Luận văn thạc sĩ về chế độ vận hành tối ưu cho hệ thống điện mặt trời quy mô nhỏ

Chuyên đề tối ưu chế độ vận hành cho hệ thống điện mặt trời quy mô nhỏ, tiếp cận liên ngành, kết quả nghiên cứu có giá trị ứng dụng cao trong chuyên

• Tác giả: Huỳnh Tán Phát
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Đức Đại
• Trường học: Trường Đại Học Thủy Lợi
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Nghiên Cứu Tối Ưu Chế Độ Vận Hành Cho Hệ Thống Điện Mặt Trời Quy Mô Nhỏ
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CÁM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP KHAI THÁC SỬ DỤNG
• 1.1. Nguồn năng lượng mặt trời
• 1.2. Năng lượng mặt trời trên thế giới và tiềm năng NLMT tại Việt Nam
• 1.3. Tiềm năng năng lượng mặt trời của Việt Nam
• 1.4. Quá trình phát triển và triển khai ứng dụng năng lượng mặt trời
• 1.5. Các phương pháp khai thác sử dụng năng lượng mặt trời
• 1.5.1. Cung cấp nước nóng bằng năng lượng mặt trời
• 1.5.2. Cung cấp điện bằng năng lượng mặt trời
• 1.5.3. Các phương pháp khai thác khác
• 1.6. Công nghệ chế tạo pin năng lượng mặt trời
• 1.6.1. Cấu tạo pin mặt trời
• 1.6.2. Pin Silic tinh thể (Crystalline silicon solar cell)
• 1.6.3. Pin màng mỏng
• 1.6.4. Nguyên lý hoạt động pin mặt trời
• 1.7. Hệ thống điện mặt trời độc lập
• 1.8. Hệ thống điện mặt trời hòa lưới
• 2. CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH TOÁN HỌC MÔ TẢ NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
• 2.1. Mô hình nguồn năng lượng mặt trời (PV generation model)
• 2.1.1. Mô hình dòng điện ngắn mạch
• 2.1.2. Mô hình điện áp hở mạch
• 2.1.3. Mô hình tính toán công suất đầu ra tấm pin mặt trời
• 2.1.4. Khảo sát sự phụ thuộc công suất đầu ra vào nhiệt độ và độ bức xạ
• 2.2. Mô hình nguồn dự trữ (Storage Battery)
• 2.2.1. Trạng thái sạc của Acqui
• 2.2.2. Quá trình xả điện của Acqui
• 2.2.3. Dung lượng của Acqui
• 2.3. Mô hình nguồn lưới điện (Grid model)
• 2.3.1. Mô hình tải (Loads)
• 2.3.2. Hệ thống kết nối NLMT, Acqui, lưới điện
• 2.3.2.1. Hoạt động của hệ thống
• 2.3.2.2. Các điều kiện đảm bảo hoạt động của hệ thống
• 2.4. Giám sát dùng năng lượng
• 3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG BÀI TOÁN VẬN HÀNH TỐI ƯU NGUỒN ĐIỆN MẶT TRỜI - NGUỒN LƯU TRỮ HÒA VỚI LƯỚI ĐIỆN
• 3.1. Các ràng buộc cơ bản trong mạng lưới điện
• 3.2. Các ràng buộc về chế độ vận hành cho mạng điện
• 3.3. Xây dựng hàm mục tiêu chi phí mua bán điện
• 3.4. Áp dụng tối ưu hoạt động cho hệ thống NLMT nổi lưới cho mạng phụ tải nhỏ
• 3.4.1. Các thông số của hệ thống NLMT nổi lưới
• 3.4.2. Xây dựng mô hình và tính toán mô phỏng trên phần mềm GAMS
• 3.4.3. Kết quả tính toán
• PHỤ LỤC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về hệ thống điện mặt trời quy mô nhỏ

Hệ thống điện mặt trời quy mô nhỏ đang trở thành một giải pháp tiềm năng cho việc cung cấp điện năng sạch và bền vững. Năng lượng tái tạo từ mặt trời có khả năng đáp ứng nhu cầu điện năng ngày càng tăng, đặc biệt tại các khu vực nông thôn và vùng sâu vùng xa. Việc tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống điện mặt trời không chỉ giúp giảm chi phí đầu tư ban đầu mà còn nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng. Hệ thống điện mặt trời quy mô nhỏ thường được thiết kế để hoạt động độc lập hoặc kết hợp với lưới điện, tạo ra sự linh hoạt trong việc cung cấp điện cho các phụ tải nhỏ. Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển các phương pháp chế độ vận hành tối ưu cho các hệ thống này nhằm đảm bảo hiệu suất tối đa và giảm thiểu chi phí vận hành.

1.1 Tiềm năng năng lượng mặt trời tại Việt Nam

Việt Nam sở hữu tiềm năng lớn về năng lượng mặt trời, với bức xạ mặt trời trung bình từ 4-6 kWh/m²/ngày. Đặc biệt, khu vực miền Trung và miền Nam có điều kiện lý tưởng cho việc phát triển các hệ thống điện mặt trời. Việc khai thác năng lượng tái tạo này không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn góp phần vào sự phát triển kinh tế bền vững. Các chính sách khuyến khích từ Chính phủ, như giá mua điện mặt trời ưu đãi, đã tạo điều kiện thuận lợi cho việc đầu tư vào các dự án điện mặt trời quy mô nhỏ. Tuy nhiên, việc phát triển các hệ thống này vẫn gặp nhiều thách thức, đặc biệt là trong việc tối ưu hóa hiệu suất năng lượng và giảm thiểu chi phí đầu tư ban đầu.

II. Các phương pháp khai thác năng lượng mặt trời

Có nhiều phương pháp để khai thác năng lượng mặt trời, trong đó phổ biến nhất là hệ thống điện mặt trời quang điện (PV) và hệ thống nhiệt điện mặt trời (CSP). Hệ thống PV chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng thông qua các tấm pin mặt trời. Việc sử dụng công nghệ tiên tiến trong chế tạo pin mặt trời giúp nâng cao hiệu suất năng lượng và giảm chi phí sản xuất. Hệ thống CSP sử dụng gương hoặc thấu kính để tập trung ánh sáng mặt trời vào một điểm, tạo ra nhiệt và từ đó sản xuất điện năng. Cả hai hệ thống đều cần được tối ưu hóa để đảm bảo hoạt động hiệu quả nhất, đặc biệt trong điều kiện khí hậu tại Việt Nam, nơi có nhiều ngày nắng. Việc nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới trong lĩnh vực công nghệ điện mặt trời sẽ giúp cải thiện đáng kể khả năng khai thác năng lượng mặt trời.

2.1 Công nghệ chế tạo pin mặt trời

Công nghệ chế tạo pin mặt trời đã có những bước tiến vượt bậc trong những năm gần đây. Các loại pin silic tinh thể và pin mỏng đang được ứng dụng rộng rãi. Pin silic tinh thể có hiệu suất chuyển đổi cao nhưng chi phí sản xuất vẫn còn khá lớn. Ngược lại, pin mỏng có chi phí sản xuất thấp hơn nhưng hiệu suất lại không cao bằng. Việc nghiên cứu và phát triển các loại pin mới với hiệu suất năng lượng cao và chi phí thấp là một trong những thách thức lớn trong ngành công nghiệp điện mặt trời. Đặc biệt, việc tối ưu hóa quy trình sản xuất và cải thiện chất lượng pin sẽ góp phần nâng cao tính cạnh tranh của các sản phẩm điện mặt trời trên thị trường.

III. Tối ưu hóa chế độ vận hành cho hệ thống điện mặt trời

Tối ưu hóa chế độ vận hành cho hệ thống điện mặt trời quy mô nhỏ là một nhiệm vụ quan trọng nhằm đảm bảo tính hiệu quả và tiết kiệm chi phí. Việc xác định các thông số vận hành như công suất, thời gian hoạt động và mức tiêu thụ điện năng là rất cần thiết. Các mô hình toán học có thể được áp dụng để phân tích và tối ưu hóa hoạt động của hệ thống. Sử dụng phần mềm GAMS để mô phỏng và tính toán các kịch bản khác nhau sẽ giúp xác định chế độ vận hành tối ưu cho hệ thống điện mặt trời. Bên cạnh đó, việc áp dụng các công nghệ hệ thống năng lượng mặt trời thông minh cũng góp phần nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.

3.1 Phân tích chi phí đầu tư và vận hành

Chi phí đầu tư ban đầu cho hệ thống điện mặt trời thường cao, nhưng nếu được tối ưu hóa chế độ vận hành, có thể giảm thiểu chi phí này trong dài hạn. Việc phân tích chi phí liên quan đến lắp đặt, bảo trì và vận hành hệ thống là rất cần thiết. Các yếu tố như giá thành của các thiết bị, chi phí bảo trì và chi phí điện lưới cần được xem xét kỹ lưỡng. Đặc biệt, việc lựa chọn các thiết bị có chất lượng cao và tính năng phù hợp sẽ giúp giảm thiểu chi phí trong quá trình vận hành. Bên cạnh đó, các chính sách hỗ trợ từ Chính phủ cũng góp phần làm giảm gánh nặng tài chính cho các nhà đầu tư và khuyến khích phát triển hệ thống điện mặt trời quy mô nhỏ.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Năng lượng mặt trời (NLMT) là nguồn năng lượng tái tạo quan trọng, có tiềm năng lớn và ngày càng được quan tâm trên toàn cầu. Theo báo cáo ngành, tổng công suất phát điện từ NLMT toàn cầu đã đạt khoảng 139 GW vào năm 2013, với tốc độ tăng trưởng trung bình lên đến 55%/năm trong giai đoạn 2008-2013. Tại Việt Nam, NLMT có mật độ bức xạ trung bình khoảng 4,5 kWh/m²/ngày và số giờ nắng trung bình khoảng 2000 giờ/năm, đặc biệt cao tại các tỉnh miền Nam như Ninh Thuận với hơn 2800 giờ nắng/năm, tạo điều kiện thuận lợi cho phát triển các hệ thống điện mặt trời quy mô nhỏ.

Luận văn tập trung nghiên cứu chế độ vận hành tối ưu cho hệ thống điện mặt trời quy mô nhỏ, kết hợp nguồn năng lượng mặt trời, nguồn lưu trữ (ắc quy) và lưới điện nhằm giảm chi phí vận hành, tăng hiệu quả sử dụng năng lượng và hỗ trợ phát triển bền vững trong lĩnh vực kỹ thuật điện. Phạm vi nghiên cứu tập trung tại Việt Nam, đặc biệt là khu vực Ninh Thuận – vùng có tiềm năng NLMT cao nhất cả nước, trong giai đoạn từ năm 2014 đến 2017. Mục tiêu chính là xây dựng mô hình toán học mô tả nguồn NLMT, nguồn lưu trữ và lưới điện, từ đó áp dụng thuật toán tối ưu để vận hành hệ thống với chi phí thấp nhất.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong bối cảnh Việt Nam đang đẩy mạnh phát triển năng lượng tái tạo, giảm áp lực lên lưới điện quốc gia, đồng thời góp phần bảo vệ môi trường và phát triển kinh tế nông nghiệp công nghệ cao. Việc tối ưu vận hành hệ thống điện mặt trời quy mô nhỏ sẽ giúp nâng cao hiệu quả đầu tư, thúc đẩy ứng dụng rộng rãi NLMT tại các vùng nông thôn, miền núi và hải đảo.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Hiệu ứng quang điện (Photovoltaic Effect): Giải thích cơ chế chuyển đổi năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng qua pin mặt trời, với các thông số quan trọng như điện áp hở mạch (Voc), dòng ngắn mạch (Isc) và công suất cực đại (MPP).
• Mô hình toán học nguồn năng lượng mặt trời (PV generation model): Mô tả đặc tính dòng điện – điện áp của pin mặt trời, phụ thuộc vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ tế bào quang điện. Công thức tính công suất đầu ra dựa trên các điều kiện chuẩn và thực tế.
• Mô hình nguồn lưu trữ (ắc quy): Mô tả trạng thái sạc, quá trình phóng nạp và dung lượng của ắc quy, đảm bảo cung cấp điện liên tục khi nguồn NLMT không đủ.
• Mô hình lưới điện (Grid model) và tải (Load model): Mô hình hóa hệ thống điện nối lưới, bao gồm các ràng buộc vận hành, đồng bộ pha, biên độ điện áp và các điều kiện bảo vệ.
• Thuật toán tối ưu vận hành: Áp dụng các thuật toán tối ưu hóa chi phí vận hành hệ thống, bao gồm chi phí mua bán điện với lưới, chi phí vận hành ắc quy và chi phí bảo trì.

Các khái niệm chuyên ngành được sử dụng gồm: bức xạ mặt trời (BXMT), điểm công suất cực đại (MPP), trạng thái sạc (SOC) của ắc quy, điều kiện kiểm tra chuẩn (STC), nhiệt độ hoạt động danh định (NOCT), và hệ thống điện mặt trời hòa lưới (grid-tied PV system).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các số liệu khí tượng thủy văn về bức xạ mặt trời, nhiệt độ môi trường tại khu vực nghiên cứu Ninh Thuận, cùng với các thông số kỹ thuật của pin mặt trời và ắc quy do nhà sản xuất cung cấp. Dữ liệu phụ tải điện được khảo sát thực tế tại các hộ gia đình và cơ quan hành chính địa phương.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Xây dựng mô hình toán học mô tả nguồn NLMT, nguồn lưu trữ và lưới điện bằng phần mềm GAMS.
• Áp dụng thuật toán tối ưu hóa chi phí vận hành hệ thống, dựa trên các ràng buộc kỹ thuật và kinh tế.
• Mô phỏng vận hành hệ thống trong các điều kiện bức xạ và tải khác nhau trong ngày.
• So sánh kết quả vận hành với các phương án truyền thống để đánh giá hiệu quả.

Cỡ mẫu nghiên cứu gồm các mô hình hệ thống điện mặt trời quy mô nhỏ với công suất từ 10 kWp đến 50 kWp, phù hợp với các hộ gia đình và cơ quan nhỏ tại Ninh Thuận. Phương pháp chọn mẫu dựa trên khảo sát thực tế và lựa chọn các hệ thống tiêu biểu có dữ liệu đầy đủ. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 1/2016 đến tháng 12/2017, bao gồm giai đoạn thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu suất vận hành hệ thống điện mặt trời quy mô nhỏ: Qua mô phỏng, công suất đầu ra của pin mặt trời dao động từ 0 đến 516 W trong ngày, phụ thuộc vào bức xạ và nhiệt độ. Ví dụ, vào lúc 10:30 sáng, với bức xạ 450 W/m² và nhiệt độ 33°C, công suất đầu ra đạt khoảng 516 W, tương đương 85% công suất danh định. Hiệu suất giảm khi nhiệt độ tăng cao, do đó cần tính toán chính xác để tối ưu vận hành.

2. Tối ưu hóa chi phí vận hành: Mô hình tối ưu cho thấy chi phí mua điện từ lưới giảm khoảng 30% so với vận hành truyền thống nhờ sử dụng hiệu quả nguồn NLMT và ắc quy. Việc điều chỉnh chế độ nạp xả ắc quy theo giá điện biến động trong ngày giúp giảm chi phí vận hành tổng thể.

3. Tác động của trạng thái sạc ắc quy (SOC): SOC duy trì trong khoảng 40-80% giúp kéo dài tuổi thọ ắc quy và đảm bảo cung cấp điện ổn định. Mô hình vận hành tối ưu hạn chế việc xả sâu và nạp quá mức, giảm thiểu chi phí bảo trì và thay thế ắc quy.

4. Khả năng hòa lưới và bán điện: Hệ thống có thể hòa lưới và bán điện dư thừa với giá 2086 đồng/kWh theo chính sách hiện hành, tạo nguồn thu bổ sung cho người sử dụng. Mô phỏng cho thấy vào các giờ cao điểm, lượng điện bán ra chiếm khoảng 20-25% tổng sản lượng phát điện.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu quả vận hành cao là do mô hình toán học chính xác mô tả đặc tính nguồn NLMT và ắc quy, kết hợp thuật toán tối ưu chi phí vận hành linh hoạt theo biến động giá điện và điều kiện thời tiết. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu gần đây về tối ưu vận hành hệ thống điện mặt trời quy mô nhỏ tại các vùng có tiềm năng NLMT cao.

So sánh với các phương pháp vận hành truyền thống, mô hình tối ưu giúp giảm chi phí vận hành từ 20-35%, đồng thời tăng tuổi thọ thiết bị lưu trữ. Việc áp dụng mô hình này tại các vùng nông thôn và miền núi sẽ góp phần giảm áp lực lên lưới điện quốc gia, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện và thúc đẩy phát triển kinh tế địa phương.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ công suất đầu ra theo thời gian trong ngày, biểu đồ trạng thái sạc ắc quy và biểu đồ chi phí vận hành so sánh giữa các phương án. Bảng tổng hợp số liệu vận hành chi tiết giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của mô hình.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai áp dụng mô hình tối ưu vận hành tại các hệ thống điện mặt trời quy mô nhỏ: Các cơ quan quản lý và doanh nghiệp năng lượng nên áp dụng mô hình toán học và thuật toán tối ưu để giảm chi phí vận hành, nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng. Thời gian thực hiện trong vòng 1-2 năm.

2. Khuyến khích đầu tư phát triển hệ thống lưu trữ năng lượng (ắc quy) chất lượng cao: Đầu tư vào các loại ắc quy có tuổi thọ và hiệu suất cao nhằm đảm bảo cung cấp điện liên tục và giảm chi phí bảo trì. Chủ thể thực hiện là các nhà sản xuất và nhà đầu tư năng lượng.

3. Xây dựng chính sách giá điện linh hoạt hỗ trợ bán điện mặt trời hòa lưới: Cơ quan quản lý cần hoàn thiện cơ chế giá mua bán điện mặt trời, tạo động lực cho người dân và doanh nghiệp đầu tư phát triển NLMT. Thời gian thực hiện trong 1 năm.

4. Tăng cường đào tạo và nâng cao nhận thức về công nghệ NLMT và vận hành hệ thống: Các trường đại học, viện nghiên cứu và tổ chức đào tạo cần cung cấp kiến thức chuyên sâu về mô hình toán học và tối ưu vận hành hệ thống điện mặt trời. Thời gian triển khai liên tục.

5. Khuyến khích nghiên cứu phát triển công nghệ pin mặt trời và ắc quy mới: Đẩy mạnh nghiên cứu để nâng cao hiệu suất pin mặt trời lên 25-40% trong tương lai, giảm giá thành và tăng tuổi thọ thiết bị lưu trữ. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện, năng lượng tái tạo: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về mô hình toán học và tối ưu vận hành hệ thống điện mặt trời, hỗ trợ nghiên cứu và học tập.

2. Doanh nghiệp và nhà đầu tư trong lĩnh vực năng lượng mặt trời: Thông tin về mô hình vận hành tối ưu và phân tích chi phí giúp doanh nghiệp đưa ra quyết định đầu tư hiệu quả, giảm rủi ro tài chính.

3. Cơ quan quản lý nhà nước và chính sách năng lượng: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách giá điện, hỗ trợ phát triển năng lượng tái tạo bền vững.

4. Người dân và các hộ gia đình sử dụng hệ thống điện mặt trời quy mô nhỏ: Hiểu rõ cách vận hành tối ưu giúp tiết kiệm chi phí điện năng, nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị và bảo vệ môi trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần tối ưu vận hành hệ thống điện mặt trời quy mô nhỏ?
   Tối ưu vận hành giúp giảm chi phí mua điện từ lưới, tăng hiệu suất sử dụng nguồn NLMT và kéo dài tuổi thọ thiết bị lưu trữ, từ đó nâng cao hiệu quả kinh tế và kỹ thuật của hệ thống.

2. Mô hình toán học mô tả nguồn năng lượng mặt trời như thế nào?
   Mô hình dựa trên đặc tính dòng điện – điện áp của pin mặt trời, phụ thuộc vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ tế bào, sử dụng các công thức tính công suất đầu ra theo điều kiện thực tế.

3. Làm thế nào để đảm bảo tuổi thọ ắc quy trong hệ thống?
   Bằng cách duy trì trạng thái sạc (SOC) trong khoảng an toàn (40-80%), tránh xả sâu và nạp quá mức, đồng thời sử dụng bộ điều khiển sạc thông minh để bảo vệ ắc quy.

4. Hệ thống điện mặt trời hòa lưới có thể bán điện dư thừa không?
   Có, theo chính sách hiện hành, hệ thống có thể bán điện dư thừa cho lưới với giá khoảng 2086 đồng/kWh, tạo nguồn thu nhập bổ sung cho người sử dụng.

5. Phương pháp nghiên cứu và phân tích dữ liệu trong luận văn là gì?
   Luận văn sử dụng phần mềm GAMS để xây dựng mô hình toán học và thuật toán tối ưu, kết hợp dữ liệu thực tế về bức xạ mặt trời, nhiệt độ và phụ tải để mô phỏng và phân tích hiệu quả vận hành.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình toán học mô tả nguồn năng lượng mặt trời, nguồn lưu trữ và lưới điện cho hệ thống điện mặt trời quy mô nhỏ.
• Áp dụng thuật toán tối ưu giúp giảm chi phí vận hành hệ thống khoảng 30%, đồng thời nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng và tuổi thọ thiết bị.
• Nghiên cứu tập trung tại khu vực Ninh Thuận, nơi có tiềm năng NLMT cao nhất Việt Nam, phù hợp với mục tiêu phát triển năng lượng tái tạo quốc gia.
• Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng rộng rãi cho các hệ thống điện mặt trời nhỏ tại các vùng nông thôn, miền núi và hải đảo.
• Đề xuất các giải pháp và chính sách hỗ trợ nhằm thúc đẩy phát triển bền vững năng lượng mặt trời, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển kinh tế địa phương.

Tiếp theo, cần triển khai thử nghiệm thực tế mô hình tối ưu tại các hệ thống điện mặt trời quy mô nhỏ, đồng thời mở rộng nghiên cứu về công nghệ lưu trữ và tích hợp lưới điện thông minh. Mời các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp và cơ quan quản lý cùng hợp tác phát triển ứng dụng năng lượng mặt trời hiệu quả và bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 NĂNG LƯỢNG MAT TROL VÀ CÁC PHƯƠNG PHAP KHAI THÁC SỬ DỤNG “Chương này luận vin sẽ trình bảy những nội dung tổng quan ~ Nguồn năng lượng mặt trời = Năng lượng mặt trời trên thể giới, tiểm năng NLMT tại Việt Nam và Ninh Thuận ~ Các phương pháp khai thác sử dung năng lượng mat trời ~ Các công nghệ chế tạo Pin MT = Hệ thống NLMT độc lập và nỗi lưới 1,1 Nguồn năng lượng mặt trời 11. Bức xụ mặt rồi Mặt trời là quả cẩu lửa không lỗ với đường kính trung bình khoảng 1,39 triệu km và ở cách Trái dit khoảng 150 trigu km. Nhiệt độ bề mặt của mặt trời vào khoảng 580K, trong khi đỏ nhiệt độ ở vùng trung tâm của mặt trời rất lớn, vào khoảng 8. Mat trồi được xem là một lò phản ứng nhiệt hạch hoạt động iên tục CO 2 loại bức xạ mặt trời (BXMT): BXMT đến bên ngoài bầu khí quyển và BKMT đến trên mặt đất.11 Bắc xe mặt trời đến bên ngoài bầu kh quyỗn BXMT đến bên ngoài bầu khi quyền có giá trị khá ốn định ứng với một vị trí khảo sát sự thể và có phương rit rỡ rằng, dé là đường ni từ mặt ti đến vị tí khảo sắt.

Các khảo sắt thực tế cho thấy - về mặt giá trị - BXMT đến bên ngoài bầu khí quyển cũng, 6 những biển đổi nhọ, Có 2 lý do gây ra sự biển đổi này: sự biến đổi lượng bức xạ cut phát từ mặt trời do các hiện tượng điễn ra trong nội bộ mặt trời và sự biển đổi của khoảng cách từ mặt rời đến Trái đt, Đôi với các bài toán kỹ thuật, có thé xem cường độ bức xạ phát ra từ mặt rồi là ôn định và BXMT đến bên ngoài blu khí quyển là BXMT đến trên mặt đất nhưng không tính đến ảnh hưởng của bau khí quyển.2 Bức xạ mặt trời đồn trên mặt đắt Khi các tia BXMT di vào bầu khí quyển, do ảnh hưởng của bầu khí quyển và các vật thể li ti có trong bầu khí quyển cho nên các tia BXMT sẽ phải chịu hiện tượng hấp thy và phân xạ. VỀ cơ bản, hiện tượng hip thụ các tia BXMT là do 6z6n và hoi nước, mức: độ hap thụ kháe nhau tủy theo bước sóng. Ứng với các tỉa cực tím có bước sóng nhỏ hơn 0,29m thì khả năng hp thụ các tia bức xạ của 6z6n rit mạnh, ứng với các ta cổ bude sóng lớn hon 0,294m thi khả năng hấp thụ của ôzôn giảm xuống đáng kể, khi bước sóng vượt qué 0,35m thi ôzôn không còn khả năng hap thy các tia bức xạ được nữa. Trong khi đó, hơi nước có khả năng hap thụ mạnh các tia hing ngoại.

Đặc biệt, ở trong vùng lân cận các bước sóng lạm, Ì.lum và I,äum thi khả năng hip thụ các tia hồng ngoại của hơi nước rit mạnh. Chính hiện tượng bắp thụ làm giảm cường độ của sắc tia bức xạ và làm cho quang phổ của cúc tia bức xạ đến mặt đất thu hẹp lạ, cổ thé nói các tia bức xạ có bước sóng lớn hơn 2,3m rat khó đến được bẻ mặt Trái dat. Cùng với hiện tượng hấp thụ, hiện tượng phản xạ làm một bộ phận của tia bức xạ bị đổi bị phản xạ không rõ rằng. Kết quả của các hiện tượng vừa nêu là, càng tién dé è cường độ của các tỉa bức xạ tông cảng.

Một cách tổng quit, người ta xem lượng bic xa tổng di vào bầu khí quyển để cđến một bé mặt khảo sắt nào đó trên mặt dit bao gồm hai thành phần là trực xạ và khuếch tán. Thanh phần trực xạ có phương rõ ring, đó là đường thẳng nổi từ mặt trời đến dia điểm khảo sit. Trong khi đó, đối với thành phần khuốch tin, việc xác định phương hướng và cường độ của thành phan khuếch tan la khả phức tạp.2 Nguẫn gắc ning lượng mặt tồi Năng lượng mặt tời (NLM) có vai td quan trong đối với sự tổn tại và phát tiễn của các yêu tố sự sống trên Trái đất. “rước hết, NLMT là nguồn năng lượng khổng lỗ có tỉnh ti sinh.

NLMT được sinh ra do các phản ứng nhiệt hạt nhân tổng hợp các hạt nhân đồng vị Hydro (H) để tạo ra các hạt nhân Heli (He) liên tục xảy ra trên Mặt trời. Công suất bức xạ của Mặt trời là 3.863,10”°W, nhưng phần NLMT đến bề mặt trái đắt chil 7,57. 'Ngoài khí quyển Trái đất mật độ NLMT là 1. Nhưng khi mặt đất các tia mật rời phải đĩ qua lớp khí quyên Trái đắt nên bị mắt khoảng 30% do các hiện tượng hap thy, tán xạ bởi các phân tử khí, hơi nước.

của lớp khí quyền. Vì vậy, trên bể mặt “Trái đắt, mật độ BXMT chỉ còn khoảng 1. Mặc dù ở các vĩ độ khác nhau thi NLMT khác nhau, nhưng nhìn chung NLMT phân bố khắp trên bẻ mặt trái đất. cũng có thể khai thác và ứng dung nguồn năng lượng này Bản chất của BXMT là sóng điện từ có phổ bước sóng trải từ 10 jum đến 10! um, trong đồ mắt người có thé nhận biết được dai sóng có bước sóng từ 0.4 đến 0,7m và được gọi là ang sing nhìn thấy.

Ving bức xạ điện từ có bước sóng nhỏ hơn 0,4m được gọi là ving sóng tử ngoại. Còn vũng có bước sống lớn hơn 0.7um được gọi là vũng hồng ngoại. Do bản chất của sing điện từ nên NLMT là nguồn năng lượng không có phát thải, không gây 6 nhiễm môi trường hay được gọi là nguồn năng lượng sạch Ngoài lớp khí quyén tái đất BXMT chỉ có một thành phần. Dó là ác ta mặt tời đi thẳng phát ra từ mặt trời.

Nhưng khi tới mặt đi. do các hiện tượng tin xạ trong lớp khí quyển Trái đất, bức xạ mat tời bị biển đổi và gồm 3 thành phần (1)- Thành phần trực xạ gồm các tia mặt rời đi thẳng từ mặt tời đến mặt đắt. Nhờ các tia trực xạ này mã ta có thể nhìn thấy mặt trời; (2) Thành phần nhiễu hay tán xạ gồm các tia mặt trời tới mặt đất từ mọi phương trên. bầu tời do hiện tượng tin xạ của tia mặt trời trên các phân từ khí, hoi nước, các hat bui,.

Nhờ các tia tân xạ này mà chúng ta vẫn có ánh sing ngay cả những ngiy mây mù, không thé nhin thấy mặt trời, ở trong nhà, dưới bóng cây.: “Tổng hai thành phần trên được gọi là ng xạ của bức xạ mặt rời ở mặt đất. Các trạm Khí tượng thường do các thành phần này nhiều lần tong một ngày và liên tye tong nhiều năm để có số liệu đánh giá tiềm năng NLMT. (G)- Thành phần phan xa từ mặt nền ở nơi quan sát bay nơi đặt bộ thu NL.MT, nó phụ thuộc vào hệ số phản xạ của mặt nền và tổng xạ tới. Thành phần này chỉ được phân.

toán các bộ thu NLMT, Trong trường hợp chung nó là một phần rắt nhỏ trong thành phần bức xạ tần xe 1.2 Năng lượng mặt trải trên thé giới và iềm năng NLMT tại 1. Quá trình phát tin và trién khai ứng dung năng lượng mặt trời EMT trung bình trên bé mặt Trái đất nằm trong khoảng 150 đến 300W/ ay từ 3,6 dén 7,0kWhim'/ngay. NLMT từ lâu đã được con người khai thác sử dụng bing các phương pháp tự nhiên, trực tgp và đơn giản như phơi sly (quần áo, vật dụng: nông, lâm, hải sn; sưởi ẩm.) ‘Tuy nhiên cách sử dụng NLMT theo các phương cách tự nhiên nói trên cị hiệu quả thấp và hoàn toàn thụ động NLMT có thể sử dụng dưới dạng nhiệt hay biến đổi thành. Điện từ mặt trời là dạng điện năng được tạo ra khi biển đối NLMT thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện (photovoltaic effect, viết tit PV) một cách trực tiếp, hoặc nhờ các hệ thống nhiệt điện thông qua hiệu ứng hội tự tỉa mặt ti (concentrated solar power, viết tắt CSP) một cách gián tiếp.

Các hệ thống CSP sử dụng các thấu kính hay các gương hội ty và "hệ thống “dõi theo mặt rời” (solar tracking systems) để hội tụ một diện tích lớn các tia mặt trời vio một diện tích nhỏ hơn (gọi là điểm hay đường hội tụ). Nex ồn nhiệt hội tụ này sau đó được sử dụng để phát điện. Các bệ thống này gọi là hệ nhiệt điện mặt ti được gọi là hệ thống điện PV. {Ging dung quan trọng đầu tiên của pin mặt trời l nguồn dự phòng (backenp) cho về tinh nhân tạo Vanguard I vào năm 1958, nó đã cho phép truyền tin hiệu về Trải đất hơn một năm sau khi nguồn Acqui điện hóa đã bị kiệt.

Sự hoạt động thành công này của pin mặt ti trên vệ tỉnh đã được lap lại trong nhiều vệ tỉnh khác của Liên Xô và Mỹ. Vào cuối những năm 1960, PV đã trở thành nguồn năng lượng được được sử dụng. ring cho vệ tinh. PV đã có một vai tr rất quan trọng công nghệ vệ tỉnh thương mại và nó vẫn giữ vị tr đó đối với hạ ting viễn thông ngày nay.

"Nhờ sự phát triển của khoa học công nghệ nên hiện nay con người đã biết khai thác NLMT một cách hiệu qua 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. Gitta các năm 1970 và 1953 các dự án PV tang rất nhanh, nhưng đầu những năm 1980 do giá dầu giảm nên làm giảm nhịp độ phát triển của PV, Từ 1991, sự phát triển của PV lại được gia tốc do các vin đề khổ khăn về cung cắp dẫu và khí, do sự nồng lên của "ri đắt, và sự cải thiện của công nghệ sản xuất PV, dẫn đến tính kính tẾ của PV trở nên tốt hơn.

Sàn xuất PV tăng trung binh 40%inim từ năm 2000 và công suất lắp đặt đã đạt đến 10,6GW vào cuối năm 2007 và 14,73GW vào năm 2008. Đến đầu năm 2014 thứ bậc của 5 cường quốc điện mặt trời được sắp xếp theo thứ tự về tổng công suất tinh ng Gigawatt(s6 đầu) và tỷ lệ điện năng mặt tri trong tổng điện năng quốc gia (66 thứ ha) như sau: Đức (35,65GW; 5.2 Tình hình ứng dụng năng lượng mặt trời trên thé giới Năng lượng tái tạo (NLT) đã chiếm tỷ lệ 22,1% trong tổng sản xuất điện năng trên toàn cầu tinh đến nin 2013, Nếu kể thêm cả sản xuất nhệt thi tỷ lệ NLT trong tổng sản xuất điện năng trên toàn cầu còn có tỷ lệ cao hơn nhiễu, Đặc biệt, giai đoạn 2008- 2013, c độ tăng trưởng NLTT nói chung và NLMT nói riêng đạt giá trị khá cao (Bảng 1.