Nghiên cứu ảnh hưởng của gió đến pin năng lượng mặt trời

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

CƠNG NGHĨA PHONG

CƠNG NGHĨA PHONG

KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỤC

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA GIÓ ĐẾN
PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

CLC2018B

HÀ NỘI - 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------CƠNG NGHĨA PHONG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA GIĨ ĐẾN
PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ khí Động lực

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. HOÀNG THỊ KIM DUNG

HÀ NỘI - 2019


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: Công Nghĩa Phong
Đề tài luận văn: Nghiên cứu ảnh hưởng của gió đến pin năng lượng mặt trời
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực
Mã số HV: CBC18012
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác
giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 12/09/2019
với các nội dung sau:
-

Sửa lại thuyết minh theo mẫu tiêu chuẩn

-

Chỉnh sửa thuật ngữ, Việt hóa các từ khóa trong các hình vẽ
Ngày
Giáo viên hướng dẫn

tháng

năm 2019

Tác giả luận văn

PGS. TS. Hoàng Thị Kim Dung
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TS. Vũ Đình Q

Cơng Nghĩa Phong


LỜI CAM ĐOAN
Tôi – Công Nghĩa Phong, học viên lớp Cao học Kỹ thuật Cơ khí Động lực khóa
CLC2018B Trường Đại học Bách khoa Hà Nội – cam kết luận văn này là cơng trình
nghiên cứu của bản thân tơi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Hoàng Thị Kim Dung –
Viện Cơ khí Động lực – Đại học Bách khoa Hà Nội. Các số liệu, kết quả nêu trong luận
văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tác giả luận văn xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.

Hà Nội, ngày

tháng

năm 2019

Tác giả

Công Nghĩa Phong

MỤC LỤC
TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN ..............................................................................ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU .......................................................................................... iv
KÍ HIỆU CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT .............................................................................. iv
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................... v
DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................................... vii
LỜI MỞ ĐẦU...................................................................................................................... x
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ PIN NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI........................................................................................................................... 1
1.1. Khái quát về việc sử dụng năng lượng tái tạo trên thế giới ................................. 1
1.2. Tổng quan về năng lượng mặt trời .......................................................................... 2
1.2.1. Giới thiệu năng lượng mặt trời ....................................................................... 2
1.2.2. Ưu điểm và nhược điểm của năng lượng mặt trời ....................................... 2
1.2.3. Tiềm năng phát triển năng lượng mặt trời tại Việt Nam ............................. 4
1.2.4. Ứng dụng của năng lượng mặt trời ................................................................ 6
1.3. Tổng quan về pin năng lượng mặt trời ................................................................... 9
1.3.1. Giới thiệu pin năng lượng mặt trời................................................................. 9
1.3.2. Phân loại pin năng lượng mặt trời .................................................................. 9
1.3.3. Cấu tạo pin năng lượng mặt trời Silic .......................................................... 11
1.3.4. Nguyên lý hoạt động pin năng lượng mặt trời Silic................................... 13
1.3.5. Ứng dụng pin năng lượng mặt trời............................................................... 15
1.3.6. Các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến pin NLMT .................................... 16
CHƯƠNG 2. ẢNH HƯỞNG CỦA GIÓ ĐẾN PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI..19
2.1. Giới thiệu về gió ...................................................................................................... 19
2.2. Profile vận tốc gió ................................................................................................... 19
2.2.1. Profile vận tốc gió trung bình ....................................................................... 20
2.2.2. Profile vận tốc gió giật................................................................................... 21
2.3. Tải trọng gió tác dụng lên hệ pin NLMT ............................................................. 22

2.4. Các yếu tố ảnh hưởng của gió đến hệ pin NLMT ............................................... 25
2.4.1. Tốc độ gió........................................................................................................ 25
2.4.2. Hướng gió........................................................................................................ 27
ii


2.4.3. Góc đặt của tấm pin NLMT .......................................................................... 27
2.4.4. Vị trí tương đối của tấm pin NLMT............................................................. 29
CHƯƠNG 3. MƠ PHỎNG SỐ ẢNH HƯỞNG CỦA GIÓ ĐẾN PIN NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI TRONG HẦM GIĨ.....................................................................................30
3.1. Mơ hình thực nghiệm hầm gió của Ulsu .............................................................. 30
3.2. Mô phỏng số ảnh hưởng của gió đến tấm pin NLMT trong hầm gió ............... 31
3.2.1. Mơ phỏng số mơ hình 2D.............................................................................. 31
3.2.2. Mơ phỏng số mơ hình 3D.............................................................................. 33
3.3. Đánh giá kết quả mơ phỏng số .............................................................................. 38
CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG SỐ ẢNH HƯỞNG CỦA GIĨ ĐẾN PIN NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI MẶT ĐẤT ....................................................................................................40
4.1. Mơ hình hệ pin năng lượng mặt trời mặt đất ....................................................... 40
4.2. Mơ phỏng CFD ảnh hưởng của gió đến hệ pin NLMT ...................................... 41
4.2.1. Miền tính tốn CFD ....................................................................................... 41
4.2.2. Sự hội tụ của lưới tính tốn CFD ................................................................. 41
4.2.3. Điều kiện tính tốn ......................................................................................... 42
4.2.4. Kết quả mơ phỏng số CFD ............................................................................ 43
4.3. Kiểm bền hệ pin năng lượng mặt trời dưới ảnh hưởng của gió......................... 53
4.3.1. Mơ hình và lưới kết cấu ................................................................................. 53
4.3.2. Điều kiện tính tốn ......................................................................................... 54
4.3.3. Kết quả kiểm bền hệ pin NLMT................................................................... 54
4.4. Ảnh hưởng của gió đến nhiệt độ pin năng lượng mặt trời ................................. 58
4.4.1. Mơ hình tải năng lượng mặt trời................................................................... 58
4.4.2. Mơ hình bức xạ từ bề mặt đến bề mặt ......................................................... 61

4.4.3. Điều kiện tính tốn ......................................................................................... 62
4.4.4. Kết quả mô phỏng nhiệt độ bề mặt pin NLMT .......................................... 63
KẾT LUẬN ........................................................................................................................67
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................68

iii


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
𝑧
𝑧𝑟𝑒𝑓
𝑉(𝑧)
𝑉𝑟𝑒𝑓
𝑈𝑥
𝐺𝑣
𝑣𝑡
𝜅
𝜌𝑎𝑖𝑟
𝛾
𝐹𝐷
𝐹𝐿
𝐶𝐷
𝐶𝐿
𝐶𝑓
𝐶𝑝
𝐶𝑛𝑠
𝐶𝑝
𝑅𝐷
𝑅𝐿
𝛼

𝛽
𝐸𝑑𝑛
𝐸𝑑
𝐸𝑟
𝜌𝑔

…………………...
…………………...
…………………...
…………………...
…………………...
…………………...
…………………...
…………………...
…………………...
…………………...
…………………...
…………………...
…………………...
…………………...
…………………...
…………………...
…………………...
…………………...
…………………...
…………………...
…………………...
…………………...
…………………...
…………………...

…………………...
…………………...

Độ cao tính từ mặt đất
Độ cao tham chiếu
Vận tốc gió ở độ cao z
Vận tốc gió ở độ cao zref
Vận tốc gió ma sát
Hệ số giật của vận tốc gió
Vận tốc gió giật
Hằng số Von Karman
Khối lượng riêng khơng khí
Hằng số mũ phụ thuộc dạng địa hình
Lực cản
Lực nâng
Hệ số lực cản
Hệ số lực nâng
Hệ số lực toàn phần
Hệ số áp suất cục bộ
Hệ số áp suất trên bề mặt đón gió
Hệ số áp suất trên bề mặt khuất gió
Sai số lực cản mơ phỏng số so với thực nghiệm
Sai số lực nâng mô phỏng số so với thực nghiệm
Góc tới của gió
Góc đặt của pin NLMT
Bức xạ mặt trời trực tiếp
Bức xạ mặt trời khuếch tán bề mặt
Bức xạ mặt trời phản xạ mặt đất
Hệ số phản xạ mặt đất

KÍ HIỆU CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT
NLMT

…………………………

Volume Of Fluid

CFD

…………………………

Computational Fluid Dynamics

DSC

…………………………

Dye – sensitized solar cell

UDF

…………………………

User-Defined Function

iv


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Số liệu bức xạ mặt trời ở các khu vực tại Việt Nam [3] ............................... 5

Bảng 2.1. Giá trị hằng số mũ 𝛼 đối với các dạng địa hình ........................................... 21
Bảng 2.2. Góc đặt của tấm 𝛽 theo vĩ độ khi lắp cố định............................................... 28
Bảng 3.1. Kết quả thực nghiệm của Ulsu ....................................................................... 30
Bảng 3.2. Kết quả sự hội tụ của lưới mơ hình 2D ......................................................... 32
Bảng 3.3. Kết quả mô phỏng số 2D................................................................................. 32
Bảng 3.4. Kết quả sự hội tụ của lưới mơ hình 3D ......................................................... 34
Bảng 3.5. Kết quả mô phỏng số 3D................................................................................. 34
Bảng 4.1. Các thông số của pin NLMT .......................................................................... 40
Bảng 4.2. Điều kiện biên bài toán CFD .......................................................................... 43
Bảng 4.3. Kết quả lực và hệ số lực khi tốc độ gió thay đổi .......................................... 44
Bảng 4.4. Phân bố áp suất và vận tốc mặt XY khi tốc độ gió thay đổi....................... 44
Bảng 4.5. Phân bố áp suất trên tấm pin và phân bố XZ khi tốc độ gió thay đổi ....... 45
Bảng 4.6. Đường dòng vận tốc XY và YZ khi tốc độ gió thay đổi ............................. 46
Bảng 4.7. Kết quả lực và hệ số lực khi 𝛼 thay đổi ........................................................ 46
Bảng 4.8. Phân bố áp suất và vận tốc XY khi 𝛼 thay đổi ............................................. 47
Bảng 4.9. Phân bố áp suất trên tấm pin và phân bố mặt XZ khi 𝛼 thay đổi............... 48
Bảng 4.10. Đường dòng vận tốc XY và YZ khi 𝛼 thay đổi ......................................... 49
Bảng 4.11. Kết quả lực và hệ số lực khi 𝛽 thay đổi ...................................................... 50
Bảng 4.12. Phân bố áp suất và vận tốc XY khi 𝛽 thay đổi........................................... 51
Bảng 4.13. Đường dòng vận tốc XY và YZ khi 𝛽 thay đổi ......................................... 51
Bảng 4.14. Phân bố áp suất trên tấm pin và phân bố XZ khi 𝛽 thay đổi .................... 52
Bảng 4.15. Sự hội tụ của lưới kết cấu ............................................................................. 53
Bảng 4.16. Thơng số vật liệu mơ hình kết cấu ............................................................... 54
Bảng 4.17. Kết quả kiểm bền khi tốc độ gió thay đổi ................................................... 55
Bảng 4.18. Kết quả kiểm bền khi hướng gió thay đổi................................................... 56
Bảng 4.19. Kết quả kiểm bền khi góc đặt của tấm thay đổi ......................................... 58
Bảng 4.20. Thơng số vật liệu nhơm và kính................................................................... 62

v

Bảng 4.21. Phân bố nhiệt độ bề mặt tấm pin NLMT khi tốc độ gió thay đổi ............ 64
Bảng 4.22. Phân bố nhiệt độ bề mặt tấm pin NLMT khi 𝛼 thay đổi........................... 65
Bảng 4.23. Phân bố nhiệt độ bề mặt pin NLMT khi 𝛽 thay đổi .................................. 65

vi


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Bản đồ bức xạ mặt trời quốc gia (globalsolaratlas.info) ............................... 5
Hình 1.2. Thùng rác tự nén sử dụng NLMT..................................................................... 7
Hình 1.3. Nhà máy điện mặt trời Ivanpah ........................................................................ 7
Hình 1.4. Hệ pin NLMT trên mái nhà Bộ Cơng Thương ............................................... 8
Hình 1.5. Bếp sử dụng NLMT ........................................................................................... 8
Hình 1.6. Thiết bị làm nóng nước sử dụng NLMT.......................................................... 8
Hình 1.7. Pin NLMT được làm từ các phân tử Silic ....................................................... 9
Hình 1.8. Pin NLMT nhạy cảm với màu DSC ............................................................... 10
Hình 1.9. Pin NLMT dạng keo nước............................................................................... 11
Hình 1.10. Cấu tạo tế bào quang điện ............................................................................. 12
Hình 1.11. Quy trình chế tạo tấm pin NLMT................................................................. 12
Hình 1.12. Cấu tạo tấm pin NLMT ................................................................................. 13
Hình 1.13. Nguyên lý hoạt động pin NLMT .................................................................. 13
Hình 1.14. Trạm xe buýt sử dụng tấm pin NLMT......................................................... 15
Hình 1.15. Đèn đường chiếu sáng sử dụng pin NLMT................................................. 15
Hình 1.16. Xe ơ-tơ sử dụng NLMT của hãng Sono Motors ......................................... 16
Hình 1.17. Nhà máy quang điện Solar Star tại Mỹ........................................................ 16
Hình 2.1. Lớp biên ............................................................................................................. 20
Hình 2.2. Tấm pin NLMT bị phá hủy bởi gió mạnh tại Đài Loan .............................. 22
Hình 2.3. Lực nâng và lực cản tác dụng lên tấm pin NLMT ....................................... 23
Hình 2.4. Vị trí điểm đặt của lực tồn phần tác dụng lên tấm...................................... 24

Hình 2.5. Lược đồ của tấm tự do trong khơng khí (a, c [26]); ..................................... 24
Hình 2.6. Biểu đồ phân bố tốc độ gió tại Việt Nam theo World Bank ....................... 26
Hình 2.7. Tốc độ gió theo % diện tích tại Việt Nam theo World Bank ...................... 26
Hình 2.8. Các trường hợp khảo sát hướng gió 𝛼 thay đổi ............................................ 27
Hình 2.9. Góc đặt 𝛽 của tấm pin NLMT ........................................................................ 28
Hình 3.1. Hầm gió tại METUWIND ............................................................................... 31
Hình 3.2. Mơ hình mơ phỏng số 2D ................................................................................ 31

vii


Hình 3.3. Mơ hình mơ phỏng số 3D thực nghiệm hầm gió .......................................... 34
Hình 3.4. Lưới 3D mơ hình mơ phỏng số hầm gió........................................................ 34
Hình 3.5. Phân bố áp suất bề mặt với 𝑣 = 5𝑚 /𝑠 .......................................................... 36
Hình 3.6. Phân bố áp suất bề mặt với 𝑣 = 10𝑚 /𝑠 và 𝛽 = 35𝑜 .................................. 36
Hình 3.7. Đường dịng vận tốc tại 𝑣 = 5𝑚/𝑠 và 𝛽 = 15𝑜 .......................................... 36
Hình 3.8. Đường dịng vận tốc tại 𝑣 = 5𝑚/𝑠 và 𝛽 = 35𝑜 .......................................... 37
Hình 3.9. Đường dịng vận tốc 3D tại 𝑣 = 5𝑚 /𝑠 và 𝛽 = 35𝑜 .................................... 37
Hình 3.10. Đường dịng vận tốc tại 𝑣 = 10𝑚 /𝑠 và 𝛽 = 35𝑜 ...................................... 37
Hình 3.11. Phân bố vector vận tốc tại 𝑣 = 10𝑚 /𝑠 và 𝛽 = 35𝑜.................................. 37
Hình 3.12. Lực cản với tốc độ gió 5m/s.......................................................................... 38
Hình 3.13. Lực nâng với tốc độ gió 5m/s ....................................................................... 38
Hình 3.14. Lực cản với tốc độ gió 10m/s ....................................................................... 39
Hình 3.15. Lực nâng với tốc độ gió 10m/s ..................................................................... 39
Hình 4.1. Mơ hình hệ pin NLMT..................................................................................... 40
Hình 4.2. Kích thước miền tính tốn CFD ..................................................................... 41
Hình 4.3. Miền tính tốn với trường hợp gió chính diện .............................................. 41
Hình 4.4. Sự hội tụ của lưới tính tốn CFD.................................................................... 42
Hình 4.5. Lực cản và lực nâng tác dụng lên tấm khi 𝑣 thay đổi .................................. 43
Hình 4.6. Lực cản và lực nâng tác dụng lên tấm khi 𝛼 thay đổi .................................. 47

Hình 4.7. Lực cản và lực nâng tác dụng lên tấm khi 𝛽 thay đổi .................................. 50
Hình 4.8. Lưới kết cấu....................................................................................................... 53
Hình 4.9. Biến dạng tấm pin NLMT ............................................................................... 55
Hình 4.10. Ứng suất tác dụng lên tấm pin NLMT ......................................................... 55
Hình 4.11. Biến dạng của tấm pin khi 𝛼 = 45𝑜 ............................................................ 56
Hình 4.12. Ứng suất tác dụng lên tấm pin khi 𝛼 = 45𝑜 ............................................... 56
Hình 4.13. Biến dạng của tấm pin khi 𝛼 = 135𝑜 .......................................................... 57
Hình 4.14. Ứng suất tác dụng lên tấm pin khi 𝛼 = 135𝑜 ............................................ 57
Hình 4.15. Biến dạng của tấm pin khi 𝛼 = 180𝑜 .......................................................... 57
Hình 4.16. Ứng suất tác dụng lên tấm pin khi 𝛼 = 180𝑜 ............................................ 57

viii


Hình 4.17. Mơ hình tải NLMT ......................................................................................... 59
Hình 4.18. Mơ hình tính tốn NLMT .............................................................................. 59
Hình 4.19. Mơ hình truyền nhiệt bức xạ từ bề mặt đến bề mặt ................................... 61
Hình 4.20. Bức xạ mặt trời tác dụng lên tấm pin và mặt đất........................................ 63
Hình 4.21. Sự hội tụ nhiệt độ bề mặt tấm pin NLMT ................................................... 63
Hình 4.22. Phân bố nhiệt độ tại mép tấm pin NLMT.................................................... 64
Hình 4.23. Giá trị nhiệt độ trên bề mặt tấm pin khi v thay đổi .................................... 66
Hình 4.24. Giá trị nhiệt độ trên bề mặt tấm pin khi 𝛼 thay đổi.................................... 66
Hình 4.25. Giá trị nhiệt độ trên bề mặt tấm pin khi 𝛽 thay đổi.................................... 66

ix


LỜI MỞ ĐẦU
Pin năng lượng mặt trời đang ngày càng trở nên phổ biến trong công nghiệp điện.
Những tiến bộ trong công nghệ năng lượng mặt trời tiếp tục nâng cao hiệu quả làm việc và

độ tin cậy của pin NLMT. Hệ thống pin NLMT dễ bị thiệt hại do gió; tuy nhiên chưa có
nhiều nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của gió đến pin năng lượng mặt trời. Thêm vào đó,
NLMT ln đi kèm với năng lượng gió. Đây là nguyên nhân chính để nghiên cứu này được
thực hiện.
Phương pháp thực nghiệm và phương pháp mô phỏng số là hai phương pháp thường
được sử dụng để khảo sát ảnh hưởng của gió đến vật thể. Trong luận văn này, phương pháp
mô phỏng số được sử dụng để khảo sát ảnh hưởng của gió trên đối tượng là pin năng lượng
mặt trời. Nội dung luận văn tốt nghiệp được trình bày thành 4 chương chính:
Chương 1: Tổng quan về năng lượng mặt trời và pin năng lượng mặt trời
Chương 2: Ảnh hưởng của gió đến pin năng lượng mặt trời
Chương 3: Mơ phỏng số ảnh hưởng của gió đến pin NLMT trong hầm gió
Chương 4: Mơ phỏng số ảnh hưởng của gió đến pin năng lượng mặt trời mặt đất
Tơi xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Hoàng Thị Kim Dung đã tận tình hướng dẫn,
cùng sự giúp đỡ từ các thầy cô Bộ môn Kỹ thuật Hàng không và Vũ trụ, để tơi có thể hồn
thành được luận văn tốt nghiệp này. Tuy nhiên, do kiến thức và thời gian hạn chế nên khơng
tránh khỏi những sai sót. Tơi hi vọng nhận được sự góp ý từ các thầy cơ. Tôi xin chân thành
cảm ơn.

x


Chương 1. Tổng quan về năng lượng mặt trời và pin NLMT

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ PIN NĂNG
LƯỢNG MẶT TRỜI
1.1. Khái quát về việc sử dụng năng lượng tái tạo trên thế giới
Theo số liệu mới nhất của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), lượng tiêu thụ năng
lượng hóa thạch vào năm 2015 của thế giới vẫn chiếm tỉ trọng 81,4% (số còn lại là năng
lượng mới hay còn gọi là năng lượng tái tạo). Năm 1973, tỉ trọng này là 86,7%. Như vậy
sau 42 năm, thế giới chỉ giảm được 5,3% mức tiêu thụ năng lượng hóa thạch nhờ sự tăng

trưởng nhẹ của năng lượng sạch. Cần lưu ý rằng việc sử dụng năng lượng hóa thạch thải ra
lượng lớn khí nhà kính, có ảnh hưởng rất xấu đến mơi trường.
Có nhiều lựa chọn để giảm thải khí nhà kính từ các hệ thống năng lượng trong khi vẫn
đáp ứng nhu cầu năng lượng tồn cầu. Một trong những lựa chọn đó là năng lượng tái tạo,
nguồn năng lượng tiềm năng rất lớn để giảm thiểu biến đổi khí hậu, cũng có thể cung cấp
đầy đủ cho nhu cầu của người dân khi sử dụng chúng. Năng lượng tái tạo có thể, nếu được
thực hiện và sử dụng đúng cách, nó vừa góp phần phát triển kinh tế xã hội vừa như một
nguồn năng lượng an toàn, giảm các tác động tiêu cực đến môi trường và sức khỏe.
Năng lượng tái tạo là năng lượng từ những nguồn liên tục mà theo chuẩn mực của con
người là vô hạn. Nguyên tắc cơ bản của việc sử dụng năng lượng tái tạo là tách một phần
năng lượng từ các quy trình diễn biến liên tục trong môi trường và đưa vào trong các sử
dụng kỹ thuật. Năng lượng tái tạo phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây nhưng
cho đến nay vẫn chiếm số ít trong tổng sản lượng thế giới. Trong điều kiện khắt khe nhất,
việc tăng tỉ trọng năng lượng tái tạo trong hỗn hợp năng lượng sẽ đòi hỏi các chính sách để
kích thích những thay đổi trong hệ thống năng lượng. Các chính sách hỗ trợ là cần thiết để
thu hút sự gia tăng cần thiết về đầu tư công nghệ và cơ sở hạ tầng.
Trong số các nguồn năng lượng tái tạo chính như NLMT, gió, thủy triều, mưa, … thì
NLMT phát triển nhanh nhất với tốc độ tăng trưởng bình quân hàng năm khoảng 60% trong
năm 2012 [10].

1


Chương 1. Tổng quan về năng lượng mặt trời và pin NLMT

1.2. Tổng quan về năng lượng mặt trời
1.2.1. Giới thiệu năng lượng mặt trời
Mặt Trời là nguồn năng lượng lớn nhất mà con người có thể tận dụng được: sạch,
mạnh mẽ, dồi dào, đáng tin cậy, gần như vô tận, và có ở khắp nơi dù ít hay nhiều. Việc thu
giữ NLMT gần như khơng có ảnh hưởng tiêu cực gì đến mơi trường. Việc sử dụng khơng

thải ra khí và nước độc hại, do đó khơng góp phần vào vấn đề ô nhiễm môi trường và hiệu
ứng nhà kính. Mỗi giây, Mặt Trời phát ra một khối năng lượng khổng lồ vào Thái Dương
Hệ, tuy nhiên chỉ một phần rất nhỏ tổng lượng bức xạ đến được Trái Đất. Tuy nhiên, phần
năng lượng này vẫn được xem là rất lớn, vào khoảng 1.367 MW/m2 ở ngoại tầng khí quyển
của Trái Đất. Một phần lớn bức xạ Mặt Trời phản xạ lại về không gian trên bề mặt các đám
mây. Chỉ cần một phần nhỏ NLMT được sử dụng thì có thể đáp ứng được nhu cầu về năng
lượng của thế giới.
NLMT có những ưu điểm như: sạch, chi phí nhiên liệu và bảo dưỡng thấp, an tồn
cho người sử dụng. Đồng thời phát triển ngành công nghiệp sản xuất pin NLMT sẽ góp
phần thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch, giảm khí thải nhà kính giúp bảo vệ môi
trường.
1.2.2. Ưu điểm và nhược điểm của năng lượng mặt trời
NLMT được sử dụng để thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch bởi nó có nhiều
ưu điểm như:
 NLMT là nguồn năng lượng tái tạo, không giống như các nhiên liệu hóa thạch như
than, dầu mỏ, khí đốt… Theo NASA, mặt trời có thể cung cấp năng lượng cho chúng
ta trong khoảng 6,5 tỉ năm nữa.
 Tiềm năng của NLMT là rất lớn – mỗi ngày, bề mặt trái đất được hưởng 120.000
terawatts (TW) của ánh sáng mặt trời, cao gấp 20.000 lần so với nhu cầu của con
người trên toàn thế giới (1TW = 1.000 tỉ W).

2


Chương 1. Tổng quan về năng lượng mặt trời và pin NLMT

 Nguồn cung bền vững và vô tận: NLMT là vô tận, dư thừa để đáp ứng nhu cầu về
năng lượng của nhân loại, đủ dùng cho muôn vàn thế hệ về sau.
 Tính khả dụng: NLMT có thể được tiếp nhận và sử dụng ở mọi nơi trên thế giới khơng chỉ ở vùng gần xích đạo trái đất mà cịn ở các vĩ độ cao thuộc phía bắc và
phía nam. Ví dụ, Đức hiện đang chiếm vị trí hàng đầu thế giới trong việc sử dụng

NLMT và có kế hoạch tận dụng tối đa tiềm năng này.
 Sạch về sinh thái: theo xu hướng phát triển gần đây trong cuộc đấu tranh cho việc
làm sạch môi trường trái đất, NLMT là lĩnh vực hứa hẹn nhất, có thể thay thế một
phần năng lượng từ các nguồn nhiên liệu khơng tái tạo được và do đó, nó đóng vai
trị quan trọng trong cơng cuộc bảo vệ mơi trường từ sự tăng nhiệt toàn cầu. Việc
sản xuất, vận chuyển, lắp đặt và vận hành các nhà máy điện mặt trời về cơ bản khơng
phát thải các loại khí độc hại vào khí quyển.
 Hiệu quả cao, chi phí hoạt động thấp: chuyển sang sử dụng pin NLMT, các hộ gia
đình sẽ có được một khoản tiết kiệm đáng kể trong ngân sách chi tiêu. Việc bảo trì,
duy tu hệ thống cung cấp NLMT cho hộ gia đình địi hỏi chi phí rất thấp - trong 1
năm, bạn chỉ cần một vài lần lau chùi sạch các tấm pin NLMT và chúng luôn được
các nhà sản xuất bảo hành trong khoảng thời gian lên tới 20-25 năm.
 Không gây tiếng ồn: trên thực tế, việc sản xuất NLMT không sử dụng các loại động
cơ như trong máy phát điện, vì vậy việc tạo ra điện không gây tiếng ồn.
 Công nghệ tiên tiến: công nghệ sản xuất pin NLMT mỗi ngày một tiến bộ hơn - môđun màng mỏng được đưa trực tiếp vào vật liệu ngay từ giai đoạn sơ chế ban đầu.
Tập đoàn Sharp của Nhật Bản cũng là một nhà sản xuất pin NLMT, vừa giới thiệu
một hệ thống sáng tạo các yếu tố lưu trữ năng lượng cho kính cửa sổ. Những thành
tựu mới nhất trong lĩnh vực công nghệ nano và vật lý lượng tử cho phép ta kỳ vọng
về khả năng tăng công suất của các tấm pin NLMT lên gấp 3 lần so với hiện nay.
Tuy NLMT có nhiều ưu điểm như vậy nhưng nó cũng có một số nhược điểm nhất
định như:

3


Chương 1. Tổng quan về năng lượng mặt trời và pin NLMT

 Chi phí cao: có ý kiến cho rằng, điện mặt trời thuộc về loại năng lượng đắt tiền - đây
có lẽ là vấn đề gây tranh cãi nhất trong việc sử dụng nguồn năng lượng này. Do việc
lưu trữ NLMT tại các hộ gia đình địi hỏi khoản chi phí đáng kể ở giai đoạn ban đầu.

 Khơng ổn định: có một thực tế bất khả kháng: vào ban đêm, trong những ngày nhiều
mây và mưa thì khơng có ánh sáng mặt trời, vì thế NLMT khơng thể là nguồn điện
chính yếu.
 Chi phí lưu trữ năng lượng cao: giá của ắc quy tích trữ điện mặt trời để lấy điện sử
dụng vào ban đêm hay khi trời khơng có nắng hiện nay vẫn cịn khá cao. Vì thế, ở
thời điểm hiện tại, điện mặt trời chưa có khả năng trở thành nguồn điện duy nhất ở
các hộ gia đình mà chỉ có thể là nguồn bổ sung cho điện lưới và các nguồn khác.
 Vẫn gây ô nhiễm mơi trường, dù rất ít: mặc dù so với việc sản xuất các loại năng
lượng khác, điện mặt trời thân thiện với môi trường hơn, nhưng một số quy trình
cơng nghệ để chế tạo các tấm pin NLMT cũng đi kèm với việc phát thải các loại khí
nhà kính.
 Sử dụng nhiều thành phần đắt tiền và quý hiếm: sản xuất các tấm pin NLMT màng
mỏng đòi hỏi phải sử dụng cadmium telluride (CdTe) hoặc gallium selenide indi
(CIGS) - những chất rất hiếm và đắt tiền, điều này dẫn đến sự gia tăng chi phí.
 Mật độ năng lượng thấp: được mơ tả bằng lượng điện năng có thể thu được từ một
đơn vị diện tích nguồn năng lượng, được đo bằng W/m2. Chỉ số này đối với điện mặt
trời là 170 W/m2 - nhiều hơn các nguồn năng lượng tái tạo khác, nhưng thấp hơn
dầu, khí, than đá và điện hạt nhân. Do đó, để tạo ra 1kW điện từ nhiệt năng mặt trời
địi hỏi một diện tích khá lớn của các tấm pin NLMT.
1.2.3. Tiềm năng phát triển năng lượng mặt trời tại Việt Nam
Tiềm năng phát triển NLMT tại nước ta được thể hiện qua bản đồ bức xạ mặt trời do
Ngân hàng Thế giới kết hợp với Bộ Cơng Thương và phía Tây Ban Nha tính tốn.

4


Chương 1. Tổng quan về năng lượng mặt trời và pin NLMT

Hình 1.1. Bản đồ bức xạ mặt trời quốc gia (globalsolaratlas.info)

Giá trị bức xạ của Việt Nam theo phương ngang dao động từ 897 kWh/𝑚2 /năm đến
2108 kWh/𝑚2 /năm. Tương ứng đối với ngày, giá trị nhỏ nhất đạt 2,46 kWh/𝑚2 /ngày và
lớn nhất là 5,77 kWh/𝑚2 /ngày.
Qua bảng 1.1 trên cho ta thấy nước ta có lượng bức xạ mặt trời rất tốt, đặc biệt là khu
vực phía Nam, ở khu vực phía Bắc thì lượng bức xạ mặt trời nhận được là ít hơn.
Lượng bức xạ mặt trời giữa các vùng miền là khác nhau và nó cũng phụ thuộc vào
từng tháng khác nhau. Ta nhận thấy rằng các tháng nhận được nhiều nắng hơn là tháng 4,
5, 6, 7, 8, 9, 10. Nếu sử dụng các thiết bị NLMT vào các tháng này sẽ cho hiệu suất rất cao.
Bảng 1.1. Số liệu bức xạ mặt trời ở các khu vực tại Việt Nam [3]

Vùng

Giờ nắng trong năm (h)

Cường độ BXMT
(kWh/𝐦𝟐 /ngày)

Đông Bắc

1600 – 1750

3,3 – 4,1

Tây Bắc

1750 – 1800

4,1 – 4,9

Bắc Trung Bộ

1700 – 2000

4,6 – 5,2

Tây Nguyên và Nam Trung Bộ

2000 – 2600

4,9 – 5,7

Nam Bộ

2200 – 2500

4,3 – 4,9

Trung bình cả nước

1700 – 2500

4,6

5


Chương 1. Tổng quan về năng lượng mặt trời và pin NLMT

Tóm lại, Việt Nam là nước có tiềm năng về NLMT, trải dài từ vĩ độ 8°27′ Bắc đến
23°23′ Bắc, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao, do đó việc sử

dụng NLMT ở nước ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế lớn.
Khu vực Tây Bắc được đánh giá có tiềm năng NLMT vào loại khá trong tồn quốc do
khơng bị ảnh hưởng nhiều bởi gió mùa và hồn tồn có thể ứng dụng hiệu quả các công
nghệ sử dụng NLMT tại khu vực Tây Bắc. Bức xạ mặt trời trung bình năm từ 4,1 – 4,9
kWh/m2 /ngày. Số giờ nắng trung bình cả năm đạt từ 1800 – 2100 giờ nắng, các vùng có số
giờ nắng cao nhất thuộc các tỉnh Điện Biên, Sơn La. Thời điểm trong năm khai thác hiệu
quả nhất NLMT tại khu vực Tây Bắc là vào tháng 3 đến tháng 9, trong khi vào các tháng
mùa đông hiệu quả khai thác NLMT là rất thấp.
Tiềm năng điện mặt trời tốt nhất ở các vùng Thừa Thiên Huế trở vào Nam và vùng
Tây Bắc. Vùng Tây Bắc và vùng Bắc Trung Bộ có NLMT khá lớn. Mật độ NLMT biến đổi
trong khoảng 300 đến 500 cal/cm2 .ngày. Số giờ nắng trung bình cả năm trong khoảng 1800
đến 2100 giờ. Như vậy, các tỉnh thành ở miền Bắc đều có thể sử dụng hiệu quả.
Cịn ở miền Nam, từ Đà Nẵng trở vào, NLMT rất tốt và phân bố tương đối điều hòa
trong suốt cả năm. Trừ những ngày có mưa rào, có thể nói trên 90% số ngày trong năm đều
có thể sử dụng NLMT cho sinh hoạt. Số giờ nắng trung bình cả năm trong khoảng 2000
đến 2600 giờ. Đây là khu vực ứng dụng NLMT rất hiệu quả.
Chính vì thế, ta hồn tồn có thể khai thác và ứng dụng NLMT một cách hiệu quả.
1.2.4. Ứng dụng của năng lượng mặt trời
NLMT đã được con người khai thác và sử dụng ngay từ thời cổ đại như việc sưởi ấm,
làm khô quần áo. Hiện nay, NLMT ngày càng được khai thác và sử dụng rộng rãi.
Trên thế giới đã có rất nhiều lĩnh vực ứng dụng NLMT như: thùng rác tự nén sử dụng
NLMT ở tại cơng viên Green End Road, Cambridge (Anh), đèn tín hiệu giao thông, đèn
chiếu sáng công cộng sử dụng NLMT ở Nhật Bản, các cao ốc sử dụng NLMT ở Trung
Quốc, …
6


Chương 1. Tổng quan về năng lượng mặt trời và pin NLMT

Hình 1.2. Thùng rác tự nén sử dụng NLMT

Hình 1.3 là nhà máy điện mặt trời Ivanpah nằm ở sa mạc Mojave, gần ranh giới giữa
bang California và Nevada, Mỹ. Nhà máy sử dụng công nghệ nhiệt mặt trời với gần 350.000
tấm thu năng lượng trải dài trên diện tích 14,2 km2 . Các tấm thu năng lượng cao hơn 2 m
và rộng khoảng 3 m. Các tấm này sẽ phản chiếu ánh sáng mặt trời và đun nóng các nồi hơi
đặt trên ba tòa tháp cao 140 m. NLMT được sử dụng để tạo ra hơi nước trong các nồi hơi
và đẩy ra các tua-bin để tạo điện. Với diện tích khổng lồ, nhà máy này có thể sản xuất gần
400 MW điện một năm.

Hình 1.3. Nhà máy điện mặt trời Ivanpah

Tại Hà Nội, trạm pin NLMT nối lưới lắp đặt trên mái nhà làm việc Bộ Công thương,
54 Hai Bà Trưng, Hồn Kiếm. Cơng suất lắp đặt 2.700 Wp. Trung tâm hội nghị quốc gia
sử dụng hệ pin NLMT công suất 154 KWp.
7


Chương 1. Tổng quan về năng lượng mặt trời và pin NLMT

Hình 1.4. Hệ pin NLMT trên mái nhà Bộ Công Thương

Tháng 6 năm 2007, tại công viên nước Đà Nẵng đã diễn ra ngày hội nấu ăn bằng bếp
NLMT và tổ chức Solar Serve đã cung cấp miễn phí hơn 1200 bếp cho người nghèo tại
vùng sâu vùng xa.

Hình 1.5. Bếp sử dụng NLMT

Trong đời sống hằng ngày, các thiết bị làm nóng nước bằng NLMT được sử dụng
ngày càng rộng rãi. Hệ thống nước nóng này thường được sử dụng trong các hộ gia đình cá
nhân, khách sạn, nhà khách, bệnh viện, căng tin cũng như các đơn vị cơng nghiệp…

Hình 1.6. Thiết bị làm nóng nước sử dụng NLMT

8


Chương 1. Tổng quan về năng lượng mặt trời và pin NLMT

1.3. Tổng quan về pin năng lượng mặt trời
1.3.1. Giới thiệu pin năng lượng mặt trời
Pin NLMT (pin quang điện) là thiết bị chuyển hóa trực tiếp năng lượng ánh sáng mặt
trời (quang năng) thành năng lượng điện (điện năng) dựa trên hiệu ứng quang điện. Tấm
pin NLMT, những tấm có bề mặt lớn thu thập ánh nắng mặt trời và biến nó thành điện năng,
được làm bằng nhiều tế bào quang điện có nhiệm vụ thực hiện quá trình tạo ra điện từ ánh
sáng mặt trời.
1.3.2. Phân loại pin năng lượng mặt trời
Hiện nay chúng ta có rất nhiều loại pin NLMT được sử dụng. Tuy nhiên trong số đó
chúng ta phải kể đến 3 loại pin NLMT thơng dụng nhất. Đó là các loại pin NLMT sau:
Pin NLMT được làm từ tinh thể Silic

Hình 1.7. Pin NLMT được làm từ các phân tử Silic

Pin NLMT được làm từ tinh thế Silic là loại pin NLMT được sử dụng nhiều nhất hiện
nay. Pin NLMT làm từ Silic được chia thành 3 loại khác nhau đó là:
 Pin NLMT được làm từ tinh thể đơn hay còn gọi là một tinh thể (module). Loại pin
NLMT một tinh thể này có hiệu suất lên đến 16%. Những tinh thể đơn này thường
được cắt từ các thỏi Silic hình ống và chỉ có ở các mặt trống của các góc nối module.
Chính vì vậy nó khá đắt tiền hơn những loại pin NLMT khác.
 Pin NLMT được cấu thành từ nhiều tinh thể được lấy ở các thỏi đúc Silic nung chảy
nên có giá và hiệu suất thấp hơn so với pin NLMT đơn tinh thể. Tuy nhiên những

9


Chương 1. Tổng quan về năng lượng mặt trời và pin NLMT

tấm pin NLMT đa tinh thể này có thể tạo thành những tấm vuông lớn hơn để che
phủ bề mặt. Nó bù lại cho hiệu suất thấp vốn có của nó.
 Loại cuối cùng trong các loại pin NLMT được làm từ Silic đó là pin NLMT Silic
dạng phim mỏng. Các dải Silic được đun nóng chảy và tạo ra các miếng phim mỏng.
Nó có cấu trúc đa tinh thể và không cần cắt từ các thỏi Silicon. Loại này có hiệu suất
thấp nhất trong 3 loại nhưng giá lại thấp nhất.
Pin NLMT nhạy cảm với màu DSC (Dye – sensitized solar cell)
Đây là một trong những loại pin NLMT mới. Nó khá dễ làm và giá thành của nó rẻ
hơn rất nhiêu so với pin NLMT Silic. Loại pin này do Michael Gratzel ở trường Bách khoa
Lausane (Thuỵ Sĩ) chế tạo lần đầu vào năm 1991, hoạt động theo cơ chế điện hóa, có nghĩa
là khi ánh sáng mặt trời xuyên qua bề mặt của tấm pin thì các phân tử chất màu nhạy quang
sẽ hấp thụ photon của mặt trời và sinh ra điện tử. Dòng điện tử này được chuyển ngay
đến ca-tốt thơng qua mạch ngồi. Sau đó điện ly chứa cặp oxy hóa – khử ở mạch ngồi có
nhiệm vụ tiêu thụ điện tử vừa sản sinh ra và tái tạo lại các chất màu nhạy quang.

Hình 1.8. Pin NLMT nhạy cảm với màu DSC

Các tấm pin NLMT DSC sẽ hoạt động liên tục theo vịng tuần hồn khép kín. Vì nhiều
lý do mà pin NLMT DSC có hiệu suất thấp hơn rất nhiều so với các loại pin NLMT Silic
khác. Nhưng ngược lại nó mang lại rất nhiều ưu điểm vượt trội. Đó là vật liệu chế tạo pin
NLMT DSC dễ kiếm, giá thành rẻ, quá trình sản xuất đơn giản, thân thiện với mơi trường.
Chúng ta có thể chế tạo và bảo trì pin NLMT DSC ngay tại chỗ. Hiện nay đã có nhiều cải
10

Chương 1. Tổng quan về năng lượng mặt trời và pin NLMT

tiến đối với chất màu nhạy quang làm cho ánh sáng thuộc nhiều bước sóng trong phổ ánh
sáng Mặt trời đều dễ dàng bị hấp thụ để kích thích làm thốt điện tử tạo ra dịng điện. Nhờ
đó, khác với pin NLMT Silic, loại pin NLMT mới này vẫn hoạt động tốt khi nắng yếu, đặc
biệt là hoạt động với ánh sáng trong nhà.
Pin NLMT dạng keo nước (lá nhân tạo)
Đây là pin NLMT cuối cùng trong các loại pin NLMT. Hiện nay nó chưa được sử
dụng nhiều. Nó đang được tiến hành nghiên cứu và phát triển để hồn thiện thêm. Vì cơng
suất của tấm pin NLMT này cịn khá hạn chế.

Hình 1.9. Pin NLMT dạng keo nước

Loại pin NLMT này có thể uốn cong dễ dàng. Nó chứa các thành phần là keo nước
chứa các phân tử nhạy cảm với ánh sáng. Đồng thời kết hợp với các điện cực phủ chất liệu
cacbon. Khi ánh sáng mặt trời chiếu trực tiếp lên tấm pin thì các phân tử nhạy cảm với ánh
sáng sẽ hoạt động và tạo ra dòng điện, cơ chế này tương tự như cơ chế kích thích tổng hợp
đường để sinh trưởng của phân tử thực vật.
1.3.3. Cấu tạo pin năng lượng mặt trời Silic
Tế bào quang điện là thành phần cơ bản của tấm pin NLMT thực hiện biến đổi năng
lượng ánh sáng thành điện năng. Tế bào quang điện phổ biến hiện nay được chế tạo từ vật
liệu tinh thể bán dẫn Silic (Si) có hóa trị 4. Để làm tế bào quang điện từ bán dẫn Si, ta phải
làm ra bán dẫn loại n và bán dẫn loại p rồi ghép lại với nhau cho nó có được tiếp xúc p-n.
11


Chương 1. Tổng quan về năng lượng mặt trời và pin NLMT

Từ tinh thể Si tinh khiết, để có vật liệu bán dẫn Si loại n, người ta pha tạp thêm phốtpho P có hóa trị 5, electron thừa ra không dùng để liên kết nên dễ chuyển động hơn làm cho

bán dẫn pha tạp trở thành có tính dẫn điện electron. Cịn để có vật liệu bán dẫn tinh thể loại
p thì tạp chất được dùng để pha vào Si là Bo có hóa trị 3, tức là thiếu một electron mới đủ
tạo thành 4 mối liên kết nên có thể nói là tạo thành lỗ trống (hole).

Hình 1.10. Cấu tạo tế bào quang điện

Tế bào quang điện được ghép nối tiếp với nhau tạo thành tấm pin NLMT. Công nghệ
chế tạo tấm pin NLMT gồm nhiều công đoạn khác nhau, ví dụ để chế tạo pin NLMT từ
Silic đa tinh thể cần qua các cơng đoạn như hình 1.11 [1].

Hình 1.11. Quy trình chế tạo tấm pin NLMT

Cấu tạo của tấm pin NLMT Si được thể hiện như trong hình 1.12. Các tấm pin NLMT
được thiết kế như những module thành phần, được ghép lại với nhau tạo thành các tấm
NLMT có diện tích lớn, thường được đặt trên nóc các tịa nhà nơi chúng có thể thu được
ánh sáng nhiều nhất, và kết nối với bộ chuyển đổi của mạng lưới điện. Các tấm pin NLMT
lớn ngày nay được lắp thêm bộ phận tự động điều khiển để có thể xoay theo hướng ánh
sáng, giống như lồi hoa hướng dương hướng về ánh sáng Mặt Trời.
12