Tài liệu Nghiên cứu chế độ vận hành tối ưu cho hệ thống điện mặt trời quy mô nhỏ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI HUỲNH TẤN PHÁT NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH TỐI ƯU CHO HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI QUY MÔ NHỎ LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI, NĂM 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI HUỲNH TẤN PHÁT NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH TỐI ƯU CHO HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI QUY MÔ NHỎ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 60.52.02.02 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Phạm Đức Đại HÀ NỘI, NĂM 2017 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận văn Huỳnh Tấn Phát i LỜI CÁM ƠN Tác giả xin trân trọng cám ơn Thầy hướng dẫn khoa học cùng các thầy cô khoa Năng lượng đã tận tình hướng dẫn trong suốt quá trình nghiên cứu và các đồng nghiệp tại trường Cao đẳng nghề Ninh Thuận đã giúp đỡ và đóng góp ý kiến hoàn thành luận văn. ii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ..................................................................................v DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT............................................................................vii MỞ ĐẦU..................................................................................................................viii CHƯƠNG 1 NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP KHAI THÁC SỬ DỤNG .......................................................................................................1 1.1 Nguồn năng lượng mặt trời............................................................................1 1.1.1 Bức xạ mặt trời ........................................................................................1 1.1.2 Nguồn gốc năng lượng mặt trời................................................................2 1.2 Năng lượng mặt trời trên thế giới và tiềm năng NLMT tại Việt Nam.............4 1.2.1 Quá trình phát triển và triển khai ứng dụng năng lượng mặt trời...............4 1.2.2 Tình hình ứng dụng năng lượng mặt trời trên thế giới ..............................5 1.2.3 Tiềm năng năng lượng mặt trời của Việt Nam..........................................8 1.3 Đặc điểm sản xuất nông nghiệp Ninh Thuận và ảnh hưởng của NLMT .......11 1.4 Các phương pháp khai thác sử dụng năng lượng mặt trời.............................13 1.4.1 Cung cấp nước nóng bằng năng lượng mặt trời ......................................14 1.4.2 Cung cấp điện bằng năng lượng mặt trời ................................................15 1.4.3 Các phương pháp khai thác khác ............................................................15 1.5 Các công nghệ chế tạo pin năng lượng mặt trời ...........................................16 1.5.1 Cấu tạo pin mặt trời................................................................................16 1.5.2 Pin Silic tinh thể (Crytalline silicon solar cell) .......................................17 1.5.3 Pin màng mỏng ......................................................................................18 1.5.4 Nguyên lý hoạt động pin mặt trời ...........................................................18 1.5.5 Mạch điện tương đương của tế bào quang điện.......................................19 1.5.6 Điện áp hở mạch và dòng ngắn mạch .....................................................20 1.6 Hệ thống điện mặt trời độc lập.....................................................................21 1.7 Hệ thống điện mặt trời hoà lưới ...................................................................23 CHƯƠNG 2 TRỜI 2.1 MÔ HÌNH TOÁN HỌC MÔ TẢ NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT .........................................................................................................25 Mô hình nguồn năng lượng mặt trời (PV generation model) ........................25 iii 2.1.1 Mô hình dòng điện ngắn mạch ...............................................................26 2.1.2 Mô hình điện áp hở mạch.......................................................................27 2.1.3 Mô hình tính toán công suất đầu ra tấm pin mặt trời...............................28 2.1.4 Khảo sát sự phụ thuộc công suất đầu ra vào nhiệt độ và độ bức xạ .........38 2.2 Mô hình nguồn dự trữ (Storage Battery) ......................................................41 2.2.1 Trạng thái sạc của Acqui ........................................................................41 2.2.2 Quá trình xả điện của Acqui...................................................................43 2.2.3 Dung lượng của Acqui ...........................................................................44 2.3 Mô hình nguồn lưới điện (Grid model) ........................................................44 2.4 Mô hình tải (Loads) .....................................................................................45 2.5 Hệ thống kết nối NLMT, Acqui, lưới điện...................................................45 2.5.1 Hoạt động của hệ thống..........................................................................45 2.5.2 Các điều kiện đảm bảo hoạt động của hệ thống ......................................46 2.5.3 Giám sát dòng năng lượng......................................................................48 CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG BÀI TOÁN VẬN HÀNH TỐI ƯU NGUỒN ĐIỆN MẶT TRỜI – NGUỒN LƯU TRỮ HOÀ VỚI LƯỚI ĐIỆN ......................................50 3.1 Xây dựng các ràng buộc vận hành ...............................................................51 3.1.1 Các ràng buộc cơ bản trong mạng lưới điện ...........................................51 3.1.2 Các ràng buộc về chế độ vận hành cho mạng điện..................................51 3.2 Xây dựng hàm mục tiêu chi phí mua bán điện .............................................54 3.3 Áp dụng tối ưu hoạt động cho hệ thống NLMT nối lưới cho mạng phụ tải nhỏ ....................................................................................................................57 3.3.1 Các thông số của hệ thống NLMT nối lưới............................................57 3.3.2 Xây dựng mô hình và tính toán mô phỏng trên phần mềm GAMS .........62 3.3.3 Kết quả tính toán tối ưu..........................................................................63 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO.................69 TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................................70 PHỤ LỤC..................................................................................................................71 iv DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Công suất phát điện mặt trời hàng năm trong giai đoạn 2004-2013 trên toàn cầu [4] .........................................................................................................................7 Hình 1.2 Đầu tư (tỷ USD) và công suất điện PV (GW) xây dựng thêm hàng năm trên toàn cầu giai đoạn 2004-2013 [4].................................................................................8 Hình 1.3 Hệ thống cung cấp nước nóng bằng NLMT theo kiểu đối lưu tự nhiên........14 Hình 1.4 Hình dạng thực tế và cấu tạo pin mặt trời ....................................................16 Hình 1.5 Hiệu ứng quang điện ...................................................................................19 Hình 1.6 Mạch điện tương đương của tế bào quang điện............................................19 Hình 1.7 Đặc điểm dòng và áp của tế bào quang điện lúc trời có nắng và không.......21 Hình 1.8 Hệ thống điện mặt trời độc lập ....................................................................22 Hình 1.9 Hệ thống điện mặt trời hòa lưới...................................................................24 Hình 2.1 Sơ đồ tương đương pin mặt trời...................................................................25 Hình 2.2 Mô hình dòng điện ngắn mạch ....................................................................26 Hình 2.3 Mô hình điện áp hở mạch ............................................................................27 Hình 2.4 Công suất của pin mặt trời theo từng thời điểm trong ngày..........................40 Hình 2.5 Sơ đồ hệ thống PV nối lưới kết hợp Acqui ..................................................45 Hình 3.1 Hệ thống với các thiết bị đo công suất .........................................................50 Hình 3.3 Biểu đồ giá điện ..........................................................................................62 Hình 3.4 Biểu đồ công suất mua điện lưới .................................................................63 Hình 3.6 Biểu đồ công suất lưới.................................................................................64 Hình 3.7 Biểu đồ công suất nạp của Acqui.................................................................65 Hình 3.8 Biểu đồ công suất xả của Acqui...................................................................65 Hình 3.9 Biểu đồ công suất Acqui .............................................................................66 Hình 3.10 Biểu đồ SOC của Acqui ............................................................................66 Hình 3.11 Biểu đồ công suất hệ thống........................................................................67 v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Tốc độ tăng trưởng trung bình (%) công suất phát điện NLTT giai đoạn 2008-2013 và năm 2013. [4] ........................................................................................6 Bảng 1.2 Năng lượng mặt trời trên các vùng lãnh thổ Việt Nam ..................................9 Bảng 2.1 Công suất, đặc tính của PV cho bởi nhà sản xuất theo các điều kiện ...........29 Bảng 2.2 Các công thức tính công suất của pin mặt trời. [9] ......................................30 Bảng 2.3 Thông số của các hệ số tính hiệu suất theo công thức:.................................34 Bảng 2.4 Bảng tính hiệu suất của pin mặt trời theo nhiệt độ. [9] ................................35 Bảng 2.5 Công suất của pin MT theo nhiệt độ và độ bức xạ trong ngày .....................39 Bảng 3.1 Thông số mỗi tấm PV đo trong điều kiện chuẩn, sử dụng trong hệ thống PV ..................................................................................................................................57 Bảng 3.2 Thông số mỗi Acqui sử dụng trong hệ thống lưu trữ ...................................57 Bảng 3.3 Cấu hình hệ thống PV (Hệ 48 VDC)...........................................................58 Bảng 3.4 Các điều kiện ràng buộc cho hệ thống.........................................................58 Bảng 3.5 Công suất tải và PV thay đổi trong ngày .....................................................59 Bảng 3.6 Giá mua và bán điện trong ngày..................................................................61 vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BXMT Bức xạ mặt trời MPP (Maximum Power Point) Điểm công suất lớn nhất MT Mặt trời NL Năng lượng NLMT Năng lượng mặt trời NLTT Năng lượng tái tạo NOCT (Nominal Operating Cell Temperature) Nhiệt độ hoạt động danh định của tế bào quang điện NTE (Nominal Terestrial Environment) Môi trường ngoài trời danh định PV (Photovoltaic) Pin quang điện; pin mặt trời SOC (State of charge) Trạng thái sạc STC (Standard test condition) Điều kiện kiểm tra chuẩn vii MỞ ĐẦU Năng lượng tái tạo, trong đó có năng lượng mặt trời đã và đang được cả thế giới quan tâm nghiên cứu và sử dụng. Trên thế giới, các nước phát triển đã có rất nhiều ứng dụng trong đời sống và trong công nghiệp để thu được các nguồn năng lượng này. Với ưu điểm là sẵn có, dồi dào, là nguồn năng lượng sạch, thân thiện với môi trường, năng lượng mặt trời đang là giải pháp thay thế cho các nguồn năng lượng khác đang ngày cạn kiệt trên Trái Đất. Tại các nước đang phát triển, trong đó có Việt Nam việc sử dụng năng lượng mặt trời đã được quan tâm và khích lệ. Hệ thống điện mặt trời mang tính khả thi cao, dễ thực hiện, đặc biệt là các hệ thống nhỏ. Tuy nhiên các hệ thống hiện tại chưa phát huy thế mạnh về chi phí vận hành, các hệ thống nhỏ chỉ tập trung cấp điện tại chỗ, chưa xản xuất điện để bán lúc dư thừa. Ngày 11/4/2017, Thủ tướng chính phủ đã ký quyết định mua điện mặt trời với giá 2086 đồng/KWh, như vậy, hệ thống điện mặt trời có thể hoà lưới bằng hai chế độ để bán khi thừa và mua khi thiếu. Việc phát triển các lưới điện thông minh nhỏ (microgrid) bao gồm nguồn năng lượng mặt trời, Ắc qui (battery systems), và nguồn điện lưới là cần thiết nhằm - Giảm áp lực lên đường dây truyền tải điện trong những giờ cao điểm - Giảm tổn thất trên đường dây truyền tải và tăng độ tin cậy cho mạng lưới cấp điện - Dễ quản lý và vận hành, xử lý sự cố - Mang lại lợi ích kinh tế cho các hộ sử dụng năng lượng mặt trời Để góp phần tích cực trong việc tận dụng nguồn năng lượng mặt trời phục vụ cho sản xuất nông nghiệp và sinh hoạt, đồng thời góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Mục đích tối ưu việc sử dụng nguồn năng lượng mặt trời, nguồn lưu trữ, kết hợp với nguồn từ lưới điện đảm bảo cung cấp cho các phụ tải cục bộ với chi phí thấp nhất. Đề tài “Nghiên cứu chế độ vận hành tối ưu cho hệ thống điện mặt trời quy mô nhỏ” đặt ra và giải quyết phù hợp với nhu cầu kinh tế, phát triển nông nghiệp, bảo vệ môi trường viii và thiếu hụt năng lượng. Đồng thời đáp ứng được các yêu cầu về giá điện thay đổi trong ngày sẽ được thực hiện bời nhà cung cấp điện lưới trong tương lai. Luận văn nghiên cứu việc ứng dụng pin mặt trời để phát điện; xây dựng mô hình toán học mô tả nguồn năng lượng mặt trời (PV); Ắc qui (battery); mô hình toán học mô tả mạng điện (microgrid) hòa lưới và sử dụng các thuật giải tối ưu giải bài toán chi phí vận hành. Cấu trúc của luận văn gồm 3 chương. - Chương 1: Năng lượng mặt trời và các phương pháp khai thác sử dụng. - Chương 2: Mô hình toán học mô tả nguồn năng lượng mặt trời. - Chương 3: Xây dựng bài toán vận hành tối ưu nguồn điện mặt trời – nguồn lưu trữ hoà với lưới điện. Kết luận, đánh giá và đưa ra kết quả tính toán tối ưu chi phí vận hành. ix CHƯƠNG 1 NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP KHAI THÁC SỬ DỤNG Chương này luận văn sẽ trình bày những nội dung tổng quan - Nguồn năng lượng mặt trời - Năng lượng mặt trời trên thế giới, tiềm năng NLMT tại Việt Nam và Ninh Thuận - Các phương pháp khai thác sử dụng năng lượng mặt trời - Các công nghệ chế tạo Pin MT - Hệ thống NLMT độc lập và nối lưới 1.1 Nguồn năng lượng mặt trời 1.1.1 Bức xạ mặt trời Mặt trời là quả cầu lửa khổng lồ với đường kính trung bình khoảng 1,39 triệu km và ở cách Trái đất khoảng 150 triệu km. Nhiệt độ bề mặt của mặt trời vào khoảng 5800K, trong khi đó nhiệt độ ở vùng trung tâm của mặt trời rất lớn, vào khoảng 8.106K đến 40.106K. Mặt trời được xem là một lò phản ứng nhiệt hạch hoạt động liên tục. Có 2 loại bức xạ mặt trời (BXMT): BXMT đến bên ngoài bầu khí quyển và BXMT đến trên mặt đất. 1.1.1.1 Bức xạ mặt trời đến bên ngoài bầu khí quyển BXMT đến bên ngoài bầu khí quyển có giá trị khá ổn định ứng với một vị trí khảo sát cụ thể và có phương rất rõ ràng, đó là đường nối từ mặt trời đến vị trí khảo sát. Các khảo sát thực tế cho thấy - về mặt giá trị - BXMT đến bên ngoài bầu khí quyển cũng có những biến đổi nhẹ. Có 2 lý do gây ra sự biến đổi này: sự biến đổi lượng bức xạ xuất phát từ mặt trời do các hiện tượng diễn ra trong nội bộ mặt trời và sự biến đổi của khoảng cách từ mặt trời đến Trái đất. Đối với các bài toán kỹ thuật, có thể xem cường độ bức xạ phát ra từ mặt trời là ổn định và BXMT đến bên ngoài bầu khí quyển là BXMT đến trên mặt đất nhưng không tính đến ảnh hưởng của bầu khí quyển. 1 1.1.1.2 Bức xạ mặt trời đến trên mặt đất Khi các tia BXMT đi vào bầu khí quyển, do ảnh hưởng của bầu khí quyển và các vật thể li ti có trong bầu khí quyển cho nên các tia BXMT sẽ phải chịu hiện tượng hấp thụ và phản xạ. Về cơ bản, hiện tượng hấp thụ các tia BXMT là do ôzôn và hơi nước, mức độ hấp thụ khác nhau tùy theo bước sóng. Ứng với các tia cực tím có bước sóng nhỏ hơn 0,29m thì khả năng hấp thụ các tia bức xạ của ôzôn rất mạnh, ứng với các tia có bước sóng lớn hơn 0,29m thì khả năng hấp thụ của ôzôn giảm xuống đáng kể, khi bước sóng vượt quá 0,35m thì ôzôn không còn khả năng hấp thụ các tia bức xạ được nữa. Trong khi đó, hơi nước có khả năng hấp thụ mạnh các tia hồng ngoại. Đặc biệt, ở trong vùng lân cận các bước sóng 1m, 1,4m và 1,8m thì khả năng hấp thụ các tia hồng ngoại của hơi nước rất mạnh. Chính hiện tượng hấp thụ làm giảm cường độ của các tia bức xạ và làm cho quang phổ của các tia bức xạ đến mặt đất thu hẹp lại, có thể nói các tia bức xạ có bước sóng lớn hơn 2,3m rất khó đến được bề mặt Trái đất. Cùng với hiện tượng hấp thụ, hiện tượng phản xạ làm một bộ phận của tia bức xạ bị đổi phương, do đó phương của thành phần bị phản xạ không rõ ràng. Kết quả của các hiện tượng vừa nêu là, càng tiến đến gần bề mặt đất, cường độ của các tia bức xạ tổng càng giảm. Một cách tổng quát, người ta xem lượng bức xạ tổng đi vào bầu khí quyển để đến một bề mặt khảo sát nào đó trên mặt đất bao gồm hai thành phần là trực xạ và khuếch tán. Thành phần trực xạ có phương rõ ràng, đó là đường thẳng nối từ mặt trời đến địa điểm khảo sát. Trong khi đó, đối với thành phần khuếch tán, việc xác định phương hướng và cường độ của thành phần khuếch tán là khá phức tạp. 1.1.2 Nguồn gốc năng lượng mặt trời Năng lượng mặt trời (NLMT) có vai trò quan trọng đối với sự tồn tại và phát triển của các yếu tố sự sống trên Trái đất. Trước hết, NLMT là nguồn năng lượng khổng lồ có tính tái sinh. NLMT được sinh ra do các phản ứng nhiệt hạt nhân tổng hợp các hạt nhân đồng vị Hydro (H) để tạo ra các hạt nhân Heli (He) liên tục xảy ra trên Mặt trời. Công suất bức xạ của Mặt trời là 3,865.1026W, nhưng phần NLMT đến bề mặt trái đất chỉ là 17,57.1016W. 2 Ngoài khí quyển Trái đất mật độ NLMT là 1.353W/m2. Nhưng khi tới mặt đất các tia mặt trời phải đi qua lớp khí quyển Trái đất nên bị mất khoảng 30% do các hiện tượng hấp thụ, tán xạ bởi các phân tử khí, hơi nước... của lớp khí quyển. Vì vậy, trên bề mặt Trái đất, mật độ BXMT chỉ còn khoảng 1.000W/m2. Mặc dù ở các vĩ độ khác nhau thì NLMT khác nhau, nhưng nhìn chung NLMT phân bố khắp trên bề mặt trái đất. Ở đâu cũng có thể khai thác và ứng dụng nguồn năng lượng này. Bản chất của BXMT là sóng điện từ có phổ bước sóng trải từ 10-10m đến 1014m, trong đó mắt người có thể nhận biết được dải sóng có bước sóng từ 0,4 đến 0,7m và được gọi là áng sáng nhìn thấy. Vùng bức xạ điện từ có bước sóng nhỏ hơn 0,4m được gọi là vùng sóng tử ngoại. Còn vùng có bước sóng lớn hơn 0,7m được gọi là vùng hồng ngoại. Do bản chất của sóng điện từ nên NLMT là nguồn năng lượng không có phát thải, không gây ô nhiễm môi trường hay được gọi là nguồn năng lượng sạch. Ngoài lớp khí quyển trái đất BXMT chỉ có một thành phần. Đó là các tia mặt trời đi thẳng phát ra từ mặt trời. Nhưng khi tới mặt đất, do các hiện tượng tán xạ trong lớp khí quyển Trái đất, bức xạ mặt trời bị biến đổi và gồm 3 thành phần: (1)- Thành phần trực xạ gồm các tia mặt trời đi thẳng từ mặt trời đến mặt đất. Nhờ các tia trực xạ này mà ta có thể nhìn thấy mặt trời; (2)- Thành phần nhiễu hay tán xạ gồm các tia mặt trời tới mặt đất từ mọi phương trên bầu trời do hiện tượng tán xạ của tia mặt trời trên các phân tử khí, hơi nước, các hạt bụi,…. Nhờ các tia tán xạ này mà chúng ta vẫn có ánh sáng ngay cả những ngày mây mù, không thể nhìn thấy mặt trời, ở trong nhà, dưới bóng cây,…; Tổng hai thành phần trên được gọi là tổng xạ của bức xạ mặt trời ở mặt đất. Các trạm Khí tượng thường đo các thành phần này nhiều lần trong một ngày và liên tục trong nhiều năm để có số liệu đánh giá tiềm năng NLMT. (3)- Thành phần phản xạ từ mặt nền ở nơi quan sát hay nơi đặt bộ thu NLMT, nó phụ thuộc vào hệ số phản xạ của mặt nền và tổng xạ tới. Thành phần này chỉ được phân 3 biệt khi thiết kế, tính toán các bộ thu NLMT. Trong trường hợp chung nó là một phần rất nhỏ trong thành phần bức xạ tán xạ. 1.2 Năng lượng mặt trời trên thế giới và tiềm năng NLMT tại Việt Nam 1.2.1 Quá trình phát triển và triển khai ứng dụng năng lượng mặt trời NLMT trung bình trên bề mặt Trái đất nằm trong khoảng 150 đến 300W/m2 hay từ 3,5 đến 7,0kWh/m2/ngày. NLMT từ lâu đã được con người khai thác sử dụng bằng các phương pháp tự nhiên, trực tiếp và đơn giản như phơi sấy (quần áo, vật dụng; nông, lâm, hải sản; sưởi ấm…). Tuy nhiên cách sử dụng NLMT theo các phương cách tự nhiên nói trên có hiệu quả thấp và hoàn toàn thụ động. NLMT có thể sử dụng dưới dạng nhiệt hay biến đổi thành điện. Điện từ mặt trời là dạng điện năng được tạo ra khi biến đổi NLMT thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện (photovoltaic effect, viết tắt PV) một cách trực tiếp, hoặc nhờ các hệ thống nhiệt điện thông qua hiệu ứng hội tụ tia mặt trời (concentrated solar power, viết tắt CSP) một cách gián tiếp. Các hệ thống CSP sử dụng các thấu kính hay các gương hội tụ và hệ thống “dõi theo mặt trời” (solar tracking systems) để hội tụ một diện tích lớn các tia mặt trời vào một diện tích nhỏ hơn (gọi là điểm hay đường hội tụ). Nguồn nhiệt hội tụ này sau đó được sử dụng để phát điện. Các hệ thống này gọi là hệ nhiệt điện mặt trời. Còn các hệ thống PV biến đổi ánh sáng thành điện năng khi dùng hiệu ứng quang điện được gọi là hệ thống điện PV. Ứng dụng quan trọng đầu tiên của pin mặt trời là nguồn dự phòng (back-up) cho vệ tinh nhân tạo Vanguard I vào năm 1958, nó đã cho phép truyền tín hiệu về Trái đất hơn một năm sau khi nguồn Acqui điện hóa đã bị kiệt. Sự hoạt động thành công này của pin mặt trời trên vệ tinh đã được lặp lại trong nhiều vệ tinh khác của Liên Xô và Mỹ. Vào cuối những năm 1960, PV đã trở thành nguồn năng lượng được được sử dụng riêng cho vệ tinh. PV đã có một vai trò rất quan trọng công nghệ vệ tinh thương mại và nó vẫn giữ vị trí đó đối với hạ tầng viễn thông ngày nay. 4 Nhờ sự phát triển của khoa học công nghệ nên hiện nay con người đã biết khai thác NLMT một cách hiệu quả và chủ động hơn nhờ các công nghệ hiện đại. Nhà máy nhiệt điện mặt trời thương mại đầu tiên được xây dựng trong những năm 1980. Nhà máy có công suất lớn nhất là 354MW xây dựng tại Sa mạc Mojave ở California (Mỹ). Các nhà máy lớn khác như nhà máy Solnova (150MW) và Andasol (100MW), cả hai đều ở Tây Ban Nha. [1] Sự cấm vận dầu năm 1973 và sự khủng hoảng năng lượng năm 1979 đã làm thay đổi chính sách năng lượng trên thế giới và công nghệ NLMT được quan tâm thúc đẩy phát triển. Chiến lược triển khai tập trung vào các chương trình tăng tốc như: “Chương trình sử dụng PV Liên Bang” ở Mỹ; “Chương trình NLMT” ở Nhật. Các cố gắng khác gồm có sự xây dựng các cơ sở nghiên cứu ở Mỹ (SERI, nay là NREL), Nhật (NEDO), và Đức (Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE). Giữa các năm 1970 và 1983 các dự án PV tăng rất nhanh, nhưng đầu những năm 1980 do giá dầu giảm nên làm giảm nhịp độ phát triển của PV. Từ 1997, sự phát triển của PV lại được gia tốc do các vấn đề khó khăn về cung cấp dầu và khí, do sự nóng lên của Trái đất, và sự cải thiện của công nghệ sản xuất PV, dẫn đến tính kinh tế của PV trở nên tốt hơn. Sản xuất PV tăng trung bình 40%/năm từ năm 2000 và công suất lắp đặt đã đạt đến 10,6GW vào cuối năm 2007 và 14,73GW vào năm 2008. Đến đầu năm 2014 thứ bậc của 5 cường quốc điện mặt trời được sắp xếp theo thứ tự về tổng công suất tính bằng Gigawatt (số đầu) và tỷ lệ điện năng mặt trời trong tổng điện năng quốc gia (số thứ hai) như sau: Đức (35,65GW; 5,3%), Ý (18GW; 9%), Trung Quốc (17,7GW; 0,1%), Nhật (11,86GW; 0,8%) và Hoa Kỳ (11,42GW; 0,3 %). [3] 1.2.2 Tình hình ứng dụng năng lượng mặt trời trên thế giới Năng lượng tái tạo (NLTT) đã chiếm tỷ lệ 22,1% trong tổng sản xuất điện năng trên toàn cầu tính đến năn 2013. Nếu kể thêm cả sản xuất nhiệt thì tỷ lệ NLTT trong tổng sản xuất điện năng trên toàn cầu còn có tỷ lệ cao hơn nhiều. Đặc biệt, giai đoạn 20082013, tốc độ tăng trưởng NLTT nói chung và NLMT nói riêng đạt giá trị khá cao (Bảng 1.1). Trừ 2 nguồn thủy điện và địa nhiệt có tốc độ dưới 4%/năm thì các nguồn NLTT khác có tốc độ tăng trưởng trên 10%/năm. Ấn tượng nhất là tốc độ tăng trưởng 5 của các công nghệ NLMT: điện PV tăng 55%; nhiệt điện mặt trời (CSP) tăng 48% và nhiệt mặt trời tăng 14%/năm. [4] Xu thế chung ngày càng rõ nét của tất cả các nước trên thế giới hiện nay là tăng tỷ phần NLTT và giảm năng lượng (NL) hóa thạch. Ví dụ, năm 2013, ở Đan Mạch và Tây Ban Nha, điện NL gió đáp ứng lần lượt là 33,2% và 21% tổng nhu cầu điện; nhiều cộng đồng và vùng lãnh thổ đặt mục tiêu sử dụng 100% điện NLTT vào năm 2020 như Dijibouti, Scotland và các quốc gia đảo vùng Tuvalu; Đức đặt ra mục tiêu đến năm 2020, khoảng 20 triệu dân (trên tổng số 65 triệu) sống ở các vùng sử dụng 100% NLTT. [4] Bảng 1.1 Tốc độ tăng trưởng trung bình (%) công suất phát điện NLTT giai đoạn 2008-2013 và năm 2013. [4] Tốc độ tăng trưởng về công suất điện NLTT (%) Thời gian Địa nhiệt Thủy điện Giao thông vận tải Nhiệt (%) (Nhiên liệu sinh học, %) Điện MT Nhiệt Nhiệt SX SX NL gió (PV) điện MT Mặt trời ethanol biodiesel 20082013 3,2 3,7 55 48 21 14 5,7 11 2013 4 4,2 39 35 12,4 15,7 5,6 11,4 Trong các năm gần đây, các công nghệ NLMT có tốc độ tăng trưởng cao và liên tục. Lý do của xu hướng trên là: (1) Công nghệ ngày càng hoàn thiện, dẫn đến giá NLMT càng ngày càng giảm sâu; (2) Vấn đề an ninh năng lượng, NLMT là nguồn NL địa phương nên không phụ thuộc vào nguồn nhập khẩu, và do đó không phụ thuộc vào các biến đổi chính trị và các tác động khác; (3) Các nguồn NL hóa thạch đã dần cạn kiệt, trong lúc nhu cầu NL không ngừng tăng; (4) Ô nhiễm môi trường do khai thác sử dụng NL hóa thạch đã đến mức báo động, dẫn đến các hiện tượng biến đổi khí hậu trên toàn cầu. Việc cắt giảm phát thải, sử dụng các nguồn NL sạch trở nên cấp bách và có tính nghĩa vụ đối với các quốc gia. 6 Tổng công suất PV đã lắp đặt giai đoạn 2004-2013 trên thế giới (hình 1.1). Đến năm 2013, tổng công suất PV toàn cầu đạt đến 139 GW. Nói riêng, công suất PV lắp đặt của một số nước và vùng lãnh thổ dẫn đầu như: Năm 2013, Đức lắp thêm 3,3 GW, đưa tổng công suất đến 2013 lên 36 GW; Trung Quốc lắp thêm 12,9 GW, chiếm khoảng 72% tổng công suất PV lắp thêm năm 2013 trên toàn thế giới, trở thành nước có vị trí thứ 2, với tổng công suất khoảng 19 GW; Vị trí thứ 3 là Ý, với tổng công suất đến 2013 khoảng 17,5 GW; Mỹ đứng vị trí thứ 5 sau Nhật Bản, có tổng công suất 12,5 GW, năm 2013 lắp thêm 4,8 MW; Nhật Bản lắp thêm 6,9 GW, tăng 50% so với công suất đã xây dựng trước đó, đưa tổng công suất lên khoảng 14 GW. [4] Gigawatts 150 139 125 100 100 70 75 50 40 25 3.7 5.1 7 9 16 23 0 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 Hình 1.1 Công suất phát điện mặt trời hàng năm trong giai đoạn 2004-2013 trên toàn cầu [4] Một trong các nguyên nhân về sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ PV là do giá PV liên tục giảm sâu. Trên hình 1.2, đầu tư vào các hệ nguồn điện PV trên toàn cầu tăng liên tục, trong đó giai đoạn 2009-2011 tăng rất nhanh. Cùng với sự tăng đầu tư, thì công suất phát điện PV cũng tăng gần như cùng tốc độ. Đặc biệt, trong năm 2013, đầu tư giảm 22% nhưng công suất PV được xây dựng mới lại tăng lên 32% với công suất khoảng 39GW. Sự tăng mạnh đầu tư vào phát triển nguồn điện PV trong những năm gần đây chủ yếu do giá mô đun PV và giá hệ thống PV giảm liên tục và khá nhanh. Đã đến lúc điện PV đã có thể cạnh tranh được với NL hóa thạch truyền thống. 7 Hình 1.2 Đầu tư (tỷ USD) và công suất điện PV (GW) xây dựng thêm hàng năm trên toàn cầu giai đoạn 2004-2013 [4] 1.2.3 Tiềm năng năng lượng mặt trời của Việt Nam Việt Nam được đánh giá là có nguồn tài nguyên NLMT vào loại cao trên thế giới. Nguồn NL sạch và tiềm năng lớn này hoàn toàn có thể tham gia đóng góp vào cân bằng NL quốc gia. Cho đến nay, các hoạt động nghiên cứu khai thác, ứng dụng NLMT còn rất hạn chế, trình độ thấp, qui mô nhỏ lẻ, manh mún và tự phát. Lý do cơ bản cho sự trì trệ đó là do trước đây chúng ta chưa có chính sách về NLTT nói chung và NLMT nói riêng. Tuy nhiên, đến 4/2017, Thủ tướng chính phủ đã ký quyết định mua điện mặt trời với giá 2086 đồng/KWh, như vậy, hệ thống điện mặt trời có thể hoà lưới bằng hai chế độ để bán khi thừa và mua khi thiếu. Đây cũng là một lợi thế tốt để phát triển nguồn điện mặt trời tại Việt Nam. Để đánh giá tiềm năng NLMT thường người ta dùng 2 đại lượng, đó là Mật độ NLMT trung bình ngày và số giờ nắng trung bình năm. Nhiều địa phương trên lãnh thổ Việt Nam có giá trị các đại lượng trên khá cao. Tính trung bình cho cả nước thì bằng 4,5kWh/m2/ngày và khoảng 2000 giờ/năm. Tuy nhiên do điều kiện tự nhiên mà NLMT trên các vùng lãnh thổ khác nhau cũng khác nhau như được chỉ ra trong bảng 1.2. 8 Bảng 1.2 Năng lượng mặt trời trên các vùng lãnh thổ Việt Nam Khu vực Mật độ NLMT (kWh/m2.ngày) Số giờ nắng trung bình (giờ/năm) 1 Khu vực Đông Bắc 3,3 - 4,1 1500 - 1800 2 Khu vực Tây Bắc 4,1 - 4,9 1890 - 2102 3 Khu vực Bắc Trung Bộ 4,6 - 5,2 1700 - 2000 4 Khu vực Nam Trung bộ và Tây Nguyên 4,9 - 5,7 2000 - 2600 Khu vực Nam bộ 4,3 - 4,9 2200 - 2500 Trung bình cả nước 4,6 2000 5 Nguồn: Trung tâm Khí tượng Thủy văn quốc gia Khu vực Đông Bắc (trong đó có Hà Nội) do chịu ảnh hưởng trực tiếp của gió mùa nên tiềm năng NLMT là thấp nhất so với cả nước (3,3 - 4,1kWh/m2.ngày; 1500 - 1800 giờ/năm). Nhưng từ Đà Nẵng trở vào cho đến cực Nam đất nước, NLMT rất cao và phân bố khá đồng đều trong cả năm. Vì vậy việc khai thác, ứng dụng NLMT nói chung ở khu vực miền Nam nước ta sẽ cho hiệu quả cao hơn. Theo Tổ chức NLMT của các nước ASEAN, tiềm năng NLMT phân loại thành 4 mức: Mức 1 (mức cao): Bức xạ trung bình ngày cả năm >4,8 kWh/m2.ngày Mức 2 (mức khá): Bức xạ trung bình ngày cả năm từ 3,8 đến 4,8 kWh/m2.ngày Mức 3 (mức trung bình): Bức xạ trung bình ngày cả năm từ 3,2 đến 3,7 kWh/m2.ngày. Mức 4 (mức kém): Bức xạ trung bình ngày cả năm < 3,2 kWh/m2.ngày Theo chuẩn phân loại NLMT của ASEAN thì chỉ có vùng Đông Bắc nước ta có NLMT ở mức 3 là mức trung bình, còn các vùng khác thuộc mức khá và mức cao, tức là những vùng có tiềm năng NLMT cao, khai thác ứng dụng có hiệu quả tốt, đặc biệt là khu vực miền Nam (từ Đà Nẵng trở vào). Như vậy, Việt Nam có nguồn tài nguyên NLMT khá lớn, đây là nguồn tài nguyên rất quí giá của đất nước và cần được nghiên 9