Luận văn thạc sĩ về hệ thống điện mặt trời ứng dụng trên mặt hồ

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu kỹ thuật điện hệ thống điện mặt trời trên mặt hồ, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện trong lĩnh vực kỹ thuật.

• Tác giả: Vũ Văn Bao
• Người hướng dẫn: TS. Trần Hoàng Lĩnh
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa - ĐHQG HCM
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Hệ Thống Điện Mặt Trời Trên Mặt Hồ (Nổi) - Floating Solar Photovoltaic
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu tổng quan về hệ thống điện mặt trời trên mặt hồ

Nghiên cứu về hệ thống điện mặt trời trên mặt hồ (nổi) đang trở thành một chủ đề quan trọng trong bối cảnh tìm kiếm các nguồn năng lượng tái tạo. Hệ thống này không chỉ giúp tối ưu hóa việc sử dụng đất mà còn khai thác hiệu quả nguồn năng lượng mặt trời. Việc lắp đặt điện mặt trời trên mặt hồ giúp giảm thiểu sự bốc hơi nước, góp phần bảo vệ môi trường và nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống. Theo nghiên cứu, năng lượng mặt trời có thể cung cấp một giải pháp khả thi cho các quốc gia có mật độ dân số cao và diện tích đất hạn chế. Các dự án như hệ thống năng lượng mặt trời nổi Đa Mi tại Việt Nam đã chứng minh được tính khả thi và hiệu quả của mô hình này.

1.1. Tầm quan trọng của hệ thống điện mặt trời nổi

Hệ thống điện mặt trời nổi mang lại nhiều lợi ích, bao gồm tiết kiệm đất nông nghiệp và giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Việc lắp đặt các tấm pin trên mặt hồ không chỉ tối ưu hóa không gian mà còn giúp giảm nhiệt độ của tấm pin, từ đó tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng. Mô hình này đặc biệt phù hợp với các hồ chứa nước có mực nước ổn định, giúp đảm bảo sản lượng điện ổn định trong thời gian dài. Chính vì vậy, nhiều quốc gia đang hướng tới phát triển các hệ thống năng lượng mặt trời nổi như một phần trong chiến lược phát triển bền vững của họ.

II. Phân tích ưu nhược điểm của hệ thống điện mặt trời nổi

Trong nghiên cứu về hệ thống điện mặt trời nổi, các ưu điểm và nhược điểm của mô hình này được phân tích kỹ lưỡng. Một trong những ưu điểm nổi bật là khả năng tiết kiệm đất, đặc biệt trong bối cảnh khan hiếm đất đai. Việc lắp đặt trên mặt hồ cũng giúp giảm thiểu sự bốc hơi nước, điều này rất quan trọng trong việc bảo tồn nguồn nước. Hơn nữa, nhiệt độ của các tấm pin mặt trời thường thấp hơn so với lắp đặt trên đất, từ đó nâng cao hiệu suất năng lượng. Tuy nhiên, chi phí lắp đặt ban đầu cho hệ thống hệ thống năng lượng mặt trời nổi có thể cao hơn so với các hệ thống trên đất liền, điều này cần được cân nhắc kỹ lưỡng.

2.1. Chi phí lắp đặt và bảo trì

Chi phí lắp đặt hệ thống điện mặt trời trên mặt hồ thường cao hơn so với trên đất liền do yêu cầu về thiết kế và vật liệu đặc biệt. Tuy nhiên, trong dài hạn, chi phí này có thể được bù đắp bởi việc tiết kiệm đất và giảm thiểu chi phí bảo trì. Việc bảo trì hệ thống cũng trở nên dễ dàng hơn khi các tấm pin được lắp đặt trên mặt nước, giúp giảm thiểu tác động của bụi bẩn và các yếu tố môi trường khác. Điều này giúp nâng cao tuổi thọ và hiệu suất của hệ thống, từ đó tăng cường tính khả thi về mặt kinh tế.

III. Đánh giá hiệu quả của hệ thống điện mặt trời nổi

Đánh giá hiệu quả của hệ thống điện mặt trời nổi cần dựa trên nhiều yếu tố, bao gồm sản lượng điện, chi phí đầu tư và tác động đến môi trường. Theo các nghiên cứu, hệ thống này không chỉ tạo ra năng lượng sạch mà còn góp phần bảo vệ nguồn nước và giảm thiểu ô nhiễm. Việc lắp đặt tấm pin mặt trời trên mặt hồ giúp tăng cường sản lượng điện do hiệu ứng làm mát từ nước. Ngoài ra, các số liệu cho thấy hiệu suất của hệ thống điện mặt trời nổi có thể cao hơn từ 10-20% so với hệ thống trên mặt đất trong điều kiện tương tự.

3.1. Tác động đến môi trường

Hệ thống hệ thống năng lượng mặt trời nổi không chỉ mang lại lợi ích về năng lượng mà còn có tác động tích cực đến môi trường. Việc giảm thiểu bốc hơi nước từ hồ chứa giúp bảo tồn nguồn nước, trong khi đó, việc lắp đặt tấm pin cũng giúp giảm nhiệt độ xung quanh, hạn chế sự phát triển của tảo và các sinh vật gây hại khác. Điều này không chỉ bảo vệ hệ sinh thái mà còn nâng cao chất lượng nước trong hồ. Chính vì vậy, việc phát triển hệ thống điện mặt trời trên mặt hồ cần được xem xét như một phần trong chiến lược bảo vệ môi trường.

IV. Kết luận và kiến nghị

Từ những phân tích trên, có thể thấy rằng hệ thống điện mặt trời nổi là một giải pháp khả thi và bền vững cho việc phát triển năng lượng tái tạo. Các chính sách khuyến khích từ chính phủ cần được triển khai để thúc đẩy việc đầu tư vào các dự án này. Việc phát triển năng lượng mặt trời trên mặt hồ không chỉ giúp tăng cường nguồn cung điện mà còn bảo vệ môi trường và tiết kiệm đất đai. Đề xuất cho chính phủ là nên có những chính sách ưu đãi cho các dự án năng lượng tái tạo này, nhằm thu hút đầu tư và phát triển bền vững trong tương lai.

4.1. Chính sách khuyến khích phát triển

Chính phủ cần xem xét việc áp dụng các chính sách ưu đãi về thuế và giá mua điện cho các dự án hệ thống điện mặt trời nổi. Điều này sẽ khuyến khích các nhà đầu tư tham gia vào lĩnh vực năng lượng tái tạo, đồng thời tạo ra một môi trường thuận lợi cho việc phát triển bền vững. Hơn nữa, việc nghiên cứu và phát triển công nghệ mới trong lĩnh vực năng lượng mặt trời cũng cần được đẩy mạnh, nhằm nâng cao hiệu suất và giảm chi phí đầu tư cho các dự án trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về vấn đề trong luận văn, mục tiêu, tầm quan trọng và phạm vi nghiên cứu của đề tài Chương 2: Giới thiệu Hệ thống điện mặt trời nổi Chương 3: Hệ thống điện mặt trời nổi Đa Mi Chương 4: Phân tích các ưu nhược điểm của hệ thống điện mặt trời nổi Đa Mi Chương 5: Kết luận và hướng phát triển của đề tài 6 CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỔI 2.1 Tiềm năng phát triển dự án điện mặt trời Căn cứ theo Bản đồ tiềm năng năng lương mặt trời do Bộ Công Thương ban hành tháng 1/2015, theo dạng công nghệ điện mặt trời, tiềm năng năng lương mặt trời dạng pin quang điện (hình phải) và dạng tập trung (hình trái) như hình dưới. Nguồn: Bản đồ tiềm năng và nguồn năng lượng mặt trời ở Việt Nam, Bộ Công Thương 1/2015 Hình 2.1: Bản đồ tiềm năng năng lượng mặt trời của Bộ Công Thương Theo bản đồ này, tiềm năng năng lượng mặt trời tập trung chủ yếu ở khu vực phía Nam và Tây Bắc của Việt Nam. Trong điều kiện khí hậu nhiệt đới như Việt Nam, nguồn năng lượng mặt trời sử dụng hầu như quanh năm. Tiềm năng điện mặt trời tốt nhất ở các vùng Thừa Thiên Huế trở vào Nam.

7 Ở Miền Nam, từ Đà Nẵng trở vào, năng lượng mặt trời rất tốt và phân bố tương đối điều hòa trong suốt cả năm, có thể nói hơn 90% số ngày trong năm đều có thể sử dụng năng lượng mặt trời để sản xuất điện, cụ thể: - Số giờ nắng trung bình cả năm trong khoảng 2. - Tổng sản lượng bức xạ nhiệt mặt trời trung bình khoảng > 5 kWh/m2/ngày ở hầu hết các tỉnh. Đây là khu vực ứng dụng năng lượng mặt trời rất hiệu quả. Tiềm năng cho việc sử dụng năng lượng mặt trời rất lớn ở miền Trung và miền Nam nước ta, với cường độ bức xạ nhiệt ổn định quanh năm nên người dân nông thôn có thể tận dụng nguồn năng lượng này phục vụ cho sinh hoạt và sản xuất nông nghiệp.2: Đồ thị bức xạ mặt trời & số giờ nắng trung bình ngày của đại diện 3 vùng của Việt Nam 2.2 Tổng quan về hệ thống điện mặt trời nối lưới trực tiếp Hệ thống điện mặt trời nối lưới trực tiếp gồm các thành phần được mô tả như trong hình 2.3 dưới đây, bao gồm: - Tấm pin quang điện (PV module): là thành phần chuyển đổi bức xạ mặt trời trực tiếp thành điện năng DC thông qua hiệu ứng quang điện với một quy trình chuyển đổi hoàn toàn sạch và không yêu cầu các thành phần chuyển động như các máy điện quay thông thường.

Mỗi tấm pin quang điện gồm nhiều tế bào quang điện (PV cell) kết nối với nhau, các tấm 8 quang điện được mắc nối tiếp thành chuỗi (string) và song song thành mảng (array) để đạt được công suất điện đầu ra DC yêu cầu. - Bộ nghịch lưu (Inverter): là thiết bị điện tử công suất có chức năng chuyển đổi dòng điện 1 chiều DC thành dòng điện xoay chiều AC phù hợp để kết nối với lưới điện. - Hệ thống giá đỡ (Mounting system): hệ thống cho phép các tấm pin quang điện được gắn cố định đảm bảo trên mặt đất. Hệ thống có thể thiết kế với góc nghiêng cố định hoặc bám theo mặt trời (sun-tracking system).

- Máy biến áp nâng áp: nhằm mục đích nâng điện áp đầu ra từ inverter lên cấp điện áp cao hơn phù hợp để đấu nối với hệ thống điện. Tùy thuộc vào quy mô công suất, điều kiện lưới điện khu vực mà cấp điện áp có thể thay đổi phù hợp (ví dụ 22kV, 35kV, 110kV, 220kV…). Với các cấp điện áp cao thế sẽ phải cần thông qua 2 cấp máy biến áp.3: Sơ đồ tổng quan về hệ thống điện mặt trời quang điện nối luới 9 Tâm điểm của hệ thống sản xuất năng lượng mặt trời là các tế bào năng lượng mặt trời nó bao gồm ba yếu tố chính, cụ thể là: - Các vật liệu bán dẫn mà hấp thụ ánh sáng và chuyển đổi nó thành các cặp electron và lỗ trống. - Các mối nối liên kết trong các chất bán dẫn khi mất điện tử sẽ tạo ra dòng điện nhờ sự dịch chuyển electron và lỗ trống.

- Các kết nối ở mặt trước và mặt sau của các tế bào cho phép dòng điện đi ra mạch ngoài.3 Giới thiệu các đặc điểm của hệ thống điện mặt trời nổi Các hệ thống năng lượng mặt trời nổi giúp cho các quốc gia tiết kiệm không gian mặt đất để thu năng lượng mặt trời. Chúng cũng cho phép các khu vực không được sử dụng, chẳng hạn như các hồ chứa nước tự nhiên, hồ chứa nước tưới tiêu, hồ thủy điện trở thành các nhà máy phát điện có giá trị cao Hệ thống nổi cũng có thể hoạt động tốt hơn so với các hệ thống được xây dựng trên đất liền. Các hệ thống năng lượng mặt trời được lắp đặt trên mặt nước sẽ mát hơn do nước bay hơi, khiến cho chúng hoạt động hiệu quả hơn. Theo một nghiên cứu của Tổng công ty Tài nguyên nước của Hàn Quốc, một hệ thống nổi có thể hiệu quả hơn 11% so với các hệ thống trên cạn Các nhà máy năng lượng mặt trời nổi đã trở thành hiện thực ở nhiều quốc gia trên thế giới bao gồm Nhật Bản, Trung Quốc, Pháp, Indonesia và Singapore.

Và có một nhu cầu tiềm năng ở nhiều nơi khác, đặc biệt là các đảo và khu vực có nhiều nước. Hệ thống năng lượng mặt trời phát triển và những tiến bộ công nghệ có thể làm cho chúng trở nên phổ biến hơn trong tương lai. Hồ chứa đang bốc hơi một lượng lớn nước vào khí quyển. Chu trình thủy văn của trái đất bị thay đổi đáng kể bởi sự bốc hơi tăng lên, do các hồ chứa nhân tạo và các hệ thống tưới tiêu.

UNEP ước tính rằng sự bốc hơi từ các hồ chứa vượt quá tiêu thụ nước sinh hoạt và công nghiệp. 10 Trên toàn thế giới, số lượng hồ chứa vẫn đang tăng lên. Hồ chứa được xây dựng cho nhiều mục đích: (1) để làm giảm lưu lượng lớn trên sông, (2) để tạo ra điện từ thủy điện, và (3) để tiết kiệm nước cho nông nghiệp, công nghiệp và hộ gia đình. Các con sông hùng mạnh, như sông Nile và sông Dương Tử, đã bị các con đập lớn ngăn chặn.

Nhà máy điện mặt trời nổi mới được nghiên cứu và phát triển trong mấy năm gần đây, từ đó hồ chứa nước có thêm một chức năng mới đã được phát hiện bởi ngành công nghiệp năng lượng mặt trời. Mặt nước có thể xây dựng các hệ thống điện mặt trời nổi, tạo điều kiện thuận lợi việc xây dựng các nhà máy điện trong khu vực thành phố. Tại Anh, một hệ thống điện mặt trời nổi 6,3 MW được xây dựng trên hồ chứa Queen Elisabeth II gần London. Nhà máy cung cấp 6.800 hộ gia đình có năng lượng bền vững.

Tại Nhật Bản, một hệ thống điện mặt trời nổi 13,7 MW được xây dựng trên một hồ chứa ở tỉnh Chiba. Nhà máy sẽ cung cấp cho 5.000 hộ gia đình có năng lượng bền vững, khi hoàn thành vào năm 2018. Ấn Độ cũng đang lên kế hoạch xây dựng một hệ thống điện mặt trời nổi 50 MW gần Kerala, sau khi xây dựng một số hệ thống điện nổi trên kênh rạch. Theo tờ báo cáo được nghiên cứu bởi Viện nghiên cứu năng lượng mặt trời Singapore (SERIS) tại Đại học Quốc gia Singapore (NUS) cho thấy xu hướng thị trường cho năng lượng mặt trời nổi đang được lắp đặt tăng lên và đạt 1,3 gigawatt - đỉnh (GWp) trong tổng công suất toàn cầu được lắp đặt vào cuối năm 2018 (hình 2.4), mở ra một hướng đi mới trong việc mở rộng năng lượng tái tạo toàn cầu.

Khi kết hợp với các lợi ích đã được chứng minh khác như năng suất cao hơn, giảm bốc hơi và trong một số trường hợp, chất lượng nước được cải thiện có thể là FPV là một lựa chọn hấp dẫn đối với nhiều quốc gia. Các quốc gia có mật độ dân số cao đang xem xét triển khai năng lượng mặt trời nổi quy mô lớn để tránh sử dụng tài nguyên đất khan hiếm của họ để sản xuất điện mặt trời 11 Hình 2.4 Sự phát triển điện mặt trời nổi trên thế giới Với việc lắp đặt một số hệ thống FPV lớn kể từ năm 2017, Trung Quốc đã trở thành đất nước dẫn đầu thị trường, với công suất lắp đặt hơn 950 megawatt-đỉnh (MWp) vào năm 2018, chiếm khoảng 73% tổng số thế giới (hình 2. Tính đến cuối năm 2018, phần còn lại của công suất lắp đặt được lắp đặt chủ yếu ở Nhật Bản, Hàn Quốc, Đài Loan, Trung Quốc và Vương quốc Anh; phần còn lại của thế giới chỉ chiếm 2 phần trăm. Tuy nhiên, các dự án FPV đã được phát triển tại hơn 30 quốc gia Với tiềm năng toàn cầu 400 GWp theo các giả định, FPV có thể trở thành một phân khúc thị trường quan trọng để triển khai hệ thống điện mặt trời nổi (FPV), mà không gặp phải những khó khăn trong việc thu hồi đất phục vụ cho việc lắp đặt trên mặt đất.

Tại một số nhà máy thủy điện lớn, chỉ chiếm 3% phần trăm diện tích hồ chứa có thể lắp đặt được công suất gấp đôi nhà máy thủy điện theo ước tính, Thêm nữa thủy điện giúp tăng sự ổn định điện và tiết kiệm nguồn nước tăng sản lượng điện mặt trời trong ngày, sự kết hợp năng lượng mặt trời và thủy điện có thể làm giảm tác động sự biến đổi của điện mặt trời tốt hơn cho việc truyền tải điện.5 Sự phân bố hệ thống điện mặt trời nổi trên thế giới Thiết kế chung của hệ thống FPV tương tự như hệ thống PV trên đất liền, ngoại trừ những tấm pin và các bộ biến tần được gắn trên phao nổi. Hệ thống phao nổi được lắp đặt cố định bởi một hệ thống neo, thiết kế phụ thuộc vào các yếu tố như tải trọng gió, loại phao, độ sâu của nước và sự thay đổi của mực nước (hình 2.6 Mô hình hệ thống điện mặt trời nổi nối lưới 13 Việc kết hợp giữa thủy điện và hệ thống điện mặt trời nổi sẽ tận dụng được cơ sở hạ tầng sẵn có như đường vận chuyển của tất cả các vật liệu cần thiết ảnh hưởng đến chi phí chung của các dự án FPV. Đối với một dự án quy mô tiện ích, lượng vật liệu cần vận chuyển từ kho đến công trường là đáng kể. Công trường thi công đã có sẵn cho phép xe tải vận chuyển hàng hóa đến công trường dễ dàng.

Nhờ có sẵn cơ sở hạ tầng giúp chi phí cơ sở hạ tầng thấp và vận chuyển an toàn các tấm pin mặt trời đến công trường.