Thiết kế và đánh giá hiệu quả kinh tế hệ thống điện mặt trời tại trường mầm non ABC – TP đà nẵng

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ QUANG HIẾU

THIẾT KẾ VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KINH TẾ
HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI TẠI
TRƯỜNG MẦM NON ABC – TP. ĐÀ NẴNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số: 8520201

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

Ngườı hướng dẫn khoa học: TS. LƯU NGỌC AN

Đà Nẵng - Năm 2019


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Trong luận văn có
trích dẫn một số tài liệu chuyên ngành điện của Việt Nam và của một số tổ chức khoa
học trên thế giới về thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời nổi, sử dụng phần mềm
PVsyst chuyên dụng cho thiết kế, tính toán, mô phỏng hệ thống năng lượng mặt trời.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là rất trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả luận văn

Lê Quang Hiếu

TRANG TÓM TẮT TIẾNG VIỆT & TIẾNG ANH
THIẾT KẾ VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KINH TẾ HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT
TRỜI TẠI TRƯỜNG MẦM NON ABC – TP ĐÀ NẴNG
Học viên: Lê Quang Hiếu

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số: 8520201 Khóa: K34.KTĐ Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN
Tóm tắt - Theo dự báo tình hình năng lượng điện tại Việt Nam của viện năng lượng quốc
gia, nhu cầu điện tiêu dùng của Việt Nam tăng hơn 10%/năm cho đến năm 2020. Trong khi đó
các nguồn năng lượng dự trữ như than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên … đều có hạn, khiến cho
nhân loại đứng trước nguy cơ thiếu hụt. Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng
mới như năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt … là hướng quan trọng để
phát triển nguồn năng lượng.
Nguồn năng lượng điện mặt trời là m t trong những nguồn thay thế, i đ y là nguồn
năng lượng được coi là
tận, kh ng g y nhi m m i trường. Tuy nhiên, iệc thiết kế hệ
thống điện mặt trời khá hức tạ , các th ng ố giữa tính toán thiết kế à trong thực tế có hệ ố
ai ố lớn làm nh hư ng đến ch t lượng à tu i thọ của hệ thống, hiệu u t chuyển đ i à
tăng chi hí đầu tư.. ì ậy, iệc
dụng hần mềm
- y t để thiết kế đánh giá hiệu qu
kinh tế là m t gi i há nh m gi i uyết các n đề đó.
Từ khóa: Nguồn năng lượng mới, hệ thống điện mặt trời, thiết kế đánh giá hiệu qu kinh tế
DESIGN AND EVALUATION OF ECONOMIC EFFICIENCY OF THE SOLAR
SYSTEM IN ABC NON SCHOOL - DA NANG CITY
Summary - According to the forecast of electric energy situation in Vietnam of the
National Energy Institute, Vietnam's electricity demand increases by more than 10% / year by
2020. Meanwhile, energy reserves such as coal and oil mines, natural gas ... are limited,
making humanity at risk of shortages. Finding and exploiting new energy sources such as

wind, solar, geothermal energy ... is an important way to develop energy sources.
Solar energy sources are one of the alternative sources, because this is an Energy source
that is considered endless, does not pollute the environment. However, the design of solar
power system is quite complicated, the parameters between design calculations and in fact
have a large error factor affecting the quality and life of the system, conversion efficiency and
increasing investment costs. Therefore, using PV Syst software to design and evaluate
economic efficiency is a solution to solve these problems.
Keywords: New energy source, solar power system, design evaluation of economic
efficiency


MỤC LỤC
TRANG BÌA
LỜI CAM ĐOAN
TRANG TÓM TẮT TIẾNG VIỆT & TIẾNG ANH
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH
MỞ ĐẦU ...........................................................................................................................1
1. Tính c p thiết của đề tài ............................................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu ..................................................................................................1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.............................................................................1
4. hương há nghiên cứu ...........................................................................................1
5. Ý nghĩa khoa học và thực ti n của đề tài ..................................................................2
6. C u trúc của luận ăn ................................................................................................ 2
CH NG 1. T NG
AN
N NG
NG MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN
N NG

NG MẶT TRỜI ...........................................................................................3
1.1. T ng uan năng lượng tái tạo ................................................................................3
1.1.1. Khái niệm .........................................................................................................3
1.1.2. Các dạng năng lượng tái tạo ............................................................................3
1.2. Năng lượng mặt trời ............................................................................................... 4
1.2.1. Nguồn năng lượng mặt trời..............................................................................5
1.2.2. n u t điện năng t năng lượng mặt trời ..................................................10
1.2.3. Tiềm năng năng lượng mặt trời tại iệt Nam ...............................................11
1.3. Hệ thống in mặt trời ........................................................................................... 11
1.3.1. in mặt trời. olar C ll ................................................................................11
1.3.2. Hệ thống in uang điện ................................................................................17
CH NG 2: C
Ở TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN N NG
NG
MẶT TRỜI .....................................................................................................................21
2.1. M hình hệ thống điện mặt trời nối lưới .............................................................. 21
2.1.1. ơ đồ hệ thống điện mặt trời nối lưới có dự trữ ............................................21
2.1.2. ơ đồ hệ thống điện mặt trời nối lưới kh ng có hệ thống dự trữ..................22
2.2. ý thuyết thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời .........................................24
2.3. ố liệu tính toán hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới tại trường mầm non
ABC - T Đà Nẵng .....................................................................................................26
2.3.1. Địa điểm thiết kế ........................................................................................... 26


2.3.2. Th ng ố hụ t i tại trường mầm non ABC ..................................................28
2.3.3. Th ng ố trạm biến á tại trường mầm non ABC .........................................28
2.3.4. ựa chọn hương án à c ng u t của hệ thống điện mặt trời .....................29
CH NG 3: NG ỤNG HẦN M M CH
N ỤNG
y t THIẾT KẾ TỐI

HỆ THỐNG ĐIỆN N NG
NG MẶT TRỜI ..................................................31
3.1. Giới thiệu ề hần mềm PVsyst...........................................................................31
3.2. Nghiên cứu cài đặt th ng ố trên hần mềm PVsyst ...........................................32
3.2.1. Định vị địa điểm thiết kế để l y số dữ liệu khí tượng ...................................32
3.2.2. Lựa chọn mô hình ..........................................................................................33
3.2.3. Cài đặt định hướng hệ thống in uang điện ................................................33
3.2.4. Cài đặt công su t lắ đặt của hệ thống in uang điện trong phần mềm .....35
3.2.5. Chọn modul in uang điện .........................................................................35
3.2.6. Chọn biến tần cho hệ thống điện năng lượng mặt trời ..................................39
3.2.7. Định cỡ hệ thống điện năng lượng mặt trời trong phần mềm PVsyst ..........41
3.2.8. Cài đặt phụ t i tại trường mầm non ABC T Đà Nẵng ................................ 44
3.2.9. Tính toán cài đặt kinh tế ................................................................................44
3.2.10. Cài đặt tính toán lượng CO2 tiết kiệm .........................................................47
3.3. Mô phỏng và phân tích kết qu ............................................................................48
3.3.1. Mô phỏng .......................................................................................................48
3.3.2. Phân tích kết qu mô phỏng ..........................................................................48
3.4. Kết luận ơ đồ thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới tại trường mần non
ABC –T Đà Nẵng ......................................................................................................51
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................................52
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC
ẾT ĐỊNH GIAO Đ TÀI
ẬN
N THẠC Ĩ BẢN AO
BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC
PHẢN BIỆN.


DANH MỤC CÁC BẢNG

B
B
B
B
B

ng1.1. ố liệu ức ạ các các khu ực nước ta .......................................................11
ng 2.1. Dữ liệu thời tiết tại Đà Nẵng ..........................................................................27
ng 2.2. Công su t tiêu thụ tại trường mầm non ABC ................................................28
ng 3.1. M t số thông số cơ n của hệ thống. ........................................................... 43
ng 3.2. Chi hí đầu tư của hệ thống điện mặt trời nối lưới. ......................................45

B ng 3.3. T n th t bức xạ mặt trờ`i trên bề mặt in uang điện trong 1 năm. .............49
B ng 3.4. T n th t bên trong hệ thống in uang điện trong hệ thống điện năng lượng
mặt trời. .........................................................................................................49


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Góc nhìn mặt trời. ............................................................................................. 6
Hình 1.2. Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển trái đ t ........6
Hình 1.3. Quan hệ các góc hình học của tia bức xạ mặt trời trên mặt phẳng nghiêng....8
Hình 1.4. Các thành phần bức xạ lên bề mặt nghiêng......................................................9
Hình 1.5. Biểu đồ tình hình lắ đặt hệ thống uang điện trên thế giới. .........................11
Hình 1. . C u tạo của in mặt trời. ................................................................................12
Hình 1.7. Các ng năng lượng. .....................................................................................13
Hình 1.8. Nguyên lý hoạt đ ng của in mặt trời. ........................................................... 14
Hình 1.9. C u tạo của t m in mặt trời. .........................................................................14
Hình 1.10. ơ đồ mạch điện tương đương của in mặt trời...........................................15
Hình 1.11. Đặc tính -I th o cường đ ức ạ hình trái à th o nhiệt đ hình h i
của m t t m in có c ng u t 300 . ......................................................16

Hình 1.12. Đường cong đặc tính -I của hệ thống năng lượng mặt trời à mp-Vmp của
thiết ị M T ............................................................................................. 17
Hình 1.13. ơ đồ nguyên lý của chuyển đ i C- C nạ ac-quy. ............................ 18
Hình 1.14. ơ đồ nguyên lý của
iến tần 3 ha hệ thống mặt trời nối lưới ..............18
Hình 2.1. ơ đồ mô hình hệ thống điện mặt trời nối lưới có dự trữ. ............................. 21
Hình 2.2. Biểu đồ điện năng hệ thống điện mặt trời nối lưới có dự trữ ........................22
Hình 2.3. ơ đồ m hình hệ thống điện mặt trời nối lưới kh ng có dự trữ. ..................23
Hình 2.4. Biểu đồ điện năng của hệ thống điện mặt trời nối lưới không có dự trữ.......23
Hình 2.5. Trường mầm non ABC 90 đường Ngô Quyền - T Đà Nẵng ....................26
Hình 3.1. Giao diện chính phần mềm PVsyst 6.43 ........................................................31
Hình 3.2. Dữ liệu khí tượng theo tháng tại khu trường mầm non ABC. .......................32
Hình 3.3. Mô hình thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới trong PVsyst. 33
Hình 3.4. Cài đặt các thông số định hướng lắ đặt t m in uang điện. .......................34
Hình 3.5. Cài đặt công su t cho hệ thống in uang điện. ............................................35
Hình 3.6. Lựa chọn modul in uang điện. ..................................................................36
Hình 3.7. Thông số chính của modul in uang điện. .................................................36
Hình 3.8. Mô hình mạch điện tương đương của in uang điện. ..................................37
Hình 3.9. Đặc tính V-A của modul in uang điện SW 300W điều kiện nhiệt đ pin
uang điện tiêu chuẩn 25oC. ......................................................................38
Hình 3.10. Đặc tính V-A của modul in uang điện SW 300W điều kiện cường đ
bức xạ tiêu chuẩn 1000W/m2. ...................................................................39
Hình 3.11. Đặc tính hiệu su t làm việc của biến tần SUNNY TRIPOWER 60 ............40


Hình 3.12. Chọn biến tần cho hệ thống năng lượng mặt trời trong phần mềm. ............41
Hình 3.13. Các thông số biến tần SUNNY TRIPOWER 60 trong phần mềm PVsyst .41
Hình 3.14. Nhập số lượng biến tần trong phần mềm PVsyst.........................................42
Hình 3.15.Chọn số lượng t m in uang điện nối tiếp và song song trong phần mềm.
....................................................................................................................42

Hình 3.16. Kết qu giá trị của uá trình định cỡ hệ thống trong phần mềm PVsyst.....42
Hình 3.17. Biểu đồ vùng làm việc danh nghĩa của hệ thống in uang điện
và biến tần au khi định cỡ. .......................................................................43
Hình 3.18. Mức tăng giá điện bán lẻ bình quân t năm 2007 đến 2015........................46
Hình 3.19. Thông số kinh tế đầu tư. ...............................................................................47
Hình 3.20. Gi n đồ t n th t điện năng của hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới.
....................................................................................................................49
Hình 3.21. ơ đồ thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới tại Trường mầm non
ABC –T Đà Nẵng ....................................................................................51


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay việc nghiên cứu s dụng năng lượng mặt trời ngày càng được quan tâm,
nh t là trong tình trạng thiếu hụt năng lượng và v n đề c p bách về m i trường như
hiện nay. Năng lượng mặt trời được xem là dạng năng lượng ưu iệt trong tương lai,
đó là dạng năng lượng sẵn có, siêu sạch và mi n phí. Do vậy năng lượng mặt trời đã à
ngày càng được s dụng r ng rãi các nước trên thế giới.
Việt Nam là m t trong số r t nhiều quốc gia có tiềm năng để phát triển năng
lượng tái tạo nói chung, năng lượng điện mặt trời nói riêng, đ y ẽ là nguồn năng
lượng lớn có thể khai thác b sung cho nguồn điện lưới quốc gia, thay thế các nguồn
năng lượng truyền thống.
Trường mần non ch t lượng cao ABC Ngô Quyền - Thành Phố Đà Nẵng là trong
những trường mầm non lớn nh t trong khu vực miền Trung n m trung tâm thành phố
Đà Nẵng có quy mô 4 tầng, diện tích hơn 5.000m2. Trường mầm non có tầng thượng
cao, b ng phẳng diện tích lớn, không bị che chắn b i cao trình cây cối, thích hợp cho
việc lắ đặc các t m pin mặt trời phục vụ cho quá trình s dụng năng lượng điện tái
tạo vào thời gian ban ngày trong quá trình dạy và học, thay thế cho hệ thống điện lưới

góp ích m t phần làm gi m kh năng thiếu hụt điện trong thời gian sắ đến.
Với lí do trên cho th y việc nghiên cứu đề tài “Thiết kế và đánh giá hiệu quả
kinh tế hệ thống điện mặt trời tại trường mầm non ABC – TP Đà Nẵng” là m t yêu
cầu mang tính c p thiết trong bối c nh nguồn năng lượng truyền thống dần cạn kiệt và
năng lượng tái tạo đang là u hướng hiện nay.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu chính của đề tài là thiết kế, tính toán hệ thống điện năng lượng mặt trời
nối lưới để hỗ trợ nhu cầu s dụng điện tại trường mầm non ABC – T Đà Nẵng
Xác định và lựa chọn thiết bị, số lượng và vị trí lắ đặt các thiết bị (T m pin mặt
trời, in t r, … , lựa chọn các thiết bị. S dụng phần mềm
y t để mô phỏng ơ đồ
và chạy ra được kết qu cần thiết.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài này là thiết kế hệ thống điện mặt trời nối lưới s
dụng tại trường mầm non ABC
Phạm vi nghiên cứu trong luận ăn này, tác gi
dụng hần mềm
y t để
thiết kế à m hỏng hệ thống điện năng lượng mặt trời có kết nối lưới điện.
4. Phương pháp nghiên cứu
Để gi i quyết các mục tiêu nêu trên, luận ăn đưa ra hương há nghiên cứu
như au:
- Nghiên cứu lý thuyết: Các lý thuyết về năng lượng mặt trời, c u tạo, nguyên lý
làm làm việc của hệ thống pin mặt trời


2

-Xây dựng thiết kế hệ thống in năng lượng mặt trời n i nối lưới tại s dụng tại
trường mầm non ABC.

- Mô phỏng hệ thống in năng lượng mặt trời nối lưới b ng phần mềm PVsyst,
tính toán hiệu qu kinh tế.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Kết qu của đề tài giú đánh giá tiềm năng ề năng lượng mặt trời, các thông số
kỹ thuật của hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới, tính kh thi của hệ thống. T đó,
kết luận tư n nhà trường xây dựng hệ thống điện năng lượng mặt trời nối hệ thống
lưới điện tại điạ điểm thiết kế.
6. Cấu trúc của luận văn
M đầu.
Chương 1: T ng quan về năng lượng mặt trời và hệ thống điện năng lượng
mặt trời.
Chương 2: Cơ tính toán thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời.
Chương 3: ng dụng phần mềm PV- Syst thiết kế kế hệ thống điện năng lượng
mặt trời nối lưới.
Kết luận và kiến nghị.


3

CHƯƠNG 1 T NG QUAN V NĂNG LƯ NG MẶT TRỜI VÀ HỆ
THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯ NG MẶT TRỜI
Nội dung tổng quát của chương là giới thiệu về các nguồn năng lượng tái tạo
đang được con người sử dụng trong đó đặc biệt giới thiệu chi tiết nguồn năng lượng
mặt trời – nguồn năng lượng được nghiên cứu trong luận văn.
1.1. Tổng quan năng lượng tái tạo
hái niệ
Năng lượng tái tạo là năng lượng t những nguồn liên tục mà được hiểu là vô hạn
như năng lượng mặt trời, gió, mưa, thủy triều, óng à địa nhiệt.
Vô hạn có hai nghĩa: M t là năng lượng tồn tại nhiều đến mức mà không thể tr
thành cạn kiệt vì sự s dụng của con người. Hoặc là năng lượng tự tái tạo trong thời

gian ngắn và liên tục trong các quy trình còn tiếp di n trong m t thời gian dài trên Trái
Đ t.
1.1.2

á

ạng n ng ư ng tái tạ

1.1.2. . ăng lượng mặt trời
Năng lượng Mặt Trời thu được trên Trái Đ t là năng lượng của dòng bức xạ điện
t xu t phát t Mặt Trời đến Trái Đ t. Chúng ta sẽ tiếp tục nhận được dòng năng
lượng này cho đến khi ph n ứng hạt nhân trên Mặt Trời hết nhiên liệu, vào kho ng
5 tỷ năm nữa.
Có thể trực tiếp thu l y năng lượng này thông qua hiệu ứng uang điện, chuyển
năng lượng các photon của Mặt Trời thành điện năng như trong pin Mặt Trời. Năng
lượng của các hoton cũng có thể được h p thụ để làm nóng các vật thể, tức là chuyển
thành nhiệt năng, s dụng cho ình đun nước Mặt Trời, hoặc làm sôi nước trong các
máy nhiệt điện của tháp Mặt Trời, hoặc vận đ ng các hệ thống nhiệt như máy điều hòa
Mặt Trời. Ngoài ra năng lượng t các hoton có thể được h p thụ và chuyển hóa thành
năng lượng trong các liên kết hóa học của các ph n ứng quang hóa.
1.1.2. . ăng lượng gió
Năng lượng gió là đ ng năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển Trái
Đ t. Năng lượng gió là m t hình thức gián tiếp của năng lượng mặt trời. Năng lượng
gió được con người khai thác t các tuốc bin gió.
1.1.2. . ăng lượng đ a nhiệt
Địa nhiệt là nguồn nhiệt năng có ẵn trong lòng đ t. Cụ thể hơn, nguồn năng
lượng nhiệt này tập trung kho ng ài km dưới bề mặt Trái Đ t, phần trên cùng của
vỏ Trái Đ t. Cùng với sự tăng nhiệt đ khi đi u ào ỏ Trái Đ t, nguồn nhiệt lượng

4

liên tục t lòng đ t này được ước đoán tương đương ới với m t kho ng năng lượng
cỡ 42 triệu MW.
Địa nhiệt là dạng năng lượng sạch và bền vững. So với các dạng năng lượng tái
tạo khác như gió, thủy điện hay điện mặt trời, địa nhiệt không phụ thu c vào các yếu
tố thời tiết và khí hậu.
1.1.2.4. ăng lượng đại dương
Năng lượng thủy triều hay điện thủy triều là năng lượng điện thu được t năng
lượng chứa trong khối nước chuyển đ ng do thủy triều. Hoạt đ ng th o ự iến thiên
c t nước giữa iển à ng c a ịnh.
Năng lượng nhiệt đại dương: có thể m như m t nhà máy nhiệt hoạt đ ng với
nguồn nóng trên bề mặt và nguồn lạnh dưới tầng u tương tự các máy nhiệt trong các
nhà máy nhiệt điện, nhưng máy nhiệt đại dương lại không cần dùng m t loại nhiên liệu
nào c .
Năng lượng sóng biển: đ y cũng là m t nguồn năng lượng r t lớn và h p dẫn.
Tiềm năng năng lượng sóng biển phụ thu c vào vị trí địa lý, thậm chí ngay m t vị trí
đã cho năng lượng sóng biển cũng iến đ i theo thời gian t ng giờ, t ng ngày và t ng
mùa. Tuỳ theo nguyên lý hoạt đ ng mà các thiết bị khai thác sóng biển được nghiên
cứu, thiết kế và chế tạo theo t ng loại khác nhau.
1.1.2.5. ăng lượng inh hối
Sinh khối là m t thuật ngữ có ý nghĩa ao hàm r t r ng d ng để mô t các vật
ch t có nguồn gốc sinh học vốn có thể được s dụng như m t nguồn năng lượng hoặc
do các thành phần hóa học của nó.
Các công nghệ nhiệt hoá: Công nghệ sinh hoá s dụng các ph n ứng lên men
sinh khối như lên m n rượu, lên men kỵ khí nhờ các chủng loại i inh để biến đ i
sinh khối áp su t và nhiệt đ th p thành các loại nhiên liệu khí (khí sinh học) hoặc
lỏng thanol, m thanol… .
Các công nghệ biến đ i inh hoá: ngược lại công nghệ nhiệt hoá s dụng các quá
trình nhiệt đ cao để biến đ i sinh khối nhờ các uá trình đốt cháy, nhiệt phân, khí

hoá, ch t lỏng.
1.2. Năng lượng m t t ời
Các dự án năng lượng mặt trời trên thế giới
- Hệ thống điện mặt trời Ivanpah vận hành để cung c điện cho bang California
với 300 t m pin mặt trời. Nếu vận hành hết công su t thì hệ thống sẽ tạo ra t ng
c ng 392 MW
- Nhà máy PS20 tại Tây Ban Nha có thể s n xu t được 48.000 M h/ năm. ..
Các dự án năng lượng mặt trời tại Việt Nam


5

-

Hệ thống Pin mặt trời tại trung tâm h i nghị quốc gia Mỹ Ðình, t ng công su t
154 kW
Nhà máy điện mặt trời BIM 1 tại Ninh Thuận công su t 30 MW
Dự án nhà máy điện mặt trời điện lực miền Trung tại Khánh Hòa công su t 50 M …
1.2

Ng

n n ng ư ng

ặt trời

1.2. . . h i niệm
Năng lượng Mặt Trời là năng lượng của dòng bức xạ điện t xu t phát t Mặt
Trời, c ng với m t phần nhỏ năng lượng của các hạt hạ nguyên t khác phóng ra t
ng i ao này. òng năng lượng này sẽ tiếp tục hát ra cho đến khi ph n ứng nhiệt hạch

trong Mặt Trời hết nhiên liệu, vào kho ng 5 tỷ năm nữa.
1.2.1.2. ăng lượng ức xạ mặt trời thành hần ức xạ
Đặc trưng của bức xạ mặt trời truyền trong không gian bên ngoài Mặt trời là m t
ph r ng trong đó cực đại của bức xạ n m trong d i 10-1 - 10 µm và hầu như m t n a
t ng năng lượng mặt trời tập trung trong kho ng ước sóng 0,38 – 0,78 µm đó là vùng
nhìn th y của ph .
Chùm tia truyền thẳng t Mặt trời gọi là bức xạ trực xạ. T ng hợp các tia trực xạ
và tán xạ gọi là t ng xạ. Mật đ dòng bức xạ trực xạ ngoài lớp khí quyển, tính đối
với 1m2 bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ, được tính theo công thức:
q = φD_T .C0.(T/100)4

(1.1)

Ở đ y: φD_T là hệ số góc bức xạ giữa Trái đ t và Mặt trời.
φD_T = β2/4
β là góc nhìn mặt trời à β ≈ 32’ như hình 2.1
C0 = 5,67 W/m2.K4 – hệ số bức xạ của vật đ n tuyệt đối.
T ≈ 57 2 oK – nhiệt đ bề mặt Mặt trời
m như ật đ n tuyệt đối).
Vậy

(

2.3,14.32 2
)
3 0. 0

4

.5, 7. (

57 2 4
100

) ≈1353

(1.2)

/m2

Do kho ng cách giữa Trái đ t và Mặt trời thay đ i th o m a trong năm nên β
cũng thay đ i, do đó cũng thay đ i nhưng đ thay đ i này không lớn lắm nên có thể
m là kh ng đ i à được gọi là h ng số mặt trời. (Xem hình 1.1)
Yếu tố cơ n ác định cường đ của bức xạ mặt trời m t điểm nào đó trên trái
đ t là uãng đường nó đi ua. ự m t mát năng lượng trên uãng đường đó gắn liền
với sự tán xạ, h p thụ bức xạ và phụ thu c vào thời gian trong ngày, mùa, vị trí địa lý.


6

Hình 1.1 Góc nhìn m t trời.
Khi truyền qua lớp khí quyển ao uanh Trái đ t, các ch m tia ức xạ bị h p thụ
và tán xạ b i tầng oz n, hơi nước và bụi trong khí quyển, chỉ m t phần năng lượng
được truyền xuống Trái đ t.
Phần năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt Trái đ t trong những ngày
uang đãng không có mây) thời điểm cao nh t vào kho ng 1000W/m2 .(Hình 1.2).

Hình 1.2. Quá trình truyền năng lượng bức xạ m t trời qua lớp khí quyển trái
đất
Các mùa hình thành là do sự nghiêng của trục trái đ t đối với mặt phẳng quỹ đạo

của nó quanh mặt trời gây ra. Góc nghiêng vào kho ng 66,5o và thực tế m như
kh ng đ i trong không gian. Sự định hướng như ậy của trục uay trái đ t trong


7

chuyển đ ng của nó đối với mặt trời gây ra những sự dao đ ng quan trọng về đ dài
ngày đêm trong năm.
1.2.1.3. Tính to n năng lượng mặt trời
Cường đ bức xạ mặt trời trên mặt đ t chủ yếu phụ thu c 2 yếu tố: góc nghiêng
của các tia áng đối với mặt phẳng bề mặt tại điểm đã cho à đ dài đường đi của tia
sáng trong khí quyển hay nói chung là phụ thu c ào đ cao của mặt trời ( góc giữa
hương t điểm uan át đến mặt trời và mặt phẳng n m ngang đi ua điểm đó .
Quan hệ giữa bức xạ mặt trời ngoài khí quyển và thời gian trong năm có thể xác
định th o hương trình au:
Eng = Eo(1+0,033cos

, W/m2

(1.3)

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.
Tính toán góc tới của bức xạ trực xạ và bức xạ mặt trời ngoài khí quyển lên mặt
phẳng nằm ngang:
Trong quá trình tính toán cần định nghĩa m t số khái niệm như au:
Trực xạ là bức xạ mặt trời nhận được khi không bị bầu khí quyển phát tán.
Tán xạ là bức xạ mặt trời nhận được au khi hướng của nó đã ị thay đ i do sự
phát tán của bầu khí quyển.
Tổng xạ là t ng của trực xạ và tán xạ trên m t bề mặt ( ph biến nh t là t ng xạ

trên m t bề mặt n m ngang, thường gọi là bức xạ cầu trên bề mặt).
Cường độ bức xạ (W/m2 là cường đ năng lượng bức xạ mặt trời đến m t bề
mặt tương ứng với m t đơn ị diện tích của bề mặt.
ăng lượng bức xạ ( J/m2 là năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới m t đơn ị
diện tích bề mặt trong m t kho ng thời gian, như ậy năng lượng b ng tích phân của
cường đ bức xạ trong m t kho ng thời gian.
Giờ mặt trời là thời gian dựa trên chuyển đ ng biểu kiến của mặt trời trên bầu
trời, với uy ước giờ mặt trời chính ngọ là thời điểm mặt trời đi ua thiên đỉnh của
người quan sát. Giờ mặt trời là thời gian được s dụng trong quan hệ về góc mặt trời,
nó kh ng đồng nghĩa ới giờ trong đồng hồ.
Quan hệ hình học giữa m t mặt phẳng bố trí b t kỳ trên mặt đ t và bức xạ của
mặt trời truyền tới, tức là vị trí của mặt trời so với mặt phẳng đó có thể được ác định
th o các góc đặc trưng như Hình 1.3).


8

Hình 1.3. Quan hệ các góc hình học của tia bức xạ m t trời trên m t
phẳng nghiêng
Góc vĩ độ Φ là ị trí góc tương ứng với ĩ đ về phía bắc hoặc về phía nam
đường đường ích đạo trái đ t, với hướng bắc là hướng dương.
-90o ≤ Ф ≤ 90o
Góc nghiêng β là góc giữa mặt phẳng của bề mặt tính toán à hương n m
ngang.
0 ≤ β ≤ 90o
Góc hương v của bề mặt γ là góc lệch của hình chiếu pháp tuyến bề mặt trên
mặt phẳng n m ngang so với đường kinh tuyến. Góc γ 0 nếu bề mặt quay về hướng
chính nam, γ l y d u (+) nếu nếu bề mặt quay về hướng tây và l y d u (-) nếu bề mặt
quay về hía đ ng.
-180o≤ γ ≤ 180o

Góc giờ ω là góc chuyển đ ng của vị trí mặt trời về hía đ ng hoặc phía tây của
kinh tuyến địa hương do uá trình uay của trái đ t quanh trục của nó và l y giá trị
15o cho 1 giờ đồng hồ, bu i sáng l y d u (-), bu i chiều l y d u (+).
Góc tới θ là góc giữa tia bức xạ truyền tới bề mặt và pháp tuyến của bề mặt đó.
Góc thiên đỉnh θz là góc giữa hương thẳng đứng thiên đỉnh) và tia bức xạ tới.
Trong trường hợp bề mặt n m ngang thì góc thiên đỉnh chính là góc tới θ.
Góc cao mặt trời α là góc giữa hương n m ngang và tia bức xạ truyền tới, tức là
góc phụ của góc thiên đỉnh.
Góc hương v mặt trời γz là góc lệch so với hương nam của hình chiếu tia bức
xạ mặt trời truyền tới trên mặt phẳng n m ngang.
Góc lệch δ là vị trí góc của mặt trời tương ứng với giờ mặt trời là 12 giờ (tức là
khi mặt trời đi ua kinh tuyến địa hương o ới mặt phẳng của ích đạo trái đ t, với
hướng phía bắc là hướng dương.


9

Quan hệ giữa các loại góc đặc trưng trên có thể biểu di n b ng hương trình
giữa góc tới và góc khác:
co θ co θz.co β + inθz. inβ.co γz- γ
(1.4)
Năng lượng bức xạ mặt trời trên mặt phẳng n m ngang trong m t giờ được xác
định:
E0.gio

112.3 00

E0 (1+0,033.

3 0n

3 5

) [co

.co

.( inω1 - inω2 )+

ω1 -ω2
180

in . in ] ( 1.5)

Tổng cường độ bức xạ mặt trời lên bề mặt trên tr i đất:
T ng bức xạ mặt trời lên m t bề mặt đặt trên mặt đ t bao gồm hai thành phần
chính đó là trực xạ và tán xạ. Tán xạ t ng hợp t 3 thành phần:
Thành phần tán xạ đẳng hướng: phần tán xạ nhận được đồng đều t toàn b vòm
trời.
Thành phần tán xạ xung quanh tia: phần tán xạ bị phát tán của bức xạ mặt trời
xung quanh tia mặt trời.
Thành phần tán xạ chân trời: phần tán xạ tập trung gần đường chân trời.
Góc khuếch tán mức đ nh t định phụ thu c đ ph n xạ Rg (còn gọi là albedo –
su t phân chiếu) của mặt đ t.

Hình 1.4. Các thành phần bức xạ lên bề m t nghiêng.
Như ậy bức xạ mặt trời truyền đến m t bề mặt nghiêng là t ng của các dòng
bức xạ bao gồm: trực xạ Eb, 3 thành phần tán xạ Ed1, Ed2, Ed3 và bức xạ ph n xạ t bề
mặt khác lân cận Er:
E∑ = Eb + Ed1 + Ed2 + Ed3 + Er

(1.6)

Trong tính toán kỹ thuật, có thể coi cường đ bức xạ tới mặt đ t là hàm của thời
gian τ, tính t lúc mặt trời mọc τ 0 đến khi mặt trời lặn τ τn/2, với τn=24h =
24.3 00 như au:
E τ En. inφ τ
(1.7)


10

φτ
ω

ω. τ là góc nghiêng tia nắng so với mặt đ t,

2

2

τn

24.3 00

7,72.10-5 rad/

là tốc đ góc tự xoay của trái đ t,

En[W/m2] là cường đ bức xạ cực đại trong ngày, l y trị trung bình c năm th o
số liệu đo lường thực tế tại ĩ đ cần xét.

1.2.1.4. hai th c năng lượng mặt trời
-

hai th c trực tiế nhiệt năng từ năng lượng mặt trời
+ Bế n u d ng năng lượng mặt trời.
+ Hệ thống cung c nước nóng d ng năng lượng mặt trời.
+ Hệ thống y d ng năng lượng mặt trời.
+ Hệ thống chưng c t nước d ng năng lượng mặt trời.
+ Đ ng cơ tirling d ng năng lượng mặt trời.
+ Thiết ị lạnh d ng năng lượng mặt trời.
+ Nhà máy nhiệt điện mặt trời.

-

hai th c trực tiế điện năng từ năng lượng mặt trời
+
dụng hệ thống in uang điện.
1.2.2.

ản

t điện n ng t n ng ư ng

1.2.2.1. C c hương h
Hiện nay iệc
hương há au :
-

ặt trời

hai th c

n u t điện năng t năng lượng mặt trời tậ trung chủ yếu ào 2

iện mặt trời tậ trung
Các hệ thống điện mặt trời tập trung (CSP-Concentrated Solar Power) s dụng
ống kính, gương à các hệ thống th o dõi để tập trung m t khu vực r ng lớn của ánh
sáng mặt trời vào m t chùm nhỏ. Nhiệt tậ trung au đó được s dụng như m t nguồn
năng lượng cho m t nhà máy nhiệt điện th ng thường.

-

in uang điện
à thiết ị chuyển đ i trực tiế năng lượng mặt trời ang điện năng
dụng hiệu ứng uang điện.

ng cách

1.2.2.2. Tình hình ản xuất điện từ in uang điện c c nước trên thế giới
Trong năm 2015, c ng u t lắ đặt của hệ thống in uang điện tăng 25% o ới
năm 2014, hơn 50 G được
ung đưa c ng u t lắ đặt trên toàn cầu lên kho ng
227 G . Ch u đã nắm toàn
thị trường, chiếm 0% ố lượng
ung toàn cầu.
Các nước Trung uốc, Nhật B n à Hoa Kỳ là a thị trường hàng đầu. Tiế đó là
ương uốc Anh, các nước thu c To 10
ung n u t năng lượng mặt trời là n
Đ , Đức, Hàn uốc, c, há , Canada. Đến cuối năm 2015, mọi ch u lục tr Ch u
Nam Cực đã lắ đặt ít nh t 1 G , có 22 nước có c ng u t lắ đặt lớn hơn 1 G .

11

H nh 1.5. Biể đ t nh h nh lắp đ t hệ thống
Ng
1.2.3. Ti

ang điện t ên thế giới.

n ; Renewables 2016: Global Status Report).
n ng n ng ư ng

ặt trời tại iệt N

Vị trí địa lý đã ưu ái cho iệt Nam m t nguồn năng lượng tái tạo vô cùng lớn,
đặc biệt là năng lượng mặt trời. Tr i dài t ĩ đ 8o27’ Bắc đến 23o23’ Bắc, Việt Nam
n m trong khu vực có cường đ bức xạ mặt trời tương đối cao.
ảng 1.1. ố liệu ức xạ c c c c hu vực nước ta.
guồn )
Vùng
Đ ng Bắc
Tây Bắc
Bắc Trung B
Tây Nguyên, Nam Trung B
Nam B
Trung bình c nước

Giờ nắng
t ong năm giờ

1600 – 1750
1750 – 1800
1700 – 2000
2000 – 2600
2200 – 2500
1700 – 2500

Cường độ ức ạ
(kWh/m2, ngày)
3,3 – 4,1
4,1 – 4,9
4,6 – 5,2
4,9 – 5,7
4,3 – 4,9
4,6

Ứng dụng
Trung bình
Trung bình
Tốt
Rất tốt
Rất tốt
Tốt

1.3. Hệ thống pin m t t ời
1.3. Pin

ặt trời

r

1.3. . . Cấu tạo hân loại
- Cấu tạo in mặt trời: Gồm hai thành hần chính là lớ án dẫn à điện cực
kim loại, giữa lớ án dẫn -N gọi là lớ tiế úc nơi di chuyển các điện tích tự do.


12

Chúng được liên kết thành t ng lớ mỏng ế chồng lên nhau, à còn được gọi là tế
ào uang điện hoto oltaic c ll .

H nh 1.6. Cấ tạo của pin m t t ời.
hân loại Vật liệu chủ yếu chế tạo in năng lượng mặt trời đều là silic dạng
tinh thể. Chia thành 3 loại như au:
in năng lượng mặt trời mono đơn tinh thể hay còn gọi là Monocrystalline.
Chúng được cắt t các thỏi silic hình ống, các t m đơn tinh thể này có các mặt trống
góc nối các module. M t tinh thể hay tinh thể đơn modul
n xu t dựa trên quá trình
Czochral ki. Đó là uy trình điều chế silic đơn tinh thể. Silic là m t nguyên liệu quan
trọng trong việc chế tạo các vi mạch bán dẫn. Đơn tinh thể loại này có hiệu su t tới cao
nên chúng thường r t đắt tiền.
in năng lượng mặt trời oly đa tinh thể hay còn gọi là polycrystalline. Loại
Poly được làm t các thỏi đúc – đúc t silic nung ch y cẩn thận được làm ngu i và
làm rắn. Các in này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu su t kém hơn.
in năng lượng mặt trời dạng phim mỏng hay còn gọi là thin film. Là d i silic tạo
t các miếng phim mỏng t silic nóng ch y và có c u trúc đa tinh thể. Loại này thường
có hiệu su t th p nh t. Tuy nhiên loại này rẻ nh t trong các loại vì không cần ph i cắt
t thỏi silicon.
1.3.1.2. Nguyên lý hoạt đ ng
iệu ứng uang điện trong là hiện tượng khi ật rắn nhận tia ức ạ mặt trời,

điện t
ng hóa trị h thụ năng lượng hoton h à chuyển lên ng dẫn tạo ra cặ
hạt dẫn điện t – lỗ trống - - h+, tức là tạo ra m t hiệu điện thế.


13

ng hóa tr là ng năng lượng th
ị các điện t chiếm đầy khi trạng thái
c n ng, mà mặt trên của nó có mức năng lượng là E v.
ng dẫn là ng hía trên tiế đó hoàn toàn trống hoặc chỉ chiếm m t hần, mặt
dưới của ng năng lượng là Ec.
ng cấm là ng cách ly giữa 2 ng hóa trị à ng dẫn, ng có c đ r ng
ới năng lượng là Eg, trong đó kh ng có mức năng lượng cho hé nào của điện t .

H nh 1.7. Các v ng năng lượng.
Khi nhận ức ạ mặt trời, hoton có năng lượng h tới hệ thống à ị điện t
ng hóa trị h thu à nó có thể chuyển lên ng dẫn để tr thành điện tích tự do -,
để lại
ng hóa trị m t lỗ trống có thể coi như hạt mang điện dương, ký hiệu là h +.
ỗ trống di chuyển à tham gia ào uá trình dẫn điện.
Hiệu ứng lượng t của uá trình h thụ hoton có thể m t
ng hương trình :
+
Ev +h → + h
(1.8)
Điều kiện để điện t có thể h thu năng lượng hoton à chuyển t
ng hóa trị
lên

ng dẫn, tạo ra cặ điện t – lỗ trống là h

tới hạn λc của ánh áng để có thể tạo ra cặ
λc=

hc

Ec-E
+

-

≥ Eg = Ec - Ev. uy ra ước óng

- h+ :

=

hc

1,24

Eg

Eg

[µm]

(1.9)

Các hạt dẫn ị kích thích - à h đều tự hát tham gia ào uá trình hục hồi,
chuyển đ ng đến mặt của các ng năng lượng: điện t - gi i hóng năng lượng để
chuyển đến mặt của ng Ec, còn lỗ trống ẽ chuyển đến mặt Ev, chu kỳ hục hồi là
10-12 → 10-1 giây.


14

H nh 1.8. Ng
1.3.1.3. Tấm in mặt trời

olar

ên l hoạt động của pin m t t ời.
odul

Được c u tạo t các in mặt trời hay còn gọi là tế ào uang điện à m t ố hụ
kiện đi k m. Mục đích để h hợ ới điều kiện ề dòng điện à điện á định mức của
thiết ị đầu ra của nguồn, điều kiện m i trường à m t ố tiêu chuẩn kỹ thuật khác.

H nh 1.9. Cấ tạo của tấm pin m t t ời.
1.3.1.4. ặc tính làm việc của in mặt trời
-

ạch điện tương đương


15

Mạch điện tương đương của in mặt trong đó dòng I tại đầu ra b ng với dòng

ánh sáng sinh ra IL tr đi t ng của dòng diod ID và dòng rò shunt ISH. Điện tr nối tiếp
RS biểu di n cho điện tr n i của dòng điện chạy qua và phụ thu c vào chiều dày lớp
tiếp giáp p-n, tạp ch t à điện tr tiếp xúc.
Ở in

lý tư ng, RS=0 (không hao phí) và RSH =
2

(không có rò nối đ t). Ở

loại ch t lượng cao 1 inch , pin silicon, RS thay đ i t 0.05 đến 0.10Ω
đến 300 Ω.

à RSH t 200

Hiệu qu của b biến đ i
có đ nhạy nhỏ RS, nhưng kh ng nhạy
tăng nhỏ của RS có thể làm gi m đáng kể đầu ra PV.

RSH. Sự

H nh 1.10. Sơ đ mạch điện tương đương của pin m t t ời.
Ở mạch tương đương, dòng chuyển đến t i b ng dòng IL phát ra b i cường đ
chiếu sáng, nhỏ hơn dòng diod ID và dòng rò shunt ISH. Điện áp h mạch
của pin
được tạo thành khi dòng t i b ng 0 và có công thức cho au đ y:
OC

+IR

Dòng t i có thể biểu di n : I I - I [

(1.10)

H

OC
A.K.T

-1] -

OC

R H

(1.11)

Trong đó:
ID là dòng diod ão hòa.
Q =1,6.10-19C là điện tích electron.
A là h ng số đường cong thực nghiệm.
k=1,38.10-23J/K là h ng số Boltzmann .
T là nhiệt đ tuyệt đối K.
-

iểm làm việc

Maximum Power Point):

Nhiệt đ kh ng gian ung uanh à cường đ chiếu áng thường uyên thay đ i.

Điều đó có nghĩa là đặc tuyến
thường uyên thay đ i à điểm làm việc cho t i b t
kỳ cũng thay đ i nhà s n xu t cung c đường cong I-V cho mỗi PV.


16

Hầu hết các đặc tuyến
thì cường đ dòng điện Isc luôn luôn tỉ lệ đ chiếu
nắng. Nghĩa là khi cường đ ức ạ thay đ i thì dòng I c cũng thay đ i theo tỉ lệ.
(1.12)
Trong đó:
+ Isc : òng ngắn mạch ứng ới cường đ ức ạ trên t m in tại thời điểm ét.
+ Isc-max : òng ngắn mạch ứng ới cường đ ức ạ cực đại 1000 /m2).
+ Insolation: Cường đ ức ạ trên t m in tại thời điểm ét.
+ Insolationmax: Cường đ ức ạ cực đại.

H nh 1.11. Đ c t nh V-I th o cường độ ức ạ h nh t ái và th o nhiệt độ h nh
phải của một tấm pin c c ng ất 00 p.
Như ậy với mỗi đặc tính t i kh ng đ i I
1/R
khi cường đ chiếu sáng
thay đ i thì điểm làm việc cũng thay đ i mà tại đó c ng u t sẽ kh ng đạt được hiệu
su t cao nh t.
Để đạt được hiệu su t cao nh t thì ta ph i điều chỉnh đặc tuyến I -V của PV
thông qua b M T để đạt được điểm làm việc cực đại nghĩa là Ipv.Vpv )max = I.V
Thuật toán th o dõi điểm c ng u t cực đại hiện nay có hai hương há chính là
thuật toán nhi u loạn, uan át
O
rtur anc

O r ation à thuật toán điện
dẫn gia tăng INC Incremental Conductance). Thuật toán INC có ưu điểm hơn thuật
toán P&O chẳng hạn như: dao đ ng uanh điểm công su t cực đại hẹ à ít hơn thuật
toán P&O; gi m thiểu được hao t n công su t hát do dao đ ng uanh điểm công su t
cực đại ít hơn thuật toán P&O. Vì vậy, việc áp dụng thuật toán INC trong điều khiển
MPPT sẽ cho hiệu qu tốt hơn thuật toán P&O.


17

H nh 1.12. Đường cong đ c t nh V-I của hệ thống năng lượng m t t ời và Pmp-Vmp
của thiết MPPT
1.3.2

ệ thống in

ng điện

1.3.2. . Thành hần chính của hệ thống
-

ảng in mặt trời Array Solar Panels)
+ à hệ thống gồm các t m in mặt trời được nối nối tiế hoặc nối ong
thu c ào yêu cầu kỹ thuật
hía đầu ra.
+ C ng thức tính toán tu n th o định luật m.
Mạch nối tiế :
Int I1 I2 … In
n
nt ∑k 1 k

Mạch song song:
I ∑nk 1 Ik
1
2 …
n
+ Chức năng: Cung c điện á à c ng u t h hợ cho
chuyển đ i
hoặc C-AC để làm iệc đúng ới đặc tính kỹ thuật.

-

ong t y

(1.13)
(1.14)
(1.15)
(1.16)
C- C

ộ chuyển đổi C –DC (Converter)
+ à thiết ị iến đ i nguồn điện m t chiều để có điện á h hợ cung c cho
t i m t chiều hoặc nạ ào trữ điện.
+ Nguyên lý c u tạo: điều khiển ng ung đến các IGBT, MO ET hoặc linh
kiện án dẫn có chức năng tương tự th ng ua các IC i
lý để cung c điện á à
dòng điện đầu ra h hợ .

-

ộ tr điện

attery Energy Storage System)

+ à thiết ị lưu trữ điện năng để cung c
hần điện năng dư th a tức thời.

cho t i khi cần thiết hoặc dự trữ m t