Tài liệu Nghiên cứu các chế độ vận hành khi kết nối nhà máy điện mặt trời tuấn ân vào lưới điện phân phối cam ranh

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN ĐÌNH KHOA NGHIÊN CỨU CÁC CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH KHI KẾT NỐI NHÀ MÁY ĐIỆN MẶT TRỜI TUẤN ÂN VÀO LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI CAM RANH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng, Năm 2017 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN ĐÌNH KHOA NGHIÊN CỨU CÁC CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH KHI KẾT NỐI NHÀ MÁY ĐIỆN MẶT TRỜI TUẤN ÂN VÀO LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI CAM RANH Chuyên ngành : Kỹ thuật điện Mã số: 60 52 02 02 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. ĐINH THÀNH VIỆT Đà Nẵng, Năm 2017 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 Nguyễn Đình Khoa TRANG TÓM TẮT TIẾNG ANH NGHIÊN CỨU CÁC CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH KHI KẾT NỐI NHÀ MÁY ĐIỆN MẶT TRỜI TUẤN ÂN VÀO LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI CAM RANH Học viên: Nguyễn Đình Khoa Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 60.52.02.02 Trường Đại học Bách Khoa - ĐHĐN Khóa: K33NT Tóm tắt - Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng vô tận, miễn phí, không gây ô nhiễm môi trường và đặc biệt là ở đâu cũng có. Trên thế giới đã có nhiều nước khai thác nguồn năng lượng này rất có hiệu quả và ngày càng phát triển như: Đức, Ý, Tây Ban Nha, Mỹ, … và có nhiều nước đang xem xét xây dựng như: Trung Quốc, Philippin, Canada, Braxin… Đầu năm 2016, UBND tỉnh Khánh Hòa đã cấp quyết định chủ trương đầu tư dự án Nhà máy điện mặt trời hòa lưới cho Công ty Cổ phần Điện mặt trời Tuấn Ân. Dự án được triển khai tại xã Cam Thịnh Tây, thành phố Cam Ranh. Vấn đề nghiên cứu lựa chọn các chế độ đặc trưng, đánh giá ảnh hưởng của nhà máy điện mặt trời Tuấn Ân đến các chế độ vận hành của lưới điện phân phối Cam Ranh cần được quan tâm đúng mức. Trong luận văn, phần mềm Etap được lựa chọn để thực hiện mô phỏng, tính toán, phân tích lưới điện phân phối tương ứng với các chế độ vận hành khác nhau. Từ khóa - nhà máy điện mặt trời; pin mặt trời; lưới điện phân phối; chế độ vận hành; Etap. RESEARCH OF OPERATION MODES OF CONNECTING TUAN AN SOLAR POWER PLANT TO POWER DISTRIBUTION GRID-LINE OF CAM RANH CITY Abstract - Solar energy is a "green" source of energy with no pollution to the environment. There are many countries exploiting solar energy effectively as Germany, Italy, Spain, USA, ... and some other nations are considering solar power plant construction as China, Philippines, Canada, Brazil, ... In early 2016, the People's Committee of Khanh Hoa province has made an agreement to invest in the solar power plant project of Tuan An Solar Power Joint Stock Company. The plant was constructed in Cam Thinh Tay town, Cam Ranh city. The study of specific operation modes and evaluating impact of connection between Tuan An solar power plant and power distribution grid-line of Cam Ranh city must be considered properly. The Etap software is used to perform simulation, calculation and analysis of distribution grid-line corresponding to different operating modes. Keywords - solar power plant; solar battery; grid distribution; operation mode; Etap. MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN TRANG TÓM TẮT TIẾNG ANH MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU............................................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài ............................................................................................................... 1 2. Mục đích nghiên cứu......................................................................................................... 1 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................................................... 1 3.1. Đối tượng nghiên cứu ................................................................................................. 1 3.2. Phạm vi nghiên cứu .................................................................................................... 2 4. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................................. 2 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ......................................................................... 2 6. Cấu trúc của luận văn ....................................................................................................... 2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY ĐIỆN MẶT TRỜI VÀ LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI CAM RANH ................................................................................................ 3 1.1. GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI......................................................... 3 1.1.1. Khái niệm ................................................................................................................ 3 1.1.2. Bức xạ mặt trời......................................................................................................... 3 1.1.3. Tính toán năng lượng mặt trời ................................................................................. 6 1.1.3.1. Tính toán góc tới của bức xạ trực xạ ................................................................ 7 1.1.3.2. Bức xạ mặt trời ngoài khí quyển lên bề mặt nằm ngang ................................. 9 1.2. PIN MẶT TRỜI ........................................................................................................ 10 1.2.1. Hiệu ứng quang điện ............................................................................................. 10 1.2.2. Cấu tạo của pin mặt trời ........................................................................................ 12 1.2.3. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời .................................................................. 13 1.2.4. Đặc tính làm việc của pin mặt trời ....................................................................... 14 1.2.4.1. Mạch điện tương đương ................................................................................. 14 1.2.4.2. Đặc tính làm việc của pin mặt trời ................................................................. 16 1.3. TIỀM NĂNG PHÁT TRIỂN ĐIỆN MẶT TRỜI TẠI CAM RANH ...................... 18 1.3.1. Khái quát về TP. Cam Ranh ................................................................................. 18 1.3.1.1. Vị trí địa lý ..................................................................................................... 18 1.3.1.2. Đặc điểm tự nhiên .......................................................................................... 18 1.3.2. Tiềm năng phát triển điện mặt trời tại Cam Ranh ................................................ 19 1.4. KHÁI QUÁT LĐPP KHU VỰC TP. CAM RANH ............................................ 19 1.4.1. Nguồn điện ........................................................................................................ 19 1.4.2. Lưới điện trung áp............................................................................................. 20 1.5. GIỚI THIỆU NHÀ MÁY ĐIỆN MẶT TRỜI TUẤN ÂN .................................. 21 1.5.1. Quy mô .............................................................................................................. 21 1.5.2. Sơ bộ công nghệ................................................................................................ 22 1.5.2.1. Pin mặt trời ................................................................................................. 22 1.5.2.2. Bộ biến đổi DC-AC (Inverter) ................................................................... 23 1.5.2.3. MBA 1,25MVA - 0,4/22kV ........................................................................ 23 1.5.2.4. Hệ thống điều khiển và giám sát ................................................................ 24 1.5.2.5. Hệ thống giá đỡ Pin mặt trời ...................................................................... 24 1.6. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1...................................................................................... 25 CHƯƠNG 2. GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MÔ PHỎNG .......................................... 26 2.1. CÁC TÍNH NĂNG CỦA PHẦN MỀM ETAP .................................................... 26 2.2. GIAO DIỆN CỦA PHẦN MỀM ETAP ............................................................... 27 2.2.1. Cửa sổ chính...................................................................................................... 27 2.2.2. Các chức năng tính toán.................................................................................... 27 2.2.3. Các phần tử AC ................................................................................................. 28 2.2.4. Các thiết bị đo lường và bảo vệ ........................................................................ 28 2.3. ỨNG DỤNG PHẦN MỀM ETAP ĐỂ TÍNH TOÁN PHÂN TÍCH LƯỚI ĐIỆN MẪU ................................................................................................................................29 2.3.1. Thông số lưới điện ............................................................................................ 29 2.3.1.1. Thông số nguồn .......................................................................................... 29 2.3.1.2. Thông số nút ............................................................................................... 29 2.3.1.3. Thông số nhánh .......................................................................................... 30 2.3.1.4. Thông số tải ................................................................................................ 30 2.3.2. Kết quả mô phỏng ............................................................................................. 30 2.3.2.1. Phân bố công suất ....................................................................................... 31 2.3.2.2. Tổn thất công suất ...................................................................................... 31 2.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ..................................................................................... 31 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN, PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH KHI KẾT NỐI NHÀ MÁY ĐIỆN MẶT TRỜI VÀO LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI CAM RANH .......................................................................................................32 3.1. CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA LƯỚI ĐIỆN ............................................ 32 3.1.1. Phụ tải Trạm nghiền xi măng Cam Ranh ........................................................... 33 3.1.2. Xuất tuyến 472-ENCR ........................................................................................ 34 3.2. CÁC CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH CỦA LĐPP KHI CHƯA KẾT NỐI NMĐ MẶT TRỜI TUẤN ÂN .............................................................................................................35 3.2.1. Tính toán tổn thất công suất................................................................................ 35 3.2.2. Tính toán tổn thất điện năng ............................................................................... 36 3.2.2.1. Tổn thất điện năng tại TBA 110kV ENCR ................................................. 39 3.2.2.2. Tổn thất điện năng trên XT 472-ENCR....................................................... 40 3.2.2.3. Tổng tổn thất điện năng ............................................................................... 41 3.2.3. Phân tích điện áp vận hành ................................................................................. 42 3.3. CÁC CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH CỦA LĐPP KHI CÓ KẾT NỐI NMĐ MẶT TRỜI TUẤN ÂN .......................................................................................................................47 3.3.1. Chế độ phụ tải cực đại ........................................................................................ 47 3.3.2. Chế độ phụ tải trung bình ................................................................................... 47 3.3.2.1. Tính toán tổn thất công suất ......................................................................... 47 3.3.2.2. Phân tích điện áp vận hành .......................................................................... 51 3.3.3. Chế độ phụ tải cực tiểu ....................................................................................... 55 3.3.3.1. Tính toán tổn thất công suất ......................................................................... 55 3.3.3.2. Phân tích điện áp vận hành ............................................................................. 59 3.3.4. Tính toán tổn thất điện năng ................................................................................. 63 3.3.4.1. Tổn thất điện năng tại TBA 110kV ENCR ................................................... 64 3.3.4.2. Tổn thất điện năng trên XT 472-ENCR......................................................... 66 3.3.4.3. Tổng tổn thất điện năng ................................................................................. 67 3.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3.......................................................................................... 68 KẾT LUẬN ............................................................................................................................. 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................................... 70 PHỤ LỤC ................................................................................................................................ 71 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO) BIÊN BẢN THÀNH LẬP HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN (BẢN SAO DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CÁC KÝ HIỆU: - P: Công suất tác dụng - Q: Công suất phản kháng - U: Điện áp - δU: Độ lệch điện áp - I: Dòng điện - t: Thời gian - ΔP: Tổn thất công suất tác dụng - A: Điện năng - ΔA: Tổn thất điện năng CÁC CHỮ VIẾT TẮT: - LĐPP: Lưới điện phân phối - NMĐ: Nhà máy điện - TBA: Trạm biến áp - MBA: Máy biến áp - XT: Xuất tuyến - MC: Máy cắt - PT: Phụ tải - TC: Thanh cái - TTCS: Tổn thất công suất - TTĐN: Tổn thất điện năng DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang 1.1 Bảng thông số kỹ thuật được tính toán 21 2.1 Thông số nguồn của lưới điện mẫu 29 2.2 Thông số nút của lưới điện mẫu 29 2.3 Thông số nhánh của lưới điện mẫu 30 2.4 Thông số tải của lưới điện mẫu 30 3.1 Thông số vận hành LĐPP thuộc trạm ENCR 32 3.2 Phân bố công suất các chế độ vận hành khi chưa kết nối NMĐ mặt trời 35 3.3 Tính toán ΔP của LĐPP Cam Ranh khi chưa kết nối NMĐ mặt trời 36 3.4 Số liệu phân bố công suất của LĐPP Cam Ranh trong 1 ngày điển hình 37 3.5 Tính toán tổn thất điện năng qua các MBA T1 và T2/ENCR 39 3.6 Tính toán tổn thất điện năng trên XT 472-ENCR 40 3.7 Tổn thất điện năng của LĐPP khi chưa có kết nối NMĐ mặt trời 41 3.8 Kết quả mô phỏng điện áp khi chưa kết nối NMĐ mặt trời 42 3.9 Độ suy giảm điện áp trên XT 472-ENCR 46 3.10 Các chế độ phát của nhà máy điện mặt trời 47 3.11 Phân bố công suất chế độ phụ tải trung bình khi kết nối NMĐ mặt trời 48 3.12 Tính toán ΔP của chế độ phụ tải trung bình khi kết nối NMĐ mặt trời 48 3.13 3.14 3.15 3.16 3.17 Mô phỏng điện áp chế độ phụ tải trung bình khi kết nối NMĐ mặt trời Phân bố công suất chế độ phụ tải cực tiểu khi kết nối NMĐ mặt trời Tính toán ΔP của chế độ phụ tải cực tiểu khi kết nối NMĐ mặt trời Mô phỏng điện áp chế độ phụ tải cực tiểu khi kết nối NMĐ mặt trời Số liệu phân bố công suất của LĐPP Cam Ranh trong 1 ngày điển hình khi có kết nối NMĐ mặt trời 51 56 56 59 63 Số hiệu bảng 3.18 3.19 3.20 3.21 Tên bảng Tính toán tổn thất điện năng qua các MBA T1 và T2/ENCR Tính toán tổn thất điện năng trên XT 472-ENCR Tính toán tổng tổn thất điện năng So sánh TTĐN của LĐPP khi chưa có và có kết nối NMĐ mặt trời Trang 64 66 67 67 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Số hiệu hình vẽ Tên hình vẽ Trang 1.1 Dải bức xạ điện từ (độ dài bước sóng μm) 4 1.2 Góc nhìn Mặt trời 5 1.3 Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển của Trái đất 6 1.4 Các góc hình học của tia bức xạ mặt trời trên mặt phẳng nghiêng 8 1.5 Hệ hai mức năng lượng 10 1.6 Các vùng năng lượng 11 1.7 Quá trình chế tạo pin mặt trời đa tinh thể 13 1.8 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 14 1.9 Sơ đồ mạch điện tương đương của pin mặt trời 14 1.10 Đường cong I-V của pin mặt trời 16 1.11 Đồ thị I-V, P-V của pin mặt trời 17 1.12 Xác định điểm công suất cực đại theo đồ thị I-V 17 1.13 Mô hình cơ bản của nhà máy điện mặt trời Tuấn Ân 22 1.14 2.1 Sơ đồ một sợi của nhà máy điện mặt trời Tuấn Ân 24 Cửa sổ chính của phần mềm Etap 27 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 Các chức năng tính toán của phần mềm Etap Các phần tử AC của phần mềm Etap Các thiết bị đo lường và bảo vệ của phần mềm Etap Lưới điện mẫu mô phỏng bằng Etap 12.6 27 28 28 29 Sơ đồ mô phỏng phân bố công suất của lưới điện mẫu 30 2.7 Kết quả mô phỏng phân bố công suất của lưới điện mẫu 31 2.8 3.1 Kết quả mô phỏng tổn thất công suất của lưới điện mẫu Đồ thị phụ tải Trạm nghiền xi măng Cam Ranh 31 34 3.2 Đồ thị phụ tải XT 472-ENCR 35 3.3 Đồ thị phụ tải P(t) 37 3.4 Đặc tuyến ΔP(t) 37 3.5 Điện áp thanh cái C61/ENCR ở các chế độ vận hành 45 3.6 Điện áp nút phụ tải XT 472-ENCR ở các chế độ vận hành 46 Số hiệu hình vẽ Tên hình vẽ Trang 3.7 TTCS của MBA T1/ENCR ở chế độ PT trung bình khi kết nối NMĐ mặt trời 49 3.8 TTCS của XT 472-ENCR ở chế độ PT trung bình khi kết nối NMĐ mặt trời 49 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 TTCS của MBA T2/ENCR ở chế độ PT trung bình khi kết nối NMĐ mặt trời Điện áp TC C61/ENCR ở chế độ PT trung bình khi kết nối NMĐ mặt trời Điện áp TC C42/ENCR ở chế độ PT trung bình khi kết nối NMĐ mặt trời TTCS của MBA T1/ENCR ở chế độ PT cực tiểu khi kết nối NMĐ mặt trời TTCS của MBA T1/ENCR ở chế độ PT cực tiểu khi kết nối NMĐ mặt trời TTCS của MBA T2/ENCR ở chế độ PT cực tiểu khi kết nối NMĐ mặt trời Điện áp TC C61/ENCR ở chế độ PT cực tiểu khi kết nối NMĐ mặt trời Điện áp TC C42/ENCR ở chế độ PT cực tiểu khi kết nối NMĐ mặt trời 50 54 55 57 57 58 62 63 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Nguồn năng lượng điện nước ta phụ thuộc nhiều vào thủy năng và năng lượng hóa thạch (dầu mỏ, than đá, ...). Trong đó, công suất các nguồn thủy điện chiếm tỷ trọng khá lớn, gần 40% tập trung chủ yếu ở miền Bắc và miền Trung và phụ thuộc nhiều vào thiên nhiên. Trong những năm gần đây, nguồn thủy điện không ổn định do thời tiết thay đổi thất thường và bị ảnh hưởng hiệu ứng el nino, còn các nguồn năng lượng hóa thạch thì có hạn. Vào mùa khô thường bị thiếu điện nên vấn đề cấp thiết hiện nay là phải khai thác các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió, năng lượng mặt trời, ... Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng vô tận, miễn phí, không gây ô nhiễm môi trường và đặc biệt là ở đâu cũng có. Trên thế giới đã có nhiều nước khai thác nguồn năng lượng này rất có hiệu quả và ngày càng phát triển như: Đức, Ý, Tây Ban Nha, Mỹ, … và có nhiều nước đang xem xét xây dựng như: Trung Quốc, Philippin, Canada, Braxin… Vấn đề nghiên cứu lựa chọn các chế độ đặc trưng, đánh giá ảnh hưởng của nhà máy điện mặt trời đến thông số vận hành của lưới điện địa phương và độ tin cậy cung cấp điện của lưới điện khi có sự cố tham gia của nguồn điện mặt trời cần được quan tâm đúng mức. Xuất phát từ các lý do trên, đề tài “Nghiên cứu các chế độ vận hành khi kết nối nhà máy điện mặt trời Tuấn Ân vào lưới điện phân phối Cam Ranh” được lựa chọn để nghiên cứu để đưa ra các giải pháp kỹ thuật nhằm đảm bảo chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện cho lưới điện phân phối khi có kết nối nhà máy điện mặt trời. 2. Mục đích nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là phải chỉ ra được các vấn đề sau: - Ảnh hưởng của nhà máy điện mặt trời khi đấu nối vào hệ thống điện. - Sự ảnh hưởng của nhà máy điện mặt trời Tuấn Ân đến các chế độ vận hành khi đấu nối vào lưới điện phân phối Cam Ranh. - Các giải pháp kỹ thuật nhằm đảm bảo chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện cho lưới điện phân phối khi có kết nối nhà máy điện mặt trời. 3. Đối tượng và phạm vi ngiên cứu 3.1. Đối tượng nghiên cứu - Năng lượng mặt trời và biến đổi quang điện. - Nhà máy điện mặt trời Tuấn Ân. - Các chế độ vận hành của lưới điện khi có kết nối nhà máy điện mặt trời. 2 3.2. Phạm vi nghiên cứu Lưới điện phân phối khu vực Thành phố Cam Ranh. 4. Phương pháp nghiên cứu Sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm: - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết:  Thu thập các tài liệu liên quan  Các thông số ảnh hưởng đến hoạt động của nhà máy điện mặt trời  Ảnh hưởng của nhà máy điện mặt trời khi kết nối vào hệ thống điện - Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:  Sử dụng phần mềm ETAP để mô phỏng, tính toán 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Góp phần quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng điện năng, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện khi kết nối nhà máy điện mặt trời vào lưới điện phân phối. - Chủ động trong việc ứng phó với các chế độ phát khác nhau của nhà máy điện mặt trời. - Đưa ra giải pháp vận hành hiệu quả của nhà máy điện mặt trời khi kết nối với lưới điện. 6. Cấu trúc của luận văn Ngoại trừ phần mở đầu và kết luận, cấu trúc của đề tài gồm 3 chương, cụ thể như sau: - Chương 1: Tổng quan về nhà máy điện mặt trời và lưới điện phân phối Cam Ranh - Chương 2: Giới thiệu phần mềm mô phỏng - Chương 3: Tính toán, phân tích ảnh hưởng đến các chế độ vận hành khi kết nối nhà máy điện mặt trời vào lưới điện phân phối Cam Ranh 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY ĐIỆN MẶT TRỜI VÀ LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI CAM RANH Thành phố Cam Ranh có cường độ bức xạ năng lượng mặt trời trung bình trong ngày là 5,34kWh/m2/ngày, là điều kiện rất thuận lợi để triển khai các dự án năng lượng mặt trời. Đầu năm 2016, UBND tỉnh Khánh Hòa đã cấp quyết định chủ trương đầu tư dự án Nhà máy điện mặt trời hòa lưới cho Công ty Cổ phần Điện mặt trời Tuấn Ân. Dự án được triển khai tại xã Cam Thịnh Tây, TP. Cam Ranh, giai đoạn 1 có quy mô tổng công suất là 10MWp, diện tích đất sử dụng hơn 10ha với tổng vốn đầu tư hơn 400 tỷ đồng. 1.1. GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.1.1. Khái niệm Mặt trời là một trong những ngôi sao phát sáng mà con người có thể quan sát được trong vũ trụ. Mặt trời luôn phát ra một nguồn năng lượng khổng lồ và một phần nguồn năng lượng đó truyền bằng bức xạ đến trái đất chúng ta. Trái đất và Mặt trời có mối quan hệ chặt chẽ, chính bức xạ mặt trời là yếu tố quyết định cho sự tồn tại của sự sống trên hành tinh chúng ta. Năng lượng mặt trời là một trong các nguồn năng lượng sạch và vô tận và nó là nguồn gốc của các nguồn năng lượng khác trên trái đất [4]. Năng lượng mặt trời là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ mặt trời, cộng với một phần nhỏ năng lượng của các hạt nguyên tử khác phóng ra từ nó. Nguồn năng lượng bức xạ chủ yếu của mặt trời là do phản ứng nhiệt hạch tổng hợp hạt nhân Hydro, phản ứng này đưa đến sự tạo thành Hêli, cứ 4 hạt nhân Hydro lại tạo ra 1 hạt nhân Hêli, 2 Neutrino (hạt không mang điện) và một lượng bức xạ Gama (γ) [3]. 4H11 → He24 + 2 Neutrino + γ (1.1) Mỗi ngày, Mặt trời sản xuất một nguồn năng lượng qua phản ứng nhiệt hạch lên đến 9.1024kWh, tức là chưa đầy 1 phần triệu giây Mặt trời đã giải phóng ra một năng lượng tương đương với tổng số điện năng sản xuất trong một năm trên Trái đất [3]. 1.1.2. Bức xạ mặt trời Trong toàn bộ bức xạ của Mặt trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các phản ứng hạt nhân trong nhân mặt trời không quá 3%. Bức xạ γ ban đầu khi đi qua 5.105km chiều dài của lớp vật chất Mặt trời bị biến đổi rất mạnh. Tất cả các dạng của bức xạ điện từ đều có bản chất sóng và chúng khác nhau ở bước sóng. Bức xạ γ là sóng ngắn nhất trong các sóng đó (Hình 1.1), từ tâm Mặt trời đi ra do sự va chạm hoặc tán xạ mà 4 năng lượng của chúng giảm đi, chuyển thành các dạng bức xạ điện từ có bước sóng dài hơn [3]. Hình 1.1. Dải bức xạ điện từ (độ dài bước sóng μm) Đặc trưng của bức xạ mặt trời truyền trong không gian bên ngoài Mặt trời là một phổ rộng trong đó cực đại của cường độ bức xạ nằm trong dải 10-1 ÷ 10 μm và hầu như một nửa tổng năng lượng mặt trời tập trung trong khoảng bước sóng 0,38 - 0,78 μm, đó là vùng nhìn thấy của phổ. Chùm tia truyền thẳng từ mặt trời gọi là bức xạ trực xạ. Mật độ dòng bức xạ trực xạ ở ngoài lớp khí quyển, tính đối với với 1m2 bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ, được tính theo công thức [3]: q = φD_T.C0.(T/100)4 (1.2) Ở đây: φD_T : hệ số góc bức xạ giữa trái đất và mặt trời 2 φD_T = (1.3) 4 β: góc nhìn mặt trời có giá trị gần đúng là 32’ (Hình 1.2) C0 = 5,67 W/m2.K4: hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối T ≈ 5762°K: nhiệt độ bề mặt Mặt trời 5 Hình 1.2. Góc nhìn Mặt trời Vậy: 2.3,14.32 2 5762 360.60 q= 2 1353 [W/m ] .5,67 4 4 (1.4) 100 Do khoảng cách giữa Trái đất và Mặt trời thay đổi theo mùa trong năm nên β cũng thay đổi, do đó q cũng thay đổi nhưng độ thay đổi này không lớn lắm do đó có thể xem q là không đổi và được gọi là hằng số mặt trời. Khi truyền qua lớp khí quyển bao bọc quanh Trái đất, các chùm tia bức xạ bị hấp thụ và tán xạ bởi tầng ôzôn, hơi nước và bụi trong khí quyển, chỉ một phần năng lượng được truyền trực tiếp tới Trái đất. Đầu tiên ôxy phân tử bình thường O2 phân ly thành ôxy nguyên tử O, để phá vỡ liên kết phân tử đó, cần phải có các photon bước sóng ngắn hơn 0,18μm, do đó các photon (xem bức xạ như các hạc rời rạc - photon) có năng lượng như vậy bị hấp thụ hoàn toàn. Chỉ một phần các nguyên tử ôxy kết hợp thành các phân tử, còn đại đa số các nguyên tử tương tác với các phân tử ôxy khác để tạo thành phân tử ôzôn O3, ôzôn cũng hấp thụ bức xạ tử ngoại nhưng với mức độ thấp hơn so với ôxy, dưới tác dụng của các photon với bước sóng ngắn hơn 0,32μm, sự phân tách O3 thành O2 và O xảy ra. Như vậy hầu như toàn bộ năng lượng của bức xạ tử ngoại được sử dụng để duy trì quá trình phân ly và hợp nhất của O, O 2 và O3, đó là một quá trình ổn định. Do quá trình này, khi đi qua khí quyển, bức xạ tử ngoại biến đổi thành bức xạ với năng lượng nhỏ hơn. Các bức xạ với bước sóng ứng với các vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoại của phổ tương tác với các phân tử khí và các hạt bụi của không khí nhưng không phá vỡ các liên kết của chúng, khi đó các photon bị tán xạ khá đều theo mọi hướng và một số photon quay trở lại không gian vũ trụ. Bức xạ chịu dạng tán xạ đó chủ yếu là bức xạ có bước sóng ngắn nhất. Sau khi phản xạ từ các phần khác nhau của khí quyển bức xạ tán 6 xạ đi đến chúng ta mang theo màu xanh lam của bầu trời trong sáng và có thể quan sát được ở những độ cao không lớn. Các giọt nước cũng tán xạ rất mạnh bức xạ mặt trời. Bức xạ mặt trời khi đi qua khí quyển còn gặp một trở ngại đáng kể nữa đó là do sự hấp thụ của các phần tử hơi nưóc, khí cacbônic và các hợp chất khác, mức độ của sự hấp thụ này phụ thuộc vào bước sóng, mạnh nhất ở khoảng giữa vùng hồng ngoại của phổ. Phần năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt Trái đất trong những ngày quang đãng (không có mây) ở thời điểm cao nhất vào khoảng 1000W/m2 (Hình 1.3). Hình 1.3. Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển của Trái đất 1.1.3. Tính toán năng lượng mặt trời Cường độ bức xạ mặt trời trên mặt đất chủ yếu phụ thuộc 2 yếu tố: - Góc nghiêng của các tia sáng đối với mặt phẳng bề mặt tại điểm đã cho. - Độ dài đường đi của các tia sáng trong khí quyển Nói chung là phụ thuộc vào độ cao của Mặt trời (góc giữa phương từ điểm quan sát đến Mặt trời và mặt phẳng nằm ngang đi qua điểm đó). Yếu tố cơ bản xác định cường độ của bức xạ mặt trời ở một điểm nào đó trên Trái đất là quãng đường nó đi qua. Sự mất mát năng lượng trên quãng đường đó gắn 7 liền với sự tán xạ, hấp thụ bức xạ và phụ thuộc vào thời gian trong ngày, mùa, vị trí địa lý. Quan hệ giữa bức xạ mặt trời ngoài khí quyển và thời gian trong năm có thể xác định theo phương trình sau [3]: E E (1 0, 33cos ng 0 360n ) W/m 2 (1.5) 365 trong đó, Eng là bức xạ ngoài khí quyển được đo trên mặt phẳng vuông góc với tia bức xạ vào ngày thứ n trong năm. 1.1.3.1. Tính toán góc tới của bức xạ trực xạ Trong quá trình tính toán cần định nghĩa một số khái niệm như sau [3]: - Hệ số khối khí m: là tỷ số giữa khối lượng khí quyển theo phương tia bức xạ truyền qua và khối lượng khí quyển theo phương thẳng đứng (tức là khi Mặt trời ở thiên đỉnh). Như vậy, m = 1 khi Mặt trời ở thiên đỉnh, m = 2 khi góc thiên đỉnh θ z là 60°. Đối với các trường hợp θz = 0 ÷ 70°, có thể xác định gần đúng m = 1/cosθz. Còn đối với các trường hợp θz > 70° thì độ cong của bề mặt trái đất phải được đưa vào tính toán. Riêng đối với các trường hợp tính toán bức xạ mặt trời ngoài khí quyển, m = 0. - Trực xạ: là bức xạ mặt trời nhận được khi không bị bầu khí quyển phát tán. Đây là dòng bức xạ có hướng và có thể thu được ở các bộ thu kiểu tập trung (hội tụ). - Tán xạ: là bức xạ mặt trời nhận được sau khi hướng của nó bị thay đổi do sự phát tán của bầu khí quyển. - Tổng xạ: là tổng của trực xạ và tán xạ trên một bề mặt. - Cường độ bức xạ (W/m2): là cường độ năng lượng bức xạ mặt trời truyền đến một đơn vị diện tích của bề mặt. Cường độ bức xạ cũng bao gồm cường độ bức xạ trực xạ Etrx, cường độ bức xạ tán xạ Etx và cường độ bức xạ quang phổ Eqp. - Năng lượng bức xạ (J/m2): là năng lượng bức xạ mặt trời truyền đến một đơn vị diện tích bề mặt trong một khoảng thời gian (thường là 1 giờ hoặc 1 ngày). - Giờ mặt trời: là thời gian dựa trên chuyển động biểu kiến của mặt trời trên bầu trời, với quy ước mặt trời chính ngọ là thời điểm mặt trời đi qua thiên đỉnh của người quan sát. Giờ mặt trời là thời gian sử dụng trong quan hệ với góc mặt trời, nó không đồng nghĩa với giờ theo đồng hồ. Quan hệ hình học giữa một mặt phẳng bố trí bất kỳ trên mặt đất và bức xạ của mặt trời truyền tới, tức là vị trí của mặt trời so với mặt phẳng đó có thể được xác định theo các góc đặc trưng sau (): - Góc vĩ độ ϕ : vị trí góc tương ứng với vĩ độ so với đường xích đạo, với hướng phía bắc là hướng dương (-90° ≤ ϕ ≤ 90°). 8 - Góc nghiêng β: góc giữa mặt phẳng của bề mặt tính toán và phương nằm ngang (0 ≤ β ≤ 180°). Góc β > 90° nghĩa là bề mặt nhận bức xạ hướng xuống phía dưới. Hình 1.4. Các góc hình học của tia bức xạ mặt trời trên mặt phẳng nghiêng - Góc phương vị của bề mặt γ: góc lệch của hình pháp tuyến bề mặt trên mặt phẳng nằm ngang so với đường kinh tuyến. Góc γ = 0 nếu bề mặt quay về hướng chính nam, γ lấy dấu (+) nếu bề mặt quay về phía tây và lấy dấu (–) nếu bề mặt quay về phía đông (-180° ≤ γ ≤ 180°). - Góc giờ ω: góc chuyển động của vị trí mặt trời so với kinh tuyến địa phương do quá trình quay của trái đất quanh trục của nó và lấy giá trị 15° cho 1 giờ đồng hồ, buổi sáng lấy dấu (–), buổi chiều lấy dấu (+). - Góc tới θ: góc giữa tia bức xạ truyền tới bề mặt và pháp tuyến của bề mặt đó. - Góc thiên đỉnh θz: góc giữa phương thẳng đứng (thiên đỉnh) và tia bức xạ tới. Trường hợp bề mặt nằm ngang thì góc thiên đỉnh chính là góc tới θ. - Góc cao mặt trời α: góc giữa phương nằm ngang và tia bức xạ truyền tới, tức là góc phụ với góc thiên đỉnh. - Góc phương vị mặt trời γs: góc lệch so với phương nam của hình chiếu tia bức xạ mặt trời truyền tới trên mặt phẳng nằm ngang. Góc này lấy dấu (–) nếu hình chiếu lệch về phía đông và lấy dấu (+) nếu hình chiếu lệch về phía tây. - Góc lệch δ: vị trí góc của mặt trời tương ứng với giờ mặt trời là 12 giờ (tức là khi Mặt trời đi qua kinh tuyến địa phương) so với mặt phẳng của xích đạo trái đất, với hướng bắc là hướng dương (-23,45° ≤ δ ≤ 23,45°). Góc lệch δ của ngày thứ n trong năm có thể tính theo phương trình của Cooper: