Nghiên cứu ảnh hưởng điện mặt trời áp mái đối với công tác quản lý và vận hành lưới điện phân phối

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

NGUYỄN HIẾU HIỆP HƯNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG ĐIỆN MẶT TRỜI ÁP MÁI
ĐỐI VỚI CÔNG TÁC QUẢN LÝ VÀ VẬN HÀNH
LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

Chuyên ngành: Quản Lý Năng Lượng
Mã số: 60340406

LUẬN VĂN THẠC SĨ

BẾN TRE, tháng 10 năm 2020


Cơng trình được hồn thành tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG –HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. Nguyễn Nhật Nam
TS. Lê Thị Tịnh Minh
Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Nguyễn Phúc Khải
Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. Huỳnh Văn Vạn
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Phân hiệu Đại học Quốc gia Thành phố Hồ
Chí Minh tại tỉnh Bến Tre ngày 10 tháng 10 năm 2020.

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. Chủ tich hội đồng: PGS. TS. Võ Ngọc Điều
2. Thư ký: TS. Huỳnh Quốc Việt
3. Phản Biện 1: TS. Nguyễn Phúc Khải

4. Phản Biện 2: TS. Huỳnh Văn Vạn
5. Ủy viên: PGS. TS Vũ Phan Tú

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

PGS. TS. Võ Ngọc Điều

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

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

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Nguyễn Hiếu Hiệp Hưng ............................ MSHV:1770252 .............
Ngày, tháng, năm sinh: 31/03/1988 ....................................... Nơi sinh: Bến Tre ...........
Chuyên ngành: Quản lý Năng lượng...................................... Mã số : 60340406
I. TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG ĐIỆN MẶT TRỜI ÁP MÁI ĐỐI
VỚI CÔNG TÁC QUẢN LÝ VÀ VẬN HÀNH LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI ................
................................................................................................................................
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Sử dụng phần mềm ETAP nghiên cứu đánh giá
mức độ ảnh hường của Hệ thống điện mặt trời áp mái trên lưới điện phân phối .........
................................................................................................................................
................................................................................................................................

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 19/8/2019
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 15/9/2020 ..................................................
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS. Nguyễn Nhật Nam, TS Lê Thị Tịnh Minh ................
................................................................................................................................

Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 20....
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA….………
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CẢM ƠN


Trường Đại học Bách Khoa TPHCM là nơi đào tạo nguồn nhân lực quan
trọng trong công cuộc xây dựng và phát triển đất nước. Thường xuyên cập nhật
những kiến thức và công nghệ tiên tiến, đưa những thành tựu khoa học, kỹ thuật
tiên tiến vào giảng dạy
Được sự đồng ý của giáo viên hướng dẫn TS. Nguyễn Nhật Nam và TS.
Lê Thị Tịnh Minh, em đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng điện mặt trời
áp mái đối với công tác quản lý và vận hành lưới điện phân phối”
Để hoàn thành luận văn này, em xin chân thành cảm ơn thầy cơ đã tận
tình hướng dẫn, giảng dạy, giúp em bổ sung được nhiều kiến thức chun mơn
trong suốt q trình học tập nghiên cứu và rèn luyện tại Trường Đại học Bách Khoa
TP.HCM.

Mặc dù đã có nhiều cố gắng để thực hiện luận văn một cách hoàn chỉnh
nhất, tuy nhiên do hạn chế về kiến thức, khả năng và kinh nghiệm nên không thể
tránh khỏi những sai sót, em rất mong nhận được sự nhận xét, đánh giá và góp ý
quý báu của quý thầy cô.
Cuối cùng em xin gửi lời chúc sức khỏe, lời cảm ơn sâu sắc đến thầy và
cô hướng dẫn là TS. Nguyễn Nhật Nam và TS. Lê Thị Tịnh Minh đã tận tình
hướng dẫn em trong quá trình thực hiện luận văn cao học.
Trân trọng cảm ơn!

BẾN TRE, tháng 10 năm 2020
Học viên thực hiện

Nguyễn Hiếu Hiệp Hưng


TÓM TẮT


Năng lượng tái tạo ngày càng phát triển mạnh mẽ và đang dần trở thành một
nguồn năng lượng bền vững trong hệ thống điện của các Quốc gia. Chính phủ Việt
Nam cũng ngày càng quan tâm về loại hình năng lượng này, nhất là về năng lượng
mặt trời với nhiều dự án đã được phê duyệt và quy hoạch trong tương lai.
Hiện nay trên địa bàn Điện lực huyện Châu Thành - Công ty Điện lực Bến
Tre quản lý có 81 khách hàng sử dụng hệ thống ĐMTAM với tổng công suất là
2971.55 kWp. Đây là con số khá khiêm tốn so với số lượng khách hàng và tổng
công suất trên các phát tuyến 22kV do Điện lực Châu Thành quản lý. Tuy nhiên,
trong tương lai, nhu cầu phát triển Điện mặt trời áp mái sẽ tăng mạnh, đặt biệt trong
các khu cơng nghiệp trên địa bàn. Do đó, Công ty Điện lực Bến Tre cũng như Điện
lực Châu Thành rất quan tâm đến các vấn đề xảy ra trên lưới điện đang vận hành ổn
định khi có nhiều hệ thống ĐMTAM được đấu nối trực tiếp vào lưới điện trung thế

22kV (quá điện áp, tổn thất, công suất dư thừa….) và hướng xử lý các vấn đề nói
trên nhằm cung cấp đến các khách hàng chất lượng điện năng tốt nhất.
Luận văn này tập trung trình bày nghiên cứu về tác động của các Hệ thống
điện mặt trời áp mái lên hệ thống điện phân phối khi hòa lưới (điện áp, tổn thất,
sóng hài…). Các tác động tiêu cực cũng như lợi ích của hệ thống điện mặt trời áp
mái đến lưới điện hiện hữu được thể hiện trên các kết quả mô phỏng.


ABSTRACT
Renewable energy is growing strongly and is gradually becoming a
sustainable energy source in the electricity system of the countries. The
Government of Vietnam is also increasingly interested in this type of energy,
especially solar energy with many projects approved and planned in the future.
At present, there are 81 customers using PV system in Chau Thanh district Ben Tre Power Company with total capacity of 2971.55 kWp. This is a relatively
modest number compared to the number of customers and the total capacity on the
22kV lines managed by Chau Thanh Electricity. However, in the future, the demand
for rooftop solar PV development will increase strongly, especially in industrial
zones in the area. Therefore, Ben Tre Power Company as well as Chau Thanh
Electricity are very interested in problems occurring on the power grid that are
operating stably when many PV systems are connected directly to the 22kV
medium voltage grid ( overvoltage, loss, excess capacity….) and the direction to
handle the above problems to provide customers with the best power quality.
This thesis focuses on research on the impact of rooftop solar power systems
on the distribution power system when connected to the grid (voltage, loss,
harmonics ...). The negative impacts as well as benefits of the rooftop solar power
system on the existing grid are shown in the simulation results.


LỜI CAM ĐOAN


Tôi xin cam đoan luận văn về đề tài “ Nghiên cứu ảnh hưởng điện mặt trời áp mái
đối với công tác quản lý và vận hành lưới điện phân phối” là cơng trình nghiên cứu cá

nhân của tôi trong thời gian qua. Mọi số liệu sử dụng phân tích trong luận văn và
kết quả nghiên cứu là do tơi tự tìm hiểu, phân tích một cách khách quan, trung thực,
có nguồn gốc rõ ràng và chưa được cơng bố dưới bất kỳ hình thức nào. Tơi xin chịu
hồn tồn trách nhiệm nếu có sự khơng trung thực trong thơng tin sử dụng trong
cơng trình nghiên cứu này.
Xin chân thành cảm ơn ./.
BẾN TRE, ngày

tháng 10 năm 2020
Học Viên

Nguyễn Hiếu Hiệp Hưng


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI................ 1
1.1 TÌNH HÌNH NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TRÊN THẾ GIỚI .................................... 1
1.2 TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Ở VIỆT NAM .................... 2
1.3 CẤU TẠO CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI .................................................... 4
1.3.1 Nguyên tắc hoạt động của pin mặt trời ....................................................... 4
1.3.2 Hiệu suất của quá trình biến đổi quang điện ............................................... 6
1.3.3 Cấu tạo pin mặt trời .................................................................................... 7
1.3.4 Bộ biến tần ............................................................................................... 10
1.3.5 BỘ ĐIỀU KHIỂN SẠC ................................................................................. 12
1.3.6 BỘ LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG (ẮC QUY): .................................................... 13
1.4 CÁC MƠ HÌNH CỦA HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ÁP MÁI................. 15
1.4.1 Hệ thống pin mặt trời độc lập. .................................................................. 15
1.4.2 Hệ thống pin mặt trời nối lưới. ................................................................. 16

1.4.3 Hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới có dự trữ....................................... 17
1.5 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI ............................................. 17
1.5.1 Các thông số cần thiết để thiết kế hệ thống điện mặt trời .......................... 18
1.5.2 Tổng kết chương 1 ................................................................................... 20
CHƯƠNG 2: ........................................................................................................ 22
SÓNG HÀI VÀ CÁC GIẢI PHÁP KHẮC PHỤC ẢNH HƯỞNG CỦA
SÓNG HÀI ............................................................................................................... 22
2.1 SĨNG HÀI:................................................................................................ 22
2.1.1. Khái niệm về sóng hài (Harmonics): ....................................................... 22
2.1.2. Các nguồn sinh ra Sóng hài (Harmonics):................................................ 23
2.2. PHÂN TÍCH MÉO DẠNG SĨNG HÀI: .................................................. 25
2.2.1. Phương pháp phân tích theo miền tần số:................................................. 25
2.2.2. Chuỗi Fourier .......................................................................................... 25
2.2.3. Phép biến đổi Fourier .............................................................................. 27
2.2.4. Biến đổi Fourier rời rạc ........................................................................... 27
2.3 CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN KHI PHÂN TÍCH SĨNG HÀI: ................... 33
2.3.1 Giá trị hiệu dụng....................................................................................... 33
2.3.2 Chỉ số méo dạng sóng điện áp THD ......................................................... 34
2.3.3 Chỉ số méo dạng sóng dịng điện TDD: .................................................... 34
2.3.4 Phân loại sóng hài: ................................................................................... 35
2.3.5. Các quy định về sóng hài......................................................................... 37
2.3.6. Các ảnh hưởng tiêu cực của Sóng hài (Harmonics) .................................. 39
2.4 CÁC GIẢI PHÁP KHẮC PHỤC SÓNG HÀI ........................................... 41


2.4.1.Bộ lọc cộng hưởng đơn (Single-Tuned Filter) .......................................... 41
2.4.2. Một số yếu tố ảnh hưởng đến bộ lọc cộng hưởng đơn .............................. 43
2.5 KẾT LUẬN ................................................................................................ 45
CHƯƠNG 3 ......................................................................................................... 46
TÌM HIỂU VỀ PHẦN MỀM ETAP ................................................................... 46

3.1
SƠ LƯỢC VỀ ETAP .......................................................................... 46
3.2
GIAO DIỆN CỦA ETAP.................................................................... 47
3.3
CHI TIẾT CÁC PHẦN TỬ CHÍNH .................................................. 49
3.3.1
Nguồn (hệ thống) ............................................................................ 49
3.3.2
Máy Phát ......................................................................................... 55
3.3.3
Bus ................................................................................................... 59
3.3.4
Đường dây truyền tải ..................................................................... 63
3.3.5
Máy biến áp 2 cuộn dây.................................................................. 68
3.3.6
Tải tập trung(Lumped Load) ......................................................... 76
3.3.7
Hệ thống pin mặt trời:.................................................................... 78
3.3.8 Công cụ Hamonic trong Etap: ............................................................... 79
CHƯƠNG 4 ......................................................................................................... 87
KHẢO SÁT MỨC ĐỘ ẢNH HƯỞNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ÁP
MÁI CHO MỘT XUẤT TUYẾN TẠI ĐIỆN LỰC CHÂU THÀNH CÔNG TY
ĐIỆN LỰC BẾN TRE ............................................................................................. 87
4.1 GIỚI THIỆU........................................................................................... 87
4.2 XÂY DỰNG MƠ HÌNH TRÊN PHẦN MỀM ETAP: ........................... 88
4.3 PHẠM VI NGHIÊN CỨU CHÍNH: ...................................................... 92
4.4 KẾT QUẢ KHẢO SÁT: ......................................................................... 92
4.4.1. Điện áp trên đường dây trung thế: ........................................................... 92

4.4.2. Trào lưu công suất trên đường dây: ......................................................... 94
4.4.3. Tổn hao công suất: .................................................................................. 99
4.4.4. Ảnh hưởng mức độ sóng hài lên đường dây khi lắp hệ thống điện mặt
trời áp mái : ...................................................................................................... 101
4.4.5. Xét đến trường hợp công suất hệ thống điện mặt trời phát ngược lên lưới
trung thế 22kV: ................................................................................................ 104
CHƯƠNG 5: TỔNG KẾT LUẬN VĂN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU
TƯƠNG LAI .......................................................................................................... 108
5.1 TỔNG KẾT LUẬN VĂN: .............................................................................. 108
5.2 MỤC TIÊU, HƯỚNG NGHIÊN CỨU MỞ RỘNG TRONG TƯƠNG LAI: .............. 108
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 110
PHỤ LỤC .......................................................................................................... 111


PHỤ LỤC HÌNH ẢNH...................................................................................... 132
PHẤN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG................................................................... 136

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
NLTT
: năng lượng tái tạo
NLMT
: năng lượng mặt trời
NLMTAM
: năng lượng mặt trời áp mái


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG ĐIỆN
MẶT TRỜI
1.1 Tình hình năng lượng mặt trời trên thế giới
Trong các năm gần đây, các nguồn năng lượng hóa thạch đã dần cạn kiệt,

trong lúc nhu cầu năng lượng không ngừng tăng; Ô nhiễm môi trường do khai thác
sử dụng năng lượng hóa thạch đã đến mức báo động, dẫn đến các hiện tượng biến
đổi khí hậu trên tồn cầu. Việc cắt giảm khí thải, sử dụng các nguồn năng lượng
sạch - các nguồn NLTT đi cùng với vấn đề an ninh năng lượng, vì vậy trở nên cấp
bách và càng ngày càng có tính nghĩa vụ đối với các quốc gia. Theo đó, các cơng
nghệ năng lượng tái tạo (NLTT) ngày càng phát triển và hồn thiện dần. Trong đó
có các công nghệ liên tiếp được cải tiến nhằm nâng cao hiệu suất và tính ổn định
của hệ thống pin mặt trời, dẫn đến giá NLMT có thể càng ngày càng giảm; [1]
Theo Cơ quan Năng lượng quốc tế (IEA), năng lượng tái tạo chiếm đến 2/3
các nguồn năng lượng mới trên thế giới trong năm vừa rồi, trong đó đi đầu là năng
lượng mặt trời. Cụ thể, công suất năng lượng mặt trời đã tăng 50% trong năm ngoái,
phát triển nhanh nhất trong số các nguồn năng lượng mới. Điều này khiến cho các
nhà khoa học đánh giá đây là một kỷ nguyên mới của thế giới.
IEA cũng dự đoán rằng năng lượng mặt trời sẽ thống trị tăng trưởng tương
lai, với cơng suất tồn cầu trong 5 năm tới nhiều hơn so với công suất điện của cả
Ấn Độ và Nhật Bản hiện tại cộng lại.
Đến năm 2022, công suất năng lượng mặt trời dự báo sẽ chiếm tới một nửa
so với công suất năng lượng từ than, đồng thời trở thành nguồn năng lượng lớn nhất
trong các nguồn năng lượng tái tạo.
Thay đổi tích cực này được thúc đẩy nhờ vào việc giảm giá cũng như những
chính sách hỗ trợ của chính phủ, đặc biệt là Trung Quốc. Hiện nay, đất nước này
chiếm tới phân nửa số tấm pin năng lượng mặt trời trên tồn thế giới.
Theo đó, dự đốn về cơng suất năng lượng tái tạo vào năm 2022 đã tăng
thêm so với báo cáo vào năm ngoái, do mức tăng thêm khoảng 1/3 ở Trung Quốc và
Ấn Độ.

1


Ngồi ra, Ấn Độ cũng được dự đốn sẽ là một quả "bom" năng lượng mặt

trời trong 5 năm tới, khi những nút thắt về cơ sở hạ tầng và thiết bị kĩ thuật được
khắc phục. Khi đó, cơng suất năng lượng tái tạo Ấn Độ được sẽ tăng gấp đôi, vượt
qua cả mức tăng trưởng của liên minh châu Âu (EU).
1.2 Tình hình phát triển năng lượng mặt trời ở Việt Nam
Trong khi các dự án nguồn thủy điện lớn đã được khai thác tối đa, các dự án
nhiệt điện than phải đối mặt với áp lực về môi trường thì việc phát triển các nguồn
năng lượng tái tạo, trong đó có năng lượng mặt trời, đang là hướng đi mới tại Việt
Nam.
Theo Hiệp hội Năng lượng sạch Việt Nam, nước ta là một trong những quốc
gia có ánh nắng mặt trời nhiều nhất trong biểu đồ bức xạ mặt trời thế giới.
Tại các tỉnh Tây Nguyên và Nam Trung Bộ, số giờ nắng đạt từ 2.000 - 2.600
giờ/năm. Bức xạ mặt trời trung bình 150 kcal/m2, chiếm khoảng 2.000-5.000
giờ/năm. [1]
Ngày 19/8/2016, Văn phịng Chính phủ thơng báo ý kiến kết luận của Thủ
tướng Chính phủ tại cuộc họp Thường trực Chính phủ về cơ chế khuyến khích phát
triển các dự án điện mặt trời tại Việt Nam. Thủ tướng Chính phủ đồng ý với đề xuất
của Bộ Cơng Thương về việc ban hành cơ chế hỗ trợ phát triển các dự án điện mặt
trời như biểu giá điện kèm các ưu đãi về thuế tại Việt nam. [ 1]
Trong Quy hoạch điện VII (điều chỉnh) cũng nêu rõ yêu cầu đẩy nhanh tiến
độ các dự án nguồn điện sản xuất từ năng lượng tái tạo, trong đó có năng lượng mặt
trời bao gồm cả nguồn năng lượng tập trung lắp đặt trên mặt đất và các nguồn riêng
lẻ lắp đặt trên nóc nhà.
Mục tiêu nhằm góp phần nâng công suất nguồn điện mặt trời từ mức không
đáng kể như hiện nay lên khoảng 850 MW vào năm 2020, khoảng 4.000 MW vào
năm 2025 và khoảng 12.000 MW đến năm 2030.
Như vậy, theo lộ trình này, từ nay đến năm 2020, mỗi năm chúng ta phải xây
dựng các dự án điện mặt trời với công suất hơn 200 MW; từ năm 2020 - 2025, mỗi
năm phải lắp đặt hơn 600 MW và 5 năm tiếp theo, mỗi năm phải lắp đặt 1.600 MW
mới đạt kế hoạch đề ra.
2

Hiện nay cả nước có khoảng 30 nhà đầu tư bắt đầu xúc tiến lập các dự án
điện mặt trời có cơng suất từ 20 đến trên 300 MW tại một số địa phương, tập trung
chủ yếu ở khu vực miền Trung. Trong đó đáng chú ý là 2 dự án của Công ty Đầu tư
và Xây dựng Thiên Tân (tại tỉnh Quảng Ngãi và Ninh Thuận) và dự án Tuy Phong
do Công ty TNHH DooSung Vina (Hàn Quốc) đầu tư với quy mô 66 triệu USD,
công suất 30 MW tại tỉnh Bình Thuận.
Tập đồn Điện lực Việt Nam cũng đang dự định triển khai nghiên cứu phát
triển 2 dự án trên đất liền tại thủy điện Trị An (tỉnh Đồng Nai) và dự án nổi trên mặt
nước tại hồ thủy điện Đa Mi (tỉnh Bình Thuận).
Ngồi ra EVN cũng vừa đề xuất với tỉnh Ninh Thuận về việc đầu tư dự án
điện mặt trời với tổng vốn đầu tư khoảng 8.000 tỷ đồng, cơng suất 200 MW trên
diện tích 400 ha tại xã Phước Thái, huyện Ninh Phước, tỉnh Ninh Thuận. Dự kiến
dự án này sẽ được tiến hành khởi công trong năm 2018.
Tại hội thảo “Phát triển điện mặt trời tại Việt Nam - Cơ hội và thách thức”
do Hiệp hội Năng lượng sạch Việt Nam tổ chức tại Hà Nội, ý kiến của các chuyên
gia như sau:
Thị trường điện mặt trời tại Việt Nam đang rất hấp dẫn. Giá thiết bị điện mặt
trời đang ngày càng rẻ (cách đây 5 năm, giá tấm pin điện mặt trời từ 3-4 USD/Wp
thì đến nay chỉ cịn khoảng 0,5 USD/Wp).
Ngồi việc đáp ứng về nguồn nhân lực, Nhà nước cũng cần sớm có bộ tiêu
chuẩn kỹ thuật liên quan đến điện mặt trời đầy đủ hơn (ví dụ như tiêu chuẩn tấm
pin, inverter chuyển điện, giàn khung đỡ…) để giúp người tiêu dùng mua đúng sản
phẩm chất lượng. Chính phủ cũng nên sớm ban hành giá mua điện lên lưới từ nguồn
năng lượng mặt trời.
Cấp thẩm quyền trước hết cần xây dựng và công bố quy hoạch phát triển
điện mặt trời. Sau đó sớm cơng bố giá mua bán điện mặt trời hợp lý và cơ chế hòa
lưới điện quốc gia; ban hành bộ tiêu chuẩn cho các thiết bị sử dụng và thực hiện thử
nghiệm chất lượng để hạn chế lưu thông sản phẩm kém chất lượng, định hướng

đúng cho người dân về hiệu quả sử dụng năng lượng mặt trời.

3


1.3 Cấu tạo của hệ thống điện mặt trời
1.3.1 Nguyên tắc hoạt động của pin mặt trời
Pin mặt trời là phương pháp sản xuất điện trực tiếp từ năng lượng mặt trời
qua thiết bị biến đổi quang điện. Pin mặt trời có ưu điểm là gọn nhẹ có thể lắp bất
kỳ ở đâu có ánh sáng mặt trời, đặc biệt là trong lĩnh vực tàu vũ trụ. ứng dụng năng
lợng mặt trời dưới dạng này được phát triển với tốc độ rất nhanh, nhất là ở các nước
phát triển. Ngày nay con ngừời đã ứng dụng pin mặt trời trong lĩnh vực hàng không
vũ trụ, để chạy xe và trong sinh hoạt thay thế dần nguồn năng lượng truyền thống.
Pin mặt trời làm việc theo nguyên lý là biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ
mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện. Hiệu ứng quang điện được phát
hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel. Tuy
nhiên cho đến 1883 một pin năng lượng mới được tạo thành, bởi Charles Fritts, ông
phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối.Thiết bị
chỉ có hiệu suất 1%, Russell Ohl xem là người tạo ra pin năng lượng mặt trời đầu
tiên năm 1946. Sau đó Sven Ason Berglund đã có các phương pháp liên quan đến
việc tăng khả năng cảm nhận ánh sáng của pin.[2]

Hình 1.1: Hệ 2 mức năng lượng.
Xét một hệ hai mức năng lượng điện tử ( hình 1.1 ) E1 < E2, bình thường điện
tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E1. Khi nhận bức xạ mặt trời, lượng tử ánh sáng
photon có năng lượng hv ( trong đó h là hằng số Planck, v là tần số ánh sáng ) bị
điện tử hấp thụ và chuyển lên mức năng lượng E2. Ta có phương trình cân bằng
năng lượng: hv = E2 – E1 (1.1) Trong các vật thể rắn, do tương tác rất mạnh của
mạng tinh thể lên điện tử vịng ngồi, nên các mức năng lượng của nó bị tách ra
nhiều mức năng lượng sát nhau và tạo thành các vùng năng lượng ( hình 1.2 ). Vùng

năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi ở trạng thái cân bằng gọi là vùng hoá
4


trị, mà mặt trên của nó có mức năng lượng Ev. Vùng năng lượng phía trên tiếp đó
hồn tồn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn, mặt dưới của vùng có
năng lượng là Ec. Cách ly giữa 2 vùng hóa trị và vùng dẫn là một vùng cấp có độ
rộng với năng lượng là Eg, trong đó khơng có mức năng lượng cho phép nào của
điện tử.
Khi nhận bức xạ mặt trời, photon có năng lượng hv tới hệ thống và bị điện
tử ở vùng hoá trị thấp hấp thu và nó có thể chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử
tự do e- , để lại ở vùng hố trị một lỗ trống có thể coi như hạt mang điện dương, ký
hiệu là h+. Lỗ trống này có thể di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện.

Hình 1.2: Các vùng năng lượng.
Hiệu ứng lượng tử của q trình hấp thụ photon có thể mơ tả bằng phương
trình:
Ev + hv → e- + h+
(1.2)
Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lượng của photon và chuyển từ
vùng hoá trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử - lỗ trống là hv = hc/λ = Eg = Ec – Ev .
Từ đó có thể tính được bước sóng tới hạn λc của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e- - h+

c 

hc
hc 1,24


Ec  Ev Eg Eg

[µm]

(1.3)

Trong thực tế các hạt dẫn bị kích thích e- và h+ đều tự phát tham gia vào quá
trình phục hồi, chuyển động đến mặt của các vùng năng lượng: điện tử e- giải phóng
năng lượng để chuyển đến mặt của vùng dẫn Ec, còn lỗ trống h+ chuyển đến mặt của
Ev, quá trình phục hồi chỉ xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn 10-12 ÷ 10-1 giây và
gây ra dao động mạnh (photon).

5


Năng lượng bị tổn hao do quá trình phục hồi sẽ là Eph = hv – Eg. Tóm lại khi
vật rắn nhận tia bức xạ mặt trời, điện tử ở vùng hoá trị hấp thụ năng lượng photon
hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử - lỗ trống e- - h+, tức là đã tạo
ra một điện thế. Hiện tượng đó gọi là hiệu ứng quang điện bên trong.[2]

Hình 1.3 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời.
1.3.2 Hiệu suất của quá trình biến đổi quang điện
Ta có thể xác định hiệu suất giới hạn về mặt lý thuyết ɳ của quá trình biến
đổi quang điện của hệ thống 2 mức như sau:
E

 





0

g



c
0

J 0 ( )d 

 hc 
J 0 ( ) 
d
  

(1.4)

Trong đó:
Jo(λ)
là mật độ photon có bước λ
Jo(λ)dλ là tổng số photon tới có bước sóng trong khoảng λ ÷ λ + dλ
hc
là năng lượng của photon

c

Eg=

Eg  J 0 ( )d  là năng lượng hữu ích mà điện tử hấp thụ của photon

0

trong quá trình quang điện, là tổng năng lượng của các photon tới hệ. Như vậy hiệu
6


suất ɳ là một hàm của Eg (hình 1.4). Bằng tính tốn lý thuyết đối với chất bán dẫn
Silicon thì hiệu suất ɳ = 0,44.

Hình 1.4: Quan hệ ɳ(Eg)

1.3.3 Cấu tạo pin mặt trời
Hịên nay vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời là các silic tinh thể.Pin mặt trời từ
tinh thể silic chia ra thành 3 loại:
• Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên q trình
Czochralski. Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16%. Chúng thường rất đắt tiền
do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối
các module.
• Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc-đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm
nguội và làm rắn. Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất
kém hơn. Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều
hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó.

7


Hình 1.5 Pin mặt trời
• Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa
tinh thể. Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các
loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon.

Một lớp tiếp xúc bán dẫn p – n có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức
xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên trong gọi là pin mặt trời.
Pin mặt trời được sản xuất và ứng dụng phổ biến hiện nay là các pin mặt trời được
chế tạo từ vật liệu tinh thể bán dẫn silicon (Si) có hoa trị 4. Từ tinh thể Si tinh khiết,
để có vật liệu tinh thể bán dẫn Si loại n, người ta pha tạp chất donor là photpho có
hố trị 5. Cịn có thể có vật liệu bán dẫn tinh thể loại p thì tạp chất acceptor được
dùng để pha vào Si là Bo có hố trị 3. Đối với pin mặt trời từ vật liệu tinh thể Si khi
bức xạ mặt trời chiếu đến thì hiệu điện thế hở mạch giữa 2 cực khoảng 0,55V và
dòng điện đoản mạch của nó khi bức xạ mặt trời có cường độ 1000W/m2 vào
khoảng 25 ÷ 30 mA/cm2 .Silicon đa tinh thể
Hiện nay người ta đã chế tạo pin mặt trời bằng vật liệu Si vơ định hình (a-Si).
So với pin mặt trời tinh thể Si thì pin mặt trời a-Si giá thành rẻ hơn nhưng hiệu suất
thấp hơn và kém ổn định.
Ngoài Si, hiện nay người ta đang nghiên cứu và thử nghiệm các loại vật liệu
khác có nhiều triển vọng như Sunfit cadmi-đồng (CuCds), 8allium-arsenit (GaAs)
Công nghệ chế tạo pin mặt trời gồm nhiều cơng đoạn khác nhau, ví dụ để chế tạo
pin mặt trời từ Silicon đa tinh thể cần qua các cơng đoạn như hình 3.6 cuối cùng ta
được module.

8


Hình 1.6: Quá trình tạo module.

Hình 1.7: Cấu tạo module.
9


Một mơ-đun PV silicon tinh thể điển hình bao gồm nhiều tế bào PV riêng lẻ
được kết nối, gần như luôn luôn trong chuỗi, để tăng công suất và điện áp trên đó từ

một tế bào đơn lẻ.
Một tế bào silicon riêng biệt có điện áp khoảng 0,6 V dưới 25 0C và chiếu
sáng AM 1,5. Hầu hết các mô-đun chứa 60 tế bào PV trong chuỗi
Trong khi điện áp từ mô-đun PV được xác định bởi số lượng tế bào, dịng
điện từ mơ-đun phụ thuộc chủ yếu vào kích thước của các tế bào và hiệu quả của
chúng.
Tại AM 1.5 và dưới điều kiện nghiêng tối ưu, mật độ dòng điện từ một tế
bào thương mại xấp xỉ từ 30 mA/cm2 đến 36 mA/cm2.
Các tế bào silicon thường là 256 cm2, cho tổng dòng điện khoảng 10 A từ
một mơ-đun.
Các hiệu ứng phá hủy của việc đốt nóng tại chỗ có thể được bảo vệ thơng
qua việc sử dụng một diode bypass. Kích thước nhóm tối đa cho mỗi diode, mà
không gây ra thiệt hại, là khoảng 20 tế bào / bỏ qua diode, cho các tế bào silicon.
Đối với một mơ-đun tế bào 60 bình thường, 3 điốt bypass được sử dụng để
đảm bảo các mô-đun sẽ không bị thiệt hại tại “điểm nóng”.

Hình 1.8 Mơ hình 1 module hoàn chỉnh.
1.3.4 Bộ biến tần
Là bộ biến điện ngịch lưu, Inverter chuyển đổi dòng điện 12V DC từ ắcquy thành dòng điện AC ( 110VAC,220VAC ). Được thiết kế với nhiều cấp công
10


suất từ 0,3kVA. Inverter có nhiều loại và cách phân biệt chúng bằng dạng sóng của
điện áp đầu ra: dạng sóng có hình sine, giả sine, sóng vng, sóng bậc thang….
Mục tiêu của việc này là để chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện để
cung cấp một dịch vụ cụ thể hoặc một mình hoặc kết hợp với một nguồn năng
lượng khác
Biến tần được thiết kế để hoạt động ở điện áp danh nghĩa 12 V, 24 V hoặc 48
V với công suất cao hơn biến tần sử dụng điện áp cung cấp cao hơn.
Một biến tần được thiết kế cho độc lập, hoạt động cung cấp pin thường

không thể được sử dụng như lưới kết nối.

Hình 1.9 Bộ biến tần.
Biến tần pin: Đây là loại biến tần độc lập mới cũng có thể hoạt động với biến
tần kết nối lưới. Biến tần cũng chứa bộ nhớ (pin).
Biến tần cho PV được kết nối với lưới có sẵn trên thị trường từ các nhà sản
xuất khác nhau và có nhiều kích cỡ.
Các biến tần này được sử dụng để đạt được công suất AC ở điện áp được sử
dụng trong lưới chính mặc dù được khuyến nghị, nơi tín hiệu lưới được sử dụng để
đồng bộ hóa biến tần với lưới điện.
Ngoài ra, các bộ biến tần này thường bao gồm các giao diện ghi nhật ký máy
tính / dữ liệu để giám sát cơ bản / tinh vi và cũng cho việc vận hành hệ thống ( ví
dụ: các ngưỡng thiết lập tùy thuộc vào quốc gia của ứng dụng ).
Với 11as ơ đồ hệ thống cung cấp, ta có ba loại inverter:
o Off-grid : thực hiện 3 chức năng là:
 Chuyển dòng DC từ ac-quy thành AC cho tải.
 Chuyển dòng điện AC từ máy phát dự phòng cho tải.
11


 Sạc cho ac-quy từ máy phát dự phòng.
o On-grid: thực hiện một chức năng là:
 Chuyển dòng DC từ pin mặt trời thành dòng AC chuẩn hòa vào
lưới điện
o Hybrid: thực hiện hai chức năng là:
 Nạp acquy để dự phòng khi mất điện trên lưới.
 Chuyển dòng điện DC từ pin mặt trời thành dòng AC chuẩn để hịa
lưới.
1.3.5 Bộ điều khiển sạc

Hình 1.10 Bộ điều khiển sạc
Đó là một thiết bị trung gian giữa hệ các tấm pin mặt trời và hệ các bình ắc
quy lưu trữ. Nhiệm vụ chính của nó là "điều khiển" việc sạc bình ắc quy từ nguồn
điện sinh ra từ pin mặt trời. Cụ thể là các nhiệm vụ sau:
Các chức năng chính của bộ điều khiển sạc là:
Bảo vệ pin khỏi quá áp - thường là ngắt điện áp thấp , ngắt kết nối pin khỏi
tải khi điện áp pin đạt đến mức cho biết nó đã đạt đến.
Bảo vệ pin khỏi sạc quá mức bằng cách giới hạn điện áp sạc - điều này đặc
biệt quan trọng với pin kín
Ngăn dòng điện chảy vào mảng PV vào ban đêm
- Bảo vệ bình ắc quy.
- Bảo vệ tấm pin mặt trời.
Nguyên lý của dòng điện là chảy từ nơi điện thế cao đến nơi điện thế thấp.
Ban ngày trời nắng thì điện thế tấm pin cao hơn điện thế ắc quy nên dòng điện sẽ đi
từ pin xuống ắc quy. Nhưng ban đêm khi khơng có ánh nắng, điện thế của pin sẽ
thấp hơn điện thế của ắc quy và dòng điện sẽ đi từ ắc quy lên ngược tấm pin và làm
12


nóng tấm pin, làm giảm hiệu suất tấm pin dần dần và có thể hỏng tấm pin. Vậy nên
bộ điều khiển sẽ ngăn một cách triệt để không để cho dịng điện có thể đi ngược lên
tấm pin để tránh hiện tượng trên.
- Điều quan trọng nhất: giúp chúng ta đạt hiệu suất cao nhất từ tấm pin mặt
trời. Có chức năng này thì thiết bi này mới có tên gọi là "điều khiển", nghĩa là thiết
bị này điều khiển làm sao để công suất sạc đạt cực đại Pmax, nâng cao hiệu suất sử
dụng của tấm pin mặt trời. Các bộ điều khiển sạc kiểu cũ đơn giản thì chỉ điều khiển
đóng cắt khi bình đầy hoặc bình cạn và bảo vệ không cho điện trào lên pin, hiện đại
hơn là sử dụng phương pháp điều khiển điều rộng xung PWM (Pulse - Width Modulation) sử dụng mạch Mosfet đóng cắt liên tục để ổn áp sạc cho ắc quy,
phương pháp này có nhược điểm lớn là làm hao phí khoảng trên dưới 20% lượng
điện sạc từ pin mặt trời. Các bộ điều khiển sạc hiện đại sử dụng phương pháp điều

rộng xung khơng hao phí, có bộ vi xử lý và thiết bị đo chọn được điểm có công suất
cực đại MPP (Max Power Point) Pmax để sạc cho ắc quy. Cơng suất cực đại minh
họa trong hình dưới đây là diện tích hình chữ nhật màu xám.

Hình 1.11: Giản đồ làm việc sử dụng điểm MPP cực đại.

1.3.6 Bộ lưu trữ năng lượng (Ắc Quy):
Ắc quy (Battery) là thiết bị lưu trữ điện để sử dụng vào ban đêm hoặc lúc trời
ít hoặc khơng cịn ánh nắng, dạng khơ, kín khí, khơng cần bảo dưỡng.
13


Ắc-quy có nhiều loại, kích thước và dung lượng khác nhau, tùy thuộc vào
công suất và đặc điểm của hệ thống pin năng lượng mặt trời. Hệ thống có cơng suất
càng lớn thì cần sử dụng ăc-quy có dung lượng lớn hoặc dùng nhiều bình ắc-quy kết
nối lại với nhau.
Nhiều loại pin sạc khác nhau phù hợp cho các ứng dụng PV hiện đang có
sẵn. Mặc dù một số cơng nghệ khá kỳ lạ hiện có sẵn, pin axít chì vẫn là phổ biến
nhất cho lưu trữ tương đối kinh tế của một lượng lớn năng lượng điện và có thể sẽ
vẫn như vậy trong vài năm tới. Ngoài pin axít chì, pin Nickel Cadmium ( Ni-Cd )
được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng yêu cầu pin kín có khả năng hoạt động ở
bất kỳ vị trí nào và vẫn yêu cầu mật độ năng lượng cao.

Hình 1.12 Pin acquy.
Pin sạc chủ yếu được phân loại thành hai loại:
• Pin bị ngập nước: Cịn được gọi là các tế bào ướt vì chúng có chất điện
phân lỏng cần được thường xuyên đổ nước khử ion / cất
• Pin kín: Các loại pin này có chất điện phân gel hoặc kết hợp một phương
pháp tái tổ hợp hydro và oxy và khơng cần phải nạp thêm.
Đặc tính khi sử dụng:

- Dịng điện xả càng nhỏ thì dung lượng ac-quy càng cao.
- Nhiệt độ càng thấp thì dung lượng ac-quy càng giảm
- Suất xả điện C/20 ở 250C làm chuẩn cho hệ thống PV
Để tăng điện áp lưu trữ pin, trong bội số của 12V, pin được kết nối theo
chuỗi. Để tăng dung lượng pin được lưu trữ, các chuỗi dây dẫn của pin được kết nối
song song với các chuỗi mô-đun PV để tăng dung lượng của những tấm PV.
14


Pin axít chì là cơng nghệ pin phổ 15hong cho các hệ thống PV do giá rẻ
tương đối và tính khả dụng của nó trong các đơn vị cơng suất lớn.
Pin NiCd nickel cadmium bao gồm một tấm niken tích cực được bao bọc với
hiđroxit niken và một tấm cadmium tiêu cực đắm mình trong dung dịch kali
hydroxit trong nước. Những loại pin này khơng có vấn đề về sự suy giảm điện giải
và thường có chất điện phân khơ.
Do chi phí của chúng (khoảng năm lần so với pin axít chì) Pin NiCd chủ yếu
chỉ được sử dụng trong các ứng dụng PV nhỏ như hàng tiêu dùng.
1.4 Các mơ hình của hệ thống năng lượng mặt trời áp mái
1.4.1 Hệ thống pin mặt trời độc lập.

Hình 1.13 Hệ thống điện mặt trời độc lập
- Ưu điểm: Rất phù hợp cho những khu vực khó khăn về lưới điện, chưa có
điện lưới quốc gia EVN
- Nhược điểm:
+ Chi phí đầu tư ban đầu cao (chủ yếu ở ắc quy)
+ Chi phí bảo dưỡng (bảo dưỡng ắc quy) lớn, tuổi thọ của hệ thống ắc qui
không cao, chỉ khoảng 2-5 năm tùy loại ắc quy

15