Tài liệu Thiết kế và đánh giá hiệu quả kinh tế hệ thống điện mặt trời tại trường mầm non abc – tp đà nẵng

TRANG TÓM TẮT TIẾNG VIỆT & TIẾNG ANH THIẾT KẾ VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KINH TẾ HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI TẠI TRƯỜNG MẦM NON ABC – TP ĐÀ NẴNG Học viên: Lê Quang Hiếu Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 8520201 Khóa: K34.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 m t trong những nguồn thay thế, i đ y là nguồn năng lượng được coi là tận, kh ng g y nhi m m i trường. Tuy nhiên, iệc thiết kế hệ thống điện mặt trời khá hức tạ , các th ng ố giữa tính toán thiết kế à trong thực tế có hệ ố ai ố lớn làm nh hư ng đến ch t lượng à tu i thọ của hệ thống, hiệu u t chuyển đ i à tăng chi hí đầu tư.. ì ậy, iệc dụng hần mềm - y t để thiết kế đánh giá hiệu qu kinh tế là m t gi i há nh m gi i uyết các n đề đó. Từ khóa: Nguồn năng lượng mới, hệ thống điện mặt trời, thiết kế đánh giá hiệu qu kinh tế DESIGN AND EVALUATION OF ECONOMIC EFFICIENCY OF THE SOLAR SYSTEM IN ABC NON SCHOOL - DA NANG CITY 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 MỤC LỤC TRANG BÌA LỜI CAM ĐOAN TRANG TÓM TẮT TIẾNG VIỆT & TIẾNG ANH MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU ...........................................................................................................................1 1. Tính c p thiết của đề tài ............................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu ..................................................................................................1 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.............................................................................1 4. hương há nghiên cứu ...........................................................................................1 5. Ý nghĩa khoa học và thực ti n của đề tài ..................................................................2 6. C u trúc của luận ăn ................................................................................................ 2 CH NG 1. T NG AN N NG NG MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN N NG NG MẶT TRỜI ...........................................................................................3 1.1. T ng uan năng lượng tái tạo ................................................................................3 1.1.1. Khái niệm .........................................................................................................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..............................................................................5 1.2.2. n u t điện năng t năng lượng mặt trời ..................................................10 1.2.3. Tiềm năng năng lượng mặt trời tại iệt Nam ...............................................11 1.3. Hệ thống in mặt trời ........................................................................................... 11 1.3.1. in mặt trời. olar C ll ................................................................................11 1.3.2. Hệ thống in uang điện ................................................................................17 CH NG 2: C Ở TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN N NG NG MẶT TRỜI .....................................................................................................................21 2.1. M hình hệ thống điện mặt trời nối lưới .............................................................. 21 2.1.1. ơ đồ hệ thống điện mặt trời nối lưới có dự trữ ............................................21 2.1.2. ơ đồ hệ thống điện mặt trời nối lưới kh ng có hệ thống dự trữ..................22 2.2. ý thuyết thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời .........................................24 2.3. ố liệu tính toán hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới tại trường mầm non ABC - T Đà Nẵng .....................................................................................................26 2.3.1. Địa điểm thiết kế ........................................................................................... 26 2.3.2. Th ng ố hụ t i tại trường mầm non ABC ..................................................28 2.3.3. Th ng ố trạm biến á tại trường mầm non ABC .........................................28 2.3.4. ựa chọn hương án à c ng u t của hệ thống điện mặt trời .....................29 CH NG 3: NG ỤNG HẦN M M CH N ỤNG y t THIẾT KẾ TỐI HỆ THỐNG ĐIỆN N NG NG MẶT TRỜI ..................................................31 3.1. Giới thiệu ề hần mềm PVsyst...........................................................................31 3.2. Nghiên cứu cài đặt th ng ố trên hần mềm PVsyst ...........................................32 3.2.1. Định vị địa điểm thiết kế để l y số dữ liệu khí tượng ...................................32 3.2.2. Lựa chọn mô hình ..........................................................................................33 3.2.3. Cài đặt định hướng hệ thống in uang điện ................................................33 3.2.4. Cài đặt công su t lắ đặt của hệ thống in uang điện trong phần mềm .....35 3.2.5. Chọn modul in uang 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 3.2.8. Cài đặt phụ t i tại trường mầm non ABC T Đà Nẵng ................................ 44 3.2.9. Tính toán cài đặt kinh tế ................................................................................44 3.2.10. Cài đặt tính toán lượng CO2 tiết kiệm .........................................................47 3.3. Mô phỏng và phân tích kết qu ............................................................................48 3.3.1. Mô phỏng .......................................................................................................48 3.3.2. Phân tích kết qu mô phỏng ..........................................................................48 3.4. Kết luận ơ đồ thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới tại trường mần non ABC –T Đà Nẵng ......................................................................................................51 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................................52 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC ẾT ĐỊNH GIAO Đ TÀI ẬN N THẠC Ĩ BẢN AO BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN. DANH MỤC CÁC BẢNG B B B B B ng1.1. ố liệu ức ạ các các khu ực nước ta .......................................................11 ng 2.1. Dữ liệu thời tiết tại Đà Nẵng ..........................................................................27 ng 2.2. Công su t tiêu thụ tại trường mầm non ABC ................................................28 ng 3.1. M t số thông số cơ n của hệ thống. ........................................................... 43 ng 3.2. Chi hí đầu tư của hệ thống điện mặt trời nối lưới. ......................................45 B ng 3.3. T n th t bức xạ mặt trờ`i trên bề mặt in uang điện trong 1 năm. .............49 B ng 3.4. T n th t bên trong hệ thống in uang điện trong hệ thống điện năng lượng mặt trời. .........................................................................................................49 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Góc nhìn mặt trời. ............................................................................................. 6 Hình 1.2. Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển trái đ t ........6 Hình 1.3. Quan hệ các góc hình học của tia bức xạ mặt trời trên mặt phẳng nghiêng....8 Hình 1.4. Các thành phần bức xạ lên bề mặt nghiêng......................................................9 Hình 1.5. Biểu đồ tình hình lắ đặt hệ thống uang điện trên thế giới. .........................11 Hình 1. . C u tạo của in mặt trời. ................................................................................12 Hình 1.7. Các ng năng lượng. .....................................................................................13 Hình 1.8. Nguyên lý hoạt đ ng của in mặt trời. ........................................................... 14 Hình 1.9. C u tạo của t m in mặt trời. .........................................................................14 Hình 1.10. ơ đồ mạch điện tương đương của in mặt trời...........................................15 Hình 1.11. Đặc tính -I th o cường đ ức ạ hình trái à th o nhiệt đ hình h i của m t t m in có c ng u t 300 . ......................................................16 Hình 1.12. Đường cong đặc tính -I của hệ thống năng lượng mặt trời à mp-Vmp của thiết ị M T ............................................................................................. 17 Hình 1.13. ơ đồ nguyên lý của chuyển đ i C- C nạ ac-quy. ............................ 18 Hình 1.14. ơ đồ nguyên lý của iến tần 3 ha hệ thống mặt trời nối lưới ..............18 Hình 2.1. ơ đồ mô hình hệ thống điện mặt trời nối lưới có dự trữ. ............................. 21 Hình 2.2. Biểu đồ điện năng hệ thống điện mặt trời nối lưới có dự trữ ........................22 Hình 2.3. ơ đồ m hình hệ thống điện mặt trời nối lưới kh ng có dự trữ. ..................23 Hình 2.4. Biểu đồ điện năng của hệ thống điện mặt trời nối lưới không có dự trữ.......23 Hình 2.5. Trường mầm non ABC 90 đường Ngô Quyền - T Đà Nẵng ....................26 Hình 3.1. Giao diện chính phần mềm PVsyst 6.43 ........................................................31 Hình 3.2. Dữ liệu khí tượng theo tháng tại khu trường mầm non ABC. .......................32 Hình 3.3. Mô hình thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới trong PVsyst. 33 Hình 3.4. Cài đặt các thông số định hướng lắ đặt t m in uang điện. .......................34 Hình 3.5. Cài đặt công su t cho hệ thống in uang điện. ............................................35 Hình 3.6. Lựa chọn modul in uang điện. ..................................................................36 Hình 3.7. Thông số chính của modul in uang điện. .................................................36 Hình 3.8. Mô hình mạch điện tương đương của in uang điện. ..................................37 Hình 3.9. Đặc tính V-A của modul in uang điện SW 300W điều kiện nhiệt đ pin uang điện tiêu chuẩn 25oC. ......................................................................38 Hình 3.10. Đặc tính V-A của modul in uang điện SW 300W điều kiện cường đ bức xạ tiêu chuẩn 1000W/m2. ...................................................................39 Hình 3.11. Đặc tính hiệu su t làm việc của biến tần SUNNY TRIPOWER 60 ............40 Hình 3.12. Chọn biến tần cho hệ thống năng lượng mặt trời trong phần mềm. ............41 Hình 3.13. Các thông số biến tần SUNNY TRIPOWER 60 trong phần mềm PVsyst .41 Hình 3.14. Nhập số lượng biến tần trong phần mềm PVsyst.........................................42 Hình 3.15.Chọn số lượng t m in uang điện nối tiếp và song song trong phần mềm. ....................................................................................................................42 Hình 3.16. Kết qu giá trị của uá trình định cỡ hệ thống trong phần mềm PVsyst.....42 Hình 3.17. Biểu đồ vùng làm việc danh nghĩa của hệ thống in uang điện và biến tần au khi định cỡ. .......................................................................43 Hình 3.18. Mức tăng giá điện bán lẻ bình quân t năm 2007 đến 2015........................46 Hình 3.19. Thông số kinh tế đầu tư. ...............................................................................47 Hình 3.20. Gi n đồ t n th t điện năng của hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới. ....................................................................................................................49 Hình 3.21. ơ đồ thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới tại Trường mầm non ABC –T Đà Nẵng ....................................................................................51 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay việc nghiên cứu s dụng năng lượng mặt trời ngày càng được quan tâm, nh t là trong tình trạng thiếu hụt năng lượng và v n đề c p bách về m i trường như hiện nay. Năng lượng mặt trời được xem là dạng năng lượng ưu iệt trong tương lai, đó là dạng năng lượng sẵn có, siêu sạch và mi n phí. Do vậy năng lượng mặt trời đã à ngày càng được s dụng r ng rãi các nước trên thế giới. Việt Nam là m t trong số r t nhiều quốc gia có tiềm năng để phát triển năng lượng tái tạo nói chung, năng lượng điện mặt trời nói riêng, đ y ẽ là nguồn năng lượng lớn có thể khai thác b sung cho nguồn điện lưới quốc gia, thay thế các nguồn năng lượng truyền thống. Trường mần non ch t lượng cao ABC Ngô Quyền - Thành Phố Đà Nẵng là trong những trường mầm non lớn nh t trong khu vực miền Trung n m trung tâm thành phố Đà Nẵng có quy mô 4 tầng, diện tích hơn 5.000m2. Trường mầm non có tầng thượng cao, b ng phẳng diện tích lớn, không bị che chắn b i cao trình cây cối, thích hợp cho việc lắ đặc các t m pin mặt trời phục vụ cho quá trình s dụng năng lượng điện tái tạo vào thời gian ban ngày trong quá trình dạy và học, thay thế cho hệ thống điện lưới góp ích m t phần làm gi m kh năng thiếu hụt điện trong thời gian sắ đến. Với lí do trên cho th y việc nghiên cứu đề tài “Thiết kế và đánh giá hiệu quả kinh tế hệ thống điện mặt trời tại trường mầm non ABC – TP Đà Nẵng” là m t yêu cầu mang tính c p thiết trong bối c nh nguồn năng lượng truyền thống dần cạn kiệt và năng lượng tái tạo đang là u 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 s dụng điện tại trường mầm non ABC – T Đà Nẵng Xác định và lựa chọn thiết bị, số lượng và vị trí lắ đặt các thiết bị (T m pin mặt trời, in t r, … , lựa chọn các thiết bị. S dụng phần mềm y t để mô phỏng ơ đồ và chạy ra được kết qu 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 s dụng tại trường mầm non ABC Phạm vi nghiên cứu trong luận ăn này, tác gi dụng hần mềm y t để thiết kế à m hỏng hệ thống điện năng lượng mặt trời có kết nối lưới điện. 4. Phương pháp nghiên cứu Để gi i quyết các mục tiêu nêu trên, luận ăn đưa ra hương há nghiên cứu như au: - Nghiên cứu lý thuyết: Các lý thuyết về năng lượng mặt trời, c u tạo, nguyên lý làm làm việc của hệ thống pin mặt trời 2 -Xây dựng thiết kế hệ thống in năng lượng mặt trời n i nối lưới tại s dụng tại trường mầm non ABC. - Mô phỏng hệ thống in năng lượng mặt trời nối lưới b ng phần mềm PVsyst, tính toán hiệu qu kinh tế. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Kết qu của đề tài giú đánh giá tiềm năng ề năng lượng mặt trời, các thông số kỹ thuật của hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới, tính kh thi của hệ thống. T đó, kết luận tư n nhà trường xây dựng hệ thống điện năng lượng mặt trời nối hệ thống lưới điện tại điạ điểm thiết kế. 6. Cấu trúc của luận văn M đầu. Chương 1: T ng quan về năng lượng mặt trời và hệ thống điện năng lượng mặt trời. Chương 2: Cơ tính toán thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời. Chương 3: ng dụng phần mềm PV- Syst thiết kế kế hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới. Kết luận và kiến nghị. 3 CHƯƠNG 1 T NG QUAN V NĂNG LƯ NG MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯ NG MẶT TRỜI Nội dung tổng quát của chương là giới thiệu về các nguồn năng lượng tái tạo đang được con người sử dụng trong đó đặc biệt giới thiệu chi tiết nguồn năng lượng mặt trời – nguồn năng lượng được nghiên cứu trong luận văn. 1.1. Tổng quan năng lượng tái tạo hái niệ Năng lượng tái tạo là năng lượng t những nguồn liên tục mà được hiểu là vô hạn như năng lượng mặt trời, gió, mưa, thủy triều, óng à địa nhiệt. Vô hạn có hai nghĩa: M t là năng lượng tồn tại nhiều đến mức mà không thể tr thành cạn kiệt vì sự s dụng của con người. Hoặc là năng lượng tự tái tạo trong thời gian ngắn và liên tục trong các quy trình còn tiếp di n trong m t thời gian dài trên Trái Đ t. 1.1.2 á ạng n ng ư ng tái tạ 1.1.2. . ăng lượng mặt trời Năng lượng Mặt Trời thu được trên Trái Đ t là năng lượng của dòng bức xạ điện t xu t phát t Mặt Trời đến Trái Đ t. Chúng ta sẽ tiếp tục nhận được dòng năng lượng này cho đến khi ph n ứng hạt nhân trên Mặt Trời hết nhiên liệu, vào kho ng 5 tỷ năm nữa. Có thể trực tiếp thu l y năng lượng này thông qua hiệu ứng uang điện, chuyển năng lượng các photon của Mặt Trời thành điện năng như trong pin Mặt Trời. Năng lượng của các hoton cũng có thể được h p thụ để làm nóng các vật thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, s dụng cho ình đun nước Mặt Trời, hoặc làm sôi nước trong các máy nhiệt điện của tháp Mặt Trời, hoặc vận đ ng các hệ thống nhiệt như máy điều hòa Mặt Trời. Ngoài ra năng lượng t các hoton có thể được h p thụ và chuyển hóa thành năng lượng trong các liên kết hóa học của các ph n ứng quang hóa. 1.1.2. . ăng lượng gió Năng lượng gió là đ ng năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển Trái Đ t. Năng lượng gió là m t hình thức gián tiếp của năng lượng mặt trời. Năng lượng gió được con người khai thác t các tuốc bin gió. 1.1.2. . ăng lượng đ a nhiệt Địa nhiệt là nguồn nhiệt năng có ẵn trong lòng đ t. Cụ thể hơn, nguồn năng lượng nhiệt này tập trung kho ng ài km dưới bề mặt Trái Đ t, phần trên cùng của vỏ Trái Đ t. Cùng với sự tăng nhiệt đ khi đi u ào ỏ Trái Đ t, nguồn nhiệt lượng 4 liên tục t lòng đ t này được ước đoán tương đương ới với m t kho ng năng lượng cỡ 42 triệu MW. Địa nhiệt là dạng năng lượng sạch và bền vững. So với các dạng năng lượng tái tạo khác như gió, thủy điện hay điện mặt trời, địa nhiệt không phụ thu c vào các yếu tố thời tiết và khí hậu. 1.1.2.4. ăng lượng đại dương Năng lượng thủy triều hay điện thủy triều là năng lượng điện thu được t năng lượng chứa trong khối nước chuyển đ ng do thủy triều. Hoạt đ ng th o ự iến thiên c t nước giữa iển à ng c a ịnh. Năng lượng nhiệt đại dương: có thể m như m t nhà máy nhiệt hoạt đ ng với nguồn nóng trên bề mặt và nguồn lạnh dưới tầng u tương tự các máy nhiệt trong các nhà máy nhiệt điện, nhưng máy nhiệt đại dương lại không cần dùng m t loại nhiên liệu nào c . Năng lượng sóng biển: đ y cũng là m t nguồn năng lượng r t lớn và h p dẫn. Tiềm năng năng lượng sóng biển phụ thu c vào vị trí địa lý, thậm chí ngay m t vị trí đã cho năng lượng sóng biển cũng iến đ i theo thời gian t ng giờ, t ng ngày và t ng mùa. Tuỳ theo nguyên lý hoạt đ ng mà các thiết bị khai thác sóng biển được nghiên cứu, thiết kế và chế tạo theo t ng loại khác nhau. 1.1.2.5. ăng lượng inh hối Sinh khối là m t thuật ngữ có ý nghĩa ao hàm r t r ng d ng để mô t các vật ch t có nguồn gốc sinh học vốn có thể được s dụng như m t nguồn năng lượng hoặc do các thành phần hóa học của nó. Các công nghệ nhiệt hoá: Công nghệ sinh hoá s dụng các ph n ứng lên men sinh khối như lên m n rượu, lên men kỵ khí nhờ các chủng loại i inh để biến đ i sinh khối áp su t và nhiệt đ th p thành các loại nhiên liệu khí (khí sinh học) hoặc lỏng thanol, m thanol… . Các công nghệ biến đ i inh hoá: ngược lại công nghệ nhiệt hoá s dụng các quá trình nhiệt đ cao để biến đ i sinh khối nhờ các uá trình đốt cháy, nhiệt phân, khí hoá, ch t lỏng. 1.2. Năng lượng m t t ời Các dự án năng lượng mặt trời trên thế giới - Hệ thống điện mặt trời Ivanpah vận hành để cung c điện cho bang California với 300 t m pin mặt trời. Nếu vận hành hết công su t thì hệ thống sẽ tạo ra t ng c ng 392 MW - Nhà máy PS20 tại Tây Ban Nha có thể s n xu t được 48.000 M h/ năm. .. Các dự án năng lượng mặt trời tại Việt Nam 5 - Hệ thống Pin mặt trời tại trung tâm h i nghị quốc gia Mỹ Ðình, t ng công su t 154 kW Nhà máy điện mặt trời BIM 1 tại Ninh Thuận công su t 30 MW Dự án nhà máy điện mặt trời điện lực miền Trung tại Khánh Hòa công su t 50 M … 1.2 Ng n n ng ư ng ặt trời 1.2. . . h i niệm Năng lượng Mặt Trời là năng lượng của dòng bức xạ điện t xu t phát t Mặt Trời, c ng với m t phần nhỏ năng lượng của các hạt hạ nguyên t khác phóng ra t ng i ao này. òng năng lượng này sẽ tiếp tục hát ra cho đến khi ph n ứng nhiệt hạch trong Mặt Trời hết nhiên liệu, vào kho ng 5 tỷ năm nữa. 1.2.1.2. ăng lượng ức xạ mặt trời thành hần ức xạ Đặc trưng của bức xạ mặt trời truyền trong không gian bên ngoài Mặt trời là m t ph r ng trong đó cực đại của bức xạ n m trong d i 10-1 - 10 µm và hầu như m t n a t ng năng lượng mặt trời tập trung trong kho ng ước sóng 0,38 – 0,78 µm đó là vùng nhìn th y của ph . Chùm tia truyền thẳng t Mặt trời gọi là bức xạ trực xạ. T ng hợp các tia trực xạ và tán xạ gọi là t ng xạ. Mật đ dòng bức xạ trực xạ ngoài lớp khí quyển, tính đối với 1m2 bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ, được tính theo công thức: q = φD_T .C0.(T/100)4 (1.1) Ở đ y: φD_T là hệ số góc bức xạ giữa Trái đ t và Mặt trời. φD_T = β2/4 β là góc nhìn mặt trời à β ≈ 32’ như hình 2.1 C0 = 5,67 W/m2.K4 – hệ số bức xạ của vật đ n tuyệt đối. T ≈ 57 2 oK – nhiệt đ bề mặt Mặt trời m như ật đ n tuyệt đối). Vậy ( 2.3,14.32 2 ) 3 0. 0 4 .5, 7. ( 57 2 4 100 ) ≈1353 (1.2) /m2 Do kho ng cách giữa Trái đ t và Mặt trời thay đ i th o m a trong năm nên β cũng thay đ i, do đó cũng thay đ i nhưng đ thay đ i này không lớn lắm nên có thể m là kh ng đ i à được gọi là h ng số mặt trời. (Xem hình 1.1) Yếu tố cơ n ác định cường đ của bức xạ mặt trời m t điểm nào đó trên trái đ t là uãng đường nó đi ua. ự m t mát năng lượng trên uãng đường đó gắn liền với sự tán xạ, h p thụ bức xạ và phụ thu c vào thời gian trong ngày, mùa, vị trí địa lý. 6 Hình 1.1 Góc nhìn m t trời. Khi truyền qua lớp khí quyển ao uanh Trái đ t, các ch m tia ức xạ bị h p thụ và tán xạ b i tầng oz n, hơi nước và bụi trong khí quyển, chỉ m t phần năng lượng được truyền xuống Trái đ t. Phần năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt Trái đ t trong những ngày uang đãng không có mây) thời điểm cao nh t vào kho ng 1000W/m2 .(Hình 1.2). Hình 1.2. Quá trình truyền năng lượng bức xạ m t trời qua lớp khí quyển trái đất Các mùa hình thành là do sự nghiêng của trục trái đ t đối với mặt phẳng quỹ đạo của nó quanh mặt trời gây ra. Góc nghiêng vào kho ng 66,5o và thực tế m như kh ng đ i trong không gian. Sự định hướng như ậy của trục uay trái đ t trong 7 chuyển đ ng của nó đối với mặt trời gây ra những sự dao đ ng quan trọng về đ dài ngày đêm trong năm. 1.2.1.3. Tính to n năng lượng mặt trời Cường đ bức xạ mặt trời trên mặt đ t chủ yếu phụ thu c 2 yếu tố: góc nghiêng của các tia áng đối với mặt phẳng bề mặt tại điểm đã cho à đ dài đường đi của tia sáng trong khí quyển hay nói chung là phụ thu c ào đ cao của mặt trời ( góc giữa hương t điểm uan át đến mặt trời và mặt phẳng n m ngang đi ua điểm đó . Quan hệ giữa bức xạ mặt trời ngoài khí quyển và thời gian trong năm có thể xác định th o hương trình au: 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 m t số khái niệm như au: Trực xạ là bức xạ mặt trời nhận được khi không bị bầu khí quyển phát tán. Tán xạ là bức xạ mặt trời nhận được au khi hướng của nó đã ị thay đ i do sự phát tán của bầu khí quyển. Tổng xạ là t ng của trực xạ và tán xạ trên m t bề mặt ( ph biến nh t là t ng xạ trên m t bề mặt n m ngang, thường gọi là bức xạ cầu trên bề mặt). Cường độ bức xạ (W/m2 là cường đ năng lượng bức xạ mặt trời đến m t bề mặt tương ứng với m t đơn ị diện tích của bề mặt. ăng lượng bức xạ ( J/m2 là năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới m t đơn ị diện tích bề mặt trong m t kho ng thời gian, như ậy năng lượng b ng tích phân của cường đ bức xạ trong m t kho ng thời gian. Giờ mặt trời là thời gian dựa trên chuyển đ ng biểu kiến của mặt trời trên bầu trời, với uy ước giờ mặt trời chính ngọ là thời điểm mặt trời đi ua thiên đỉnh của người quan sát. Giờ mặt trời là thời gian được s dụng trong quan hệ về góc mặt trời, nó kh ng đồng nghĩa ới giờ trong đồng hồ. Quan hệ hình học giữa m t mặt phẳng bố trí b t kỳ trên mặt đ t và bức xạ của mặt trời truyền tới, tức là vị trí của mặt trời so với mặt phẳng đó có thể được ác định th o các góc đặc trưng như Hình 1.3). 8 Hình 1.3. Quan hệ các góc hình học của tia bức xạ m t trời trên m t phẳng nghiêng Góc vĩ độ Φ là ị trí góc tương ứng với ĩ đ về phía bắc hoặc về phía nam đường đường ích đạo trái đ t, với hướng bắc là hướng dương. -90o ≤ Ф ≤ 90o Góc nghiêng β là góc giữa mặt phẳng của bề mặt tính toán à hương n m ngang. 0 ≤ β ≤ 90o Góc hương v của bề mặt γ là góc lệch của hình chiếu pháp tuyến bề mặt trên mặt phẳng n m ngang so với đường kinh tuyến. Góc γ 0 nếu bề mặt quay về hướng chính nam, γ l y d u (+) nếu nếu bề mặt quay về hướng tây và l y d u (-) nếu bề mặt quay về hía đ ng. -180o≤ γ ≤ 180o Góc giờ ω là góc chuyển đ ng của vị trí mặt trời về hía đ ng hoặc phía tây của kinh tuyến địa hương do uá trình uay của trái đ t quanh trục của nó và l y giá trị 15o cho 1 giờ đồng hồ, bu i sáng l y d u (-), bu i chiều l y d u (+). 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 hương thẳng đứng thiên đỉnh) và tia bức xạ tới. Trong trường hợp bề mặt n m ngang thì góc thiên đỉnh chính là góc tới θ. Góc cao mặt trời α là góc giữa hương n m ngang và tia bức xạ truyền tới, tức là góc phụ của góc thiên đỉnh. Góc hương v mặt trời γz là góc lệch so với hương nam của hình chiếu tia bức xạ mặt trời truyền tới trên mặt phẳng n m ngang. 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 ua kinh tuyến địa hương o ới mặt phẳng của ích đạo trái đ t, với hướng phía bắc là hướng dương. 9 Quan hệ giữa các loại góc đặc trưng trên có thể biểu di n b ng hương trình giữa góc tới và góc khác: co θ co θz.co β + inθz. inβ.co γz- γ (1.4) Năng lượng bức xạ mặt trời trên mặt phẳng n m ngang trong m t giờ được xác định: E0.gio 112.3 00 E0 (1+0,033. 3 0n 3 5 ) [co .co .( inω1 - inω2 )+ ω1 -ω2 180 in . in ] ( 1.5) Tổng cường độ bức xạ mặt trời lên bề mặt trên tr i đất: T ng bức xạ mặt trời lên m t bề mặt đặt trên mặt đ t bao gồm hai thành phần chính đó là trực xạ và tán xạ. Tán xạ t ng hợp t 3 thành phần: Thành phần tán xạ đẳng hướng: phần tán xạ nhận được đồng đều t toàn b 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 mức đ nh t định phụ thu c đ ph n xạ Rg (còn gọi là albedo – su t phân chiếu) của mặt đ t. Hình 1.4. Các thành phần bức xạ lên bề m t nghiêng. Như ậy bức xạ mặt trời truyền đến m t bề mặt nghiêng là t ng của các dòng bức xạ bao gồm: trực xạ Eb, 3 thành phần tán xạ Ed1, Ed2, Ed3 và bức xạ ph n xạ t bề mặt khác lân cận Er: E∑ = Eb + Ed1 + Ed2 + Ed3 + Er (1.6) Trong tính toán kỹ thuật, có thể coi cường đ bức xạ tới mặt đ t là hàm của thời gian τ, tính t lúc mặt trời mọc τ 0 đến khi mặt trời lặn τ τn/2, với τn=24h = 24.3 00 như au: E τ En. inφ τ (1.7) 10 φτ ω ω. τ là góc nghiêng tia nắng so với mặt đ t, 2 2 τn 24.3 00 7,72.10-5 rad/ là tốc đ góc tự xoay của trái đ t, En[W/m2] là cường đ bức xạ cực đại trong ngày, l y trị trung bình c năm th o số liệu đo lường thực tế tại ĩ đ cần xét. 1.2.1.4. hai th c năng lượng mặt trời - hai th c trực tiế nhiệt năng từ năng lượng mặt trời + Bế n u d ng năng lượng mặt trời. + Hệ thống cung c nước nóng d ng năng lượng mặt trời. + Hệ thống y d ng năng lượng mặt trời. + Hệ thống chưng c t nước d ng năng lượng mặt trời. + Đ ng cơ tirling d ng năng lượng mặt trời. + Thiết ị lạnh d ng năng lượng mặt trời. + Nhà máy nhiệt điện mặt trời. - hai th c trực tiế điện năng từ năng lượng mặt trời + dụng hệ thống in uang điện. 1.2.2. ản t điện n ng t n ng ư ng 1.2.2.1. C c hương h Hiện nay iệc hương há au : - ặt trời hai th c n u t điện năng t năng lượng mặt trời tậ trung chủ yếu ào 2 iện mặt trời tậ trung Các hệ thống điện mặt trời tập trung (CSP-Concentrated Solar Power) s dụng ống kính, gương à các hệ thống th o dõi để tập trung m t khu vực r ng lớn của ánh sáng mặt trời vào m t chùm nhỏ. Nhiệt tậ trung au đó được s dụng như m t nguồn năng lượng cho m t nhà máy nhiệt điện th ng thường. - in uang điện à thiết ị chuyển đ i trực tiế năng lượng mặt trời ang điện năng dụng hiệu ứng uang điện. ng cách 1.2.2.2. Tình hình ản xuất điện từ in uang điện c c nước trên thế giới Trong năm 2015, c ng u t lắ đặt của hệ thống in uang điện tăng 25% o ới năm 2014, hơn 50 G được ung đưa c ng u t lắ đặt trên toàn cầu lên kho ng 227 G . Ch u đã nắm toàn thị trường, chiếm 0% ố lượng ung toàn cầu. Các nước Trung uốc, Nhật B n à Hoa Kỳ là a thị trường hàng đầu. Tiế đó là ương uốc Anh, các nước thu c To 10 ung n u t năng lượng mặt trời là n Đ , Đức, Hàn uốc, c, há , Canada. Đến cuối năm 2015, mọi ch u lục tr Ch u Nam Cực đã lắ đặt ít nh t 1 G , có 22 nước có c ng u t lắ đặt lớn hơn 1 G . 11 H nh 1.5. Biể đ t nh h nh lắp đ t hệ thống Ng 1.2.3. Ti ang điện t ên thế giới. n http://www.ren21.net/ ; Renewables 2016: Global Status Report). n ng n ng ư ng ặt trời tại iệt N Vị trí địa lý đã ưu ái cho iệt Nam m t nguồn năng lượng tái tạo vô cùng lớn, đặc biệt là năng lượng mặt trời. Tr i dài t ĩ đ 8o27’ Bắc đến 23o23’ Bắc, Việt Nam n m trong khu vực có cường đ bức xạ mặt trời tương đối cao. ảng 1.1. ố liệu ức xạ c c c c hu vực nước ta. guồn http://www.solarpower.vn/ ) Vùng Đ ng Bắc Tây Bắc Bắc Trung B Tây Nguyên, Nam Trung B Nam B Trung bình c nước Giờ nắng t ong năm giờ 1600 – 1750 1750 – 1800 1700 – 2000 2000 – 2600 2200 – 2500 1700 – 2500 Cường độ ức ạ (kWh/m2, ngày) 3,3 – 4,1 4,1 – 4,9 4,6 – 5,2 4,9 – 5,7 4,3 – 4,9 4,6 Ứng dụng Trung bình Trung bình Tốt Rất tốt Rất tốt Tốt 1.3. Hệ thống pin m t t ời 1.3. Pin ặt trời r 1.3. . . Cấu tạo hân loại - Cấu tạo in mặt trời: Gồm hai thành hần chính là lớ án dẫn à điện cực kim loại, giữa lớ án dẫn -N gọi là lớ tiế úc nơi di chuyển các điện tích tự do. 12 Chúng được liên kết thành t ng lớ mỏng ế chồng lên nhau, à còn được gọi là tế ào uang điện hoto oltaic c ll . H nh 1.6. Cấ tạo của pin m t t ời. hân loại Vật liệu chủ yếu chế tạo in năng lượng mặt trời đều là silic dạng tinh thể. Chia thành 3 loại như au: in năng lượng mặt trời mono đơn tinh thể hay còn gọi là Monocrystalline. Chúng được cắt t các thỏi silic hình ống, các t m đơn tinh thể này có các mặt trống góc nối các module. M t tinh thể hay tinh thể đơn modul n xu t dựa trên quá trình Czochral ki. Đó là uy trình điều chế silic đơn tinh thể. Silic là m t nguyên liệu quan trọng trong việc chế tạo các vi mạch bán dẫn. Đơn tinh thể loại này có hiệu su t tới cao nên chúng thường r t đắt tiền. in năng lượng mặt trời oly đa tinh thể hay còn gọi là polycrystalline. Loại Poly được làm t các thỏi đúc – đúc t silic nung ch y cẩn thận được làm ngu i và làm rắn. Các in này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu su t kém hơn. in năng lượng mặt trời dạng phim mỏng hay còn gọi là thin film. Là d i silic tạo t các miếng phim mỏng t silic nóng ch y và có c u trúc đa tinh thể. Loại này thường có hiệu su t th p nh t. Tuy nhiên loại này rẻ nh t trong các loại vì không cần ph i cắt t thỏi silicon. 1.3.1.2. Nguyên lý hoạt đ ng iệu ứng uang điện trong là hiện tượng khi ật rắn nhận tia ức ạ mặt trời, điện t ng hóa trị h thụ năng lượng hoton h à chuyển lên ng dẫn tạo ra cặ hạt dẫn điện t – lỗ trống - - h+, tức là tạo ra m t hiệu điện thế. 13 ng hóa tr là ng năng lượng th ị các điện t chiếm đầy khi trạng thái c n ng, mà mặt trên của nó có mức năng lượng là E v. ng dẫn là ng hía trên tiế đó hoàn toàn trống hoặc chỉ chiếm m t hần, mặt dưới của ng năng lượng là Ec. ng cấm là ng cách ly giữa 2 ng hóa trị à ng dẫn, ng có c đ r ng ới năng lượng là Eg, trong đó kh ng có mức năng lượng cho hé nào của điện t . H nh 1.7. Các v ng năng lượng. Khi nhận ức ạ mặt trời, hoton có năng lượng h tới hệ thống à ị điện t ng hóa trị h thu à nó có thể chuyển lên ng dẫn để tr thành điện tích tự do -, để lại ng hóa trị m t lỗ trống có thể coi như hạt mang điện dương, ký hiệu là h +. ỗ trống di chuyển à tham gia ào uá trình dẫn điện. Hiệu ứng lượng t của uá trình h thụ hoton có thể m t ng hương trình : + Ev +h → + h (1.8) Điều kiện để điện t có thể h thu năng lượng hoton à chuyển t ng hóa trị lên ng dẫn, tạo ra cặ điện t – lỗ trống là h tới hạn λc của ánh áng để có thể tạo ra cặ λc= hc Ec-E + - ≥ Eg = Ec - Ev. uy ra ước óng - h+ : = hc 1,24 Eg Eg [µm] (1.9) Các hạt dẫn ị kích thích - à h đều tự hát tham gia ào uá trình hục hồi, chuyển đ ng đến mặt của các ng năng lượng: điện t - gi i hóng năng lượng để chuyển đến mặt của ng Ec, còn lỗ trống ẽ chuyển đến mặt Ev, chu kỳ hục hồi là 10-12 → 10-1 giây. 14 H nh 1.8. Ng 1.3.1.3. Tấm in mặt trời olar ên l hoạt động của pin m t t ời. odul Được c u tạo t các in mặt trời hay còn gọi là tế ào uang điện à m t ố hụ kiện đi k m. Mục đích để h hợ ới điều kiện ề dòng điện à điện á định mức của thiết ị đầu ra của nguồn, điều kiện m i trường à m t ố tiêu chuẩn kỹ thuật khác. H nh 1.9. Cấ tạo của tấm pin m t t ời. 1.3.1.4. ặc tính làm việc của in mặt trời - ạch điện tương đương