Nghiên cứu thuật toán tìm điểm công suất cực đại (mppt) cho hệ thống điện mặt trời kết nối lưới

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

NGUYỄN HỒNG VIỆT

NGHIÊN CỨU THUẬT TỐN TÌM ĐIỂM CƠNG
SUẤT CỰC ĐẠI (MPPT) CHO HỆ THỐNG ĐIỆN
MẶT TRỜI KẾT NỐI LƯỚI

LUẬN VĂN THẠC SỸ
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - HỆ THỐNG ĐIỆN

Hà Nội – 2018


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

NGUYỄN HỒNG VIỆT

NGHIÊN CỨU THUẬT TỐN TÌM ĐIỂM CƠNG
SUẤT CỰC ĐẠI (MPPT) CHO HỆ THỐNG ĐIỆN
MẶT TRỜI KẾT NỐI LƯỚI

LUẬN VĂN THẠC SỸ
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - HỆ THỐNG ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. NGUYỄN HOÀNG VIỆT

Hà Nội – 2018


`

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn thạc sỹ với nội dung đề tài là “Nghiên cứu tht
tốn tìm điểm công suất cực đại (MPPT) cho hệ thống điện mặt trởi kết nối lưới”
do giảng viên TS. Nguyễn Hoàng Việt hướng dẫn là nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả
các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc và xuất xứ rõ ràng.
Hà Nội, ngày 25 tháng 3 năm 2018

HỌC VIÊN

Nguyễn Hồng Việt

1


`

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN................................................................................................ 1
MỤC LỤC ........................................................................................................... 2
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................................................ 5
DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................ 6
DANH MỤC HÌNH VẼ ...................................................................................... 7
MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 9

1. Lý do lựa chọn đề tài ........................................................................................ 9
2. Một số mục tiêu nghiên cứu chính của luận văn ............................................ 10
3. Kết quả nghiên cứu hệ thống điện mặt trời ở nước ta hiện nay...................... 10
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................................. 10
5. Phương pháp luận ........................................................................................... 10
6. Những đóng góp mới của luận văn ................................................................. 11
7. Kết cấu của luận văn ....................................................................................... 11
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VÀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ
THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI ............................................................................. 13
I.1. Sự phát triển và ứng dụng công nghệ năng lượng mặt trời .......................... 13
I.1.1. Giới thiệu các công nghệ năng lượng mặt trời ......................................... 13
I.1.2. Chính sách Năng lượng mặt trời .............................................................. 17
I.2. Công nghệ điện mặt trời ............................................................................... 19
I.2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động ............................................................... 21
2


`

I.2.2. Lịch sử phát triển của năng lượng điện mặt trời ...................................... 22
I.2.3. Các đặc trưng của Pin mặt trời ................................................................. 24
I.2.4. Tấm pin mặt trời và các cách ghép nối module mặt trời .......................... 27
I.3. Các hình thức hoạt động của hệ thống điện năng lượng mặt trời ................ 29
I.3.1. Hệ thống điện năng lượng mặt trời .......................................................... 30
I.3.2. Hệ thống điện năng lượng mặt trời kết nối lưới ....................................... 30
CHƯƠNG II
MƠ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI KẾT NỐI LƯỚI VÀ CÁC YẾU
TỐ ẢNH HƯỞNG ............................................................................................ 33
II.1. Hệ thống điện mặt trời kết nối lưới (Gird - Connected PV system) ........... 33

II.1.1. Cấu trúc hệ thống điện mặt trời nối lưới không dự trữ ........................... 33
II.1.2. Cấu trúc hệ thống điện mặt trời nối lưới có dự trữ ................................. 34
II.1.3. Phân tích cấu hình hệ thống năng lượng mặt trời ................................... 35
II.1.4. Một số phương pháp kết nối lưới của hệ thống điện mặt trời ................. 36
II.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống điện năng lượng mặt trời ................... 39
II.2.1. Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng ......................................................... 40
II.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ .......................................................................... 41
II.2.3. Nhận xét chung ....................................................................................... 42
II.3. Một số ứng dụng cơ bản của hệ thống điện năng lượng mặt trời ............... 43
CHƯƠNG III
TÌM HIỂU MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP, THUẬT TỐN TÌM ĐIỂM CÔNG
SUẤT CỰC ĐẠI CHO HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI .............................. 45
III.1. Giới thiệu ................................................................................................... 45
III.2. Vai trò của bộ tìm điểm cơng suất cực đại (MPPT) .................................. 48
3


`

II.2.1. Khi có bộ MPPT hoạt động..................................................................... 49
II.2.2. Khi khơng có bộ MPPT .......................................................................... 51
III.3. Phương pháp Nhiễu loạn và Quan sát (P&O) tìm MPP ............................ 54
III.4. Phương pháp Điện dẫn gia tăng (INC) tìm MPP ....................................... 56
CHƯƠNG IV
SO SÁNH KỸ THUẬT MỘT SƠ THUẬT TỐN TÌM ĐIỂM CƠNG SUẤT
CỰC ĐẠI CHO HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI KẾT NỐI LƯỚI ............ 59
IV.1. Mơ hình hóa hệ thống trong Matlab .......................................................... 59
IV.2. Kịch bản nghiên cứu .................................................................................. 62
IV.3. Sử dụng thuật toán P&O............................................................................ 64
IV.4. Sử dụng thuật toán INC ............................................................................. 69

IV.5. Sử dụng thuật toán INC cải tiến ................................................................ 74
KẾT LUẬN ....................................................................................................... 77
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 79
PHỤ LỤC
MƠ HÌNH MƠ PHỎNG CÁC THUẬT TOÁN TRONG MATLAB
SIMULINK........................................................................................................ 80

4


`

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt

Tên tiếng Anh

Tên tiếng Việt

HTĐ

Electric power system

Hệ thống điện

NLMT

Solar energy

Năng lượng mặt trời

NLTT

Renewable energy

Năng lượng tái tạo

INC

Incremental Conductance

Điện dẫn gia tăng

MBA

Transformer

Máy biến áp

MPPT

Maximum Power Point Tracking

Bám công suất cực đại

MPP

Maximum Power Point

Điểm công suất lớn nhất

NM

Short circuit

Ngắn mạch

P&O

Purturb and Observer

Nhiễu loạn và quan sát

PMT

Solar cell

Pin Mặt trời

PLL

Phase-locked-loop

Vịng khóa pha

PV

Photovoltaics

Điện mặt trời

PWM

Pulse Width Modulation

Điều chế độ rộng xung

V-A

Volt – Ampere

Vôn – Ampe

VSC

Voltage Source Converters

Bộ chuyển đổi nguồn áp

5


`

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng I.1. Tốc độ tăng trưởng trung bình (%) cơng suất phát điện NLTT giai đoạn
2008-2013 và năm 2013 (nguồn REN21-2014) ................................................. 16
Bảng III.1. Lưu đồ thuật toán phương pháp nhiễu loạn và quan sát. ................. 55
Bảng III.2. Lưu đồ thuật toán phương pháp điện dẫn gia tăng. .......................... 57

6


`

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình I.1. Sơ đồ khối các cơng nghệ NLMT ....................................................... 14
Hình I.2. Cơng suất phát điện mặt trời (PMT) hàng năm trong giai đoạn 20042013 trên toàn cầu............................................................................................... 16
Hình I.3. Đầu tư (tỷ USD) và cơng suất điện PMT xây dựng thêm hàng năm
(GW) trên toàn cầu giai đoạn 2004-2013 ........................................................... 17
Hình I.4. Thị phần cơng suất lắp đặt thiết bị nước nóng NLMT của 10 nước dẫn
đầu Thế giới. ....................................................................................................... 18
Hình I.5. Hình ảnh tấm pin mặt trời ................................................................... 19
Hình I.6. Chất bán dẫn P-N ................................................................................ 22
Hình I.7. Sơ đồ cấu ấu trúc chuyển tiếp p-n, thành phần quan trọng nhất của điốt
bán dẫn. Tiền đề chế tạo thành cơng pin năng lượng Mặt Trời hồn thiện ........ 24
Hình I.8. Sơ đồ thay thế pin mặt trời .................................................................. 25
Hình I.9. Đường đặc trưng sáng của Pin mặt trời .............................................. 26
Hình I.10. Mơ hình 1 Cell, Module và Array pin mặt trời ................................. 27
Hình I.11. Sơ đồ hệ thống điện năng lượng mặt trời hoạt động độc lập ............ 30
Hình I.12. Sơ đồ hệ thống điện năng lượng mặt trời kết nối lưới ...................... 31
Hình II.1. Cấu trúc chung hệ thống điện mặt trời nối lưới không dự trữ ........... 33
Hình II.2. Cấu trúc chung hệ thống điện mặt trời nối lưới khơng dự trữ ........... 35
Hình II.3. Cấu trúc chung hệ thống điện mặt trời nối lưới khơng dự trữ ........... 39
Hình II.4. Đặc tính Von – Apme với ảnh hưởng của cường độ sáng ................. 40
Hình II.5. Đặc tính Von – Apme với ảnh hưởng của nhiệt độ chiếu sáng ......... 42
Hình III.1. Đồ thị đặc tính P-V của tấm pin mặt trời phụ thuộc cường độ chiếu
sáng khi nhiệt độ không đổi. ............................................................................... 45

7

`

Hình III.2. Đồ thị đặc tính I-V của tấm pin mặt trời .......................................... 46
Hình III.3. Điểm làm việc cơng suất cực đại MPP của pin mặt trời. ................. 46
Hình III.4. Ngun lý tìm điểm cơng suất cực đại MPP của pin mặt trời. ......... 48
Hình III.5. Hệ thống điện mặt trời 100kW kết nối lưới (mơ hình trung bình). .. 49
Hình III.6. Kết quả khi có MPPT và giá trị điều khiển ban đầu D=0,5. ............ 50
Hình III.7. Kết quả khi khơng có MPPT và giá trị điều khiển D=0,4. ............... 51
Hình III.8. Kết quả khi khơng có MPPT và giá trị điều khiển D=0,5. ............... 52
Hình III.9. Kết quả khi khơng có MPPT và giá trị điều khiển D=0,6. ............... 53
Hình IV.1. Mơ hình hệ thống điện khảo sát ....................................................... 60
Hình IV.2. Lựa chọn loại pin và cách kết nối (dãy nối tiếp và song song). ....... 61
Hình IV.3. Mơ hình dàn pin mặt trời cùng thơng số đo ..................................... 61
Hình IV.4. Kịch bản thay đổi điều kiện mơi trường chậm. ................................ 63
Hình IV.5. Kịch bản thay đổi điều kiện mơi trường nhanh. ............................... 63
Hình IV.6. Kết quả vận hành P&O khi mơi trường thay đổi chậm. ................... 67
Hình IV.7. Kết quả vận hành P&O khi môi trường thay đổi nhanh. .................. 68
Hình IV.8. Kết quả vận hành INC khi mơi trường thay đổi chậm. .................... 72
Hình IV.9. Kết quả vận hành INC khi môi trường thay đổi nhanh. ................... 73
Hình IV.10. Thuật tốn INC cải tiến trong Matlab/Simulink. ........................... 74
Hình IV.11. Kết quả vận hành INC cải tiến khi mơi trường thay đổi chậm. ..... 75
Hình IV.12. Kết quả vận hành INC cải tiến khi môi trường thay đổi nhanh. .... 76

8


`

MỞ ĐẦU
1. Lý do lựa chọn đề tài
Trong thời đại hiện nay, điện năng chủ yếu được biến đổi và khai thác từ các
nguồn nhiên liệu hóa thạch như: than đá, dầu mỏ và các sản phẩm thu được từ lọc dầu
hoặc các nguồn năng lượng khác bao gồm thủy năng và năng lượng nguyên tử. Tuy
nhiên, do sự cạn kiệt của tài nguyên thiên nhiên và sự nâng cao nhận thức trong vấn
đề bảo vệ môi trường, việc sản xuất điện năng từ các nguồn năng lượng tái tạo ngày
càng được quan tâm và là lựa chọn cho sự phát triển lâu dài, bền vững của mỗi quốc
gia. Điện mặt trời là một trong những nguồn năng lượng được đánh giá có tiềm năng
lớn và có khả năng ứng dụng cao bởi rất nhiều ưu điểm.
- Lắp đặt tại những địa điểm vùng sâu, miền núi xa xôi hẻo lánh mà những nơi
đó lưới điện phân phối chưa được xây dựng.
- Thuận tiện cho việc lắp đặt ở trung tâm phụ tải để tiết kiệm chi phí truyền
tải.
- Tận dụng được nguồn năng lượng vô tận từ ánh sáng mặt trời, đặc biệt là vào
thời gian những ngày nắng nóng.
- Nhỏ gọn, cấu trúc tĩnh, ít gây ra tiếng ồn như và chi phí bảo dưỡng thấp hơn
khi so sánh với các nguồn năng lượng khác.
- Không phát thải các khí gây ơ nhiễm mơi trường như CO2, SO2 phù hợp với
xu thế bảo vệ Trái đất từ những tác động của biến đổi khí hậu.
Từ những ưu điểm trên, điện năng lượng mặt trời đã và đang được ứng dụng
và phát triển một cách nhanh chóng. Nếu như trước đây điện năng lượng mặt trời chỉ
được khai thác với quy mô công suất nhỏ dưới dạng pin mặt trời thì những năm trở
lại đây nhờ sự cải tiến về công nghệ chế tạo pin mặt trời kết hợp với sự phát triển của
các thiết bị điện tử công suất, nhiều hệ thống điện mặt trời công suất lớn đã được tạo
ra và có khả năng kết nối lưới đạt hiệu quả cao.

9

`

2. Một số mục tiêu nghiên cứu chính của luận văn
Trong luận văn này, mục đích chính của đề tài gồm:
- Tìm hiểu về nguồn gốc, lịch sử và sự phát triển của pin mặt trời.
- Nghiên cứu hệ thống điện mặt trời kết nối lưới.
- So sánh, phân tích ưu, nhược điểm các thuật tốn tìm điểm cơng suất cực đại
đối với hệ thống điện mặt trời kết nối lưới.
3. Kết quả nghiên cứu hệ thống điện mặt trời ở nước ta hiện nay
Tuy việc ứng năng lượng mặt trời để sản xuất điện năng chưa được phổ biến
rộng rãi trong thực tế sản xuất và dân sinh nhưng đã bước đầu đã có những hệ thống
điện năng lượng mặt trời công suất được lắp đặt. Câu hỏi được đặt ra là làm như thế
nào để xác định được thời điểm công suất thu được là lớn nhất và qua đó sử dụng phụ
tải nhiều nhất. Để đáp ứng nhu cầu đó luận văn sẽ tiến hành: “Nghiên cứu tht tốn
tìm điểm cơng suất cực đại (MPPT) cho hệ thống điện mặt trởi kết nối lưới”.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Việc hòa lưới điện mặt trời, đặc biệt là khi cơng suất điện mặt trời lớn có thể
gây ra những ảnh hưởng đến lưới điện do các nguyên nhân: Thay đổi trào lưu công
suất, gây hiện tượng sóng hài, ảnh hưởng đến chất lượng điện áp, ổn định điện áp, ổn
định góc,…
Trong phạm vi luận văn thạc sỹ, ta sẽ nghiên cứu đặc tính của điện năng lượng
mặt trời và sự phụ thuộc của chúng vào điều kiện mơi trường từ đó có thể khai thác
hiệu quả nguồn điện này. Đồng thời, ta cũng phân tích các phương pháp tìm điểm
cơng suất cực đại của hệ thống điện mặt trời kết nối lưới.
5. Phương pháp luận
Trong luận văn này, các phương pháp nghiên cứu chính bao gồm:
- Phương pháp tổng hợp lý thuyết và mơ hình hóa hệ thống: Thơng qua việc
phân tích các cấu trúc cơ bản, nguyên lý hoạt động của pin mặt trời (PMT), các bộ

10

`

biến đổi năng lượng trong thực tế ta sẽ tiến hành xây dựng mơ hình của một hệ thống
điện mặt trời kết nối lưới mô phỏng bằng phần mềm Matlab Simulink.
- Phương pháp so sánh, đối chiếu và tổng hợp đánh giá: sau khi xây dựng được
mơ hình hệ thống điện mặt trời kết nối lưới, ta sẽ áp dụng lần lượt các thuật tốn tìm
điểm cơng suất cực đại khác nhau để có được sự lựa chọn tối ưu. Từ đó, đưa ra những
khuyến cáo về việc áp dụng bộ điều khiển phù hợp nhất trong thực tiễn sử dụng.
6. Những đóng góp mới của luận văn
Việc nghiên cứu thuật tốn tìm điểm cơng suất cực đại khơng phải là một đề
tài mới lạ. Trước đây đã có một số kết quả nghiên cứu được công bố và ứng dụng
trong sản xuất ra các hệ thống điện mặt trời sử dụng bộ điều khiển cho phép xác định
điểm công suất cực đại của hệ thống. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều ý kiến chưa đồng nhất
về sự lựa chọn tốt nhất. Vì vậy, luận văn này được ra đời và sẽ góp phần làm sáng tỏ
những sự khác biệt đó.
7. Kết cấu của luận văn
Với mục đích như trên, kết cấu của luận văn được chia thành 04 chương:
Chương 1: Tổng quan các nghiên cứu và sự phát triển của hệ thống điện mặt
trời.
Chương 2: Mơ hình hê thống điện mặt trời kết nối lưới và các yếu tố ảnh
hưởng.
Chương 3: Tìm hiểu một số phương pháp, thuật tốn tìm điểm công suất cực
đại cho hê thống điện mặt trời.
Chương 4: Phân tích, so sánh kỹ thuât một số thuật tốn tìm điểm cơng suất
cực đại cho hệ thống điện mặt trời kết nối lưới khi điều kiện môi trường thay đổi.
Luận văn được học viên hoàn thành dưới sự hướng dẫn tận tình, tỉ mỉ của thầy
giáo TS. Nguyễn Hồng Việt cùng sự góp ý của thầy cơ trong bộ môn Hệ thống điện,
trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.

11


`

Em xin chân thành cảm ơn thầy TS. Nguyễn Hoàng Việt cùng các thầy cô
trong bộ môn đã giúp em hoàn thành tốt luận văn này.
Hà Nội, ngày 25 tháng 3 năm 2018
HỌC VIÊN

Nguyễn Hồng Việt

12


`

CHƯƠNG I
TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VÀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ
THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI
I.1. Sự phát triển và ứng dụng công nghệ năng lượng mặt trời
I.1.1. Giới thiệu các công nghệ năng lượng mặt trời
a) Khái niệm về năng lượng mặt trời
Năng lượng mặt trời (NLMT) được phát ra từ mặt trời là nguồn năng lượng
sạch, có đặc tính “tái tạo”và có trữ lượng khổng lồ. Nó cịn là nguồn gốc của các
nguồn năng lượng sạch và tái tạo khác như: năng lượng gió, năng lượng sinh khối,
thuỷ năng và năng lượng đại dương.
Ngồi ra, NLMT cịn phân bố rộng khắp trên mặt đất. Mọi quốc gia trên thế
giới đều có thể khai thác, ứng dụng nguồn tài nguyên NLTT này.

Bên cạnh các ưu việt nói trên, NLMT cũng có một số nhược điểm, gây khó
khăn cho việc khai thác ứng dụng. Đó là: (1) Khơng ổn định mà thay đổi liên tục theo
thời gian và phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ môi trường, cường độ chiếu sáng; (2) Mật
độ NL thấp. Mật độ NLMT trên mặt đất có giá trị cực đại chỉ khoảng 1000W/m2. Vì
vậy để có thể thu NL với công suất lớn cần rất nhiều diện tích để lắp đặt các hệ thống
thu năng lượng mặt trời. Ngồi ra, hệ số cơng suất của các hệ thống NLMT khá thấp
do thời gian có nắng hàng ngày không cao.
b) Các công nghệ Năng lượng mặt trời phổ biến trên Thế giới
Hiện nay, công nghệ NLMT được phân chia thành 3 loại: (1) Công nghệ quang
điện (Solar Photovoltaic, PV); (2) Công nghệ NLMT hội tụ (Concentrating Solar
Thermal Power, CSP) hay công nghệ nhiệt điện mặt trời; (3) Cơng nghệ nhiệt mặt
trời nhiệt độ thấp hay cịn gọi là công nghệ nhiệt mặt trời (Solar thermal heating and
cooling).
Đối với công nghệ quang điện, thiết bị thu và chuyển đổi NLMT là các mơ
đun pin mặt trời (PMT), nó biến đổi trực tiếp NLMT thành điện năng (dòng một

13


`

chiều, DC). Nhờ các bộ biến đổi điện (Inverter) dòng điện DC được chuyển thành
dòng xoay chiều, AC. Dàn PMT gồm nhiều mơ đun PMT ghép nối lại, có thể có cơng
suất từ vài chục ốt (W) đến vài chục me-ga-oat (MW). Hiệu suất chuyển đổi của hệ
nguồn PMT khá thấp, trong khoảng từ 12% đến 15% đối với các hệ thương mại. Tuy
nhiên, bù lại, hệ nguồn này có cấu trúc đơn giản, hoạt động tin cậy và lâu dài, cơng
việc vận hành và bảo trì bảo dưỡng cũng đơn giản và chi phí rất thấp.

Hình I.1. Sơ đồ khối các công nghệ NLMT
Đối với công nghệ nhiệt điện mặt trời, CSP thì các bộ thu NLMT là các bộ

hội tụ (như máng gương parabon, bộ hội tụ Fresnel, tháp hội tụ sử dụng các gương
phẳng…). Quá trình chuyển đổi NL thực hiện qua 2 bước. Đầu tiên, NLMT được hội
tụ để tạo ra nguồn NL có mật độ và nhiệt độ rất cao. Sau đó nguồn NL này làm hóa
hơi nước ở áp suất và nhiệt độ cao để cấp cho tuốc bin của máy phát điện để sản xuất
điện. Ở một số nhà máy CSP ở các nước Trung Đơng và Tây Ban Nha người ta cịn
kết hợp để sản xuất điện và nước sạch từ nước biển nhờ ngưng tụ hơi nước. Thực tế
cho thấy công nghệ này có hiệu suất chuyển đổi khá cao, khoảng 25%, nhưng nó chỉ

14


`

có hiệu quả ở các khu vực có mật độ NLMT cao hơn 5,5 kWh/m2/.ngày và công suất
nhà máy không nhỏ hơn 5 MW.
Đối với công nghệ nhiệt mặt trời nhiệt độ thấp là công nghệ thu NLMT và
chuyển đổi thành nguồn NL nhiệt có nhiệt độ thấp (dưới 2000C) dựa trên hiệu ứng
nhà kính. Cơng nghệ này hiện nay chủ yếu được ứng dụng dể sản xuất nước nóng
(cho sinh hoạt, cho các dây chuyền sản xuất công nghiệp…). Các bộ thu và chuyển
đổi NLMT trong công nghệ này là các thiết bị nước nóng NLMT (TBNNMT) hay
cịn gọi là Collector nhiệt mặt trời.
c) Tình hình phát triển và ứng dụng các công nghệ năng lượng mặt trời trên
Thế giới
Trong các năm gần đây, các công nghệ NLTT, trong đó có các cơng nghệ
NLMT có tốc độ tăng trưởng cao và liên tục. Lý do của xu hướng trên là: (1) Cơng
nghệ ngày càng hồn thiện, dẫn đến giá NLTT càng ngày càng giảm sâu; (2) Vấn đề
an ninh năng lượng. NLTT là nguồn năng lượng (NL) địa phương nên khơng phụ
thuộc vào nguồn nhập khẩu, và do đó khơng phụ thuộc vào các biến đổi chính trị và
các tác động khác; (3) Các nguồn NL hóa thạch đã dần cạn kiệt, trong lúc nhu cầu
NL không ngừng tăng; (4) Ơ nhiễm mơi trường do khai thác sử dụng NL hóa thạch

đã đến mức báo động, dẫn đến các hiện tượng biến đổi khí hậu trên tồn cầu. Việc
cắt giảm phát thải, sử dụng các nguồn NL sạch - các nguồn NLTT, vì vậy trở nên cấp
bách và càng ngày càng có tính nghĩa vụ đối với các quốc gia.
Đến 2013, NLTT đã chiếm tỷ lệ 22,1% trong tổng sản xuất điện năng trên toàn
cầu. Nếu kể thêm cả sản xuất nhiệt thì tỷ lệ NLTT trong tổng sản xuất NL trên tồn
cầu cịn có tỷ lệ cao hơn nhiều. Đặc biệt, trong các năm gần đây, giai đoạn 20082013, tốc độ tăng trưởng NLTT nói chung và NLMT nói riêng đạt giá trị khá cao
(bảng 1). Trừ 2 nguồn thủy điện và địa nhiệt có tốc độ dưới 4%/năm thì các nguồn
NLTT khác có tốc độ tăng trưởng trên 10%/năm. Ấn tượng nhất là tốc độ tăng trưởng
của các công nghệ NLMT: điện PMT tăng 55%; nhiệt điện mặt trời (CSP) - 48% và
nhiệt mặt trời (chủ yếu để đun nước nóng) - 14%/năm.

15


`

Tốc độ tăng trưởng về công suất điện NLTT

Nhiệt

(%)

(%)

Thời
gian

20082013
2013

(Nhiên liệu sinh
học, %)

Địa

Thủy

Điện MT

Nhiệt

nhiệt

điện

(PV)

điện MT

3,2

3,7

55

48

21

14

5,7

11

4

4,2

39

35

12,4

15,7

5,6

11,4

NL gió

Nhiệt

Giao thơng vận tải

SX

SX

Mặt trời ethanol biodiesel

Bảng I.1. Tốc độ tăng trưởng trung bình (%) cơng suất phát điện NLTT giai đoạn
2008-2013 và năm 2013 (nguồn REN21-2014)
Tổng công suất PMT đã lắp đặt giai đoạn 2004-2013 trên thế giới (hình 2).
Đến năm 2013, tổng cơng suất PMT tồn cầu đạt đến 139 GW. Nói riêng, cơng suất
PMT lắp đặt của một sô nước và vùng lãnh thổ dẫn đầu như sau:

Hình I.2. Cơng suất phát điện mặt trời (PMT) hàng năm trong giai đoạn 2004-2013
trên toàn cầu
Một trong các nguyên nhân về sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ PMT là
do giá PMT liên tục giảm sâu. Trên hình I.3, đầu tư vào các hệ nguồn điện PMT trên
toàn cầu tăng liên tục từ 2004 đến 2011, trong đó giai đoạn 2009-2011 tăng rất nhanh.

16


`

Năm 2009, tổng đầu tư chỉ hơn 40 tỷ USD, đến năm 2011 đã tăng lên 120 tỷ USD,
tăng 3 lần chỉ trong 2 năm.

Hình I.3. Đầu tư (tỷ USD) và công suất điện PMT xây dựng thêm hàng năm
(GW) trên tồn cầu giai đoạn 2004-2013
I.1.2. Chính sách Năng lượng mặt trời
Để NLTT và NLMT có thể phát triển tốt cần phải có các chính sách NLTT
thích hợp, phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên, xã hội và kinh tế mỗi nước, cũng như
vào từng giai đoạn lịch sử cụ thể. Theo nghiên cứu của REN21-2014 thì đến năm
2013 đã có 144 nước trên thế giới (khoảng 70% số nước) trong đó có có nhiều nước

thuộc nhóm thu nhập thấp) đã ban hành, thực hiện chính sách hoặc các mục tiêu về
NLTT.

17


`

Hình I.4. Thị phần cơng suất lắp đặt thiết bị nước nóng NLMT của 10 nước dẫn đầu
Thế giới.
NLTT nói chung và NLMT nói riêng trên phạm vi tồn cầu phát triển liên tục
với tốc độ ngày càng cao. Đặc biệt, trong những năm gần đây, các công nghệ NLMT
chiếm ưu thế, trong đó, cơng nghệ điện PMT đạt tốc độ tăng trưởng cao nhất,
55%/năm, công nghệ nhiệt mặt trời nhiệt độ thấp có tốc độ tăng trưởng trung bình
18,8%/năm. Các công nghệ NLMT đã phát triển vượt qua các cơng nghệ NLTT khác
như điện gió, sinh khối và thủy điện.
Các nguyên nhân chính đối với sự phát triển mạnh của các công nghệ NLMT
gồm: (1) NLMT là nguồn NL sạch, vô tận và phân bố khá đều khắp trên tồn cầu; (2)
Giá các thiết bị cơng nghệ NLMT (như mô đun PMT, TBNNMT…) giảm rất nhanh;
(3) Các yêu cầu về an ninh năng lượng; (4) Các yêu cầu cấp bách về bảo vệ môi
trường.
Sự phát triển công nghệ NLMT đã tạo ra một ngành công nghiệp mới gọi
là công nghiệp NLMT, tạo ra hàng triệu công ăn việc làm (năm 2013 tạo ra gần 6,5
triệu), góp phần phát triển kinh tế, xã hội, bảo vệ môi trường và tăng cường an ninh
năng lượng ở nhiều quốc gia trên thế giới.

18


`

Một nguyên nhân quan trọng khác của sự phát triển mạnh mẽ của NLMT nói
riêng và NLTT nói chung là sự quan tâm của các chính phủ trong việc xây dựng, ban
hành và thực hiện các chính sách phù hợp. Đến 2013, đã có 70% các nước trên thế
giới có chính sách NLTT và NLMT.
Đến nay điện PMT, nhiệt MT và nhiệt điện CSP đã có thể cạnh tranh với các
nguồn NL truyền thống khác. Nhiều khu vực, vùng lãnh thổ trên thế giới đặt mục tiêu
đến năm 2020 sử dụng 100% NLTT.
Việt Nam được đánh giá là có nguồn tài nguyên NLMT vào loại tốt trên thế
giới. Nguồn NL sạch và tiềm năng lớn này hồn tồn có thể tham gia đóng góp vào
cân bằng NL quốc gia. Cho đến nay, các hoạt động nghiên cứu khai thác, ứng dụng
NLMT cịn rất hạn chế, trình độ thấp, qui mơ nhỏ lẻ, manh mún và tự phát. Lý do cơ
bản cho sự trì trễ đó là do chúng ta chưa có chính sách về NLTT nói chung và NLMT
nói riêng.
I.2. Công nghệ điện mặt trời
Năng lượng bức xạ Mặt trời có thể coi như vơ tận, vậy làm thế nào để thu được
nguồn năng lượng này. Pin năng lượng Mặt trời hay pin mặt trời hay pin quang điện
(Solar panel): bao gồm nhiều tế bào quang điện (solar cells) - là phần tử bán dẫn có
chứa trên bề mặt một số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là điốt quang, thực hiện
biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện.

Hình I.5. Hình ảnh tấm pin mặt trời

19


`

Với nhu cầu bùng nổ theo sự giảm giá thành đầu tư cho 1kW điện, hầu hết các
nhà máy thủy điện, nhà máy nhiệt điện không thể đáp ứng đủ nhu cầu phát triển phụ

tải điện, trong khi các nhà máy điện nguyên tử đã tạm dừng triển khai do lo ngại về
yếu tố an toàn vận hành, tác động tiêu cực tới mơi trường và trên hết là nguồn vốn
đầu tư quá lớn. Trong xã hội hiện nay, giá điện là yếu tố chủ đạo để Nhà nước kêu
gọi xã hội hóa đầu tư và giảm gánh nặng cho chi phí đầu tư cơng. Trong khi giá điện
ngày càng giảm thì việc chủ động được nguồn cung cấp điện độc lập sẽ góp phần
giảm tình trạng q tải và góp phần hạ giá điện hơn nữa. Điều này khá quan trọng để
chúng ta xem xét để đầu tư hệ thống điện năng lượng mặt trời vì hiện tại với khí hậu
bất ổn, điện lưới của chúng ta khơng cấp đủ cho nhu cầu sử dụng nên buộc phải điều
tiết cắt điện luân phiên, mà ai trong chúng ta cũng biết.
Một điều đặc biệt quan trong là khi sử dụng điện từ nguồn năng lượng mặt trời
này là chúng ta đã một góp phần lớn vào việc giảm hiệu ứng khí thải nhà kính, sự
nóng dần lên của Trái đất. Về điểm này, tơi xin được giải thích thêm như sau: Nguồn
điện hiện tại chúng ta đang sử dụng chủ yếu được sản xuất từ những nguồn chính như
sau: thủy điện (đây cũng là nguồn năng lượng sạch, nhưng thay đổi dịng chảy các
con sơng, tàn phá mơi trường), nhiệt điện chạy bằng khí thiên nhiên (có thảy khí CO2
nhưng khá ít), nhiệt điện chạy bằng dầu DO, FO (thay khí CO2 khá nhiều, nhưng rất
ít nhà máy cịn sử dụng), nhiệt điện chạy bằng than (thảy rất nhiều CO2, gây ơ nhiễm
nghiêm trọng cho bầu khí quyển của chúng ta).
Điều cuối cùng chúng tôi muốn đề cập đến là khả năng mở rộng. Hầu hết các
nhà máy sản xuất, các phương tiện vận chuyển,... đang sử dụng nguyên liệu hóa thạch
(khi đốt cháy sẽ sinh ra khí CO2) đều có thể chuyển sang sử dụng điện. Nên ví dụ
như bạn đầu tư cho ngơi nhà của mình hệ thống điện sử dụng năng lượng mặt trời,
khi bạn có nhu cầu mua xe chạy bằng điện (một xu hướng tất yếu trong tương lai gần)
bạn có thể mở rộng hệ thống để cấp điện cho xe điện này và các dụng cụ thiết yếu
khác như ti vi, tủ lạnh, điện thoại,…

20


`

Với những ưu điểm nổi bật vượt trội như trên và chi phí hợp lý như hiện nay
thì đã đến lúc chúng ta nên xem xét đầu tư cho gia đình mình một hệ thống điện sử
dụng nguồn năng lượng mặt trời
I.2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Vật liệu bán dẫn cơ bản và được sử dụng rộng rãi nhất trong tế bào quang điện
là silic đơn tinh thể. Silicon được biết đến là một chất bán dẫn. "Chất bán dẫn là vật
liệu trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Với tính chất như vậy, silicon là
một thành phần quan trọng trong cấu tạo của pin năng lượng mặt trời. Silicon tuy có
mức dẫn điện hạn chế nhưng nó có cấu trúc tinh thể rất phù hợp cho việc tạo ra chất
bán dẫn. Nguyên tử silicon cần 4 electron để trung hịa điện tích nhưng lớp vỏ bên
ngồi một ngun tử silicon chỉ có một nửa số electron cần thiết nên nó sẽ bám chặt
với các ngun tử khác để tìm cách trung hịa điện tích.
Để tăng độ dẫn điện của silicon, các nhà khoa học đã “tạp chất hóa” nó bằng
cách kết hợp nó với các vật liệu khác. Quá trình này được gọi là “doping” và silicon
pha tạp với các tạp chất tạo ra nhiều electron tự do và lỗ trống. Một chất bán dẫn
silicon có hai phần, mỗi phần được pha tạp với một loại vật liệu khác. Phần đầu tiên
được pha với phốt pho, phốt pho cần 5 electron để trung hòa điện tích và có đủ 5
electron trong vỏ của nó. Khi kết hợp với silicon, một electron sẽ bị dư ra. Electron
đặc trưng cho điện tích âm nên phần này sẽ được gọi là silicon loại N (điện cực N).
Để tạo ra silicon loại P (điện cực P), các nhà khoa học kết hợp silicon với boron.
Boron chỉ cần 3 electron để trung hịa điện tích và khi kết hợp với silicon sẽ tạo ra
những lỗ trống cần được lấp đầy bởi electron.
Ánh sáng mặt trời bao gồm các hạt rất nhỏ gọi là photon được tỏa ra từ mặt
trời. Khi va chạm với các nguyên tử silicon của pin năng lượng mặt trời, những hạt
photon truyền năng lượng của chúng tới các electron rời rạc, kích thích làm cho
electron đang liên kết với nguyên tử bị bật ra khỏi nguyên tử, đồng thời ở nguyên tử
xuất hiện chỗ trống vì thiếu electron. Khi hai loại bán dẫn này được đặt cạnh nhau
trong một pin năng lượng mặt trời, electron dẫn chính của loại n sẽ nhảy qua để lấp

21


`

đầy những khoảng trống của loại p. Điều này có nghĩa là silicon loại n tích điện dương
và silicon loại p được tích điện âm, tạo ra một điện trường trên pin mặt trời.

Hình I.6. Chất bán dẫn P-N
Hiệu suất là tỉ số giữa năng lượng điện từ và năng lượng ánh sáng Mặt trời.
Vào buổi trưa một ngày trời trong, ánh Mặt trời tỏa nhiệt khoảng 1000 W/m². trong
đó 10% hiệu suất của 1 module 1 m² cung cấp năng lượng khoảng 100 W. hiệu suất
của pin Mặt trời thay đổi từ 6% từ pin Mặt trời làm từ silic khơng thù hình, và có thể
lên đến 30% hay cao hơn nữa.
I.2.2. Lịch sử phát triển của năng lượng điện mặt trời
- Thế kỷ thứ 3 trước công nguyên: Archimedes đã sử dụng những tấm gương
để phản chiếu bức xạ mặt trời và để bảo vệ Syracuse từ cuộc xâm lược của người La
Mã.
- Thế kỷ thứ 14: định luật năng lượng mặt trời đầu tiên được giới thiệu tại Ý.
- Năm 1888: Ed. Weston nhận được bằng sáng chế cho pin năng lượng mặt
trời.
- Năm 1904: W. Hallwachs phát hiện ra sự nhạy cảm ánh sáng trong cặp đồng
và ơxít đồng. A. Einstein xuất bản nghiên cứu lý thuyết tiên phong của ông về hiệu
ứng quang điện (ông nhận giải Nobel năm 1921 cho cơng trình này).

22


`

- Năm 1953: D. Trivich cơng bố những tính tốn lý thuyết đầu tiên về hiệu
xuất chuyển đổi của quang phổ đối với các vật liệu có bandgap khác nhau. G. Pearson
tại phịng thí nghiệm Bell bắt đầu nghiên cứu pin năng lượng mặt trời bằng Li-doped
Silicon.D. Chapin; C. Fuller và G. Pearson Silicon thực hiện một pin năng lượng mặt
trời rộng 2 cm2 với hiệu xuất 4% (công bố trên trang bìa NY Times ).
- Năm 1960: Hoffmann Electronics tăng hiệu xuất pin quang điện đến 14%,
chủ yếu được sử dụng cho vệ tinh và các ứng dụng không gian.
- Năm 1963: Sharp ở Nhật Bản đã lắp đặt các mạng pin lớn nhất thế giới cho
các ứng dụng trên mặt đất, với công xuất 242 W.
- Năm 1970: Zh.I. Alferov, V.M. Andreev và một đội ở Viện Ioffe, St
Petersburg ra mắt pin năng lượng mặt trời đầu tiên với GaAs heterostructure.
- Năm 1981: Viện Năng lượng Mặt trời Fraunhofer ISE ở Freiburg, Đức thành
lập bởi Goetzberger A.R. Hezel giới thiệu Plasma Silicon Nitride (PECVD) như lớp
phản chiếu và lớp thụ động, mà hiện nay được áp dụng cho hầu như tất cả pin năng
lượng mặt trời thương mại bằng Silicon.
- Năm 1982: sản xuất điện quang trên toàn thế giới đạt giá trị 10 MW. Một nhà
máy quang điện 1-MW – được xây dựng bởi ARCO Solar với 100 trackers lưỡng trục
với c- Si module đi vào sử dụng tại California.
- Năm 1983: sản xuất pin mặt trời trên toàn thế giới vượt mức 20 MW, và
doanh số bán vượt mức 250 trieu USD.
- Năm 1985: M. Green tại Đại học New South Wales, Australia, phá vỡ rào
cản về hiệu xuất 20% cho pin năng lượng mặt trời c-Si dưới một nắng trong phịng
thí nghiệm.
- Năm 1991: M. Graetzel phát minh ra pin mặt trời dye-sensitized
electrochemical. Hiệu xuất > 10% thu được trong vòng 5 năm sau khi phát hiện..
- Năm 2000: Đức giới thiệu luật EEG mới (luật feed-in), trong 2008, luật này
được dịch sang hơn 40 ngôn ngữ. Đức trở thành thị trường quang điện lớn nhất trên
thế giới.

23