Nghiên cứu các chế độ vận hành khi kết nối nhà máy điện mặt trời tuấn ân vào lưới điện phân phối cam ranh

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN ĐÌNH KHOA

NGHIÊN CỨU CÁC CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH KHI
KẾT NỐI NHÀ MÁY ĐIỆN MẶT TRỜI TUẤN ÂN
VÀO LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI CAM RANH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng, Năm 2017


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN ĐÌNH KHOA

NGHIÊN CỨU CÁC CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH KHI
KẾT NỐI NHÀ MÁY ĐIỆN MẶT TRỜI TUẤN ÂN
VÀO LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI CAM RANH

Chuyên ngành : Kỹ thuật điện
Mã số: 60 52 02 02

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. ĐINH THÀNH VIỆT

Đà Nẵng, Năm 2017

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

Nguyễn Đình Khoa


TRANG TÓM TẮT TIẾNG ANH
NGHIÊN CỨU CÁC CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH KHI KẾT NỐI NHÀ MÁY ĐIỆN
MẶT TRỜI TUẤN ÂN VÀO LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI CAM RANH
Học viên: Nguyễn Đình Khoa

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số: 60.52.02.02

Trường Đại học Bách Khoa - ĐHĐN

Khóa: K33NT

Tóm tắt - Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng vô tận, miễn phí, không gây ô nhiễm môi
trường và đặc biệt là ở đâu cũng có. Trên thế giới đã có nhiều nước khai thác nguồn năng
lượng này rất có hiệu quả và ngày càng phát triển như: Đức, Ý, Tây Ban Nha, Mỹ, … và có
nhiều nước đang xem xét xây dựng như: Trung Quốc, Philippin, Canada, Braxin… Đầu năm

2016, UBND tỉnh Khánh Hòa đã cấp quyết định chủ trương đầu tư dự án Nhà máy điện mặt
trời hòa lưới cho Công ty Cổ phần Điện mặt trời Tuấn Ân. Dự án được triển khai tại xã Cam
Thịnh Tây, thành phố Cam Ranh. Vấn đề nghiên cứu lựa chọn các chế độ đặc trưng, đánh giá
ảnh hưởng của nhà máy điện mặt trời Tuấn Ân đến các chế độ vận hành của lưới điện phân
phối Cam Ranh cần được quan tâm đúng mức. Trong luận văn, phần mềm Etap được lựa chọn
để thực hiện mô phỏng, tính toán, phân tích lưới điện phân phối tương ứng với các chế độ vận
hành khác nhau.
Từ khóa - nhà máy điện mặt trời; pin mặt trời; lưới điện phân phối; chế độ vận hành; Etap.

RESEARCH OF OPERATION MODES OF CONNECTING TUAN AN SOLAR
POWER PLANT TO POWER DISTRIBUTION GRID-LINE OF CAM RANH
CITY
Abstract - Solar energy is a "green" source of energy with no pollution to the environment.
There are many countries exploiting solar energy effectively as Germany, Italy, Spain, USA,
... and some other nations are considering solar power plant construction as China,
Philippines, Canada, Brazil, ... In early 2016, the People's Committee of Khanh Hoa province
has made an agreement to invest in the solar power plant project of Tuan An Solar Power
Joint Stock Company. The plant was constructed in Cam Thinh Tay town, Cam Ranh city.
The study of specific operation modes and evaluating impact of connection between Tuan An
solar power plant and power distribution grid-line of Cam Ranh city must be considered
properly. The Etap software is used to perform simulation, calculation and analysis of
distribution grid-line corresponding to different operating modes.
Keywords - solar power plant; solar battery; grid distribution; operation mode; Etap.


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
TRANG TÓM TẮT TIẾNG ANH
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
MỞ ĐẦU............................................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài ............................................................................................................... 1
2. Mục đích nghiên cứu......................................................................................................... 1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................................................... 1
3.1. Đối tượng nghiên cứu ................................................................................................. 1
3.2. Phạm vi nghiên cứu .................................................................................................... 2
4. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................................. 2
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ......................................................................... 2
6. Cấu trúc của luận văn ....................................................................................................... 2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY ĐIỆN MẶT TRỜI VÀ LƯỚI ĐIỆN
PHÂN PHỐI CAM RANH ................................................................................................ 3
1.1. GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI......................................................... 3
1.1.1. Khái niệm ................................................................................................................ 3
1.1.2. Bức xạ mặt trời......................................................................................................... 3
1.1.3. Tính toán năng lượng mặt trời ................................................................................. 6
1.1.3.1. Tính toán góc tới của bức xạ trực xạ ................................................................ 7
1.1.3.2. Bức xạ mặt trời ngoài khí quyển lên bề mặt nằm ngang ................................. 9
1.2. PIN MẶT TRỜI ........................................................................................................ 10
1.2.1. Hiệu ứng quang điện ............................................................................................. 10
1.2.2. Cấu tạo của pin mặt trời ........................................................................................ 12
1.2.3. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời .................................................................. 13
1.2.4. Đặc tính làm việc của pin mặt trời ....................................................................... 14
1.2.4.1. Mạch điện tương đương ................................................................................. 14
1.2.4.2. Đặc tính làm việc của pin mặt trời ................................................................. 16
1.3. TIỀM NĂNG PHÁT TRIỂN ĐIỆN MẶT TRỜI TẠI CAM RANH ...................... 18
1.3.1. Khái quát về TP. Cam Ranh ................................................................................. 18
1.3.1.1. Vị trí địa lý ..................................................................................................... 18
1.3.1.2. Đặc điểm tự nhiên .......................................................................................... 18

1.3.2. Tiềm năng phát triển điện mặt trời tại Cam Ranh ................................................ 19
1.4. KHÁI QUÁT LĐPP KHU VỰC TP. CAM RANH ............................................ 19


1.4.1. Nguồn điện ........................................................................................................ 19
1.4.2. Lưới điện trung áp............................................................................................. 20
1.5. GIỚI THIỆU NHÀ MÁY ĐIỆN MẶT TRỜI TUẤN ÂN .................................. 21
1.5.1. Quy mô .............................................................................................................. 21
1.5.2. Sơ bộ công nghệ................................................................................................ 22
1.5.2.1. Pin mặt trời ................................................................................................. 22
1.5.2.2. Bộ biến đổi DC-AC (Inverter) ................................................................... 23
1.5.2.3. MBA 1,25MVA - 0,4/22kV ........................................................................ 23
1.5.2.4. Hệ thống điều khiển và giám sát ................................................................ 24
1.5.2.5. Hệ thống giá đỡ Pin mặt trời ...................................................................... 24
1.6. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1...................................................................................... 25
CHƯƠNG 2. GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MÔ PHỎNG .......................................... 26
2.1. CÁC TÍNH NĂNG CỦA PHẦN MỀM ETAP .................................................... 26
2.2. GIAO DIỆN CỦA PHẦN MỀM ETAP ............................................................... 27
2.2.1. Cửa sổ chính...................................................................................................... 27
2.2.2. Các chức năng tính toán.................................................................................... 27
2.2.3. Các phần tử AC ................................................................................................. 28
2.2.4. Các thiết bị đo lường và bảo vệ ........................................................................ 28
2.3. ỨNG DỤNG PHẦN MỀM ETAP ĐỂ TÍNH TOÁN PHÂN TÍCH LƯỚI ĐIỆN
MẪU ................................................................................................................................29
2.3.1. Thông số lưới điện ............................................................................................ 29
2.3.1.1. Thông số nguồn .......................................................................................... 29
2.3.1.2. Thông số nút ............................................................................................... 29
2.3.1.3. Thông số nhánh .......................................................................................... 30
2.3.1.4. Thông số tải ................................................................................................ 30
2.3.2. Kết quả mô phỏng ............................................................................................. 30

2.3.2.1. Phân bố công suất ....................................................................................... 31
2.3.2.2. Tổn thất công suất ...................................................................................... 31
2.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ..................................................................................... 31
CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN, PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẾ ĐỘ VẬN
HÀNH KHI KẾT NỐI NHÀ MÁY ĐIỆN MẶT TRỜI VÀO LƯỚI ĐIỆN PHÂN
PHỐI CAM RANH .......................................................................................................32
3.1. CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA LƯỚI ĐIỆN ............................................ 32
3.1.1. Phụ tải Trạm nghiền xi măng Cam Ranh ........................................................... 33
3.1.2. Xuất tuyến 472-ENCR ........................................................................................ 34
3.2. CÁC CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH CỦA LĐPP KHI CHƯA KẾT NỐI NMĐ MẶT
TRỜI TUẤN ÂN .............................................................................................................35
3.2.1. Tính toán tổn thất công suất................................................................................ 35
3.2.2. Tính toán tổn thất điện năng ............................................................................... 36


3.2.2.1. Tổn thất điện năng tại TBA 110kV ENCR ................................................. 39
3.2.2.2. Tổn thất điện năng trên XT 472-ENCR....................................................... 40
3.2.2.3. Tổng tổn thất điện năng ............................................................................... 41
3.2.3. Phân tích điện áp vận hành ................................................................................. 42
3.3. CÁC CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH CỦA LĐPP KHI CÓ KẾT NỐI NMĐ MẶT TRỜI
TUẤN ÂN .......................................................................................................................47
3.3.1. Chế độ phụ tải cực đại ........................................................................................ 47
3.3.2. Chế độ phụ tải trung bình ................................................................................... 47
3.3.2.1. Tính toán tổn thất công suất ......................................................................... 47
3.3.2.2. Phân tích điện áp vận hành .......................................................................... 51
3.3.3. Chế độ phụ tải cực tiểu ....................................................................................... 55
3.3.3.1. Tính toán tổn thất công suất ......................................................................... 55
3.3.3.2. Phân tích điện áp vận hành ............................................................................. 59
3.3.4. Tính toán tổn thất điện năng ................................................................................. 63
3.3.4.1. Tổn thất điện năng tại TBA 110kV ENCR ................................................... 64

3.3.4.2. Tổn thất điện năng trên XT 472-ENCR......................................................... 66
3.3.4.3. Tổng tổn thất điện năng ................................................................................. 67
3.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3.......................................................................................... 68
KẾT LUẬN ............................................................................................................................. 69
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................................... 70
PHỤ LỤC ................................................................................................................................ 71
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO)
BIÊN BẢN THÀNH LẬP HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN (BẢN SAO


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
CÁC KÝ HIỆU:
- P:

Công suất tác dụng

- Q:

Công suất phản kháng

- U:

Điện áp

- δU:

Độ lệch điện áp

- I:

Dòng điện

- t:

Thời gian

- ΔP:

Tổn thất công suất tác dụng

- A:

Điện năng

- ΔA:

Tổn thất điện năng

CÁC CHỮ VIẾT TẮT:
- LĐPP:

Lưới điện phân phối

- NMĐ:

Nhà máy điện

- TBA:

Trạm biến áp

- MBA:

Máy biến áp

- XT:

Xuất tuyến

- MC:

Máy cắt

- PT:

Phụ tải

- TC:

Thanh cái

- TTCS:

Tổn thất công suất

- TTĐN: Tổn thất điện năng


DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu

bảng

Tên bảng

Trang

1.1

Bảng thông số kỹ thuật được tính toán

21

2.1

Thông số nguồn của lưới điện mẫu

29

2.2

Thông số nút của lưới điện mẫu

29

2.3

Thông số nhánh của lưới điện mẫu

30

2.4

Thông số tải của lưới điện mẫu

30

3.1

Thông số vận hành LĐPP thuộc trạm ENCR

32

3.2

Phân bố công suất các chế độ vận hành khi chưa kết nối
NMĐ mặt trời

35

3.3

Tính toán ΔP của LĐPP Cam Ranh khi chưa kết nối NMĐ
mặt trời

36

3.4

Số liệu phân bố công suất của LĐPP Cam Ranh trong 1 ngày
điển hình

37

3.5

Tính toán tổn thất điện năng qua các MBA T1 và T2/ENCR

39

3.6

Tính toán tổn thất điện năng trên XT 472-ENCR

40

3.7

Tổn thất điện năng của LĐPP khi chưa có kết nối NMĐ mặt
trời

41

3.8

Kết quả mô phỏng điện áp khi chưa kết nối NMĐ mặt trời

42

3.9

Độ suy giảm điện áp trên XT 472-ENCR

46

3.10

Các chế độ phát của nhà máy điện mặt trời

47

3.11

Phân bố công suất chế độ phụ tải trung bình khi kết nối
NMĐ mặt trời

48

3.12

Tính toán ΔP của chế độ phụ tải trung bình khi kết nối NMĐ
mặt trời

48

3.13
3.14
3.15
3.16
3.17

Mô phỏng điện áp chế độ phụ tải trung bình khi kết nối
NMĐ mặt trời
Phân bố công suất chế độ phụ tải cực tiểu khi kết nối NMĐ
mặt trời
Tính toán ΔP của chế độ phụ tải cực tiểu khi kết nối NMĐ
mặt trời
Mô phỏng điện áp chế độ phụ tải cực tiểu khi kết nối NMĐ
mặt trời
Số liệu phân bố công suất của LĐPP Cam Ranh trong 1 ngày
điển hình khi có kết nối NMĐ mặt trời

51
56
56
59
63


Số hiệu
bảng
3.18
3.19
3.20
3.21

Tên bảng
Tính toán tổn thất điện năng qua các MBA T1 và T2/ENCR
Tính toán tổn thất điện năng trên XT 472-ENCR
Tính toán tổng tổn thất điện năng
So sánh TTĐN của LĐPP khi chưa có và có kết nối NMĐ

mặt trời

Trang
64
66
67
67


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Số hiệu
hình vẽ

Tên hình vẽ

Trang

1.1

Dải bức xạ điện từ (độ dài bước sóng μm)

4

1.2

Góc nhìn Mặt trời

5

1.3

Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí
quyển của Trái đất

6

1.4

Các góc hình học của tia bức xạ mặt trời trên mặt phẳng
nghiêng

8

1.5

Hệ hai mức năng lượng

10

1.6

Các vùng năng lượng

11

1.7

Quá trình chế tạo pin mặt trời đa tinh thể

13

1.8

Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

14

1.9

Sơ đồ mạch điện tương đương của pin mặt trời

14

1.10

Đường cong I-V của pin mặt trời

16

1.11

Đồ thị I-V, P-V của pin mặt trời

17

1.12

Xác định điểm công suất cực đại theo đồ thị I-V

17

1.13

Mô hình cơ bản của nhà máy điện mặt trời Tuấn Ân

22

1.14
2.1

Sơ đồ một sợi của nhà máy điện mặt trời Tuấn Ân

24

Cửa sổ chính của phần mềm Etap

27

2.2
2.3
2.4
2.5
2.6

Các chức năng tính toán của phần mềm Etap
Các phần tử AC của phần mềm Etap
Các thiết bị đo lường và bảo vệ của phần mềm Etap
Lưới điện mẫu mô phỏng bằng Etap 12.6

27

28
28
29

Sơ đồ mô phỏng phân bố công suất của lưới điện mẫu

30

2.7

Kết quả mô phỏng phân bố công suất của lưới điện mẫu

31

2.8
3.1

Kết quả mô phỏng tổn thất công suất của lưới điện mẫu
Đồ thị phụ tải Trạm nghiền xi măng Cam Ranh

31
34

3.2

Đồ thị phụ tải XT 472-ENCR

35

3.3

Đồ thị phụ tải P(t)

37

3.4

Đặc tuyến ΔP(t)

37

3.5

Điện áp thanh cái C61/ENCR ở các chế độ vận hành

45

3.6

Điện áp nút phụ tải XT 472-ENCR ở các chế độ vận hành

46


Số hiệu
hình vẽ

Tên hình vẽ

Trang

3.7

TTCS của MBA T1/ENCR ở chế độ PT trung bình khi kết
nối NMĐ mặt trời

49

3.8

TTCS của XT 472-ENCR ở chế độ PT trung bình khi kết
nối NMĐ mặt trời

49

3.9
3.10
3.11
3.12
3.13
3.14
3.15
3.16

TTCS của MBA T2/ENCR ở chế độ PT trung bình khi kết
nối NMĐ mặt trời
Điện áp TC C61/ENCR ở chế độ PT trung bình khi kết
nối NMĐ mặt trời
Điện áp TC C42/ENCR ở chế độ PT trung bình khi kết
nối NMĐ mặt trời

TTCS của MBA T1/ENCR ở chế độ PT cực tiểu khi kết
nối NMĐ mặt trời
TTCS của MBA T1/ENCR ở chế độ PT cực tiểu khi kết
nối NMĐ mặt trời
TTCS của MBA T2/ENCR ở chế độ PT cực tiểu khi kết
nối NMĐ mặt trời
Điện áp TC C61/ENCR ở chế độ PT cực tiểu khi kết nối
NMĐ mặt trời
Điện áp TC C42/ENCR ở chế độ PT cực tiểu khi kết nối
NMĐ mặt trời

50
54
55
57
57
58
62
63


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Nguồn năng lượng điện nước ta phụ thuộc nhiều vào thủy năng và năng lượng
hóa thạch (dầu mỏ, than đá, ...). Trong đó, công suất các nguồn thủy điện chiếm tỷ
trọng khá lớn, gần 40% tập trung chủ yếu ở miền Bắc và miền Trung và phụ thuộc
nhiều vào thiên nhiên. Trong những năm gần đây, nguồn thủy điện không ổn định do
thời tiết thay đổi thất thường và bị ảnh hưởng hiệu ứng el nino, còn các nguồn năng

lượng hóa thạch thì có hạn. Vào mùa khô thường bị thiếu điện nên vấn đề cấp thiết
hiện nay là phải khai thác các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió, năng
lượng mặt trời, ...
Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng vô tận, miễn phí, không gây ô nhiễm
môi trường và đặc biệt là ở đâu cũng có. Trên thế giới đã có nhiều nước khai thác
nguồn năng lượng này rất có hiệu quả và ngày càng phát triển như: Đức, Ý, Tây Ban
Nha, Mỹ, … và có nhiều nước đang xem xét xây dựng như: Trung Quốc, Philippin,
Canada, Braxin…
Vấn đề nghiên cứu lựa chọn các chế độ đặc trưng, đánh giá ảnh hưởng của nhà
máy điện mặt trời đến thông số vận hành của lưới điện địa phương và độ tin cậy cung
cấp điện của lưới điện khi có sự cố tham gia của nguồn điện mặt trời cần được quan
tâm đúng mức.
Xuất phát từ các lý do trên, đề tài “Nghiên cứu các chế độ vận hành khi kết nối
nhà máy điện mặt trời Tuấn Ân vào lưới điện phân phối Cam Ranh” được lựa chọn
để nghiên cứu để đưa ra các giải pháp kỹ thuật nhằm đảm bảo chất lượng điện năng và
độ tin cậy cung cấp điện cho lưới điện phân phối khi có kết nối nhà máy điện mặt trời.
2. Mục đích nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là phải chỉ ra được các vấn đề sau:
- Ảnh hưởng của nhà máy điện mặt trời khi đấu nối vào hệ thống điện.
- Sự ảnh hưởng của nhà máy điện mặt trời Tuấn Ân đến các chế độ vận hành khi
đấu nối vào lưới điện phân phối Cam Ranh.
- Các giải pháp kỹ thuật nhằm đảm bảo chất lượng điện năng và độ tin cậy cung
cấp điện cho lưới điện phân phối khi có kết nối nhà máy điện mặt trời.
3. Đối tượng và phạm vi ngiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu
- Năng lượng mặt trời và biến đổi quang điện.
- Nhà máy điện mặt trời Tuấn Ân.
- Các chế độ vận hành của lưới điện khi có kết nối nhà máy điện mặt trời.

2
3.2. Phạm vi nghiên cứu
Lưới điện phân phối khu vực Thành phố Cam Ranh.
4. Phương pháp nghiên cứu
Sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm:
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết:
 Thu thập các tài liệu liên quan
 Các thông số ảnh hưởng đến hoạt động của nhà máy điện mặt trời
 Ảnh hưởng của nhà máy điện mặt trời khi kết nối vào hệ thống điện
- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:
 Sử dụng phần mềm ETAP để mô phỏng, tính toán
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Góp phần quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng điện năng, nâng cao độ tin
cậy cung cấp điện khi kết nối nhà máy điện mặt trời vào lưới điện phân phối.
- Chủ động trong việc ứng phó với các chế độ phát khác nhau của nhà máy điện
mặt trời.
- Đưa ra giải pháp vận hành hiệu quả của nhà máy điện mặt trời khi kết nối với
lưới điện.
6. Cấu trúc của luận văn
Ngoại trừ phần mở đầu và kết luận, cấu trúc của đề tài gồm 3 chương, cụ thể như
sau:
- Chương 1: Tổng quan về nhà máy điện mặt trời và lưới điện phân phối Cam
Ranh
- Chương 2: Giới thiệu phần mềm mô phỏng
- Chương 3: Tính toán, phân tích ảnh hưởng đến các chế độ vận hành khi kết nối
nhà máy điện mặt trời vào lưới điện phân phối Cam Ranh


3

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY ĐIỆN MẶT TRỜI VÀ LƯỚI ĐIỆN
PHÂN PHỐI CAM RANH
Thành phố Cam Ranh có cường độ bức xạ năng lượng mặt trời trung bình trong
ngày là 5,34kWh/m2/ngày, là điều kiện rất thuận lợi để triển khai các dự án năng lượng
mặt trời. Đầu năm 2016, UBND tỉnh Khánh Hòa đã cấp quyết định chủ trương đầu tư
dự án Nhà máy điện mặt trời hòa lưới cho Công ty Cổ phần Điện mặt trời Tuấn Ân.
Dự án được triển khai tại xã Cam Thịnh Tây, TP. Cam Ranh, giai đoạn 1 có quy mô
tổng công suất là 10MWp, diện tích đất sử dụng hơn 10ha với tổng vốn đầu tư hơn 400
tỷ đồng.
1.1. GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
1.1.1. Khái niệm
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 chúng ta. Trái đất và Mặt trời có
mối quan hệ chặt chẽ, chính bức xạ mặt trời là yếu tố quyết định cho sự tồn tại của sự
sống trên hành tinh chúng ta. Năng lượng mặt trời là một trong các nguồn năng lượng
sạch và vô tận và nó là nguồn gốc của các nguồn năng lượng khác trên trái đất [4].
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 nó.
Nguồn năng lượng bức xạ chủ yếu của mặt trời là do phản ứng nhiệt hạch tổng
hợp hạt nhân Hydro, phản ứng này đưa đến sự tạo thành Hêli, cứ 4 hạt nhân Hydro lại
tạo ra 1 hạt nhân Hêli, 2 Neutrino (hạt không mang điện) và một lượng bức xạ Gama
(γ) [3].
4H11 → He24 + 2 Neutrino + γ

(1.1)

Mỗi ngày, Mặt trời sản xuất một nguồn năng lượng qua phản ứng nhiệt hạch lên

đến 9.1024kWh, tức là chưa đầy 1 phần triệu giây Mặt trời đã giải phóng ra một năng
lượng tương đương với tổng số điện năng sản xuất trong một năm trên Trái đất [3].
1.1.2. Bức xạ mặt trời
Trong toàn bộ bức xạ của Mặt trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các phản ứng
hạt nhân trong nhân mặt trời không quá 3%. Bức xạ γ ban đầu khi đi qua 5.105km
chiều dài của lớp vật chất Mặt trời bị biến đổi rất mạnh. Tất cả các dạng của bức xạ
điện từ đều có bản chất sóng và chúng khác nhau ở bước sóng. Bức xạ γ là sóng ngắn
nhất trong các sóng đó (Hình 1.1), từ tâm Mặt trời đi ra do sự va chạm hoặc tán xạ mà


4
năng lượng của chúng giảm đi, chuyển thành các dạng bức xạ điện từ có bước sóng dài
hơn [3].

Hình 1.1. Dải bức xạ điện từ (độ dài bước sóng μm)
Đặc trưng của bức xạ mặt trời truyền trong không gian bên ngoài Mặt trời là một
phổ rộng trong đó cực đại của cường độ bức xạ nằm trong dải 10-1 ÷ 10 μm và hầu
như một nửa tổng năng lượng mặt trời tập trung trong khoảng bước sóng 0,38 - 0,78
μm, đó là vùng nhìn thấy của phổ.
Chùm tia truyền thẳng từ mặt trời gọi là bức xạ trực xạ. Mật độ dòng bức xạ trực
xạ ở ngoài lớp khí quyển, tính đối với với 1m2 bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ,
được tính theo công thức [3]:
q = φD_T.C0.(T/100)4

(1.2)

Ở đây:
φD_T : hệ số góc bức xạ giữa trái đất và mặt trời
2

φD_T =

(1.3)
4

β: góc nhìn mặt trời có giá trị gần đúng là 32’ (Hình 1.2)
C0 = 5,67 W/m2.K4: hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối
T ≈ 5762°K: nhiệt độ bề mặt Mặt trời


5

Hình 1.2. Góc nhìn Mặt trời
Vậy:
2.3,14.32

2

5762

360.60

q=

2

1353 [W/m ]

.5,67
4

4

(1.4)

100

Do khoảng cách giữa Trái đất và Mặt trời thay đổi theo mùa trong năm nên β
cũng thay đổi, do đó q cũng thay đổi nhưng độ thay đổi này không lớn lắm do đó có
thể xem q là không đổi và được gọi là hằng số mặt trời.
Khi truyền qua lớp khí quyển bao bọc quanh Trái đất, các chùm tia bức xạ bị hấp
thụ và tán xạ bởi tầng ôzôn, hơi nước và bụi trong khí quyển, chỉ một phần năng lượng
được truyền trực tiếp tới Trái đất. Đầu tiên ôxy phân tử bình thường O2 phân ly thành
ôxy nguyên tử O, để phá vỡ liên kết phân tử đó, cần phải có các photon bước sóng
ngắn hơn 0,18μm, do đó các photon (xem bức xạ như các hạc rời rạc - photon) có năng
lượng như vậy bị hấp thụ hoàn toàn. Chỉ một phần các nguyên tử ôxy kết hợp thành
các phân tử, còn đại đa số các nguyên tử tương tác với các phân tử ôxy khác để tạo
thành phân tử ôzôn O3, ôzôn cũng hấp thụ bức xạ tử ngoại nhưng với mức độ thấp hơn
so với ôxy, dưới tác dụng của các photon với bước sóng ngắn hơn 0,32μm, sự phân
tách O3 thành O2 và O xảy ra. Như vậy hầu như toàn bộ năng lượng của bức xạ tử
ngoại được sử dụng để duy trì quá trình phân ly và hợp nhất của O, O 2 và O3, đó là
một quá trình ổn định. Do quá trình này, khi đi qua khí quyển, bức xạ tử ngoại biến đổi
thành bức xạ với năng lượng nhỏ hơn.
Các bức xạ với bước sóng ứng với các vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoại của
phổ tương tác với các phân tử khí và các hạt bụi của không khí nhưng không phá vỡ
các liên kết của chúng, khi đó các photon bị tán xạ khá đều theo mọi hướng và một số
photon quay trở lại không gian vũ trụ. Bức xạ chịu dạng tán xạ đó chủ yếu là bức xạ có
bước sóng ngắn nhất. Sau khi phản xạ từ các phần khác nhau của khí quyển bức xạ tán

6
xạ đi đến chúng ta mang theo màu xanh lam của bầu trời trong sáng và có thể quan sát
được ở những độ cao không lớn.
Các giọt nước cũng tán xạ rất mạnh bức xạ mặt trời. Bức xạ mặt trời khi đi qua
khí quyển còn gặp một trở ngại đáng kể nữa đó là do sự hấp thụ của các phần tử hơi
nưóc, khí cacbônic và các hợp chất khác, mức độ của sự hấp thụ này phụ thuộc vào
bước sóng, mạnh nhất ở khoảng giữa vùng hồng ngoại của phổ.
Phần năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt Trái đất trong những ngày
quang đãng (không có mây) ở thời điểm cao nhất vào khoảng 1000W/m2 (Hình 1.3).

Hình 1.3. Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển của Trái đất
1.1.3. Tính toán năng lượng mặt trời
Cường độ bức xạ mặt trời trên mặt đất chủ yếu phụ thuộc 2 yếu tố:
- Góc nghiêng của các tia sáng đối với mặt phẳng bề mặt tại điểm đã cho.
- Độ dài đường đi của các tia sáng trong khí quyển
Nói chung là phụ thuộc vào độ cao của Mặt trời (góc giữa phương từ điểm quan
sát đến Mặt trời và mặt phẳng nằm ngang đi qua điểm đó).
Yếu tố cơ bản xác định cường độ của bức xạ mặt trời ở một điểm nào đó trên
Trái đất là quãng đường nó đi qua. Sự mất mát năng lượng trên quãng đường đó gắn


7
liền với sự tán xạ, hấp thụ bức xạ và phụ thuộc vào thời gian trong ngày, mùa, vị trí địa
lý.
Quan hệ giữa bức xạ mặt trời ngoài khí quyển và thời gian trong năm có thể xác
định theo phương trình sau [3]:
E

E (1 0, 33cos
ng

0

360n

) W/m

2

(1.5)

365

trong đó, Eng là bức xạ ngoài khí quyển được đo trên mặt phẳng vuông góc với tia bức
xạ vào ngày thứ n trong năm.
1.1.3.1. Tính toán góc tới của bức xạ trực xạ
Trong quá trình tính toán cần định nghĩa một số khái niệm như sau [3]:
- Hệ số khối khí m: là tỷ số giữa khối lượng khí quyển theo phương tia bức xạ
truyền qua và khối lượng khí quyển theo phương thẳng đứng (tức là khi Mặt trời ở
thiên đỉnh). Như vậy, m = 1 khi Mặt trời ở thiên đỉnh, m = 2 khi góc thiên đỉnh θ z là
60°. Đối với các trường hợp θz = 0 ÷ 70°, có thể xác định gần đúng m = 1/cosθz. Còn
đối với các trường hợp θz > 70° thì độ cong của bề mặt trái đất phải được đưa vào tính
toán. Riêng đối với các trường hợp tính toán bức xạ mặt trời ngoài khí quyển, m = 0.
- Trực xạ: là bức xạ mặt trời nhận được khi không bị bầu khí quyển phát tán. Đây
là dòng bức xạ có hướng và có thể thu được ở các bộ thu kiểu tập trung (hội tụ).
- Tán xạ: là bức xạ mặt trời nhận được sau khi hướng của nó bị thay đổi do sự
phát tán của bầu khí quyển.
- Tổng xạ: là tổng của trực xạ và tán xạ trên một bề mặt.
- Cường độ bức xạ (W/m2): là cường độ năng lượng bức xạ mặt trời truyền đến
một đơn vị diện tích của bề mặt. Cường độ bức xạ cũng bao gồm cường độ bức xạ trực

xạ Etrx, cường độ bức xạ tán xạ Etx và cường độ bức xạ quang phổ Eqp.
- Năng lượng bức xạ (J/m2): là năng lượng bức xạ mặt trời truyền đến một đơn vị
diện tích bề mặt trong một khoảng thời gian (thường là 1 giờ hoặc 1 ngày).
- Giờ mặt trời: là thời gian dựa trên chuyển động biểu kiến của mặt trời trên bầu
trời, với quy ước mặt trời chính ngọ là thời điểm mặt trời đi qua thiên đỉnh của người
quan sát. Giờ mặt trời là thời gian sử dụng trong quan hệ với góc mặt trời, nó không
đồng nghĩa với giờ theo đồng hồ.
Quan hệ hình học giữa một mặt phẳng bố trí bất kỳ trên mặt đất và bức xạ của
mặt trời truyền tới, tức là vị trí của mặt trời so với mặt phẳng đó có thể được xác định
theo các góc đặc trưng sau ():
- Góc vĩ độ ϕ : vị trí góc tương ứng với vĩ độ so với đường xích đạo, với hướng
phía bắc là hướng dương (-90° ≤ ϕ ≤ 90°).


8
- Góc nghiêng β: góc giữa mặt phẳng của bề mặt tính toán và phương nằm ngang
(0 ≤ β ≤ 180°). Góc β > 90° nghĩa là bề mặt nhận bức xạ hướng xuống phía dưới.

Hình 1.4. Các góc hình học của tia bức xạ mặt trời trên mặt phẳng nghiêng
- Góc phương vị của bề mặt γ: góc lệch của hình pháp tuyến bề mặt trên mặt
phẳng nằm ngang so với đường kinh tuyến. Góc γ = 0 nếu bề mặt quay về hướng
chính nam, γ lấy dấu (+) nếu bề mặt quay về phía tây và lấy dấu (–) nếu bề mặt quay
về phía đông (-180° ≤ γ ≤ 180°).
- Góc giờ ω: góc chuyển động của vị trí mặt trời so với kinh tuyến địa phương do
quá trình quay của trái đất quanh trục của nó và lấy giá trị 15° cho 1 giờ đồng hồ, buổi
sáng lấy dấu (–), buổi chiều lấy dấu (+).
- Góc tới θ: góc giữa tia bức xạ truyền tới bề mặt và pháp tuyến của bề mặt đó.
- Góc thiên đỉnh θz: góc giữa phương thẳng đứng (thiên đỉnh) và tia bức xạ tới.
Trường hợp bề mặt nằm ngang thì góc thiên đỉnh chính là góc tới θ.
- Góc cao mặt trời α: góc giữa phương nằm ngang và tia bức xạ truyền tới, tức là

góc phụ với góc thiên đỉnh.
- Góc phương vị mặt trời γs: góc lệch so với phương nam của hình chiếu tia bức
xạ mặt trời truyền tới trên mặt phẳng nằm ngang. Góc này lấy dấu (–) nếu hình chiếu
lệch về phía đông và lấy dấu (+) nếu hình chiếu lệch về phía tây.
- Góc lệch δ: vị trí góc của mặt trời tương ứng với giờ mặt trời là 12 giờ (tức là
khi Mặt trời đi qua kinh tuyến địa phương) so với mặt phẳng của xích đạo trái đất, với
hướng bắc là hướng dương (-23,45° ≤ δ ≤ 23,45°). Góc lệch δ của ngày thứ n trong
năm có thể tính theo phương trình của Cooper:


9

284

23, 45.sin(360

n

)

(1.6)

365

Quan hệ giữa các loại góc đặc trưng trên có thể biểu diễn bằng phương trình giữa
góc tới θ và các góc khác như sau:
 cosθ = sinδ.sinϕ.cosβ - sinδ.cosϕ.sinβ.cosγ + cosδ.cosϕ.cosβ.cosω
+ cosδ.sinϕ.sinβ.cosγ.cosω + cosδ.sinβ.sinγ.sinω

(1.7)

 cosθ = cosθz.cosβ + sinθz.sinβ.cos(γs - γ)

(1.8)

Đối với bề mặt nằm ngang, góc tới θ chính là góc thiên đỉnh của mặt trời θ z, giá
trị của nó phải nằm trong khoảng 0° đến 90° từ khi mặt trời mọc đến khi mặt trời ở
thiên đỉnh (β = 0):
cosθz = cosϕ.cosδ.cosω+ sinϕ.sinδ

(1.9)

1.1.3.2. Bức xạ mặt trời ngoài khí quyển lên bề mặt nằm ngang
Tại thời điểm bất kỳ, bức xạ mặt trời đến một bề mặt nằm ngang ngoài khí quyển
được xác định theo phương trình [3]:
E

E (1 0, 33cos
0.ng

0

360n

).cos

365

(1.10)

z

Thay giá trị cosθz từ công thức (1.9) vào phương trình (1.10), ta có:
E

E (1 0, 33cos
0.ng

0

360n

).(cos .cos .cos

(1.11)

sin .sin )

365

Tích phân phương trình này theo thời gian từ khi mặt trời mọc đến khi mặt trời
lặn (6h đến 18h mặt trời) ta sẽ được năng lượng bức xạ mặt trời trên mặt phẳng nằm
ngang trong một ngày:
24.3600.E0

E
0.ngày

(1 0, 33 cos

360n

s

).(cos .cos .sin
s

365

sin .sin )

(1.12)

180

với ωs là giờ mặt trời lặn (tức là góc giờ ω khi θz = 90°)
cos

s

sin .sin
=
cos .cos

tg .tg

(1.13)

Người ta cũng xác định năng lượng bức xạ ngày trung bình trong tháng E 0th bằng
cách thay giá trị n và δ trong các công thức trên bằng giá trị ngày trung bình của tháng

đó và độ lệch δ tương ứng.
Năng lượng bức xạ trên mặt phẳng nằm ngang trong một giờ nhất định giữa các
góc giờ ω1 và ω2 [3]:


10

112.3600.E0

E

1 0, 33cos

0.gio

360n

cos .cos .(sin

sin
1

365

)
2

(

2

)

1

sin .sin

(1.14)

180

1.2. PIN MẶT TRỜI
Pin mặt trời là phương pháp sản xuất điện trực tiếp từ năng lượng mặt trời qua
thiết bị biến đổi quang điện. Ứng dụng năng lượng mặt trời dưới dạng này được phát
triển với tốc độ rất nhanh, nhất là ở các nước phát triển [4].
Pin mặt trời làm việc theo nguyên lý biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt
trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện [4].
1.2.1. Hiệu ứng quang điện
Xét một hệ hai mức năng lượng điện tử (Hình 1.5) E1 < E2, bình thường điện tử
chiếm mức năng lượng thấp E1. Khi nhận bức xạ mặt trời, lượng tử ánh sáng photon
có năng lượng hv (h = 4,135.10-15 eV.s - hằng số Plank và v là tần số ánh sáng) bị điện
tử hấp thụ và điện tử chuyển lên mức năng lượng E2 [4].

Hình 1.5. Hệ hai mức năng lượng
Ta có phương trình cân bằng năng lượng:
hv = E2 - E1

(1.15)

Trong các vật thể rắn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vành

ngoài, nên năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng con rất sát nhau và tạo
thành các vùng năng lượng (Hình 1.6).


11

Hình 1.6. Các vùng năng lượng
Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi ở trạng thái cân bằng gọi là
vùng hoá trị, mà mặt trên của nó có mức năng lượng EV. Vùng năng lượng phía trên
tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn, mặt dưới của
vùng có mức năng lượng là EC. Cách ly giữa vùng hóa trị và vùng dẫn gọi là một vùng
cấm có độ rộng năng lượng là Eg, trong đó không có mức năng lượng cho phép nào
của điện tử.
Khi nhận bức xạ mặt trời, photon có năng lượng hv tới hệ thống và bị điện tử ở
vùng hóa trị thấp hấp thu và nó có thể chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự do e, để lại ở vùng hóa trị một lỗ trống có thể coi như hạt mang điện dương, ký hiệu là h +.
Lỗ trống này có thể di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện.
Hiệu ứng lượng tử là quá trình hấp thụ photon có thể mô tả bằng phương trình:
Ev + hv → e- + h+

(1.16)

Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lượng của photon và chuyển từ vùng
hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử - lỗ trống là:
hv =

hc

≥ Eg = Ec - Ev

(1.17)

Từ đó có thể tính được bước sóng tới hạn λc của ánh sáng để có thể tạo ra cặp
điện tử - lỗ trống:
λc =

hc
Ec

hc 1,24 [μm]
=
=
Ev Eg Eg

(1.18)

Tóm lại khi vật rắn nhận tia bức xạ mặt trời, điện tử ở vùng hóa trị hấp thụ năng
lượng photon hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử - lỗ trống e- - h+,
tức là đã tạo ra một điện thế. Hiện tượng đó gọi là hiệu ứng quang điện bên trong.


12
1.2.2. Cấu tạo của pin mặt trời
Pin mặt trời hay còn gọi là pin quang điện là thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các
diode p-n, có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng
nhờ hiệu ứng quang điện bên trong.
Hiện nay vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời là các silic (Si) tinh thể. Pin mặt trời từ
tinh thể silic chia ra thành 3 loại [4]:
- Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski.
Đơn tinh thể này có hiệu suất tới 16%. Chúng thường rất đắt tiền do được cắt từ
các thỏi silicon đơn tinh thể hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc

nối các module.
- Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc được đúc từ silic nung chảy, được làm nguội và
làm rắn. Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể nhưng hiệu suất kém hơn, từ
8% - 11%. 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 có hiệu suất thấp nhất, từ 3% - 6%, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong
các loại. Ngoài ra, một ưu điểm của pin đa tinh thể là chúng có thể dát mõng và
dán lên các bề mặt.
Từ tinh thể Si tinh khiết, để có vật liệu tinh thể bán dẫn Si loại n, người ta pha tạp
chất donor (thường là photpho), còn để có vật liệu tinh thể bán dẫn Si loại p, tạp chất
acceptor được dùng để pha vài Si là Bo.
Đối với pin mặt trời từ vật liệu tinh thể Si khi bức xạ mặt trời chiếu đến thì hiệu
điện thế hở mạch giữa 2 cực khoảng 0,55V và dòng điện ngắn mạch của nó khi bức xạ
mặt trời có cường độ 1000W/m2 vào khoảng 25 ÷ 30 mA/cm2.
Công nghệ chế tạo pin mặt trời gồm nhiều công đoạn khác nhau, ví dụ để chế tạo
pin mặt trời từ silic đa tinh thể cần qua các công đoạn như hình (Hình 1.7) cuối cùng ta
được module.


13

Hình 1.7. Quá trình chế tạo pin mặt trời đa tinh thể
1.2.3. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời
Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời chính là hiện tượng quang điện xảy ra trên
lớp tiếp xúc p-n. Khi một photon chạm vào mảnh silic, một trong hai điều sau sẽ xảy
ra:
- Năng lượng photon truyền xuyên qua mảnh silic. Điều này thường xảy ra khi
năng lượng của photon thấp hơn năng lượng đủ để đưa các hạt electron lên mức
năng lượng cao hơn.

- Năng lượng của photon được hấp thụ bởi silic. Điều này thường xảy ra khi năng
lượng của photon lớn hơn năng lượng để đưa electron lên mức năng lượng cao
hơn.
Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các hạt electron
trong mạng tinh thể (thông thường các electron này lớp ngoài cùng). Khi electron được
kích thích, trở thành dẫn điện, các electron này có thể tự do di chuyển trong bán dẫn.
Khi đó nguyên tử sẽ thiếu 1 electron và đó gọi là lỗ trống. Lỗ trống này tạo điều kiện
cho các electron của nguyên tử bên cạnh di chuyển đến điền vào lỗ trống, và điều này
tạo ra lỗ trống cho nguyên tử lân cận có "lỗ trống". Cứ tiếp tục như vậy electron và lỗ
trống di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn, tạo ra dòng điện.
Với mạng tinh thể silic, giá trị Eg = EC – EV tương đối thấp (khoảng 1,1eV),
tương đương với năng lượng của tia hồng ngoại (tia hồng ngoại có mức năng lượng
khoảng 1,7eV). Do đó, silic có thể hấp thụ phần lớn ánh sáng mặt trời (từ tia hồng
ngoại đến tia tử ngoại). Tuy nhiên, do những photon có năng lượng lớn sẽ bị thất thoát
phần dư thừa ở dạng nhiệt nên phần năng lượng hấp thụ được chuyển đổi thành nhiệt
năng lớn hơn năng lượng điện (ngoài ra còn phải kể đến sự thất thoát gây ra bởi cấu
trúc vật liệu, phản xạ bề mặt và độ tinh khiết của silicon ...). Hiệu suất lý thuyết tối đa
của pin mặt trời silicon đơn tinh thể là 31% (với loại pin 1 lớp silicon).