Thiết kế hệ thống pin mặt trời nối lưới cung cấp điện cho khách sạn thanh hải tp nha trang

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRẦN TUẤN VĨNH

THIẾT KẾ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI
CUNG CẤP ĐIỆN CHO KHÁCH SẠN THANH HẢI
THÀNH PHỐ NHA TRANG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRẦN TUẤN VĨNH

THIẾT KẾ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI
CUNG CẤP ĐIỆN CHO KHÁCH SẠN THANH HẢI
THÀNH PHỐ NHA TRANG
Chuyên ngành : Kỹ thuật điện
Mã số

: 60 52 02 02

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: TS. TRỊNH TRUNG HIẾU

Đà Nẵng - Năm 2017


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả luận văn

TRẦN TUẤN VĨNH


ii

TRANG TÓM TẮT TIẾNG ANH

THIẾT KẾ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI CUNG CẤP ĐIỆN
CHO KHÁCH SẠN THANH HẢI – THÀNH PHỐ NHA TRANG
Học viên: Trần Tuấn Vĩnh Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số: 60520202 Khóa: K33.KTĐ.KH Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN
Tóm tắt – Hiện nay, các khách sạn vừa và nhỏ nhận nguồn từ các TBA công cộng lại bị khống
chế công suất dưới 20kW (khi đấu nối tại lưới hạ áp gần nhất) và dưới 40kW (khi đấu nối từ đầu
nguồn TBA), công suất này sẽ không đáp ứng được nhu cầu phụ tải vào những mùa cao điểm du
lịch. Việc đầu tư về đường dây và TBA rất tốn kém về kinh tế và gặp nhiều khó khăn trong giai
đoạn hiện nay (điểm đấu nối hầu như đã kín, chi phí lắp đặt đường dây cáp ngầm trung áp rất tốn
kém nhưng rất khó khăn thi công do vướng cảnh quan đô thị, mặt bằng lắp đặt TBA chật hẹp
không đảm bảo an toàn, …). Ngày 11/4/2017 Thủ tướng Chính phủ đã ban hành QĐ số

11/2017/QĐ-TTg “Về cơ chế khuyến khích phát triển các dự án mặt trời tại Việt Nam” áp dụng
cho các tổ chức, cá nhân tham gia phát triển các dự án điện mặt trời tại Việt Nam. Luận văn thiết
kế hệ thống pin mặt trời nối lưới cung cấp điện cho khách sạn Thanh Hải – Tp Nha Trang là rất
cần thiết, ứng dụng thực tế trong điều kiện hiện nay không chỉ riêng cho khách sạn Thanh Hải mà
còn có thể áp dụng cho các khách sạn có qui mô vừa và nhỏ trên địa bàn Tp Nha Trang.
Từ khóa – năng lượng mặt trời; pin mặt trời; mô hình biến đổi năng lượng mặt trời thành
điện năng; kết nối lưới điện
DESCRIPTION OF ELECTRICCITY SUPPLY CONNECTOR SYSTEM FOR THANH
HAI HOTEL – NHA TRANG CITY
Abstract – Currently, small and medium hotels receiving power from public substations are
subject to a capacity under 20kW (when connected at the nearest low voltage grid) and under
40kW (when connected from the source of the substation), this capacity will not be able to
meet peak demand during tourist season. Investing in power lines and substations is very
costly and difficult for the current period (the connection point is almost closed, the cost of
installing underground medium voltages cables is very expensive but difficult due to the
urban landscape, the intallation of narrow substaion is not secure,…). On 11/4/2017, the
Prime Minister issued Decision No. 11/2017/QĐ-TTg “ Regarding mechanisms to encourage
the development of solar projects in Viet Nam” applicable to organizations and individuals
involved in the development of solar power projects in Viet Nam. Thesis design grid
connected solar power system to supply electricity to Thanh Hai hotel – Nha Trang city is
very necessary, practical application in present conditions not only for Thanh Hai hotel but
also applicable to small and medium hotels in Nha Trang city.
Key words - solar; solar battery; the model converts solar energy into electricity; grid
connection


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i

TRANG TÓM TẮT TIẾNG ANH .......................................................................... ii
MỤC LỤC ................................................................................................................ iii
DANH MỤC CAC BẢNG .......................................................................................vi
DANH MỤC CAC HINH ...................................................................................... vii
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của đề tài ......................................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu ...........................................................................................2
3. Đối tượng nghiên cứu .........................................................................................3
4. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................................3
5. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................3
6. Dàn ý nội dung chính ..........................................................................................4
7. Tổng quan về tài liệu nghiên cứu........................................................................4
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT
TRỜI ...........................................................................................................................5
1.1. NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ..........................................................................5
1.1.1. Khái niệm năng lượng mặt trời ................................................................5
1.1.2. Vai trò và lợi ích của năng lượng mặt trời................................................6
1.1.3. Bức xạ mặt trời .........................................................................................6
1.1.4. Phương pháp tính toán năng lượng bức xạ mặt trời ...............................10
1.2. PIN MẶT TRỜI CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ ...........................................18
1.2.1. Cấu tạo pin mặt trời ................................................................................18
1.2.2. Nguyên lý hoạt động ...............................................................................19
1.2.3. Đặc tính làm việc của pin mặt trời .........................................................22
1.2.4. Ứng dụng ................................................................................................26
1.2.5. Cách ghép nối các tấm năng lượng mặt trời ...........................................26
1.3. MÔ HÌNH BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI THÀNH ĐIỆN NĂNG
...............................................................................................................................30
1.3.1. Mô hình hệ thống năng lượng mặt trời cấp điện độc lập .......................30
1.3.2. Mô hình hệ thống độc lập, kết hợp giữa năng lượng mặt trời và các
nguồn năng lượng khác ....................................................................................31

1.3.3. Mô hình hệ thống năng lượng mặt trời kết nối lưới ...............................32


iv

1.4. CÁC KHẢO SÁT, THỐNG KÊ TIỀM NĂNG BỨC XẠ MẶT TRỜI TẠI
THÀNH PHỐ NHA TRANG, TỈNH KHÁNH HÒA ..........................................35
1.5. KẾT LUẬN ....................................................................................................36
CHƯƠNG 2. TÍNH TOÁN - THIẾT KẾ HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI NỐI LƯỚI CẤP ĐIỆN CHO KHÁCH SẠN THANH HẢI ...........37
2.1. GIỚI THIỆU VỀ KHÁCH SẠN THANH HẢI ................................………37
2.2. NHU CẦU XÂY DỰNG HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI CHO
KHÁCH SẠN THANH HẢI ................................................................................39
2.3. MÔ HÌNH HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI KẾT HỢP NỐI LƯỚI, VỊ TRÍ
LẮP ĐẶT ..............................................................................................................39
2.3.1. Lựa chọn mô hình hệ thống ....................................................................39
2.3.2. Vị trí xây dựng hệ thống pin năng lượng mặt trời nối lưới ....................42
2.4. TÍNH TOÁN – THIẾT KẾ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI CẤP
ĐIỆN CHO KHÁCH SẠN THANH HẢI ............................................................43
2.4.1. Xác định phụ tải của khách sạn Thanh Hải ............................................43
2.4.2. Tính toán lựa chọn Pin năng lượng mặt trời...........................................50
2.4.3. Lựa chọn bộ biến đổi điện DC-AC (Inverter) ........................................58
2.4.4. Hệ thống kho Ắcquy...............................................................................61
2.4.5. Bộ điều khiển sạc Ắcquy ........................................................................64
2.4.6. Bộ biến đổi điện DC-AC từ Ắcquy đến tải ............................................65
2.5. ĐẤU NỐI HỆ THỐNG .................................................................................67
2.5.1. Một số lưu ý khi đấu nối .......................................................................67
2.5.2. Sơ đồ đấu nối ........................................................................................67
2.5.3. Giải pháp lắp đặt Pin mặt trời lên tầng thượng khách sạn .....................71
2.6. ỨNG DỤNG PHẦN MỀM PV*SOL MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PIN NĂNG

LƯỢNG MẶT TRỜI THIẾT KẾ .........................................................................72
2.7. KẾT LUẬN ....................................................................................................76
CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN HIỆU QUẢ KINH TẾ CỦA HỆ THỐNG PIN
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI NỐI LƯỚI CUNG CẤP ĐIỆN CHO KHÁCH
SẠN THANH HẢI ..................................................................................................77
3.1. TỔNG MỨC ĐẦU TƯ HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI NỐI
LƯỚI CUNG CẤP ĐIỆN CHO KHÁCH SẠN THANH HẢI ............................77
3.1.1. Chi phí xây dựng (CPXD) .....................................................................78
3.1.2. Chi phí mua thiết bị (CPTB)..................................................................79
3.1.3. Chi phí tư vấn đầu tư xây dựng (CPTVĐTXD) và chi phí khác (CPK)79


v

3.1.4. Chi phí vận hành và bảo dưỡng hệ thống (CPVHBD). .........................80
3.1.5. Các chi phí khấu hao hằng năm (CPKH) ...............................................81
3.2. PHÂN TÍCH TÍNH HIỆU QUẢ KHI XÂY DỰNG HỆ THỐNG PIN MẶT
TRỜI CHO KHÁCH SẠN THANH HẢI ............................................................81
3.3. KẾT LUẬN ....................................................................................................82
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................84
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ...............................................................86
PHỤ LỤC
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI.
BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC
PHẢN BIỆN


vi

DANH MỤC CÁC BẢNG

Số hiệu
bảng

Tên bảng

Trang

1.1

Lượng bức xạ mặt trời tại các vùng miền của nước ta

36

2.1

Phụ tải của khách sạn Thanh Hải những ngày trong mùa
du lịch

47

2.2

Phụ tải của khách sạn Thanh Hải ngày thường

48

2.3

Bảng thông số vật lý Pin mặt trời IREX

53

2.4

Thông số kỹ thuật Pin mặt trời IREX

54

2.5

Thông số kỹ thuật của INVERTER Sunny Tripower
12000TL-10

59

2.6

Thông số kỹ thuật Ắc quy CL3000

62

2.7

Thông số kỹ thuật bộ điều khiển sạc Ắc quy SYMC-48300

65

3.1

Chi phí xây dựng nhà điều hành

78

3.2

Chi phí gia công, lắp dựng giá đỡ ắc quy và dàn pin mặt
trời

78

3.3

Chi phí mua thiết bị hệ thống pin mặt trời

79

3.4
3.5

Chi phí tư vấn đầu tư xây dựng và chi phí khác khi xây
dựng hệ thống pin mặt trời
Chi phí vận hành và bảo dưỡng hệ thống hệ thống pin
mặt trời

79
81


vii

DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hiệu
hình

Tên hình

Trang

1.1

Dải bức xạ điện từ

6

1.2

Góc nhìn mặt trời

8

1.3

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

9

1.4

Vị trí của Trái đất và mặt trời thay đổi trong năm

10

1.5

Quan hệ các góc hình học của tia bức xạ mặt trời trên
mặt phẳng nghiêng

12

1.6

Sơ đồ phân bố các thành phần bức xạ khuyếch tán

15

1.7

Các thành phần bức xạ lên bề mặt nghiêng

16

1.8

Bức xạ trực xạ trên bề mặt nằm ngang và nghiêng

17

1.9

Cấu tạo của pin mặt trời

18

1.10

Tế bào PMT cơ bản

18

1.11

Các loại cấu trúc pin mặt trời

19

1.12

Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

20

1.13

Hệ thống 2 mức năng lượng (E1
20

1.14

Các vùng năng lượng

21

1.15

Hiện tượng quang điện trên lớp bán dẫn

21

1.16

Đường đặc tính làm việc U & I của pin mặt trời

23

1.17

Sơ đồ tương đương của pin mặt trời

23

1.18
1.19

Sự phụ thuộc của đặc trưng VA của pin mặt trời vào
cường độ bức xạ Mặt trời
Sự phụ thuộc của đường đặc tính của pin mặt trời vào
nhiệt độ của pin

24
25


viii

Số hiệu
hình
1.20
1.21
1.22
1.23

Tên hình
Đường đặc tính tải và đặc tính của pin mặt trời
Ghép nối tiếp hai tấm pin mặt trời (a) và đường đặc trưng
VA của các tấm pin và của cả hệ (b)
Ghép song song hai tấm pin mặt trời (a) và đường đặc
trưng VA của các tấm pin và của cả hệ (b)
Điốt nối song song với tấm pin để bảo vệ môđun & dàn
pin mặt trời

Trang
25
26
28
29

1.24

Sơ đồ điển hình của hệ thống NLMT độc lập

30

1.25

Mô hình hệ thống độc lập kết hợp giữa NLMT- Diesel

32

1.26
1.27

Mô hình hệ thống độc lập kết hợp giữa NLMT- gióDiesel
Sơ đồ điển hình hệ thống NLMT kết nối lưới không dự
trữ

32
33

1.28

Sơ đồ điển hình hệ thống NLMT kết nối lưới có dự trữ

34

2.1

Hotel Thanh Hải – 33 Phạm Ngọc Thạch

38

2.2

Vị trí khách sạn Thanh Hải – Tp Nha Trang

38

2.3

Mô hình hệ thống Pin mặt trời kết hợp nối lưới có dự trữ

40

2.4

Sơ đồ đấu nối hệ thống Pin mặt trời cấp điện nối lưới có
dự trữ cho khách sạn Thanh Hải

41

2.5a

Hình ảnh tầng thượng của khách sạn Thanh Hải

42

2.5b

Hình ảnh tầng thượng của khách sạn Thanh Hải

42

2.6

Biểu đồ phụ tải những ngày trong mùa du lịch của khách
sạn Thanh Hải

45

2.7

Biểu đồ phụ tải ngày thường của khách sạn Thanh Hải

46

2.8

Pin mặt trời IREX

53

2.9

Đường đặc tính I - V

54


ix

Số hiệu
hình

Tên hình

Trang

2.10

Sunny Tripower 12000TL-10

59

2.11

Ăc quy CL3000

62

2.12

Cách ghép nối 24 Ắc quy CL 3000 thành 1 dãy

63

2.13

Bộ điều khiển sạc Ắc quy SYMC-48-300

64

2.14

Sơ đồ bố trí hệ thống Ắc quy

66

2.15

Bản vẽ mặt bằng tầng thượng của khách sạn Thanh Hải

68

2.16

Sơ đồ đấu nối hệ thống Pin mặt trời nối lưới cấp điện cho
khách sạn Thanh Hải – Tp. Nha Trang

68

2.17

Dàn thép để lắp đặt tấm Pin mặt trời

69

2.18

Lắp diod rẽ nhánh bảo vệ hệ thống

69

2.19

Sơ đồ ghép nối các tấm Pin mặt trời với bộ biến đổi điện
DC-AC

70

2.20

Sơ đồ bố trí hệ thống Ắc quy

70

2.21

Giới thiệu phần mềm PV SOL

72

2.22

Thông số thời tiết tại Nha Trang

72

2.23

Sơ đồ mô phỏng

73

2.24

Kết quả sản xuất và tiêu thụ điện năng theo dữ liệu thời
tiết

73

2.25

Kết quả sử dụng năng lượng sản sinh ra bởi hệ thống PV

74

2.26

Kết quả sử dụng năng lượng tiêu thụ - phát lưới - sạc pin
sinh ra bởi hệ thống PV

74

2.27

Tổng năng lượng tiêu thụ của các thành phần phụ tải

75

1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Thế giới đang đứng trước một lựa chọn khó khăn cho sự phát triển bền
vững trong tương lai khi các nguồn năng lượng đang dần cạn kiệt. Ngành
công nghiệp điện chủ yếu dựa trên công nghệ nhiệt điện và thủy điện, đã
mang đến cho nhân loại nền văn minh điện, nhưng cũng đã bộc lộ mặt trái của
nó đối với môi trường, và dần cạn kiệt. Công nghệ điện hạt nhân lại không an
toàn và gây ra những hiểm họa phóng xạ để lại tác hại lâu dài cho môi trường.
Vì vậy, với chiến lược phát triển bền vững trên toàn cầu, đặc biệt là thời kỳ
phát triển “kinh tế xanh”, “năng lượng xanh” đã bắt đầu chứng kiến những
công nghệ mới để sản xuất điện, trong đó việc sản xuất điện từ các nguồn
năng lượng tái tạo trong tự nhiên đang là hướng đi mới trong ngành công
nghiệp năng lượng, nguồn năng lượng tái tạo khá dồi dào, nó có khả năng
thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch, giảm thiểu tác hại tới môi trường,
đặc biệt là năng lượng mặt trời.
Việt Nam là một trong những nước có nguồn năng lượng mặt trời rất dồi
dào, với số giờ nắng trung bình 2200 giờ/năm và cường độ bức xạ cao nhất có
thể đến 5,7kWh/m2/ngày. Thế nhưng các nguồn sản xuất điện ở nước ta hiện
nay chủ yếu là từ nhiệt điện và thủy điện. Nhiều chuyên gia nhận định, nhu
cầu điện năng sẽ thiếu hụt trầm trọng với mức tăng tiêu thụ từ 15% – 20%
mỗi năm.
Ngày 11/4/2017 Thủ tướng Chính phủ đã ban hành quyết định số
11/2017/QĐ-TTg “Về cơ chế khuyến khích phát triển các dự án điện mặt trời
tại Việt Nam” áp dụng cho các tổ chức, cá nhân tham gia phát triển các dự án
điện mặt trời tại Việt Nam.
Tại Thành phố biển Nha Trang, lượng khách du lịch trong nước và quốc

2

tế ngày càng tăng, nhu cầu sử dụng điện năng rất lớn, nhất là vào các dịp nghỉ
lễ và Festival biển. Hệ thống điện của khách sạn phải hoạt động liên tục
24/24, có những thời điểm phải hoạt động hết 100% công suất của thiết bị dẫn
đến quá tải trạm biến áp. Những lúc sửa chữa đường dây hay Điện lực tạm
ngừng cung cấp điện cũng làm ảnh hưởng đến hoạt động của khách sạn. Vì
thế yêu cầu bắt buộc ổn định hệ thống điện cho khách sạn là điều rất quan
trọng. Các khách sạn vừa và nhỏ nhận nguồn từ các trạm biến áp công cộng
lại bị khống chế công suất dưới 20kW (khi đấu nối tại lưới hạ áp gần nhất) và
dưới 40kW (khi đấu nối từ đầu nguồn TBA), công suất này sẽ không đáp ứng
được nhu cầu phụ tải vào những mùa cao điểm, việc đầu tư đường dây và
trạm biến áp rất tốn kém về kinh tế và gặp nhiều khó khăn trong giai đoạn
hiện nay (điểm đấu nối hầu như đã kín, đường dây cáp ngầm rất tốn kém
nhưng rất khó khăn thi công do vướng cảnh quan đô thị, mặt bằng lắp trạm
biến áp chật hẹp không đảm bảo an toàn, …).
Trước đây khách sạn Thanh Hải đã liên hệ tư vấn thiết kế lắp đặt trạm
biến áp kín công suất 75kVA để cấp điện cho khách sạn, chi phí đầu tư nhánh
rẽ cáp ngầm 22kV dài 390m và TBA là 845.000.000đ, nhưng thỏa thuận
tuyến không được do vướng cảnh quan đô thị trong thành phố, mặt khác cũng
không cung cấp điện liên tục được khi hệ thống lưới điện bị sự cố hay đang
sửa chữa.
Đứng trước những khó khăn và thử thách đặt ra, tính thiết yếu của đề tài
“Thiết kế hệ thống pin mặt trời nối lưới cung cấp điện cho khách sạn
Thanh Hải Tp Nha Trang” là rất cần thiết, ứng dụng thực tế trong điều kiện
hiện nay không chỉ riêng cho khách sạn Thanh Hải mà còn có thể ứng dụng
cho toàn bộ khách sạn có có qui mô vừa và nhỏ trên địa bàn thành phố Nha
Trang. Đề tài sau khi thực hiện sẽ giúp chủ động trong việc thiết kế, cải tiến
hệ thống điện của khách sạn nhằm nâng cao chất lượng phục vụ cho khách

3

hàng, đảm bảo nguồn điện của khách sạn sẽ hoạt động xuyên suốt, không gián
đoạn.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Tính toán “Thiết kế hệ thống pin mặt trời nối lưới cung cấp điện cho
khách sạn Thanh Hải Tp Nha Trang”.
Đây là đề tài nghiên cứu ứng dụng, địa chỉ ứng dụng được xác định rõ.
Những kết quả nghiên cứu và ứng dụng của đề tài sẽ được thực hiện trên thực
tế. Giải pháp này khi đưa vào vận hành sẽ đạt được các chỉ tiêu:
- Đảm bảo hệ thống điện của khách sạn hoạt động xuyên suốt, luôn sẵn
sàng có nguồn thay thế khi mất điện;
- Nâng cao chất lượng phục vụ cho khách hàng;
- Tăng hiệu suất cho các thiết bị điện;
- Chi phí sẽ thấp hơn so với sử dụng máy phát;
- Lợi nhuận kinh tế sẽ tăng cao.
3.

Đối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu được tiến hành cho hệ thống điện của các khách sạn vừa và

nhỏ trên địa bàn thành phố Nha Trang, tỉnh Khánh Hòa.
4.

Phạm vi nghiên cứu
Đề tài nghiên cứu được giới hạn trong phạm vi của khách sạn Thanh Hải,

địa chỉ: 33 Phạm Ngọc Thạch, Phường Vĩnh Hải, Tp Nha Trang.

5. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Khảo sát điều kiện thực tế, phân tích
các yếu tố liên quan của khu triển khai ứng dụng. Xem xét lại toàn bộ cơ sở lý
thuyết về pin mặt trời để thành lập hệ thống pin năng lượng mặt trời từ đó đưa
vào ứng dụng.
Phương pháp nghiên cứu tính toán thiết kế: Tính toán thiết kế trên cơ sở
chung.


4

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Khảo sát thực nghiệm trên hệ
thống điện khách sạn Thanh Hải.
Phương pháp chuyên gia: Tham khảo các ý kiến khoa học từ thực tiễn của
các chuyên gia để nghe phân tích và nhận định.
6. Dàn ý nội dung chính
Ngoài phần mở đầu và phần kết luận, luận văn gồm 3 chương:
Mở đầu
Chương I: Tổng quan về hệ thống pin năng lượng mặt trời.
Chương II: Tính toán - thiết kế hệ thống pin năng lượng mặt trời nối lưới
cấp điện cho khách sạn Thanh Hải.
Chương III: Tính toán hiệu quả kinh tế của hệ thống pin mặt trời nối lưới
cấp điện cho khách sạn Thanh Hải.
Kết luận và hướng phát triển của đề tài
7. Tổng quan về tài liệu nghiên cứu
- Các sách hướng dẫn đã được xuất bản
- Các báo cáo đã được công bố trong Hội nghị khoa học, Tạp chí khoa học
trong và ngoài nước, các đề tài khoa học các cấp, luận án tiến sĩ, luận văn
thạc sĩ,… của các tác giả trong và ngoài nước.
- Cùng một số thông tin, tài liệu trên Internet.

5

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG
PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
1.1. NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
1.1.1. Khái niệm 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 các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, năng
lượng sinh khối, năng lượng thủy triều… Năng lượng mặt trời có thể nói là vô
tận. Tuy nhiên để khai thác, sử dụng nguồn năng lượng này cần phải biết các
đặc trưng và tính chất cơ bản của nó, đặc biệt khi tới bề mặt quả đất.
Về mặt vật chất thì mặt trời chứa đến 78,4% khí Hydro(H2), Heli (He)
chiếm 19,8 % các nguyên tố kim loại và các nguyên tố khác chiếm 1,8%.
Năng lượng do mặt trời bức xạ ra vũ trụ là một lượng khổng lồ, mỗi giây
nó phát ra 3,865.1026 J, tương đương với năng lượng đốt cháy hết 1,32.1016
tấn than đá tiêu chuẩn. Nhưng bề mặt quả đất chỉ nhận được một năng lượng
rất nhỏ và bằng 17,57.1016 J.
Năng lượng khổng lồ từ mặt trời được xác định là sản phẩm của các phản
ứng nhiệt hạt nhân. Nhiệt độ mặt ngoài của mặt trời khoảng 60000 K, còn ở
bên trong mặt trời nhiệt độ có thể lên đến hàng triệu độ. Áp suất bên trong
mặt trời cao hơn 340.1018 Mpa. Do nhiệt độ và áp suất bên trong mặt trời cao
như vậy nên vật chất đã nhanh chóng bị ion hóa và chuyển động với năng
lượng rất lớn. Chúng va chạm vào nhau và gây ra hàng loạt các phản ứng hạt
nhân. Nguồn năng lượng của mặt trời chủ yếu do hai loại phản ứng hạt nhân
gây ra. Đó là các phản ứng tuần hoàn giữa các hạt nhân cacbon, Nito và phản
ứng hạt nhân Proton- Proton.

6

Khối lượng mặt trời xấp xỉ 21.027 tấn. Như vậy để mặt trời chuyển hóa
hết khối lượng của nó thành năng lượng cần một khoảng thời gian là 15.1013
năm. Từ đó có thể thấy rằng nguồn năng lượng mặt trời là khổng lồ và lâu
dài.[1]
1.1.2. Vai trò và lợi ích của năng lượng mặt trời
Năng lượng mặt trời có tiềm năng thay thế các nguồn năng lượng hóa
thạch và năng lượng nguyên tử. Trên lý thuyết, chỉ với một hiệu suất chuyển
đổi là 10% và trên một diện tích 700 x 700 km ở sa mạc Sahara thì đã có thể
đáp ứng được nhu cầu năng lượng trên toàn thế giới bằng cách sử dụng năng
lượng mặt trời.
Việc sử dụng năng lượng tái tạo đặc biệt là năng lượng mặt trời sẽ mang
lại nhiều lợi ích về sinh thái cũng như là lợi ích gián tiếp cho kinh tế. So với
các nguồn năng lượng khác, năng lượng tái tạo có nhiều ưu điểm hơn vì tránh
được các hậu quả có hại đến môi trường.
1.1.3. Bức xạ mặt trời
Trong toàn bộ bức xạ của mặt trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các
phản ứng hạt nhân xảy ra trong nhân mặt trời không quá 3%. Bức xạ γ ban
đầu khi đi qua 5.105 km chiều dày 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.
Độ dài bước sóng ( m)

Hình 1.1- Dải bức xạ điện từ


7

Bức xạ γ là sóng ngắn nhất trong các sóng đó, từ tâm Mặt trời đi ra do sự
va chạm hoặc tán xạ mà năng lượng của chúng giảm đi và bây giờ chúng ứng
với bức xạ có bước sóng dài. Như vậy bức xạ chuyển thành bức xạ Rơnghen
có bước sóng dài hơn. Gần đến bề mặt mặt trời nơi có nhiệt độ đủ thấp để có
thể tồn tại vật chất trong trạng thái nguyên tử và các cơ chế khác bắt đầu xảy
ra.
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 (101 ÷ 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. Tổng hợp các tia
trực xạ và tán xạ gọi là tổng 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 [2]:

T
q=φD-T .C0 .
100

4

W/m2

(1.1)

Trong đó:
+ φD-T : hệ số góc bức xạ giữa Trái đất và Mặt trời

β2
φ D-T =

4
β - góc nhìn mặt trời và β ≈ 32’
+ C0 = 5,67 W/m2.K4: hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối.
+ T ≈ 5762 0K - nhiệt độ bề mặt Mặt trời

(1.2)


8

Hình 1.2. Góc nhìn mặt trời

2.3,14.32
360.60
q=
4

2

5762
.5,76.
100

4

=1353 W/m2

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 nên 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 hạt 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,
O2 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.


9

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.

Hình 1.3. Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời
qua lớp khí quyển của Trái đất
Bức xạ chịu dạng tán xạ đó chủ yếu là bức xạ bước sóng ngắn nhất. Sau
khi phản xạ từ các phần khác nhau của khí quyển bức xạ tán 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 nước, khí Cácbônic 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 nhiều mây) ở thời điểm cao nhất vào
khoảng 1.000W/m2. 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


10

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. Các mùa hình thành là do sự
nghiêng của trục trái đất đối với mặt phẳng quỹ đạo của nó quanh Mặt trời
gây ra. Góc nghiêng vào khoảng 66,50 và thực tế xem như không đổi trong
không gian. Sự định hướng như vậy của trục quay trái đất trong chuyển động
của nó đối với Mặt trời gây ra những sự dao động quan trọng về độ dài ngày
và đêm trong năm.

Hình 1.4. Vị trí của Trái đất và mặt trời thay đổi trong năm
1.1.4. Phương pháp tính toán năng lượng bức xạ 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 và độ dài
đường đi của các tia sáng trong khí quyển hay 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 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:

E ng =E0 1+0,033.cos

360.n
365

W/m2

(1.3)


11

Trong đó:
Eng: bức xạ ngoài khí quyển được đo trên mặt phẳng vuông góc với tia
bức xạ vào ngày thứ n trong năm.
Một số khái niệm cần trong quá trình tính toán:
+ Hệ số khối không 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 θZ là 600. Đối với các góc thiên đỉnh từ 0-700 có
thể xác định gần đúng m =1/cosθZ Còn đối với các góc θZ >700 thì độ cong
của bề mặt trái đất phải được đưa vào tính toán. Riêng đối với 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 đã bị thay
đổi do sự phát tán của bầu khí quyển (trong một số tài liệu khí tượng, tán xạ

còn được gọi là bức xạ của bầu trời, ở đây cần phân biệt tán xạ của mặt trời
với bức xạ hồng ngoại của bầu khí quyển phát ra).
+ Tổng xạ: là tổng của trực xạ và tán xạ trên một bề mặt (phổ biến nhất
là tổng xạ trên một bề mặt nằm ngang, thường gọi là bức xạ cầu trên bề mặt).
+ Cường độ bức xạ (W/m2): là cường độ năng lượng bức xạ mặt trời đến
một bề mặt tương ứng với 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 tới
một đơn vị diện tích bề mặt trong một khoảng thời gian, như vậy năng lượng
bức xạ là một đại lượng bằng tích phân của cường độ bức xạ trong một


12

khoảng thời gian nhất định (thường là 1 giờ hay 1 ngày).
+ Giờ mặt trời: là thời gian dựa trên chuyển động biểu kiến của mặt trời
trên bầu trời, với quy ước giờ mặt trời chính ngọ là thời điểm mặt trời đi qua
thiên đỉnh của người quan sát. Giờ mặt trời là thời gian được sử dụng trong
mọi quan hệ về 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 về phía bắc hoặc về phía
nam đường xích đạo trái đất, với hướng phía bắc là hướng dương: - 900 ≤ φ ≤
900

Hình 1.5. Quan hệ các góc hình học của tia bức xạ mặt trời
trên mặt phẳng nghiêng
+ Góc nghiêng β: góc giữa mặt phẳng của bề mặt tính toán và phương

nằm ngang. 0 ≤ β ≤ 1800 (β > 900 nghĩa là bề mặt nhận bức xạ hướng xuống
phía dưới).
+ Góc phương vị của bề mặt γ: góc lệch của hình chiếu 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. -1800 ≤ γ ≤ 1800


13

+ Góc giờ ω: góc chuyển động của vị trí mặt trời về phía đông hoặc phía
tây của kinh tuyến địa phương do quá trình quay của trái đất quanh trục của
nó và lấy giá trị 150 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. Trong 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 của 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 âm
(-) nếu hình chiếu lệch về phía đông và lấy dấu dương (+) 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 phía bắc là hướng dương. -23,450 ≤ δ ≤ 23,450. Góc
lệch δ có thể tính toán theo phương trình của Cooper:

δ=23,45.sin 360.

284+n
365

(1.4)

Với: n là thứ tự ngày của 1 năm.
Quan hệ giữa các loại góc đặc trưng ở trên có thể biểu diễn bằng phương
trình giữa góc tới θ và các góc khác như sau:

cosθ=sinδ.sinφ.sinβ-sinδ.cosφ.sinβ.cosγ+cosδ.cosφ.cosβ.cosω
+cosδ.sinφ.sinβ..cosγ.cosω+cosδ.sinβ.sinγ.sinω
Và:

cosθ=cosθZ.cosβ+sinθ Z.sinβ.cos(γ s -γ)

(1.5)


14

Tính toán góc tới của bức xạ trực xạ
Đối với bề mặt nằm ngang góc tới θ chính là góc thiên đỉnh của mặt trời
θZ, giá trị của nó phải nằm trong khoảng 00 và 900 từ khi mặt trời mọc đến khi
Mặt trời ở thiên đỉnh (β = 0): cosθz = cosφ.cosδ.cosω + sinφ.sinδ
Bức xạ mặt trời ngoài khí quyển lên mặt phẳng 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:

E0.ng =E0 1+0,033.cos

360.n
.cosθ Z
365

(1.6)

Thay giá trị cosθZ vào phương trình trên ta có E0.ng tại thời điểm bất kỳ từ
lúc mặt trời mọc đến lúc mặt trời lặn:

E0.ng =E0 1+0,033.cos

360.n
. cosf.cosδ.cosω+sinf.sinδ
365

(1.7)

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

E0.ng =

24.3600E0
πω
360.n
. 1+0,033.cos
. cosf.cosδ.sinωs + s sinf.sinδ

π
365
180

(1.8)

với ωs là góc giờ mặt trời lặn (00) (tức là góc giờ ω khi θZ = 900)

cosωs =-

sinf.sinδ
=-tgf.tgδ
cosf.cosδ

(1.9)

Người ta cũng xác định năng lượng bức xạ ngày trung bình tháng Eoth
bằng cách thay giá trị n và δ trong các công thức trên lấy bằng giá trị ngày
trung bình của tháng và độ lệch δ tương ứng.
Năng lượng bức xạ trên mặt phẳng nằm ngang trong một giờ nhất định
có thể xác định: