Chương 1. Tình hình của điện mặt trời hiện nay Khác với các nguồn năng lượng khác hiện đang bị cạn kiệt như là than, dầu khí,. năng lượng mặt trời (NLMT) là một nguồn tài nguyên vô tận. Tại Việt Nam Hình 1-1: Bản đồ phân bố bức xạ mặt trời ở Việt Nam[1] Việt Nam nằm ở vị trí địa lý thuận lợi để phát triển các nguồn năng lượng tái tạo nói chung và NLMT nói riêng.
Mật độ năng lượng bức xạ mặt trời trong một ngày đạt 4kWh/m2 tại khu vực miền Bắc. Đặc biệt khu vực Nam Bộ, Nam Trung Bộ nói chung và thành phố Hồ Chí Minh nói riêng nằm trong khu vực có cường độ bức xạ cao nhất, trung bình khoảng 5kWh/m2 với hơn 300 ngày nắng 1 năm.[2] Có thể thấy, với sự quan tâm đầu từ phát triển của Chính phủ, các dự án điện NLMT ở Việt Nam đã và đang đạt được những thành tựu nhất định. Tại thời điểm năm 2017, ĐMT vẫn chưa được đầu tư phát triển, nhưng đến cuối năm 2019, Việt Nam đã vượt mặt các nước trong khu vực trở thành quốc gia sở hữu công suất ĐMT lớn nhất 1 Đông Nam Á. Tính đến hết năm 2022, hệ thống điện Việt Nam có tổng công suất lắp đặt 80.
Trong đó, ĐMT khoảng 16.567 MWp, chiếm khoảng 20,5% (trong đó có hơn 9.000 MWp là ĐMT áp mái). Trên Thế giới Ngành năng lượng trên thế giới đang chứng kiến sự phát triển mang giá trị lịch sử, chính là sự xuất hiện của ngành công nghiệp năng lượng - năng lượng tái tạo. Ngành năng lượng tái tạo ngày càng trở thành một lĩnh vực quan trọng trong việc cung cấp năng lượng cho thế giới. Trong đó, NLMT là một trong những nguồn phổ biến và tiềm năng nhất.
Hình 1-2: Bản đồ phân bồ bức xạ toàn cầu[4] Việc sử dụng NLMT giúp giảm thiểu sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng hóa thạch, giảm lượng khí thải carbon vào môi trường và bảo vệ môi trường. NLMT là nguồn tài nguyên vô tận, không gây ô nhiễm và không cần nhiều chi phí để duy trì so với các nguồn năng lượng khác. Ngành công nghiệp NLMT đã và đang phát triển mạnh mẽ trên toàn cầu. Công nghệ tấm pin mặt trời ngày càng được cải tiến, giá thành sản xuất giảm và hiệu suất tăng lên đáng kể.
Điều này đã tạo ra một sự gia tăng đáng kể về việc lắp đặt các hệ thống NLMT, cả cho gia đình và cho các công trình công nghiệp. Dù nhu cầu năng lượng toàn cầu giảm 4,5% trong năm 2020, các lĩnh vực về công nghệ tái tạo vẫn cho thấy những bước phát triển đầy tiềm năng. Trong năm 2020, thế giới đã lắp đặt thêm hơn 127 (GWp) - mức tăng theo năm lớn nhất từ trước đến nay. Hiện dẫn đầu thế giới về công suất lắp đặt NLMT là Trung Quốc 254.355 (MWp), chiếm 35,6% tổng số toàn cầu.
Theo sau là Mỹ với 75.572 MWp, chiếm 10,6% toàn cầu. 2 Năm 2021, Việt Nam xếp thứ 8 trong top 10 quốc gia có công suất lắp đặt NLMT lớn nhất thế giới với 16.504 MWp, chiếm 2,3% toàn cầu. Các quốc gia còn lại trong top 10 gồm: Nhật Bản (9,4%), Đức (7,5%), Ấn Độ (5,5%), Italy (3%), Australia (2,5%), Hàn Quốc (2,5%) và Tây Ban Nha (2%). Lý do chọn đề tài Nhận thấy hiện nay việc tính toán và đánh giá hiệu quả hoạt động (Performance) của một hệ thống ĐMT chưa được chú trọng, nên nhóm chúng em đã chọn đề tài: “Đánh giá hiệu quả hoạt động hệ thống ĐMT”, với mục đích tìm hiểu các phương pháp đánh giá cũng như các khó khăn khi đánh giá hiệu quả hoạt động của một hệ thống ĐMT thực tế; từ đó, đưa ra các giải pháp phù hợp.
Mục tiêu nghiên cứu Đề tài hướng đến mục tiêu chính là đánh giá hiệu quả hoạt động của các hệ thống ĐMT đang vận hành; từ đó, đưa ra các giải pháp để tối ưu hiệu quả của hệ thống. Nội dung nghiên cứu • Khái quát tổng quan về lĩnh vực ĐMT hiện nay. • Tìm hiểu về các chỉ số đánh giá hiệu quả hoạt động của một hệ thống ĐMT. • Tìm hiểu, ứng dụng, tính toán bức xạ mặt trời và tính toán PR (Performance Ratio - hiệu quả hoạt động).
• Dựa trên dữ liệu từ dự án thực tế, tiến hành đánh giá hiệu quả hoạt động của các trường hợp khác nhau (case study). Giới hạn đề tài - Đề tài này chỉ tập trung vào việc tính toán PR và các thành phần ảnh hưởng đến PR của hệ thống ĐMT. - Đề tài sẽ không đi sâu vào nghiên cứu kinh tế, phân tích thị trường của hệ thống ĐMT. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THU THẬP DỮ LIỆU THỰC TẾ 2.
Lý thuyết về hệ thống điện mặt trời Hệ thống ĐMT là hệ thống chuyển đổi trực tiếp quang năng mặt trời thành điện năng thông qua các tấm quang điện (Photovoltaic - PV). Dòng điện một chiều được sản sinh ra từ các tấm PV-được chuyển đổi thành dòng điện xoay chiều nhờ vào Inverter chuyển đổi DC-AC khi cần thiết. Có 3 hình thức lắp đặt ĐMT phổ biến: Hệ thống ĐMT không nối lưới (Off-Grid), Hệ thống ĐMT nối lưới (On-Grid), Hệ thống ĐMT kết hợp hòa lưới có lưu trữ (Hybrid). Hệ thống điện mặt trời độc lập Hệ thống ĐMT độc lập (Off-Grid) là hệ thống điện sử dụng nguồn NLMT không phụ thuộc vào nguồn điện lưới, hệ thống hoạt động dựa trên công suất tải bám tải.
Hệ thống ĐMT độc lập gồm 3 bộ phận chính: Tấm PV, Inverter Off-Grid, bộ lưu trữ. Thay vì sử dụng nguồn điện lưới, hệ thống ĐMT độc lập sẽ chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành nguồn điện DC thông qua các tấm PV và lưu trữ trong bộ lưu trữ, sau đó thông qua Inverter chuyển đổi dòng điện DC thành AC sử dụng cho tải trong gia đình. Đối với các hệ thống lớn như nhà xưởng hoặc khu công nghiệp, cần phải có các nguồn phụ để bù vào những lúc bức xạ mặt trời thấp, đây cũng là nhược điểm của hệ thống. Hình 2-1: Hệ thống điện mặt trời độc lập 4 2.
Hệ thống điện mặt trời hòa lưới Hình 2-2: Hệ thống điện mặt trời hòa lưới Hệ thống ĐMT hòa lưới (On-Grid) là hệ thống điện hoạt động song song với nguồn điện lưới. Khác với hệ thống ĐMT độc lập, hệ thống ĐMT hòa lưới không dùng đến bộ lưu trữ. Khi nguồn điện từ hệ thống ĐMT không đáp ứng đủ cho tải, Inverter sẽ tự động lấy nguồn điện từ lưới điện để cung cấp cho tải hoạt động. Và ngược lại, vào những thời điểm công suất tải thấp, nguồn điện sinh ra dư sẽ được phát lên lưới.
Hệ thống sẽ không hoạt động nếu bị mất nguồn điện lưới và ban đêm sẽ không sản sinh ra điện nên sẽ dùng nguồn điện từ lưới điện. Đây là nhược điểm của hệ thống. Tất cả nguồn điện phát lên lưới hay lấy từ lưới có thể được ghi nhận thông qua công tơ điện 2 chiều. Hệ thống điện mặt trời kết hợp hòa lưới có lưu trữ Hệ thống ĐMT hòa lưới có lưu trữ là hệ thống sử dụng NLMT và bộ lưu trữ để cung cấp điện cho các thiết bị điện.
Đây là sự kết hợp của 2 hệ thống Off-Grid và On- Grid, hoạt động giống như một hệ thống cung cấp dự phòng, để đảm bảo nguồn điện của hệ thống luôn ổn định. Hệ thống hoạt động gần giống như hệ thống On-Grid nhưng sử dụng Inverter Hybrid và bộ lưu trữ năng lượng cho mục đích như mất điện, trời tối,. 5 Hình 2-3: Hệ thống điện mặt trời hòa lưới có lưu trữ 2. Các yếu tố ảnh hưởng đến sản lượng tấm PV a.
Nhiệt độ: Nhiệt độ cao có thể làm tăng trở kháng trong tấm PV, làm giảm hiệu suất chuyển đổi năng lượng từ ánh sáng mặt trời thành điện. Điều này dẫn đến sự giảm hiệu suất của tấm pin và làm giảm công suất thực tế của hệ thống. Hình 2-4: Nhiệt độ ảnh hưởng tới đường đặc tính của PV[6] b. Bức xạ mặt trời: Đường đặc tính I-V (dòng điện - điện áp) của một tấm PV có mối quan hệ chặt chẽ với cường độ bức xạ mặt trời.
Khi cường độ bức xạ mặt trời tăng, dòng điện ngắn mạch 6 Isc tạo ra bởi tấm pin PV cũng tăng lên, trong khi điện áp hở mạch Voc giữ nguyên hoặc tăng nhẹ. Hình 2-5:Bức xạ ảnh hưởng đến đường đặc tính I-V của PV[6] c. Hiện tượng đổ bóng: Khi một phần của tấm PV bị bóng che, dòng điện và điện áp của tấm pin có thể bị ảnh hưởng một cách đáng kể. Khi một vùng của tấm PV bị bóng che, dòng điện tạo ra bởi các vùng không bị che sẽ bị giảm xuống.
Shaded Shaded Hình 2-6: Bóng che ảnh hưởng tới đường đặc tính I-V của PV[7] d. Hiện tượng bụi phủ: Hiện tượng bụi phủ trên bề mặt tấm PV làm giảm hiệu suất của tấm PV. Bụi có thể tạo ra một lớp mờ trên bề mặt tấm PV, làm giảm khả năng hấp thụ năng lượng mặt trời, do đó làm giảm dòng điện tạo ra. 7 Hình 2-7: Ảnh minh họa e.
Ảnh hưởng do hệ số góc chiếu toàn cầu: Khi tấm pin PV được đặt ở góc nghiêng phù hợp, tức là góc giữa bề mặt tấm pin PV và mặt phẳng ngang tương đối lý tưởng, hiệu suất hoạt động của tấm pin sẽ được tối ưu. Tấm pin được đặt ở góc nghiêng phù hợp, hệ số góc chiếu toàn cầu sẽ làm tăng lượng ánh sáng chiếu vào tấm PV, kích thích các hạt điện tử di chuyển và tạo ra dòng điện. Điện áp của tấm pin PV thường được thiết kế để duy trì ổn định trong khoảng cường độ bức xạ mặt trời khác nhau. Hiện tượng LID (Light Induced Degradation): LID-Light Induced Degradation là sự suy giảm cảm ứng ánh sáng, điều này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của các tấm PV.
Bức xạ mặt trời Bức xạ từ mặt trời truyền đến bề mặt trái đất qua bầu khí quyển sẽ bị hấp thụ một phần, một phần bị tán xạ và phản xạ từ các đám mây và bề mặt trái đất. Bức xạ mặt trời vì thế tới tấm pin sẽ có 3 loại như sau: bức xạ mặt trời trực tiếp (Direct), phân tán (Diffuse), và phản xạ (Reflection). Bức xạ mặt trời trực tiếp Bức xạ mặt trời trực tiếp (DNI) là bức xạ đến bề mặt trái đất trực tiếp từ mặt trời. Do khoảng cách từ trái đất đến mặt trời quá lớn nên bức xạ trực tiếp tại một vị trí bất kỳ có thể coi là một chùm tia song song mà không có sai số đáng kể.
Bức xạ mặt trời phân tán Bức xạ mặt trời trực tiếp trên đường đi qua bầu khí quyển cũng sẽ bị phân tán bởi các phân tử khí trong khí quyển, các đám mây,. đây được gọi là bức xạ mặt trời phân tán (DHI).