trong khoảng ±1,7% xoay quanh giá trị trung bình đã trình bày ở trên Trong kỹ thuật NLMT, người ta rất chú ý đến khái niệm hằng số mặt trời (Solar Constant) Về mặt định nghĩa, hằng số mặt trời được hiểu là lượng bức xạ mặt trời (BXMT) nhận được trên bề mặt có diện tích 1m2

đặt bên ngoài bầu khí quyển

và thẳng góc với tia tới Tùy theo nguồn tài liệu mà hằng số mặt trời sẽ có một giá trị

cụ thể nào đó, các giá trị này có thể khác nhau tuy nhiên sự sai biệt không nhiều Trong tài liệu này ta thống nhất lấy giá trị hằng số mặt trời là 1353W/m2

Có 2 loại bức xạ mặt trời: BXMT đến bên ngoài bầu khí quyển và BXMT đến trên mặt đất Trong mục này ta cần phân biệt ý nghĩa của các ký hiệu được dùng để biểu diễn giá trị của lượng bức xạ khảo sát là G, I và H Đơn vị của G là W/m2, đơn vị của I và H là J/m2, trong đó thời gian tương ứng với các ký hiệu I và H lần lượt là giờ

và ngày Khái niệm ngày trong kỹ thuật NLMT được hiểu là khoảng thời gian từ lúc mặt trời mọc cho đến lúc mặt trời lặn

1.1.2 Nguồn gốc năng lượng mặt trời

NLMT có vai trò quan trọng đối với sự tồn tại và tồn tại và phát triển của các yến 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, tương đương với năng lượng đốt cháy hết 1,32.1016 tấn than đá tiêu chuẩn Nhưng phần NLMT đến bề mặt trái đất chỉ là 17,57.1016J/s hay tương ứng với năng lượng đốt cháy hết 6.106 tấn than đá

Ngoài khí quyển trái đất (hay còn gọi là ngoài vũ trụ) mật độ NLMT là 1.353W/m2 Nhưng khi tới mặt đất các tia mặt trời phải đi qua lớp khí quyển trái đất (chiều dày khoảng 16km) nên bị mất mát khoảng 30% do các hiện tượng hấp thụ, tán

xạ bởi các phân tử khí, hơi nước của lớp khí quyển Vì vật trên bề mặt trái đất, mật

độ bức xạ mặt trời 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 giải sóng có bước sóng từ 0,4 đến 0,7 m và được gọi là áng sáng nhìn thấy (vùng khả kiến) 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

Các thành phần của BXMT trên mặt đất:

Ngoài lớp khí quyển trái đất bức xạ mặt trời 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 quả đất, bức xạ mặt trời bị biến đổi và gồm 3 thành phần:

- 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;

- Thành phần nhiễu hay tán xạ gồm các tia mặt trời tới mặt đất từ mọi phương trên bầu trời do hiện tường 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

Tỷ lệ của các thành phần trực xạ và tán xạ trong tổng xạ phụ thuộc vào điều kiện

tự nhiên và trạng thái thời tiết của địa điểm và thời điểm quan sát hay đo đạc Ví dụ ở nước ta, trong các tháng mùa Hè, từ tháng 5 đến tháng 8, thì thành phần trực xạ chiếm

ưu thế (trên 50%), còn trong mùa Đông, từ tháng 12 đến tháng 2 năm sau thành phần tán xạ lại chiếm ưu thế

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

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

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

NLMT trung bình trên bề mặt quả 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, 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

về tinh nhân tạo Vanguard I vào năm 1958, nó đã cho phép truyền tín hiệu về quả đất hơn một năm sau khi nguồn ắc qui điện hóa đã bị kiệt Sự hoạt động thành công này của pin mặt trời trên vệ tinh đã được lặp lại trong nhiều về 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 thong ngày nay

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 [4]

Những phát triển giai đoạn đầu của công nghệ năng lượng mặt trời (CN NLMT) bắt đầu trong những năm thập niên 1980 đã được kích thích bởi sự kiện rằng than sẽ không lâu nữa sẽ bị cạn kiệt Tuy nhiên sự phát triển của CN NLMT sau đó bị chậm lại vào thời gian đầu của thế kỷ 20 do phải đối mặt với các vấn đề về giá, tính kinh tế

và tính tiện dụng của than và dầu Năm 1974 người ta đã ước tính rằng chỉ có 6 hộ ở tất cả khu vực Bắc Mỹ sử dụng hoàn toàn năng lượng cho sưởi ấm và làm lạnh nhờ các hệ thống thiết bị NLMT Sự cấm vận dầu năm 1973 và sự khủng hoảng năng

lượng năm 1979 đã làm thay đổi chính sách năng lượng trên phạm vi thế giới và CN NLMT lại 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 lắp đặt PV tăng rất nhanh, nhưng đầu những năm 1980 do giá dầu giảm nên làm giảm nhịp độ phát triển của PV từ 1984 đến 1996

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 quả đất, và sự cải thiện của công nghệ sản xuất PV, dẫn đến tính tính 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 Năm 2010 các nhà máy điện PV lớn nhất trên thế giới là Sania Power plant

ở Canada

1.2 TÌNH HÌNH ỨNG DỤNG ĐIỆN MẶT TRỜI TRÊN THẾ GIỚI VÀ

TẠI VIỆT NAM

1.2.1 Tình hình phát triển điện mặt trời trên thế giới

Tới nay, rất nhiều quốc gia đã nghiên cứu và đang ứng dụng thành công nguồn NLMT trong nhiều lĩnh vực của đời sống Tại Hoa Kì, các hoạt động quảng bá NLMT diễn ra rất sôi nổi Hàng năm, các tiểu bang ở miền đông đều mở hội nghị về năng lượng xanh với mục đích giới thiệu công nghệ mới về các thiết bị áp dụng NLMT cho các hộ gia đình và cơ sở kinh doanh nhỏ

Ở Pháp, từ những năm của thập niên 60 thế kỉ trước, họ đã rất chú trọng tới việc giải quyết thiếu hụt năng lượng cho quốc gia phát triển Họ đã thành công trong việc thiết kế và lắp đặt các hệ thống biến NLMT thành điện năng cung ứng cho các làng xã

có quy mô 1.000 hộ Nhờ đó, một số quốc gia vùng Trung Mỹ đã thừa hưởng thành tựu này vì dễ lắp ráp và chi phí tương đối rẻ

Đan Mạch được cho là quốc gia sử dụng năng lượng hiệu quả nhất thế giới Ở Đan Mạch, ước tính có tới 30% các hộ sử dụng tấm thu NLMT Đan Mạch là nước đầu tiên triển khai cơ chế buộc các nhà máy điện lớn phải mua điện xanh từ các địa phương với giá cao (Feed - in tariff - FIT) Với cơ chế này, các địa phương hào hứng sản xuất điện xanh Mô hình đã được 30 nước áp dụng như: Đức, Tây Ba Nha, Nhật Bản… Đức trở thành nước dẫn đầu thị trường PV thế giới (chiến 45%) kể từ khi điều chỉnh lại hệ thống giá điện (Feed-in tariff) như là một phần của Chương trình “Hành động nguồn năng lượng tái tạo” (Renewable Energy Sources Act) Công suất lắp đặt

PV đã tăng từ 100MW năm 2000 lên gần 4150MW vào cuối năm 2007 (bảng 1.1) Sau năm 2007, Tây Ban Nha trở thành nước có sự phát triển sôi động nhất Các nước Pháp,

Italy, Hàn Quốc và Mỹ cũng đã tăng công suất lắp đặt lên rất nhanh trong các năm mới đây nhờ các chương trình kích thích và các điều kiện thị trường địa phương Các nghiên cứu mới đây đã cho thấy rằng, thị trường PV thế giới được dự báo vượt quá 16GW vào năm 2010.

Bảng 1.1 Các nước có nhà máy điện từ pin mặt trời cỡ lớn

(công suất trên 1MW p )

Bảng 1.2 Các nhà máy điện mặt trời PV lớn nhất thế giới (trên 50MW)

cực đại (MW) Ghi chú

1 Sarnia PV Power Plant (Canada) 97 Đã được xây dựng

2009-2010

2 Montalto di Castro PV Station

Đã được xây dựng 2009-2010

3 Finsterwalde Solar Park (Đức) 80,7

Pha 1 hoàn thành

2009, pha 2 và 3,

2010

4 Rovigo PV Power Plant (Italia) 70 Hoàn thành 11/2010

5 Olmedilla PV Park (Tây Ban Nha) 60 Hoàn thành 9/2008

6 Strasskirchen Solar Park (Đức) 54

8 Puertollano PV Park (Tây Ban

Khởi công 2008

Từ Bảng 1.2 Các nhà máy điện mặt trời PV lớn nhất thế giới (trên 50MW)có thể thấy, các nước thi đua khai thác nguồn năng lượng vô tận từ mặt trời Về mức độ khai thác và sử dụng NLMT, Việt Nam chỉ đang xếp hạng xấp xỉ với Lào hoặc ở mức gần bằng với Campuchia

Các nhà máy nhiệt điện mặt trời thương mại (CSP) đã được xây dựng lần đầu tiên vào những năm 1980 Tháp NLMT PS10, 11MW ở Tây Ban Nha, đã hoàn thành vào cuối năm 2005, là hệ CSP thương mại đầu tiên ở Châu Âu và một nhà máy khác công suất 300MW được chờ đợi sẽ xây dựng vào năm 2013 cùng tại vị trí đó Ngoài ra nhà máy Ivanpah Solar Power ở Đông Nam California gần biên giới Nevada được chờ đợi có công suất 392MW

Công suất lắp đặt pin mặt trời trên toàn thế giới đến năm 2007 là 10.300MWp Đức hiện đang dẫn đầu với 3.862MWp Trong đó, WP (watt-peak) là công suất điện một chiều của pin mặt trời được đo đạc trong các điều kiện tiêu chuẩn (với cường độ sáng: 1000 W/m2, nhiệt độ môi trường: 25OC, 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) (bảng 1.3)

Bảng 1.3 Các nhà máy điện từ pin mặt trời lớn nhất thế giới

STT Công suất (MW p ) Thành phố Quốc gia

10 9,55 Milagro Tây Ban Nha

Tây Ban Nha

16 6 Olmedilla (Castilla la Mancha) Tây Ban Nha

Từ giữa các năm 1990 các nước dẫn đầu trong lĩnh vực PV đã dịch từ Mỹ sang Nhật Bản và Châu Âu Trong các năm 1992 - 1994 Nhật Bản đã tăng nguồn cung cấp kinh phí cho các hoạt động R&D, đã xây dựng hướng dẫn về ĐMT nối lưới và đã đưa vào một chương trình bù giá cho ĐMT, và do đó đã thúc đẩy sự lắp đặt các hệ thống

PV cho khu dân cư Kết quả là, sản xuất trên thế giới đã tăng 30% trong các năm cuối của thập kỷ 1990

Các hệ PV cho dân sự (domestic) thường được tính công suất theo đơn vị kilowatt-peak, kWp (thông thường nằm trong dải từ 1 đến 10kWp).Mặc dù tiềm năng NLMT rất lớn Tuy nhiên, đến năm 2008 nó mới chỉ cung cấp được dưới 0,02% tổng nhu cầu năng lượng của nhân loại

Một vấn đề quan trọng với ĐMT là chi phí lắp đặt còn cao, mặc dù chi phi đó đã giảm nhiều so với các thập niên trước đây Đặc biệt các nước đang phát triển có thể không có đủ quĩ tài chính để xây dựng các nhà máy PV, mặc dù các ứng dụng qui mô nhỏ hiện nay đã có thể thay thế các nguồn khác trong các nước đang phát triển

1.2.2 Tình hình phát triển điện mặt trời tại Việt Nam

1.2.2.1 Tiềm năng điện mặt trời ở Việt Nam

Việt Nam thuộc vùng có bức xạ mặt trời vào loại cao trên thế giới, với số giờ nắng dao động từ1600-2600giờ/năm, (trung bình xấp xỉ 5kwh/m2/ngày), được đánh giá là khu vực có tiềm năng rất lớn về năng lượng mặt trời, đặc biệt là tại khu vực miền Trung và miền Nam Theo các nhà chuyên môn thì trong tương lai, nhu cầu sử dụng các thiết bị chạy bằng năng lượng mặt trời ở nước ta là rất lớn, kể cả khu vực

thành thị cũng như khu vực nông thôn Pin mặt trời vừa có thể thay thế cho thuỷ điện nhỏ khi mùa hanh khô, vừa có thể là nguồn năng lượng dự trữ khi điện lưới quốc gia không đủ cung cấp cho người dân

1.2.2.2 Những dự án điện mặt trời ở Việt Nam

Tuy tiềm năng điện mặt trời ở Việt Nam là rất lớn nhưng do chi phí phát triển điện mặt trời hiện nay còn khá cao nên các dự án điện mặt trời ở Việt Nam chủ yếu có quy mô nhỏ lẻ và mang tính chất thử nghiệm Các dự án điện mặt trời này thường là các hệ thống điện mặt trời độc lập cung cấp điện cho các khu vực mà lưới điện quốc gia chưa thể vươn tới như các vùng núi, vùng xa vùng xôi, hải đảo

Các dự án điện mặt trời tiêu biểu có thể kể đến như :

- Dự án điện mặt trời trên đảo Cù Lao Chàm – Quảng Nam với 166 tấm pin mặt trời tổng công suất 28 kWp

- Trung tâm Hội nghị Quốc gia Mỹ Đình Tổng công suất 154KW

- Dự án tại Xã Thượng Trạch, Bố Trạch, Quảng Bình Công suất 11kW

- Hệ thống điện mặt trời cung cấp điện cho quần đảo Trường Sa

Bên cạnh những dự án điện mặt trời độc lập kể trên, các hệ thống điện mặt trời nối lưới cũng bắt đầu xuất hiện ở Việt Nam, tiêu biểu là hệ thống điện mặt trời trên nóc tòa nhà bộ công thương với công suất 12kW Dự án này với mục tiêu trình diễn công nghệ là chính, nhưng nó cũng cho thấy sự hiệu quả của mình

1.3 MỘT SỐ CÔNG NGHỆ ỨNG DỤNG SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI

1.3.1 Pin mặt trời

1.3.1.1 Cấu tạo của pin mặt trời

Cấu tạo bằng Silic: Trong bảng tuần hoàn Silic (Si) có số thứ tự 14- 1s22s22p63s23p2 Các điện tử của nó được sắp xếp vào 3 lớp vỏ, 2 lớp vỏ bên trong được xếp đầy bởi 10 điện tử Tuy nhiên lớp ngoài cùng của nó chỉ được lấp đầy 1 nửa với 4 điện tử 3s23p2 Điều này làm nguyên tử Si có xu hướng dùng chung các điện tử của nó với các nguyên tử Si khác Trong cấu trúc mạng tinh thể nguyên tử Si liên kết với 4 nguyên tử Si lân cận để lớp vỏ ngoài cùng có chung 8 điện tử (bền vững)

Để tăng khả năng dẫn điện của bán dẫn silicon người ta thường pha tạp chất vào trong đó Trước tiên ta xem xét trường hợp tạp chất là nguyên tử phospho (P) với tỷ lệ khoảng một phần triệu P có 5 điện tử ở lớp vỏ ngoài cùng nên khi liên kết trong tinh thể Si sẽ dư ra 1 điện tử Điện tử này trong điều kiện bị kích thích nhiệt có thể bứt khỏi liên kết với hạt nhân P để khuếch tán trong mạng tinh thể

Chất bán dẫn Si pha tạp P được gọi là bán dẫn loại N (Negative) vì có tính chất dẫn điện bằng các điện tử tự do Ngược lại, nếu chúng ta pha tạp tinh thể Si bằng các nguyên tử Boron (B) chỉ có 3 điện tử ở lớp vỏ, chúng ta sẽ có chất bán dẫn loại P (Positive) có tính chất dẫn điện chủ yếu bằng các lỗ trống

Khi ta cho 2 loại bán dẫn trên tiếp xúc với nhau Khi đó, các điện tử tự do ở gần mặt tiếp xúc trong bán dẫn loại N sẽ khuyếch tán từ bán dẫn loại N - bán dẫn loại P và lấp các lỗ trống trong phần bán dẫn loại P này

Liệu các điện tử tự do của bán dẫn N có bị chạy hết sang bán dẫn P hay không? Câu trả lời là không Vì khi các điện tử di chuyển như vậy nó làm cho bán dẫn N mất điện tử và tích điện dương, ngược lại bán dẫn P tích điện âm Ở bề mặt tiếp xúc của 2 chất bán dẫn bây giờ tích điện trái ngược và xuất hiện 1 điện trường hướng từ bán dẫn

N sang P ngăn cản dòng điện tử chạy từ bán dẫn N sang P Và trong khoảng tạo bởi điện trường này hầu như không có electron hay lỗ trống tự do

Tinh thể Si tinh khiết là chất bán dẫn dẫn điện rất kém vì các điện tử bị giam giữ bởi liên kết mạng, không có điện tử tự do Chỉ trong điều kiện kích thích quang, hay nhiệt làm các điện tử bị bứt ra khỏi liên kết,các điện tử (tích điện âm) nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẫn bỏ lại vùng hóa trị 1 lỗ trống (tích điện dương), thì khi đó chất bán dẫn mới dẫn điện

Hiện nay vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời là các silic tinh thể Pin mặt trời từ tinh thể silic chia thành 3 loại:

Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình czoschralski, đơn tinh thể này có hiệu suất tới 16% và thường rất đắt tiền Do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module

Đa tinh thể 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 Chúng có thể tạo thành các vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó

Một lớp tiếp xúc bán dẫn p – n có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng 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

có thể có 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 bức xạ mặt trời chiếu đến thì hiệu điện thế hở mạch giữa 2 cực khoảng 0,55V và dòng điện đoản mạch của nó khi bức xạ mặt trời có cường độ 1000W/m2 vào khoảng 25 – 30 mA/cm2