Nghiên cứu mô hình hóa hệ thống năng lượng mặt trời kết hợp ắc quy tại ecopark hưng yên

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC

BÙI VIẾT VƯƠNG

NGHIÊN CỨU MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KẾT HỢP ẮC QUY
TẠI ECOPARK HƯNG YÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

Hà Nội, tháng 03/2022

1


BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC

BÙI VIẾT VƯƠNG

NGHIÊN CỨU MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
KẾT HỢP ẮC QUY TẠI ECOPARK HƯNG YÊN

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN
MÃ SỐ: 8520201

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Đức Quang

Hà Nội, năm 2022

2


LỜI CẢM ƠN

Trước hết em xin trân trọng cảm ơn thầy giáo TS. Nguyễn Đức Quang, các thầy,
cô giáo Khoa Kỹ thuật Điện và các thầy, cô giáo Phòng đào tạo Sau đại học,
trường Đại học Điện lực đã quan tâm, giúp đỡ và tạo điều kiện để em hoàn thành
luận văn này.
Em xin gửi lời cảm ơn đến các anh, chị, em công tác tại Công ty TNHH HCG đã
hỗ trợ cung cấp số liệu, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành luận văn
này.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới tất cả bạn bè, người thân đã động viên em rất nhiều
trong quá trình học tập.
Mặc dù đã cố gắng hết sức để hoàn thành luận văn, song cũng không thể tránh
được những thiếu sót. Kính mong nhận được những đóng góp của các thầy, các cơ
cùng tồn thể các bạn để luận văn được hoàn chỉnh hơn nhằm áp dụng phù hợp tại
thực tế.
Trân trọng!
Hà Nội, ngày 06 tháng 03 năm 2022
Tác giả luận văn

Bùi Viết Vương

3


LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan các số liệu và kết quả tính tốn được trình bày trong luận văn là
kết quả q trình nghiên cứu, tìm hiểu, tính tốn của tôi được thực hiện dưới sự
hướng dẫn khoa học của thầy giáo hướng dẫn và theo đề cương luận văn đã được
nhà trường xét duyệt.
Tôi cam đoan các nội dung tham khảo trong luận văn đã được trích dẫn chi
tiết tương ứng với các tài liệu trong mục “Tài liệu tham khảo”.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 06 tháng 03 năm 2022
Tác giả luận văn

Bùi Viết Vương

4


MỤC LỤC
CHƯƠNG I: HIỆN TRẠNG ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TẠI
VIỆT NAM.............................................................................................................. 15
1.1. Tổng quan về các dạng năng lượng tái tạo.................................................. 15
1.1.1. Năng lượng gió .................................................................................... 16
1.1.2. Năng lượng mặt trời ............................................................................ 18
1.1.3. Năng lượng sinh khối .......................................................................... 19
1.1.4. Năng lượng thủy điện .......................................................................... 20
1.2. Năng lượng mặt trời và hệ thống pin mặt trời............................................. 22
1.2.1. Mặt trời và bức xạ mặt trời .................................................................. 22
1.2.2. Pin mặt trời .......................................................................................... 24
1.3. Tình hình phát triển năng lượng mặt trời tại Việt Nam và trên thế giới ..... 26
1.4. Hệ thống điện mặt trời tại Ecopark Hưng Yên ........................................... 28
1.4.1. Tổng quan về Ecopark Hưng Yên ....................................................... 28

1.4.2. Hệ thống điện mặt trời nhà bảo vệ khu đô thị Ecopark Hưng Yên ..... 29
1.4.2.1. Thành phần cấu tạo của hệ thống ..................................................... 29
1.4.2.2. Nguyên lý hoạt động ........................................................................ 35
CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MƠ HÌNH HĨA . 37
2.1.

Pin mặt trời và phương trình tính tốn của pin mặt trời .......................... 37

2.1.1 Phương trình tương đương của pin năng lượng mặt trời...................... 37
2.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến pin năng lượng mặt trời ............................. 38
2.1.3 Phương trình tương đương của bộ pin mặt trời .................................... 40
2.2.

Bộ chuyển đổi Inverter ............................................................................ 41

2.2.1

Bộ biến đổi DC/DC [1] ..................................................................... 41

2.2.2

Bộ biến đổi DC/AC ........................................................................... 45

2.3.

Ắc quy lưu trữ.......................................................................................... 45

2.4.

Phương pháp điều khiển .......................................................................... 48

2.4.1

Thuật tốn bám điểm cơng suất cực đại MPPT ................................ 49

2.4.2

Giải thuật P&O .................................................................................. 51
5


2.5.

Kết luận chương ...................................................................................... 53

CHƯƠNG III: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TẠI
ECOPARK HƯNG YÊN ........................................................................................ 54
3.1.

Mô phỏng hoạt động của hệ thống pin mặt trời ...................................... 54

3.1.1

Giới thiệu Matlab/Simulink .............................................................. 54

3.1.2 Giới thiệu một số khối Simcape sử dụng trong mơ phỏng lưới điện có
kết nối nguồn năng lượng mặt trời ................................................................ 57
3.2.

Mơ hình hố hệ thống năng lượng mặt trời tại Ecopark Hưng yên ........ 59

3.3.

Kết quả mô phỏng.................................................................................... 62

3.4.

Kết luận chương ...................................................................................... 65

KẾT LUẬN CHUNG .............................................................................................. 66
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 67

6


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

STT

Từ viết tắt

Nguyên nghĩa

1

NLMT

Năng lượng mặt trời

2

PV

Photovoltaic cell

3

NLSK

Năng lượng sinh khối

4

MPPT

Max Power Point Tracking

5

MPP

Maximum Power Point

7


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Quy hoạch điện gió các vùng dự kiến đến năm 2030 ....................................... 17
Bảng 1.2: Sản lượng điện gió tăng trưởng qua các năm tại Châu Á……………………..17
Bảng 1.3: Top 10 quốc gia có sản lượng điện mặt trời lớn nhất…………………………19

Bảng 1.4: Tiềm năng khai thác năng lượng mặt trời các vùng trên lãnh thổ Việt Nam ...27
Bảng 1.5: Thông số kỹ thuật cơ học của tấm pin mặt trời………………………………31
Bảng 1.6: Thông số kỹ thuật điện của tấm pin mặt trời…………………………………31
Bảng 1.7: Thông số kỹ thuật của bộ chuyển đổi Inverter……………………………….32
Bảng 1.8: Giá trị dòng điện xả không đổi của ắc quy sử dụng (Amperes tại 25ºC)…….34
Bảng 1.9: Giá trị công suất xả không đổi của ắc quy sử dụng (Watts tại 25ºC)………...35
Bảng 3.1. Thông số khối pin quang điện ........................................................................... 59

8


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Các dạng năng lượng tái tạo .............................................................................. 16
Hình 1.2. Hệ thống điện mặt trời ....................................................................................... 18
Hình 1.3. Cấu trúc của mặt trời .......................................................................................... 22
Hình 1.4. Q trình truyền bức xạ mặt trời qua bầu khí quyển đến trái đất ..................... 23
Hình 1.5. Pin mặt trời......................................................................................................... 24
Hình 1.6. Quy trình chế tạo pin mặt trời ............................................................................ 25
Hình 1.7. Nguyên lý hoạt động pin mặt trời ...................................................................... 25
Hình 1.8. Cơng suất phát điện Việt Nam lắp đặt năm 2020 .............................................. 27
Hình 1.9. Mặt bằng bố trí dàn pin mặt trời ........................................................................ 30
Hình 1.10. Tấm pin mặt trời tại Ecopark Hưng Yên ......................................................... 30
Hình 1.11. PV Sine HBS-B – bộ inverter sử dụng trong hệ thống nghiên cứu ................. 32
Hình 1.12. Ắc quy 6FM100E-X 12 V 100Ah được sử dụng trong hệ thống nghiên cứu . 34
Hình 1.13. Đặc tính xả và sạc của ắc quy ở 25ºC .............................................................. 35
Hình 1.14. Sơ đồ một sợi hệ thống năng lượng mặt trời tại Ecopark Hưng Yên .............. 36
Hình 2.1. Đặc tính làm việc pin mặt trời và sơ đồ tương đương của pin mặt trời ............. 37
Hình 2.2. Mơ hình pin mặt trời lý tưởng ........................................................................... 39
Hình 2.3. Mơ hình hệ thống pin mặt trời ........................................................................... 40
Hình 2.4. Đặc tuyến I-V với các bức xạ khác nhau ........................................................... 41

Hình 2.5. Đặc tuyến P-V với các bức xạ khác nhau .......................................................... 41
Hình 2.6. Sơ đồ nguyên lý mạch boost .............................................................................. 42
Hình 2.7. Mạch điện khi đóng khóa S ............................................................................... 42
Hình 2.8. Dạng sóng của dòng điện và điện áp trong bộ chuyển đổi Boost hoạt động ở 2
chế độ liên tục và khơng liên tục ....................................................................................... 43
Hình 2.9. Sơ đồ ngun lý mạch buck ............................................................................... 43
Hình 2.10. Dạng sóng của dòng điện và điện áp trong bộ chuyển đổi Buck hoạt động ở 2
chế độ liên tục và không liên tục ....................................................................................... 44
9


Hình 2.11. Sơ đồ nguyên lý mạch buck-boost ................................................................... 44
Hình 2.12. Dạng sóng của dòng điện và điện áp trong bộ chuyển đổi Buck hoạt động ở 2
chế độ liên tục và khơng liên tục ....................................................................................... 45
Hình 2.13. Cấu hình một ắc quy axít chì (đã nạp đầy) đang xả điện ................................. 47
Hình 2.14. Mạch tương đương của ắc quy......................................................................... 47
Hình 2.15. Sơ đồ nguyên lý điều khiển hệ thống............................................................... 49
Hình 2.16. Đặc tính làm việc I-V của PV và của tải ......................................................... 50
Hình 2.17. Cấu trúc điều khiển MPPT của dàn PV ........................................................... 51
Hình 2.18. Đường đặc tính P-V và thuật tốn P&O .......................................................... 52
Hình 2.19. Lưu đồ giải thuật P&O ..................................................................................... 52
Hình 3.1. Mơ hình pin quang điện trong Matlab/Simulink ............................................... 57
Hình 3.2. Mơ hình khối pin quang điện ............................................................................. 60
Hình 3.3. Đặc tính I-V và P-V với lượng bức xạ khác nhau G=1; 0,75; 0,5; 0,25 kW/m2 60
Hình 3.4. Mơ hình mạch boost .......................................................................................... 61
Hình 3.5. Mơ hình điều khiển mạch boost MPPT ............................................................. 61
Hình 3.6. Mơ hình khối ắc quy (Battery bank) .................................................................. 61
Hình 3.7. Sơ đồ khối mơ hình mơ phỏng hệ thống nghiên cứu ......................................... 62
Hình 3.8. Cường độ bức xạ nhận được .............................................................................. 63
Hình 3.9. Điện áp của hệ thống pin quang điện ................................................................. 63

Hình 3.10. Dòng điện của hệ thống pin quang điện .......................................................... 63
Hình 3.11. Điện áp đầu ra DC link .................................................................................... 64
Hình 3.12. Cơng suất phát của hệ thống NLMT ................................................................ 64
Hình 3.13. Điện áp đầu ra của hệ thống NLMT ................................................................ 64
Hình 3.14. Dòng điện của acquy ........................................................................................ 64
Hình 3.15. Dòng điện và SOC% của acquy ....................................................................... 65

10


11


I. MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Tình trạng ơ nhiễm môi trường sống ngày càng trầm trọng như hiện nay càng
đẩy mạnh tầm quan trọng của các nguồn năng lượng tái tạo. Trong các nguồn năng
lượng xanh phổ biến trên thế giới, năng lượng mặt trời là một trong những nguồn
năng lượng tái tạo nhận được sự quan tâm nhiều nhất của nhiều nước trên thế giới.
Tại các nước phát triển nguồn năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng mặt
trời nói riêng đã đồng hành cũng con người trong nhiều mặt của cuộc sống, bởi
nguồn tài nguyên thiên nhiên này có ưu thế: Sạch, chi phí nhiên liệu và bảo dưỡng
thấp, an toàn cho người sử dụng… Đồng thời, phát triển ngành công nghiệp sản
xuất pin năng lượng mặt trời sẽ góp phần thay thế các nguồn năng lượng hóa
thạch, giảm phát khí thải nhà kính, bảo vệ môi trường. Đây được coi là nguồn năng
lượng quý giá, có thể thay thế những dạng năng lượng cũ đang ngày càng cạn kiệt.
Việt Nam nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời cao, khí hậu nhiệt đới.
Vị trí địa lý đặc biệt này là một thuận lợi tự nhiên của Việt Nam trong việc phát
triển năng lượng mặt trời.
Chính vì lý do trên, tác giả mong muốn thực hiện luận văn cao học với đề tài

“Nghiên cứu mơ hình hóa hệ thống năng lượng mặt trời kết hợp ắc quy tại
ECOPARK Hưng Yên”.
2. Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan lý thuyết về năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng
mặt trời nói riêng
- Nghiên cứu xây dựng mơ hình hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới trong
Matlab/Simulink
- Mô phỏng hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới thực tế tại Ecopark Hưng Yên,
so sánh kết quả đo được với kết quả tính tốn

12


3. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết hệ thống năng lượng mặt trời
- Nghiên cứu mơ hình mơ phỏng từng phần tử trong hệ thống năng lượng mặt
trời nối lưới có nguồn ắc quy
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng: Hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới 8kWp sử dụng nguồn ắc quy
tại Ecopark Hưng Yên
- Phạm vi nghiên cứu: lý thuyết và mô hình tính tốn
5. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết
- Xây dựng mơ hình mơ phỏng trong Matlab/Simulink
6. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu xây dựng mô hình hệ thống nối lưới sử dụng nguồn năng lượng mặt
trời kết hợp ắc quy tại Ecopark Hưng Yên
- Kiểm định kết quả mô phỏng và kết quả đo được tại cơ sở
7. Bố cục của luận văn
Luận văn được chia làm ba chương:

Chương 1: Hiện trạng ứng dụng Năng lượng mặt trời tại Việt Nam
Chương 2: Phương pháp nghiên cứu xây dựng mơ hình hóa trong Matlab/
Simulink
Chương 3: Mơ phỏng hệ thống năng lượng mặt trời tại Ecopark Hưng Yên

13


II. NỘI DUNG
Luận văn bao gồm: Phần mở đầu, kết luận, phụ lục, danh mục tài liệu tham khảo,
và nội dung của đề tài có 03 chương sau:
Chương 1: Hiện trạng ứng dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam
Chương 2: Phương pháp nghiên cứu xây dựng mơ hình hóa trong Matlab/Simulink
Chương 3: Mô phỏng hệ thống năng lượng mặt trời tại Ecopark Hưng Yên

14


CHƯƠNG I: HIỆN TRẠNG ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT
TRỜI TẠI VIỆT NAM
Năng lượng là yếu tố vô cùng quan trọng cho sự phát triển của mỗi quốc gia.
Xã hội càng phát triển thì nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng cao. Nguồn năng
lượng mà chúng ta sử dụng ngày nay chủ yếu là năng lượng hóa thạch như: than
đá, dầu mỏ, các sản phẩm từ dầu mỏ, khí đốt. Nguồn năng lượng này là hữu hạn,
nó chỉ có thể đảm bảo cho nhu cầu về năng lượng của con người trong một thời
gian nhất định. Khai thác năng lượng tái tạo để thay thế nguồn năng lượng hóa
thạch vốn đang dần cạn kiệt, và hơn nữa là hạn chế sự biến đổi đến mức cực đoan
của khí hậu đang là xu hướng chung và tất yếu trên toàn thế giới. Trong đó cơng
nghệ về năng lượng mặt trời đang được thế giới chú trọng phát triển để khai thác.
Trong chương I, tác giả sẽ trình bày một nghiên cứu tổng quan về các dạng

năng lượng tái tạo và hiện trạng khai thác nguồn năng lượng này tại Việt Nam.

1.1. Tổng quan về các dạng năng lượng tái tạo
Năng lượng tái tạo [1,2] là những nguồn năng lượng vô hạn, liên tục, có khả
năng tái sinh như: năng lượng mặt trời, gió, mưa, thủy triều, sóng và địa nhiệt.
Dạng năng lượng này được coi là vô hạn do hàm chứa hai ý nghĩa:
•

Năng lượng tồn tại nhiều đến mức mà không thể trở nên cạn kiệt do sự khai
thác, sử dụng của con người. Ví dụ: Năng lượng mặt trời, năng lượng gió.

•

Năng lượng tự tái sinh trong thời gian ngắn và liên tục trong các quy trình tự
nhiên diễn ra trong một thời gian dài trên trái đất. Ví dụ: năng lượng sinh
khối.

15


Hình 1.1: Các dạng năng lượng tái tạo
[Nguồn www.renewableenergy.org.vn]

1.1.1. Năng lượng gió
Năng lượng gió là động năng của khơng khí di chuyển trong bầu khí quyển
của trái đất. Do trái đất quay quanh mặt trời, bức xạ Mặt Trời chiếu xuống bề mặt
Trái Đất không đồng đều làm cho bầu khơng khí, nước nóng lên khơng đều nhau
gây ra sự chênh lệch nhiệt độ và áp suất tạo thành gió.
Gió là một quá trình địa vật lý rất phức tạp vì vậy chỉ có thể dự báo sự biến
đổi với xác suất nhất định. Đặc tính quan trọng nhất đánh giá động năng của gió là

vận tốc. Dưới ảnh hưởng của hàng loạt các yếu tố khí tượng và điều kiện về địa
hình tốc độ gió thay đổi cả về giá trị và hướng. Để khai thác năng lượng gió người
ta sử dụng các tuabin gió đặt tại các nơi có độ cao lớn.
Một hệ thống chuyển đổi năng lượng gió hiện đại bao gồm: Tuabin gió (gồm
2 loại trục ngang và trục đứng), tháp đỡ, hộp truyền động (gear box), máy phát
điện, bộ biến đổi công suất, thiết bị truyền tải kết nối lưới điện, hệ thống điều
khiển, giám sát và bảo vệ.
Việt Nam với đặc điểm địa lý lợi thế, đường bờ biển trải dài hơn 3.000 km và
khí hậu cận nhiệt đới gió mùa, đã được khảo sát và đánh giá có tiềm năng gió lớn
trong khu vực. Theo báo cáo của Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN), tính đến hết

16


ngày 31/10/2021, Việt Nam đã có 88 dự án điện gió hòa lưới với tổng cơng suất
đặt khoảng 4,2 GW; đối với điện gió ngoài khơi, hiện đã có 35 dự án đang nghiên
cứu và triển khai với tổng công suất dự kiến lên đến 60 GW.
Bảng 1.1: Quy hoạch điện gió các vùng dự kiến đến năm 2030

Bảng 1.2: Sản lượng điện gió tăng trưởng qua các năm tại Châu Á [2]

Gió là một nguồn năng lượng có khả năng tái tạo và việc sử dụng nó khơng
tạo ra các chất độc hại như nhiên liệu hóa thạch. Đây là một trong những dạng
năng lượng mang lại hiệu quả cao nhất, nó có thể trở thành một trong những nguồn
năng lượng chính cho các thế hệ tương lai. Mặc dù năng lượng gió có nhiều ưu
điểm, nhưng nó cũng có những hạn chế riêng.
17


- Ưu điểm: Nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm mơi trường. Tiềm năng

lớn, có thể lắp đặt ở mọi nơi đủ gió cần thiết, khu vực lân cận vẫn sử dụng được
mục đích khác. Hiệu quả kinh tế, chi phí vận hành thấp, giá lắp đặt đang giảm.
- Nhược điểm: Phụ thuộc vào thời tiết, khơng có gió hoặc gió khơng đủ mạnh sẽ
khơng thể khai thác được. Ô nhiễm tiếng ồn, gây khó chịu đến khu dân cư xung
quanh. Các tuabin đặt ngoài khơi cần có thuyền phục vụ công tác bảo dưỡng gây
mất thời gian và tốn kém. Đe doạ động vật hoang dã, nhiều loài chim, dơi chết do
bay vào cánh quạt. Rủi ro thiên tai, những cơn bão có thể làm thiệt hại đến cánh
tuabin, rơi vỡ nguy hiểm đến tính mạng người làm việc quanh khu vực đó.
1.1.2. Năng lượng mặt trời
Năng lượng mặt trời là một trong các nguồn năng lượng tái tạo quan trọng
nhất mà thiên nhiên ban tặng cho hành tinh chúng ta đồng thời nó cũng là nguồn
gốc của các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, năng lượng sinh
khối, năng lượng các dịng sơng.
Năng lượng mặt trời là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ Mặt
Trời, cộng với một phần nhỏ năng lượng của các hạt nguyên tử khác phóng ra từ
ngôi sao này.
Năng lượng mặt trời được phát hiện và biết đến từ rất sớm, tuy nhiên mãi đến
thế kỉ XVIII thì chúng mới được ứng dụng vào sản xuất. Cho đến thời điểm hiện
tại, hai ứng dụng chủ yếu năng lượng mặt trời là nhiệt mặt trời và điện mặt trời.

Hình 1.2: Hệ thống điện mặt trời

18


Việt Nam có tiềm năng lớn phát triển điện mặt trời: số giờ nắng trung bình của
miền Bắc từ 1.500 - 1.700 giờ/năm, cường độ bức xạ mặt trời trung bình 3,69
kWh/m2; khu vực Trung Bộ và Nam Bộ 2.000 - 2.600 giờ/năm, cường độ bức xạ
5,9 kWh/m2. Hiện tại Việt Nam hiện xếp thứ 8 trong top 10 nơi có cơng suất lắp
đặt năng lượng mặt trời lớn nhất thế giới với 16.504MW, chiếm 2,3% tồn cầu.

Cơng suất trên đầu người của Việt Nam là 60W/người...
Bảng 1.3: Top 10 quốc gia có sản lượng điện mặt trời lớn nhất [2]

Năng lượng mặt trời đã và đang dẫn đầu trong các nguồn năng lượng xanh
tổng thể. Có rất nhiều ưu điểm của năng lượng mặt trời như: dễ tiếp cận công
chúng, thực hiện trách nhiệm xã hội để giảm lượng khí thải carbon, giúp cắt giảm
hóa đơn tiền điện và tiết kiệm tiền, nâng cao khả năng phục hồi và độ tin cậy của
cung cấp điện, bảo hành thời gian dài và chi phí bảo trì thấp, khơng gây tiếng ồn.
Bên cạnh nhiều ưu điểm nổi bật như trên thì năng lượng mặt trời cũng tồn tại
các nhược điểm cơ bản. Chi phí đầu tư ban đầu còn tương đối cao, bị ảnh hưởng
nhiều bởi thời tiết, khơng có hiệu quả với các nước có ít ánh nắng, ban đêm khơng
thể sản xuất ra điện. Bụi bẩn, cây cối, tịa nhà cao tầng che chắn cũng có thể ảnh
hưởng đến quá trình thu năng lượng. Dù sao thì những nhược điểm trên cũng
không đáng kể so với phần ưu lợi thế để phát triển mạnh mẽ.
1.1.3. Năng lượng sinh khối
Sinh khối bao gồm cây cối tự nhiên, cây trồng công nghiệp, tảo và các loài
thực vật khác, hoặc là những bã nông nghiệp và lâm nghiệp. Sinh khối cũng bao
gồm cả những vật chất được xem như chất thải từ xã hội con người như chất thải từ
quá trình sản xuất thức ăn nước uống, bùn từ các hệ thống xử lý nước thải, phân
19


bón, sản phẩm phụ gia (hữu cơ) trong cơng nghiệp và các thành phần hữu cơ của
chất thải sinh hoạt. Từ các nguồn sinh khối được chuyển thành các dạng năng
lượng khác như: điện năng, nhiệt năng, hơi nước và nhiên liệu thơng qua các
phương pháp chuyển hóa như đốt trực tiếp và turbin hơi, phân hủy kị khí, khí hóa
và nhiệt phân… Các dạng năng lượng này gọi là năng lượng sinh khối (NLSK).
Năng lượng sinh khối được xem là tái tạo vì nó được bổ sung nhanh hơn rất nhiều
so với tốc độ bổ sung của năng lượng hóa thạch vốn đòi hỏi hàng triệu năm.
Năng lượng sinh khối có thể giảm thiểu sự phụ thuộc vào năng lượng hóa

thạch đắt đỏ và đang dần cạn kiệt. Khơng phụ thuộc vào xăng dầu tăng cường an
ninh quốc gia. Cơng nghệ sản xuất NLSK khơng q phức tạp có thể sản xuất ở
quy mơ nhỏ (hộ gia đình) đến quy mô lớn. Nâng cao hiệu quả kinh tế nông nghiệp.
Kích thích thu hoạch nhiên liệu đầu vào tạo ra nhiều cơ hội việc làm tăng thu nhập
cho người nông dân. Sử dụng NLSK so với xăng dầu giảm khoảng được 70% khí
CO2 và 30% khí độc hại, do NLSK chứa một lượng cực nhỏ lưu huỳnh, chứa 11%
oxy, nên cháy sạch hơn. Năng lượng sinh khối phân hủy sinh học nhanh, ít gây ơ
nhiễm nguồn nước và đất. Nhược điểm của năng lượng sinh khối là chi phí sản
xuất cao nên giá thành điện cao. Chi phí đầu tư cao và hiệu quả có thể khơng bằng
các nguồn năng lượng khác.
Tiềm năng NLSK của Việt Nam vô cùng phong phú, trữ lượng lớn. Cụ thể:
Tiềm năng sinh khối từ gỗ củi vào khoảng 10,6 triệu tấn dầu quy đổi năm 2010,
14,6 triệu tấn vào năm 2030 và 14 triệu tấn vào năm 2050; phế thải từ nông nghiệp
vào khoảng 16,8 triệu tấn năm 2010, 20,6 triệu tấn vào năm 2030 và 26,3 triệu tấn
vào năm 2050; từ rác thải đô thị vào khoảng 0,64 triệu tấn vào năm 2010, 1,5 triệu
tấn vào năm 2030 và 2,5 triệu tấn vào năm 2050… Việc phát triển được năng
NLSK sẽ không chỉ giúp tận dụng được kho dự trữ sinh học vô cùng phong phú
của Việt Nam mà còn tăng trưởng kinh tế, giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường.
1.1.4. Năng lượng thủy điện
Thủy điện là nguồn điện có được từ năng lượng nước. Đa số năng lượng thủy
điện có được từ thế năng của nước được tích tại các đập nước làm quay một tua bin
20


nước và máy phát điện. Kiểu ít được biết đến hơn là sử dụng năng lượng động lực
của nước hay các nguồn nước khơng bị tích bằng các đập nước như năng lượng
thuỷ triều. Thủy điện là nguồn năng lượng có thể hồi phục.
Sử dụng nước tự nhiên để phát điện nên giá thành điện năng thủy điện rẻ hơn
so với nhiệt điện (10 – 20%) đây là lợi thế lớn nhất của thủy điện. Hiệu suất của
nhà máy thủy điện cũng cao hơn nhà máy nhiệt điện. Không gây ơ nhiễm mơi

trường do khơng phát thải khí. Có khả năng trị thủy tích nước vào mùa lũ để hạn
chế nước xuống hạ lưu. Cho phép phát điện mức thấp vào giờ thấp điểm để tích
nước phát điện vào giờ cao điểm. Các đập đa dụng được lắp đặt để phục vụ tốt cho
tưới tiêu nuôi trồng thủy sản. Thuận tiện cho giao thơng đường thủy vì dịng chảy
ổn định hơn. Những hồ chứa trở thành điểm thu hút khách du lịch.
Nhược điểm của thủy điện là thời gian xây dựng nhà máy lâu, vốn đầu tư
tương đối lớn. Để làm hồ trữ nước lớn cần phải di dân, xây dựng khu tái định cư,
trồng lại rừng. Phá hủy hệ sinh thái vốn có ảnh hưởng đến mơi trường sống, sự
phát triển của sinh vật tự nhiên. Những vụ xả lũ bất ngờ có thể cuốn trơi hoa màu,
tàn phá nhà cửa và cướp đi sinh mạng nhiều người.
Việt Nam nằm trong vùng nhiệt đới, có lượng mưa trung bình hàng năm cao,
khoảng 1.800 - 2.000mm. Với địa hình miền Bắc và biên giới miền Tây đồi núi
cao, phía Đơng là bờ biển dài trên 3.400km nên nước ta có hệ thống sông ngòi khá
dày đặc, với hơn 3.450 hệ thống.
Và với điều kiện tự nhiên thuận lợi như vậy nên tiềm năng thuỷ điện của nước
ta tương đối lớn. Theo tính tốn lý thuyết, tổng cơng suất thủy điện của nước ta
vào khoảng 35.000MW, trong đó 60% tập trung tại miền Bắc, 27% phân bố ở miền
Trung và 13% thuộc khu vực miền Nam. Tiềm năng kỹ thuật (tiềm năng có thể
khai thác khả thi) vào khoảng 26.000MW, tương ứng với gần 970 dự án được quy
hoạch, hàng năm có thể sản xuất hơn 100 tỷ kWh, trong đó nói riêng thuỷ điện nhỏ
có tới 800 dự án, với tổng điện năng khoảng 15 - 20 tỉ kWh/năm. Ở Việt Nam thủy
điện vẫn là nguồn năng lượng chính cung cấp chủ yếu cho lưới điện quốc gia.
Trong đó phải kể đến các nhà máy thủy điện lớn như Hòa Bình, Sơn La…..
21


1.2. Năng lượng mặt trời và hệ thống pin mặt trời
1.2.1. Mặt trời và bức xạ mặt trời
Mặt trời [3] là một khối khí hình cầu có đường kính 1,390.106 km (lớn hơn
110 lần đường kính trái đất), cách xa trái đất 150.106 km. Khối lượng mặt trời

khoảng M0 = 2.1030 kg. Nhiệt độ T0 tại trung tâm mặt trời thay đổi trong khoảng từ
10.106 K đến 20.106 K, trung bình khoảng 15600000 K. Ở nhiệt độ như vậy vật
chất không thể giữ trật tự cấu trúc thông thường gồm các nguyên tử và phân tử. Nó
trở thành nguồn plasma, trong đó các hạt nhân của nguyên tử chuyển động tách
biệt với các electron. Khi quan sát tính chất của vật chất nguội hơn trên bề mặt
nhìn thấy được của mặt trời, các nhà khoa học đã kết luận rằng có phản ứng nhiệt
hạch xảy ra ở trong lòng mặt trời.

Hình 1.3: Cấu trúc của mặt trời [3]

Vật chất của mặt trời bao gồm Hydrogen 73,46%, Helium 24,85%, Oxygen
0,77%, Carbon 0,29%, Iron 0,16%, Neon 0,12%, Nitrogen 0,09%, Silicon 0,07%,
Magnesium 0,05%, Sulfur 0,04%. Nguồn năng lượng bức xạ của mặt trời chủ yếu
là do phản ứng nhiệt hạch tổng hợp hạt nhân Hydro, phản ứng này tạo thành Heli.
Thông thường điện tích cùng dấu sẽ đẩy nhau nhưng ở nhiệt độ đủ cao chuyển

22


động của chúng nhanh tới mức chúng có thể kết hợp với nhau nhờ lực hút. Khi đó
cứ 4 hạt nhân Hydro tạo ra 1 hạt nhân Heli, 2 Neutrino và 1 lượng bức xạ γ
4H11 => He24 + 2 Neutrino + γ

(1)

Mỗi ngày mặt trời sản xuất một nguồn năng lượng qua phản ứng nhiệt hạch
lên tới 9.1024kWh. Phần năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt trái đất trong
những ngày quang đãng ở thời điểm cao nhất vào khoảng 1.000W/m 2. Sự mất mát
năng lượng trên quãng đường đó gắn liền với sự tán xạ, hấp thụ bức xạ và phụ
thuộc vào thời gian trong ngày, mùa, vị trí địa lý.

Hình 1.4: Q trình truyền bức xạ mặt trời qua bầu khí quyển đến trái đất [3]

Quan hệ giữa bức xạ mặt trời ngoài khí quyển và thời gian trong năm có thể
xác định theo phương trình sau:
Eng = E0 (1 + 0.033. cos

360.n
365

) [W/m2]

(2)

Với Eng là bức xạ ngoài khí quyển được đo trên mặt phẳng vng góc với tia
bức xạ vào ngày thứ n trong năm.

23


1.2.2. Pin mặt trời
Pin mặt trời [1, 3]là phương pháp sản xuất điện năng trực tiếp từ năng lượng
mặt trời nhờ các tế bào quang điện bán dẫn được chế tạo từ các vật liệu bán dẫn
điện. Ưu điểm của PMT là gọn nhẹ có thể lắp ở bất kì đâu miễn là có bức xạ mặt
trời.

Hình 1.5: Pin mặt trời

Vật liệu cấu tạo nên PMT là các bán dẫn silic tinh khiết. PMT silic có thể chia
thành 3 loại như sau:

- Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên q trình
Czochralski có tên gọi là mono crysatalline. Đơn tinh thể loại này có hiệu
suất tới 16%. Chúng thường rất đắt tiền do được cắt từ các thỏi hình ống, các
tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module.
- Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc: đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm
nguội và làm rắn. Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu
suất kém hơn. Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề
mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó.
- Dải silic: tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa
tinh thể, Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhất
trong các loại vì khơng cần phải cắt từ thỏi silicon.

24


Các cơng nghệ trên là sản suất tấm, nói cách khác, các loại trên có độ dày 300
μm tạo thành và xếp lại để tạo nên module.

Hình 1.6: Quy trình chế tạo pin mặt trời

Hình 1.7: Ngun lí hoạt động pin mặt trời [3]

25