Tài liệu Nghiên cứu giải pháp phối hợp năng lượng mặt trời và điện lưới trong sinh hoạt

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -----  ----- NGÔ THỊ ÁNH TUYẾT NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP PHỐI HỢP NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ ĐIỆN LƯỚI TRONG SINH HOẠT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Đà Nẵng, 2019 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --------------------------------------- NGÔ THỊ ÁNH TUYẾT NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP PHỐI HỢP NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ ĐIỆN LƯỚI TRONG SINH HOẠT Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử Mã số : 8520203 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. BÙI THỊ MINH TÚ Đà Nẵng – Năm 2019 NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP PHỐI HỢP NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ ĐIỆN LƯỚI TRONG SINH HOẠT Học viên: Ngô Thị Ánh Tuyết Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 8520203 Khóa: 35 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt – Thế giới đang tiến xa việc sử dụng năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời. Công nghệ năng lượng tái tạo và chính sách của chính phủ khuyến khích sử dụng các nguồn năng lượng này để đảm bảo sự phát triển bền vững là những yếu tố chính thúc đẩy việc áp dụng năng lượng tái tạo. Trong quy mô nhỏ, các nguồn năng lượng tái tạo thường độc lập, có nghĩa là các nguồn năng lượng được sử dụng trong sự cô lập [12, 13]. Điều này dẫn đến những người khó khăn khi chỉ riêng mỗi nguồn năng lượng không thể đáp ứng nhu cầu của người dùng. Trong đề tài này đề xuất một giải pháp có thể kết hợp năng lượng mặt trời với điện. Hệ thống được đề xuất đo lường nguồn cung cấp năng lượng và sử dụng năng lượng theo thời gian thực để xác định xem có cần thêm nguồn điện hay không và có thể đáp ứng yêu cầu bằng cách sử dụng nguồn điện từ lưới điện. Trong trường hợp năng lượng mặt trời vượt quá yêu cầu, năng lượng vượt quá có thể được lưu trữ trong hệ thống lưu trữ năng lượng riêng biệt. Hệ thống được đề xuất là hoàn toàn tự động và có thể cung cấp năng lượng đáng tin cậy cho việc sử dụng bình thường. Ngoài ra, hệ thống giám sát được sử dụng để theo dõi sự thay đổi của nguồn cung cấp năng lượng mặt trời để sửa đổi hệ thống tự chế nếu cần thiết. Từ khóa – năng lượng mặt trời; năng lượng tái tạo; hệ thống năng lượng thông minh; điện lưới; IoT RESEARCH SOLUTIONS FOR SOLAR AND ELECTRIC NETWORKING IN ACTIVITIES Abstract -The world is moving far away from using renewable energy, especially solar power. Renewable energy technologies and government policies that encourage the use of these sources of energy to ensure sustainable development are key factors driving adoption of renewable energy. In the small-scale, renewable energy sourcesare often independent, meaning that energy sources are used in isolation [12, 13]. This leads to the difficulty forusers when the each of the energy sources alone cannot meet the demand of the user. In this topic proposed a solution that can combine solar power with electricity. The proposed system measures the solar power supply and the power usage on real-time to determine if additional power is required and can fulfills that requirement by using power from electricity grid. In case of solar energy exceeds the requirement, the exceeded energy can be stored in separated energy storage system. The proposed system is fully automatic and can provide reliable power for the normal usage. In addition, a monitoring system is used to keep track of the variation of solar power supply so that system modification bemade if needed. Key words–solar energy; renewable energy; smart energy system; electricity grid; internet of things iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...........................................................................................................i TÓM TẮT ..................................................................................................................... ii MỤC LỤC .................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ..............................................v DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................................vi DANH MỤC CÁC HÌNH .......................................................................................... vii MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................................ 1 2. Mục đích nghiên cứu............................................................................................. 1 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................1 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 HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI .........4 1.1. Tổng quan về năng lượng mặt trời ...........................................................................4 1.1.1. Đặt vấn đề .......................................................................................................4 1.1.2. Quy hoạch cơ cấu nguồn điện Việt Nam ........................................................ 5 1.1.3. Tiềm năng năng lượng tái tạo ở Việt Nam ..................................................... 6 1.2. Mô hình hệ thống năng lượng mặt trời .....................................................................8 1.2.1. Hệ thống Điện mặt trời hòa lưới .....................................................................8 1.2.2. Hệ thống Điện mặt trời độc lập .......................................................................9 1.2.3. Hệ thống Điện mặt trời Hybrid .....................................................................10 1.3. Ứng dụng IoT trong giám sát hệ thống năng lượng mặt trời .................................11 1.4. Kết luận chương .....................................................................................................12 CHƯƠNG 2. TIỀM NĂNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜIỞ MIỀN TRUNG VIỆT NAM ................................................................................................................... 14 2.1. Cường độ bức xạ năng lượng mặt trời theo từng khu vực tại Việt Nam................15 2.2. Khai thác năng lượng mặt trời tại Đà Nẵng ........................................................... 17 2.3. Kết luận chương .....................................................................................................18 CHƯƠNG 3. MÔ HÌNH PHỐI HỢP NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG TRUYỀN THỐNG.......................................................... 19 3.1. Phân tích thực tế nhu cầu tiêu thụ năng lượng trong sinh hoạt .............................. 19 3.2. Đề xuất mô hình phối hợp năng lượng mặt trời và điện lưới .................................20 3.3. Kết luận chương .....................................................................................................23 iv CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG PHỐI HỢP ...................................................................................................24 4.1. Thiết kế và thi công phần cứng ..............................................................................24 4.1.1. Thiết kế thi công khối xử lý trung tâm ......................................................... 24 4.1.2. Mạch sim 808 ................................................................................................ 24 4.1.3. Mạch thẻ nhớ SD card ..................................................................................28 4.1.4. Mạch nguồn 5V............................................................................................. 28 4.1.5. Khối wifi .......................................................................................................29 4.1.6. Đo dòng và áp một chiều của PIN năng lượng mặt trời ............................... 30 4.1.7. Đo dòng, áp và công suất của tải xoay chiều ................................................31 4.2. Thiết kế phần mềm .................................................................................................33 4.2.1. Lưu đồ thuật toán chương trình chính .......................................................... 33 4.2.2. Lưu đồ thuật toán chương trình con.............................................................. 35 4.3. Thiết kế xây dựng server và website ......................................................................38 4.3.1. Hosting .........................................................................................................39 4.3.2. Cơ sở dữ liệu (database) ...............................................................................41 4.3.3. Trang chủ ......................................................................................................42 4.4. Sản xuất thử nghiệm hệ thống điều khiển .............................................................. 42 4.5. Triển khai thử nghiệm hệ thống .............................................................................44 4.6 Kết luận chương…………………………………………………………………..50 KẾT LUẬN ..................................................................................................................50 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ...............................................................................51 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 52 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT AC Alternating Current CSP Concentrated Solar Power DC Direct Current GPS Global Positioning System GPRS General Packet Radio Service GSM Global System for Mobile Communications ICPS In-Circuit Serial Programming IoT Internet of Things NLMT Năng lượng mặt trời NLTT Năng lượng tái tạo PV Photovoltaic SPI Serial Peripheral Interface UART Universal Asynchronous Receiver – Transmitter vi DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu Tên bảng bảng Trang 1.1. Tiềm năng lý thuyết của điện mặt trời 6 1.2. Tiềm năng giảm chi phí sản xuất điện từ năng lượng mặt trời và gió, 2015-2025 7 2.1. Số liệu về bức xạ mặt trời tại Việt Nam 16 2.2. Lượng tổng xạ bức xạ mặt trời trung bình ngày của các tháng trong năm ở một số địa phương của nước ta (đơn vị: 16 MJ/m2/ngày) vii DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình Tên hình Trang 1.1. Cơ cấu công suất điện năm 2014 5 1.2. Mô hình hệ thống điện mặt trời hòa lưới 8 1.3. Mô hình hệ thốngđiện mặt trời độc lập 9 1.4. Mô hình hệ thống điện mặt trời Hybrid 10 1.5. Mô hình hệ thống IoT 11 2.1. Bản đồ bức xạ mặt trời Việt Nam 14 2.2. Đồ thị bức xạ mặt trời tại Đà Nẵng phân bố /tháng 17 2.3. Tương quan giữa tổng lượng bức xạ tháng -Y (KWh/m2) và tổng giờ nắng tháng - X (giờ) 18 3.1. Năng lượng điện tiêu thụ tại Hòa Vang (01/2016-08/2018) 20 3.2. Phân bố công suất tiêu thụ đỉnh 20 3.3. Sơ đồ khối hệ thống phối hợp giữa năng lượng mặt trời và điện lưới 21 3.4. Sơ đồ khối thực hiện chức năng của hệ thống kết hợp 22 3.5. Các thông số đo đạc được thu thập trên website 23 3.6. So sánh công suất theo thời gian 23 4.1. Sơ đồ nguyên lý của mạch vi điều khiển PIC18F4550 24 4.2. Sơ đồ khối mạch Sim 808 25 4.3. Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn dùng IC MIC29302 25 4.4. Sơ đồ nguyên lý truyền tín hiệu từ SIM sang vi điều khiển 26 4.5. Sơ đồ nguyên lý nhận tín hiệu RX từ vi điều khiển sang SIM 26 4.6. Sơ đồ nguyên lý kết nối SIM card và Sim808 27 4.7. Sơ đồ nguyên lý mạch Sim808 27 4.8. Sơ đồ nguyên lý mạch đọc SD card 28 4.9. Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 5v dùng LM2596 28 4.10. Mạch nguồn được đề xuất của nhà sản xuất 29 4.11. Sơ đồ nguyên lý mạch ESP8266 29 4.12. Tấm PIN năng lượng mặt trời 30 4.13. Module cảm biến dòng 30 viii Số hiệu hình Tên hình Trang 4.14. Sơ đồ cầu trở hạ áp 31 4.15. Module đo dòng, áp và công suất của tải xoay chiều 32 4.16. Lưu đồ thuật toán chương trình chính của PIC18F4550 33 4.17. Lưu đồ thuật toán của Node MCU 8266 34 4.18. Lưu đồ thuật toán khởi tạo hệ thống 35 4.19. Lưu đồ thuật toán lưu dữ liệu vào thẻ SD 36 4.20. Lưu đồ thuật toán gửi dữ liệu lên Sever 37 4.21. Lưu đồ thuật toán chương trình truyền lên web thông qua wifi 38 4.22. Giao diện Hosting 39 4.23. Nơi lưu trữ, update file nguồn (sources code) 40 4.24. Nơi quản lí, lưu trữ cơ sở dữ liệu (database) 40 4.25. Cấu trúc cơ sở dữ liệu bảng thông số hệ thống 41 4.26. Một số thông số đo được, lưu trữ trên HOSTING 41 4.27. Giao diện trang chủ website 42 4.28. Bo mạch chính của hệ thống 42 4.29. Bo mạch chính của hệ thống3D 43 4.30. Bo mạch sau khi hoàn thiện 43 4.31. Sơ đồ mô tả kết nối của hệ thống 44 4.32. Tấm Pin năng lượng mặt trời 44 4.33. Inverter 45 4.34. Ắc quy VISION 45 4.35. Tủ điện 45 4.36. Sai số mạch đo điện áp một chiều 46 4.37. Các thông số trên bộ nguồn DC SUPPLY với tải là DC motor 46 Kết quả đo các thông số của nguồn DC với tải là động cơ DC 4.38. (thay thế cho tấm PIN năng lượng mặt trời và tải là INVERTER chuyển đổi DC/AC) 47 4.39. Giảm nguồn cung cấp còn 25VDC và dòng là 1.37A 47 4.50. Kết quả đo lần 2 48 4.51. Giảm Vsupply còn 12Vdc và 0.95A 48 4.52. Kết quả đo 48 ix Số hiệu hình Tên hình Trang 4.53. Tải tiêu thụ 49 4.54. Kết quả đo 49 4.55. Kết quả thu được trên website 50 4.56. Vị trí setting 50 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Khai thác nguồn năng lượng tái tạo là xu hướng phát triển hiện tại ở trên thế giới cũng như ở Việt Nam, đặc biệt là năng lượng mặt trời để bổ sung, thay thế một phần năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt, không gây tác động tới môi trường, giá thành càng lúc càng rẻ theo sự phát triển của vật liệu và công nghệ bán dẫn là một nhu cầu thực sự cần thiết đối với mọi quốc gia. Năng lượng điện mặt trời có nhiều ưu điểm: dễ dàng lắp đặt tại mái các ngôi nhà cao tầng, tại các khu đất trống hiệu quả sản xuất nông nghiệp kinh tế không cao, ít tác động tới môi trường, dự trữ là một nguồn vô tận. Ở nước ta hiện nay việc sử dụng năng lượng điện mặt trời ngày càng phát triển. Hệ thống năng lượng điện mặt trời được sử dụng chủ yếu dưới hai dạng: - Hệ thống năng lượng điện mặt trời nối trực tiếp với lưới điện quốc gia. Hệ thống lọai này không cần bộ phận tích trữ năng lượng, nó cung cấp điện năng được tạo ra trực tiếp cho lưới điện và được xem như là một nguồn điện bổ sung cho lưới điện quốc gia. - Hệ thống lưới điện độc lập phải sử dụng hệ thống tích năng lượng, thường là các nhóm ắc qui. Ở loại hệ thống này tải chỉ được cung cấp năng lượng từ nguồn điện mặt trời. Hệ thống có ưu điểm về mặt sinh thái và về kinh tế, tạo ra nguồn điện xoay chiều cho các khu dân cư hẻo lánh cách xa lưới điện quốc gia. Do đó, đề tài “Nghiên cứu giải pháp phối hợp năng lượng mặt trời và điện lưới trong sinh hoạt ” là một trong những giải pháp tiết kiệm, sử dụng hiệu quả năng lượng đồng thời cũng góp phần thực hiện công tác bảo vệ môi trường, giảm lượng khí thải gây hiệu ứng ảnh hưởng đến tình hình biến đổi khí hậu toàn cầu hiện nay. 2. Mục đích nghiên cứu Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu sử dụng nguồn năng lượng mặt trời kết hợp với lưới điện dùng trong sinh hoạt nhằm giảm thiểu tình trạng lệ thuộc hoàn toàn vào nguồn năng lượng từ lưới điện và giảm tác động đến môi trường. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Năng lượng mặt trời, hệ thống lưu trữ năng lượng mặt trời, hệ thống đo đạc công suất tiêu thụ năng lượng, hệ thống phối hợp các nguồn năng lượng. - Phạm vi nghiên cứu: Sự vận hành của bộ chuyển đổi quang năng- điện năng, phương thức đo công suất điện một chiều của năng lượng mặt trời và đo đạc công suất 2 tiêu thụ điện năng theo thời gian thực, đề xuất hệ thống kết hợp năng lượng mặt trời và điện lưới trong sinh hoạt phù hợp với điều kiện môi trường. 4. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết, tính toán trên một số thiết bị có sẵn trên thị trường, đề xuất mô hình và thử nghiệm. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Đề tài nghiên cứu đề xuất mô hình và phương pháp phối hợp. Đánh giá nhu cầu sử dụng năng lượng địa phương, đề xuất triển khai mô hình trong thực tế. Kết quả nghiên cứu có thể triển khai áp dụng trong thực tế. 6. Cấu trúc của luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, luận văn gồm có 5 chương:  Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Trong chương này trình bày tổng quan về năng lượng mặt trời, các mô hình hệ thống năng lượng mặt trời và ứng dụng IoT trong giám sát hệ thống năng lượng mặt trời.  Chương 2:TIỀM NĂNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Ở MIỀN TRUNG VIỆT NAM Chương này trình bày tổng quan về cường độ bức xạ năng lượng mặt trời theo từng khu vực tại Việt Nam, khai thác năng lượng mặt trời tại Đà Nẵng.  Chương 3: MÔ HÌNH PHỐI HỢP NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG TRUYỂN THỐNG Chương này đề xuất giải pháp kết hợp năng lượng mặt trời với các nguồn năng lượng truyền thống như điện lưới hoặc các nguồn điện dự phòng khác. Hệ thống được đề xuất sẽ làm nhiệm vụ đo lường năng lượng của nguồn điện cung cấp và năng lượng tiêu thụ của tải theo thời gian thực để xác định xem có cần thêm nguồn điện hay không và có thể đáp ứng yêu cầu bằng cách sử dụng nguồn điện từ lưới điện để đảm bảo công suất tiêu thụ của tải.  Chương 4: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG PHỐI HỢP Chương này sẽ tiến hành thiết kế và thi công hệ thống, bao gồm cả phần cứng và phần mềm. Mạch điều khiển hệ thống phối hợp sau khi hoàn thành đảm bảo hoạt động ổn định, các thông số đo đạt như: dòng, áp một chiều từ nguồn POWER SUPPLY, kết quả đo sai số nhỏ, đối với dòng, áp, công suất và năng lương tiêu thụ của tải được đo thông qua module PZEM004T cho kết quả sai số đúng như datasheet của nhà cung cấp. 3  Chương 5: ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG VÀ KẾT LUẬN Chương này đề cập phần đo đạt và điều khiển chuyển mạch hòa lưới, với các tham số đầu vào giả lập là nguồn DC supply, ngõ ra tải xoay chiều được cấp từng nguồn điện lưới để đo các tham số điện áp, dòng điện, công suất và năng lượng tiêu thụ. 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.1. Tổng quan về năng lượng mặt trời 1.1.1 . Đặt vấn đề Hiện nay, các nguồn năng lượng hóa thạch như than, dầu, khí đốt đã và đang là nguồn năng lượng chiếm tỷ trọng lớn cho phát điện tại nhiều nước trên thế giới cũng như tại Việt Nam. Trong khi đó, việc sử dụng năng lượng hóa thạch là một trong các nguyên nhân chính gây ra biến đổi khí hậu và ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khỏe con người. Các quốc gia khác trên thế giới đang phải đối mặt với những thách thức lớn do các nguồn năng lượng thông thường để đáp ứng nhu cầu phát điện đã và đang vượt quá khả năng cung cấp. Chính vì vậy, vấn đề đẩy mạnh nghiên cứu và sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng gió, năng lượng mặt trời là hết sức cấp thiết . Việt Nam là một trong những nước đang phát triển ở Đông Nam Á có mức độ gia tăng nhu cầu sử dụng điện khá cao (khoảng 10%), đồng thời tỷ trọng năng lượng hóa thạch sử dụng trong phát điện vẫn còn khá lớn. Bên cạnh nguy cơ thiếu hụt nguồn năng lượng hóa thạch do trữ lượng đang dần cạn kiệt thì việc sử dụng năng lượng hóa thạch đang gây ô nhiễm, ảnh hưởng lớn đến môi trường cũng là một thực trạng mà Việt Nam phải đối mặt. Trong khi đó, Việt Nam được biết đến là một nước có tiềm năng khá lớn về năng lượng tái tạo (NLTT) nhưng hiện tại mới chỉ khai thác và sử dụng một tỷ lệ rất nhỏ. Cho đến nay số các dự án có tầm cỡ và quy mô ở nước ta rất ít, tỷ trọng công suất lắp đặt các nhà máy điện từ NLTT trong tổng công suất đặt của cả hệ thống còn rất khiêm tốn. Mặc dù đã có nhiều nỗ lực thúc đẩy phát triển NLTT và nguồn điện từ NLTT trong các quy hoạch phát triển điện lực gần đây, đặc biệt là Quy hoạch điện VII [1] nhưng việc phát triển NLTT ở Việt Nam vẫn chưa tương xứng với tiềm năng. Bên cạnh đó, Việt Nam cũng chưa đáp ứng được mục tiêu phát triển trong Chiến lược phát triển NLTT của Việt Nam đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2050 mới được phê duyệt, cũng như Chiến lược quốc gia về tăng trưởng xanh [4], đồng thời chưa đảm bảo các cam kết của Việt Nam trong Hội nghị Thượng đỉnh Liên Hợp quốc về Biến đổi khí hậu (Thỏa thuận Paris). Đẩy mạnh sử dụng NLTT đang là xu thế của các nước trên thế giới bởi vai trò quan trọng và tính ưu việt của chúng, đặc biệt trong bối cảnh công nghệ sản xuất điện từ NLTT đang phát triển rất nhanh, dần đảm bảo khả năng cạnh tranh với các nguồn năng lượng truyền thống. Chính vì vậy, việc gia tăng tỷ lệ điện năng sản xuất từ NLTT 5 là một đòi hỏi tất yếu cho sự phát triển của hệ thống điện, cần được đưa vào cụ thể hơn trong Quy hoạch nguồn điện Việt Nam. 1.1.2 . Quy hoạch cơ cấu nguồn điện Việt Nam Theo quy hoạch điện VII điều chỉnh, năm 2020 nhu cầu điện năng của Việt Nam đạt 265 tỷ kWh và đến năm 2030 đạt trên 572 tỷ kWh. Tổng công suất lắp đặt năm 2020 là 60.000 MW và sẽ tăng lên 129.500 MW vào năm 2030, trong đó nhiệt điện than sẽ chiếm tỷ trọng ngày càng cao cho đến năm 2030. Cụ thể, nếu như trong năm 2015-2016 nhiệt điện than chỉ mới chiếm 34% thì đến năm 2020 lên đến 49,3%, năm 2025 lên 55% và đến năm 2030 sẽ ở mức 53,2%. Đối với điện từ năng lượng tái tạo (bao gồm cả thủy điện nhỏ) mức tăng còn hạn chế. Cụ thể năm 2020 khoảng 6,4%, năm 2025 khoảng 6,9% và đến năm 2030 là 10,7%. Xét về cơ cấu các nguồn năng lượng cho phát điện, theo báo cáo của Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Quốc gia năm 2015[7], nhiệt điện chiếm 54,15% công suất nguồn theo loại nhiên liệu (trong đó nhiệt điện than 28,88%, nhiệt điện khí 21,85% và nhiệt điện dầu 3,42%); thủy điện 39,96% và 5,9% là NLTT trong đó chủ yếu là thủy điện nhỏ, điện gió và điện mặt trời còn chiếm một tỷ lệ rất nhỏ. Hình 1.1. Cơ cấu công suất điện năm 2014 (Nguồn: Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Quốc gia, năm 2015) Hiện nay, ba nguồn phát điện chính là thủy điện, nhiệt điện khí và nhiệt điện than, chiếm tới trên 94% tổng công suất nguồn điện trong hệ thống điện nước ta. NLTT chưa được sử dụng nhiều cho phát điện, hơn nữa có đến 88,6% điện năng sản xuất từ NLTT ở nước ta là từ các nhà máy thủy điện nhỏ (Nguyễn Ngọc Hoàng, 2015) [2]. Trong đó, điện gió và điện mặt trời chỉ đóng góp rất nhỏ trong cơ cấu sản xuất điện cả nước. Theo báo cáo tổng kết hàng năm của Trung tâm Điều độ Hệ thống Điện Quốc gia, công suất lắp đặt các nguồn điện sản xuất từ NLTT đến năm 2014 là 2.009 MW. Cụ thể, thủy điện nhỏ là 1.938 MW, sinh khối 24 MW, gió 46 MW, điện mặt trời 1MWp (Trung tâm Điều độ Hệ thống Điện Quốc gia, 2015). 6 1.1.3 . Tiềm năng năng lượng tái tạo ở Việt Nam Tiềm năng năng lượng mặt trời có thể khai thác được căn cứ vào bức xạ mặt trời. Việt Nam là khu vực có bức xạ mặt trời hàng năm tương đối lớn và ổn định, đặc biệt là các khu vực cao nguyên Miền Trung, duyên hải miền Trung và Miền Nam, đồng bằng sông Cửu Long. Tính trung bình toàn quốc thì năng lượng bức xạ mặt trời là 45kWh/m2 mỗi ngày. Theo đánh giá, những vùng có số giờ nắng từ 1800 giờ/năm trở lên thì được coi là có tiềm năng để khai thác sử dụng. Đối với Việt Nam, tiêu chí này phù hợp với nhiều vùng, nhất là các tỉnh phía Nam. Tiềm năng lý thuyết điện mặt trời tại Việt Nam được dự tính như bảng sau: Bảng 1.1.Tiềm năng lý thuyết của điện mặt trời Tổng xạ TB (KWh/m2/ngày) 2 Điện năng/ngày (MWh) TT Khu vực 1 Đông Bắc bộ và ĐB Sông Hồng 3,95 65.637.000.000 8.204.625 21.065.375 2 Tây Bắc bộ 4,8 50.684.000.000 6.335.500 19.766.760 3 Bắc Trung bộ 4,9 51.459.000.000 6.432.375 20.487.114 4 Nam Trung bộ và Tây Nguyên 5,3 99.018.000.000 12.377.250 42.639.626 5 Đông Nam bộ và ĐBSCL 5,15 64.153.000.000 8.019.125 26.844.021 330.951.000.000 41.368.875 130.802.896 Tổng cộng Diện tích (m ) Công suất pin mặt trời (MWp) Khu vực Nam Trung bộ và Tây Nguyên có tiềm năng điện mặt trời cao nhất do có diện tích đất và tổng xạ mặt trời cao nhất nước. Theo GreenID (Trung tâm Phát triển sáng tạo xanh) [8] tiềm năng có thể khai thác cho sản xuất điện năng từ năng lượng mặt trời tại Việt Nam ước tính khoảng 13.000 MW. Trong khi đó, tổng công suất lắp đặt pin mặt trời để sản xuất điện mới chỉ khoảng 5 MW vào năm 2015, chủ yếu cho mục đích nghiên cứu và điện khí hóa nông thôn. Với sự phát triển nhanh về khoa học công nghệ, chi phí phát điện từ các nguồn năng lượng tái tạo hiện đang giảm nhanh và ngày càng cạnh tranh hơn. Theo đánh giá của IRENA, chi phí phát điện từ năng lượng mặt trời có thể giảm 59% và năng lượng gió có thể giảm 26% trong khoảng thời gian từ năm 2015 đến năm 2025. Cụ thể chi phí phát điện trung bình đối với điện gió trên bờ có thể giảm 26% và lên đến 35% với điện gió ngoài khơi. Đối với Công nghệ hội tụ năng lượng mặt trời CSP (concentrated 7 solar power) có thể giảm ít nhất 37% và Công nghệ quang điện PV (Solar Photovoltaic) có thể giảm đến 59%. Bảng 1.2.Tiềm năng giảm chi phí sản xuất điện từ năng lượng mặt trời và gió, 2015-2025 Dữ liệu trung bình có trọng số toàn cầu Tỷ lệ thay Chi phí đầu tư đổi (%) 2015 2025 Tấm quang điện 1810 790 Điện mặt trời công nghệ hội tụ (PTC: máng thu parapol) 5550 Điện mặt trời công nghệ hội tụ (ST: tháp mặt trời) Hệ số công suất 2015 2025 -57 18 19 3700 -33 41 5700 3600 -37 Điện gió trên đất liền 1560 1370 Điện gió ngoài khơi 4650 3950 Tỷ lệ Tỷ lệ Điện quy dẫn thay thay (LCOE) 2015 đổi đổi USD/kWh) (%) (%) 2015 2025 8 0,13 0,06 -59 45 8,4 0,15 -0,19 0,09 -0,12 -37 46 49 7,6 0,15 -0,19 0,08 -0,11 -43 -12 27 30 11 0,07 0,05 -26 -15 43 45 4 0,18 0,12 -35 Đồng thời, khi các thị trường toàn cầu và khu vực về công nghệ năng lượng mặt trời, năng lượng gió phát triển, quy mô thị trường tăng lên sẽ mang lại cơ hội để nâng cao hiệu quả của chuỗi cung ứng, qua đó suất đầu tư còn có cơ hội giảm sâu. Mặc dù trong quy hoạch điện Việt Nam cũng đã có tính đến sự tham gia của NLTT trong phát điện, nhưng vẫn chưa xét cụ thể cơ cấu từng nguồn năng lượng tái tạo. Việc xây dựng quy hoạch vì vậy cần phải có nhiều dữ liệu chi tiết hơn và phải được thu thập, phân tích một cách có hệ thống để xác định cụ thể và chính xác tiềm năng các nguồn NLTT, xu thế công nghệ cũng như sự đánh đổi của các lựa chọn chính sách. Điều này đặc biệt quan trọng vì xu hướng giảm nhanh chi phí sản xuất điện từ NLTT trong tương lai. Đặc biệt, chi phí sản xuất điện từ NLTT cần được so sánh với chi phí sản xuất từ các nguồn năng lượng hóa thạch khi tính đầy đủ những chi phí ngoại biên liên quan đến cảnh quan bị phá hủy, sức khỏe con người và sinh kế bị ảnh hưởng, cũng như môi trường bị ô nhiễm. Tóm lại, xu thế công nghệ phát điện từ NLTT cho thấy, phát triển các nguồn NLTT nói chung, năng lượng gió và năng lượng mặt trời nói riêng cho phát điện đã và đang có triển vọng lớn và là giải pháp hiệu quả nhằm đạt được những mục tiêu đã đề ra về an ninh năng lượng cũng như cam kết giảm khí thải của Việt Nam trong Thỏa 8 thuận tại COP21. Nó cũng là cơ sở cho một tương lai chuyển đổi mạnh mẽ trong ngành năng lượng và trong phát điện bằng NLTT. Sự thiếu hụt nguồn năng lượng truyền thống phục vụ sản xuất điện ở Việt Nam hoàn toàn có thể được bù đắp bằng việc khai thác và sử dụng các nguồn NLTT nếu có những chính sách thích hợp. Hiện vẫn còn thiếu các thông tin và chính sách khuyến khích để phát triển NLTT, những rào cản này cần được khắc phục để thực hiện có hiệu quả nhằm đảm bảo sự phối hợp tối ưu giữa các nguồn năng lượng truyền thống và tái tạo. Đối với một quốc gia đang phát triển như Việt Nam, việc đẩy nhanh sự tham gia của các nguồn NLTT nói chung và nguồn năng lượng gió, năng lượng mặt trời nói riêng cho phát điện đóng vai trò quan trọng không chỉ trong việc đáp ứng nhu cầu điện năng mà còn đảm bảo cho phát triển bền vững của nền kinh tế. 1.2. Mô hình hệ thống năng lượng mặt trời 1.2.1 . Hệ thống Điện mặt trời hòa lưới Điện năng lượng mặt trời thu được từ tấm pin (Solar Panel) là điện một chiều, qua bộ hòa lưới (Inverter ), có chức năng đổi từ điện DC – AC cùng pha cùng tần số với điện lưới, sau đó hệ thống sẽ hòa chung với điện lưới quốc gia. Hệ thống này không cần dùng ắc quy. - Khi công suất hòa lưới bằng công suất tải thì tải tiêu thụ điện hoàn toàn từ pin mặt trời. - Khi công suất tải tiêu thụ lớn hơn công suất hòa lưới thì tải sẽ lấy thêm lưới bù vào. Buổi tối sẽ dùng nguyên điện lưới nhà nước vì không có ánh nắng mặt trời. Hình 1.2.Mô hình hệ thống điện mặt trời hòa lưới 9 Ưu điểm: Tiết kiệm được một phần lớn chi phí mua ắc quy và mua máy phát điện. Không sợ thiếu điện vì nếu không đủ điện dùng sẽ tự động lấy lưới điện của Nhà nước bù vào. Nhược điểm: Vì chỉ ban ngày mới có nắng nên buổi tối sẽ không dùng được năng lượng mặt trời, mà phải dùng hoàn toàn điện lưới của Nhà nước. Ngoài ra, trong thời gian sử dụng, nếu điện lưới Nhà nước mất thì điện năng lượng mặt trời cũng sẽ không sử dụng được. 1.2.2 . Hệ thống Điện mặt trời độc lập Hệ thống Điện mặt trời độc lập là hệ thống nguồn cung cấp điện mặt trời độc lập hoàn toàn với điện lưới quốc gia. Hệ thống điện mặt trời độc lập bao gồm các thành phần cơ bản: Pin mặt trời (Solar Panels), Ắc quy lưu trữ điện (Accu), bộ điều khiển sạc điện từ pin mặt trời vào Accu (Solar Charger), bộ chuyển điện từ Accu thành điện xoay chiều cấp cho thiết bị (Inverter), dây dẫn và linh kiện đồng bộ. Hình 1.3.Mô hình hệ thốngđiện mặt trời độc lập Pin mặt trời chuyển hóa năng lượng mặt trời dưới dạng quang năng thành điện năng. Điện năng một chiều (DC) này được nạp vào Accu thông qua một bộ điều khiển sạc. Điện năng này sau đó lại được chuyển hóa thành điện xoay chiều nhờ vào bộ Inverter và cung cấp cho thiết bị tiêu thụ điện. Ưu điểm: Khi bị cắt điện vẫn có điện, độc lập với điện lưới nên có thể sử dụng cho các ứng dụng lưu động.