Tài liệu đánh giá dự án năng lượng mặt trời 47.5mw nổi trên mặt hồ đa mi

TRANG TÓM TẮT TIẾNG ANH ĐÁNH GIÁ DỰ ÁN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 47,5MW NỔI TRÊN HỒ ĐA MI ASSESSMENT OF A FLOATING SOLAR POWER PROJECT 47.5MW ON DA MI RESERVOIR Học viên: Đỗ Minh Lộc, Chuyên ngành: Kỹ thuật điện. Mã số: 60520202, Khóa: KTĐ.K33.LĐ. Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng. Tóm tắt - Trong luận văn này, đã phân tích đánh giá tính khả thi và hiệu quả Dự án năng lượng điện mặt trời nổi trên hồ thủy điện Đa Mi công suất 47,5MW bằng việc phân tích lựa chọn vị trí, đánh giá tổn thất, lựa chọn công nghệ các thiết bị chính trong nhà máy; đồng thời đo lường thống kê số liệu bức xạ thực tế do Công ty Cổ phần Thủy điện Đa Nhim - Hàm Thuận - Đa Mi quan trắc được tại vị trí hồ Thủy điện Đa Mi trong 1 năm từ tháng 05/2016 đến tháng 04/2017 để tính toán thiết kế, lắp đặt và mô phỏng kết quả sản lượng điện của nhà máy bằng phần mềm PVsyst. Kết quả phân tích, tính toán làm cơ sở cho việc đánh giá hiệu quả của Dự án. Từ khóa: Điện mặt trời nổi; Dự án điện mặt trời nổi hồ Đa Mi; tấm pin quang điện; inverter; bức xạ mặt trời. Abstract. - In this essay, the authour have analyzed and assessed the feasibility as well as effeciency of a Floating solar power plant project 47,5 MW on the Da Mi reservoir via the analysis of the location selection, the loss assessment and the main equipments selection with the science of technology; Simultaneously, the statistical analysis of the actual radiation data, collected by the Da Nhim - Ham Thuan - Da Mi Hydropower Joint Stock Company at Da Mi Hydropower Plant reservoir from 05/2016 to 04/2017, is used for the calculations in design, installation as well as simulation results of the electricity generation of the Plant through PVsyst software to evaluate the performance and the efficiency of the Project. Key words: Floating Solar; Đa Mi Floating Solar Project; photovoltaic module; inverter; radiation MỤC LỤC TRANG BÌA LỜI CAM ĐOAN TRANG TÓM TẮT TIẾNG ANH MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Lý do chọn đề tài .....................................................................................................1 2. Mục tiêu của đề tài ..................................................................................................2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...........................................................................2 4. Phương pháp nghiên cứu.........................................................................................2 5. Bố cục đề tài ............................................................................................................3 CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ....................4 1.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI .........................................4 1.2. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ PIN QUANG ĐIỆN ..........................................5 1.2.1. Lý thuyết pin quang điện ...................................................................................5 1.2.2. Mạch điện tương đương .....................................................................................6 1.2.3. Điện áp hở mạch và dòng ngắn mạch ................................................................7 1.2.4. Đường I - V và P - V .........................................................................................8 1.2.5. Công nghệ pin quang điện .................................................................................9 1.2.6. Mô đun và mảng PV ........................................................................................10 1.2.7. Tính toán chuỗi các mô đun .............................................................................10 1.2.7.1. Nối nối tiếp ................................................................................................10 1.2.7.2. Nối song song ............................................................................................11 1.2.7.3. Tính toán nối theo mảng ...........................................................................12 1.2.8. Hệ thống PV độc lập và kết lưới ......................................................................12 1.2.8.1. Hệ thống PV độc lập (off-grid) .................................................................12 1.2.8.2. Hệ thống PV có kết lưới (on - grid) ..........................................................13 1.2.8.3. Hệ thống PV tập trung có kết lưới ............................................................14 1.3. CÁC LOẠI PV PHỔ BIẾN HIỆN NAY................................................................14 Kết luận chương 1: ........................................................................................................16 CHƯƠNG 2. ĐÁNH GIÁ TIỀM NĂNG BỨC XẠ MẶT TRỜI .............................17 2.1. XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI ........................17 2.2. THU THẬP, PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ NGUỒN BỨC XẠ MẶT TRỜI TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM ...........................................................................................19 2.2.1. Tiềm năng năng lượng mặt trời tỉnh Bình Thuận ............................................21 2.2.2. Bức xạ năng lượng mặt trời khu vực dự án .....................................................23 2.2.3. Kết quả khảo sát khu vực dự án .......................................................................28 2.2.4. Giới thiệu tổng quan về Dự án năng lượng mặt trời Đa Mi ............................30 2.2.4.1. Quy mô dự án ............................................................................................30 2.2.4.2. Địa điểm xây dựng ....................................................................................30 Kết luận chương 2: ........................................................................................................32 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ LỰA CHỌN VÀ BỐ TRÍ CÁC MÔ ĐUN PV, INVERTER VÀ HỆ THỐNG PHAO NỔI ..............................................33 3.1. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ LỰA CHỌN VÀ BỐ TRÍ MÔ ĐUN PV ..................33 3.1.1. Thiết kế lắp đặt Pin mặt trời PV ......................................................................34 3.1.1.1. Góc nghiêng tấm Pin .................................................................................34 3.1.1.2. Bố trí cấu hình lắp đặt các tấm Pin ...........................................................35 3.1.1.3. Khoảng cách giữa các hàng.......................................................................35 3.1.1.4. Thiết kế phần điện DC ..............................................................................36 3.1.2. Phương án bố trí mảng pin...............................................................................36 3.1.2.1. Số tấm Pin nối tiếp tối đa trong một chuỗi ...............................................36 3.1.2.2. Số tấm pin nối tiếp tối thiểu trong một chuỗi ...........................................36 3.2. NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN INVERTER ............................................................37 3.2.1. Phân loại Inverter .............................................................................................37 3.2.1.1. Inverter trung tâm (Central Inverter) ........................................................37 3.2.1.2. Inverter chuỗi (String inverter) .................................................................37 3.2.1.3. Inverter siêu nhỏ (Microinverter) ..............................................................37 3.2.2. Tính toán công suất mảng Pin/Inverter ............................................................38 3.3. NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHAO NEO ....................40 3.3.1. Dạng phao nổi kết hợp giàn khung thép tạo góc nghiêng ...............................40 3.3.2. Dạng phao chuyên dụng tạo góc nghiêng ........................................................41 3.3.3. Mô tả chung các loại vật liệu nhựa phổ biến ...................................................41 3.3.4. Chọn lựa chủng loại vật liệu sử dụng cho phao ...............................................42 3.3.5. Xem xét lựa chọn phương án phao ..................................................................42 3.3.5.1. Phao đúc sẵn ..............................................................................................43 3.3.5.2. Phao lắp ghép ............................................................................................43 3.3.6. Tải trọng thiết kế ..............................................................................................44 3.3.7. Yêu cầu thiết kế đối với hệ thống phao ...........................................................44 Kết luận chương 3: ........................................................................................................44 CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG, PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ CÁC YẾU TỐ KỸ THUẬT CỦA DỰ ÁN .................................................................................................45 4.1. PHÂN TÍCH SỐ LIỆU DỰ ÁN .............................................................................45 4.1.1. Lựa chọn vị trí dự án........................................................................................46 4.1.2. Quan trắc, tổng hợp phân tích số liệu bức xạ tại vị trí dự án ...........................46 4.1.3. Nghiên cứu lựa chọn tấm pin ...........................................................................47 4.1.4. Nghiên cứu lựa chọn inverter ..........................................................................49 4.1.5. Phân tích các giá trị tổn thất trong lắp đặt nhà máy.........................................51 4.2. PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM PVSYST ........................................................................................................................53 4.2.1. Tổng hợp số liệu đầu vào mô phỏng................................................................53 4.2.2. Kết quả mô phỏng trong phần mềm PVSys .....................................................53 Kết luận chương 4: ........................................................................................................59 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................60 TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................62 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 BẢNG Số hiệu Tên bảng Trang 1.1. Tổng hợp số liệu thông số kỹ thuật của PV phổ biến hiện nay 15 2.1. Tổng công suất lắp đặt hệ thống Solar PV tích lũy trên toàn thế giới 17 2.2. Kế hoạch phát triển điện mặt trời của Việt Nam đến 2030 18 2.3. Số liệu về bức xạ mặt trời tại VN 21 2.4. Số liệu bức xạ thực tế tháng và trung bình năm (kWh/m2) 21 2.5. Tổng số giờ nắng trung bình tháng và năm (giờ) 22 2.6. Nhiệt độ không khí trung bình tháng và năm (oC) 22 2.7. Tốc độ gió mạnh nhất 8 hướng và vô hướng, trạm Bảo Lộc (m/s) 23 2.8. Giá trị GHI trung bình tháng của các nguồn dữ liệu khu dự án (kWh/m2) 25 2.9. Thông số kỹ thuật của thiết bị trạm quan trắc bức xạ mặt trời 26 2.10. Số liệu tổng hợp bức xạ mặt trời tại hồ Đa Mi 28 2.11. Các thông tin cơ bản về hồ thủy điện Đa Mi như sau 29 3.1. Thông số kỹ thuật chính của inverter được chọn 38 4.1. So sánh các loại pin về thông số kỹ thuật 47 4.2. Các thông số kỹ thuật tấm pin được lưa chọn để mô phỏng 48 4.3. Thông số kỹ thuật chính của inverter được chọn để mô phỏng 50 4.4. Các thông số tổn thất. 52 4.5. Tổng hợp số liệu chính để mô phỏng dự án 53 4.6. Bảng tổng hợp kết quả tính toán mô phỏng dự án 53 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5. 1.6. 1.7. 1.8. 1.9. 1.10. 1.11. 1.12. 1.13. 1.14. 1.15. 1.16. 1.17. 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 2.6. 2.7. 2.8. 2.9. 2.10. 2.11. 2.12. 3.1. Tên hình Trang Quỹ đạo của trái đất quay quanh mặt trời Quỹ đạo mặt trời trong 1 ngày điển hình 4 5 Tác dụng PV biến đổi photons thành điện áp từ tiếp giáp pn Mạch điện tương đương Đặc tính dòng và điện áp của Module PV ở ánh sáng mặt trời và bóng tối Đặc tính công suất và điện áp (P-V) của module PV ở ánh sáng mặt trời Công nghệ sản xuất PV hiện nay Sơ đồ dạng cây mô tả các công nghệ sản xuất PV Cấu trúc của mô đun và một mảng Các mô đun giống nhau mắc nối tiếp Các mô đun khác nhau mắc nối tiếp Các mô đun giống nhau mắc song song Các mô đun khác nhau nối song song Các mô đun nối thành mảng Một hệ thống năng lượng mặt trời độc lập Hệ thống PV có kết lưới Hệ thống PV tập trung có kết lưới Tổng công suất lắp đặt hệ thống Solar PV tích lũy toàn thế giới tính đến 2016 Xu hướng phát triển điện mặt trời các nước trên thế giới Số liệu bức xạ mặt trời khu vực các nước Đông Nam Á Bản đồ bức xạ mặt trời các vùng ở Việt Nam 6 Số liệu bức xạ thực tế tháng và trung bình năm (kWh/m2) Biểu đồ tổng số giờ nắng trung bình tháng và năm (giờ) Biểu nhiệt độ trung bình tháng và năm (giờ) Bản đồ GHI trung bình ngày lý thuyết khu vực dự án Thiết bị quan trắc bức xạ mặt trời được lắp đặt tại hồ Đa Mi Tổng thể khu vực mặt hồ thủy điện Đa Mi Mặt hồ thủy điện Đa Mi Sơ đồ kết lưới Dự án nhà máy điện mặt trời Đa Mi Mô hình Bố trí lắp đặt PV 6 7 8 9 10 10 11 11 11 12 12 13 13 14 17 18 19 20 21 22 23 24 27 28 29 31 34 Số hiệu 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6. 3.7. 3.8. 3.9. 4.1. 4.2. 4.3. 4.4. 4.5. 4.6. 4.7. 4.8. 4.9. 4.10. 4.11. 4.12. Tên hình Góc nghiêng tối ưu tính toán từ phần mềm PVSyst Mô hình kết nối của inverter trung tâm và inverter chuỗi Sơ đồ đấu nối PV-INVERTTER-MBA Phao mô đun kết hợp khung thép Phao dạng ống với khung thép Phao chuyên dụng dạng khối Phao chuyên dụng dạng ống Minh họa hệ thống phao đúc sẵn Vị trí mặt bằng lắp đặt mảng pin trên mặt hồ Đa Mi Các chức năng chính của bộ inverter trung tâm Đặc tính điều chỉnh P-Q của bộ inverter trung tâm Sơ đồ đấu nối PV-INVERTTER-MBA Khoảng cách lựa chọn giữa các hàng pin Quá trình mô phỏng thông số kỹ thuật của pin và inverter Biểu đồ và số liệu sản lượng điện phát ra của nhà máy Biểu đồ tổn thất trong một năm của nhà máy điện mặt trời Đồ thị phân bố công suất phát của mảng pin và năng lượng tương ứng trong một năm Đồ thị phân bố công suất phát của nhà máy và sản lượng tương ứng trong một năm Đồ thị phân bố nhiệt độ làm việc của mảng pin Đồ thị phân bố điện áp làm việc của module PV Trang 35 38 39 40 40 41 41 43 46 49 49 50 52 54 55 56 57 57 58 58 1 MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1.1. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài Nhằm đạt mục tiêu của Chính phủ đề ra cho ngành Năng lượng Việt Nam, phấn đấu để tới năm 2020, Việt Nam phải đạt được sản lượng điện 265 tỷ kWh và tới năm 2030 phải đạt tới 570 tỷ kWh (năm 2017 mới chỉ khoảng 174 tỷ kWh điện thương phẩm). Qua 30 năm đổi mới đất nước, ngành Năng lượng nói chung và ngành điện nói riêng hàng năm đều tăng trưởng trên 10% năm. Ngành điện đã đáp ứng được tốc độ tăng trưởng đó. Tuy nhiên, hiện nay những năng lượng hóa thạch như than, khí đốt ngày càng cạn kiệt, các nguồn thủy điện lớn hầu hết được khai thác, để cân đối mục tiêu trên, từ nay đến năm 2020, trong vòng hơn 3 năm nữa phải tìm ra nguồn điện để bổ sung thêm gần 100 tỷ kWh điện; Bổ sung thêm khoảng 300 tỷ kWh đến 2030. Từ nhận định trên, các nguồn điện từ năng lượng mới như gió, mặt trời… cần được khai thác mạnh mẽ. Năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng mặt trời nói riêng đã được thế giới coi trọng trong nhiều thập kỷ qua và được đánh giá có tiềm năng to lớn. Đất nước chúng ta nằm trong ở khu vực nhiệt đới, do đó, nguồn năng lượng mặt trời có quanh năm đặc biệt là khu vực Miền nam. Có thể nói rằng, nguồn Năng lượng từ bức xạ mặt trời là vô tận. Để phát triển điện mặt trời, Thủ tướng Chính phủ đã ban hành Quyết định số 11/2017/QĐ-TTg về cơ chế khuyến khích phát triển các dự án điện mặt trời tại Việt Nam. Theo quyết định này, dự án điện mặt trời được miễn thuế nhập khẩu đối với hàng hóa nhập khẩu để tạo tài sản cố định cho dự án. Các dự án điện mặt trời, công trình đường dây và trạm biến áp để đấu nối với lưới điện được miễn, giảm tiền sử dụng đất, tiền thuê đất, tiền thuê mặt nước theo quy định của pháp luật hiện hành áp dụng cho dự án thuộc lĩnh vực ưu đãi đầu tư. Bên mua điện có trách nhiệm mua toàn bộ sản lượng điện từ các dự án nối lưới với giá mua điện tại điểm giao nhận điện là 2.086 đồng/kWh (chưa bao gồm thuế giá trị gia tăng), đương đương 9,35 Uscents/kWh đối với các dự án đưa vào vận hành trước ngày 30 tháng 06 năm 2019 áp dụng cho cả vòng đời dự án là 20 năm. Giá điện này chỉ áp dụng cho các dự án nối lưới có hiệu suất của tế bào quang điện (Solar Cell) lớn hơn 16% hoặc mô đun lớn hơn 15% [3]. Như vậy có thể thấy rằng, Chính phủ hết sức quan tâm thúc đẩy phát triển nguồn điện nói chung và nguồn năng lượng mặt trời nói riêng. Tuy nhiên, thực tiễn cho thấy rằng đến nay nguồn điện từ năng lượng mặt trời được đưa vào sử dụng vẫn còn rất khiêm tốn, đến nay vẫn chưa có Dự án điện mặt trời với quy mô hàng chục MW nối lưới được đưa vào vận hành, một trong các lý do chính đó là kinh nghiệm thực tế về thiết kế, xây dựng và quản lý vận Dự án này còn nhiều hạn chế. Do vậy, việc chọn nội dung đề tài: “ĐÁNH GIÁ DỰ ÁN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 47,5MW NỔI TRÊN HỒ ĐA MI” mang tính cấp thiết nhằm đảm bảo 2 cung cấp điện trong giai đoạn hiện nay và các năm tiếp theo, phù hợp với mục tiêu chiến lược phát triển nguồn điện nói chung cũng như nguồn năng lượng điện mặt trời tại Việt Nam mà Thủ tướng Chính phủ đã phê duyệt. 1.2. Ý nghĩa của đề tài Thông qua nội dung đánh giá về dự án năng lượng điện mặt trời nổi trên hồ Thủy điện Đa Mi, Đề tài phân tích đánh giá các yếu tố kỹ thuật đối với dự án, tạo tiền đề phát triển mạnh mẽ năng lượng điện mặt trời, góp phần thực hiện lộ trình xây dựng và phát triển nguồn năng lượng điện tái tạo tại Việt Nam theo Quyết định mà Thủ tướng Chính phủ đã phê duyệt, góp phần giảm phát thải và bảo vệ môi trường sống của chúng ta. 2. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI Nghiên cứu, phân tích đánh giá các yếu tố kỹ thuật đối với Dự án điện mặt trời nổi tại hồ Thủy điên Đa Mi với quy mô 47,5 MW nối lưới. Các mục tiêu cụ thể bao gồm: - Đánh giá tiềm năng bức xạ năng lượng mặt trời trong khu vực và trên thế giới. - Thu thập, phân tích tổng hợp số liệu quan trắc khí tượng tại vị trí dự án. - Đánh giá tổn thất, tính toán lựa chọn các thiết bị chính của nhà máy. - Lựa chọn vị trí, bố trí thiết bị và mô phỏng bằng phần mềm chuyên dụng PVsys để đánh giá tính khả thi và hiệu quả của dự án. Ứng dụng kết quả nghiên cứu để góp phần hoàn thiện nội dung thiết kế, triển khai thực hiện dự án cũng như làm tài liệu tham khảo để triển khai xây dựng các dự án tương tự trên mặt hồ thủy điện, thủy lợi đang có nhiều tiềm năng ở nước ta. 3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 3.1. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài là phân tích đánh giá các yếu tố kỹ thuật của Dự án. 3.2. Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu của đề tài bao gồm: - Đánh giá tiềm năng bức xạ mặt trời tại vị trí của dự án. - Tìm hiểu các công nghệ PV, inverter phổ biến hiện nay. - Nghiên cứu việc thiết kế bố trí các mô đun PV và inverter. - Nghiên cứu hệ thống công nghệ phao nổi trên mặt hồ. - Lựa chọn vị trí, bố trí thiết bị, mô phỏng bằng phần mềm PVsys để đánh giá ở khía cạnh kỹ thuật của dự án. 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm. - Xem xét ứng dụng phù hợp với thực tiễn. 3 5. BỐ CỤC ĐỀ TÀI Chương 1: Cở sở lý thuyết Năng lượng mặt trời. Chương 2: Đánh giá tiềm năng bức xạ mặt trời. Chương 3: Nghiên cứu thiết kế lựa chọn và bố trí mô đun PV, inverter và hệ thống phao nổi. Chương 4: Mô phỏng, đánh giá các yếu tố kỹ thuật của dự án. Kết luận và kiến nghị. 4 CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Mặt Trời là nguồn năng lượng lớn nhất mà con người có thể tận dụng được: Sạch, dồi dào, đáng tin cậy, gần như vô tận, và có ở khắp nơi dù ít hay nhiều. Việc thu giữ năng lượng Mặt Trời (NLMT) gần như không có ảnh hưởng tiêu cực gì đến môi trường. Việc sử dụng NLMT 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. Nguồn năng lượng mặt trời: Mặt Trời là một khối cầu có đường kính khoảng 1,4 triệu km với thành phần gồm các khí có nhiệt độ rất cao. Nhiệt độ bên trong Mặt Trời đạt đến gần 15 triệu độ, với áp suất gấp 70 tỷ lần áp suất khí quyển của Trái Đất. Đây là điều kiện lý tưởng cho các phản ứng phân hạch của các nguyên tử hydro. Bức xạ gamma từ các phản ứng phân hạch này, trong qúa trình được truyền từ tâm Mặt Trời ra ngoài, tương tác với các nguyên tố khác bên trong Mặt Trời và chuyển thành bức xạ có mức năng lượng thấp hơn, chủ yếu là ánh sáng và phần nhiệt của phổ năng lượng. Bức xạ điện từ này, với phổ năng lượng trải dài từ cực tím đến hồng ngoại, phát ra không gian ở mọi hướng khác nhau. Quá trình bức xạ của Mặt Trời diễn ra từ 5 tỷ năm nay, và sẽ còn tiếp tục trong vài tỷ năm nữa. Tuy nhiên, để tận dụng hiệu quả nguồn bức xạ mặt trời ở mỗi vị trí trên trái đất chúng ta cần tìm hiểu thêm về quỹ đạo của trái đất. Quỹ đạo trái đất: Trái đất quay một vòng quanh mặt trời với 365,25 ngày theo quy đạo hình elip, trục trái đất nghiêng một góc 23,440. Do vậy, tùy theo từng vị trí cụ thể trên trái đất thì hướng đặt các tấm pin quang điện cũng như góc nghiêng phù hợp sẽ thu được cường độ bức xạ tốt nhất, mang lại hiệu quả tối ưu cho dự án. Chi tiết được nghiên cứu ở các chương tiếp theo của luận văn. Hình 1.1: Quỹ đạo của trái đất quay quanh mặt trời 5 a) b) Hình 1.2: Quỹ đạo mặt trời trong 1 ngày điển hình a) Ngày 21 tháng 03 (và 21/09) mặt trời mọc chính xác ở hướng đông và lặn xuống chính xác về phía tây. b) Vào ngày 21/12, mặt trời mọc và nằm ở vị trí Nam nhất so với đường xích đạo. Ngược lại, vào ngày 21 tháng 6, mặt trời mọc và nằm ở vị trí bắc nhất so với đường xích đạo. Nhận xét đánh giá: Rõ ràng chúng ta thấy rằng, cùng một vị trí trên trái đất nhưng góc đón ánh nắng trực tiếp từ mặt trời thay đổi theo mùa trong năm. Đối với các dự án được thiết kế lắp đặt các tấm PV cố định thì việc chọn góc nghiêng và hướng lắp đặt phù hợp sẽ mang lại hiệu quả cao hơn về mặt năng lượng. Vị trí hồ thủy điện Đa Mi nằm ở vị trí N11°14’26.42“; E107°50’14.64“, một cách tổng quát thì các tấm PV của dự án Đa Mi sẽ được lưa chọn đặt nghiêng theo hướng nam, chi tiết được nghiên cứu ở phần tiếp theo. 1.2. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ PIN QUANG ĐIỆN 1.2.1. Lý thuyết pin quang điện Để hiểu về pin quang điện (PV), trước tiên chúng ta tìm hiểu về lý thuyết nền tảng về vật lý chất bán dẫn. Hiện nay, công nghệ chế tạo PV chủ yếu từ tinh thể Silic. Vì vậy, trong nội dung này chỉ tập trung mô tả pin năng lượng tinh thể Silic. Nguyên tố Silic thuộc nhóm IV-A trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học, tức là có 4 Electron lớp ngoài cùng. Khi Silic ở thể rắn, Electron có thể đạt được một số mức năng lượng nhất định và một số mức năng lượng khác thì không có thể đạt được. Nói đơn giản hơn là có lúc dẫn điện, có lúc không dẫn điện. Vì vậy, Silic là vật liệu bán dẫn. Silic có thể kết hợp với nguyên tử nhóm III tạo thành loại bán dẫn p bởi vì năng lượng chủ yếu mang điện tích dương (Positive), trong khi phần kết hợp với các nguyên tử nhóm V gọi là bán dẫn n vì mang năng lượng âm (Negative). Bản chất vật lý của pin PV tương tự như Diode với các tiếp giáp pn (hình 1.3). 6 Hình 1.3: Tác dụng PV biến đổi photons thành điện áp từ tiếp giáp pn Khi lớp tiếp giáp hấp thụ ánh sáng, năng lượng hấp thụ dưới dạng photons. Các điện tích tự do từ lớp N sẽ di chuyển có để lấp đầy các lổ trống hoặc cặp điện tử-lỗ trống bên điện cực P. Các điện tử ở miền tiếp giáp có thể tạo ra Gradient điện thế, được gia tốc bởi trường điện từ và chạy theo chiều từ điện cực N tới điện cực P tạo thành dòng điện [1]. 1.2.2. Mạch điện tương đương Pin quang điện PV có thể được trình bày bởi mạch điện tương đương ở hình 1.4. Các thông số của mạch cho dưới đây. Dòng I tại đầu ra bằng với dòng ánh sáng sinh ra IL, nhỏ hơn dòng diode ID và dòng rò shunt ISH. Điện trở nối tiếp RS biểu diễn cho điện trở nội của dòng điện chạy qua và phụ thuộc vào chiều dày lớp tiếp giáp pn, tạp chất và điện trở tiếp xúc. Điện trở Shunt RS ngược lại với dòng rò nối đất. Ở pin PV lý tưởng, RS = 0 (không tổn hao) và RSH = ꝏ (không có rò nối đất). Ở loại chất lượng cao 1 (in2), pin Silicon, Rs thay đổi từ 0,05 (Ω) đến 0,10 (Ω) và RSH từ 200 (Ω) đến 300 (Ω). Hiệu quả của bộ biến đổi PV có độ nhạy nhỏ ở RS, nhưng không nhạy ở RSH. Khi Rs tăng nhẹ có thể làm giảm đáng kể công suất ra PV. Hình 1.4: Mạch điện tương đương 7 Ở mạch tương đương, dòng chuyển đến tải bằng dòng IL phát ra bởi cường độ chiếu sáng, nhỏ hơn dòng diode Id và dòng tản shunt Ish. Điện áp hở mạch VOC của pin được tạo thành khi dòng tải bằng 0, i.e.., khi I = 0 (A) và cho sau đây: 𝑉𝑂𝐶 = 𝑉 + 𝐼. 𝑅𝑆𝐻 (1.1) Dòng diode cho bởi dòng diode cổ điển biểu diễn: 𝑄.𝑉𝑂𝐶 𝐼𝑑 = 𝐼𝐷 [𝑒 𝐴.𝑘.𝑇 − 1] (1.2) Trong đó: ID: Dòng diode bão hòa VOC: Điện áp hở mạch Q: Điện tích 1,6x10-19C A: Hằng số đường cong thực nghiệm k: Hằng số Boltzmann = 1,38x10-23 J/0K T: Nhiệt độ tuyệt đối 0K Dòng tải có thể biểu diễn: 𝑉𝑂𝐶 (1.3) 𝑅𝑠ℎ Số hạng cuối là dòng rò nối đất. Ở pin thực tế, nó bỏ qua so sánh dòng IL và dòng ID và bỏ sự phát nóng. Dòng Diode bão hòa có thể xác định bằng thực nghiệm do thêm điện áp VOC khi đưa pin ở bóng tối và đo dòng từ pin. Dòng đó thường gọi là dòng tối hoặc dòng diode ngược bảo hòa. 1.2.3. Điện áp hở mạch và dòng ngắn mạch Hai tham số quan trọng thường sử dụng để mô tả pin điện là điện áp hở mạch VOC và dòng ngắn mạch Isc dưới cường độ chiếu sáng. Dòng ngắn mạch được đo bằng cách ngắn mạch đầu ra. Bỏ qua dòng diode nhỏ và dòng rò nối đất dưới điện áp đầu cực bằng 0, dòng ngắn mạch dưới điều kiện dòng quang điện IL. 𝑄.𝑉𝑂𝐶 𝐼𝑑 = 𝐼𝐿 − 𝐼𝐷 [𝑒 𝐴.𝑘.𝑇 − 1] − Hình 1.5: Đặc tính dòng và điện áp của Module PV ở ánh sáng mặt trời và bóng tối Điện áp quang lớn nhất tạo ra dưới điện áp hở mạch. Lặp lại, bỏ qua dòng rò nối đất, phương trình (1.3) với I = 0 cho bởi điện áp hở mạch sau đây: 8 𝐴. 𝑘. 𝑇 𝐼𝐿 (1.4) 𝑙𝑜𝑔𝑛 ( + 1) 𝑄 𝐼𝐷 kT/Q biểu diễn điện áp (0,026 V tại 3000K). Ở pin quang điện thực tế, dòng quang điện lũy thừa 10 lớn hơn dòng ngược bão hòa. Do đó, điện áp hở mạch gấp nhiều lần giá trị kT/Q. 1.2.4. Đường I - V và P - V Đặc tính điện của PV thường được biểu diễn bởi đường dòng và áp (I - V). Hình 1.5 biểu diễn đặc tính I - V của module PV dưới 2 điều kiện, ở ánh sáng mặt trời và ở bóng tối. Ở góc phần tư thứ nhất, phía trên bên trái của đường I - V tại điện áp bằng 0 gọi là dòng ngắn mạch. Đó là dòng chúng ta sẽ đo với điện đầu cuối ngắn mạch (điện áp bằng 0). Phía dưới bên phải của đường tại dòng bằng 0 gọi là điện áp hở mạch. Đó là điện áp chúng ta sẽ đo với hở mạch đầu ra (dòng bằng 0). Ở miền gạch chéo bên trái, pin làm việc như nguồn dòng không đổi, sinh ra điện áp nối với tải điện trở. Ở miền gạch chéo bên phải, dòng điện dốc với sự tăng nhỏ của điện áp. Ở miền đó, pin làm việc như nguồn điện áp không đổi nối với đầu điện trở. Đâu đó giữa hai miền gạch chéo, đường cong có điểm đỉnh. Nếu điện áp bên ngoài cung cấp theo chiều ngược lại, chẳng hạn như, trong ngắn mạch thoáng qua, dòng pin dư trong mặt phẳng, và công suất hấp thụ bởi pin với điện áp âm và dòng điện dương. Tuy nhiên, điện áp quá mức cho phép, lớp tiếp giáp đánh thủng như diode và dòng điện đạt tới giá trị cao. Ở trong tối dòng điện bằng không, điện áp dưới điện áp đánh thủng, mà giống như điều kiện chiếu sáng. Công suất đầu ra của tấm bảng tạo ra bởi điện áp và dòng điện đầu ra. Ở hình 1.6 thể hiện đồ thị công suất ngược với đồ thị điện áp. Chú ý pin tạo ra công suất bằng không tại điện áp hoặc dòng điện bằng không và tạo ra công suất lớn nhất tại điện áp tương ứng đến điểm đầu gối của đường I - V. Mạch PV kiểu giống như nguồn dòng không đổi ở phân tích mạch điện của hệ thống. 𝑉𝑂𝐶 = Hình 1.6: Đặc tính công suất và điện áp (P-V) của module PV ở ánh sáng mặt trời 9 1.2.5. Công nghệ pin quang điện Trong phần này giới thiệu một số công nghệ làm pin quang điện và những thông số kĩ thuật chung. Một hệ thống pin mặt trời được tạo thành từ các mô đun tinh thể (Crystalline) hoặc màng mỏng (thin film). Có 2 dạng công nghệ sử dụng trong pin mặt trời dạng tinh thể Sillicon được thể hiện trên hình (handbook for solar PV system) Sillicon đơn tinh thể Sillicon đa tinh thể Hình 1.7: Công nghệ sản xuất PV hiện nay Các dạng công nghệ sản xuất pin quang điện hiện nay được thể hiện trong hình 1.7. Các tế bào năng lượng mặt trời PV có thể được phân loại thành "Silicon tinh thể" (được sản xuất bằng cách cắt các tấm mỏng từ khối phôi Silic) và các công nghệ "màng mỏng" (trong đó một lớp mỏng vật liệu bán dẫn được lắng đọng trên nền chất lượng thấp). Hình 1.8 trình bày các loại công nghệ sản xuất PV phổ biến [5]. 10 Hình 1.8: Sơ đồ dạng cây mô tả các công nghệ sản xuất PV 1.2.6. Mô đun và mảng PV Hình 1.9: Cấu trúc của mô đun và một mảng Tế bào quang điện (Cell) được trình bày ở trên là phần tử cơ bản nhất của một hệ thống điện năng quang điện. Thông thường, nó vào cỡ vài inch và tạo ra công suất khoảng 1 (W). Để đạt công suất cao, chúng cần được nối với nhau thành một hệ thống cụ thể: Có thể nối nối tiếp nhiều pin và nối song song tạo thành các modules PV và nhiều modules PV nối nối tiếp hoặc song song để tạo thành tấm bảng (Panel) diện tích của một vài feet2 (Hình 1.9). 1.2.7. Tính toán chuỗi các mô đun 1.2.7.1. Nối nối tiếp Một chuỗi bao gồm các mô đun nối nối tiếp với nhau. Điện áp của chuỗi bằng tổng điện áp của các mô đun và dòng điện của chuỗi chính là dòng điện nhỏ nhất trong các mô đun của chuỗi. 11 Hình 1.10: Các mô đun giống nhau mắc nối tiếp Hình 1.11: Các mô đun khác nhau mắc nối tiếp 1.2.7.2. Nối song song Các mô đun có thể nối song song với nhau. Điện áp của các mô đun bằng điện áp của mỗi mô đun và dòng điện của là tổng dòng điện của các mô đun. Hình 1.12: Các mô đun giống nhau mắc song song 12 Hình 1.13: Các mô đun khác nhau nối song song 1.2.7.3. Tính toán nối theo mảng Thiết kế một mảng bao gồm các mô đun kết hợp nối tiếp và song song để tạo ra dòng điện và điện áp ra phù hợp với yêu cầu của ứng dụng. Các mô đun được nối với nhau tạo thành một chuỗi và các chuỗi nối song song với nhau tạo thành một mảng. Hình 1.14: Các mô đun nối thành mảng 1.2.8. Hệ thống PV độc lập và kết lưới 1.2.8.1. Hệ thống PV độc lập (off-grid) Một hệ thống năng lượng mặt trời độc lập được sử dụng để thay thể hoặc bổ sung cho các nguồn năng lượng truyền thống. Hệ thống này thường được sử dụng ở nhưng nơi vùng sâu, vùng xa nơi mà không có điện lưới. Hệ thống độc lập sử dụng năng lượng mặt trời có thể cung cấp trực tiếp cho các tải một chiều DC, hoặc tải xoay chiều AC thông qua bộ chuyển đổi (inverter); hoặc hệ thống có thể sử dụng thêm bộ dự trữ để tích lũy sử dụng trong những thời điểm không có mặt trời. Hệ thống này có thể chỉ bao gồm một PV mô đun, pin và một bộ điều khiển; Nhưng cũng có thể là một hệ thống có công suất lớn phối hợp với thiêt bị điều khiển và các nguồn phát dự phòng (Diesel). 13 Hình 1.15: Một hệ thống năng lượng mặt trời độc lập 1.2.8.2. Hệ thống PV có kết lưới (on - grid) Khác với hệ thống độc lập là được thiết kế để thay thế cho nguồn điện lưới, hệ thống kết lưới thường được sử dụng trong những nơi luôn có sẵn lưới hệ thống nhưng thay vì sử dụng các hệ thống lưu trữ để tích lũy năng lượng dư thừa từ mặt trời, thì lượng thừa này sẽ phát ngược về lưới. Nói một cách khác, lưới điện có thể coi như là một bộ dữ trữ lớn, khi công suất dư thừa có thể truyền ngược về cho lưới. Một ưu điểm lớn của việc này đó là hệ thống này có thể không đủ lớn để cung cấp cho tải như trong hệ thống độc lập. Phụ tải lúc này có thể được cung cấp từ hệ thống năng lượng mặt trời, hoặc lưới, hoặc cả hai; điều này có nghĩa là hệ thống này có thể lớn hoặc nhỏ tùy theo nhu cầu. Thông thường hệ thống này bao gồm hệ thống pin mặt trời, bộ chuyển đổi và các thiết bị đo lường. Ngoài ra, còn có một số thành phần như cáp, hộp ghép nối, thiết bị bảo vệ, thiết bị chống sét. Hình 1.16: Hệ thống PV có kết lưới