Tài liệu Thiết kế, đánh giá hiệu quả đầu tư nhà máy điện mặt trời nổi 50mw trên hồ thủy điện krông h’năng

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN ĐĂNG HÙNG THIẾT KẾ, ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ ĐẦU TƯ NHÀ MÁY ĐIỆN MẶT TRỜI NỔI 50MW TRÊN HỒ THỦY ĐIỆN KRÔNG H’NĂNG Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 8520201 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: TS. LƯU NGỌC AN Đà Nẵng - Năm 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi về thiết kế, đánh giá hiệu quả đầu tư nhà máy điện mặt trời nổi 50MW trên hồ thủy điện Krông H’năng. Trong luận văn có sử dụng một số nội dung trích dẫn từ luận văn của một số tác giả, các tài liệu chuyên ngành điện của Việt Nam và của một số tổ chức khoa học trên thế giới về thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời nổi, sử dụng phần mềm PVSYST chuyên dụng cho thiết kế, tính toán, mô phỏng hệ thống năng lượng mặt trời. Các số liệu, kết quả nghiên cứu 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 Đăng Hùng TRANG TÓM TẮT TIẾNG VIỆT VÀ TIẾNG ANH Học viên: Nguyễn Đăng Hùng. - Chuyên ngành: Kỹ thuật điện. Mã số: 8520201 Khóa: K34 - KTĐ - Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN THIẾT KẾ, ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ ĐẦU TƯ NHÀ MÁY ĐIỆN MẶT TRỜI NỔI 50MW TRÊN HỒ THỦY ĐIỆN KRÔNG H’NĂNG Tóm tắt – Hiện nay, năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo có trữ lượng dồi dào, đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Tại Việt Nam tiềm năng về năng lượng mặt trời rất lớn, nhưng chúng ta vẫn chưa khai thác và phát triển đúng mức nguồn năng lượng này. Trong các năm gần đây chính phủ đã có những chính sách ưu tiên để phát triển các nguồn điện tái tạo và đã có một số công trình đưa vào vận hành. Trong đó, việc xây dựng các dự án điện mặt trời nổi trên các mặt hồ thủy điện đang được xem xét đầu tư do tận dụng được diện tích mặt hồ lớn chưa được sử dụng. Hồ thủy điện Krông H’năng nằm ở vị trí có bức xạ mặt trời khá tốt, có công trình điện đấu nối sẵn, gần đường quốc lộ, thuận tiện trong thi công xây dựng công trình. Mặt khác, với sự phát triển của công nghệ thông tin, việc ứng dụng phần mềm hóa trong thiết kế hệ thống điện đang được sử dụng rộng rãi. Đối với hệ thống điện mặt trời, sử dụng phần mềm PVsyst để thiết kế, tính toán và mô phỏng hoạt động của hệ thống điện mặt trời sử dụng tấm pin quang điện là một lựa chọn hợp lý. Đồng thời, chúng ta cần phải đánh giá tính khả thi của dự án dựa trên hai yêu tố kỹ thuật và kinh tế để giúp nhà đầu tư có cái nhìn tổng thể và đưa ra quyết định đầu tư nhà máy điện mặt trời nổi phù hợp trên hồ thủy điện Krông H’năng. Từ khóa– Hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới; Năng lượng tái tạo; Điện mặt trời nổi; DESIGN AND EVALUATION OF INVESTMENT EFFICIENCY OF 50MW FLOATING SOLAR POWER PLANT ON THE KRONG H’NANG RESERVOIR Summary - Currently, solar energy is a renewable energy source with abundant reserves, being studied and widely applied in many fields. In Vietnam, the potential of solar energy is huge, but we still have not exploited and developed this energy source properly. In recent years, the government has prioritized policies to develop renewable power sources and some projects have been put into operation. In particular, the construction of solar power projects floating on hydropower reservoirs is being considered for investment due to the utilization of large areas of unused lakes. Krong H’nang hydropower reservoir is located in a location with quite good solar radiation, with a connected electricity project, near the highway, and convenient for construction. On the other hand, with the development of information technology, the application of software in electrical system design is widely used. For solar power system, using PVsyst software to design, calculate and simulate the operation of solar power system using photovoltaic panels is a reasonable choice. At the same time, we need to assess the feasibility of the project based on two technical and economic factors to help investors have an overall view and make a decision to invest in floating solar power plant on the Krong H’nang hydropower reservoir. Keywords - Grid connected solar system; Recycled energy; Floating solar power. MỤC LỤC TRANG BÌA LỜI CAM ĐOAN TRANG TÓM TẮT TIẾNG VIỆT VÀ 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 nghiên cứu ................................................................................................. 1 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................ 2 4. Giới hạn đề tài .......................................................................................................... 2 5. Phương pháp nghiên cứu .......................................................................................... 2 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.................................................................. 2 7. Bố cục luận văn ........................................................................................................ 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN MẶT TRỜI ...................................................... 4 1.1. Tổng quan về năng lượng mặt trời ........................................................................... 4 1.1.1. Bức xạ mặt trời ................................................................................................... 4 1.1.2. Nguồn gốc năng lượng mặt trời.......................................................................... 4 1.1.3. uá trình phát triển và triển khai ứng dụng năng lượng mặt trời ...................... 6 1.2. Tình hình ứng dụng điện mặt trời trên thế giới và tại Việt Nam .............................. 7 1.2.1. Tình hình phát triển điện mặt trời trên thế giới .................................................. 7 1.2.2. Tình hình phát triển điện mặt trời tại Việt Nam ............................................... 11 1.3. Một số công nghệ ứng dụng và sử dụng trong đề tài ............................................. 12 1.3.1. Pin mặt trời ....................................................................................................... 12 1.3.2. Bộ nghịch lưu inverter ...................................................................................... 20 1.4. Các mô hình cơ bản của nhà máy điện mặt trời ..................................................... 21 1.4.1. Vận hành độc lập với lưới (Off Grid) ............................................................... 21 1.4.2. Vận hành kiểu lai (Hybrid) ............................................................................... 21 1.4.3. Vận hành kết nối với lưới điện (grid tie) .......................................................... 22 1.5. Kết luận................................................................................................................... 22 CHƯƠNG 2. KHẢO SÁT THỰC TRẠNG HỒ THỦY ĐIỆN KRÔNG H’NĂNG .... 23 2.1. Tổng quan về hồ thủy điện Krông H’năng ............................................................. 23 2.1.1. Vị trí địa lý........................................................................................................ 23 2.1.2. Diện tích mặt thoáng ........................................................................................ 23 2.1.3. Vị trí lắp đặt thiết bị.......................................................................................... 23 2.1.4. Giao thông ........................................................................................................ 24 2.2. Tiềm năng điện mặt trời lý thuyết tại khu vực ....................................................... 24 2.2.1. Số giờ năng trung bình và tổng xạ theo phương ngang (bức xạ) ..................... 24 2.2.2. Nhiệt độ trung bình ........................................................................................... 24 2.3. Thực trạng lưới điện tại khu vực hồ thủy điện Krông H’năng ............................... 24 2.3.1. Lưới điện hạ thế và thông tin liên lạc ............................................................... 24 2.3.2. Lưới điện 22kV, 110kV .................................................................................... 25 2.4. Kết luận................................................................................................................... 25 CHƯƠNG 3. ỨNG DỤNG PHẦN MỀM PVSYST THIẾT KẾ NHÀ MÁY ĐIỆN MẶT TRỜI NỔI TRÊN HỒ THỦY ĐIỆN KRÔNG H’NĂNG ................................... 27 3.1. Yêu cầu hạng mục công việc chính cần thực hiện ................................................. 27 3.2. Giới thiệu sơ lược về phần mềm PVSyst ............................................................... 27 3.3. Định vị địa điểm lấy số liệu khí tượng ................................................................... 28 3.3.1. Nhập số liệu đầu vào ....................................................................................... 28 3.3.2. Kết quả số liệu của chương trình ..................................................................... 28 3.4. Lựa chọn, bố trí các tấm pin PV ............................................................................. 28 3.4.1. Góc nghiêng tấm pin ....................................................................................... 28 3.4.2. Khoảng cách giữa các hàng ............................................................................. 30 3.4.3. Tính toán lựa chọn số lượng tấm pin ............................................................... 31 3.4.4. Lựa chọn các tấm PV....................................................................................... 32 3.4.5. Thiết kế lựa chọn hệ thống giá đỡ và phao nổi ............................................... 32 3.5. Lựa chọn Inverter ................................................................................................... 36 3.6. Lựa chọn, đấu nối cáp DC ...................................................................................... 37 3.7. Thiết kế phần điện AC ............................................................................................ 40 3.8. Nhập số liệu đầu vào cho phần mềm PVSyst ......................................................... 41 3.8.1. Nhập thông số hệ thống cho phần mềm .......................................................... 42 3.8.2. Nhập số liệu tổn thất ........................................................................................ 43 3.9. Kết quả mô phỏng .................................................................................................. 43 3.9.1. Các thông số mô phỏng .................................................................................... 43 3.9.2. Các kết quả chính ............................................................................................. 43 3.9.3. Biểu đồ tổn thất ................................................................................................ 45 3.10. Kết luận ............................................................................................................... 47 CHƯƠNG 4. ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ ĐẦU TƯ DỰ ÁN ........................................... 48 4.1. Mục tiêu đánh giá hiệu quả đầu tư dự án ............................................................... 48 4.2. Tổng hợp thông số dự án ........................................................................................ 48 4.3. Khái toán tổng mức đầu tư ..................................................................................... 50 4.4. Đánh giá hiệu quả đầu tư dự án .............................................................................. 51 4.5. Kết luận................................................................................................................... 52 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 53 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................... 55 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 Bảng 1.1. Các nước có nhà máy điện t pin mặt trời cỡ lớn (công suất trên 1M Bảng 1.2. Các nhà máy điện mặt trời PV lớn nhất thế giới (trên 5 M p). ...8 ......................9 Bảng 1.3. Các nhà máy điện t pin mặt trời lớn nhất thế giới ......................................10 Bảng 3.1. Thông số nhập vào mục Meteo database ......................................................28 Bảng 3.2. Thông số kỹ thuật tấm PV.............................................................................32 Bảng 3.3. Thông số kỹ thuật chính của Inverter ...........................................................37 Bảng 3.4. Tổng hợp thông số thiết kế nhà máy .............................................................38 Bảng 3.5. Bảng tổng hợp số liệu chính để tính toán mô phỏng dự án ..........................41 Bảng 3.6. Giá trị tổn thất nhập vào phần mềm ..............................................................42 Bảng 3. . Tổng hợp kết quả mô phỏng dự án ...............................................................43 Bảng 3. . Tổn thất bức xạ mặt trời trên bề mặt pin quang điện trong 1 năm ...............46 Bảng 3. . Tổn thất bên trong hệ thống pin quang điện trong hệ thống điện năng lượng mặt trời .......................................................................................................46 Bảng 4.1. Bảng dữ liệu đầu vào ....................................................................................49 Bảng 4.2. Khái toán tổng mức đầu tư dự án ..................................................................50 Bảng 4.3. Kết quả phân tích tài chính ...........................................................................52 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Các vùng năng lượng ....................................................................................13 Hình 1.2. Biểu diễn phương trình cân bằng năng lượng Hv ........................................14 Hình 1.3. Đường đặc trưng theo độ chiếu sáng của pin mặt trời .................................16 Hình 1.4. Điểm làm việc và điểm công suất cực đại ....................................................17 Hình 1.5. Ghép nối tiếp hai module pin mặt trời (a và đường đặc trưng VA của các module và của cả hệ (b ............................................................................18 Hình 1.6. Ghép song song hai module pin mặt trời (a và đường đặc trưng VA của các module và của cả hệ (b ............................................................................19 Hình 1. . Dàn pin năng lượng mặt trời ........................................................................20 Hình 2.1. Vị trí hồ thủy điện Krông H’năng ................................................................23 Hình 2.2. Vị trí lắp đặt hệ thống pin mặt trời trên hồ ...................................................24 Hình 2.3. Sơ đồ lưới điện 22kV, 11 kV .......................................................................25 Hình 3.1. Giao nhập số liệu và kết quả của chương trình ............................................28 Hình 3.2. Số liệu khí tượng lấy t phần mềm PVsyst ..................................................28 Hình 3.3. Góc nghiêng tối ưu phân tích t phần mềm PVsyst .....................................29 Hình 3.4. Khoảng cách lựa chọn giữa các hàng Pin .....................................................30 Hình 3.5. Phao dạng lắp ghép sau khi đã tổ hợp ..........................................................33 Hình 3.6. Phao đúc sẵn chuyên dụng ...........................................................................34 Hình 3. . Mặt bằng phao đỡ nổi tấm pin ......................................................................35 Hình 3. . Các mảng phao và pin sau khi được tổ hợp .................................................35 Hình 3. . Mô hình kết nối của Inverter trung tâm và Inverter chu i. ..........................37 Hình 3.1 . Tổng mặt bằng bố trí thiết bị tại nhà máy điện mặt trời nổi trên hồ thủy điện Krông H’năng ...................................................................................39 Hình 3.11. Đấu nối các chu i PV về hộp gom dây ......................................................39 Hình 3.12. Đấu nối các hộp gom dây về bộ inverter ....................................................40 Hình 3.13. Đấu nối phía AC inverter và máy biến áp .4 22kV ..................................40 Hình 3.14. Sơ đồ nối điện chính trạm 22 11 kV của NMĐMT nổi trên hồ Krông H’năng .......................................................................................................41 Hình 3.15. Giao diện phần mềm sau khi nhập dữ liệu đầu vào hệ thống .....................42 Hình 3.16. Giao diện nhập các giá trị tổn thất ..............................................................43 Hình 3.1 . Kết quả mô phỏng sản lượng dự án ............................................................44 Hình 3.1 . Lược đồ tổn thất trong năm của dự án ........................................................45 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Hiện nay, việc khai thác nguồn năng lượng truyền thống như nước, than đá,… để phục vụ cho nhu cầu phát điện đã bắt đầu giảm hoặc bão hòa do nguồn than đá cũng sẽ đến lúc cạn kiệt, các sông suối có thể đặt nhà máy thủy điện cũng sẽ hết. Cùng với đó, việc phát triển điện hạt nhân cũng gặp nhiều khó khăn do nguy cơ bị rò rỉ nhiễm xạ của các nhà máy điện hạt nhân trong tương lai là rất lớn. Do đó, việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng sạch như mặt trời, gió, thủy triều để phát điện sẽ là hướng phát triển hợp lý trong thời gian đến. Ở Việt Nam, với nguồn bức xạ mặt trời lớn, được đánh giá có tiềm năng phát triển điện mặt trời thuận lợi, hiệu suất cao nhưng vẫn chưa được đầu tư khai thác đúng mức. V a qua Thủ tướng chính phủ đã ban hành quyết định số 11/2017 Đ-TTg ngày 11/4/2017 về cơ chế khuyến khích phát triển các dự án điện mặt trời tại Việt Nam trong đó có đề cập quy hoạch điện mặt trời đến năm 2 2 và tầm nhìn đến 2030. Tuy nhiên, để đạt được mục tiêu và lộ trình phát triển điện mặt trời đề ra, cần hướng đến việc phát triển nhà máy điện mặt trời trên các hồ thủy điện bởi các yêu tố thuận lợi như: sử dụng ít quỹ đất, tăng hiệu suất tấm pin do được làm mát t nước hồ, giảm lượng bốc hơi nước làm tăng hiệu quả phát điện của nhà máy thủy điện, nếu cùng một chủ đầu tư thì sẽ giảm được chi phí đầu tư, quản lý dự án do tận dụng được cơ sở vật chất, đội ngũ nhân viên vận hành sẵn có. Hồ thủy điện Krông H’năng nằm ở khu vực thuận lợi về giao thông gần quốc lộ 2 , dân cư thưa thớt, lưới điện 11 kV đấu nối nhà máy thủy điện Krông H’năng gần khu vực hồ, mực nước chênh lệch nhỏ nên thuận lợi để xây dựng nhà máy điện mặt trời nổi trên hồ đấu nối lưới điện quốc gia. Vì các lý do trên, việc “Thiết kế, đánh giá hiệu quả đầu tư nhà máy điện mặt trời nổi trên hồ thủy điện Krông H’năng” để cung cấp điện sạch cho hệ thông điện quốc là cần thiết. Đây cũng là lý do tôi chọn Đề tài này. 2. Mục tiêu nghiên cứu Thiết kế nhà máy điện mặt trời đặt nổi 50MW trên hồ thủy điện Krông H’năng, kết nối với hệ thống lưới điện 110kV nhằm cung cấp nguồn cho hệ thống điện Quốc gia với các mục tiêu cụ thể như sau: - Khảo sát, tính toán và đưa ra được các phương án nối lưới cho các nhà máy điện mặt trời phù hợp với lưới điện hiện trạng. - Xác định số lượng và vị trí lắp đặt các thiết bị (Tấm pin mặt trời, inveter, máy 2 biến áp… , lựa chọn thiết bị, thiết kế các giá và phao đỡ cho các tấm pin mặt trời. - Sử dụng phần mềm PVsyst để mô phỏng sơ đồ đấu nối và chạy ra được kết quả cần thiết. - Tính toán, phân tích hiệu quả đầu tư dự án. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài là thiết kế nhà máy điện sử dụng các tấm pin mặt trời đặt nổi trên mặt hồ đấu nối với lưới điện 110kV. 3.2. Phạm vi nghiên cứu: - Nghiên cứu các công nghệ về pin mặt trời và các bộ nghịch lưu ứng dụng cho việc thi công nhà máy điện mặt trời nổi trên hồ thủy điện Krông H’năng. - Nghiên cứu các phương án kết nối nhà máy điện mặt trời đặt nổi tại hồ thủy điện Krông H’năng với lưới điện quốc gia. - Mô phỏng hệ thống pin năng lượng mặt trời nối lưới bằng phần mềm Pvsyst. - Nghiên cứu, phân tích hiệu quả đầu tư dự án điện mặt trời nổi trên hồ thủy điện Krông H’năng. 4. Giới hạn đề tài Đề tài áp dụng cho việc thiết kế nhà máy điện mặt trời nổi trên hồ thủy điện Krông H’năng đấu nối lưới điện 110kV, mở rộng áp dụng cho các dự án điện mặt trời nổi có quy mô tương tự. 5. Phương pháp nghiên cứu Để giải quyết các mục tiêu nêu trên, luận văn đưa ra phương pháp nghiên cứu như sau: Nghiên cứu lý thuyết: các lý thuyết về năng lượng mặt trời, cấu tạo, nguyên lý làm làm việc của hệ thống pin mặt trời. Xây dựng hệ thống pin năng lượng mặt trời nổi nối lưới tại hồ thủy điện Krông H’năng. Mô phỏng hoạt động hệ thống pin năng lượng mặt trời nối lưới tại hồ thủy điện Krông H’năng bằng phần mềm PVsys chuyên dụng. Đánh giá hiệu quả đầu tư dự án. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học: Ứng dụng được công nghệ mới vào sản xuất, góp phần phát triển năng lượng mặt trời, là nguồn năng lượng tái tạo, sạch và được nhà nước khuyến khích đầu tư. Thiết kế, tính toán, mô phỏng được sự hoạt động của hệ thống pin năng lượng mặt trời nối với lưới điện 11 kV uốc gia, t đó có cơ sở đánh giá tính hiệu quả về mặt kinh tế và kỹ thuật của hệ thống trước khi đầu tư xây dựng. 3 Ý nghĩa thực tiễn: Góp phần phát triển hệ thống điện mặt trời nối lưới tại các mặt hồ đặc biệt là các mặt hồ thủy điện để đáp ứng nhu cầu về phát triển nguồn năng lượng sạch theo lộ trình của Chính phủ. 7. Bố cục luận văn Mở đầu Chương 1: Tổng quan về điện mặt trời Chương 2: Khảo sát thực trạng hồ thủy điện Krông H’năng. Chương 3: Ứng dụng phần mềm PVsyst thiết kế nhà máy điện mặt trời nổi trên hồ thủy điện Krông H’năng. Chương 4. Đánh giá hiệu quả kinh tế dự án. Kết luận và kiến nghị. 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN MẶT TRỜI 1.1 Tổng quan về 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 1,36 triệu km và ở cách Trái đất khoảng 15 triệu km. Theo các số liệu hiện có, nhiệt độ bề mặt của mặt trời vào khoảng 6. K, trong khi đó nhiệt độ ở vùng trung tâm của mặt trời rất lớn, vào khoảng .1 6 K đến 4 .1 6 K. Mặt trời được xem là một lò phản ứng nhiệt hạch hoạt động liên tục. Do luôn luôn bức xạ năng lượng vào trong vũ trụ nên khối lượng của mặt trời sẽ giảm dần. Điều này dẫn đến kết quả là đến một ngày nào đó mặt trời sẽ thôi không tồn tại nữa. Tuy nhiên, do khối lượng của mặt trời vô cùng lớn, , nên thời gian để mặt trời còn tồn tại cũng vô cùng lớn. Bên cạnh sự biến đổi nhiệt độ rất đáng kể theo hướng kính, một điểm đặc biệt khác của mặt trời là sự phân bố khối lượng rất không đồng đều. Ví dụ, khối lượng riêng ở vị trí gần tâm mặt trời vào khoảng 1 g cm3, trong khi đó khối lượng riêng trung bình của mặt trời chỉ vào khoảng 1,41g cm3. Các kết quả nghiên cứu cho thấy, khoảng cách t mặt trời đến Trái đất không hoàn toàn ổn định mà dao động trong khoảng ±1, % xoay quanh giá trị trung bình đã trình bày ở trên. Trong kỹ thuật NLMT, người ta rất chú ý đến khái niệm hằng số mặt trời (Solar Constant . Về mặt định nghĩa, hằng số mặt trời được hiểu là lượng bức xạ mặt trời (BXMT nhận được trên bề mặt có diện tích 1m2 đặt bên ngoài bầu khí quyển và thẳng góc với tia tới. Tùy theo nguồn tài liệu mà hằng số mặt trời sẽ có một giá trị cụ thể nào đó, các giá trị này có thể khác nhau tuy nhiên sự sai biệt không nhiều. Trong tài liệu này ta thống nhất lấy giá trị hằng số mặt trời là 1353 m2. Có 2 loại bức xạ mặt trời: BXMT đến bên ngoài bầu khí quyển và BXMT đến trên mặt đất. Trong mục này ta cần phân biệt ý nghĩa của các ký hiệu được dùng để biểu diễn giá trị của lượng bức xạ khảo sát là G, I và H. Đơn vị của G là m2, đơn vị của I và H là J m2, trong đó thời gian tương ứng với các ký hiệu I và H lần lượt là giờ và ngày. Khái niệm ngày trong kỹ thuật NLMT được hiểu là khoảng thời gian t lúc mặt trời mọc cho đến lúc mặt trời lặn. 1.1.2 Nguồn gốc năng lượng mặt trời NLMT có vai trò quan trọng đối với sự tồn tại và tồn tại và phát triển của các yến 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 5 ra các hạt nhân Heli (He liên tục xảy ra trên mặt trời . Công suất bức xạ của mặt trời là 3, 65.1 26 , tương đương với năng lượng đốt cháy hết 1,32.1 16 tấn than đá tiêu chuẩn. Nhưng phần NLMT đến bề mặt trái đất chỉ là 1 ,5 .1 16J s hay tương ứng với năng lượng đốt cháy hết 6.1 6 tấn than đá. Ngoài khí quyển trái đất (hay còn gọi là ngoài vũ trụ mật độ NLMT là 1.353W/m2. Nhưng khi tới mặt đất các tia mặt trời phải đi qua lớp khí quyển trái đất (chiều dày khoảng 16km nên bị mất mát khoảng 3 % do các hiện tượng hấp thụ, tán xạ bởi các phân tử khí, hơi nước... của lớp khí quyển. Vì vật trên bề mặt trái đất, mật độ bức xạ mặt trời chỉ còn khoảng 1. 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 t có phổ bước sóng trải t 1 -10 m đến 1014 m, trong đó mắt người có thể nhận biết được giải sóng có bước sóng t ,4 đến 0,7 m và được gọi là áng sáng nhìn thấy (vùng khả kiến . Vùng bức xạ điện t có bước sóng nhỏ hơn ,4 m được gọi là vùng sóng tử ngoại. Còn vùng có bước sóng lớn hơn , m được gọi là vùng hồng ngoại. Do bản chất của sóng điện t nên NLMT là nguồn năng lượng không có phát thải, không gây ô nhiễm môi trường hay được gọi là nguồn năng lượng sạch. Các thành phần của BXMT trên mặt đất: Ngoài lớp khí quyển trái đất bức xạ mặt trời chỉ có một thành phần. Đó là các tia mặt trời đi thẳng phát ra t mặt trời. Nhưng khi tới mặt đất, do các hiện tượng tán xạ trong lớp khí quyển quả đất, bức xạ mặt trời bị biến đổi và gồm 3 thành phần: - Thành phần trực xạ gồm các tia mặt trời đi thẳng t mặt trời đến mặt đất. Nhờ các tia trực xạ này mà ta có thể nhìn thấy mặt trời; - Thành phần nhiễu hay tán xạ gồm các tia mặt trời tới mặt đất t mọi phương trên bầu trời do hiện tường 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. T lệ của các thành phần trực xạ và tán xạ trong tổng xạ phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên và trạng thái thời tiết của địa điểm và thời điểm quan sát hay đo đạc. Ví dụ ở nước ta, trong các tháng mùa H , t tháng 5 đến tháng , thì thành phần trực xạ chiếm ưu thế (trên 5 % , còn trong mùa Đông, t tháng 12 đến tháng 2 năm sau thành phần 6 tán xạ lại chiếm ưu thế. Thành phần phản xạ t 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 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. 1.1.3 u tr n t tri n tri n i ứng ng năng lượng mặt trời NLMT trung bình trên bề mặt quả đất nằm trong khoảng 15 đến 3 m 2 hay t 3,5 đến , kWh/m2 ngày. NLMT t 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 t 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, CSP một cách gián tiếp. Các hệ thống CSP sử dụng các thấu kính hay các gương hội tụ và hệ thống “d i 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 về tinh nhân tạo Vanguard I vào năm 1 5 , nó đã cho phép truyền tín hiệu về quả đất hơn một năm sau khi nguồn ắc qui điện hóa đã bị kiệt. Sự hoạt động thành công này của pin mặt trời trên vệ tinh đã được lặp lại trong nhiều về tinh khác của Liên Xô và Mỹ. Vào cuối những năm 1 6 , 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 thong ngày nay. 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 1 . Nhà máy có công suất lớn nhất là 354M xây dựng tại Sa mạc Mo ave ở California (Mỹ . Các nhà máy lớn khác như nhà máy Solnova (15 M và Andasol (1 M , cả hai đều ở Tây Ban Nha. Những phát triển giai đoạn đầu của công nghệ năng lượng mặt trời (CN NLMT 7 bắt đầu trong những năm thập niên 1 đã được kích thích bởi sự kiện rằng than sẽ không lâu nữa sẽ bị cạn kiệt. Tuy nhiên, sự phát triển của CN NLMT sau đó bị chậm lại vào thời gian đầu của thế k 2 do phải đối mặt với các vấn đề về giá, tính kinh tế và tính tiện dụng của than và dầu. Năm 1 4, người ta đã ước tính rằng chỉ có 6 hộ ở tất cả khu vực Bắc Mỹ sử dụng hoàn toàn năng lượng cho sưởi ấm và làm lạnh nhờ các hệ thống thiết bị NLMT. Sự cấm vận dầu năm 1 3 và sự khủng hoảng năng lượng năm 1 đã làm thay đổi chính sách năng lượng trên phạm vi thế giới và CN NLMT lại 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 (S RI, nay là NR L , Nhật (N DO và Đức ( raunhofer Institute for Solar nergy Systems IS . Giữa các năm 1 và 1 3 các lắp đặt PV tăng rất nhanh, nhưng đầu những năm 1 do giá dầu giảm nên làm giảm nhịp độ phát triển của PV t 1 4 đến 1 6. T 1 , 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 quả đất, và sự cải thiện của công nghệ sản xuất PV, dẫn đến tính tính tế của PV trở nên tốt hơn. Sản xuất PV tăng trung bình 4 % năm t năm 2 và công suất lắp đặt đã đạt đến 1 ,6G vào cuối năm 2 và 14, 3G vào năm 2 . Năm 2 1 các nhà máy điện PV lớn nhất trên thế giới là Sania Power Plant ở Canada. 1.2 Tình hình ứng dụng điện mặt trời trên thế giới và tại Việt Nam 1.2.1 T n n t tri n điện mặt trời trên t ế giới Tới nay, rất nhiều quốc gia đã nghiên cứu và đang ứng dụng thành công nguồn NLMT trong nhiều lĩnh vực của đời sống. Tại Hoa Kì, các hoạt động quảng bá NLMT diễn ra rất sôi nổi. Hàng năm, các tiểu bang ở miền đông đều mở hội nghị về năng lượng xanh với mục đích giới thiệu công nghệ mới về các thiết bị áp dụng NLMT cho các hộ gia đình và cơ sở kinh doanh nhỏ. Ở Pháp, t những năm của thập niên 6 thế kỉ trước, họ đã rất chú trọng tới việc giải quyết thiếu hụt năng lượng cho quốc gia phát triển. Họ đã thành công trong việc thiết kế và lắp đặt các hệ thống biến NLMT thành điện năng cung ứng cho các làng xã có quy mô 1. hộ. Nhờ đó, một số quốc gia vùng Trung Mỹ đã th a hưởng thành tựu này vì dễ lắp ráp và chi phí tương đối rẻ. Đan Mạch được cho là quốc gia sử dụng năng lượng hiệu quả nhất thế giới. Ở Đan Mạch, ước tính có tới 3 % các hộ sử dụng tấm thu NLMT. Đan Mạch là nước đầu tiên triển khai cơ chế buộc các nhà máy điện lớn phải mua điện xanh t các địa phương với giá cao ( eed - in tariff - IT . Với cơ chế này, các địa phương hào hứng sản xuất điện xanh. Mô hình đã được 3 nước áp dụng như: Đức, Tây Ba Nha, Nhật 8 Bản… Đức trở thành nước dẫn đầu thị trường PV thế giới (chiến 45% kể t khi điều chỉnh lại hệ thống giá điện ( eed-in tariff như là một phần của Chương trình “Hành động nguồn năng lượng tái tạo” (Renewable nergy Sources Act . Công suất lắp đặt PV đã tăng t 1 M năm 2 lên gần 415 M vào cuối năm 2 (bảng 1.5 . Sau năm 2 , Tây Ban Nha trở thành nước có sự phát triển sôi động nhất. Các nước Pháp, Italy, Hàn uốc và Mỹ cũng đã tăng công suất lắp đặt lên rất nhanh trong các năm mới đây nhờ các chương trình kích thích và các điều kiện thị trường địa phương. Các nghiên cứu mới đây đã cho thấy rằng, thị trường PV thế giới được dự báo vượt quá 16G vào năm 2 1 . ảng 1.1. Các nước có nhà máy điện từ pin mặt trời cỡ lớn (công suất trên 1MWp). Tên nước STT Tổng công suất (MWp) Thị phần (%) 1. Đức 400 45 2. Tây Ban Nha 245 28 3. Mỹ 142 16 4. Italy 17 2 5. Nhật Bản 17 2 6. Hàn Quốc 13 2 7. Bồ Đào Nha 12 1,5 8. Hà Lan 9 1 9. Thụy Sỹ 5 1 10. Bỉ 3 0,5 11. Úc 2 0,5 12. Trung Quốc 2 0,2 13. Áo 1,5 0,2 14. Cộng hòa Séc 1,4 0,2 15. Philipines 1,1 0,1 16. Réunion 1 0,1 Ở Trung uốc, sự hưởng ứng mang tính tự phát của người dân trong việc lắp đặt các tấm thu NLMT cũng đang đưa nước này vượt qua Đức trở thành thị trường tấm thu NLMT lớn nhất thế giới. Trung uốc cũng đã ban hành luật năng lượng tái tạo (năm 2 5 , tạo cơ sở cho các hoạt động về dạng năng lượng này trở nên sôi nổi hơn. 9 ảng 1.2. Các nhà máy điện mặt trời PV lớn nhất thế giới (trên 0MW Nhà máy PV TT 1 2 3 Sarnia PV Power Plant (Canada) Montalto di Castro PV Station (Italy) insterwalde Solar Park (Đức) Công suất C cực đại (MW Ghi ch 97 Đã được xây dựng 2009-2010 84,2 80,7 Đã được xây dựng 2009-2010 Pha 1 hoàn thành 2009, pha 2 và 3, 2010 4 Rovigo PV Power Plant (Italia) 70 Hoàn thành 11 2 1 5 Olmedilla PV Park (Tây Ban Nha) 60 Hoàn thành 6 Strasskirchen Solar Park (Đức) 54 7 Lieberose PV Park (Đức) 53 Hoàn thành 2 8 Puertollano PV Park (Tây Ban Nha) 50 Khởi công 2 2 T đó có thể thấy, các nước thi đua khai thác nguồn năng lượng vô tận t mặt trời. Về mức độ khai thác và sử dụng NLMT, Việt Nam chỉ đang xếp hạng xấp xỉ với Lào hoặc ở mức gần bằng với Campuchia. Các nhà máy nhiệt điện mặt trời thương mại (CSP đã được xây dựng lần đầu tiên vào những năm 1 . Tháp NLMT PS1 , 11M ở Tây Ban Nha, đã hoàn thành vào cuối năm 2 5, là hệ CSP thương mại đầu tiên ở Châu u và một nhà máy khác công suất 3 M được chờ đợi sẽ xây dựng vào năm 2 13 cùng tại vị trí đó. Ngoài ra nhà máy Ivanpah Solar Power ở Đông Nam California gần biên giới Nevada được chờ đợi có công suất 3 2M . Công suất lắp đặt pin mặt trời trên toàn thế giới đến năm 2 là 1 .3 M p. Đức hiện đang dẫn đầu với 3. 62M p. Trong đó, P (watt-peak) là công suất điện một chiều của pin mặt trời được đo đạc trong các điều kiện tiêu chuẩn (với cường độ sáng: 1000 W/m2, nhiệt độ môi trường: 25OC, quang phổ của nguồn sáng thử nghiệm phải tương tự như quang phổ của BXMT tương ứng với hệ số khối lượng không khí là 1,5) (bảng 1.4). 10 ảng 1.3. Các nhà máy điện từ pin mặt trời lớn nhất thế giới STT Công suất (MWp) Thành phố Quốc gia 1. 20 Jumilla (Murcia) Tây Ban Nha 2. 20 Beneixama (Alicante) Tây Ban Nha 3. 14 Nellis, NV Mỹ 4. 13,8 Salamanca Tây Ban Nha 5. 12,7 Lobosillo (Murcia) Tây Ban Nha 6. 12 Erlasee (Arnstein) Đức 7. 11 Serpa (Alentejo) Bồ Đào Nha 8. 10,35 Bradis Đức 9. 10 Porkinh Đức 10. 9,55 Milagro Tây Ban Nha 11. 8,76 Viana (Navarra) Tây Ban Nha 12. 8,4 Gottelbom Đức 13. 8,22 San Luis Valley Mỹ 14. 6,3 Muhkhausen Đức 15. 6,277 Aldea del Conde Tây Ban Nha (Extremmadura) 16. 6 Olmedilla (Castilla la Mancha) Tây Ban Nha 17. 6 Doberschutz Đức 18. 5,8 Darro (Granada) Tây Ban Nha 19. 5,568 Oberottmarshausen Đức 20. 5,27 Miegersbach Nhật Bản 21. 5,21 Kameyama Đức 22. 5,076 Kleinaitingen Đức 23. 5,04 Alvarado Tây Ban Nha T giữa các năm 1 các nước dẫn đầu trong lĩnh vực PV đã dịch t Mỹ sang Nhật Bản và Châu u. Trong các năm 1 2-1994, Nhật Bản đã tăng nguồn cung cấp kinh phí cho các hoạt động R D, đã xây dựng hướng dẫn về ĐMT nối lưới và đã đưa vào một chương trình bù giá cho ĐMT, và do đó đã thúc đẩy sự lắp đặt các hệ thống PV cho khu dân cư. Kết quả là, sản xuất trên thế giới đã tăng 3 % trong các năm cuối của thập k 1 . Các hệ PV cho dân sự (domestic thường được tính công suất theo đơn vị kilowatt-peak, k p (thông thường nằm trong dải t 1 đến 1 k p . Mặc dù tiềm năng 11 NLMT rất lớn. Tuy nhiên, đến năm 2 nó mới chỉ cung cấp được dưới , 2% tổng nhu cầu năng lượng của nhân loại. Một vấn đề quan trọng với ĐMT là chi phí lắp đặt còn cao, mặc dù chi phi đó đã giảm nhiều so với các thập niên trước đây. Đặc biệt các nước đang phát triển có thể không có đủ quĩ tài chính để xây dựng các nhà máy PV, mặc dù các ứng dụng qui mô nhỏ hiện nay đã có thể thay thế các nguồn khác trong các nước đang phát triển. 1.2.2 T n n t tri n điện mặt trời tại Việt N m 1.2.2.1 Tiềm năng điện mặt trời ở Việt Nam Việt Nam thuộc vùng có bức xạ mặt trời vào loại cao trên thế giới, với số giờ nắng dao động t 1600-2600giờ năm, (trung bình xấp xỉ 5kWh/m2 ngày , được đánh giá là khu vực có tiềm năng rất lớn về năng lượng mặt trời, đặc biệt là tại khu vực miền Trung và miền Nam. Theo các nhà chuyên môn thì trong tương lai, nhu cầu sử dụng các thiết bị chạy bằng năng lượng mặt trời ở nước ta là rất lớn, kể cả khu vực thành thị cũng như khu vực nông thôn. Pin mặt trời v a có thể thay thế cho thu điện nhỏ khi mùa hanh khô, v a có thể là nguồn năng lượng dự trữ khi điện lưới quốc gia không đủ cung cấp cho người dân. 1.2.2.2 Những dự án điện mặt trời ở Việt Nam Tuy tiềm năng điện mặt trời ở Việt Nam là rất lớn nhưng do chi phí phát triển điện mặt trời hiện nay còn khá cao nên các dự án điện mặt trời ở Việt Nam chủ yếu có quy mô nhỏ lẻ và mang tính chất thử nghiệm. Các dự án điện mặt trời này thường là các hệ thống điện mặt trời độc lập cung cấp điện cho các khu vực mà lưới điện quốc gia chưa thể vươn tới như các vùng núi, vùng xa vùng xôi, hải đảo. Các dự án điện mặt trời tiêu biểu có thể kể đến như: - Dự án điện mặt trời trên đảo Cù Lao Chàm – uảng Nam với 166 tấm pin mặt trời tổng công suất 2 k p. - Trung tâm Hội nghị uốc gia Mỹ Đình. Tổng công suất 154kW. - Dự án tại Xã Thượng Trạch, Bố Trạch, uảng Bình. Công suất 11k . - Hệ thống điện mặt trời cung cấp điện cho quần đảo Trường Sa. Bên cạnh những dự án điện mặt trời độc lập kể trên, các hệ thống điện mặt trời nối lưới cũng bắt đầu xuất hiện ở Việt Nam, tiêu biểu là hệ thống điện mặt trời trên nóc tòa nhà bộ công thương với công suất 12k . Dự án này với mục tiêu trình diễn công nghệ là chính, nhưng nó cũng cho thấy sự hiệu quả của mình. 12 1.3 Một số công nghệ ứng dụng và sử dụng trong đề tài 1.3.1 Pin mặt trời 1.3.1.1. Cấu tạo của pin mặt trời Cấu tạo bằng Silic Trong bảng tuần hoàn Silic (Si) có số thứ tự 14- 1s22s22p63s23p2. Các điện tử của nó được sắp xếp vào 3 lớp vỏ, 2 lớp vỏ bên trong được xếp đầy bởi 1 điện tử. Tuy nhiên lớp ngoài cùng của nó chỉ được lấp đầy 1 nửa với 4 điện tử 3s23p2. Điều này làm nguyên tử Si có xu hướng dùng chung các điện tử của nó với các nguyên tử Si khác. Trong cấu trúc mạng tinh thể nguyên tử Si liên kết với 4 nguyên tử Si lân cận để lớp vỏ ngoài cùng có chung điện tử (bền vững). Để tăng khả năng dẫn điện của bán dẫn silicon người ta thường pha tạp chất vào trong đó. Trước tiên ta xem xét trường hợp tạp chất là nguyên tử phospho (P) với t lệ khoảng một phần triệu. P có 5 điện tử ở lớp vỏ ngoài cùng nên khi liên kết trong tinh thể Si sẽ dư ra 1 điện tử. Điện tử này trong điều kiện bị kích thích nhiệt có thể bứt khỏi liên kết với hạt nhân P để khuếch tán trong mạng tinh thể. Chất bán dẫn Si pha tạp P được gọi là bán dẫn loại N (Negative) vì có tính chất dẫn điện bằng các điện tử tự do. Ngược lại, nếu chúng ta pha tạp tinh thể Si bằng các nguyên tử Boron (B) chỉ có 3 điện tử ở lớp vỏ, chúng ta sẽ có chất bán dẫn loại P (Positive) có tính chất dẫn điện chủ yếu bằng các l trống. Khi ta cho 2 loại bán dẫn trên tiếp xúc với nhau. Khi đó, các điện tử tự do ở gần mặt tiếp xúc trong bán dẫn loại N sẽ khuyếch tán t bán dẫn loại N - bán dẫn loại P và lấp các l trống trong phần bán dẫn loại P này. Liệu các điện tử tự do của bán dẫn N có bị chạy hết sang bán dẫn P hay không? Câu trả lời là không. Vì khi các điện tử di chuyển như vậy nó làm cho bán dẫn N mất điện tử và tích điện dương, ngược lại bán dẫn P tích điện âm. Ở bề mặt tiếp xúc của 2 chất bán dẫn bây giờ tích điện trái ngược và xuất hiện 1 điện trường hướng t bán dẫn N sang P ngăn cản dòng điện tử chạy t bán dẫn N sang P. Và trong khoảng tạo bởi điện trường này hầu như không có electron hay l trống tự do. Tinh thể Si tinh khiết là chất bán dẫn dẫn điện rất kém vì các điện tử bị giam giữ bởi liên kết mạng, không có điện tử tự do. Chỉ trong điều kiện kích thích quang, hay nhiệt làm các điện tử bị bứt ra khỏi liên kết, các điện tử (tích điện âm) nhảy t vùng hóa trị lên vùng dẫn bỏ lại vùng hóa trị 1 l trống (tích điện dương , thì khi đó chất bán dẫn mới dẫn điện. Hiện nay vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời là các silic tinh thể. Pin mặt trời t tinh thể silic chia thành 3 loại: Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình czoschralski,