Tài liệu Thiết kế và đánh giá hiệu quả kinh tế hệ thống điện mặt trời tại khu nhà ở học viên học viện chính trị khu vực 3

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN XUÂN THỊNH C C THIẾT KẾ VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KINH TẾ HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI TẠI NHÀ Ở HỌC VIÊN HỌC VIỆN CHÍNH TRỊ KHU VỰC 3 R L T. DU LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN Đà Nẵng - Năm 2020 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN XUÂN THỊNH THIẾT KẾ VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KINH TẾ HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI TẠI NHÀ Ở HỌC VIÊN HỌC VIỆN CHÍNH TRỊ KHU VỰC 3 C C R L T. DU Chuyên ngành Mã số : Kỹ thuật điện : 8520201 LUẬN VĂN THẠC SĨ Ngườı hướng dẫn khoa học: TS. LƯU NGỌC AN Đà Nẵng - Năm 2020 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu,thiết kế của riêng tôi. Trong luận văn có trích dẫn một số 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 nêu trong luận văn là chính xác và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình khác. Tác giả luận văn C C DU R L T. TRẦN XUÂN THỊNH ii THIẾT KẾ VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KINH TẾ HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI TẠI KHU NHÀ Ở HỌC VIÊN- HỌC VIỆN CHÍNH TRỊ 3 Học viên: Trần Xuân Thịnh Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: …….. Khóa: K36.KTĐ Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt - Theo dự báo tình hình năng lượng điện tại Việt Nam của viện năng lượng quốc gia, nhu cầu điện tiêu dùng của Việt Nam tăng hơn 10%/năm cho đến năm 2020. Trong khi đó các nguồn năng lượng dự trữ như than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên … đều có hạn, khiến cho nhân loại đứng trước nguy cơ thiếu hụt. Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới như năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt … là hướng quan trọng để phát triển nguồn năng lượng. Nguồn năng lượng điện mặt trời là một trong những nguồn thay thế, bởi đây là nguồn năng lượng được coi là vô tận, không gây ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên, việc thiết kế hệ thống điện mặt trời khá phức tạp, các thông số giữa tính toán thiết kế và trong thực tế có hệ số sai số lớn làm ảnh hưởng đến chất lượng và tuổi thọ của hệ thống, hiệu suất chuyển đổi và tăng chi phí đầu tư.. Vì vậy, việc sử dụng phần mềm PV-Syst để thiết kế đánh giá hiệu quả kinh tế là một giải pháp nhằm giải quyết các vấn đề đó. Từ khóa: Nguồn năng lượng mới, hệ thống điện mặt trời, thiết kế đánh giá hiệu quả kinh tế C C R L T. DESIGN AND EVALUATION OF ECONOMIC EFFICIENCY OF THE SOLAR SYSTEM IN POLITICAL ACADEMY - DA NANG CITY DU Summary - According to the forecast of electric energy situation in Vietnam of the National Energy Institute, Vietnam's electricity demand increases by more than 10% / year by 2020. Meanwhile, energy reserves such as coal and oil mines, natural gas ... are limited, making humanity at risk of shortages. Finding and exploiting new energy sources such as wind, solar, geothermal energy ... is an important way to develop energy sources. Solar energy sources are one of the alternative sources, because this is an Energy source that is considered endless, does not pollute the environment. However, the design of solar power system is quite complicated, the parameters between design calculations and in fact have a large error factor affecting the quality and life of the system, conversion efficiency and increasing investment costs. Therefore, using PV Syst software to design and evaluate economic efficiency is a solution to solve these problems. Keywords: New energy source, solar power system, design evaluation of economic efficiency iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...........................................................................................................i TÓM TẮT .................................................................................................................... ii MỤC LỤC .................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................................. v DANH MỤC CÁC HÌNH ............................................................................................vi MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................................1 2. Mục tiêu 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 C C CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI .............................................................................3 R L T. 1.1. Giới thiệu năng lượng tái tạo ....................................................................................3 1.1.1. Định nghĩa .......................................................................................................3 1.1.2. Các dạng năng lượng tái tạo ...........................................................................3 1.2. Năng lượng mặt trời .................................................................................................4 1.2.1. Nguồn năng lượng mặt trời .............................................................................4 1.2.2. Sản xuất điện năng từ năng lượng mặt trời .....................................................9 1.2.3. Tiềm năng năng lượng mặt trời tại Việt Nam ...............................................10 1.3. Hệ thống pin mặt trời.............................................................................................. 10 DU 1.3.1. Pin mặt trời (Solar Cell) ................................................................................10 1.3.2. Hệ thống pin quang điện ...............................................................................15 1.4. Kết luận chương 1 ..................................................................................................17 CHƯƠNG 2. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ...................................................................................................18 2.1. Sơ đồ hệ thống điện mặt trời nối lưới .....................................................................18 2.1.1. Sơ đồ hệ thống điện mặt trời nối lưới có dự trữ ...........................................18 2.1.2. Sơ đồ hệ thống điện mặt trời nối lưới không có hệ thống dự trữ .................19 2.2. Tính toán thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời ............................................21 2.3. Số liệu tính toán hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới tại khu nhà ở học viên-học viện chính trị 3 ................................................................................................ 23 2.3.1. Địa điểm thiết kế .......................................................................................... 23 iv 2.3.2. Thông số trạm biến áp tại khu nhà ở học viện chính trị 3 ............................ 24 2.3.3. Thông số phụ tải tại khu nhà ở học viện chính trị 3 .....................................24 2.3.4. Lựa chọn phương án và tính toán hệ thống điện mặt trời tại khu nhà ở học viện chính trị 3 ........................................................................................................25 2.4. Kết luận chương 2 ..................................................................................................30 CHƯƠNG 3. ỨNG DỤNG PHẦN MỀM CHUYÊN DỤNG PVsyst THIẾT KẾ TỐI ƯU HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI.....................................31 3.1. Giới thiệu về phần mềm PVsyst .............................................................................31 3.2. Nghiên cứu cài đặt thông số trên phần mềm PVsyst ..............................................32 3.2.1. Định vị địa điểm thiết kế để lấy số dữ liệu khí tượng ...................................32 3.2.2. Lựa chọn mô hình .........................................................................................33 3.2.3. Cài đặt định hướng hệ thống pin quang điện ................................................33 3.2.4. Cài đặt công suất lắp đặt của hệ thống pin quang điện trong phần mềm .....34 C C 3.2.5. Chọn module pin quang điện ........................................................................35 3.2.6. Chọn biến tần cho hệ thống điện năng lượng mặt trời..................................39 3.2.7. Định cỡ hệ thống điện năng lượng mặt trời trong phần mềm PVsyst ..........41 R L T. 3.2.8. Cài đặt phụ tải tại khu nhà ở học viên-học viện chính trị khu vực 3 ............44 3.3. Mô phỏng và phân tích kết quả ..............................................................................44 3.3.1. Mô phỏng ......................................................................................................44 3.3.2. Phân tích kết quả mô phỏng ..........................................................................44 3.4. Kết luận chương 3 ..................................................................................................46 CHƯƠNG 4. TÍNH TOÁN HIỆU QUẢ KHI XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI TẠI KHU NHÀ Ở HỌC VIÊN ............................................................. 48 4.1. Tính toán kinh tế .....................................................................................................48 DU 4.1.1. Chi phí đầu tư và vay vốn .............................................................................48 4.1.2. Thông số phân tích lợi nhuận........................................................................48 4.2. Phân tích hiệu quả đầu tư .......................................................................................49 4.2.1. Phương pháp chung ......................................................................................49 4.3. Kết luận chương 4 ..................................................................................................54 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................55 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao) v DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang 1.1. Số liệu bức xạ các ở các khu vực nước ta 10 2.1. Dữ liệu thời tiết tại Đà Nẵng (Nguồn: Phần mềm Meteonorn 7.1) 23 2.2. Công suất tiêu thụ tại khu nhà ở học viện chính trị 3 25 2.3. So sánh 2 chủng loại inverter 28 3.1. Một số thông số cơ bản của hệ thống. 43 3.2. Tổn thất bức xạ mặt trời trên bề mặt pin quang điện trong 1 năm. 3.3. Tổn thất bên trong hệ thống pin quang điện trong hệ thống điện năng lượng mặt trời 4.1. Chi phí mua thiết bị hệ thống điện mặt trời 4.2. Chi phí gia công, lắp đặt dàn pin mặt trời 4.3. Chi phí khác 4.4. Bảng kết quả thu hồi vốn DU R L T. C C 46 46 51 52 52 54 vi DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5. 1.6. 1.7. 1.8. 1.9. 1.10. 1.11. 1.12. 1.13. 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6. 3.7. 3.8. 3.9. Tên hình Trang Góc nhìn mặt trời Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển trái đất. Quan hệ các góc hình học của tia bức xạ mặt trời trên mặt phẳng nghiêng. Các thành phần bức xạ lên bề mặt nghiêng. Biểu đồ thể hiện sự phát triển của điện năng trên thế giới. Cấu tạo của pin mặt trời Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời. Cấu tạo của tấm pin mặt trời. Sơ đồ mạch điện tương đương của pin mặt trời. Đặc tính V-I theo cường độ bức xạ (hình trái) và theo nhiệt độ (hình phải) của một tấm pin có công suất 300Wp. Đường cong đặc tính V-I của hệ thống năng lượng mặt trời và Pmp-Vmp của thiết bị MPPT Sơ đồ nguyên lý của bộ chuyển đổi DC-DC nạp ac-quy Sơ đồ nguyên lý của bộ biến tần 3 pha hệ thống mặt trời nối lưới.[11] Sơ đồ mô hình hệ thống điện mặt trời nối lưới có dự trữ. Biểu đồ điện năng hệ thống điện mặt trời nối lưới có dự trữ Sơ đồ mô hình hệ thống điện mặt trời nối lưới không có dự trữ. Biểu đồ điện năng của hệ thống điện mặt trời nối lưới không có dự trữ Giao diện chính phần mềm PVsyst 6.43 Dữ liệu khí tượng theo tháng tại khu nhà ở học viên-học viện chính trị 3. Mô hình thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới trong PVsyst. Cài đặt các thông số định hướng lắp đặt tấm pin quang điện. Cài đặt công suất cho hệ thống pin quang điện. Lựa chọn module pin quang điện. Thông số chính của module pin quang điện Mô hình mạch điện tương đương của pin quang điện. Đặc tính V-A của module pin quang điện SW 300W ở điều kiện nhiệt độ pin quang điện tiêu chuẩn 25oC 4 C C DU R L T. 5 6 8 9 11 12 12 13 14 15 16 16 18 19 20 20 31 32 33 34 35 35 36 37 38 vii Số hiệu Tên hình hình 3.10. 3.11. 3.12. 3.13. 3.14. 3.15. 3.16. 3.17. 4.1. Trang Đặc tính V-A của module pin quang điện SW 300W ở điều kiện cường độ bức xạ tiêu chuẩn 1000W/m2 Đặc tính hiệu suất làm việc của biến tần SUNNY TRIPOWER 60 Các thông số biến tần SUNNY TRIPOWER 60 trong phần mềm PVsyst Nhập số lượng biến tần trong phần mềm PVsyst. Chọn số lượng tấm pin quang điện nối tiếp và song song trong phần mềm. Kết quả giá trị của quá trình định cỡ hệ thống trong phần mềm PVsyst. Biểu đồ vùng làm việc danh nghĩa của hệ thống pin quang điện và biến tần sau khi định cỡ. Giản đồ tổn thất điện năng của hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới. Mức tăng giá điện bán lẻ bình quân từ năm 2007 đến 2015 C C DU R L T. 39 40 41 42 42 42 43 45 49 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Ngày nay, với nhu cầu điện năng ngày càng tăng cùng với vấn đề ô nhiểm môi trường và cạn kiệt nguồn tài nguyên, … thì việc sử dụng các nguồn năng lượng mới và tái tạo trở nên cấp bách và đáng quan tâm. Trong đó, nguồn Năng lượng mặt trời (NLMT) đã và đang được khai thác ở nhiều nước trên thế giới cũng như ở nước ta, đóng góp một phần đáng kể để giải quyết những vấn đề đã nêu ở trên. Theo Quyết định số 428/QĐ-TTg ngày 18/3/2016 của Thủ tướng Chính phủ phê duyệt điều chỉnh Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011-2020 có xét đến năm 2030 (Tổng sơ đồ phát triển điện 7 hiệu chỉnh). Kế hoạch và mục tiêu cho điện mặt trời quyết định này đã nêu rõ: Đưa tổng công suất nguồn điện mặt trời từ mức không đáng kể hiện nay lên khoảng 850MW vào năm 2020, khoảng 4.000 MW vào năm 2025 và khoảng 12/000 MW vào năm 2030; Điện năng sản xuất từ nguồn điện C C mặt trời chiếm tỷ trọng khoảng 0,5% năm 2020, khoảng 1,6% vào năm 2025 và khoảng 3,3% vào năm 2030. R L T. Khu nhà ở học viên – học viện chính trị khu vực 3 - Thành Phố Đà Nẵng là trong những trường lớn nhất trong khu vực miền Trung nằm ở trung tâm thành phố Đà Nẵng có quy mô 9 tầng Khu nhà ở có tầng thượng cao, bằng phẳng diện tích lớn, không bị che chắn bởi cây cối, thích hợp cho việc lắp đặc các tấm pin mặt trời phục vụ cho quá trình sử dụng năng lượng điện tái tạo vào thời gian ban đêm trong quá trình nghĩ dưỡng của học viên, thay thế cho hệ thống điện lưới góp ích một phần làm giảm khả năng thiếu hụt điện trong thời gian sắp đến. Với lí do ở trên cho thấy việc nghiên cứu đề tài “Thiết kế và đánh giá hiệu quả DU kinh tế hệ thống điện mặt trời tại khu nhà ở học viên-học viện chính trị 3” là một yêu cầu mang tính cấp thiết trong bối cảnh nguồn năng lượng truyền thống dần cạn kiệt và năng lượng tái tạo đang là xu hướng hiện nay. 2. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu chính của đề tài là thiết kế, tính toán hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới để hỗ trợ nhu cầu sử dụng điện tại khu nhà ở học viên-học viện chính trị 3 – TP Đà Nẵng Xác định và lựa chọn thiết bị, số lượng và vị trí lắp đặt các thiết bị (Tấm pin mặt trời, inveter, …), lựa chọn các thiết bị. Sử dụng phần mềm PVsyst để mô phỏng sơ đồ và chạy ra được kết quả cần thiết. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài này là thiết kế hệ thống điện mặt trời nối lưới sử 2 dụng tại khu nhà ở học viên-học viện chính trị 3. Phạm vi nghiên cứu trong luận văn này, tác giả sử dụng phần mềm PVsyst để thiết kế và mô phỏng hệ thống điện năng lượng mặt trời có kết nối lưới điện. 4. 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. -Thu thập số liệu và thiết kế hệ thống pin năng lượng mặt trời nối lưới tại khu nhà ở học viên-học viện chính trị 3. - Mô phỏng hệ thống pin năng lượng mặt trời nối lưới bằng phần mềm Pvsyst và tính toán hiệu quả kinh tế. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài C C Kết quả của đề tài giúp đánh giá tiềm năng về năng lượng mặt trời, các thông số kỹ thuật của hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới. Từ đó, kết luận tư vấn nhà trường xây dựng hệ thống điện năng lượng mặt trời nối hệ thống lưới điện tại điạ điểm thiết R L T. kế sao cho tối ưu nhất 6. Cấu trúc của luận văn Mở đầu. Chương 1: Tổng quan về năng lượng mặt trời và hệ thống điện năng lượng mặt trời. Chương 2: Cơ sở tính toán thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời. Chương 3: Ứng dụng phần mềm PV- Syst thiết kế kế hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới. DU Kết luận và kiến nghị. 3 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.1. Giới thiệu năng lượng tái tạo 1.1.1. Định nghĩa Năng lượng tái tạo là năng lượng từ những nguồn năng lượng có sẵn trong thiên nhiên (gió , mưa , sóng , thủy triều và sinh khối). Nếu không sớm có nguồn năng lượng tái tạo thay thế, thì thế giới sẽ rơi vào tình trạng thiếu hụt năng lượng, an ninh năng lượng sẽ không được đảm bảo. 1.1.2. Các dạng năng lượng tái tạo Năng lượng mặt trời Năng lượng Mặt Trời thu được trên Trái Đất là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ Mặt Trời đến Trái Đất. Có thể trực tiếp thu lấy năng lượng này thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển năng lượng các photon của Mặt Trời thành điện năng như trong pin Mặt Trời. C C R L T. Năng lượng địa nhiệt Năng lượng địa nhiệt là năng lượng được tách ra từ nhiệt trong lòng trái Đất. Năng lượng này có nguồn gốc từ sự hình thành ban đầu của hành tinh, từ hoạt động phân hủy phóng xạ của các khoáng vật, và từ năng lượng mặt trời được hấp thụ tại bề mặt Trái Đất. Năng lượng gió Năng lượng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển Trái Đất. Năng lượng gió là một hình thức gián tiếp của năng lượng mặt trời. Năng lượng gió được con người khai thác từ các tuốc bin gió. DU Năng lượng sinh khối Sinh khối là dạng vật liệu sinh học từ sự sống, hay gần đây là sinh vật sống, đa số là các cây trồng hay vật liệu có nguồn gốc từ thực vật. Được xem là nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng sinh khối có thể dùng trực tiếp, gián tiếp một lần hay chuyển thành dạng năng lượng khác như nhiên liệu sinh học. Sinh khối có thể chuyển thành năng lượng theo ba cách: chuyển đổi nhiệt, chuyển đổi hóa học, và chuyển đổi sinh hóa. Năng lượng đại dương Năng lượng thủy triều hay điện thủy triều là năng lượng điện thu được từ năng lượng chứa trong khối nước chuyển động do thủy triều. Hoạt động theo sự biến thiên cột nước giữa biển và vùng cửa vịnh. Năng lượng sóng biển: đây cũng là một nguồn năng lượng rất lớn và hấp dẫn. Tiềm năng năng lượng sóng biển phụ thuộc vào vị trí địa lý, thậm chí ngay ở một vị trí 4 đã cho năng lượng sóng biển cũng biến đổi theo thời gian từng giờ, từng ngày và từng mùa. Tuỳ theo nguyên lý hoạt động mà các thiết bị khai thác sóng biển được nghiên cứu, thiết kế và chế tạo theo từng loại khác nhau. 1.2. Năng lượng mặt trời 1.2.1. Nguồn năng lượng mặt trời a) Khái niệm Năng lượng Mặt Trời thu được trên Trái Đất là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ Mặt Trời đến Trái Đất. b) Năng lượng bức xạ mặt trời, thành phần bức xạ Năng lượng bức xạ Mặt trời ở gần Trái Đất ở vào khoảng 2 cal/cm².phút (hằng số mặt trời), có phổ nằm trong dải bước sóng 0,17-4 μm với cực đại ở khoảng 0,475 μm. và hầu như một nửa tổng năng lượng mặt trời tập trung trong khoảng bước sóng 0,38 – 0,78 µm đó là vùng nhìn thấy của phổ. C C Mật độ dòng bức xạ trực xạ ở ngoài lớp khí quyển, tính đối với 1m2 bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ, được tính theo công thức: R L . q = φD_T .C0.(T/100)4 T U Ở đây: φD_T là hệ số góc bức xạ giữa Trái đất và Mặt trời. φD_T = β2/4 β là góc nhìn mặt trời và β ≈ 32’ C0 = 5,67 W/m2.K4 – hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối. T ≈ 5762 oK – nhiệt độ bề mặt Mặt trời (xem như vật đen tuyệt đối). D (1.1) (1.2) Vậy Trong luận văn xem như q là hằng số mặt trời và không đổi theo mùa. . Hình 1.1. Góc nhìn mặt trời Các chùm tia bức xạ bị hấp thụ và tán xạ bởi tầng ozôn, hơi nước, bụi trong khí 5 quyển và chỉ một phần năng lượng bức xạ được truyền xuống Trái đất. Phần năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt Trái đất cao nhất vào những ngày không mây là khoảng 1000W/m2 (Hình 1.2). C C R L T. DU Hình 1.2. Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển trái đất. Trong khí quyển, sự nghiêng của trục trái đất đối với mặt phẳng quỹ đạo của nó quanh mặt trời gây ra hình thành các mùa trong năm. Sự định hướng như vậy của trục quay trái đất trong chuyển động của nó đối với mặt trời gây ra những sự dao động quan trọng về độ dài ngày đêm trong năm. c) Tính toán năng lượng mặt trời - Cường độ bức xạ mặt trời trên mặt đất có hai yếu tố chính: góc nghiêng của các tia sáng đối với mặt phẳng bề mặt tại điểm đã cho và độ dài đường đi của tia sáng trong khí quyển. - Phương trình quan hệ giữa bức xạ mặt trời ngoài khí quyển và thời gian trong năm: Eng = Eo(1+0,033cos , W/m2 (1.3) Trong đó, Eng là bức xạ ngoài khí quyển được đo trên mặt phẳng vuông góc với tia bức xạ vào ngày thứ n trong năm. - Tính toán góc tới của bức xạ trực xạ và bức xạ mặt trời ngoài khí quyển lên mặt phẳng nằm ngang. Trong quá trình tính toán cần định nghĩa một số khái niệm như sau: + Giờ mặt trời là thời gian dựa trên chuyển động biểu kiến của mặt trời trên bầu trời, với quy ước giờ mặt trời chính ngọ là thời điểm mặt trời đi qua thiên đỉnh của 6 người quan sát. Giờ mặt trời là thời gian được sử dụng trong quan hệ về góc mặt trời, nó không đồng nghĩa với giờ trong đồng hồ. + Cường độ bức xạ (W/m2) là cường độ năng lượng bức xạ mặt trời đến một bề mặt tương ứng với một đơn vị diện tích của bề mặt. + Năng lượng bức xạ ( J/m2) là năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới một đơn vị diện tích bề mặt trong một khoảng thời gian, như vậy năng lượng bằng tích phân của cường độ bức xạ trong một khoảng thời gian. + Tán xạ là bức xạ mặt trời nhận được sau khi hướng của nó đã bị thay đổi do sự phát tán của bầu khí quyển. + Trực xạ là bức xạ mặt trời nhận được khi không bị bầu khí quyển phát tán. + Tổng xạ là tổng của trực xạ và tán xạ trên một bề mặt ( phổ biến nhất là tổng xạ trên một bề mặt nằm ngang, thường gọi là bức xạ cầu trên bề mặt). - Quan hệ hình học giữa một mặt phẳng bố trí bất kỳ trên mặt đất và bức xạ của C C mặt trời truyền tới (Hình 1.3). R L T. DU Hình 1.3. Quan hệ các góc hình học của tia bức xạ mặt trời trên mặt phẳng nghiêng. + Góc giờ ω là góc chuyển động của vị trí mặt trời về phía đông hoặc phía tây của kinh tuyến địa phương do quá trình quay của trái đất quanh trục của nó và lấy giá trị 15o cho 1 giờ đồng hồ, buổi sáng lấy dấu (-), buổi chiều lấy dấu (+). + Góc tới θ là góc giữa tia bức xạ truyền tới bề mặt và pháp tuyến của bề mặt đó. + Góc thiên đỉnh θz là góc giữa phương thẳng đứng (thiên đỉnh) và tia bức xạ tới. Trong trường hợp bề mặt nằm ngang thì góc thiên đỉnh chính là góc tới θ. + Góc vĩ độ Φ là vị trí góc tương ứng với vĩ độ về phía bắc hoặc về phía nam đường đường xích đạo trái đất, với hướng bắc là hướng dương. -90o ≤ Ф ≤ 90o 7 + Góc nghiêng β là góc giữa mặt phẳng của bề mặt tính toán và phương nằm ngang. 0 ≤ β ≤ 90o + Góc lệch δ là vị trí góc của mặt trời tương ứng với giờ mặt trời là 12 giờ (tức là khi mặt trời đi qua kinh tuyến địa phương) so với mặt phẳng của xích đạo trái đất, với hướng phía bắc là hướng dương. + Góc phương vị của bề mặt γ là góc lệch của hình chiếu pháp tuyến bề mặt trên mặt phẳng nằm ngang so với đường kinh tuyến. Góc γ = 0 nếu bề mặt quay về hướng chính nam, γ lấy dấu (+) nếu nếu bề mặt quay về hướng tây và lấy dấu (-) nếu bề mặt quay về phía đông. -180o≤ γ ≤ 180o + Góc cao mặt trời α là góc giữa phương nằm ngang và tia bức xạ truyền tới, tức là góc phụ của góc thiên đỉnh. C C + Góc phương vị mặt trời γz là góc lệch so với phương nam của hình chiếu tia bức xạ mặt trời truyền tới trên mặt phẳng nằm ngang. - Quan hệ giữa các loại góc đặc trưng ở trên có thể biểu diễn bằng phương trình giữa góc tới và góc khác: R L T. DU cosθ = cosθz.cosβ + sinθz.sinβ.cos(γz- γ) (1.4) - Năng lượng bức xạ mặt trời trên mặt phẳng nằm ngang trong một giờ được xác định: ( 1.5) - Tổng cường độ bức xạ mặt trời lên bề mặt trên trái đất: Tổng bức xạ mặt trời lên một bề mặt đặt trên mặt đất bao gồm hai thành phần chính đó là trực xạ và tán xạ. Tán xạ tổng hợp từ 3 thành phần: + Thành phần tán xạ đẳng hướng: phần tán xạ nhận được đồng đều từ toàn bộ vòm trời. + Thành phần tán xạ xung quanh tia: phần tán xạ bị phát tán của bức xạ mặt trời xung quanh tia mặt trời. + Thành phần tán xạ chân trời: phần tán xạ tập trung gần đường chân trời. - Góc khuếch tán ở mức độ nhất định phụ thuộc độ phản xạ Rg của mặt đất. 8 Hình 1.4. Các thành phần bức xạ lên bề mặt nghiêng. Như vậy bức xạ mặt trời truyền đến một bề mặt nghiêng là tổng của các dòng bức xạ bao gồm: trực xạ Eb, 3 thành phần tán xạ Ed1, Ed2, Ed3 và bức xạ phản xạ từ bề mặt khác lân cận Er: E∑ = Eb + Ed1 + Ed2 + Ed3 + Er (1.6) Trong tính toán kỹ thuật, có thể coi cường độ bức xạ tới mặt đất là hàm của thời C C R L T. gian τ, tính từ lúc mặt trời mọc τ =0 đến khi mặt trời lặn τ = τ n/2, với τn=24h = 24.3600s như sau: E(τ) = En.sinφ(τ) (1.7) φ(τ) = ω. τ là góc nghiêng tia nắng so với mặt đất, DU là tốc độ góc tự xoay của trái đất, En[W/m2] là cường độ bức xạ cực đại trong ngày, lấy trị trung bình cả năm theo số liệu đo lường thực tế tại vĩ độ cần xét. Khai thác năng lượng mặt trời - Khai thác trực tiếp nhiệt năng từ năng lượng mặt trời: + Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời. + Hệ thống cung cấp nước nóng dùng năng lượng mặt trời. + Hệ thống sấy dùng năng lượng mặt trời. + Hệ thống chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời. + Động cơ stirling dùng năng lượng mặt trời. + Thiết bị lạnh dùng năng lượng mặt trời. + Nhà máy nhiệt điện mặt trời. - Khai thác trực tiếp điện năng từ năng lượng mặt trời: + Sử dụng hệ thống pin quang điện. 9 1.2.2. Sản xuất điện năng từ năng lượng mặt trời Các phương pháp khai thác - Điện mặt trời tập trung : Hệ thống điện năng lượng mặt trời tập trung (CSP: Concentrated solar power) sử dụng gương, ống kính và các hệ thống theo dõi để phản chiếu ánh sáng mặt trời trên một khu vực rộng thành một chùm nhỏ tạo ra nhiệt lượng rất lớn, nhiệt lượng này dùng làm nóng chảy muối ở nhiệt độ lên đến 5660C, muối nóng chảy được dẫn đi làm sôi bể nước tạo luồng hơi nước mạnh làm quay tua bin máy phát điện. - Pin quang điện : Pin mặt trời hay còn gọi là tế bào quang điện là thiết bị chuyển đổi trực tiếp năng lượng ánh sáng thành. Điện được tạo ra này còn được gọi phổ biến là năng lượng mặt trời. Sự phát triển năng lượng mặt trời trên thế giới C C Với lịch sử phát triển của pin quang điện qua hơn nửa thế kỷ, công nghệ và hiệu quả của hệ thống điện năng lượng mặt trời đã tăng lên rất đáng kể, các nhà sản xuất lớn trên thế giới vẫn đang không ngừng nghiên cứu để cải thiện hiệu suất của pin năng R L T. lượng mặt trời. Các tiêu chuẩn trong sản xuất và nguyên phụ liệu sản xuất cũng ngày được nâng cao nhằm đáp ứng yêu cầu về sức khỏe và môi trường. DU Hình 1.5. Biểu đồ thể hiện sự phát triển của điện năng trên thế giới. 10 1.2.3. Tiềm năng năng lượng mặt trời tại Việt Nam Việt Nam được xem là một trong những quốc gia có tiềm năng đáng kể về năng lượng mặt trời. Các số liệu khảo sát về lượng bức xạ mặt trời cho thấy, các địa phương ở phía Bắc bình quân 1.800-2.100 giờ nắng/năm, còn các tỉnh ở phía Nam (từ Đà Nẵng trở vào) bình quân 2.000-2.600 giờ nắng/năm. Vị trí địa lý đã ưu ái cho một nguồn năng lượng tái tạo vô cùng lớn, đặc biệt là năng lượng mặt trời. Trải dài từ vĩ độ 8 o27’ Bắc đến 23o23’ Bắc, Việt Nam nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao. Bảng 1.1. Số liệu bức xạ các ở các khu vực nước ta Giờ nắng Cường độ bức xạ trong năm (giờ) (kWh/m2, ngày) Vùng Ứng dụng Đông Bắc 1600 – 1750 3,3 – 4,1 Trung bình Tây Bắc 1750 – 1800 4,1 – 4,9 Bắc Trung Bộ 1700 – 2000 4,6 – 5,2 Tốt Tây Nguyên, Nam Trung Bộ 2000 – 2600 4,9 – 5,7 Rất tốt Nam Bộ 2200 – 2500 C C Trung bình 4,3 – 4,9 Rất tốt Trung bình cả nước 1700 – 2500 4,6 Tốt DU R L T. (Nguồn: http://www.solarpower.vn) 1.3. Hệ thống pin mặt trời 1.3.1. Pin mặt trời (Solar Cell) Cấu tạo, phân loại - Cấu tạo pin mặt trời: Pin mặt trời là một thiết bị điện tử, trực tiếp chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng. Ánh sáng chiếu vào pin mặt trời tạo ra điện áp để tạo năng lượng điện. Quá trình này đòi hỏi trước tiên cấu tạo pin mặt trời phải là một vật liệu mà trong đó sự hấp thụ ánh sáng làm tăng electron lên trạng thái năng lượng cao hơn và thứ hai là sự chuyển động của electron năng lượng cao hơn này từ pin mặt trời sang mạch ngoài. Sau đó, electron sẽ tiêu tán năng lượng của nó trong mạch ngoài và quay trở lại pin mặt trời. Một loạt các vật liệu và quy trình có khả năng đáp ứng các yêu cầu về chuyển đổi năng lượng quang điện, nhưng trong thực tế, gần như tất cả các chuyển đổi năng lượng quang điện đều sử dụng vật liệu bán dẫn ở dạng tiếp giáp p-n. 11 Hình 1.6. Cấu tạo của pin mặt trời - Phân loại: Vật liệu chủ yếu chế tạo pin năng lượng mặt trời đều là silic dạng C C tinh thể. Chia thành 3 loại như sau: Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski. Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16%. Chúng thường rất đắt tiền do được cắt từ R L T. các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module. Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc-đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm nguội và làm rắn. Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn. Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó. DU Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể, Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon. Các công nghệ trên là sản suất tấm, nói cách khác, các loại trên có độ dày 300 μm tạo thành và xếp lại để tạo nên module. Nguyên lý hoạt động Các mô-đun quang điện, thường được gọi là mô-đun năng lượng mặt trời, là thành phần chính trong tấm pin năng lượng mặt trời, được sử dụng để chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng. Các mô-đun năng lượng mặt trời được làm bằng chất bán dẫn rất giống với các mô-đun được sử dụng để tạo ra các mạch tích hợp cho thiết bị điện tử. Loại chất bán dẫn phổ biến nhất hiện đang được sử dụng được làm từ tinh thể silicon. Với nguyên lý pin mặt trời này thì các tinh thể silic được ép thành các lớp loại n và loại p, xếp chồng lên nhau. Ánh sáng chiếu vào các tinh thể tạo ra hiệu ứng quang điện trong, tạo ra điện. Điện được sản xuất từ tấm pin được gọi là dòng điện trực tiếp (DC) và có thể được sử dụng ngay lập tức hoặc được lưu trữ trong pin để chuyển hóa