Tài liệu Nghiên cứu ảnh hưởng của gió đến pin năng lượng mặt trời

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- CÔNG NGHĨA PHONG CÔNG NGHĨA PHONG KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỤC NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA GIÓ ĐẾN PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC CLC2018B HÀ NỘI - 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------CÔNG NGHĨA PHONG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA GIÓ ĐẾN PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ khí Động lực LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. HOÀNG THỊ KIM DUNG HÀ NỘI - 2019 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên tác giả luận văn: Công Nghĩa Phong Đề tài luận văn: Nghiên cứu ảnh hưởng của gió đến pin năng lượng mặt trời Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực Mã số HV: CBC18012 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 12/09/2019 với các nội dung sau: - Sửa lại thuyết minh theo mẫu tiêu chuẩn - Chỉnh sửa thuật ngữ, Việt hóa các từ khóa trong các hình vẽ Ngày Giáo viên hướng dẫn tháng năm 2019 Tác giả luận văn PGS. TS. Hoàng Thị Kim Dung CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TS. Vũ Đình Quý Công Nghĩa Phong LỜI CAM ĐOAN Tôi – Công Nghĩa Phong, học viên lớp Cao học Kỹ thuật Cơ khí Động lực khóa CLC2018B Trường Đại học Bách khoa Hà Nội – cam kết luận văn này là công trình nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Hoàng Thị Kim Dung – Viện Cơ khí Động lực – Đại học Bách khoa Hà Nội. 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 xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình. Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Tác giả Công Nghĩa Phong MỤC LỤC TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN ..............................................................................ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU .......................................................................................... iv KÍ HIỆU CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT .............................................................................. iv DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................... v DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................................... vii LỜI MỞ ĐẦU...................................................................................................................... x CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI........................................................................................................................... 1 1.1. Khái quát về việc sử dụng năng lượng tái tạo trên thế giới ................................. 1 1.2. Tổng quan về năng lượng mặt trời .......................................................................... 2 1.2.1. Giới thiệu năng lượng mặt trời ....................................................................... 2 1.2.2. Ưu điểm và nhược điểm của năng lượng mặt trời ....................................... 2 1.2.3. Tiềm năng phát triển năng lượng mặt trời tại Việt Nam ............................. 4 1.2.4. Ứng dụng của năng lượng mặt trời ................................................................ 6 1.3. Tổng quan về pin năng lượng mặt trời ................................................................... 9 1.3.1. Giới thiệu pin năng lượng mặt trời................................................................. 9 1.3.2. Phân loại pin năng lượng mặt trời .................................................................. 9 1.3.3. Cấu tạo pin năng lượng mặt trời Silic .......................................................... 11 1.3.4. Nguyên lý hoạt động pin năng lượng mặt trời Silic................................... 13 1.3.5. Ứng dụng pin năng lượng mặt trời............................................................... 15 1.3.6. Các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến pin NLMT .................................... 16 CHƯƠNG 2. ẢNH HƯỞNG CỦA GIÓ ĐẾN PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI..19 2.1. Giới thiệu về gió ...................................................................................................... 19 2.2. Profile vận tốc gió ................................................................................................... 19 2.2.1. Profile vận tốc gió trung bình ....................................................................... 20 2.2.2. Profile vận tốc gió giật................................................................................... 21 2.3. Tải trọng gió tác dụng lên hệ pin NLMT ............................................................. 22 2.4. Các yếu tố ảnh hưởng của gió đến hệ pin NLMT ............................................... 25 2.4.1. Tốc độ gió........................................................................................................ 25 2.4.2. Hướng gió........................................................................................................ 27 ii 2.4.3. Góc đặt của tấm pin NLMT .......................................................................... 27 2.4.4. Vị trí tương đối của tấm pin NLMT............................................................. 29 CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG SỐ ẢNH HƯỞNG CỦA GIÓ ĐẾN PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TRONG HẦM GIÓ.....................................................................................30 3.1. Mô hình thực nghiệm hầm gió của Ulsu .............................................................. 30 3.2. Mô phỏng số ảnh hưởng của gió đến tấm pin NLMT trong hầm gió ............... 31 3.2.1. Mô phỏng số mô hình 2D.............................................................................. 31 3.2.2. Mô phỏng số mô hình 3D.............................................................................. 33 3.3. Đánh giá kết quả mô phỏng số .............................................................................. 38 CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG SỐ ẢNH HƯỞNG CỦA GIÓ ĐẾN PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI MẶT ĐẤT ....................................................................................................40 4.1. Mô hình hệ pin năng lượng mặt trời mặt đất ....................................................... 40 4.2. Mô phỏng CFD ảnh hưởng của gió đến hệ pin NLMT ...................................... 41 4.2.1. Miền tính toán CFD ....................................................................................... 41 4.2.2. Sự hội tụ của lưới tính toán CFD ................................................................. 41 4.2.3. Điều kiện tính toán ......................................................................................... 42 4.2.4. Kết quả mô phỏng số CFD ............................................................................ 43 4.3. Kiểm bền hệ pin năng lượng mặt trời dưới ảnh hưởng của gió......................... 53 4.3.1. Mô hình và lưới kết cấu ................................................................................. 53 4.3.2. Điều kiện tính toán ......................................................................................... 54 4.3.3. Kết quả kiểm bền hệ pin NLMT................................................................... 54 4.4. Ảnh hưởng của gió đến nhiệt độ pin năng lượng mặt trời ................................. 58 4.4.1. Mô hình tải năng lượng mặt trời................................................................... 58 4.4.2. Mô hình bức xạ từ bề mặt đến bề mặt ......................................................... 61 4.4.3. Điều kiện tính toán ......................................................................................... 62 4.4.4. Kết quả mô phỏng nhiệt độ bề mặt pin NLMT .......................................... 63 KẾT LUẬN ........................................................................................................................67 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................68 iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU 𝑧 𝑧𝑟𝑒𝑓 𝑉(𝑧) 𝑉𝑟𝑒𝑓 𝑈𝑥 𝐺𝑣 𝑣𝑡 𝜅 𝜌𝑎𝑖𝑟 𝛾 𝐹𝐷 𝐹𝐿 𝐶𝐷 𝐶𝐿 𝐶𝑓 𝐶𝑝 𝐶𝑛𝑠 𝐶𝑝 𝑅𝐷 𝑅𝐿 𝛼 𝛽 𝐸𝑑𝑛 𝐸𝑑 𝐸𝑟 𝜌𝑔 …………………... …………………... …………………... …………………... …………………... …………………... …………………... …………………... …………………... …………………... …………………... …………………... …………………... …………………... …………………... …………………... …………………... …………………... …………………... …………………... …………………... …………………... …………………... …………………... …………………... …………………... Độ cao tính từ mặt đất Độ cao tham chiếu Vận tốc gió ở độ cao z Vận tốc gió ở độ cao zref Vận tốc gió ma sát Hệ số giật của vận tốc gió Vận tốc gió giật Hằng số Von Karman Khối lượng riêng không khí Hằng số mũ phụ thuộc dạng địa hình Lực cản Lực nâng Hệ số lực cản Hệ số lực nâng Hệ số lực toàn phần Hệ số áp suất cục bộ Hệ số áp suất trên bề mặt đón gió Hệ số áp suất trên bề mặt khuất gió Sai số lực cản mô phỏng số so với thực nghiệm Sai số lực nâng mô phỏng số so với thực nghiệm Góc tới của gió Góc đặt của pin NLMT Bức xạ mặt trời trực tiếp Bức xạ mặt trời khuếch tán bề mặt Bức xạ mặt trời phản xạ mặt đất Hệ số phản xạ mặt đất KÍ HIỆU CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT NLMT ………………………… Volume Of Fluid CFD ………………………… Computational Fluid Dynamics DSC ………………………… Dye – sensitized solar cell UDF ………………………… User-Defined Function iv DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Số liệu bức xạ mặt trời ở các khu vực tại Việt Nam [3] ............................... 5 Bảng 2.1. Giá trị hằng số mũ 𝛼 đối với các dạng địa hình ........................................... 21 Bảng 2.2. Góc đặt của tấm 𝛽 theo vĩ độ khi lắp cố định............................................... 28 Bảng 3.1. Kết quả thực nghiệm của Ulsu ....................................................................... 30 Bảng 3.2. Kết quả sự hội tụ của lưới mô hình 2D ......................................................... 32 Bảng 3.3. Kết quả mô phỏng số 2D................................................................................. 32 Bảng 3.4. Kết quả sự hội tụ của lưới mô hình 3D ......................................................... 34 Bảng 3.5. Kết quả mô phỏng số 3D................................................................................. 34 Bảng 4.1. Các thông số của pin NLMT .......................................................................... 40 Bảng 4.2. Điều kiện biên bài toán CFD .......................................................................... 43 Bảng 4.3. Kết quả lực và hệ số lực khi tốc độ gió thay đổi .......................................... 44 Bảng 4.4. Phân bố áp suất và vận tốc mặt XY khi tốc độ gió thay đổi....................... 44 Bảng 4.5. Phân bố áp suất trên tấm pin và phân bố XZ khi tốc độ gió thay đổi ....... 45 Bảng 4.6. Đường dòng vận tốc XY và YZ khi tốc độ gió thay đổi ............................. 46 Bảng 4.7. Kết quả lực và hệ số lực khi 𝛼 thay đổi ........................................................ 46 Bảng 4.8. Phân bố áp suất và vận tốc XY khi 𝛼 thay đổi ............................................. 47 Bảng 4.9. Phân bố áp suất trên tấm pin và phân bố mặt XZ khi 𝛼 thay đổi............... 48 Bảng 4.10. Đường dòng vận tốc XY và YZ khi 𝛼 thay đổi ......................................... 49 Bảng 4.11. Kết quả lực và hệ số lực khi 𝛽 thay đổi ...................................................... 50 Bảng 4.12. Phân bố áp suất và vận tốc XY khi 𝛽 thay đổi........................................... 51 Bảng 4.13. Đường dòng vận tốc XY và YZ khi 𝛽 thay đổi ......................................... 51 Bảng 4.14. Phân bố áp suất trên tấm pin và phân bố XZ khi 𝛽 thay đổi .................... 52 Bảng 4.15. Sự hội tụ của lưới kết cấu ............................................................................. 53 Bảng 4.16. Thông số vật liệu mô hình kết cấu ............................................................... 54 Bảng 4.17. Kết quả kiểm bền khi tốc độ gió thay đổi ................................................... 55 Bảng 4.18. Kết quả kiểm bền khi hướng gió thay đổi................................................... 56 Bảng 4.19. Kết quả kiểm bền khi góc đặt của tấm thay đổi ......................................... 58 Bảng 4.20. Thông số vật liệu nhôm và kính................................................................... 62 v Bảng 4.21. Phân bố nhiệt độ bề mặt tấm pin NLMT khi tốc độ gió thay đổi ............ 64 Bảng 4.22. Phân bố nhiệt độ bề mặt tấm pin NLMT khi 𝛼 thay đổi........................... 65 Bảng 4.23. Phân bố nhiệt độ bề mặt pin NLMT khi 𝛽 thay đổi .................................. 65 vi DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Bản đồ bức xạ mặt trời quốc gia (globalsolaratlas.info) ............................... 5 Hình 1.2. Thùng rác tự nén sử dụng NLMT..................................................................... 7 Hình 1.3. Nhà máy điện mặt trời Ivanpah ........................................................................ 7 Hình 1.4. Hệ pin NLMT trên mái nhà Bộ Công Thương ............................................... 8 Hình 1.5. Bếp sử dụng NLMT ........................................................................................... 8 Hình 1.6. Thiết bị làm nóng nước sử dụng NLMT.......................................................... 8 Hình 1.7. Pin NLMT được làm từ các phân tử Silic ....................................................... 9 Hình 1.8. Pin NLMT nhạy cảm với màu DSC ............................................................... 10 Hình 1.9. Pin NLMT dạng keo nước............................................................................... 11 Hình 1.10. Cấu tạo tế bào quang điện ............................................................................. 12 Hình 1.11. Quy trình chế tạo tấm pin NLMT................................................................. 12 Hình 1.12. Cấu tạo tấm pin NLMT ................................................................................. 13 Hình 1.13. Nguyên lý hoạt động pin NLMT .................................................................. 13 Hình 1.14. Trạm xe buýt sử dụng tấm pin NLMT......................................................... 15 Hình 1.15. Đèn đường chiếu sáng sử dụng pin NLMT................................................. 15 Hình 1.16. Xe ô-tô sử dụng NLMT của hãng Sono Motors ......................................... 16 Hình 1.17. Nhà máy quang điện Solar Star tại Mỹ........................................................ 16 Hình 2.1. Lớp biên ............................................................................................................. 20 Hình 2.2. Tấm pin NLMT bị phá hủy bởi gió mạnh tại Đài Loan .............................. 22 Hình 2.3. Lực nâng và lực cản tác dụng lên tấm pin NLMT ....................................... 23 Hình 2.4. Vị trí điểm đặt của lực toàn phần tác dụng lên tấm...................................... 24 Hình 2.5. Lược đồ của tấm tự do trong không khí (a, c [26]); ..................................... 24 Hình 2.6. Biểu đồ phân bố tốc độ gió tại Việt Nam theo World Bank ....................... 26 Hình 2.7. Tốc độ gió theo % diện tích tại Việt Nam theo World Bank ...................... 26 Hình 2.8. Các trường hợp khảo sát hướng gió 𝛼 thay đổi ............................................ 27 Hình 2.9. Góc đặt 𝛽 của tấm pin NLMT ........................................................................ 28 Hình 3.1. Hầm gió tại METUWIND ............................................................................... 31 Hình 3.2. Mô hình mô phỏng số 2D ................................................................................ 31 vii Hình 3.3. Mô hình mô phỏng số 3D thực nghiệm hầm gió .......................................... 34 Hình 3.4. Lưới 3D mô hình mô phỏng số hầm gió........................................................ 34 Hình 3.5. Phân bố áp suất bề mặt với 𝑣 = 5𝑚 /𝑠 .......................................................... 36 Hình 3.6. Phân bố áp suất bề mặt với 𝑣 = 10𝑚 /𝑠 và 𝛽 = 35𝑜 .................................. 36 Hình 3.7. Đường dòng vận tốc tại 𝑣 = 5𝑚/𝑠 và 𝛽 = 15𝑜 .......................................... 36 Hình 3.8. Đường dòng vận tốc tại 𝑣 = 5𝑚/𝑠 và 𝛽 = 35𝑜 .......................................... 37 Hình 3.9. Đường dòng vận tốc 3D tại 𝑣 = 5𝑚 /𝑠 và 𝛽 = 35𝑜 .................................... 37 Hình 3.10. Đường dòng vận tốc tại 𝑣 = 10𝑚 /𝑠 và 𝛽 = 35𝑜 ...................................... 37 Hình 3.11. Phân bố vector vận tốc tại 𝑣 = 10𝑚 /𝑠 và 𝛽 = 35𝑜.................................. 37 Hình 3.12. Lực cản với tốc độ gió 5m/s.......................................................................... 38 Hình 3.13. Lực nâng với tốc độ gió 5m/s ....................................................................... 38 Hình 3.14. Lực cản với tốc độ gió 10m/s ....................................................................... 39 Hình 3.15. Lực nâng với tốc độ gió 10m/s ..................................................................... 39 Hình 4.1. Mô hình hệ pin NLMT..................................................................................... 40 Hình 4.2. Kích thước miền tính toán CFD ..................................................................... 41 Hình 4.3. Miền tính toán với trường hợp gió chính diện .............................................. 41 Hình 4.4. Sự hội tụ của lưới tính toán CFD.................................................................... 42 Hình 4.5. Lực cản và lực nâng tác dụng lên tấm khi 𝑣 thay đổi .................................. 43 Hình 4.6. Lực cản và lực nâng tác dụng lên tấm khi 𝛼 thay đổi .................................. 47 Hình 4.7. Lực cản và lực nâng tác dụng lên tấm khi 𝛽 thay đổi .................................. 50 Hình 4.8. Lưới kết cấu....................................................................................................... 53 Hình 4.9. Biến dạng tấm pin NLMT ............................................................................... 55 Hình 4.10. Ứng suất tác dụng lên tấm pin NLMT ......................................................... 55 Hình 4.11. Biến dạng của tấm pin khi 𝛼 = 45𝑜 ............................................................ 56 Hình 4.12. Ứng suất tác dụng lên tấm pin khi 𝛼 = 45𝑜 ............................................... 56 Hình 4.13. Biến dạng của tấm pin khi 𝛼 = 135𝑜 .......................................................... 57 Hình 4.14. Ứng suất tác dụng lên tấm pin khi 𝛼 = 135𝑜 ............................................ 57 Hình 4.15. Biến dạng của tấm pin khi 𝛼 = 180𝑜 .......................................................... 57 Hình 4.16. Ứng suất tác dụng lên tấm pin khi 𝛼 = 180𝑜 ............................................ 57 viii Hình 4.17. Mô hình tải NLMT ......................................................................................... 59 Hình 4.18. Mô hình tính toán NLMT .............................................................................. 59 Hình 4.19. Mô hình truyền nhiệt bức xạ từ bề mặt đến bề mặt ................................... 61 Hình 4.20. Bức xạ mặt trời tác dụng lên tấm pin và mặt đất........................................ 63 Hình 4.21. Sự hội tụ nhiệt độ bề mặt tấm pin NLMT ................................................... 63 Hình 4.22. Phân bố nhiệt độ tại mép tấm pin NLMT.................................................... 64 Hình 4.23. Giá trị nhiệt độ trên bề mặt tấm pin khi v thay đổi .................................... 66 Hình 4.24. Giá trị nhiệt độ trên bề mặt tấm pin khi 𝛼 thay đổi.................................... 66 Hình 4.25. Giá trị nhiệt độ trên bề mặt tấm pin khi 𝛽 thay đổi.................................... 66 ix LỜI MỞ ĐẦU Pin năng lượng mặt trời đang ngày càng trở nên phổ biến trong công nghiệp điện. Những tiến bộ trong công nghệ năng lượng mặt trời tiếp tục nâng cao hiệu quả làm việc và độ tin cậy của pin NLMT. Hệ thống pin NLMT dễ bị thiệt hại do gió; tuy nhiên chưa có nhiều nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của gió đến pin năng lượng mặt trời. Thêm vào đó, NLMT luôn đi kèm với năng lượng gió. Đây là nguyên nhân chính để nghiên cứu này được thực hiện. Phương pháp thực nghiệm và phương pháp mô phỏng số là hai phương pháp thường được sử dụng để khảo sát ảnh hưởng của gió đến vật thể. Trong luận văn này, phương pháp mô phỏng số được sử dụng để khảo sát ảnh hưởng của gió trên đối tượng là pin năng lượng mặt trời. Nội dung luận văn tốt nghiệp được trình bày thành 4 chương chính: Chương 1: Tổng quan về năng lượng mặt trời và pin năng lượng mặt trời Chương 2: Ảnh hưởng của gió đến pin năng lượng mặt trời Chương 3: Mô phỏng số ảnh hưởng của gió đến pin NLMT trong hầm gió Chương 4: Mô phỏng số ảnh hưởng của gió đến pin năng lượng mặt trời mặt đất Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Hoàng Thị Kim Dung đã tận tình hướng dẫn, cùng sự giúp đỡ từ các thầy cô Bộ môn Kỹ thuật Hàng không và Vũ trụ, để tôi có thể hoàn thành được luận văn tốt nghiệp này. Tuy nhiên, do kiến thức và thời gian hạn chế nên không tránh khỏi những sai sót. Tôi hi vọng nhận được sự góp ý từ các thầy cô. Tôi xin chân thành cảm ơn. x Chương 1. Tổng quan về năng lượng mặt trời và pin NLMT CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.1. Khái quát về việc sử dụng năng lượng tái tạo trên thế giới Theo số liệu mới nhất của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), lượng tiêu thụ năng lượng hóa thạch vào năm 2015 của thế giới vẫn chiếm tỉ trọng 81,4% (số còn lại là năng lượng mới hay còn gọi là năng lượng tái tạo). Năm 1973, tỉ trọng này là 86,7%. Như vậy sau 42 năm, thế giới chỉ giảm được 5,3% mức tiêu thụ năng lượng hóa thạch nhờ sự tăng trưởng nhẹ của năng lượng sạch. Cần lưu ý rằng việc sử dụng năng lượng hóa thạch thải ra lượng lớn khí nhà kính, có ảnh hưởng rất xấu đến môi trường. Có nhiều lựa chọn để giảm thải khí nhà kính từ các hệ thống năng lượng trong khi vẫn đáp ứng nhu cầu năng lượng toàn cầu. Một trong những lựa chọn đó là năng lượng tái tạo, nguồn năng lượng tiềm năng rất lớn để giảm thiểu biến đổi khí hậu, cũng có thể cung cấp đầy đủ cho nhu cầu của người dân khi sử dụng chúng. Năng lượng tái tạo có thể, nếu được thực hiện và sử dụng đúng cách, nó vừa góp phần phát triển kinh tế xã hội vừa như một nguồn năng lượng an toàn, giảm các tác động tiêu cực đến môi trường và sức khỏe. Năng lượng tái tạo là năng lượng từ những nguồn liên tục mà theo chuẩn mực của con người là vô hạn. Nguyên tắc cơ bản của việc sử dụng năng lượng tái tạo là tách một phần năng lượng từ các quy trình diễn biến liên tục trong môi trường và đưa vào trong các sử dụng kỹ thuật. Năng lượng tái tạo phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây nhưng cho đến nay vẫn chiếm số ít trong tổng sản lượng thế giới. Trong điều kiện khắt khe nhất, việc tăng tỉ trọng năng lượng tái tạo trong hỗn hợp năng lượng sẽ đòi hỏi các chính sách để kích thích những thay đổi trong hệ thống năng lượng. Các chính sách hỗ trợ là cần thiết để thu hút sự gia tăng cần thiết về đầu tư công nghệ và cơ sở hạ tầng. Trong số các nguồn năng lượng tái tạo chính như NLMT, gió, thủy triều, mưa, … thì NLMT phát triển nhanh nhất với tốc độ tăng trưởng bình quân hàng năm khoảng 60% trong năm 2012 [10]. 1 Chương 1. Tổng quan về năng lượng mặt trời và pin NLMT 1.2. Tổng quan về năng lượng mặt trời 1.2.1. Giới thiệu năng lượng mặt trời Mặt Trời là nguồn năng lượng lớn nhất mà con người có thể tận dụng được: sạch, mạnh mẽ, dồi dào, đáng tin cậy, gần như vô tận, và có ở khắp nơi dù ít hay nhiều. Việc thu giữ NLMT gần như không có ảnh hưởng tiêu cực gì đến môi trường. Việc sử dụng không thải ra khí và nước độc hại, do đó không góp phần vào vấn đề ô nhiễm môi trường và hiệu ứng nhà kính. Mỗi giây, Mặt Trời phát ra một khối năng lượng khổng lồ vào Thái Dương Hệ, tuy nhiên chỉ một phần rất nhỏ tổng lượng bức xạ đến được Trái Đất. Tuy nhiên, phần năng lượng này vẫn được xem là rất lớn, vào khoảng 1.367 MW/m2 ở ngoại tầng khí quyển của Trái Đất. Một phần lớn bức xạ Mặt Trời phản xạ lại về không gian trên bề mặt các đám mây. Chỉ cần một phần nhỏ NLMT được sử dụng thì có thể đáp ứng được nhu cầu về năng lượng của thế giới. NLMT có những ưu điểm như: sạch, chi phí nhiên liệu và bảo dưỡng thấp, an toàn cho người sử dụng. Đồng thời phát triển ngành công nghiệp sản xuất pin NLMT sẽ góp phần thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch, giảm khí thải nhà kính giúp bảo vệ môi trường. 1.2.2. Ưu điểm và nhược điểm của năng lượng mặt trời NLMT được sử dụng để thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch bởi nó có nhiều ưu điểm như:  NLMT là nguồn năng lượng tái tạo, không giống như các nhiên liệu hóa thạch như than, dầu mỏ, khí đốt… Theo NASA, mặt trời có thể cung cấp năng lượng cho chúng ta trong khoảng 6,5 tỉ năm nữa.  Tiềm năng của NLMT là rất lớn – mỗi ngày, bề mặt trái đất được hưởng 120.000 terawatts (TW) của ánh sáng mặt trời, cao gấp 20.000 lần so với nhu cầu của con người trên toàn thế giới (1TW = 1.000 tỉ W). 2 Chương 1. Tổng quan về năng lượng mặt trời và pin NLMT  Nguồn cung bền vững và vô tận: NLMT là vô tận, dư thừa để đáp ứng nhu cầu về năng lượng của nhân loại, đủ dùng cho muôn vàn thế hệ về sau.  Tính khả dụng: NLMT có thể được tiếp nhận và sử dụng ở mọi nơi trên thế giới không chỉ ở vùng gần xích đạo trái đất mà còn ở các vĩ độ cao thuộc phía bắc và phía nam. Ví dụ, Đức hiện đang chiếm vị trí hàng đầu thế giới trong việc sử dụng NLMT và có kế hoạch tận dụng tối đa tiềm năng này.  Sạch về sinh thái: theo xu hướng phát triển gần đây trong cuộc đấu tranh cho việc làm sạch môi trường trái đất, NLMT là lĩnh vực hứa hẹn nhất, có thể thay thế một phần năng lượng từ các nguồn nhiên liệu không tái tạo được và do đó, nó đóng vai trò quan trọng trong công cuộc bảo vệ môi trường từ sự tăng nhiệt toàn cầu. Việc sản xuất, vận chuyển, lắp đặt và vận hành các nhà máy điện mặt trời về cơ bản không phát thải các loại khí độc hại vào khí quyển.  Hiệu quả cao, chi phí hoạt động thấp: chuyển sang sử dụng pin NLMT, các hộ gia đình sẽ có được một khoản tiết kiệm đáng kể trong ngân sách chi tiêu. Việc bảo trì, duy tu hệ thống cung cấp NLMT cho hộ gia đình đòi hỏi chi phí rất thấp - trong 1 năm, bạn chỉ cần một vài lần lau chùi sạch các tấm pin NLMT và chúng luôn được các nhà sản xuất bảo hành trong khoảng thời gian lên tới 20-25 năm.  Không gây tiếng ồn: trên thực tế, việc sản xuất NLMT không sử dụng các loại động cơ như trong máy phát điện, vì vậy việc tạo ra điện không gây tiếng ồn.  Công nghệ tiên tiến: công nghệ sản xuất pin NLMT mỗi ngày một tiến bộ hơn - môđun màng mỏng được đưa trực tiếp vào vật liệu ngay từ giai đoạn sơ chế ban đầu. Tập đoàn Sharp của Nhật Bản cũng là một nhà sản xuất pin NLMT, vừa giới thiệu một hệ thống sáng tạo các yếu tố lưu trữ năng lượng cho kính cửa sổ. Những thành tựu mới nhất trong lĩnh vực công nghệ nano và vật lý lượng tử cho phép ta kỳ vọng về khả năng tăng công suất của các tấm pin NLMT lên gấp 3 lần so với hiện nay. Tuy NLMT có nhiều ưu điểm như vậy nhưng nó cũng có một số nhược điểm nhất định như: 3 Chương 1. Tổng quan về năng lượng mặt trời và pin NLMT  Chi phí cao: có ý kiến cho rằng, điện mặt trời thuộc về loại năng lượng đắt tiền - đây có lẽ là vấn đề gây tranh cãi nhất trong việc sử dụng nguồn năng lượng này. Do việc lưu trữ NLMT tại các hộ gia đình đòi hỏi khoản chi phí đáng kể ở giai đoạn ban đầu.  Không ổn định: có một thực tế bất khả kháng: vào ban đêm, trong những ngày nhiều mây và mưa thì không có ánh sáng mặt trời, vì thế NLMT không thể là nguồn điện chính yếu.  Chi phí lưu trữ năng lượng cao: giá của ắc quy tích trữ điện mặt trời để lấy điện sử dụng vào ban đêm hay khi trời không có nắng hiện nay vẫn còn khá cao. Vì thế, ở thời điểm hiện tại, điện mặt trời chưa có khả năng trở thành nguồn điện duy nhất ở các hộ gia đình mà chỉ có thể là nguồn bổ sung cho điện lưới và các nguồn khác.  Vẫn gây ô nhiễm môi trường, dù rất ít: mặc dù so với việc sản xuất các loại năng lượng khác, điện mặt trời thân thiện với môi trường hơn, nhưng một số quy trình công nghệ để chế tạo các tấm pin NLMT cũng đi kèm với việc phát thải các loại khí nhà kính.  Sử dụng nhiều thành phần đắt tiền và quý hiếm: sản xuất các tấm pin NLMT màng mỏng đòi hỏi phải sử dụng cadmium telluride (CdTe) hoặc gallium selenide indi (CIGS) - những chất rất hiếm và đắt tiền, điều này dẫn đến sự gia tăng chi phí.  Mật độ năng lượng thấp: được mô tả bằng lượng điện năng có thể thu được từ một đơn vị diện tích nguồn năng lượng, được đo bằng W/m2. Chỉ số này đối với điện mặt trời là 170 W/m2 - nhiều hơn các nguồn năng lượng tái tạo khác, nhưng thấp hơn dầu, khí, than đá và điện hạt nhân. Do đó, để tạo ra 1kW điện từ nhiệt năng mặt trời đòi hỏi một diện tích khá lớn của các tấm pin NLMT. 1.2.3. Tiềm năng phát triển năng lượng mặt trời tại Việt Nam Tiềm năng phát triển NLMT tại nước ta được thể hiện qua bản đồ bức xạ mặt trời do Ngân hàng Thế giới kết hợp với Bộ Công Thương và phía Tây Ban Nha tính toán. 4 Chương 1. Tổng quan về năng lượng mặt trời và pin NLMT Hình 1.1. Bản đồ bức xạ mặt trời quốc gia (globalsolaratlas.info) Giá trị bức xạ của Việt Nam theo phương ngang dao động từ 897 kWh/𝑚2 /năm đến 2108 kWh/𝑚2 /năm. Tương ứng đối với ngày, giá trị nhỏ nhất đạt 2,46 kWh/𝑚2 /ngày và lớn nhất là 5,77 kWh/𝑚2 /ngày. Qua bảng 1.1 trên cho ta thấy nước ta có lượng bức xạ mặt trời rất tốt, đặc biệt là khu vực phía Nam, ở khu vực phía Bắc thì lượng bức xạ mặt trời nhận được là ít hơn. Lượng bức xạ mặt trời giữa các vùng miền là khác nhau và nó cũng phụ thuộc vào từng tháng khác nhau. Ta nhận thấy rằng các tháng nhận được nhiều nắng hơn là tháng 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10. Nếu sử dụng các thiết bị NLMT vào các tháng này sẽ cho hiệu suất rất cao. Bảng 1.1. Số liệu bức xạ mặt trời ở các khu vực tại Việt Nam [3] Vùng Giờ nắng trong năm (h) Cường độ BXMT (kWh/𝐦𝟐 /ngày) Đông Bắc 1600 – 1750 3,3 – 4,1 Tây Bắc 1750 – 1800 4,1 – 4,9 Bắc Trung Bộ 1700 – 2000 4,6 – 5,2 Tây Nguyên và Nam Trung Bộ 2000 – 2600 4,9 – 5,7 Nam Bộ 2200 – 2500 4,3 – 4,9 Trung bình cả nước 1700 – 2500 4,6 5 Chương 1. Tổng quan về năng lượng mặt trời và pin NLMT Tóm lại, Việt Nam là nước có tiềm năng về NLMT, trải dài từ vĩ độ 8°27′ Bắc đến 23°23′ Bắc, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao, do đó việc sử dụng NLMT ở nước ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế lớn. 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 và vùng Bắc Trung Bộ 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 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. Chính vì thế, ta hoàn toàn có thể khai thác và ứng dụng NLMT một cách hiệu quả. 1.2.4. Ứng dụng của năng lượng mặt trời NLMT đã được con người khai thác và sử dụng ngay từ thời cổ đại như việc sưởi ấm, làm khô quần áo. Hiện nay, NLMT ngày càng được khai thác và sử dụng rộng rãi. Trên thế giới đã có rất nhiều lĩnh vực ứng dụng NLMT như: thùng rác tự nén sử dụng NLMT ở tại công viên Green End Road, Cambridge (Anh), đèn tín hiệu giao thông, đèn chiếu sáng công cộng sử dụng NLMT ở Nhật Bản, các cao ốc sử dụng NLMT ở Trung Quốc, … 6 Chương 1. Tổng quan về năng lượng mặt trời và pin NLMT Hình 1.2. Thùng rác tự nén sử dụng NLMT Hình 1.3 là nhà máy điện mặt trời 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 năng lượng trải dài trên diện tích 14,2 km2 . Các tấm thu năng lượng cao hơn 2 m và rộng khoảng 3 m. Các tấm này sẽ phản chiếu ánh sáng mặt trời và đun nóng các nồi hơi đặt trên ba tòa tháp cao 140 m. NLMT được sử dụng để tạo ra hơi nước trong các nồi hơi và đẩy ra các tua-bin để tạo điện. Với diện tích khổng lồ, nhà máy này có thể sản xuất gần 400 MW điện một năm. Hình 1.3. Nhà máy điện mặt trời Ivanpah Tại Hà Nội, trạm pin NLMT nối lưới lắp đặt trên mái nhà làm việc Bộ Công thương, 54 Hai Bà Trưng, Hoàn Kiếm. Công suất lắp đặt 2.700 Wp. Trung tâm hội nghị quốc gia sử dụng hệ pin NLMT công suất 154 KWp. 7