Luận văn thạc sĩ về quản lý điện áp trên lưới điện TP.HCM vào dịp lễ Tết

Khám phá luận văn thạc sĩ về kỹ thuật điện, điều khiển điện áp trên lưới điện TP Hồ Chí Minh dịp lễ Tết, đảm bảo cung cấp điện ổn định.

• Tác giả: Nguyễn Tường Trung
• Người hướng dẫn: TS. Huỳnh Quang Minh
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Điều Khiển Điện Áp Trên Lưới Điện Thành Phố Hồ Chí Minh Vào Dịp Lễ, Tết
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
• 1.1. Năng lượng mặt trời
• 1.2. Điện mặt trời
• 1.2.1. Nhà máy điện mặt trời (PV power station)
• 1.2.2. Nguồn điện mặt trời phân tán (PV-DG)
• 1.3. Nguyên lý thay đổi điện áp
• 1.3.1. Tụ bù dọc
• 1.3.2. Tụ bù ngang
• 1.3.3. Kháng bù ngang
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP THAY ĐỔI ĐIỆN ÁP ĐANG ĐƯỢC ÁP DỤNG HIỆN NAY
• 2.1. Các thiết bị điều khiển
• 2.1.1. Thiết bị bù tĩnh điều khiển bằng thyristor (SVC – Static Var Compensator)
• 2.1.2. Thiết bị bù tĩnh (D - Statcom – Distribution static compensator)
• 2.2. Thay đổi hệ số công suất trong các bộ inverter của hệ thống điện mặt trời áp mái
• 3. CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ SMART INVERTER VÀO LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI TP.
• 3.1. Giới thiệu về mô phỏng phát tuyến
• 3.2. Trường hợp khi điện áp vận hành bình thường, lưới điện không sự tham gia năng lượng mặt trời
• 3.2.1. Thông số cài đặt mô phỏng của tuyến Kênh B
• 3.2.2. Kết quả mô phỏng tuyến Kênh khi vận hành bình thường, không có sự tham gia của năng lượng mặt trời
• 3.3. Trường hợp khi điện áp vận hành bình thường, lưới điện có thêm sự tham gia năng lượng mặt trời
• 3.3.1. Thông số cài đặt mô phỏng khi có sự tham gia của năng lượng mặt trời
• 3.3.2. Kết quả mô phỏng khi có sự tham gia của năng lượng mặt trời
• 3.4. Trường hợp khi điện áp đầu nguồn vận hành bình thường, có sự điều chỉnh hệ số công suất của smart inverter
• 3.4.1. Thông số cài đặt mô phỏng của lưới điện khi vận hành bình thường, có sự điều chỉnh của biến tần thông minh
• 3.4.2. Kết quả mô phỏng khi có sự điều chỉnh của biến tần thông minh
• 3.5. Trường hợp khi điện áp đầu nguồn tăng vào dịp lễ, tết, khi không có sự tham gia năng lượng mặt trời
• 3.5.1. Thông số cài đặt mô phỏng lưới điện vào dịp lễ khi điện áp đầu nguồn tăng cao khi không có sự tham gia năng lượng mặt trời
• 3.5.2. Kết quả mô phỏng lưới điện khi vận hành trong tình trạng quá áp, khi không có sự tham gia của năng lượng mặt trời
• 3.6. Trường hợp khi điện áp tăng vào dịp lễ, tết, khi có sự tham gia năng lượng mặt trời
• 3.7. Trường hợp khi điện áp đầu nguồn tăng vào dịp lễ, tết, khi có sự điều chỉnh của biến tần thông minh kết hợp bộ đổi nấc máy biến áp
• 3.7.1. Thông số cài đặt mô phỏng của lưới điện khi vận hành ngày lễ khi có sự điều chỉnh của biến tần thông minh
• 3.7.2. Kết quả mô phỏng lưới điện khi vận hành trong tình trạng quá áp, có sự điều chỉnh của biến tần thông minh kết hợp OLTC
• 3.8. Trường hợp so sánh của phương pháp kết hợp nấc máy biến áp, biến tần thông minh và trường hợp chỉ sử dụng nấc máy biến áp khi vận hành dịp lễ
• 3.8.1. Thông số cài đặt mô phỏng trong trường hợp vận hành lễ
• 3.8.2. Kết quả mô phỏng so sánh điện áp tuyến Kênh B hai phương pháp
• Tài liệu tham khảo

Tóm tắt

I. Giới thiệu về tình hình điện áp lưới điện TP

Vào dịp lễ, Tết, tình hình điện áp trên lưới điện TP.HCM thường gặp nhiều vấn đề, đặc biệt là hiện tượng quá áp. Nguyên nhân chính dẫn đến tình trạng này là do cung cấp điện không ổn định trong bối cảnh nhu cầu sử dụng điện gia tăng. Thêm vào đó, sự tham gia của nguồn năng lượng mặt trời vào lưới điện cũng đóng góp vào việc tăng điện áp, đặc biệt ở các đường dây 22kV. Việc quản lý điện áp trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết nhằm đảm bảo an toàn cho hệ thống điện và chất lượng điện năng cung cấp cho khách hàng. Các phương pháp điều chỉnh điện áp cần phải được áp dụng linh hoạt và hiệu quả, đặc biệt trong những ngày lễ, Tết khi tình hình tiêu thụ điện có sự thay đổi lớn.

1.1. Nguyên nhân gây ra tình trạng quá áp

Có nhiều nguyên nhân dẫn đến tình trạng quá áp trong lưới điện TP.HCM vào dịp lễ, Tết. Thứ nhất, sự tăng trưởng đột biến trong nhu cầu sử dụng điện từ các hộ gia đình và cơ sở sản xuất. Thứ hai, nguồn điện năng từ năng lượng mặt trời đang ngày càng gia tăng, dẫn đến sự dư thừa công suất phản kháng trong hệ thống. Khi nhu cầu điện giảm, đặc biệt trong những ngày lễ, Tết, công suất dư thừa này không được tiêu thụ, gây ra tình trạng quá áp. Việc quy hoạch điện và điều chỉnh nấc máy biến áp cũng cần được thực hiện để giảm thiểu tình trạng này.

II. Các phương pháp quản lý điện áp

Để giải quyết vấn đề quản lý điện áp trong lưới điện TP.HCM, nhiều phương pháp đã được áp dụng. Một trong những phương pháp chính là sử dụng thiết bị bù tĩnh như SVC (Static Var Compensator) và D-Statcom (Distribution Static Compensator) để điều chỉnh công suất phản kháng. Những thiết bị này giúp ổn định điện áp và cải thiện chất lượng điện năng. Bên cạnh đó, việc điều chỉnh nấc máy biến áp cũng là một giải pháp quan trọng để đảm bảo điện áp luôn trong giới hạn cho phép. Việc thực hiện các biện pháp này không chỉ giúp ổn định lưới điện mà còn bảo vệ các thiết bị điện của khách hàng khỏi tình trạng quá áp.

2.1. Sử dụng biến tần thông minh

Biến tần thông minh có khả năng điều chỉnh hệ số công suất, cho phép hệ thống điện mặt trời tham gia vào quá trình điều chỉnh điện áp. Việc này giúp cải thiện chất lượng điện năng và ổn định điện áp trên lưới điện phân phối. Các mô phỏng cho thấy rằng việc áp dụng công nghệ này có thể mang lại hiệu quả cao trong việc quản lý điện áp, đặc biệt trong các tình huống quá tải xảy ra vào dịp lễ, Tết. Mặc dù có thể gây tổn thất kinh tế cho các nhà đầu tư, nhưng đổi lại, nó đảm bảo sự ổn định cho lưới điện và bảo vệ quyền lợi của khách hàng.

III. Đánh giá hiệu quả và ý nghĩa thực tiễn

Việc áp dụng các phương pháp quản lý điện áp trong lưới điện TP.HCM vào dịp lễ, Tết không chỉ mang lại hiệu quả trong việc ổn định điện áp mà còn có ý nghĩa thực tiễn lớn. Đầu tiên, nó giúp giảm thiểu tình trạng quá áp, bảo vệ thiết bị điện của khách hàng. Thứ hai, việc sử dụng công nghệ mới như biến tần thông minh góp phần nâng cao chất lượng điện năng và tối ưu hóa việc sử dụng nguồn năng lượng tái tạo. Cuối cùng, nghiên cứu và áp dụng các biện pháp này còn giúp tăng cường độ tin cậy của hệ thống điện, từ đó nâng cao sự hài lòng của khách hàng.

3.1. Tác động đến nhà đầu tư và khách hàng

Mặc dù việc điều chỉnh điện áp có thể gây ra một số tổn thất cho nhà đầu tư, nhưng lợi ích lâu dài mà nó mang lại cho lưới điện và khách hàng là không thể phủ nhận. Các nhà đầu tư có thể thấy rằng việc đầu tư vào công nghệ điều chỉnh điện áp không chỉ giúp bảo vệ tài sản của họ mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành điện. Khách hàng sẽ được hưởng lợi từ chất lượng điện năng tốt hơn và giảm thiểu rủi ro hư hỏng thiết bị, tạo ra một môi trường sử dụng điện an toàn và hiệu quả.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của các thành phố lớn và sự gia tăng nhu cầu sử dụng điện, đặc biệt tại Thành phố Hồ Chí Minh, việc đảm bảo chất lượng và ổn định điện áp trên lưới điện phân phối trở thành một thách thức lớn. Vào các dịp lễ, tết, nhu cầu sử dụng điện giảm mạnh, dẫn đến hiện tượng quá áp trên các đường dây 500kV, 220kV và 110kV. Nguyên nhân chủ yếu là do công suất phản kháng dư thừa kết hợp với sự tham gia ngày càng nhiều của nguồn năng lượng mặt trời phân tán, đặc biệt là các hệ thống điện mặt trời áp mái trên lưới điện 22kV. Theo ước tính, công suất điện mặt trời nối lưới toàn cầu đã đạt hơn 580 GW vào cuối năm 2019, trong đó điện mặt trời áp mái chiếm tỷ trọng lớn và đang phát triển mạnh tại Việt Nam.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xây dựng mô hình lưới điện phân phối 22kV tại TP. Hồ Chí Minh, khảo sát các phương pháp điều khiển điện áp hiện có và đề xuất giải pháp tối ưu nhằm cân bằng giữa lợi ích kinh tế cho nhà đầu tư và ổn định điện áp cho lưới điện. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào giai đoạn vận hành dịp lễ, tết năm 2021 tại TP. Hồ Chí Minh, với trọng tâm là lưới điện phân phối 22kV và sự tham gia của các hệ thống điện mặt trời áp mái.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, giảm thiểu tổn thất do quá áp gây ra, đồng thời hỗ trợ phát triển bền vững nguồn năng lượng tái tạo. Kết quả nghiên cứu góp phần định hướng chính sách vận hành lưới điện thông minh, đồng thời giảm thiểu tổn thất kinh tế cho các nhà đầu tư điện mặt trời.

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:

• Lý thuyết công suất phản kháng và điều chỉnh điện áp: Công suất phản kháng (Q) ảnh hưởng trực tiếp đến điện áp trên lưới điện. Việc điều chỉnh Q thông qua các thiết bị bù ngang (tụ điện, kháng điện) và bù dọc (tụ điện mắc nối tiếp) giúp ổn định điện áp và nâng cao khả năng tải của đường dây.

• Mô hình thiết bị bù tĩnh SVC và D-Statcom: SVC sử dụng thyristor để điều chỉnh công suất phản kháng liên tục, trong khi D-Statcom là thiết bị bù tĩnh hiện đại hơn, có khả năng điều khiển linh hoạt và hiệu quả hơn trong việc ổn định điện áp và giảm dao động công suất.

• Khái niệm biến tần thông minh (smart inverter): Biến tần thông minh không chỉ chuyển đổi điện một chiều từ pin mặt trời sang điện xoay chiều mà còn có chức năng điều chỉnh hệ số công suất, tham gia điều chỉnh điện áp lưới bằng cách phát hoặc tiêu thụ công suất phản kháng.

• Tiêu chuẩn IEEE 1547: Quy định các yêu cầu về hòa lưới, điều chỉnh điện áp và tần số, cũng như khả năng tách lưới của các hệ thống điện mặt trời nối lưới.

Các khái niệm chính bao gồm: công suất phản kháng, hệ số công suất (cosφ), điều chỉnh nấc máy biến áp (OLTC), quá áp, và mô hình lưới điện phân phối 22kV.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng phương pháp mô phỏng trên phần mềm ETAP để xây dựng mô hình phát tuyến lưới điện phân phối 22kV tại TP. Hồ Chí Minh, cụ thể là tuyến Kênh B trạm Lê Minh Xuân. Cỡ mẫu mô phỏng bao gồm một số lượng lớn các tấm pin mặt trời áp mái với các thông số kỹ thuật thực tế.

Phương pháp chọn mẫu là mô phỏng trường hợp vận hành lưới điện trong các điều kiện khác nhau: không có năng lượng mặt trời, có năng lượng mặt trời nhưng không điều chỉnh hệ số công suất biến tần, và có điều chỉnh hệ số công suất biến tần thông minh. Ngoài ra, các trường hợp vận hành vào dịp lễ, tết với điện áp đầu nguồn tăng cao cũng được mô phỏng.

Phân tích dữ liệu dựa trên kết quả trào lưu công suất, điện áp tại các điểm nút, tổn thất công suất trên toàn tuyến và so sánh hiệu quả giữa các phương án điều khiển. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2021, bao gồm xây dựng mô hình, chạy mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiện tượng quá áp vào dịp lễ, tết: Mô phỏng cho thấy điện áp đầu nguồn trên tuyến 22kV tăng vượt quá giới hạn cho phép (+5%) do công suất phản kháng dư thừa và sự tham gia của nguồn năng lượng mặt trời. Điện áp có thể tăng lên đến khoảng 110% điện áp danh định, gây nguy cơ hư hỏng thiết bị điện.

2. Ảnh hưởng của năng lượng mặt trời không điều chỉnh: Khi có sự tham gia của các hệ thống điện mặt trời áp mái nhưng không điều chỉnh hệ số công suất biến tần, điện áp tại các điểm nút trên lưới điện tăng thêm khoảng 3-5% so với trường hợp không có năng lượng mặt trời, làm trầm trọng thêm hiện tượng quá áp.

3. Hiệu quả của biến tần thông minh: Việc điều chỉnh hệ số công suất (ví dụ cosφ = 0.95) của biến tần thông minh giúp hấp thụ công suất phản kháng dư thừa, giảm điện áp tại các điểm nút xuống gần mức cho phép. Kết quả mô phỏng cho thấy điện áp giảm khoảng 4-6% so với trường hợp không điều chỉnh, đồng thời giảm tổn thất công suất trên toàn tuyến khoảng 2-3%.

4. Kết hợp biến tần thông minh và điều chỉnh nấc máy biến áp (OLTC): Phương án kết hợp này mang lại hiệu quả cao nhất trong việc ổn định điện áp, giảm quá áp xuống dưới 105% điện áp danh định, đồng thời giảm tổn thất điện năng trên tuyến khoảng 5% so với chỉ sử dụng OLTC.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiện tượng quá áp là do công suất phản kháng dư thừa trong điều kiện tải thấp và sự phát triển nhanh chóng của các nguồn điện mặt trời phân tán. Việc không điều chỉnh hệ số công suất của biến tần làm tăng điện áp do công suất phản kháng được phát ra lưới.

So với các nghiên cứu trong ngành, kết quả mô phỏng phù hợp với xu hướng ứng dụng biến tần thông minh để điều chỉnh điện áp, đồng thời khẳng định vai trò quan trọng của việc phối hợp các thiết bị điều khiển điện áp truyền thống và hiện đại. Việc sử dụng biến tần thông minh không chỉ giúp ổn định điện áp mà còn giảm tổn thất điện năng, góp phần nâng cao hiệu quả vận hành lưới điện.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh điện áp tại các điểm nút trong các trường hợp khác nhau, bảng tổng hợp tổn thất công suất và biểu đồ trào lưu công suất phản kháng. Những biểu đồ này minh họa rõ ràng hiệu quả của từng phương án điều khiển.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai rộng rãi biến tần thông minh có chức năng điều chỉnh hệ số công suất: Khuyến khích các nhà đầu tư và đơn vị quản lý lưới điện áp dụng biến tần thông minh để điều chỉnh công suất phản kháng, giảm hiện tượng quá áp, đặc biệt trong các khu vực có mật độ điện mặt trời áp mái cao. Thời gian thực hiện trong vòng 1-2 năm.

2. Phối hợp điều chỉnh nấc máy biến áp (OLTC) với biến tần thông minh: Trung tâm Điều độ Hệ thống điện TP. Hồ Chí Minh và các công ty điện lực cần xây dựng quy trình vận hành đồng bộ giữa OLTC và biến tần thông minh nhằm tối ưu hóa điều chỉnh điện áp. Thời gian triển khai trong 6-12 tháng.

3. Nâng cao năng lực giám sát và điều khiển lưới điện phân phối: Đầu tư hệ thống SCADA và các thiết bị đo đạc hiện đại để theo dõi điện áp, công suất phản kháng theo thời gian thực, từ đó đưa ra các biện pháp điều chỉnh kịp thời. Chủ thể thực hiện là các công ty điện lực, thời gian 1-3 năm.

4. Tuyên truyền và hỗ trợ kỹ thuật cho nhà đầu tư điện mặt trời: Cung cấp hướng dẫn kỹ thuật về cài đặt biến tần thông minh, vận hành hệ thống điện mặt trời áp mái phù hợp với yêu cầu điều chỉnh điện áp của lưới điện. Thời gian thực hiện liên tục, chủ thể là các đơn vị tư vấn và công ty điện lực.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà quản lý và vận hành lưới điện phân phối: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học và giải pháp thực tiễn giúp nâng cao độ ổn định điện áp, giảm tổn thất và tăng độ tin cậy cung cấp điện.

2. Nhà đầu tư và doanh nghiệp phát triển điện mặt trời áp mái: Tham khảo để hiểu rõ tác động của hệ thống điện mặt trời đến lưới điện, từ đó lựa chọn thiết bị biến tần thông minh phù hợp nhằm tối ưu lợi ích kinh tế và kỹ thuật.

3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Tài liệu cung cấp kiến thức chuyên sâu về điều khiển điện áp, công suất phản kháng, cũng như phương pháp mô phỏng lưới điện phân phối với sự tham gia của năng lượng tái tạo.

4. Cơ quan quản lý nhà nước về năng lượng và môi trường: Tham khảo để xây dựng chính sách phát triển năng lượng tái tạo bền vững, đảm bảo an toàn và ổn định hệ thống điện quốc gia.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao hiện tượng quá áp thường xảy ra vào dịp lễ, tết?
   Vào dịp lễ, tết, nhu cầu sử dụng điện giảm mạnh dẫn đến công suất phản kháng dư thừa trên lưới. Kết hợp với sự phát triển nhanh của điện mặt trời áp mái, điện áp tại các điểm trên lưới phân phối 22kV tăng vượt mức cho phép, gây hiện tượng quá áp.

2. Biến tần thông minh có vai trò gì trong điều khiển điện áp?
   Biến tần thông minh có khả năng điều chỉnh hệ số công suất, phát hoặc tiêu thụ công suất phản kháng, giúp ổn định điện áp lưới, giảm hiện tượng quá áp và cải thiện chất lượng điện năng.

3. Phương pháp điều chỉnh nấc máy biến áp (OLTC) kết hợp với biến tần thông minh có hiệu quả như thế nào?
   Kết hợp OLTC và biến tần thông minh giúp điều chỉnh điện áp linh hoạt hơn, giảm quá áp hiệu quả hơn so với chỉ sử dụng OLTC, đồng thời giảm tổn thất điện năng trên lưới.

4. Việc sử dụng biến tần thông minh có gây tổn thất kinh tế cho nhà đầu tư điện mặt trời không?
   Việc điều chỉnh công suất phản kháng có thể làm giảm công suất tác dụng phát lên lưới, gây tổn thất kinh tế nhất định. Tuy nhiên, lợi ích về ổn định điện áp và giảm thiểu hư hỏng thiết bị điện bù đắp cho tổn thất này.

5. Làm thế nào để triển khai giải pháp điều khiển điện áp hiệu quả trên diện rộng?
   Cần phối hợp đồng bộ giữa các thiết bị điều khiển điện áp truyền thống và hiện đại, nâng cấp hệ thống giám sát, đồng thời tuyên truyền, hỗ trợ kỹ thuật cho nhà đầu tư điện mặt trời áp mái.

Kết luận

• Hiện tượng quá áp trên lưới điện phân phối 22kV TP. Hồ Chí Minh vào dịp lễ, tết chủ yếu do công suất phản kháng dư thừa và sự tham gia của điện mặt trời áp mái.
• Việc sử dụng biến tần thông minh với chức năng điều chỉnh hệ số công suất giúp giảm đáng kể hiện tượng quá áp và tổn thất điện năng.
• Phối hợp điều chỉnh nấc máy biến áp OLTC và biến tần thông minh là giải pháp tối ưu cho việc ổn định điện áp.
• Giải pháp đề xuất vừa đảm bảo lợi ích kỹ thuật cho lưới điện, vừa cân bằng lợi ích kinh tế cho nhà đầu tư điện mặt trời.
• Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thử nghiệm thực tế, nâng cấp hệ thống giám sát và đào tạo nhân lực vận hành.

Hành động ngay: Các đơn vị quản lý lưới điện và nhà đầu tư điện mặt trời cần phối hợp triển khai các giải pháp điều khiển điện áp thông minh để đảm bảo vận hành lưới điện an toàn, hiệu quả và bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.1 Năng lượng mặt trời Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng mà con người biết sử dụng từ rất sớm, nhưng ứng dụng năng lượng mặt trời vào các công nghệ sản xuất trên quy mô rộng mới vừa phát triển gần đây. Các ứng dụng năng lượng mặt trời phổ biến hiện nay gồm 2 lĩnh vực chủ yếu. Thứ nhất năng lượng mặt trời được biến đổi trực tiếp thành điện năng nhờ các tế bào quang điện, hay còn gọi là pin mặt trời, các pin mặt trời sản xuất ra điện năng một cách liên tục chừng nào còn bức xạ mặt trời chiếu tới. Thứ hai là năng lượng mặt trời dưới dạng nhiệt, ở đây ta dùng các thiết bị thu bức xạ mặt trời và tích trữ nó dưới dạng nhiệt năng để dùng cho các mục đích khác nhau.

Mặt trời là một trong những ngôi sao phát sáng mà con người có thể quan sát được trong vũ trụ. mặt trời luôn phát ra một nguồn năng lượng khổng lồ và một phần nguồn năng lượng đó truyền bằng bức xạ đến trái đất. Trái đất và mặt trời có mối liên hệ chặt chẽ, chính bức xạ mặt trời quyết định sự tồn tại sự sống trên trái đất. Năng lượng mặt trời là một trong những nguồn năng lượng sạch và vô tận.

Con người đã biết sử dụng nguồn năng lượng này từ lâu, tuy nhiên việc khai thác sử dụng nguồn năng lượng này một cách hiệu quả thì là một vấn đề mà chúng ta đang quan tâm. Năng lượng bức xạ điện từ của mặt trời tập trung tại vùng quang phổ nhìn thấy. Mỗi giây trôi qua, mặt trời giải phóng ra không gian xung quanh 3,827x1026 joule. Bức xạ mặt trời là dòng vật chất và là nguồn năng lượng do mặt trời phát ra.

Đây chính là nguồn năng lượng chính cho các quá trình phong hóa, xói mòn, vận chuyển, bồi tụ trên trái đất, cũng như chiếu sáng và sưởi ấm cho các hành tinh trong hệ mặt trời. Trong toàn bộ bức xạ của mặt trời, bức xạ liên 6 quan trực tiếp đến các phản ứng hạt nhân xảy ra trong nhân mặt trời không quá 3%. Năng lượng bức xạ mặt trời thường biểu diễn bằng cal/cm2. Năng lượng bức xạ mặt trời ở gần trái đất ở vào khoảng 2 cal/cm2.phút, có phổ nằm trong dải từ 0,17 - 4µm với cực đại ở khoảng 0,475 µm.

Toàn bộ trái đất nhận được từ mặt trời 2,4.1018 cal/phút, gồm 48% năng lượng thuộc ánh sáng khả kiến (λ = 0,4 – 0,76 µm), 7% tia cực tím (λ < 0,4 µm), 45% thuộc dải phổ hồng ngoại và sóng vô tuyến (λ > 0,76 µm). Nguồn cung cấp năng lượng chủ yếu cho trái đất là bức xạ mặt trời. Quá trình bức xạ mặt trời đến trái đất được phân bố như sau: Nếu nguồn bức xạ là 100% thì 30% bị phản hồi về không gian trước khi đến trái đất, 19% bị khí quyển hấp thụ, 47% được bề mặt trái đất hấp thụ, 4% tới bề mặt trái đất và bị phản hồi về không gian. Như vậy nhiệt cung cấp chủ yếu cho không khí ở tần đối lưu là nhiệt của bề mặt trái đất được mặt trời đốt nóng.

Nhiệt lượng do năng lượng mặt trời mang tới trái đất luôn thay đổi theo góc chiếu của tia bức xạ mặt trời, nếu góc chiếu lớn thì nhiệt lượng lớn và ngược lại. Tiềm năng về năng lượng tái tạo là vô tận, nhằm giảm sự phụ thuộc vào các nguồn năng lượng hóa thạch và bảo vệ môi trường nên các Quốc gia trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng năng lượng tái tạo vào phục vụ đời sống, phát triển kinh tế xã hội, trong đó có nguồn năng lượng mặt trời. Năng lượng mặt trời thu được trên trái đất là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ mặt trời đến trái đất. 1 Bức xạ nhiệt trên thế giới [1] Có thể trực tiếp thu lấy năng lượng này thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển năng lượng các photon của mặt trời thành điện năng, như trong pin mặt trời.

Năng lượng của các photon cũng có thể được hấp thụ để làm nóng các vật thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, sử dụng cho bình đun nước mặt trời, hoặc làm sôi nước trong các máy nhiệt điện của tháp mặt trời, hoặc vận động các hệ thống nhiệt như máy điều hòa mặt trời. Năng lượng của các photon có thể được hấp thụ và chuyển hóa thành năng lượng trong các liên kết hóa học của các phản ứng quang hóa. Một phản ứng quang hóa tự nhiên là quá trình quang hợp. Quá trình này được cho là đã từng dự trữ năng lượng mặt trời vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch không tái sinh mà các nền công nghiệp của thế kỷ XIX đến XXI đã và đang tận dụng.

Nó cũng là quá trình cung cấp năng lượng cho mọi hoạt động sinh học tự nhiên, cho sức kéo gia súc và củi đốt, những nguồn năng lượng sinh học tái tạo truyền thống. Trong tương lai, quá trình này có thể giúp tạo ra nguồn năng lượng tái tạo ở nhiên liệu sinh học, như các nhiên liệu lỏng (diesel sinh học, nhiên liệu từ dầu thực vật), khí (khí đốt sinh học) hay rắn. 8 Năng lượng mặt trời cũng được hấp thụ bởi thủy quyển trái đất và khí quyển trái đất để sinh ra các hiện tượng khí tượng học chứa các dạng dự trữ năng lượng có thể khai thác được. trái đất, trong mô hình năng lượng này, gần giống bình đun nước của những động cơ nhiệt đầu tiên, chuyển hóa nhiệt năng hấp thụ từ photon của mặt trời, thành động năng của các dòng chảy của nước, hơi nước và không khí, và thay đổi tính chất hóa học và vật lý của các dòng chảy này.

Năng lượng mặt trời, ánh sáng bức xạ và nhiệt từ mặt trời, được khai thác bằng nhiều công nghệ phát triển như sưởi ấm mặt trời, quang điện, năng lượng mặt trời tập trung (CSP), quang điện tập trung (CPV), kiến trúc mặt trời và quang hợp nhân tạo. Công nghệ năng lượng mặt trời được mô tả rộng rãi như năng lượng mặt trời thụ động hoặc năng lượng mặt trời chủ động tùy thuộc vào cách chúng thu nhận, chuyển đổi và phân phối năng lượng mặt trời. Kỹ thuật năng lượng mặt trời thụ động bao gồm định hướng một tòa nhà cho mặt trời, lựa chọn vật liệu có khối lượng nhiệt thuận lợi hoặc các đặc tính phân tán ánh sáng và thiết kế không gian tự nhiên lưu thông không khí. Công nghệ năng lượng mặt trời chủ động bao gồm năng lượng mặt trời, sử dụng bộ thu năng lượng mặt trời để sưởi ấm và năng lượng mặt trời, chuyển ánh sáng mặt trời thành điện trực tiếp sử dụng quang điện (PV) hoặc gián tiếp sử dụng năng lượng mặt trời tập trung (CSP).

Một hệ thống quang điện chuyển đổi ánh sáng thành dòng điện trực tiếp (DC) bằng cách tận dụng hiệu ứng quang điện. PV năng lượng mặt trời đã trở thành một ngành công nghiệp phát triển nhanh, tiếp tục cải thiện hiệu quả chi phí và có tiềm năng lớn nhất của bất kỳ công nghệ tái tạo nào cùng với CSP. Hệ thống năng lượng mặt trời tập trung (CSP) sử dụng ống kính hoặc gương và hệ thống theo dõi để tập trung một khu vực rộng lớn của ánh sáng mặt trời vào một chùm nhỏ. Các nhà máy điện mặt trời tập trung thương mại lần đầu 9 tiên được phát triển trong những năm 1980.

CSP-Stirling có hiệu quả cao nhất trong số tất cả các công nghệ năng lượng mặt trời. Năm 2011, Cơ quan Năng lượng Quốc tế nói rằng "Sự phát triển của các công nghệ năng lượng mặt trời là vô tận và sạch sẽ, sẽ mang lại những lợi ích lâu dài lớn hơn. Nó sẽ tăng cường an ninh năng lượng của quốc gia thông qua sự phụ thuộc vào nguồn tài nguyên bản địa, tăng cường tính bền vững, giảm ô nhiễm, giảm chi phí, giảm thiểu biến đổi khí hậu và giữ giá nhiên liệu hóa thạch thấp hơn so với các biện pháp khác". Trong năm 2016, sau một năm tăng trưởng nhanh, năng lượng mặt trời tạo ra 1,3% năng lượng toàn cầu.2 Điện mặt trời Điện mặt trời, cũng được gọi là quang điện hay quang năng (PV) là lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật biến đổi ánh sáng mặt trời trực tiếp thành điện năng nhờ pin mặt trời.

Kỹ thuật điện mặt trời đơn giản là cách chuyển quang năng thành điện năng trực tiếp nhờ các tấm pin mặt trời ghép lại với nhau thành mô đun. Photon đập vào electron làm năng lượng của electron tăng lên và di chuyển tạo thành dòng điện. Điện năng do pin mặt trời tạo để sử dụng hay để sạc pin. Thời kỳ đầu điện mặt trời chỉ được dùng cho vệ tinh nhân tạo hay phi thuyền nhưng ngày nay công dụng chính của nó là để cấp điện vào lưới điện chung nhờ bộ chuyển đổi từ dòng điện một chiều trong pin sang điện xoay chiều.

Còn một phần nhỏ dùng cấp điện cho các ngôi nhà, trạm điện thoại, bộ điều khiển từ xa. Tấm pin được đặt dưới một lớp gương nhằm ngăn những tác động từ môi trường. Để có lượng điện lớn hơn một mảnh pin riêng lẻ có thể tạo ra người ta gắn kết nhiều mảnh lại thành một tấm lớn là pin mặt trời. Một tấm 10 pin riêng lẻ đủ cấp điện cho một trạm điện thoại công cộng, còn để đủ cấp cho một căn nhà hay một nhà máy điện thì phải cần nhiều tấm ghép lại thành dãy.

Hệ thống pin quang điện (PV) sinh ra dòng điện một chiều từ nguồn năng lượng bức xạ mặt trời, có thể dùng cấp điện trực tiếp cho phụ tải một chiều hoặc xoay chiều độc lập, hoặc/và nối với hệ thống lưới điện công cộng nhờ bộ chuyển đổi inverter nối lưới DC/AC. Hệ thống điện mặt trời nối lưới bao gồm các khối chính: các tấm pin mặt trời, khối chuyển đổi nguồn điện (DC/DC, DC/AC) và các thiết bị hỗ trợ khác (bảo vệ, đo đếm, nối đất…). Tính đến cuối năm 2019 công suất điện mặt trời nối lưới trên toàn cầu đã đạt 580.1 GW, và công suất điện mặt trời độc lập đạt 3. Với mức tăng trưởng 37%/ năm hiện nay điện mặt trời đã đóng góp hơn 2.1% lượng điện tiêu thụ trên toàn thế giới, góp phần giảm thải lượng CO2 ra môi trường do các nguồn năng lượng truyền thống.

2 Sự phát triển của điện mặt trời trên toàn thế giới 11 1.1 Nhà máy điện mặt trời (PV power station) Các thành phần Nhà máy điện mặt trời là một hệ thống PV có quy mô lớn, được thiết kế để cung cấp lượng công suất lớn hòa vào lưới điện Quốc gia.