Thiết kế hệ thống sử dụng năng lượng mặt trời tại sở công thương tỉnh quảng ngãi

BỘ CÔNG THƢƠNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

NGƠ THÀNH HUY

THIẾT KẾ HỆ THỐNG
SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI
TẠI SỞ CÔNG THƢƠNG TỈNH QUẢNG NGÃI

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã chuyên ngành: 60520202

LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2018


Cơng trình đƣợc hồn thành tại Trƣờng Đại học Cơng nghiệp TP. Hồ Chí Minh.
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Bạch Thanh Quý
Ngƣời phản iện 1: .......................................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Ngƣời phản iện 2: .......................................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận v n thạc s đƣợc ảo vệ tại Hội đồng chấm ảo vệ Luận v n thạc s Trƣờng
Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh ngày . . . . . tháng . . . . n m . . . . .
Thành phần Hội đồng đánh giá luận v n thạc s gồm:
1. ......................................................................... - Chủ tịch Hội đồng
2. ......................................................................... - Phản iện 1
3. ......................................................................... - Phản iện 2
4. ......................................................................... - Ủy viên
5. ......................................................................... - Thƣ ký

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƢỞNG KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN


BỘ CÔNG THƢƠNG
CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Ngô Thành Huy

MSHV: 16003281

Ngày, tháng, n m sinh: 04/9/1986

Nơi sinh: Quảng Ngãi

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã chuyên ngành: 60520202

I. TÊN ĐỀ TÀI:
“Thiết kế hệ thống sử dụng năng lượng Mặt trời tại Sở Công Thương tỉnh Quảng
Ngãi”
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Tìm hiểu và trình ày tổng thể về n ng lƣợng mặt trời, các mơ hình iến đổi n ng
lƣợng mặt trời thành điện n ng và xu hƣớng sử dụng nguồn n ng lƣợng mặt trời cho
giải pháp thay thế nguồn n ng lƣợng hoá thạch hiện nay. Kiểm tốn tình hình sử
dụng điện n ng tại Sở Công Thƣơng Quảng Ngãi, trên cơ sở kiểm toán đề xuất các
giải pháp tiết kiệm đồng thời đƣa ra đánh giá tiền khả thi xây dựng hệ thống pin mặt
trời cho giải pháp thay thế nguồn n ng lƣợng sử dụng. Áp dụng một phần mềm thiết
kế hệ thống pin mặt trời chuyên dụng để thiết kế hệ thống điện mặt trời cho Sở
Công Thƣơng tỉnh Quảng Ngãi.
II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: theo Quyết định số 3280/QĐ-ĐHCN ngày 24/11/2017.
III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/7/2018.
IV. NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Bạch Thanh Quý
Tp. Hồ Chí Minh, ngày …. tháng 7 năm 2018
NGƢỜI HƢỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƢỞNG KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS. Bạch Thanh Q đã tận tình hƣớng dẫn tơi
hồn thành luận v n này.
Chân thành cảm ơn quý thầy, cô trƣờng Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí
Minh đã giảng dạy, trang ị cho tôi những kiến thức ổ ích trong thời gian học tập
vừa qua.
Tơi xin gửi lịng cảm ơn chân thành nhất đến gia đình, những ngƣời đã tạo điều kiện
cho tôi học tập và là chỗ dựa vững chắc cho tôi trong suốt thời gian qua. Lời cuối
cùng, tôi xin cảm ơn tất cả ạn è, anh chị em đồng nghiệp đã ủng hộ tôi, giúp đỡ
tơi hồn thành luận v n này.
Trong q trình làm luận v n này, sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, tơi rất mong

nhận đƣợc sự chỉ dẫn, giúp đỡ và đóng góp ý kiến của q thầy cơ, bạn è và đồng
nghiệp để luận v n đƣợc hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn!

i


TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Xu hƣớng sử dụng nguồn n ng lƣợng vô tận và sạch để thay thế nguồn n ng lƣợng
hoá thạch đang dần cạn kiệt và gây ô nhiễm đang là xu hƣớng mạnh hiện nay không
chỉ tại Việt Nam mà cả khu vực và thế giới. Trong luận v n này, tác giả đã tìm hiểu
và trình bày tổng quan về tình hình sử dụng n ng lƣợng mặt trời, tiềm n ng và xu
thế phát triển nguồn n ng lƣợng mặt trời tại Việt Nam. Trình bày các mơ hình sử
dụng n ng lƣợng mặt trời hiện nay và các phƣơng án tối ƣu công suất phát của hệ
thống n ng lƣợng mặt trời.
Áp dụng vào thực tế công tác, tác giả đã tiến hành thực hiện kiểm tốn n ng lƣợng
tại Sở Cơng Thƣơng Quảng Ngãi, trên cơ sở kết quả kiểm toán, tác giả đề xuất các
giải pháp tiết kiệm và kiến nghị giải pháp thay thế nguồn n ng lƣợng đang sử dụng
bằng hệ thống pin n ng lƣợng mặt trời. Sử dụng những tính n ng ƣu việt của phần
mềm thiết kế hệ thống n ng lƣợng mặt trời chuyên dụng là Solar Pro 4.1 để thiết kế
hệ thống điện mặt trời tại Sở Công Thƣơng Quảng Ngãi. Trong thiết kế này tác giả
khai thác các tính n ng mạnh của phần mềm nhƣ mơ hình 3D, mơ phỏng số giờ
nắng trong ngày, biểu đồ cơng suất phát, đặc tính hệ thống I-V, P-V và điểm phát
cực đại, đặc biệt tính n ng phân tích tính kinh tế và điểm hồn vốn của dự án đã
chứng minh tính khả thi mạnh của dự án.

ii


ABSTRACT

Research, using and application renewable energy such as wind power, solar
power…etc, to replace the traditional energy is a strong trend not only in Vietnam
but also in the region and world. In the thesis, the author explored and represented
an overview of solar energy system, trending and potential development of its in
Vietnam. The models and solution to optimal higher effectly the solar power
systems were presented also.
To applying renewable energy, the author has conducted energy audit at the Quang
Ngai Department of Industry and Trade, based on the results of the audit, the author
proposed saving solutions and recommendations building new solar power system
supply energy to load. The Solar Pro 4.1 software with more advantage features was
used to design new solar generation system for the Quang Ngai Department of
Industry and Trade. The powerful features of the software were exploited such as
3D shading modeling, dayly sunshine simulation, power generation diagrams, I-V
and P-V curves, maximum power point, and analysis economic…etc. All of its have
proved the feasibility of the project.

iii


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của ản thân tôi. Các kết quả nghiên
cứu và các kết luận trong luận v n là trung thực, không sao chép từ ất kỳ một
nguồn nào và dƣới ất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã đƣợc
thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.
Học viên

Ngô Thành Huy

iv

MỤC LỤC
MỤC LỤC ...................................................................................................................v
DANH MỤC HÌNH ẢNH ...................................................................................... viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................x
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT.................................................................................... xi
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
1.

Đặt vấn đề ......................................................................................................1

2.

Mục đích nghiên cứu .....................................................................................2

3.

Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu .................................................................2

3.1

Đối tƣợng nghiên cứu ..................................................................................2

3.2

Phạm vi nghiên cứu .....................................................................................2

4.

Phƣơng pháp nghiên cứu ...............................................................................2

5.

Ý ngh a thực tiễn và khoa học của đề tài.......................................................2

6.

Cấu trúc của luận v n ....................................................................................3

CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI .............................5

1.1

Giới thiệu về n ng lƣợng Mặt trời .................................................................5

1.2

Bức xạ Mặt trời ..............................................................................................6

1.3

Tính tốn bức xạ n ng lƣợng Mặt trời ...........................................................9

1.3.1 Tính tốn góc tới của bức xạ trực xạ ...........................................................10
1.3.2 Bức xạ Mặt trời ngồi khí quyển lên mặt phẳng nằm ngang .....................14
1.3.3 Tổng cƣờng độ bức xạ Mặt trời lên bề mặt trên Trái đất...........................14
1.4

Các ứng dụng n ng lƣợng Mặt trời .............................................................17

1.5

Kết luận........................................................................................................18

CHƢƠNG 2
2.1

CÁC MƠ HÌNH SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI ...........19

Mơ hình biến đổi n ng lƣợng Mặt trời thành điện n ng .............................19

2.1.1 Hệ thống điện Mặt trời độc lập không kết nối lƣới ...................................19
2.1.2 Hệ thống điện Mặt trời có kết nối lƣới ......................................................21
2.2

Tính tốn thiết kế hệ thống điện Mặt trời ....................................................22

2.2.1 Những lƣu ý ...............................................................................................22
2.2.2 Các thông số cần thiết để thiết kế hệ thống điện Mặt trời .........................23

v


2.2.3 Các ƣớc thiết kế .......................................................................................25
2.3

Kết luận........................................................................................................32

CHƢƠNG 3 PHÂN TÍCH HIỆN TRẠNG SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG TẠI SỞ
CÔNG THƢƠNG TỈNH QUẢNG NGÃI ................................................................33
3.1

Giới thiệu tổng quan về Sở Công Thƣơng tỉnh Quảng Ngãi .......................33

3.1.1 Thông tin chung .........................................................................................33
3.1.2 Cơ cấu tổ chức ...........................................................................................33
3.1.3 Đặc điểm địa lý ..........................................................................................34
3.1.4 N ng lƣợng cung cấp .................................................................................36
3.1.5 N ng lƣợng điện tiêu thụ ...........................................................................36
3.2 Phân tích hiện trạng sử dụng n ng lƣợng tại Sở Công Thƣơng tỉnh Quảng
Ngãi . ………………………………………………………………………….... 37
3.2.1 Số liệu thu thập và biểu đồ phụ tải ngày của các thành phần phụ tải của Sở
Công Thƣơng tỉnh Quảng Ngãi .................................................................................37
3.2.2 Danh mục thiết bị của Sở Công Thƣơng ...................................................39
3.3 Đánh giá hiện trạng hệ thống cung cấp điện và tình hình tiêu thụ điện tại Sở
Cơng Thƣơng ........................................................................................................40
3.3.1 Đánh giá sơ ộ các phòng làm việc, phòng họp trong tòa nhà của Sở ......40
3.3.2 Đánh giá sơ ộ hệ thống chiếu sáng ..........................................................41
3.3.3 Đánh giá sơ ộ hệ thống điều hòa ..............................................................42
3.3.4 Đánh giá sơ ộ những mặt tích cực và tồn tại trong quản lý sử dụng điện
………………………………………………………………………………..42
3.4

Một số giải pháp sử dụng điện tiết kiệm và hiệu quả cho Sở Công Thƣơng
…………………………………………………………………………….43

3.4.1 Giải pháp về hệ thống chiếu sáng ..............................................................43
3.4.2 Giải pháp về hệ thống điều hòa .................................................................44

3.4.3 Giải pháp sử dụng điện Mặt trời ................................................................45
3.5

Kết luận........................................................................................................45

CHƢƠNG 4 CÁC PHƢƠNG ÁN TỐI ƢU HĨA CƠNG SUẤT PHÁT NĂNG
LƢỢNG CHO HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI .......................................................47
4.1

Tổng quan ....................................................................................................47

4.2

Phƣơng án xoay 1 trục .................................................................................47

4.2.1 Phƣơng án xoay 1 trục nằm ngang ............................................................47
4.2.2 Phƣơng án xoay 1 trục nằm dọc ................................................................49
vi


4.3

Phƣơng án xoay 2 trục .................................................................................50

4.3.1 Một trục chính nằm ngang, trục thứ cấp nghiêng một góc ........................50
4.3.2 Hai trục nghiêng xoay theo Phƣơng vị và Cao độ .....................................51
CHƢƠNG 5
ĐIỆN
5.1

SOLAR PRO - PHẦN MỀM MÔ PHỎNG HỆ THỐNG QUANG
.........................................................................................................52

Giới thiệu .....................................................................................................52

5.1.1 3D CAD .....................................................................................................52
5.1.2 Xây dựng đặc tính I-V ...............................................................................52
5.1.3 Biểu đồ cơng suất phát ...............................................................................53
5.1.4 Phân tích tính kinh tế .................................................................................54
5.2

Hƣớng dẫn thiết lập và mô phỏng ...............................................................54

5.2.1 Xây dựng mơ hình 3D ...............................................................................54
5.2.2 Tính tốn đặc tính I-V và P-V ...................................................................55
5.2.3 Thiết lập biểu đồ công suất phát ................................................................56
5.2.4 Phân tích tính kinh tế .................................................................................57
5.3

Thiết lập mơ hình dự án ...............................................................................57

5.4

Mô phỏng kết quả và điều chỉnh hệ thống ..................................................63

5.5

Phân tích tính kinh tế của hệ thống .............................................................70

5.5.1 Chi phí đầu tƣ an đầu ...............................................................................70

5.5.2 Chi phí vận hành ........................................................................................73
5.5.3 Xác lập chi phí án điện ............................................................................74
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................76
1.

Kết luận........................................................................................................76

2.

Kiến nghị .....................................................................................................76

3.

Hƣớng phát triển ..........................................................................................78

TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................79
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN .........................................................80

vii


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Bên ngồi Mặt trời .......................................................................................5
Hình 1.2 Sự thay đổi nhiệt độ theo độ cao của các tầng khí quyển ............................6
Hình 1.3 Dải bức xạ điện từ ........................................................................................6
Hình 1.4 Góc nhìn Mặt trời .........................................................................................7
Hình 1.5 Q trình truyền n ng lƣợng bức xạ Mặt trời qua lớp khí quyển của Trái đất. .8
Hình 1.6 Vị trí của Trái đất và Mặt trời thay đổi trong n m .......................................9
Hình 1.7 Đƣờng đi của Mặt trời trong mùa hè và mùa đơng ....................................10
Hình 1.8 Quan hệ các góc hình học của tia bức xạ Mặt trời trên mặt phẳng nghiêng ...12

Hình 1.9 Góc lệch δ...................................................................................................13
Hình 1.10 Góc cao của Mặt trời ................................................................................13
Hình 1.11 Sơ đồ phân bố các thành phần bức xạ khuếch tán ...................................15
Hình 1.12 Các thành phần bức xạ lên bề mặt nghiêng .............................................16
Hình 1.13 Bức xạ trực xạ trên bề mặt nằm ngang và nghiêng ..................................17
Hình 2.1 Hai mơ hình sử dụng hệ thống PV độc lập ................................................19
Hình 2.2 Mơ hình biến đổi quang n ng độc lập khơng lƣu điện .............................19
Hình 2.3 Hệ thống PV độc lập có nguồn lƣu trữ ......................................................20
Hình 2.4 Hệ thống PV có nguồn cấp dự phịng ........................................................21
Hình 2.5 Mơ hình hệ thống nhận điện từ cả hai nguồn PV và lƣới điện .................22
Hình 2.6 Mơ hình hệ thống PV liên kết với điện lƣới .............................................22
Hình 2.7 Góc nghiêng β của hệ thống .......................................................................24
Hình 2.8 Sơ đồ khối hệ thống điện Mặt trời .............................................................25
Hình 2.9 Bộ điều khiển nạp phóng ...........................................................................29
Hình 2.10 Bộ chuyển đổi DC-AC .............................................................................30
Hình 3.1 Mặt cắt tồ nhà sở Cơng Thƣơng tỉnh Quảng Ngãi ...................................34
Hình 3.2 Mặt bằng tầng mái tồ nhà Sở Cơng Thƣơng tỉnh Quảng Ngãi ................35
Hình 3.3 Biểu đồ điện n ng tiêu thụ n m 2016, 2017 ..............................................37
Hình 3.4 Đồ thị phụ tải ngày của Sở Cơng Thƣơng tỉnh Quảng Ngãi ......................39
Hình 4.1 Kết cấu của hệ thống định hƣớng có 1 trục nằm ngang .............................48
Hình 4.2 Hệ thống của Nhà máy điện Mặt trời ở Hàn Quốc ....................................49
Hình 4.3 Kết cấu của hệ thống định hƣớng có 1 trục nằm dọc .................................49
viii


Hình 4.4 Hệ thống có một trục chính nằm ngang, trục thứ cấp nghiêng một góc ....51
Hình 5.1 Mơ phỏng sự đổ bóng lên hệ thống............................................................52
Hình 5.2 Đặc tính I-V của hệ thống ..........................................................................53
Hình 5.3 Biểu đồ cơng suất phát hệ thống ................................................................53
Hình 5.4 Biểu đồ phân tích tính kinh tế của hệ thống phát .......................................54

Hình 5.5 Thiết kế cơng trình n ng lƣợng pin Mặt trời ..............................................55
Hình 5.6 Lựa chọn xây dựng mơ hình các cơng trình xung quanh ...........................55
Hình 5.7 Đặc tính I-V và P-V mơ phỏng ..................................................................56
Hình 5.8 Thay đổi phƣơng án đấu nối các PV ..........................................................56
Hình 5.9 Biểu đồ cơng suất phát hệ thống ................................................................57
Hình 5.10 Biểu đồ điểm hồn vốn ............................................................................57
Hình 5.12 Chọn loại pin, thiết lập cơng suất và diện tích .........................................59
Hình 5.13 Chọn mơ hình mái hồi Hip Roof ..............................................................59
Hình 5.14 Chọn lắp tấm pin solar .............................................................................60
Hình 5.15 Kết quả dự án an đầu ..............................................................................61
Hình 5.16 Kết quả sau khi điều chỉnh .......................................................................62
Hình 5.17 Kết nối hệ thống .......................................................................................62
Hình 5.18 Đặc tính I-V và P-V của hệ thống solar ...................................................63
Hình 5.19 Đặc tính I-V và P-V của hệ thống solar sau điều chỉnh ...........................64
Hình 5.20 Kết quả tính tốn biểu đồ cơng suất .........................................................65
Hình 5.21 Mơ hình hệ thống pin mặt trời Sở Cơng Thƣơng tỉnh Quảng Ngãi .........67
Hình 5.22 Đặc tính I-V và P-V .................................................................................68
Hình 5.23 Biểu đồ n ng lƣợng của hệ thống ............................................................68
Hình 5.24 Danh mục chi phí an đầu nhập vào hệ thống phần mềm .......................70
Hình 5.25 Bản vẽ khung giá đỡ pin mặt trời .............................................................71
Hình 5.26 Sơ đồ đấu nối hệ thống Solar ...................................................................73
Hình 5.27 Chi phí vận hành hệ thống .......................................................................74
Hình 5.28 Biểu đồ chi phí và điểm hoàn vốn............................................................75

ix


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Mẫu số liệu thống kê phụ tải .....................................................................23
Bảng 2.2 Lựa chọn tiết diện dây dẫn ........................................................................32

Bảng 3.1 Bảng tổng kết điện n ng tiêu thụ trong n m 2016, 2017...........................36
Bảng 3.2 Bảng tổng hợp công suất (kW) các giờ trong ngày tại Sở trung ình ....38
Bảng 3.3 Danh mục các loại đèn chiếu sáng.............................................................39
Bảng 3.4 Danh mục các thiết bị phục vụ toàn cơ quan .............................................40
Bảng 5.1 Thơng số kết quả tính tốn hệ thống..........................................................66
Bảng 5.2 Thông số kỹ thuật của hệ thống .................................................................69
Bảng 5.3 Dự tốn đơn giá chi phí gia cố mái............................................................71
Bảng 5.4 Dự tốn chi phí lắp đặt...............................................................................72
Bảng 5.5 Dự tốn chi phí kết nối hệ thống PV .........................................................73

x


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
AC

(Alternating current) Dòng điện xoay chiều

AC FS

(Alternating current Fused Switch) Bảo vệ và
chuyển mạch nguồn AC

DC

(Direct current) Dòng điện một chiều

DC FS

(Direct current Fused Switch) Bảo vệ và

chuyển mạch nguồn một chiều

NLMT

N ng lƣợng Mặt trời

PV

(Photovoltaics) Bộ biến đổi quang n ng

xi


MỞ ĐẦU
1.

Đặt vấn đề

N ng lƣợng là một trong những nhu cầu thiết yếu của con ngƣời và là một yếu tố
không thể thiếu đƣợc của hoạt động kinh tế. Khi mức sống của ngƣời dân càng cao,
trình độ sản xuất của nền kinh tế ngày càng hiện đại thì nhu cầu về n ng lƣợng cũng
ngày càng lớn và việc đáp ứng nhu cầu này thực sự là một thách thức đối với hầu
hết mọi quốc gia.
Với mục đích đáp ứng nhu cầu ngày càng t ng về n ng lƣợng xét đến yếu tố bảo vệ
môi trƣờng và tính kinh tế), những nguồn n ng lƣợng sạch đã và đang đƣợc thế giới
quan tâm nhiều hơn và là một trong những lựa chọn cho ngành n ng lƣợng thay thế
trong tƣơng lai. Nguồn n ng lƣợng sạch đang đƣợc quan tâm nhƣ n ng lƣợng gió,
n ng lƣợng Mặt trời, n ng lƣợng địa nhiệt, n ng lƣợng sóng biển, n ng lƣợng thủy
triều…Tất cả những loại n ng lƣợng sạch này góp phần rất lớn vào việc bảo vệ môi
trƣờng.

Sự phát triển của nền kinh tế đã kéo theo tốc độ đơ thị hóa nhanh chóng, cũng là
một trong những nguyên nhân cơ ản khiến Việt Nam đang đứng trƣớc nguy cơ mất
cân đối nghiêm trọng giữa cung và cầu nguồn n ng lƣợng. Trong khi đó tiết kiệm
n ng lƣợng tiêu thụ trong các cơ quan, trƣờng học hiện nay vẫn chƣa đƣợc quan
tâm nhiều.
Vị trí Sở Công Thƣơng Quảng Ngãi thuộc miền Trung của Việt Nam. Nơi có vị trí
địa lý gần xích đạo, có tổng số giờ nắng và cƣờng độ bức xạ nhiệt cao (trung bình
xấp xỉ 5 kWh/m2/ngày , đƣợc đánh giá là khu vực có tiềm n ng rất lớn về n ng
lƣợng Mặt trời. Do đó việc chọn đề tài “Thiết kế hệ thống sử dụng năng lượng
Mặt trời tại Sở Công Thương tỉnh Quảng Ngãi” vừa là một trong những giải pháp
tiết kiệm n ng lƣợng đồng thời góp phần vào việc nghiên cứu và nhân rộng mơ hình
sử dụng n ng lƣợng sạch trên địa bàn tỉnh Quảng Ngãi.

1


2.

Mục đích nghiên cứu

Xuất phát từ thực tế về cán cân cung - cầu n ng lƣợng trong những n m gần đây ở
Việt Nam dẫn đến tình trạng thiếu hụt điện n ng và kết quả là phải cắt điện luân
phiên ảnh hƣởng đến nhu cầu sử dụng n ng lƣợng. Mục tiêu của đề tài là nghiên
cứu giải pháp sử dụng nguồn n ng lƣợng Mặt trời thành điện n ng cung cấp cho tịa
nhà của Sở Cơng Thƣơng tỉnh Quảng Ngãi, giảm thiểu tình trạng lệ thuộc hoàn toàn
nguồn n ng lƣợng tiêu thụ từ lƣới điện đồng thời từng ƣớc góp phần t ng tỷ trọng
sử dụng nguồn n ng lƣợng Mặt trời trong nhu cầu sử dụng n ng lƣợng và giảm tác
động đến môi trƣờng.
3.

Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

3.1

Đối tƣợng nghiên cứu

-

Nguồn ức xạ Mặt trời tại nơi triển khai mơ hình hệ thống điện dùng n ng lƣợng
Mặt trời.

-

Nhu cầu điện n ng trong các tòa nhà.

-

Hệ thống chiếu sáng tại toà nhà.

3.2

Phạm vi nghiên cứu

Tổng quan về n ng lƣợng Mặt trời. Khảo sát, phân tích hiện trạng sử dụng n ng
lƣợng tại tồ nhà Sở Cơng Thƣơng, tìm hiểu các mơ hình biến đổi n ng lƣợng Mặt
trời thành điện n ng để triển khai áp dụng tại toà nhà Sở Công Thƣơng.
4.

Phƣơng pháp nghiên cứu

-

Khảo sát thực địa.

-

Phân tích.

-

Mơ hình mơ phỏng.

-

Tính tốn thử nghiệm.

5.

Ý nghĩa thực tiễn và khoa học của đề tài

Từ thực tiễn và cụ thể là những đặc điểm, đặc trƣng của n ng lƣợng Mặt trời trong
bối cảnh nguồn n ng lƣợng truyền thống ngày một cạn kiệt bên cạnh đó các hệ lụy

2


của nguồn n ng lƣợng hạt nhân cùng với vấn đề ô nhiễm môi trƣờng bắt buộc con
ngƣời phải đi tìm tịi khám phá và khai thác các nguồn n ng lƣợng mới - nguồn
n ng lƣợng tái tạo thân thiện với môi trƣờng phục vụ cho nhu cầu n ng lƣợng ngày
một t ng của con ngƣời.

Với quan niệm “Vừa tiết kiệm, khơng phụ thuộc hồn tồn vào nguồn điện n ng từ
lƣới, an tồn cho mơi trƣờng”. Tác giả muốn nghiên cứu triển khai giải pháp ứng
dụng nguồn n ng lƣợng Mặt trời khơng chỉ tại tồ nhà Sở Cơng Thƣơng mà cịn
ứng dụng cho các khu vực chƣa có nguồn điện lƣới. Bên cạnh đó việc ứng dụng các
cơng cụ lập trình tính tốn nguồn bức xạ Mặt trời theo tọa độ địa lý là rất quan trọng
khi triển khai nghiên cứu các ứng dụng n ng lƣợng Mặt trời trong các ngành liên
quan.
6.

Cấu trúc của luận văn

Luận v n đƣợc trình bày thành 5 chƣơng và đƣa ra Kết luận:
-

Chƣơng 1: Lý thuyết tổng quan về n ng lƣợng Mặt trời.

Trình bày lý thuyết tổng quan về n ng lƣợng Mặt trời, nguyên lý chuyển đổi quang
n ng thành điện n ng, các loại vật liệu sử dụng trong pin n ng lƣợng Mặt trời, các
yếu tố ảnh hƣởng đến sự phát điện của hệ thống n ng lƣợng Mặt trời, ...
-

Chƣơng 2: Các mơ hình sử dụng n ng lƣợng Mặt trời.

Trình bày các loại mơ hình hệ thống n ng lƣợng Mặt trời, phân tích ƣu điểm và
nhƣợc điểm của từng mơ hình.
-

Chƣơng 3: Phân tích thực trạng sử dụng n ng lƣợng tại tồ nhà Sở Cơng
Thƣơng tỉnh Quảng Ngãi.

Giới thiệu về Sở Cơng Thƣơng tỉnh Quảng Ngãi, tìm hiểu hiện trạng cung cấp và
tiêu thụ n ng lƣợng tại Sở, đồng thời đo đạc, nắm bắt các số liệu cần thiết từ các
thiết bị tiêu thụ n ng lƣợng để đƣa ra đánh giá những mặt tích cực, tồn tại trong việc
sử dụng n ng lƣợng tại Sở.
-

Chƣơng 4: Các phƣơng án tối ƣu hóa cơng suất phát n ng lƣợng cho hệ thống
điện Mặt trời.
3


Nêu các phƣơng án thiết kế để tối ƣu hóa công suất phát hệ thống pin n ng lƣợng
mặt trời. Từ đó so sánh, đánh giá các phƣơng án để thiết kế.
-

Chƣơng 5: SolarPro-Phần mềm mô phỏng hệ thống quang điện.

Áp dụng lý thuyết từ chƣơng 1 và chƣơng 2, lấy số liệu từ chƣơng 3. Tiến hành tính
tốn, thiết kế hệ thống sử dụng n ng lƣợng Mặt trời tại Sở Công Thƣơng tỉnh
Quảng Ngãi. Đƣa ra các nhận xét về mặt kỹ thuật và kinh tế.
-

Kết luận

Đƣa ra những đánh giá sau khi đã hoàn thành đề tài: tính khả thi, hiệu quả kinh tế,
tính chính xác của các số liệu thiết kế, các ƣu điểm cần phát huy, các nhƣợc điểm đã
khắc phục hoặc còn đang tồn tại.

4

CHƢƠNG 1
1.1

T NG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI

Giới thiệu về năng lƣợng Mặt trời

Mặt trời là một khối khí hình cầu có đƣờng kính 1,390.106km (lớn hơn 110 lần
đƣờng kính Trái đất), cách xa Trái đất 150.106km (bằng một đơn vị thiên v n AU
ánh sáng Mặt trời cần khoảng 8 phút để vƣợt qua khoảng này đến Trái đất). Khối
lƣợng Mặt trời khoảng Mo =2.1030kg. Nhiệt độ To trung tâm Mặt trời thay đổi trong
khoảng từ 10.106 oK đến 20.106 oK, trung bình khoảng 15.600.000 oK 1.

Hình 1.1 Bên ngoài Mặt trời
Nhiệt lƣợng bức xạ rất mạnh của Mặt trời làm tách các phân tử ra để tạo thành các
ion và electron. Vì thế ngƣời ta gọi tầng này là tầng điện ly (Ionosphere) các sóng
điện từ bị phản xạ trong tầng này (hình 1.2) 1.

5


Hình 1.2 Sự thay đổi nhiệt độ theo độ cao của các tầng khí quyển
1.2

Bức xạ Mặt trời

Trong tồn bộ bức xạ của Mặt trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các phản ứng hạt
nhân xảy ra trong nhân Mặt trời không quá 3%. Bức xạ γ an đầu khi đi qua 5.105
km chiều dày của lớp vật chất Mặt trời bị biến đổi rất mạnh. Tất cả các dạng của

bức xạ điện từ đều có bản chất sóng và chúng khác nhau ở ƣớc sóng.
Độ dài ƣớc sóng (m)

Hình 1.3 Dải bức xạ điện từ
Bức xạ γ là sóng ngắn nhất trong các sóng đó hình 1.3 , từ tâm Mặt trời đi ra do sự
va chạm hoặc tán xạ mà n ng lƣợng của chúng giảm đi thì ứng với bức xạ có ƣớc
sóng dài. Nhƣ vậy bức xạ chuyển thành bức xạ Rơnghen có ƣớc sóng dài hơn. Gần
đến bề mặt Mặt trời nơi có nhiệt độ đủ thấp để có thể tồn tại vật chất trong trạng
thái nguyên tử và các cơ chế khác bắt đầu xảy ra.
6


Chùm tia truyền thẳng từ Mặt trời gọi là bức xạ trực xạ. Tổng hợp các tia trực xạ và
tán xạ gọi là tổng xạ. Mật độ dòng bức xạ trực xạ ở ngồi lớp khí quyển, tính đối
với với 1m2 bề mặt đặt vng góc với tia bức xạ, đƣợc tính theo cơng thức 1:
4

 T 
2
q  φDT .C0 .
 [W / m ]
 100 

(1-1)

Trong đó:
D-T là hệ số góc bức xạ giữa Trái đất và Mặt trời
φ D T 

β2

4

(1-2)

β - góc nhìn Mặt trời và β ≈ 32’ nhƣ hình 1.4.
C0 = 5,67 W/m2.K4: hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối.
T ≈ 5762 oK - nhiệt độ bề mặt Mặt trời (xem giống vật đen tuyệt đối).

Hình 1.4 Góc nhìn Mặt trời
2

 2.3,14.32 


5762 4
360.60 
q 
.5,76.(
)  1353 [W / m 2 ]
4
100
Do khoảng cách giữa Trái đất và Mặt trời thay đổi theo mùa trong n m nên β cũng
thay đổi, do đó q cũng thay đổi nhƣng độ thay đổi này khơng lớn lắm nên có thể
xem q là khơng đổi và đƣợc gọi là hằng số Mặt trời.
Khi truyền qua lớp khí quyển bao bọc quanh Trái đất, các chùm tia bức xạ bị hấp
thụ và tán xạ bởi tầng ơzơn (O3), hơi nƣớc và bụi trong khí quyển, chỉ một phần
7


n ng lƣợng đƣợc truyền trực tiếp tới Trái đất. Đầu tiên ơxy phân tử ình thƣờng O2

phân ly thành ôxy nguyên tử O, để phá vỡ liên kết phân tử đó, cần phải có các
photon ƣớc sóng ngắn hơn 0,18μm, do đó các photon xem ức xạ nhƣ các hạt rời
rạc - photon có n ng lƣợng nhƣ vậy bị hấp thụ hoàn toàn. Chỉ một phần các nguyên
tử ôxy kết hợp thành các phân tử, còn đại đa số các nguyên tử tƣơng tác với các
phân tử ôxy khác để tạo thành phân tử ôzôn, ôzôn cũng hấp thụ bức xạ tử ngoại
nhƣng với mức độ thấp hơn so với ôxy, dƣới tác dụng của các photon với ƣớc sóng
ngắn hơn 0,32μm, sự phân tách O3 thành O2 và O xảy ra. Nhƣ vậy hầu nhƣ toàn ộ
n ng lƣợng của bức xạ tử ngoại đƣợc sử dụng để duy trì quá trình phân ly và hợp
nhất của O, O2 và O3, đó là một q trình ổn định. Do q trình này, khi đi qua khí
quyển, bức xạ tử ngoại biến đổi thành bức xạ với n ng lƣợng nhỏ hơn 1.

Hình 1.5 Quá trình truyền n ng lƣợng bức xạ Mặt trời qua lớp khí quyển của Trái
đất
Phần n ng lƣợng bức xạ Mặt trời truyền tới bề mặt Trái đất trong những ngày quang
đãng không có nhiều mây) ở thời điểm cao nhất vào khoảng 1.000W/m2 (hình 1.5).
Yếu tố cơ ản xác định cƣờng độ của bức xạ Mặt trời ở một điểm nào đó trên Trái
đất là quãng đƣờng nó đi qua. Sự mất mát n ng lƣợng trên quãng đƣờng đó gắn liền
8


với sự tán xạ, hấp thụ bức xạ và phụ thuộc vào thời gian trong ngày, mùa, vị trí địa
lý. Các mùa hình thành là do sự nghiêng của trục Trái đất đối với mặt phẳng quỹ
đạo của nó quanh Mặt trời gây ra. Góc nghiêng vào khoảng 66,5o (hình 1.6) và thực
tế xem nhƣ không đổi trong không gian. Sự định hƣớng nhƣ vậy của trục quay Trái
đất trong chuyển động của nó đối với Mặt trời gây ra những dao động quan trọng về
độ dài ngày và đêm trong n m.
23,5

66,50

0

Cực
Nam

23,5

23,5
0

23,5

0

0

Cực
Cực
Bắc
Bắc
Hình 1.6 Vị trí của Trái đất và Mặt trời thay đổi trong n m
1.3

Tính tốn bức xạ năng lƣợng Mặt trời

Cƣờng độ bức xạ Mặt trời trên mặt đất chủ yếu phụ thuộc 2 yếu tố: góc nghiêng của
các tia sáng đối với mặt phẳng bề mặt tại điểm đã cho và độ dài đƣờng đi của các tia
sáng trong khí quyển hay nói chung là phụ thuộc vào độ cao của Mặt trời (Góc giữa
phƣơng từ điểm quan sát đến Mặt trời và mặt phẳng nằm ngang đi qua điểm đó .
Yếu tố cơ ản xác định cƣờng độ của bức xạ Mặt trời ở một điểm nào đó trên Trái

đất là quãng đƣờng nó đi qua. Sự mất mát n ng lƣợng trên quãng đƣờng đó gắn liền
với sự tán xạ, hấp thụ bức xạ và phụ thuộc vào thời gian trong ngày, mùa, vị trí địa
lý.

9


Hình 1.7 Đƣờng đi của Mặt trời trong mùa hè và mùa đông 6
Quan hệ giữa bức xạ Mặt trời ngồi khí quyển và thời gian trong n m có thể xác
định theo phƣơng trình sau 1:
360.n 

Eng  Eo 1  0,033.cos

365 


[W / m2 ]

(1-3)

Trong đó: Eng là bức xạ ngồi khí quyển đƣợc đo trên mặt phẳng vng góc với tia
bức xạ vào ngày thứ n trong n m.
1.3.1

Tính tốn góc tới của bức xạ trực xạ

Một số khái niệm cơ ản 2:
Hệ số khối khơng khí m: là tỷ số giữa khối lƣợng khí quyển theo phƣơng tia ức xạ
truyền qua và khối lƣợng khí quyển theo phƣơng thẳng đứng (tức là khi Mặt trời ở

thiên đỉnh . Nhƣ vậy m =1 khi Mặt trời ở thiên đỉnh, m =2 khi góc thiên đỉnh θz là
600. Đối với các góc thiên đỉnh từ 0-700 có thể xác định gần đúng m =1/cosθz. Cịn
đối với các góc θz >700 thì độ cong của bề mặt Trái đất phải đƣợc đƣa vào tính
tốn. Riêng đối với trƣờng hợp tính tốn bức xạ Mặt trời ngồi khí quyển m =0.
Trực xạ: là bức xạ Mặt trời nhận đƣợc khi khơng bị bầu khí quyển phát tán. Đây là
10


dịng bức xạ có hƣớng và có thể thu đƣợc ở các bộ thu kiểu tập trung (hội tụ).
Tán xạ: là bức xạ Mặt trời nhận đƣợc sau khi hƣớng của nó đã ị thay đổi do sự
phát tán của bầu khí quyển.
Tổng xạ: là tổng của trực xạ và tán xạ trên một bề mặt (phổ biến nhất là tổng xạ trên
một bề mặt nằm ngang, thƣờng gọi là bức xạ cầu trên bề mặt).
Cường độ bức xạ (W/m2): là cƣờng độ n ng lƣợng bức xạ Mặt trời đến một bề mặt
tƣơng ứng với một đơn vị diện tích của bề mặt. Cƣờng độ bức xạ cũng ao gồm
cƣờng độ bức xạ trực xạ Etrx, cƣờng độ bức xạ tán xạ Etx và cƣờng độ bức xạ quang
phổ Eqp.
Năng lượng bức xạ (J/m2): là n ng lƣợng bức xạ Mặt trời truyền tới một đơn vị diện
tích bề mặt trong một khoảng thời gian, nhƣ vậy n ng lƣợng bức xạ là một đại
lƣợng bằng tích phân của cƣờng độ bức xạ trong một khoảng thời gian nhất định
thƣờng là 1 giờ hay 1 ngày).
Giờ Mặt trời: là thời gian dựa trên chuyển động biểu kiến của Mặt trời trên bầu trời,
với quy ƣớc giờ Mặt trời chính ngọ là thời điểm Mặt trời đi qua thiên đỉnh của
ngƣời quan sát. Giờ Mặt trời là thời gian đƣợc sử dụng trong mọi quan hệ về góc
Mặt trời, nó không đồng ngh a với giờ theo đồng hồ.
Quan hệ hình học giữa một mặt phẳng bố trí bất kỳ trên mặt đất và bức xạ của Mặt
trời truyền tới, tức là vị trí của Mặt trời so với mặt phẳng đó có thể đƣợc xác định
theo các góc đặc trƣng sau hình 1.8.):
Góc vĩ độ φ: vị trí góc tƣơng ứng với v độ về phía bắc hoặc về phía nam đƣờng
xích đạo Trái đất, với hƣớng phía bắc là hƣớng dƣơng: - 900 ≤ φ ≤ 900

11