CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 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 phát hiện ra hiệu ứng quang điện, khi lớp phủ của các điện cực bạch kim bằng bạc clorua phát ra điện áp khi tiếp xúc với ánh sáng. Hiệu ứng này được đặt tên là hiệu ứng quang điện và là nền tảng cho phương pháp sản xuất điện năng lượng mặt trời. Năm 1860, nhà phát minh người Pháp Augustin Mouchot đã phát minh ra động cơ hơi nước mặt trời, một trong những dấu mốc quan trọng trong lịch sử của các thiết bị 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 1941, Russell Ohl đã phát minh ra tế bào quang điện hiện đại đầu tiên, hoạt động dựa trên đường giao nhau P-N. Năm 1954, Daryl Chapin, Gerald Pearson và Calvin Fuller đã phát triển tế bào quang điện silicon hiệu suất cao, có thể sản xuất điện với giá thành hợp lý. Từ đó, 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. Những giai đoạn phát triển của tấm pin năng lượng mặt trời Vào thế kỷ 19, các nhà khoa học đã bắt đầu nghiên cứu khả năng sử dụng ánh sáng mặt trời để tạo ra điện năng.
Mặc dù các thiết bị ban đầu có hiệu suất thấp, nhưng chúng đã đánh dấu bước khởi đầu quan trọng cho sự phát triển của năng lượng mặt trời. Một số phát minh quan trọng trong thế kỷ 19 bao gồm: • Động cơ hơi nước mặt trời của Augustin Mouchot (1860). • Hệ thống điện mặt trời đầu tiên của Charles Fritts (1883). • Nhiệt điện của Weston và Severy (1888 và 1894).
1 • Vào thế kỷ 20 chứng kiến sự phát triển vượt bậc của năng lượng mặt trời. Các nhà khoa học đã đạt được những tiến bộ quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất của các tấm pin mặt trời. • Một số phát minh quan trọng trong thế kỷ 20 bao gồm: • Bài báo về hiệu ứng quang điện của Albert Einstein (1905). • Phát minh của Russell Ohl về tế bào quang điện hiện đại (1941).
• Phát triển của tế bào quang điện silicon hiệu suất cao của Daryl Chapin, Gerald Pearson và Calvin Fuller (1954). • Vào thế kỷ 21 chứng kiến sự tăng trưởng nhanh chóng của năng lượng mặt trời. Các tấm pin mặt trời ngày càng trở nên hiệu quả và giá cả phải chăng hơn.Một số xu hướng chính trong thế kỷ 21 bao gồm: • Sự phát triển của các tấm pin mặt trời nhiều lớp. • Sự phát triển của các mô-đun năng lượng mặt trời tích hợp.
• Sự phát triển của các dự án năng lượng mặt trời quy mô lớn. Thực trạng năng lượng mặt trời các quốc gia trên thế giới Trung Quốc hiện là quốc gia sản xuất điện năng lượng mặt trời (điện mặt trời) lớn nhất trên thế giới, với công suất lắp đặt lên đến 1330 GW vào năm 2023. Đây cũng là nước sở hữu dự án điện mặt trời lớn nhất thế giới với công suất 1,547 MW ở sa mạc Tengger. Trung Quốc cũng là nhà sản xuất mô-đun năng lượng mặt trời lớn nhất thế giới, chiếm khoảng 60% thị phần toàn cầu.
Nhật Bản là một trong những quốc gia đi đầu thế giới trong việc phát triển năng lượng mặt trời. Chính phủ Nhật Bản đã ban hành nhiều chính sách hỗ trợ phát triển năng lượng tái tạo, trong đó có năng lượng mặt trời. Một số chính sách nổi bật bao gồm: • Cho vay mua nhà sử dụng năng lượng tái tạo với thời gian trả nợ tối đa là 10 năm. • Mua điện sản xuất từ năng lượng mặt trời với giá cao hơn giá thị trường.
• Giảm giá bán các tấm pin năng lượng mặt trời. Hoa Kỳ là quốc gia dẫn đầu thế giới về phát triển năng lượng tái tạo. Năng lượng mặt trời cũng là một trong những lĩnh vực được Hoa Kỳ chú trọng đầu tư phát triển. Một số thành tựu nổi bật của Hoa Kỳ trong phát triển năng lượng mặt trời bao gồm: • Năm 1982, tại bang California đã xây dựng nhà máy quang điện công suất 1MW đầu tiên trên thế giới.
2 • Tháng 5/2020, Bộ Nội vụ Mỹ đã thông qua dự án năng lượng mặt trời lớn nhất ở Mỹ, trị giá lên tới 1 tỷ USD ở tại tiểu bang Nevada. Dự án này có thể cung cấp điện cho khoảng 260 nghìn hộ gia đình. Tình hình phát triển điện mặt trời trong nước 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. Tuy nhiên, việc phát triển điện mặt trời tại Việt Nam cũng gặp phải một số thách thức, trong đó đáng chú ý là tình trạng giảm phát điện mặt trời do một số bất cập về lưới điện, phụ tải và bất cân đối về cung cầu. Theo báo cáo ngành Điện 2022 & Triển vọng 2023 của Vietdata, sản lượng huy động điện mặt trời chỉ mới chiếm 12% tổng sản lượng huy động toàn hệ thống năm 2022. Điều này không chỉ gây lãng phí đầu tư xã hội, mà còn ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu quả đầu tư của các dự án và nhiều chủ đầu tư gặp khó khăn về dòng tiền.
Để giải quyết vấn đề này, Chính phủ Việt Nam đã ban hành một số chính sách nhằm thúc đẩy phát triển điện mặt trời một cách bền vững. Trong đó, đáng chú ý là việc triển khai cơ chế giá điện mặt trời áp mái và cơ chế giá điện mặt trời mái nhà. Theo đó, các dự án điện mặt trời áp mái và mái nhà sẽ được hưởng giá điện cao hơn giá điện mặt trời mặt đất. Điều này sẽ giúp khuyến khích phát triển các dự án điện mặt trời quy mô nhỏ, phân tán, góp phần giảm thiểu tình trạng giảm phát điện mặt trời.
Mục đích và mục tiêu của đề tài 1. Mục đích Tính toán thiết kế hệ thống điện mặt trời hòa lưới bám tải 0.927MW tại công ty Funing 2 – Bắc Ninh có sử dụng phần mềm chuyên dụng Google Earth, AutoCAD, SketchUp, PVsyst. Mục tiêu Mục tiêu của đồ án là nghiên cứu và giải quyết các vấn đề sau: • Tìm hiểu về hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới bám tải và ứng dụng của nó trong đời sống hiện nay. • Khảo sát mặt bằng lắp đặt hệ thống, bao gồm vị trí, diện tích, hướng, độ nghiêng của mái nhà.
3 • Tính toán công suất hệ thống quá tải tiêu thụ và mặt bằng mái sử dụng phần mềm Google Earth. • Tính toán, chọn lựa từng thiết bị trong hệ thống, bao gồm tấm pin, biến tần, dây dẫn, máng cáp, khung. • Thiết kế hệ thống tiếp địa, thiết bị bảo vệ của hệ thống hòa lưới bám tải. • Thực hiện mô phỏng hệ thống và đánh giá, nhận xét ảnh hưởng của bóng che lên hệ thống thông qua các phần mềm: AutoCAD, SketchUp, Pvsyst.
Nội dung nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu 1. Nội dung nghiên cứu Đề tài nghiên cứu thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời, sử dụng các công cụ như Google Earth, AutoCAD, Pvsyst, SketchUp để tính toán chọn các thiết bị cho hệ thống và đánh giá về tính khả thi. Hệ thống được thiết kế để tối ưu hiệu suất và công suất, sử dụng thiết bị ngăn hệ thống phát ngược trở lại lưới điện và tính toán trong thiết kế để tấm pin luôn ở trạng thái tối ưu nhất khi tải thay đổi. Phạm vi nghiên cứu • Thiết kế, bố trí các tấm quang điện và các vật thể có thể gây ra bóng che bằng phần mềm Sketchup.
• Dùng phần mềm PVsyst để tính toán sản lượng điện sinh ra. • Đưa ra nhận xét và đề xuất hướng phát triển của đề tài. Giới hạn đề tài Do thời gian thực hiện đề tài khá ngắn, nhóm chỉ tập trung vào việc tính toán và lựa chọn các thiết bị trên phần mềm PVsyst. Thiết kế khá đơn giản về cách phân bố các tấm quang điện trong phần mềm Sketchup để có cái nhìn trực quan hơn 4 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.
Tấm pin năng lượng mặt trời Tấm pin năng lượng mặt trời là một thiết bị chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng. Nó được tạo thành từ các vật liệu bán dẫn, chẳng hạn như silicon, gallium arsenide và cadmium telluride. Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào pin mặt trời, các electron và lỗ trống tự do được tạo ra tại các điểm nối dương/âm. Nếu các điểm nối này được kết nối với một thiết bị điện một chiều, dòng điện sẽ được tạo ra để vận hành thiết bị điện 2.1 Cấu tạo pin năng lượng mặt trời Các tấm pin PV bao gồm tám thành phần chính như sau: Hình 2.1 Cấu tạo của tấm pin năng lượng mặt trời.
Khung nhôm Khung nhôm đóng một vai trò quan trọng trong cấu tạo pin năng lượng mặt trời. Nó bảo vệ cạnh của phần chứa các tế bào và cung cấp một cấu trúc vững chắc để gắn bảng điều khiển năng lượng mặt trời vào vị trí. Khung nhôm ép đùn được thiết kế cực kỳ nhẹ, cứng và có thể chịu được áp lực lớn, tải trọng từ gió lớn và các lực bên ngoài. 5 • Kính cường lực Tấm kính phía trước là một phần quan trọng trong cấu trúc pin mặt trời vì nó bảo vệ các tế bào quang điện khỏi thời tiết xấu và tác động từ mưa đá hoặc mảnh vụn bay.
Loại kính được sử dụng thường là loại kính cường lực có độ dày từ 3-4 mm, độ bền cao và khả năng chịu được áp lực cơ học cũng như biến động nhiệt độ khắc nghiệt. • Lớp màng EVA EVA là viết tắt của Ethylene Vinyl Acetate, một lớp polymer trong suốt được thiết kế đặc biệt để bọc các tế bào quang điện và giữ chúng ở đúng vị trí trong quá trình sản xuất. Vật liệu EVA phải cực kỳ bền và chịu được nhiệt độ và độ ẩm khắc nghiệt.