CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Tình hình phát triển điện mặt trời trên thế giới 1.1 Lịch sử của tấm pin năng lượng mặt trời Năm 1839, nhà vật lý Edmond Becquerel đã khám phá ra hiệu ứng quang điện là nền tảng cho phương pháp sản xuất điện năng lượng mặt trời. Năm 1883, Charles Fritts đã sáng chế ra tế bào quang điện đầu tiên, được chế tạo từ selenium có hiệu suất chỉ 1%. Năm 1888, Alexander Stoletov đã chế tạo ra tế bào quang điện có hiệu suất cao hơn, khoảng 2%. Năm 1905, Albert Einstein đã xuất bản bài báo về hiệu ứng quang điện, giải thích chính xác cơ chế của hiệu ứng này.
Bài báo của ông đã giúp ông giành giải Nobel Vật lý năm 1921. Năm 1954: Gerald Pearson, Calvin Fuller và Daryl Chapin tại Bell Labs chế tạo thành công pin mặt trời silicon, mở ra kỷ nguyên mới cho ngành năng lượng mặt trời. Năm 1960: Hoffman Electronics ghi nhận bước đột phá khi cải thiện hiệu suất quang điện từ 8% lên 14%. Năm 1973: Đại học Delaware xây dựng hệ thống năng lượng mặt trời đầu tiên mang tên "Solar One".
Năm 1978: Kính lúp Fresnel được sử dụng cho nhà máy điện mặt trời Suntower đầu tiên tại California, Mỹ. Sự phát triển mạnh mẽ của điện mặt trời trong thế kỷ XXI: Đầu những năm 2000: Giá thành pin mặt trời giảm mạnh, thúc đẩy ứng dụng rộng rãi trong các hộ gia đình và doanh nghiệp. Năm 2004: Đức ban hành luật khuyến khích sử dụng năng lượng mặt trời, mở ra "thời kỳ bùng nổ" cho ngành năng lượng mặt trời toàn cầu. Năm 2007: Trung Quốc bắt đầu đầu tư mạnh mẽ vào sản xuất pin mặt trời, trở thành nhà sản xuất lớn nhất thế giới.
Đến nay năng lượng mặt trời đã trở thành một nguồn năng lượng sạch, bền vững và ngày càng được sử dụng rộng rãi trên thế giới. Thực trạng năng lượng mặt trời hiện nay Ngày nay nhu cầu sử dụng năng lượng cho sản xuất, dịch vụ, đời sống,… ngày càng tăng ca, dẫn đến hệ lụy là việc khai thác và sử dụng nhiên liệu hóa thạch lớn gây ra nhiều tác hại đến môi trường như ô nhiễm môi trường, biến đổi khí hậu,…. Do đó sự chuyển đổi từ năng lượng hóa thạch sang năng lượng tái tạo là thiết yếu, đặc biệt là năng lượng mặt trời. Năng lượng mặt trời đang trở thành xu hướng tất yếu của tương lai với nhiều ưu điểm vượt trội.
Hiện trên thế giới năng lượng mặt trời đang trở thành một nguồn năng lượng tái tạo phát triển rộng rãi. Trong những năm gần đây, sử dụng năng lượng mặt trời đã trở thành một giải pháp năng lượng bền vững và kinh tế hơn. Trung Quốc là quốc gia có công suất lắp đặt năng lượng mặt trời lớn nhất thế giới và đang tiếp tục phát triển sử dụng năng lượng mặt trời để giảm thiểu sự phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch. Lần lượt xếp thứ hai và ba là Mỹ và Ấn Độ.
Trong khi Mỹ đầu tư mạnh về công nghệ năng lượng quang điện, Ấn Độ cũng có các chính sách để khuyến khích sử dụng nguồn năng lượng không khí thải này. Ngoài ra, ở Châu Âu, các quốc gia như Tây Ban Nha, Đức và Italia cũng đang đẩy mạnh sử dụng năng lượng mặt trời như một phần của chiến lược chuyển đổi sang năng lượng tái tạo. Cùng theo hướng hội nhập và phát triển năm lượng bền vững đó tại Việt Nam nguồn năng lượng điện mặt trời này cũng đang được đẩy mạnh nhờ các lợi thế Việt Nam là một trong những quốc gia có tiềm năng phát triển năng lượng mặt trời lớn nhất thế giới, với vị trí địa lý thuận lợi, với khoảng 2.500 giờ nắng mỗi năm và cường độ bức xạ mặt trời từ 4-5 kWh/m2/ngày. Đặc biệt, miền Trung và Nam Trung Bộ là vùng có tiềm năng phát triển năng lượng mặt trời lớn nhất.
Thật vậy trong những năm gần đây, Việt Nam đã đạt được những thành tựu đáng kể trong lĩnh vực năng lượng mặt trời. Giai đoạn 2019-2020 chứng kiến sự tăng trưởng mạnh mẽ của điện mặt trời cả về số lượng dự án và công suất lắp đặt. Tính đến cuối năm 2022, tổng công suất lắp đặt điện mặt trời tại Việt Nam đạt 20165 MW, chiếm gần 26% tổng công suất lắp đặt điện của cả nước.1 Biểu đồ bức xạ năng lượng mặt trời trung bình của Việt Nam Tuy nhiên, việc phát triển điện mặt trời tại Việt Nam cũng gặp phải một rào cản về chính sách hỗ trợ và kết nối lưới điện. + Chính sách hỗ trợ phát triển năng lượng mặt trời của chính phủ Việt Nam cũng còn hạn chế, chưa đầy đủ và chưa được thiết lập một cách rõ ràng, điều này cũng đã khiến cho người dân và các doanh nghiệp chưa có đủ động lực để đầu tư vào năng lượng mặt trời.
Hơn nữa, việc kết nối với lưới điện cũng là một thách thức đối với phát triển năng lượng mặt trời, bởi cơ sở hạ tầng lưới điện chưa đầy đủ để chứa lượng điện năng mặt trời được sản xuất ra. + Kết nối lưới điện cũng là một trong những vấn đề đang gây ảnh hưởng đến phát triển năng lượng mặt trời ở Việt Nam. Việc kết nối lưới điện hiện nay vẫn còn khá phức tạp 3 và tốn kém, khiến cho việc phát triển năng lượng mặt trời gặp nhiều khó khăn và chậm trễ.2 Mục đích và mục tiêu của đề tài. Mục tiêu của đề tài là tập trung vào nghiên cứu và giải quyết một số vấn đề : + Tìm hiểu về một số hệ thống điện năng lượng mặt trời, đặc biết là hệ thống năng lượng mặt trời hòa lưới bám tải + Khảo sát mặt bằng lắp đặt vè vị trí, diện tích, hướng, độ nghiêng của mái + Tính toán lựa chọng thiết bị cho hệ thống báo gồm tấm pin, biến tần, dây dẫn, giàn khung + Thiết kế, mô phỏng hệ thống, mô phỏng đổ bóng của hệ thống thông qua các phần mềm : autoCAD, Sketchup, PVsyst.
+ Tính toán hiệu quả kinh tế khi đầu tư hệ thống điện mặt trời.3 Nội dung nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu Đề tài nghiên cứu tính toán và thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời, bằng những kiến thức đã học tập và các phần mềm tính toán, thiết kế như AutoCad, Pvsyst, SketchUp để tính toán và mô phỏng lựa chọn các thiết bị phù hợp cho hệ thống đánh giá tính khả thi và hiệu quả kinh tế. Hệ thống được thiết kế tối ưu nhất về hiệu suất và công suất tính toán trong thiết kế để hiệu suất của hệ thống cho ra công suất tối ưu nhất khi tải thay đổi.4 Giới hạn của đề tài Với nhóm gồm có 2 thành viên nên đồ án chỉ tập trung vào tính toán hiệu quả và lựa chọn thiết bị giúp tối ưu nhất cho hệ thống. Phần thiết kế khá đơn giản về cách phân bố tấm quang điện sao cho hiệu quả và tối ưu nhất nhưng vẫn đảm bảo tính an toàn và tuân thủ mọi qui định về thiết kế và phòng cháy chữa cháy. Sử dụng phần mềm mô phỏng 3D SketchUp giúp cho chủ đầu tư dễ dàng hình dung được hệ thống sau khi lắp đặt, mô phỏng sản lượng và tính toán hiệu quả bằng phần mềm chuyên dụng PVsyst để đánh giá tính khả thi của dự án.
4 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Một số hệ thống điện mặt trời Hệ thống điện mặt trời (hệ thống quang điện) là hệ thống tạo ra điện dựa trên hiệu ứng quang điện thông qua các tấm pin quang điện lấy ánh sáng trực tiếp của mặt trời. Dòng điện một chiều từ tấm pin quang điện sẽ được bộ chuyển đổi thiết bị nghich lưu biến đổi thành dòng điện xoay chiều để cung cấp điện cho phụ tải. Dựa trên các nhu cầu sử dụng khác nhau mà hệ thống điện mặt trời được chia làm 3 hình thức lắp đặt: hệ độc lập (off grid), hệ hòa lưới (on grid), hệ hòa lưới có lưu trữ(hybrid) 2.1 Hệ độc lập Hệ thống điện năng lượng mặt trời độc lập (off grid) là hệ thống sử dụng năng lượng mặt trời để tạo ra điện năng và cung cấp trực tiếp cho các thiết bị điện trong nhà mà không cần kết nối với lưới điện quốc gia. 1 Sơ đồ hệ thống điện mặt trời độc lập Cấu tạo: Hệ thống điện mặt trời độc lập thường bao gồm những thiết bị :tấm pin năng lượng mặt trời, biến tần(inverter), bộ điều khiển sạc, pin lưu trữ và một số thiết bị phụ trợ( chống sét, khung dàn,….2 Hệ thống hòa lưới Hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới (On-grid) là loại hệ thống sử dụng năng lượng mặt trời để tạo ra điện năng, sau đó hòa vào lưới điện quốc gia để cung cấp cho các thiết bị điện trong nhà hoặc doanh nghiệp.
Hệ thống này hoạt động theo nguyên tắc bù trừ điện năng. 2 Sơ đồ hệ thống hòa lưới Hệ thống điện mặt trời hòa lưới thường bao gồm những thiết bị: tấm pin năng lượng mặt trời, biến tần hòa lưới và một số thiết bị phụ trợ khác(chống sét, khung dàn, hệ thống giám sát,…) 2.3 Hệ thống hòa lưới có lưu trữ Hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới có lưu trữ (Hybrid) là sự kết hợp giữa hệ thống hòa lưới truyền thống và hệ thống lưu trữ điện. Hệ thống này mang đến nhiều ưu điểm vượt trội so với các hệ thống khác, cung cấp giải pháp tối ưu cho nhu cầu điện năng của bạn. 3 Sơ đồ hệ thống hòa lưới có lưu trữ Hệ thống điện mặt trời hòa lưới có lưu trữ thường bao gồm những thiết bị: :tấm pin năng lượng mặt trời, biến tần(inverter), pin lưu trữ và một số thiết bị phụ trợ( chống sét, khung dàn,….2 Các yếu tố ảnh hưởng đến công suất của tấm PV 2.1 Loại pin và các công nghệ sản xuất Việc lựa chọn tấm pin phù hợp với những điều kiện môi trường và thông số kỹ thuật cũng ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống điện mặt trời.
Công nghệ sản xuất pin khác nhau sẽ cho ra những loại pin mặt trời có hiệu suất chuyển đổi khác nhau điều này cũng ảnh hưởng đến hiệu suất hệ thống.2 Điều kiện môi trường Bức xạ mặt trời: là yếu tố quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến công suất của hệ thống. Vì khi cường độ bức xạ của mặt trời chiếu vào càng lớn thì sản lượng mà tấm pin quang điện cho ra càng nhiều tới một mức nhất định. Nhiệt độ môi trường: Chúng ta hay cho rằng nhiệt càng cao công suất điện sinh ra sẽ càng lớn nhưng thực tế nhiệt độ càng lớn sẽ càng làm giảm công suất điện do tấm pin 7 năng lượng mặt trời tạo ra.