Một số đánh giá kinh tế kỹ thuật đối với việc ứng dụng và thiết kế hệ thống điện sử dụng năng lượng mặt trời trong các xí nghiệp công nghiệp tại việt nam

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công
trình nào khác.
Tác giả luận văn
Ký và ghi rõ họ tên

Nguyễn Ngọc Long

1


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ...................................................5
DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................6
DANH MỤC CÁC HÌNH .........................................................................................7
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................8
1. Lý do chọn đề tài ...................................................................................................8
2. Mục đích nghiên cứu.............................................................................................9
3. Đối tượng nghiên cứu ...........................................................................................9
4. Phạm vi và phương pháp nghiên cứu ..................................................................10
5. Nội dung ..............................................................................................................10
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI .....................12
1.1.

Những ứng dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam.........................................12

1.1.1. Tiềm năng năng lượng mặt trời ...................................................................12
1.1.2. Ứng dụng năng lượng mặt trời ....................................................................12
1.1.3. Các dự án năng lượng mặt trời ....................................................................13
1.2.

Pin mặt trời ......................................................................................................16

1.2.1. Đặc tính làm việc của pin mặt trời. .............................................................18
1.2.2. Ứng dụng của pin mặt trời. ..........................................................................22
1.2.3. Tấm năng lượng mặt trời. ............................................................................22
1.2.4. Cách ghép nối các tấm năng lượng mặt trời. ...............................................23
1.2.5. Giới thiệu Pin mặt trời PV-MLT265HC .....................................................26
1.3.

Bộ lưu trữ năng lượng (ắc quy).......................................................................29

1.3.1. Các loại ắc quy. ...........................................................................................30
1.3.2. Các đặc tính của ắc quy. ..............................................................................31
1.3.3. Chế độ làm việc của ắc quy (xét ắc quy chì - axit)......................................32
1.3.4. Các chế độ của bộ nguồn nạp ắc quy ..........................................................32
1.3.5. Các chế độ làm việc đặc biệt của ắc quy chì – axit ứng dụng trong hệ thống
tích hợp điện mặt trời .............................................................................................36
1.3.6. Các tiêu chí lựa chọn ắc quy khi kết nối lưới điện ......................................37
1.4.

Yêu cầu về hòa đồng bộ hệ thống điện mặt trời vào lưới phân phối ..............37
2


1.4.1. Công suất .....................................................................................................37
1.4.2. Tần số ..........................................................................................................38
1.4.3. Điện áp .........................................................................................................38
1.4.4. Dòng điện ....................................................................................................38
1.4.5. Bảo vệ ..........................................................................................................38

1.4.6. Đồng vị pha trong hai hệ thống lưới ............................................................38
1.5.

Kết luận chương 1 ...........................................................................................39

CHƢƠNG 2. XÂY DỰNG QUY TRÌNH THIẾT KẾ VÀ ĐÁNH GIÁ KINH
TẾ CHO HỆ THỐNG TÍCH HỢP ĐIỆN MẶT TRỜI .......................................40
2.1. Đánh giá khả năng phát điện của hệ thống pin mặt trời trong thiết kế ..............40
2.1.1 Tính lượng tiêu thụ điện của phụ tải mà hệ thống điện mặt trời cung cấp ...40
2.1.2. Tính toán công suất và số lượng pin mặt trời cần sử dụng ..........................40
2.2. Tính toán bộ inverter .........................................................................................41
2.3. Tính toán lựa chọn hệ thống ắc quy. ..................................................................42
2.4. Lựa chọn hệ thống điều khiển sạc ......................................................................43
2.5. Sơ đồ hệ thống năng lượng pin mặt trời. ..............................................................44
2.6.

Hòa hệ thống điện mặt trời vào lưới. ..............................................................45

2.6.1. Xác định điện áp E để hệ số công suất cao..................................................46
2.6.2. Xác định góc lệch
2.6.3. Điều khiển góc lệch

để I = const .................................................................46
theo yêu cầu............................................................47

2.6.4. Inverter làm việc ổn định khi Vdc thay đổi ..................................................47
2.7.

Thiết kế mạch động lực hệ thống điện mặt trời. .............................................48

2.7.1. Sơ đồ khối mạch động lực ...........................................................................49
2.7.2. Các thông số kỹ thuật ..................................................................................49
2.7.3. Bộ chuyển đổi DC-DC ................................................................................49
2.7.4. Thiết kế bộ chuyển đổi DC-DC ...................................................................50
2.7.5. Thiết kế bộ chuyển đổi DC-AC ..................................................................51
2.8.

Đánh giá kinh tế cho một hệ thống điện mặt trời tích hợp. ............................52

2.8.1. Các cơ sở đánh giá .......................................................................................52
2.8.2. Cơ cấu vốn và tổng mức đầu tư ...................................................................53
3


2.8.3. Phân tích hiệu quả kinh tế tài chính .............................................................57
2.9. Kết luận chương 2 ..............................................................................................60
CHƢƠNG 3. ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ VIỆC ỨNG DỤNG ĐIỆN MẶT TRỜI
CHO NHÀ MÁY XI MĂNG KIÊN LƢƠNG – KIÊN GIANG ..........................61
3.1 Đặt vấn đề ...........................................................................................................61
3.2 Hiện trạng nguồn điện của Nhà máy xi măng Kiên Lương ................................62
3.2.1 Nhu cầu công suất cho phụ tải chiếu sáng của nhà máy ...............................65
3.3. Mô phỏng thiết kế hệ thống tích hợp điện mặt trời cho chiếu sáng các phân
xưởng của nhà máy xi măng Kiên Lương. ................................................................67
3.3.1 Các điều kiện tự nhiên ảnh hưởng và mặt bằng bố trí hệ thống ...................67
3.3.2. Vị trí lắp đặt hệ thống pin và phân bố tải trong nhà máy.............................69
3.3.3 Tính toán cân bằng công suất, dự kiến sơ đồ tích hợp hệ thống điện mặt trời
................................................................................................................................69
3.3.4 Lựa chọn và kiểm tra các thiết bị của hệ thống điện mặt trời .......................73
3.4. Phân tích hiệu quả kinh tế của hệ thống.............................................................75
3.4.1. Các cơ sở đánh giá .......................................................................................75

3.4.2. Cơ cấu vốn và tổng mức đầu tư ...................................................................76
3.4.3. Nhu cầu vốn và tiến độ sử dụng vốn ............................................................78
3.4.4. Cơ sở tính hiệu quả ......................................................................................79
3.4.5. Các điều kiện phân tích hiệu quả kinh tế - tài chính ....................................79
3.5. Kết luận chương 3 ..............................................................................................83
KẾT LUẬN CHUNG ..............................................................................................84
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ...............................................................85
PHỤ LỤC .................................................................................................................87

4


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
EVN
IRR
HTĐ
LĐPP
LĐTT
NPV
PC
PV
TBA

Electricity of Vietnam (Tập đoàn Điện lực Việt Nam)
Internal Return Rate (Tỷ suất hoàn vốn nội bộ)
Hệ thống điện
Lưới điện phân phối
Lưới điện truyền tải
Net Present Value (Giá trị hiện tại ròng)
Power Company (Công ty Điện lực)

Photovoltaic (quang điện)
Trạm biến áp

5


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Vĩ độ và góc đặt của module so với mặt đất
Bảng 1.2. Thông số kỹ thuật của PV-MLT265HC
Bảng 2.1: Đặc điểm kỹ thuật của hệ thống
Bảng 2.2: Các thông số của Tranzitor trường
Bảng 2.3: Các thông số của điốt chỉnh lưu
Bảng 2.4 Bảng tổng mức đầu tư cho một hệ thống điện mặt trời điển hình 50Kw
Bảng 2.5 Bảng tổng hợp các chỉ tiêu của một hệ thống điện mặt trời
Bảng 3.1 Các trạm điện phân xưởng nhà máy xi măng Kiên Lương
Bảng 3.2 Công suất phụ tải của nhà máy xi măng Kiên Lương
Bảng 3.3 Nhu cầu phụ tải chiếu sáng của nhà máy xi măng Kiên Lương
Bảng 3.4 Thời tiết một ngày điển hình trong năm của tỉnh Kiên Giang
Bảng 3.5 Bức xạ mặt trời trung bình trong năm của tỉnh Kiên Giang
Bảng 3.6 Nhiệt độ trung bình trong năm của tỉnh Kiên Giang
Bảng 3.7: Đồ thị bức xạ của một ngày nắng điển hình ở Kiên Giang
Bảng 3.8: Đồ thị bức xạ của một ngày mưa điển hình ở Kiên Giang
Bảng 3.9: Biểu đồ công suất phát của hệ thống ngày nắng
Bảng 3.10: Biểu đồ công suất phát của hệ thống ngày mưa
Bảng 3.11Các thiết bị khác của hệ thống
Bảng 3.12 Nhu cầu vốn và tiến độ sử dụng vốn
Bảng 3.13 Tổng hợp các chỉ tiêu của hệ thống điện mặt trời nhà máy xi măng Kiên
Lương
Bảng 3.14 Ảnh hưởng của vốn đầu tư đến IRR và NPV

6


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Cấu tạo của pin mặt trời
Hình 1.2: Đường đặc tính làm việc U-I của pin mặt trời
Hình 1.3: Sơ đồ tương đương của pin mặt trời
Hình 1.4. Sự phụ thuộc của đặc trưng VA của pin mặt trời vào cường độ bức xạ mặt
trời.
Hình 1.5 Sự phụ thuộc của đường đặc tính của pin mặt trời vào nhiệt độ
Hình 1.6 Đường đặc tính tải và đặc tính của pin mặt trời
Hình 1.7 Ghép nối tiếp hai môđun pin mặt trời (a) và đường đặc trưng VA của các môđun và của
cả hệ (b)
Hình 1.8 Ghép song song hai môđun pin mặt trời (a) và đường đặc trưng VA của các môđun và
của cả hệ (b)
Hình 1.9. Điốt nối song song với môđun để bảo vệ môđun và dàn pin mặt trời.
Hình 1.10. Sơ đồ khối pin mặt trời PV- MLT265HC
Hình 1.11. Góc nghiêng của tấm pin
Hình 1.12.Kích thước của tấm pin PV-MLT265HC
Hình 1.13 Các chế độ nạp ắc quy
Hình 1.14 Sơ đồ chuyển trạng thái logic quá trình nạp ắc quy tự động
Hình 2.1.Sơ đồ điều khiển hệ thống nối lưới NLMT
Hình 2.2 Sơ đồ kết nối nguồn năng lượng mặt trời với lưới
Hình 2.3 Sơ đồ kết nối tương đươn
Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý kết nối điều khiển
Hình 2.5.Sơ đồ khối mạch động lực
Hình 2.6. Bộ chuyển đổi DC-DC
Hình 2.7. Bộ chuyển đổi DC-AC
Hình 3.1 Sơ đồ phân phối điện của nhà máy xi măng Kiên Lương
Hình 3.2: Đặc tính pin mặt trời phụ thuộc cường độ bức xạ

7


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Việc sử dụng nguồn năng lượng sạch thay thế nguồn năng lượng dầu mỏ đang
cạn kiệt được xem là lời giải tối ưu cho bài toán thiếu hụt về năng lượng cũng như
nạn ô nhiễm môi trường trên thế giới. Hệ thống đèn chiếu sáng dùng năng lượng
mặt trời là một trong những ứng dụng có ý nghĩa, áp dụng các kỹ thuật tiên tiến
hiện đại nhằm tiết kiệm năng lượng, chi phí, cũng như góp phần vào việc tạo được
hình ảnh một Việt Nam xanh.
Ngày nay với tình hình dân số và nền công nghiệp phát triển không ngừng,
năng lượng càng thể hiện rõ vai trò quan trọng và trở thành yếu tố không thể thiếu
trong cuộc sống. Tuy nhiên trong khi nhu cầu sử dụng năng lượng đang ngày càng
gia tăng thì các nguồn năng lượng truyền thống được khai thác sử dụng hàng ngày
đang dần cạn kiệt và trở nên khan hiếm. Một số nguồn năng lượng đang được sử
dụng như nguồn nguyên liệu hoá thạch (dầu mỏ, than đá...) đang cho thấy những
tác động xấu đến môi trường, gây ô nhiễm bầu khí quyển như gây hiệu ứng nhà
kính, thủng tầng ozôn, là một trong những nguyên nhân làm trái đất ấm dần lên.
Các khí thải ra từ việc đốt các nguyên liệu này đã gây ra mưa axit, gây hại cho
môi trường sống của con người. Còn nguồn năng lượng thuỷ điện (vốn cũng được
coi là một loại năng lượng sạch) thì cũng không đáp ứng được nhu cầu tiêu thụ
điện hiện nay trong khi tình trạng mức nước trong hồ chứa thường xuyên xuống
dưới mực nước chết. Trước tình hình đó, vấn đề phải tìm được những nguồn năng
lượng mới để đáp ứng nhu cầu sử dụng năng lượng đang lớn mạnh hàng ngày,
thay thế những nguồn năng lượng có hại cho môi trường hoặc đang cạn kiệt đang
trở nên cấp thiết, đòi hỏi nhiều sự quan tâm.([1,2,7])
So với những nguồn năng lượng mới đang được khai thác sử dụng như năng
lượng gió, năng lượng hạt nhân. Năng lượng mặt trời được coi là một nguồn năng

lượng rẻ, vô tận, là một nguồn năng lượng sạch không gây hại cho môi trường
đang thu hút sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học, nhà nghiên cứu và sẽ trở

8


thành nguồn năng lượng tốt nhất trong tương lai. Hệ thống quang điện sử dụng
năng lượng mặt trời
(Hệ pin mặt trời) có nhiều ưu điểm như không cần nguyên liệu, không gây ô
nhiễm môi trường, ít phải bảo dưỡng, không gây tiếng ồn([7]). Hiện nay năng lượng
mặt trời đã được khai thác và đưa vào ứng dụng trong cuộc sống cũng như trong
công nghiệp dưới nhiều dạng và hình thức khác nhau, thông thường để cấp nhiệt và
điện.

2. Mục đích nghiên cứu
Luận văn tìm hiểu tổng quan các yêu cầu đối với hệ thống pin năng lượng
mặt trời nhằm đánh giá khả năng tích hợp vào hệ thống phân phối điện; nghiên cứu
quy trình thiết kế một hệ thống điện sử dụng năng lượng mặt trời trong nhà máy, xí
nghiệp, tìm hiểu phương pháp và các bước đánh giá hiệu quả kinh tế đối với hệ
thống thiết kế.
Bên cạnh đó luận văn cũng thực hiện việc tính toán cụ thể nhằm mô phỏng
khả năng và hiệu quả áp dụng năng lượng mặt trời cho một nhà máy xi măng thực
tế tại Việt Nam.

3. Đối tƣợng nghiên cứu
Luận văn dự kiến thực hiện các đánh giá và tính toán mổ phỏng trên cơ sở hệ
thống điện mặt trời áp dụng cho nhà máy, xí nghiệp công nghiệp; tính toán áp dụng
cho mô hình nhà máy thực tế ở Việt Nam.
Cụ thể hệ thống điện mặt trời sẽ gồm:
•

Hệ thống hấp thụ: các tấm pin mặt trời nối ghép lại

•

Điều tiết và lưu trữ năng lượng: bộ điều khiển sạc và ac-quy

•

Hệ thống tiêu thụ: hệ thống đèn chiếu sáng sử dụng nguồn điện một chiều.
Ngoài ra, đối với hệ thống có tải sử dụng nguồn điện xoay chiều, hệ thống có

thêm bộ chuyển đổi điện (inverter), chuyển điện một chiều thành xoay chiều. Các
thành phần của hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời là đối tượng nghiên
cứu trong luận văn gồm có:

9


A: Tấm pin mặt trời: Tấm pin mặt trời có chức năng hấp thụ quang năng từ
mặt trời, chuyển đổi thành năng lượng điện. Tấm gồm tập hợp các tế bào quang
điện, được nối ghép lại tạo công suất khác nhau tùy vào mục đích sử dụng. Việc
tính toán, lựa chọn công suất của hệ thống được tính toán dựa trên các yếu tố về địa
lý, số ngày nắng trong năm, cường độ bức xạ.
B: Bộ điều khiển sạc (charge controller): Bộ điều khiển sạc đóng vai trò điều
tiết sạc cho acquy, bảo vệ ac-quy chống nạp quá tải và xả quá sâu nhằm nâng cao
tuổi thọ của bình acquy, giúp hệ thống sử dụng bền bỉ. Ngoài ra, nó còn cho biết
tình trạng nạp điện của các tấm pin mặt trời vào acquy, giúp người sử dụng kiểm
soát được các phụ tải.
C: Ac-quy: Acquy đóng vai trò trữ điện cho hệ thống vào ban ngày khi các

tấm pin mặt trời có thể tạo ra điện, cấp điện cho đèn chiếu sáng vào ban đêm hoặc
khi trời mây, mưa.
D: Hệ thống chiếu sáng: Là bộ phận tiêu thụ điện năng từ ac-quy, chuyển
thành quang năng.

4. Phạm vi và phƣơng pháp nghiên cứu
- Tìm hiểu về khả năng và yêu cầu đối với việc ứng dụng năng lượng mặt trời
trong việc phát điện tại Việt Nam.
- Nghiên cứu các yêu cầu thiết kế hệ thống điện sử dụng năng lượng mặt trời
và quy trình đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật đối với hệ thống thiết kế.
- Tính toán áp dụng thực tế cho nhà máy xi măng Kiên Lương, Kiên Giang
nhằm đánh giá hiệu quả kinh tế trong việc sử dụng năng lượng mặt trời cho chiếu
sáng.
- Luận văn áp dụng phương pháp phân tích, tìm hiểu lý thuyết và quy trình
tính toán và đánh giá cụ thể cho mô hình nhà máy thực tế nhằm phân tích hiệu quả
kinh tế kỹ thuật

5. Nội dung

10


Từ phạm vi và mục đích nghiên cứu nêu trên dự kiến luận văn sẽ bao gồm các
nội dung như sau:
-

Mở đầu

-

Chương 1: Tổng quan về hệ thống điện mặt trời

-

Chương 2: Quy trình thiết kế và đánh giá kinh tế cho một hệ thống điện mặt
trời

-

Chương 3: Đánh giá hiệu quả việc ứng dụng điện mặt trời cho nhà máy xi
măng Kiên Lương – Kiên Giang

-

Kết luận chung
Trong quá trình thực hiện luận văn, em đã củng cố được những kiến thức đã

được học và tiếp thu thêm được một số kiến thức và kinh nghiệm mới về hệ thống
điện mặt trời. Sau cùng, mặc dù đã nỗ lực làm việc hết sức dưới sự hướng dẫn chỉ bảo
tận tình của thầy giáo TS. Lã Minh Khánh nhưng luận văn không tránh khỏi những
thiếu sót. Kính mong các thầy cô, bạn bè, đồng nghiệp đóng góp ý kiến để luận văn
tăng thêm giá trị khoa học và thực tiễn. Xin chân thành cảm ơn!

11


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI
1.1.

Những ứng dụng năng lƣợng mặt trời ở Việt Nam

1.1.1. Tiềm năng năng lƣợng mặt trời
Với cường độ bức xạ mặt trời trung bình đến khoảng 5 kWh/m2 ([7], tại các
khu vực phía nam), Việt Nam thường được xem là một quốc gia có tiềm năng tương
đối lớn về năng lượng mặt trời, đặc biệt ở các vùng miền trung và miền nam của đất
nước. Trong khi đó cường độ bức xạ mặt trời lại thấp hơn ở các vùng phía Bắc, ước
tính khoảng 4 kWh/m2 do điều kiện thời tiết với trời nhiều mây và mưa phùn vào
mùa đông và mùa xuân. Ở Việt Nam, bức xạ mặt trời trung bình 150 kcal/m2 chiếm
khoảng 2.000 – 5.000 giờ trên năm, với ước tính tiềm năng năng lượng theo lý
thuyết khoảng 43,9 tỷ TOE ([1,7]).
Năng lượng mặt trời ở Việt Nam có sẵn quanh năm, khá ổn định và phân bố
rộng rãi trên các vùng miền khác nhau của đất nước. Đặc biệt, số ngày nắng trung
bình trên các tỉnh của miền trung và miền nam là khoảng 300 ngày/năm. Năng
lượng mặt trời có thể được khai thác cho hai nhu cầu sử dụng: sản xuất điện và cung
cấp nhiệt.
1.1.2. Ứng dụng năng lƣợng mặt trời
Có bốn dạng công nghệ năng lượng mặt trời hiện đang có mặt trên thị trường
Việt Nam. Đó là công nghệ năng lượng mặt trời quy mô hộ gia đình, quy mô
thương mại sử dụng cho các khách sạn, nhà hàng, bệnh viện, quân đội và các trung
tâm dịch vụ, cho làng mạc như đèn công cộng, âm thanh, tivi và trạm cho sạc pin.
Tại Việt Nam, các tấm pin quang điện (Photo-voltaic: PV) đều được nhập
khẩu trong khi thành phần khác của hệ thống thì được sản xuất trong nước. Tập
đoàn Bưu chính viễn thông Việt Nam (VNPT) và Tập đoàn Điện lực Việt Nam
(EVN) sở hữu các công ty thành viên có chức năng thiết kế và lắp đặt các hệ thống
điện mặt trời cho nhu cầu sử dụng nội bộ.([1,7])
Ở Việt Nam, các ứng dụng năng lượng mặt trời đã phát triển nhanh chóng kể
từ những năm 90. Sự phát triển của điện mặt trời ở Việt Nam trong 10 năm gần đây
từ năm 1998 đến năm 2008 được thể hiện như trong trên. Các ứng dụng bao gồm
12

điện mặt trời cho hộ gia đình và các trung tâm dịch vụ, hệ thống đun nước mặt trời,
điện mặt trời PV, hệ thống đèn điện và sấy. Công nghệ lai ghép (Hybrid
technology) của các nguồn năng lượng tái tạo, được đặt tên là Manicub, đã được
ứng dụng trên các tàu thuỷ, xe cứu thương hay khu biệt thự sử dụng năng lượng mặt
trời.
Trong số các ứng dụng thực tế, mới chỉ có công nghệ đun nước mặt trời được
xem là đem lại giá trị kinh tế, hiệu quả và phổ biến nhất hiện nay. Việc chuyển đổi
năng lượng mặt trời thành điện năng mới chỉ có những ứng dụng rất hạn chế.
1.1.3. Các dự án năng lƣợng mặt trời
Mặc dù nguồn năng lượng mặt trời ở Việt Nam được công nhận là có tiềm
năng lớn, nhưng các dự án điện mặt trời vẫn chưa được chú ý phát triển. Hầu hết
các dự án điện mặt trời trên khắp cả nước chỉ ở quy mô nhỏ và tập trung chủ yếu
vào việc khai thác nhiệt năng từ năng lượng mặt trời. Chi phí đầu tư lớn là rào cản
chủ yếu cho việc phát triển các dự án điện mặt trời ở Việt Nam.([1])
Việc đầu tư vào năng lượng mặt trời cho nghiên cứu và phát triển rất đáng
kể.Những nguồn tài chính đầu tư cho các hoạt động nghiên cứu PV chủ yếu từ các
tổ chức quốc tế và cấp chính phủ. Tiêu biểu nhất là việc đầu tư vào phòng thí
nghiệm bán dẫn của ĐH quốc gia Hồ Chí Minh (với 5 triệu USD) và phòng thí
nghiệm Nano của Khu công nghệ cao – Hồ Chí Minh (với 11 triệu USD).
Việc nghiên cứu ứng dụng PV đã và đang diễn ra từ năm 1990 tới nay. Một
vài ứng dụng mới đã thành công trong việc thiết kế và lắp đặt như công nghệ lai
ghép các nguồn năng lượng tái tạo của Điện mặt trờilab (Madicub) được ứng dụng
trong xe cứu thương, tàu thuỷ và khu biệt thự; điện mặt trời nối lưới SIPV cũng
được lắp đặt bởi Điện mặt trờilab. Nhờ có công nghệ tiên tiến và giá thành cạnh
tranh, một vài công nghệ PV được sản xuất ở Việt Nam đã được xuất khẩu sang thị
trường một số nước Châu Á như Campuchia và Băng La Đét.
Các tổ chức tiêu biểu hoạt động trong lĩnh vực năng lượng mặt trời bao gồm
Phòng thí nghiệm Điện mặt trờiLab ở TP Hồ Chí Minh thuộc Viện Khoa học Việt

13


Nam, Viện năng lượng (thuộc Bộ Công thương) và Trung tâm năng lượng tái tạo
của ĐH Bách Khoa Hà nội.
Trong khuôn khổ của chương trình hợp tác điện mặt trời giữa Bộ Ngoại giao
Pháp, Điện lực Pháp và Liên minh Châu Âu, trạm năng lượng mặt trời hữu nghị
giữa Việt Nam và Pháp đã được thành lập tại TP Hồ Chí Minh. Trạm năng lượng
mặt trời này thực hiện chương trình cung cấp điện cho các tỉnh như Gia Lai, Quảng
Nam và Bình Phước (IEA, 2005). Ngoài ra, còn có một dự án trọng điểm SELCO,
với sự hợp tác của Liên hiệp Hội phụ nữ Việt Nam với trên 600 hệ thống đang trong
quá trình hoạt động (Hội đồng kinh tế Úc cho Năng lượng bền vững , 2005).
Công suất của các tấm pin PV nằm trong dải từ 500 Wp đến 1500 Wp đã được
lắp đặt ở các tỉnh thuộc miền nam cho các hộ gia đình, bệnh viện, trường học và
làng xã (Hội đồng kinh tế Úc cho Năng lượng bền vững , 2005).
Việc sản xuất các tấm pin quang điện PV bắt đầu xuất hiện ở Việt Nam từ
giữa những năm 90. Các tấm pin mặt trời làm bằng tinh thể silic được sản xuất ở
phòng thí nghiệm trong thời gian từ 1990-2000. Một quy trình khép kín cho việc
sản xuất tấm pin mặt trời đã được xây dựng và tấm pin mặt trời đầu tiên được sản
xuất ở Việt Nam vào năm 2000. Chính phủ Việt Nam hỗ trợ để chuyển giao công
nghệ PV mới nhất vào Việt Nam cũng như thu hút đầu tư từ nước ngoài về sản xuất
trong nước hình thành ngành công nghiệp sản xuất tấm pin quang điện PV ở Việt
Nam.
Hiện tại, các công ty tư nhân đang dẫn đầu trong lĩnh vực sản xuất pin quang
điện PV. Trong số các công ty đó phải kể đến Nhà máy mặt trời đỏ đặt tại TP Hồ
Chí Minh, cung cấp vật liệu cho sản xuất pin mặt trời ở Bình Dương, Việt Vmicro
JS ở TP. Hồ Chí Minh…
Đun nước nóng dùng năng lượng mặt trời là một công nghệ khá phát triển và
có giá trị thương mại đã được áp dụng trên cả quy mô hộ gia đình cũng như quy mô
công nghiệp. Các hộ gia đình và doanh nghiệp sẵn lòng đầu tư vào bình đun nước

nóng sử dụng năng lượng mặt trời vì có thể tiết kiệm hoá đơn tiền điện. Cho đến

14


nay, công nghệ sản xuất thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời có thể dễ
dàng huy động vốn đầu tư từ thành phần kinh tế tư nhân.
Hiện nay, các bình nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời được sản xuất bởi
hơn 10 doanh nghiệp vừa và nhỏ trong nước. Trường ĐH Bách Khoa Hà nội, Bách
khoa Hồ Chí Minh và ĐH Sư phạm Kỹ thuật Hồ Chí Minh cũng đang nghiên cứu,
thiết kế và chế tạo các hệ thống bình đun nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời.
Để xúc tiến việc sử dụng hệ thống đun nước sử dụng năng lượng mặt trời,
trong khuôn khổ Chương trình mục tiêu quốc gia về sử dụng năng lượng hiệu quả
và tiết kiệm, EVN đã thiết kế một chương trình về hệ thống đun nước nóng sử dụng
năng lượng mặt trời vào năm 2009. Chương trình đẩy mạnh việc nghiên cứu, sản
xuất và nhập khẩu thiết bị đun nước bằng năng lượng mặt trời sử dụng cho các hộ
gia đình và lĩnh vực dịch vụ khác như các trung tâm thương mại, chung cư, bệnh
viện, trường học và các văn phòng chính phủ. Các hộ gia đình tham gia chương
trình được nhận một khoản hỗ trợ đầu tư là một triệu đồng (tương đương khoảng
US$ 50). Các công ty điện trên khắp cả nước, các công ty thiết bị điện mặt trời và
Văn phòng hiệu quả và tiết kiệm năng lượng cũng tham gia vào chương trình này.
Cho đến nay, EVN đã xây dựng thí điểm 900 hệ thống bình đun nước sử dụng năng
lượng mặt trời, bao gồm PC2 (200), PC-HCM (300), Đồng Nai PC (200) và Đà
Nẵng (200). Chương trình được tiếp tục với một kế hoạch để xây dựng thêm 1.000
hệ thống đun nước sử dụng năng lượng mặt trời bởi PC (200), PC3 (250), HCM PC
(300), Đồng Nai PC (150) và MTV Đà Nẵng PC (100)).
Việc sử dụng năng lượng mặt trời cho đun nước cũng được khuyến khích cao
trong quân đội. Vụ khoa học kỹ thuật thuộc Bộ Quốc phòng đang trao đổi nghiên
cứu và xúc tiến việc sử dụng năng lượng mặt trời trong quân đội.Cho đến nay, có
khoảng 10 hệ thống đun nước sử dụng năng lượng mặt trời được lắp đặt trong các

trường và cơ sở quân đội, đặc biệt đối với các đơn vị trên các vùng hải đảo.
Tuy nhiên, việc ứng dụng đun nước sử dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam
vẫn còn thấp. Chỉ có 60 hệ thống tập thể và khoảng trên 5.000 hệ thống hộ gia đình
đã được lắp đặt. Khoảng 90% hệ thống đun nước sử dụng năng lượng mặt trời là

15


được sử dụng ở các đô thị và 5% ở vùng nông thôn. Xấp xỉ 99% các hệ thống này là
do hộ gia đình đầu tư và 1% thuộc về các cơ sở công cộng như bệnh viện, nhà trẻ
mẫu giáo, bệnh viện, trường học, khách sạn và nhà hàng. Các hệ thống bình đun với
diện tích các tấm pin mặt trời từ 10 đến 60 m2 có thể cung cấp hàng ngày từ 1 đến
5m3 nước nóng với nhiệt độ khoảng 50oC đến 70oC. Hệ thống bình nước nóng sử
dụng năng lượng mặt trời quy mô hộ gia đình với diện tích các tấm pin khoảng 12m2 thì có thể cung cấp khoảng 100 đến 300 lít nước nóng ở nhiệt độ từ 40oC đến
70oC.
Điện mặt trời ở Việt Nam được ứng dụng ở vùng nông thôn và vùng sâu vùng
xa và hải đảo. Có khoảng 4.000 hộ gia đình hưởng lợi từ hệ thống điện mặt trời quy
mô gia đình (Điện mặt trời Home Systems – SHSs) và 12.000 người trên khắp vùng
miền cả nước đang nhận được điện từ hệ thống pin PV. Tổng công suất PV lắp đặt
tại Việt Nam lên đến 4 MW vào năm 2010.([1])
Hiện đã có nhiều dự án điện mặt trời phát triển ở Việt Nam từ năm 1990 đến
2008 bao gồm:
1) Dự án điện khí hoá nông thôn Fondem France-Điện mặt trờilab Vietnam, 19902000
2) Chương trình RET ở Châu Á 1997-2005, tài trợ bởi Tổ chức Sida (Thuỵ Điển),
1997-2005.
3) Dự án nối lưới và điện khí hoá nông thôn được thực hiện bởi Điện mặt trờiLab
với sự công tác của Bộ Khoa học Công nghệ Việt Nam (MOST) và Atersa của Tây
Ban Nha, 2006-2009.
4) Dự án điện mặt trời với công suất 100 kWp (tài trợ bởi Nedo – Japan) ở Gia Lai.
5) Dự án điện mặt trời với công suất 154 kWp ở khuôn viên Trung tâm Hội nghị

Quốc gia, Hà Nội.

1.2.

Pin mặt trời
Nhằm mục đích thiết kế một hệ thống tích hợp điện mặt trời, luận văn đặt

vấn đề tìm hiểu về nguyên lý làm việc và cấu tạo của các thành phần chính gồm có:

16


A: Tấm pin mặt trời: Tấm pin mặt trời có chức năng hấp thụ quang năng từ
mặt trời, chuyển đổi thành năng lượng điện. Tấm gồm tập hợp các tế bào quang
điện, được nối ghép lại tạo công suất khác nhau tùy vào mục đích sử dụng. Việc
tính toán, lựa chọn công suất của hệ thống được tính toán dựa trên các yếu tố về địa
lý, số ngày nắng trong năm, cường độ bức xạ.
B: Bộ điều khiển sạc (charge controller): Bộ điều khiển sạc đóng vai trò điều
tiết sạc cho ac-quy, bảo vệ ac-quy chống nạp quá tải và xả quá sâu nhằm nâng cao
tuổi thọ của bình ac-quy, giúp hệ thống sử dụng bền bỉ. Ngoài ra, nó còn cho biết
tình trạng nạp điện của các tấm pin mặt trời vào ac-quy, giúp người sử dụng kiểm
soát được các phụ tải.
C: Ac-quy: Ac-quy đóng vai trò trữ điện cho hệ thống vào ban ngày khi các
tấm pin mặt trời có thể tạo ra điện, cấp điện cho đèn chiếu sáng vào ban đêm hoặc
khi trời mây, mưa.
D: Hệ thống chiếu sáng: Là bộ phận tiêu thụ điện năng từ ac-quy, chuyển
thành quang năng.
Pin mặt trời còn gọi là pin quang điện là thiết bị ứng dụng hiệu ứng quang
điện trong bán dẫn (thường gọi là hiệu ứng quang điện trong - quang dẫn) để tạo ra
dòng điện một chiều từ ánh sáng mặt trời. Loại pin mặt trời thông dụng nhất hiện

nay là loại sử dụng Silic tinh thể. Tinh thể Silic tinh khiết là chất bán dẫn điện rất
kém vì các điện tử bị giam giữ bởi liên kết mạng, không có điện tử tự do. Khi bị ánh
sáng hay nhiệt độ kích thích, các điện tử bị bứt ra khỏi liên kết, hay là các điện tử
tích điện âm nhảy từ vùng hoá trị lên vùng dẫn và để lại một lỗ trống tích điện
dương trong vùng hoá trị. Lúc này chất bán dẫn mới dẫn điện.
Có 3 loại pin mặt trời làm từ tinh thể Silic ([7]).
- Một tinh thể hay đơn tinh thể module. Đơn tinh thể này có hiệu suất tới 16%.
Loại này thường 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 từ Silic nung chảy, sau đó được làm nguội và
làm rắn. Loại pin này thường rẻ hơn loại đơn tinh thể, nhưng lại có hiệu suất kém
17


hơn. Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn
loại đơn tinh thể bù 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 nhưng cũng là loại rẻ nhất trong các
loại vì không cần phải cắt từ thỏi Silicon.
- Về bản chất pin quang điện là một điốt bán dẫn bao gồm hai tấm bán dẫn loại
P và loại N đặt sát cạnh nhau, khác ở chỗ pin quang điện có diện tích bề mặt rộng
và có lớp N cực mỏng để ánh sáng có thể truyền qua. Trên bề mặt của pin quang
điện có một lớpchống phản xạ vì khi chiếu ánh sáng vào pin quang điện, sẽ có một
phần ánh sáng bịhấp thụ khi truyền qua lớp N và một phần ánh sáng sẽ bị phản xạ
ngược lại còn mộtphần ánh sáng sẽ đến được lớp chuyển tiếp, nơi có các cặp
electron và lỗ trốngnằmtrong điện trường của bề mặt giới hạn. Với các bước sóng
thích hợp sẽ truyền cho electron một năng lượng đủ lớn để thoát khỏi liên kết. Khi
thoát khỏi liên kết, dưới tác dụng của điện trường, electron sẽ bị kéo về phía bán
dẫn loại N, còn lỗ trống bị kéo về phía bán dẫn loại P. Khi đó nếu nối hai cực vào
hai phần bán dẫn loại N và P sẽ đo được một hiệu điện thế. Giá trị của hiệu điện thế

này phụ thuộc vào bản chất của chất làm bán dẫn và tạp chất được hấp thụ.

Hình 1.1: Cấu tạo của pin mặt trời

1.2.1. Đặc tính làm việc của pin mặt trời.

18


Với mục đích đánh giá khả năng phát điện trong một môi trường làm việc cụ
thể, nội dung này của luận văn trình bày vắn tắt về đặc tích làm việc của tấm pin
mặt trời, thể hiện qua hai thông số là điện áp hở mạch lớn nhất V OC lúc dòng ra
bằng 0 và Dòng điện ngắn mạch ISC khi điện áp ra bằng 0. Công suất của pin được
tính theo công thức:
P = I.U

(1-1)

Tại điểm làm việc U = UOC/ I = 0 và U = 0 / I = ISC , Công suất làm việc của
pin cũng có giá trị bằng 0.

Hình 1.2: Đường đặc tính làm việc U-I của pin mặt trời

Hình 1.3: Sơ đồ tương đươngcủa pin mặt trời
- Từ sơ đồ tương đương ta có phương trình đặc trưng sáng Volt-Ampe của pin mặt
trời như sau:
(

(

)

)

(

)

(1-2)

Trong đó:
Isc là dòng quang điện (dòng ngắn mạch khi không có Rs và Rsh) (A/m )

19


I01 là dòng bão hòa (A/m )
q là điện tích của điện tử (C) = 1,6.10-19
k là hệ số Boltzman = 1,38.10-23(J/k)
T là nhiệt độ (K)
I, V, Rs, Rsh lần lượt là dòng điện ra, điện áp ra, điện trở Rs và Rsh của pin
trong mạch tương đươngở hình 1.3
* Nhận xét:Dòng ngắn mạch Isc tỉ lệ thuận với cường độ bức xạ chiếu sáng.
Nên đường đặc tính V - I của pin mặt trời cũng phụ thuộc vào cường độ bức xạ
chiếu sáng. Ở mỗi tầng bức xạ chỉ thu được duy nhất một điểm làm việc V = V MPP
có công suất lớn nhất thể hiện trên hình vẽ sau. Điểm làm việc có công suất lớn nhất
được thể hiện là điểm chấm đen to trên hình vẽ. (đỉnh của đường cong đặc tính)([7])

Hình 1.4. Sự phụ thuộc của đặc trưng VA của pin mặt trời vào cường độ bức xạ mặt
trời.

Điện áp hở mạch Voc phụ thuộc trực tiếp vào nhiệt độ nên đường đặc tính VA
của pin mặt trời cũng phụ thuộc vào nhiệt độ của pin.

20


Hình 1.5 Sự phụ thuộc của đường đặc tính của pin mặt trời vào nhiệt độ

Để toàn bộ hệ PV có thể hoạt động được một cách hiệu quả thì đường đặc
tính của tải cũng phải phù hợp với điểm MPP.

Hình 1.6 Đường đặc tính tải và đặc tính của pin mặt trời

Trên hình vẽ 1.6 đường OA và OB là những đường đặc tính tải. Nếu tải được
mắc trực tiếp với dãy pin mặt trời thì tải có đường đặc tính là OA. Khi đó, pin làm
việc ở điểm A1 và phát công suất P1. Công suất lớn nhất do phơi nắng thu được là
P2. Để có thể thu được công suất P2, cần có một bộ điều chỉnh công suất để liên kết
giữa dãy pin mặt trời và tải.

21


1.2.2. Ứng dụng của pin mặt trời.
Pin mặt trời đã được ứng dụng ở nhiều nơi trên thế giới. Chúng đặc biệt thích
hợp cho các vùng lưới điện không đến được. Pin mặt trời được sử dụng nhiều trong
sản xuất cũng như trong đời sống. Một ứng dụng đơn giản của pin mặt trời trong
cuộc sống hàng ngày như đồng hồ, máy tính . . . Ngoài ra pin mặt trời còn được ứng
dụng trong các thiết bị vận chuyển như ô tô, máy tính cầm tay, điện thoại di động,
thiết bị bơm nước. Ngày nay, những ngôi nhà có gắn những tấm năng lượng mặt

trời trên nóc đã trở thành phổ biến và có xu hướng tăng dần trong tương lai ([3,7]).
1.2.3. Tấm năng lƣợng mặt trời.
Tấm năng lượng mặt trời được tạo thành từ nhiều pin mặt trời có thể gồm 36
đến 72 pin mặt trời mắc nối tiếp với nhau. Qua những tấm pin mặt trời, năng lượng
mặt trời được chuyển hoá thành điện năng. Mỗi pin mặt trời cung cấp một lượng
nhỏnăng lượng, nhưng nhiều pin được đặt trải dài trên một diện tích lớn tạo nên
nguồn năng lượng lớn hơn đủ để các thiết bị điện sử dụng. Mỗi tấm pin mặt trời có
công suất khác nhau như: 30Wp, 40Wp, 45Wp, 50Wp, 75Wp, 100Wp, 125Wp,
150Wp. Điện áp của các tấm pin thường là 12VDC. Công suất và điện áp của hệ
thống tuỳ thuộc vào cách ghép nối các tấm pin lại với nhau. Nhiều tấm năng lượng
mặt trời có thể ghép nối tiếp hoặc song song với nhau để tạo thành một dàn pin mặt
trời. Để đạt được hiệu năng tốt nhất, những tấm năng lượng phải luôn được phơi
nắng và hướng trực tiếp đến mặt trời.
Hiệu suất thu được điện năng từ pin mặt trời ở các vùng miền vào các giờ
trong ngày là khác nhau, do bức xạ mặt trời trên bề mặt trái đất không đồng đều
nhau. Hiệu suất của pin mặt trời phụ thuộc vào nhiều yếu tố:
- Chất liệu bán dẫn làm pin.
- Vị trí đặt các tấm panel mặt trời
- Thời tiết khí hậu, mùa trong năm.
- Thời gian trong ngày: sáng, trưa, chiều

22


Các tấm năng lượng mặt trời được lắp đặt ở ngoài trời nên thiết kế sản xuất
đã đảm bảo được các thay đổi của khí hậu, thời tiết, mưa bão, sự ăn mòn của nước
biển, sự oxi hoá... Tuổi thọ của mỗi tấm pin khoảng 25 đến 30 năm.

1.2.4. Cách ghép nối các tấm năng lƣợng mặt trời.
Như ta đã biết các môđun pin mặt trời đều có công suất và hiệu điện thế xác

định từ nhà sản xuất. Để tạo ra công suất và điện thế theo yêu cầu thì phải ghép
nối nhiều tấm môdun đó lại với nhau. Có hai cách ghép cơ bản:
•

Ghép nối tiếp các tấm mođun lại sẽ cho điện áp ra lớn hơn.

•

Ghép song song các tấm môđun lại sẽ cho dòng điện ra lớn.
Trong thực tế phương pháp ghép hỗn hợp được sử dụng nhiều hơn để đáp

ứng cả yêu cầu về điện áp và dòng điện.

a) Phương pháp ghép nối tiếp các tấm mô đun mặt trời.

Hình 1.7 Ghép nối tiếp hai môđun pin mặt trời (a) và đường đặc trưng VA của các môđun và của
cả hệ (b)

Giả sử các môđun đều giống hệt nhau, có đường đặc tính V-A giống hết nhau,
các thông số dòng đoản mạch ISC, thế hở mạch VOC bằng nhau. Giả sử cường độ
chiếu sáng trên các tấm là đồng đều nhau. Khi ghép nối tiếp các tấm môđun này ta
sẽ có:
I = I 1 = I 2 = . . . = Ii

(1-3)

23


V=∑

P=V.I=∑
Iopt=Iiopt, Vopt=∑

(1-4)
=∑

(1-5)
, Popt=∑

(1-6)

Trong đó:
I, P, V,. là dòng điện, công suất và hiệu điện thế của cả hệ.
Ii, Vi, Pi. là dòng điện, công suất, hiệu điện thế của môđun thứ i trong hệ
Iopi, Vopi, Popi... là dòng điện làm việc tối ưu, điện thế làm việc tối ưu, công suất làm
việc tối ưu của các môđun thứ i trong hệ
Iop, Vop, Pop. là dòng điện làm việc tối ưu, điện thế làm việc tối ưu, công suất làm
việc tối ưu của hệ.
Khi tải có giá trị 0 < R <∞, Các môđun làm việc như các máy phát tương
đương. Đường đặc tính vôn - ampe của hệ bằng tổng hình học của hai đường đặc
trưng của mỗi môđun.

b) Ghép song song các môđun mặt trời.
Ở cách ghép này, ta cũng giả sử các môđun đều giống hệt nhau, có đường
đặc tính V-A giống hết nhau, các thông số dòng đoản mạch ISC, thế hở mạch VOC
bằng nhau. Giả sử cường độ chiếu sáng trên các tấm là đồng đều nhau.

Hình 1.8 Ghép song song hai môđun pin mặt trời (a) và đường đặc trưng VA của các môđun và
của cả hệ (b)

24


Khi đó ta có:
U= U1= U 2= . . . = Ui

(1-7)

I=∑

(1-8)

P=V.I=∑

=∑

Vopt=Viopt, Iopt=∑

(1-9)
, Popt=∑

(1-10)

Đường đặc tính VA của hệ cũng được suy ra bằng cách cộng các giá trị dòng
điện I ứng với các giá trị điện thế V không đổi. Trong trường hợp này, các pin cũng
làm việc như các máy phát điện khi tải có giá trị 0 < R <∞ ([7])

c) Hiện tượng "điểm nóng"
Xảy ra khi ta ghép nối các môđun không giống nhau, tức là khi các thông số
ISC, VOC, POPT của các môđun pin khác nhau. Đây là hiện tượng tấm pin yếu hơn

(tức là pin kém chất lượng hơn so với các pin khác trong dàn hoặc khi nó bị che
nắng trong khi các pin khác trong dàn vẫn được chiếu sáng) sẽ hấp thụ hoàn toàn
công suất điện do các tấm pin khoẻ hơn phát ra và làm cho công suất điện mạch
ngoài bằng 0. Phần năng lượng điện tấm pin yếu nhận được từ tấm pin khoẻ hơn sẽ
biến thành nhiệt, làm nóng tấm pin này lên và có thể dẫn tới hư hỏng. Hiện tượng
điểm nóng này chỉ xảy ra trên các pin yếu hơn các pin khác trong hệ, dẫn tới sự hư
hỏng hệ hay làm giảm đáng kể hiệu suất biến đổi quang điện của hệ.
Để tránh hiệu ứng điểm nóng này, khi thiết kế phải ghép các tấm pin mặt trời
cùng loại, có cùng các thông số đặc trưng trong một dàn pin mặt trời. Vị trí đặt dàn
phải tránh các bóng che do cây cối, nhà cửa hay các vật cản khác trong những ngày
có nắng cũng như bảo vệ tránh bụi bẩn phủ bám lên một vùng nào đấy của tấm pin
và có thể sử dụng các điốt bảo vệ.

25