Nghiên cứu & Thiết kế hệ thống điện mặt trời nổi trên hồ thủy điện Đồng Nai 4

Luận văn thạc sĩ phân tích, thiết kế hệ thống điện mặt trời nổi tại hồ Đồng Nai 4, bao gồm số liệu khảo sát, tính toán và mô phỏng chi tiết.

• Tác giả: Phan Minh Tú
• Người hướng dẫn: Ts. Lưu Ngọc An
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa - Đại Học Đà Nẵng
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Nghiên cứu, Thiết kế Hệ Thống Điện Mặt Trời Nổi Trên Hồ Thủy Điện Đồng Nai 4
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sỹ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Đà Nẵng

Tóm tắt

I. Bí quyết thiết kế điện mặt trời nổi tại hồ Đồng Nai 4

Luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điện mặt trời nổi trên hồ thủy điện Đồng Nai 4” của tác giả Phan Minh Tú là một công trình khoa học chi tiết, mang tính ứng dụng cao. Đề tài giải quyết bài toán năng lượng cấp bách tại Việt Nam bằng cách tận dụng các mặt hồ thủy điện bỏ trống. Việc phát triển các nhà máy điện mặt trời nổi (FSPV) không chỉ giúp tiết kiệm quỹ đất mà còn mang lại nhiều lợi ích kỹ thuật vượt trội. Hồ thủy điện Đồng Nai 4 được lựa chọn làm địa điểm nghiên cứu vì sở hữu các điều kiện lý tưởng. Vị trí này có bức xạ mặt trời tốt, độ dao động mực nước nhỏ, và hạ tầng lưới điện sẵn có. Luận văn cung cấp một cái nhìn toàn diện về quy trình từ khảo sát, phân tích đến thiết kế chi tiết một hệ thống điện mặt trời nổi quy mô lớn. Nghiên cứu này không chỉ là một đồ án tốt nghiệp điện mặt trời xuất sắc mà còn là tài liệu tham khảo giá trị cho các kỹ sư và nhà đầu tư trong lĩnh vực năng lượng tái tạo. Bằng cách sử dụng các công cụ hiện đại như phần mềm PVsyst, tác giả đã thực hiện mô phỏng hệ thống PV một cách chính xác, từ đó đưa ra các thông số thiết kế tối ưu và đánh giá tính khả thi của dự án. Công trình nhấn mạnh tiềm năng to lớn của công nghệ Floating Solar Power tại Việt Nam, mở ra một hướng đi mới cho việc phát triển năng lượng sạch, bền vững, đồng thời tối ưu hóa hiệu quả vận hành của các nhà máy thủy điện hiện hữu.

1.1. Xu hướng và tiềm năng của nhà máy điện mặt trời nổi FSPV

Công nghệ pin mặt trời nổi (FSPV - Floating Photovoltaic) đang trở thành một giải pháp năng lượng tái tạo đột phá trên toàn cầu. Khác với các nhà máy điện mặt trời trên mặt đất, FSPV tận dụng các diện tích mặt nước không sử dụng như hồ chứa, hồ thủy điện, hồ xử lý nước. Lợi ích chính của mô hình này là không chiếm dụng đất nông nghiệp hoặc đất có giá trị khác. Hơn nữa, việc lắp đặt các tấm pin trên mặt nước giúp giảm nhiệt độ vận hành, từ đó tăng hiệu suất tấm pin quang điện. Nước làm mát tự nhiên giúp các tấm pin hoạt động hiệu quả hơn từ 5-10% so với trên cạn. Ngoài ra, hệ thống FSPV còn giúp giảm sự bốc hơi nước từ các hồ chứa, một lợi ích quan trọng ở các vùng khô hạn. Đối với các hồ thủy điện, việc kết hợp này tạo ra một hệ thống hybrid, bổ sung nguồn điện vào ban ngày và mùa khô, giúp ổn định sản lượng điện tổng thể. Đây chính là lý do khiến khóa luận điện mặt trời nổi trở thành một chủ đề nghiên cứu hấp dẫn và thực tiễn.

1.2. Lý do hồ thủy điện Đồng Nai 4 là địa điểm lý tưởng

Việc lựa chọn hồ thủy điện Đồng Nai 4 không phải là ngẫu nhiên. Theo phân tích trong luận văn, khu vực này hội tụ đầy đủ các yếu tố thuận lợi. Thứ nhất, hồ nằm ở khu vực cao nguyên Nam Trung Bộ, nơi có số giờ nắng trung bình năm cao (khoảng 2281 giờ) và tổng xạ theo phương ngang (GHI) tốt, dao động từ 4,9 đến 5,3 kWh/m²/ngày. Thứ hai, một trong những yếu tố kỹ thuật quan trọng nhất là độ dao động mực nước hồ rất thấp, chỉ từ 474m đến 476m. Điều này giúp đơn giản hóa việc thiết kế hệ thống neo và kết cấu giàn nổi, giảm thiểu rủi ro kỹ thuật. Thứ ba, hạ tầng giao thông và lưới điện hiện hữu là một lợi thế lớn. Luận văn chỉ ra rằng đã có sẵn đường dây 230kV chạy qua gần khu vực dự án, thuận lợi cho việc đấu nối lưới điện quốc gia mà không cần đầu tư lớn vào đường truyền tải. Cuối cùng, khu vực ít dân cư, giúp giảm chi phí đền bù giải tỏa mặt bằng, đẩy nhanh tiến độ triển khai dự án.

II. Top thách thức khi thiết kế điện mặt trời nổi trên mặt hồ

Việc triển khai một dự án điện mặt trời nổi quy mô lớn trên hồ thủy điện đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật và kinh tế cần được giải quyết triệt để. Khác với hệ thống trên cạn, môi trường nước đòi hỏi các giải pháp thiết kế chuyên biệt để đảm bảo độ bền, an toàn và hiệu suất lâu dài. Một trong những thách thức lớn nhất là thiết kế hệ thống phao nổi và hệ thống neo có khả năng chịu được các tác động của gió, sóng và sự thay đổi mực nước. Vật liệu của phao phải có khả năng chống ăn mòn, chống tia UV và có tuổi thọ tương đương với tấm pin. Công tác vận hành và bảo trì (O&M) cũng phức tạp hơn, đòi hỏi các phương tiện chuyên dụng để tiếp cận, vệ sinh và sửa chữa các tấm pin trên mặt nước. Bên cạnh đó, việc phân tích tác động môi trường của điện mặt trời đến hệ sinh thái thủy sinh là một yêu cầu bắt buộc. Cần đánh giá kỹ lưỡng ảnh hưởng của giàn phao đến chất lượng nước và sự phát triển của sinh vật dưới nước. Về mặt kinh tế, suất đầu tư điện mặt trời nổi ban đầu thường cao hơn so với hệ thống trên cạn do chi phí cho hệ thống phao và neo. Do đó, việc phân tích hiệu quả kinh tế dự án FPV một cách chính xác là yếu tố then chốt để thu hút đầu tư.

2.1. Yêu cầu kỹ thuật cho hệ thống phao nổi và hệ thống neo

Để đảm bảo sự ổn định cho toàn bộ nhà máy điện mặt trời nổi, hệ thống phao nổi và hệ thống neo đóng vai trò xương sống. Luận văn đã đề cập đến việc lựa chọn phao dạng module lắp ghép làm từ nhựa HDPE (High-Density Polyethylene), một loại vật liệu có độ bền cao, chống ăn mòn và thân thiện với môi trường. Kết cấu giàn nổi phải được tính toán để chịu được tải trọng của tấm pin, công nhân bảo trì và các lực tác động từ môi trường như gió và sóng. Hệ thống neo cần được thiết kế phù hợp với đặc điểm đáy hồ và dao động mực nước. Các phương pháp neo phổ biến bao gồm neo trọng lực, neo cọc hoặc neo vào bờ. Việc tính toán lực neo phải dựa trên phân tích thủy động lực học để đảm bảo giàn pin không bị trôi dạt, giữ đúng hướng và vị trí đã thiết kế, nhằm tối ưu hóa việc hấp thụ năng lượng mặt trời.

2.2. Phân tích vận hành bảo trì O M và yếu tố môi trường

Công tác vận hành và bảo trì (O&M) cho một hệ thống FSPV có những đặc thù riêng. Việc vệ sinh bề mặt tấm pin khỏi bụi bẩn, phân chim là cần thiết để duy trì hiệu suất. Luận văn đề xuất sử dụng các robot tự hành hoặc hệ thống phun nước áp lực cao được lắp đặt sẵn. Việc kiểm tra và sửa chữa các thiết bị điện như bộ biến tần inverter hay dây cáp cũng đòi hỏi quy trình an toàn nghiêm ngặt khi làm việc trên mặt nước. Về tác động môi trường của điện mặt trời, việc che phủ một phần mặt hồ có thể làm giảm quang hợp của tảo và thay đổi nhiệt độ nước. Tuy nhiên, nó cũng giúp hạn chế sự phát triển của tảo độc và giảm bốc hơi nước. Cần có các nghiên cứu đánh giá tác động môi trường (EIA) chi tiết để đưa ra các biện pháp giảm thiểu phù hợp, đảm bảo sự phát triển bền vững của hệ sinh thái hồ.

III. Phương pháp khảo sát thực trạng hồ thủy điện Đồng Nai 4

Để đảm bảo tính chính xác và khả thi cho luận văn thiết kế điện mặt trời nổi, công tác khảo sát thực trạng là bước nền tảng không thể thiếu. Tác giả đã tiến hành thu thập và phân tích dữ liệu một cách khoa học từ nhiều nguồn đáng tin cậy. Quá trình này bao gồm hai hạng mục chính: phân tích tiềm năng năng lượng mặt trời và đánh giá hạ tầng lưới điện hiện hữu. Dữ liệu khí tượng thủy văn từ các trạm quan trắc lân cận và cơ sở dữ liệu quốc tế như Meteonorm đã được sử dụng để xây dựng bức tranh tổng thể về số giờ nắng, cường độ bức xạ, nhiệt độ và tốc độ gió tại khu vực. Các thông số này là đầu vào quan trọng cho việc tính toán hệ thống điện mặt trời và mô phỏng hệ thống PV sau này. Song song đó, việc khảo sát thực địa lưới điện tại khu vực thủy điện Đồng Nai 4 được thực hiện chi tiết. Luận văn đã phân tích sơ đồ lưới điện 22kV và 230kV hiện có, xác định các điểm đấu nối lưới điện tiềm năng và đánh giá khả năng chịu tải của đường dây. Việc này đảm bảo rằng công suất phát ra từ nhà máy có thể được truyền tải ổn định lên lưới điện quốc gia. Kết quả khảo sát toàn diện đã khẳng định hồ Đồng Nai 4 là một địa điểm lý tưởng, cung cấp cơ sở dữ liệu vững chắc cho các bước thiết kế kỹ thuật tiếp theo.

3.1. Phân tích dữ liệu bức xạ mặt trời và khí tượng thủy văn

Tiềm năng năng lượng mặt trời của một khu vực được quyết định bởi các yếu tố khí tượng. Luận văn đã tổng hợp số liệu từ các trạm khí tượng Đăk Nông và Đà Lạt, cho thấy số giờ nắng trung bình năm tại khu vực dự án đạt 2281 giờ. Tổng xạ theo phương ngang (GHI) hàng năm, một thông số cơ bản để đánh giá tiềm năng, cũng ở mức cao, từ 1700 – 2000 kWh/năm. Dữ liệu này sau đó được nhập vào phần mềm PVsyst để tạo ra một file khí tượng chuyên biệt cho địa điểm dự án (vĩ độ 11°88’ Bắc, kinh độ 107°73’ Đông). Việc phân tích chi tiết các biểu đồ bức xạ và nhiệt độ theo tháng giúp tối ưu hóa góc nghiêng của tấm pin và dự báo chính xác hơn sản lượng điện của nhà máy trong cả năm.

3.2. Hiện trạng lưới điện và phương án đấu nối lưới điện tối ưu

Khả năng đấu nối lưới điện là yếu tố sống còn của một dự án điện mặt trời quy mô lớn. Tác giả đã phân tích kỹ lưỡng hiện trạng lưới điện tại thủy điện Đồng Nai 4. Mặc dù có lưới 22kV tại chỗ, nhưng nó chỉ phù hợp với các phụ tải nhỏ. Để truyền tải công suất lớn (dự kiến 40MW), phương án tối ưu được lựa chọn là đấu nối vào đường dây 230kV mạch kép Đồng Nai 3 – Đăk Nông. Đường dây này sử dụng dây ACRS400 và ACRS500, có khả năng chịu tải tốt và chỉ cách vị trí dự án khoảng 3 km. Luận văn đã sử dụng phần mềm PowerWorld để phân tích trào lưu công suất, chứng minh rằng việc đấu nối thêm nhà máy điện mặt trời không gây quá tải cho đường dây hiện hữu, kể cả trong các kịch bản sự cố. Điều này đảm bảo tính an toàn và ổn định cho hệ thống điện quốc gia.

IV. Cách tính toán hệ thống điện mặt trời nổi bằng PVSyst

Sau khi có đầy đủ dữ liệu khảo sát, bước tiếp theo trong khóa luận điện mặt trời nổi là tiến hành thiết kế và tính toán chi tiết hệ thống. Phần mềm PVsyst là công cụ chủ lực được tác giả Phan Minh Tú sử dụng để thực hiện nhiệm vụ này. Đây là một phần mềm chuyên dụng, cho phép mô phỏng hệ thống PV một cách toàn diện, từ việc lựa chọn thiết bị, bố trí giàn pin, đến dự báo sản lượng và phân tích tổn thất. Quy trình thiết kế trên PVsyst bắt đầu bằng việc nhập dữ liệu khí tượng của địa điểm dự án. Tiếp theo, tác giả tiến hành lựa chọn các thiết bị chính bao gồm tấm pin quang điện và bộ biến tần inverter. Các thông số kỹ thuật của thiết bị được nhập vào phần mềm để xây dựng mô hình hệ thống. Một trong những phần quan trọng nhất là tối ưu hóa cấu hình hệ thống, bao gồm việc xác định góc nghiêng và khoảng cách giữa các hàng pin để giảm thiểu tổn thất do che bóng. Luận văn đã phân tích và chọn góc nghiêng tối ưu là 12 độ. Cuối cùng, phần mềm sẽ chạy mô phỏng hoạt động của nhà máy trong cả năm, đưa ra các báo cáo chi tiết về sản lượng điện, tỷ số hiệu suất (PR), và biểu đồ tổn thất, cung cấp một đánh giá khách quan về hiệu quả kỹ thuật của dự án.

4.1. Hướng dẫn chọn công nghệ pin mặt trời và bộ biến tần

Việc lựa chọn thiết bị ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và chi phí của dự án. Luận văn đề xuất sử dụng tấm pin loại đa tinh thể (Poly-crystalline) công suất 330Wp. Đây là loại pin có công nghệ pin mặt trời phổ biến, cân bằng tốt giữa hiệu suất và giá thành. Đối với bộ biến tần inverter, tác giả đã xem xét và lựa chọn loại inverter trung tâm (central inverter) có điện áp đầu vào DC là 1500V. Việc sử dụng điện áp DC cao hơn (so với 1000V truyền thống) giúp giảm tổn thất trên dây dẫn DC và giảm số lượng inverter cần thiết, từ đó tối ưu hóa chi phí. Các thông số như điện áp hở mạch (Voc) và dòng ngắn mạch (Isc) của tấm pin được sử dụng để tính toán hệ thống điện mặt trời, cụ thể là xác định số lượng tấm pin mắc nối tiếp trong một chuỗi (string) và số chuỗi song song cho mỗi inverter.

4.2. Kỹ thuật mô phỏng hệ thống PV và phân tích biểu đồ tổn thất

Điểm mạnh của phần mềm PVsyst là khả năng phân tích chi tiết các loại tổn thất trong hệ thống. Sau khi mô phỏng, phần mềm tạo ra một biểu đồ tổn thất dạng thác nước (sankey diagram), cho thấy năng lượng bị hao hụt ở từng giai đoạn. Các tổn thất chính bao gồm: tổn thất do nhiệt độ (làm giảm hiệu suất tấm pin quang điện), tổn thất do che bóng giữa các hàng pin, tổn thất trên dây dẫn DC và AC, tổn thất trong bộ biến tần inverter, và tổn thất do bụi bẩn. Trong luận văn này, tác giả đã tính toán và nhập các giá trị tổn thất dự kiến vào phần mềm, ví dụ tổn thất do che bóng nội bộ được giữ ở mức 1%. Việc phân tích biểu đồ này giúp các kỹ sư nhận diện các yếu tố gây hao hụt lớn nhất và đưa ra các giải pháp cải tiến thiết kế để tối đa hóa sản lượng điện phát ra lưới.

V. Kết quả thiết kế dự án điện mặt trời nổi hồ Đồng Nai 4

Dựa trên các phân tích và mô phỏng chi tiết, đồ án tốt nghiệp điện mặt trời đã đưa ra một bản thiết kế hoàn chỉnh cho nhà máy điện mặt trời nổi trên hồ Đồng Nai 4. Kết quả nghiên cứu không chỉ dừng lại ở các con số lý thuyết mà còn cung cấp các bản vẽ bố trí tổng thể, sơ đồ đấu nối chi tiết, và các thông số kỹ thuật cụ thể cho từng hạng mục. Dự án được đề xuất có tổng công suất lắp đặt pin là 48.18 MWp, và công suất phát lên lưới điện quốc gia là 40 MW. Đây là một quy mô đáng kể, thể hiện tiềm năng khai thác rất lớn của các hồ thủy điện tại Việt Nam. Toàn bộ hệ thống được bố trí trên hai khu vực mặt nước chính và một khu vực trên cạn gần đó. Các tấm pin mặt trời nổi được lắp đặt trên một kết cấu giàn nổi hiện đại, kết hợp với hệ thống neo vững chắc. Luận văn cũng trình bày chi tiết sơ đồ đấu nối từ các chuỗi pin về inverter, từ inverter đến máy biến áp nâng áp 0.4/22kV, và cuối cùng là trạm biến áp 22/230kV để hòa vào lưới điện quốc gia. Những kết quả này chứng minh tính khả thi về mặt kỹ thuật của dự án, là cơ sở vững chắc để tiến hành các bước đánh giá kinh tế và triển khai trong thực tế.

5.1. Cấu hình chi tiết nhà máy 40MW và bố trí thiết bị

Nhà máy điện mặt trời nổi Đồng Nai 4 được thiết kế với tổng công suất pin là 48,18 MWp, để đạt công suất phát cực đại 40 MW lên lưới. Cấu hình hệ thống bao gồm khoảng 146,000 tấm pin công suất 330Wp. Các tấm pin được mắc nối tiếp thành các chuỗi, mỗi chuỗi gồm 30 tấm. Các chuỗi này sau đó được đấu nối song song về các hộp gom dây (combiner box) và đưa đến các bộ biến tần inverter trung tâm. Sơ đồ bố trí thiết bị được phân chia khoa học: các giàn pin mặt trời nổi được đặt trên mặt hồ, trong khi các trạm inverter và máy biến áp 0.4/22kV được đặt trên một hòn đảo nhỏ hoặc trên các khu đất trống ven bờ để thuận tiện cho việc vận hành và bảo trì (O&M). Toàn bộ công suất được tập trung về trạm nâng áp 22/230kV trước khi đấu nối lưới điện.

5.2. Sản lượng điện dự kiến và hiệu suất tấm pin quang điện

Kết quả mô phỏng từ phần mềm PVsyst là một trong những kết quả quan trọng nhất của luận văn. Báo cáo mô phỏng cho thấy tổng sản lượng điện năng mà nhà máy có thể tạo ra hàng năm là rất lớn. Tỷ số hiệu suất của hệ thống (Performance Ratio - PR), một chỉ số đo lường hiệu quả hoạt động thực tế so với lý thuyết, được dự báo ở mức cao. Điều này có được nhờ vào việc tối ưu hóa thiết kế và hiệu ứng làm mát của nước hồ giúp tăng hiệu suất tấm pin quang điện. Luận văn cũng cung cấp biểu đồ sản lượng điện dự kiến theo từng tháng trong năm, cho thấy sự phụ thuộc vào cường độ bức xạ theo mùa. Những con số này là cơ sở để tính toán doanh thu và phân tích hiệu quả kinh tế dự án FPV, giúp nhà đầu tư đưa ra quyết định chính xác.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN MẶT TRỜI 1.1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 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 150 triệu km. Theo các số liệu hiện có, nhiệt độ bề mặt của mặt trời vào khoảng 6.000K, trong khi đó nhiệt độ ở vùng trung tâm của mặt trời rất lớn, vào khoảng 8. 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 100g/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 từ mặt trời đến Trái đất không hoàn toàn ổn định mà dao động trong khoảng ±1,7% 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 1353W/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 W/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 từ lúc mặt trời mọc cho đến lúc mặt trời lặn.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 5 tạo ra các hạt nhân Heli (He) liên tục xảy ra trên mặt trời. Công suất bức xạ của mặt trời là 3,865.1026W, tương đương với năng lượng đốt cháy hết 1,32.1016 tấn than đá tiêu chuẩn.

Nhưng phần NLMT đến bề mặt trái đất chỉ là 17,57.1016J/s hay tương ứng với năng lượng đốt cháy hết 6. Ngoài khí quyển trái đất (hay còn gọi là ngoài vũ trụ) mật độ NLMT là 1. 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 30% 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. 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 từ có phổ bước sóng trải từ 10-10 m đến 1014 m, trong đó mắt người có thể nhận biết được giải sóng có bước sóng từ 0,4 đến 0,7 m và được gọi là áng sáng nhìn thấy (vùng khả kiến).

Vùng bức xạ điện từ có bước sóng nhỏ hơn 0,4 m được gọi là vùng sóng tử ngoại. Còn vùng có bước sóng lớn hơn 0,7 m được gọi là vùng hồng ngoại. Do bản chất của sóng điện từ 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 từ 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 từ 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 từ 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. Tỷ 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 Hè, từ tháng 5 đến tháng 8, thì thành phần trực xạ chiếm ưu thế (trên 50%), còn trong mùa Đông, từ tháng 12 đến tháng 2 năm sau thành phần tán xạ lại chiếm ưu thế. Thành phần phản xạ từ 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 6 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.3 Quá trình phát triển và triển khai ứng dụng năng lượng mặt trời NLMT trung bình trên bề mặt quả đất nằm trong khoảng 150 đến 300W/m2 hay từ 3,5 đến 7,0kWh/m2 ngày. NLMT từ 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 từ 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 “dõi 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 1958, 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 1960, 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 1980.

Nhà máy có công suất lớn nhất là 354MW xây dựng tại Sa mạc Mojave ở California (Mỹ). Các nhà máy lớn khác như nhà máy Solnova (150MW) và Andasol (100MW), cả hai đều ở Tây Ban Nha [4]. Những phát triển giai đoạn đầu của công nghệ năng lượng mặt trời (CN NLMT) bắt đầu trong những năm thập niên 1980 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 kỷ 20 do phải đối mặt với các vấn đề về giá, tính kinh tế và tính tiện dụng của than và dầu.

Năm 1974 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 1973 và sự khủng hoảng năng 7 lượng năm 1979 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 (SERI, nay là NREL), Nhật (NEDO), và Đức (Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE).

Giữa các năm 1970 và 1983 các lắp đặt PV tăng rất nhanh, nhưng đầu những năm 1980 do giá dầu giảm nên làm giảm nhịp độ phát triển của PV từ 1984 đến 1996. Từ 1997, 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 40%/năm từ năm 2000 và công suất lắp đặt đã đạt đến 10,6GW vào cuối năm 2007 và 14,73GW vào năm 2008.