Luận văn thạc sĩ thiết kế lắp đặt và đánh giá hiệu quả sử dụng hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới áp mái quy mô hộ gia đình

..

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ ĐỨC DŨNG

THIẾT KẾ, LẮP ĐẶT VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ
SỬ DỤNG HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI HỊA LƯỚI ÁP MÁI
QUY MƠ HỘ GIA ĐÌNH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng, 03/2019
i


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ ĐỨC DŨNG

THIẾT KẾ, LẮP ĐẶT VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ
SỬ DỤNG HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI HỊA LƯỚI ÁP MÁI
QUY MƠ HỘ GIA ĐÌNH

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số: 60520202

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: TS. DƯƠNG MINH QUÂN

Đà Nẵng, 03/2019
ii


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi. Trong luận văn có
trích dẫn một số tài liệu chuyên ngành điện của Việt Nam, của một số tổ chức khoa
học trên thế giới về hệ thống năng lượng mặt trời và các số liệu, kết quả nghiên cứu
trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào
khác.
Tác giả luận văn

Lê Đức Dũng

iii


MỤC LỤC
MỤC LỤC .....................................................................................................................iv
DANH MỤC CÁC BẢNG.......................................................................................... vii
DANH MỤC CÁC HÌNH ......................................................................................... viii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ...........................................................................x
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
1.
Đặt vấn đề.......................................................................................................1
2.

Mục đích nghiên cứu ......................................................................................1
3.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ..................................................................1
a) Đối tượng nghiên cứu .................................................................................... 1
b) Phạm vi nghiên cứu ........................................................................................ 1
4.
Phương pháp nghiên cứu ................................................................................2
5.
Ý nghĩa thực tiễn và khoa học của đề tài .......................................................2
6.
Cấu trúc của luận văn .....................................................................................2
CHƯƠNG 1 ....................................................................................................................3
TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ CÁC CHÍNH SÁCH HỖ
TRỢ.................................................................................................................................3
1.1. Tổng quan và xu hướng phát triển điện mặt trời trên thế giới. .........................3
Tổng quan về năng lượng mặt trời: ................................................................ 3
Xu hướng phát triển điện năng lượng mặt trời. .............................................4
Chỉ số giá thị trường thế giới các tấm pin mặt trời: .......................................5
1.2. Các quy định và chính sách hỗ trợ chính phủ và ngành điện về năng lượng
mặt trời. ..........................................................................................................................5
Các quy định chung và chính sách hỗ trợ chung: ..........................................5
Các quy định chung và chính sách hỗ trợ đối với hệ thống điện mặt trời áp
mái nhà .....................................................................................................................7
1.3. Cơ sở lý thuyết về năng lượng mặt trời ................................................................ 8
Giới thiệu về năng lượng mặt trời ..................................................................8
Bức xạ mặt trời ............................................................................................... 9
Tính toán bức xạ năng lượng mặt trời .......................................................... 11
Các ứng dụng năng lượng mặt trời .............................................................. 17
1.4. Phân tích tiềm năng, thực trạng ứng dụng nguồn năng lượng mặt trời và hiện
trạng sử dụng năng lượng hộ gia đình lắp đặt PV ...................................................17

Tiềm năng nguồn năng lượng mặt trời.........................................................17
Tình hình phát triển và ứng dụng điện năng lượng mặt trời tại Việt Nam ..19
Thực trạng ứng dụng điện năng lượng mặt trời tại tỉnh Quảng Bình ..........20
1.5. Hiện trạng sử dụng năng lượng hộ gia đình lắp đặt PV ...................................22
Địa điểm thiết kế và lắp đặt: ........................................................................22
Thơng số chính phụ tải .................................................................................22
Nguồn điện cung cấp: ..................................................................................23
1.6. Kết luận: ................................................................................................................24
CHƯƠNG 2 ..................................................................................................................25
CÁC MƠ HÌNH BIẾN ĐỞI NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI THÀNH ĐIỆN NĂNG
.......................................................................................................................................25
iv


2.1. Mơ hình biến đổi năng lượng mặt trời thành điện năng ..................................25
Mơ hình biến đổi độc lập khơng kết lưới .....................................................25
Mơ hình biến đổi có kết lưới ........................................................................27
2.2. Các bước tính tốn thiết kế hệ thống biến đổi năng lượng mặt trời thành điện
năng ............................................................................................................................... 28
Các lưu ý ......................................................................................................28
Các thông số cần thiết để thiết kế hệ thống điện mặt trời ............................ 28
Các bước thiết kế.......................................................................................... 29
2.3. Kết luận .................................................................................................................33
CHƯƠNG 3 ..................................................................................................................34
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ............................................................................................. 34
PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ MƠ PHỎNG TRÊN PHẦN MỀM PVSYST
.......................................................................................................................................34
3.1. Tính toán và thiết kế hệ thống pin năng lượng mặt trời: .................................34
Lựa chọn mơ hình biến đổi năng lượng mặt trời thành điện năng ...............34
Xác định vị trí lắp đặt và quy mô công suất.................................................34

3.2. Lựa chọn giải pháp công nghệ: ...........................................................................36
Hệ thống pin .................................................................................................36
a) Lựa chọn loại pin sử dụng ........................................................................... 36
b) Bố trí hướng và lắp hệ thống pin mặt trời: .................................................. 37
c) Hệ thống khung giàn và giá đỡ: ................................................................... 39
Bộ biến đổi điện mặt trời .............................................................................40
Giải pháp thu thập dữ liệu từ xa: ..................................................................43
3.3. Tổng hợp phương án tính tốn, thiết kế ............................................................. 45
3.4. Kết luận .................................................................................................................46
CHƯƠNG 4 ..................................................................................................................47
MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI, PHÂN TÍCH KẾT
QUẢ. TÍNH TỐN CHI PHÍ. ....................................................................................47
4.1. Mơ phỏng hệ thống pin lắp đặt ...........................................................................47
Giới thiệu phần mềm Pvsyst ........................................................................47
Mô phỏng hệ thống pin năng lượng mặt trời lắp đặt ...................................47
a) Thông số trắc quang về nhiệt độ bức xạ ...................................................... 47
b) Mô phỏng hệ thống pin lắp đặt .................................................................... 48
c) Thông số tổn thất cài đặt trong phần mềm................................................... 48
d) Cấu hình hệ thống trong phần mềm ............................................................. 52
4.2. Kết quả mơ phỏng ................................................................................................ 53
Q trình làm việc của hệ thống ..................................................................53
Sản lượng điện và hiệu suất .........................................................................55
a) Sản lượng điện thu được và hiệu suất .......................................................... 55
b) Tổn thất trong hệ thống ................................................................................ 58
c) Sản lượng điện thu được và tổn hao trong toàn hệ thống: .......................... 60
4.3. Tổng mức đầu tư hệ thống pin mặt trời ............................................................. 60
Chi phí đầu tư xây dựng ...............................................................................60
Phân tích tính hiệu quả kinh tế của hệ thống pin mặt trời ........................... 61
v

4.4. Kết luận .................................................................................................................62
CHƯƠNG 5: LẮP ĐẶT, THU THẬP DỮ LIỆU VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ HỆ
THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI .............................................................. 63
5.1. Lắp đặt hệ thống pin năng lượng mặt trời. ........................................................63
5.2. Thu thập dữ liệu hệ thống pin năng lượng mặt trời và phụ tải tiêu thụ: ........65
Các dữ liệu thu thập về hệ thống năng lượng mặt trời:................................ 65
Các dữ liệu thu thập của phụ tải:..................................................................68
5.3. Đánh giá hệ thống pin năng lượng mặt trời. ......................................................70
Đánh giá giữa kết quả mô phỏng của phần mềm PVsyst và thực tế vận hành
của hệ thống năng lượng mặt trời đã lắp đặt: .........................................................70
Đánh giá về thông số kỹ thuật:.....................................................................71
Đánh giá về hiệu quả về tài chính: ............................................................... 72
Đánh giá về hiệu quả kinh tế - xã hội: .........................................................75
5.4. Kết luận: ................................................................................................................76
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................77
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................79
PHỤ LỤC .....................................................................................................................80

vi


DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu
bảng

Tên bảng

Trang

1.1.

Chỉ số giá thị trường thế giới các tấm pin mặt trời

5

1.2.

Chỉ số giá thị trường thế giới các tấm pin mặt trời

5

1.3.

Lượng bức xạ tổng cộng tháng và năm (kWh/m2)

17

1.6.

Bức xạ tổng cộng tháng và năm tính theo cơng thức thực nghiệm
của Berland (kWh/m2)
Bức xạ tổng cộng trung bình ngày theo tháng và
năm(kWh/m2/ngày)
Số giờ nắng tháng và năm trung bình nhiều năm (giờ)

1.7.

Bảng số liệu thống kê phụ tải trung bình trong 1 ngày

22

1.8.

Bảng số liệu thống kê phụ tải thực tế

23

2.1.

Bảng số liệu thống kê phụ tải

28

2.2.

Tiết diện dây chọn lựa

33

3.1.

Thông số tấm pin

36

3.2.

Thông số kỹ thuật bộ biến đổi điện mặt trời MG2KTL

41

3.3.

Các thơng số kỹ thuật chính của hệ thống mặt trời

46

4.1.

Một số thơng số chính của hệ thống

53

4.2.

Thơng số cụ thể về sản lượng điện phát ra của nhóm pin

57

4.3.

Thồng kê tổn thất trong nhóm pin

59

4.4.

Sản lượng điện năng sản xuất và tổn hao trong tồn hệ thống

60

4.5.

Tổng chi phí đầu tư xây dựng

60

5.1.

Bảng chốt chỉ số công tơ 2 chiều

69

5.2

Sản lượng điện hệ thống điện mặt trời tạo ra

70

5.3

Cảnh báo trong quá trình vận hành hệ thống thực tế

72

5.4

Đánh giá các chỉ tiêu đo đạc

72

5.5

Sản lượng điện năng lượng mặt trời

73

5.6

Thống kê chốt sản lượng điện và hóa đơn tiền điện chi trả

73

5.7

Kinh phí thu được từ sản lượng điện năng lượng mặt trời hòa lưới

74

1.4.
1.5.

vii

18
18
18

DANH MỤC CÁC HÌNH

Số hiệu
hình
1.1.
1.2.
1.3.
1.4.
1.5.
1.6.
1.7.
1.8.
1.9.
1.10.
1.11.
1.12.
1.13.
1.14.
1.15.
1.16.
2.1.
2.2.
2.3.
2.4.
2.5.
2.6.
2.7.
2.8.
2.9.
3.1.

3.2.
3.3.
3.4.
3.5.
3.6.
3.7.
3.8.
3.9.
3.10.
3.11.
4.1.

Tên hình

Trang

Xu hướng lắp đặt điện mặt trời trên thế giới giai đoạn 2005-2015
Xu hướng lắp đặt điện mặt trời trên thế giới giai đoạn 2006-2016
Bên ngoài mặt trời
Sự thay đổi nhiệt độ theo độ cao của các tầng khí quyển
Dải bức xạ điện từ
Góc nhìn mặt trời
Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển
của Trái đất
Vị trí của Trái đất và Mặt trời thay đổi trong năm
Quan hệ các góc hình học của tia bức xạ mặt trời trên mặt phẳng
nghiêng
Sơ đồ phân bố các thành phần bức xạ khuếch tán
Các thành phần bức xạ lên bề mặt nghiêng
Bức xạ trực xạ trên bề mặt nằm ngang và nghiêng

Sơ đồ nguyên lý nhà máy điện mặt trời PV nối lưới
Lễ động thổ nhà máy điện mặt trời PV nối lưới
PV nối lưới áp mái nhà
PV độc lập cấp điện cho xã Thượng Hóa huyện Bố Trạch
Hai mơ hình sử dụng hệ thống PV độc lập
Mơ hình biến đổi độc lập
Hệ thống PV độc lập có nguồn lưu trữ
Hệ thống PV có nguồn cấp dự phịng
Mơ hình hệ thống PV độc lập kết hợp với điện lưới
Mơ hình hệ thống PV liên kết với điện lưới
Góc nghiêng β của hệ thống
Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời
Bộ chuyển đổi DC-AC
Mô hình hệ thống cung cấp điện từ năng lượng mặt trời
Mặt bằng vị trí khảo sát lắp đặt pin
Cách thức đặt tấm pin
Hình ảnh thực tế lắp đặt gồm 02 dãy pin nối tiếp (mỗi dãy 4 tấm)
Các chi tiết lắp đặt hệ thống pin
Sơ đồ đấu chi tiết
Sơ đồ ngun lý
Cơng tơ điện tử 1 pha DT01M80
Mơ hình hệ thống RF Spider
Website RF-Spider
Giải pháp truyền thông giám sát cho hệ thống điện năng lượng
mặt trời hòa lưới
Địa điểm lắp đặt pin

4
4
8

9
9
10

viii

11
12
13
15
16
17
21
21
22
22
25
25
26
26
27
27
29
29
32
34
35
38
38
39

42
43
43
44
44
45
47


4.2.
4.3.
4.4.
4.5.
4.6.
4.7.
4.8.
4.9.
4.10.
4.11
4.12.
4.13.
4.14.
4.15.
4.16.
4.17.
4.18.
4.19.
4.20.
4.21.
5.1.

5.2.
5.3.
5.4.
5.5.
5.6.
5.7.
5.8.
5.9.
5.10.
5.11.
5.12.

Dữ liệu về bức xạ và nhiệt độ tại vị trí lắp đặt
Mơ phỏng góc nghiên lắp đặt hệ thống pin
Hệ số tổn thất nhiệt
Tổn thất điện trở dây điện
Tổn thất chất lượng module pin quang điện
Tổn thất vết bẩn của hệ thống pin
Tổn thất phản xạ điều chỉnh góc tới
Tổn thất điện năng phụ
Tổn thất lão hóa chất lượng pin quang điện
Thơng số cấu hình hệ thống
Biểu đồ phân bố năng lượng năng lượng bức xạ trong một năm
theo giá trị trong 1 ngày
Biều đồ phân bố công suất đầu ra của hệ thống pin quang điện và
hệ thống biến tần trong một năm
Phân bố điện áp đầu ra mảng pin quang điện
Sản lượng điện cung cấp cho tải ở các ngày trong năm
Sản lương điện năng trung bình ngày (trên 1kWp được lắp đặt)
qua các tháng

Hiệu suất chuyển đổi của hệ thống qua các tháng
Tỷ lệ tổn thất của hệ thống
Biểu đồ tổn thất
Tỷ trọng đầu tư
Đồ thị dòng lũy kế
Các module pin quang điện và thanh ray
Hệ thống đo đếm, bảo vệ, tủ điện
Pin quang điện sau khi hoàn tất lắp đặt
Tần số ngày 08/08/2018
Điện năng ngày 08/08/2018
Điện áp PV và điện áp lưới
Dòng điện một chiều tấm pin
Dịng điện xoay chiều ra Inverter
Cơng suất ra Inverter
Sản lượng điện mặt trời tháng 8 là 255,3kWh
Webside tra cứu các thông tin về điện năng
Biểu đồ sản lượng điện thu được trong mô phỏng và thực tế

ix

48
48
49
49
50
50
51
51
52
52

53
54
55
55
56
56
57
58
61
62
63
64
65
65
66
66
67
67
68
68
70
71


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Từ viết tắt
NLMT
ĐMT
EVN

DC
AC
SPV
CSP
STE
TBA
PV
OPF
C-O
CPC EMEC
RF-Mesh
THD
IAM

Tên Tiếng Việt
Năng lượng mặt trời
Điện mặt trời
Tập đoàn điện lực Việt Nam
Dịng điện một chiều
Dịng điện xoay chiều
Cơng nghệ quang điện
Cơng nghệ hội tụ năng lượng mặt trời
Công nghệ nhiệt năng mặt trời
Trạm biến áp
Điện mặt trời
Hệ thống điều khiển tối ưu trào lưu cơng suất
Hệ thống đóng - cắt
Trung tâm sản xuất thiết bị đo điện tử Điện lực miền Trung
Cơng nghệ khơng dây theo kiểu mắt lưới
Hệ số sóng hài

Độ nghiêng lắp đặt

x


THIẾT KẾ, LẮP ĐẶT VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ SỬ DỤNG
HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI HÒA LƯỚI ÁP MÁI
QUY MƠ HỘ GIA ĐÌNH
Học viên: LÊ ĐỨC DŨNG Chun ngành: Kỹ thuật điện
Mã số: 60520202
Khóa: K34QB.
Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN
Tóm tắt: Việc nghiên cứu sử dụng pin năng lượng mặt trời ngày càng được quan
tâm, nhất là trong tình trạng thiếu hụt năng lượng và vấn đề cấp bách về môi trường
hiện nay. Năng lượng mặt trời được xem như là dạng năng lượng ưu việt trong tương
lai, đó là nguồn năng lượng sạch, sẵn có trong thiên nhiên. Do vậy năng lượng mặt trời
ngày càng được sử dụng rộng rãi ở các nước trên thế giới.
Việt nam được xem là một quốc gia có tiềm năng rất lớn về NLMT, đặc biệt ở
miền Trung và miền Nam, với cường độ bức xạ mặt trời trung bình khoảng 4,22
kWh/m2. Với ưu thế về vị trí địa lý này, Việt Nam hồn tồn có thể sử dụng nguồn
năng lượng mặt trời đầy tiềm năng này.
Tỉnh Quảng Bình là khu vực miền Trung của Việt Nam, nơi có tổng số giờ nắng
và cường độ bức xạ nhiệt cao (trung bình xấp xỉ 4,22 kWh/m2/ngày), được đánh giá là
khu vực có tiềm năng rất lớn về năng lượng mặt trời.
Đề tài đặt ra vấn đề thiết kế, lắp đặt, vận hành hệ thống điện năng lượng mặt trời
hòa lưới áp mái quy mơ hộ gia đình đáp ứng nhu cầu sử dụng điện nhưng khơng phụ
thuộc hồn tồn vào nguồn điện lưới, đồng thời góp phần vào việc nghiên cứu và nhân
rộng mơ hình sử dụng năng lượng sạch trên địa bàn tỉnh Quảng Bình. Từ đó đưa ra các
kết quả dữ liệu sử dụng thực tế để đánh giá hệ thống đã thiết kế, lắp đặt
Từ khóa: Năng lượng mặt trời; Hệ thống năng lượng mặt trời lắp mái; hiệu quả;

Pvsys; Nối lưới.

xi


DESIGN, INSTALLATION AND EFFICIENCY ASSESSMENT OF THE
HOUSEHOLD-SCALE GRID-CONNECTED ROOFTOP PHOTOVOLTAIC
POWER SYSTEM
Abstract: The research on using photovoltaic panels is increasingly being
concerned, especially in the current situation of energy shortage and environmental
problems. Solar energy is considered a preeminent form of energy in the future, which
is a clean energy source and available in nature. Therefore, solar energy is widely used
in countries around the world.
Vietnam is seen as a country with great potential for solar energy, especially in
the Central and the South, with the average solar radiation intensity of about 4,22
kWh/m2. Having this advantage of geographical location, Vietnam can fully utilize
this potential solar energy.
QuangBinh province, which is the central region of Vietnam, with high sunshine
duration values and heat radiation intensity (approximately 4.22 kWh/m2 per day), is
assessed as an area with great potential for solar energy.
The project provides problems in design, installation and operation of the
household-scale grid-connected rooftop photovoltaic power system to meet the
demand for electricity, but does not depend entirely on the main grid, while
contributing to research and widely applying the model of clean energy in QuangBinh
province. Thereby giving the results using real data to evaluate system design and
installation.
Keywords: Solar energy; Rooftop photovoltaic power system; Efficiency; PV system;
Grid-connected

xii

MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Hiện nay, trước thách thức về thay đổi khí hậu, cạn kiệt nguồn tài ngun khống
sản, các nguồn năng lượng tái tạo và năng lượng sạch dần được đưa vào để thay thế
cho các nguồn năng lượng khống sản. Một trong các nguồn năng lượng đó là nguồn
năng lượng mặt trời. Việc nghiên cứu sử dụng pin năng lượng mặt trời ngày càng được
quan tâm, nhất là trong tình trạng thiếu hụt năng lượng và vấn đề cấp bách về môi
trường hiện nay. Năng lượng mặt trời được xem như là dạng năng lượng ưu việt trong
tương lai, đó là nguồn năng lượng sạch, sẵn có trong thiên nhiên. Do vậy năng lượng
mặt trời ngày càng được sử dụng rộng rãi ở các nước trên thế giới.
Việt nam được xem là một quốc gia có tiềm năng rất lớn về NLMT, đặc biệt ở
miền Trung và miền Nam, với cường độ bức xạ mặt trời trung bình khoảng 4,22
kWh/m2. Với ưu thế về vị trí địa lý này, Việt Nam hồn tồn có thể sử dụng nguồn
năng lượng mặt trời đầy tiềm năng này.
Tỉnh Quảng Bình là khu vực miền Trung của Việt Nam, nơi có tổng số giờ nắng
và cường độ bức xạ nhiệt cao (trung bình xấp xỉ 4,22 kWh/m2/ngày), được đánh giá là
khu vực có tiềm năng rất lớn về năng lượng mặt trời. Do đó việc chọn đề tài “Thiết kế,
lắp đặt và đánh giá hiệu quả sử dụng hệ thống điện năng lượng mặt trời hịa lưới
áp mái quy mơ hộ gia đình” vừa đáp ứng nhu cầu sử dụng điện nhưng khơng phụ
thuộc hồn tồn vào nguồn điện lưới, đồng thời góp phần vào việc nghiên cứu và nhân
rộng mơ hình sử dụng năng lượng sạch trên địa bàn tỉnh Quảng Bình.
2. Mục đích nghiên cứu
- Mục tiêu của đề tài là thiết kế, lắp đặt, vận hành và đánh giá hiệu quả sử dụng
hệ thống điện năng lượng mặt trời hịa lưới áp mái quy mơ hộ gia đình, Đánh giá độ ổn
định của hệ thống, ảnh hưởng của mơ hình đến lưới và phụ tải điện của hộ tiêu thụ.
- Giảm thiểu tình trạng lệ thuộc hồn tồn nguồn năng lượng tiêu thụ từ lưới điện
đồng thời từng bước góp phần tăng tỷ trọng sử dụng nguồn năng lượng mặt trời và
giảm tác động đến môi trường khu vực tỉnh Quảng Bình.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
a) Đối tượng nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống điện mặt trời sử dụng những tấm pin quang
điện thu năng lượng mặt trời, thiết bị chuyển đổi nguồn thơng minh từ DC sang AC
tạo ra dịng điện 220V (dạng sóng sin chuẩn) cung cấp cho hộ tiêu thụ điện. Đề tài sử
dụng cơng nghệ mới tạo ra dịng điện cung cấp trực tiếp cho hộ tiêu thụ không dùng ắc
quy lưu trữ, khi nguồn điện tạo ra thiếu thì sẽ lấy bổ sung từ điện trên lưới để đưa vào
sử dụng.
b) Phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu xây dựng mơ hình điện mặt trời (ĐMT) sử dụng pin quang điện cho
những phụ tải vừa và nhỏ quy mô hộ gia đình. Hệ thống sẽ đảm bảo một phần điện sử
dụng cho hộ tiêu thụ, phần thiếu sẽ cung cấp bổ sung từ lưới điện.
- Thời gian nghiên cứu: tháng 5 đến tháng 8 năm 2018.
1


4. Phương pháp nghiên cứu
- Đánh giá tiềm năng năng lượng mặt trời tại Quảng Bình;
- Khảo sát, đánh giá nhu cầu phụ tải điện tại một số hộ gia đình;
- Nghiên cứu lựa chọn giải pháp, cơng nghệ nhằm khai thác nguồn năng lượng
mặt trời để phát điện không dùng ắc quy trong các cơ quan văn phòng và khu hành
chính;
- Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời hịa lưới áp mái quy mơ
hộ gia đình;
- Cung cấp thiết bị, lắp đặt, vận hành hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới
áp mái quy mơ hộ gia đình;
- Nghiên cứu ảnh hưởng của mơ hình đến lưới và phụ tải điện tiêu thụ;
- Phân tích hiệu quả kinh tế - xã hội mơi trường.
5. Ý nghĩa thực tiễn và khoa học của đề tài
- Đáp ứng nhu cầu sử dụng điện, không phụ thuộc hoàn toàn vào nguồn điện lưới

cho quy mộ hộ gia đình.
- Giảm thiểu tác động đến mơi trường, giảm hóa đơn tiêu thụ điện năng cho hộ
gia đình.
- Góp phần vào việc triển khai và nhân rộng mơ hình hệ thống điện năng lượng
mặt trời hòa lưới áp mái quy mơ hộ gia đình trên địa bàn tỉnh Quảng Bình.
6. Cấu trúc của luận văn
Luận văn được trình bày thành 5 chương và đưa ra Kết luận:
Chương 1: Tổng quan về năng lượng mặt trời và các chính sách hỗ trợ
Chương 2: Các mơ hình biến đổi nưng lượng mặt trời thành điện năng
Chương 3: Thiết kế hệ thống pin năng lượng mặt trời và mô phỏng trên phần
mềm PVSyst
Chương 4: Mô phỏng hệ thống pin năng lượng mặt trời, phân tích kết quả. Tính
tốn chi phí
Chương 5: Lắp đặt, thu thập dữ liệu và đánh giá hiệu quả hệ thống pin năng
lượng mặt trời

2


CHƯƠNG 1
TỞNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
VÀ CÁC CHÍNH SÁCH HỖ TRỢ
1.1. Tổng quan và xu hướng phát triển điện mặt trời trên thế giới.
Tổng quan về năng lượng mặt trời:
Vấn đề sử dụng năng lượng mặt trời (NLMT) đã được các nhà khoa học trên thế
giới và trong nước quan tâm. Mặc dù tiềm năng của NLMT rất lớn, nhưng tỷ trọng
năng lượng được sản xuất từ NLMT trong tổng năng lượng tiêu thụ của thế giới vẫn
còn khiêm tốn. Các ứng dụng NLMT phổ biến hiện nay bao gồm các lĩnh vực chủ yếu
sau:
- Nhiệt mặt trời: sử dụng các thiết bị đun nước nóng, bếp đun bằng các dạng tấm

thu NLMT, thiết bị sấy NLMT, thiết bị chưng cất nước dùng NLMT, thiết bị làm lạnh
và điều hồ khơng khí dùng NLMT hay dùng NLMT chạy các động cơ nhiệt (động cơ
Stirling).
- Điện mặt trời: cơ sở là sử dụng các pin mặt trời ở các quy mô khác nhau: quy
mô nhỏ không nối lưới thường là các tấm pin mặt trời tạo ra điện từ năng lượng mặt
trời và sử dụng trực tiếp (như dùng trong chiếu sáng, cấp điệns inh hoạt hoặc cho các
thiết bị văn phịng, các máy đo tự động, viễn thơng,…); quy mơ nhỏ có nối lưới
thường là các dàn pin mặt trời được lắp đặt trên các mái nhà của hộ gia đình hay cơng
sở và quy mơ lớn nối lưới.
Trong một thập kỷ qua, năng lượng mặt trời đã phát triển khơng ngừng, với cả
hai loại cơng nghệ chính, đó là cơng nghệ quang điện SPV và cơng nghệ hội tụ năng
lượng mặt trời CSP (concentrated solar power) hay cịn gọi là Cơng nghệ nhiệt năng
mặt trời STE (Solar thermal energy). Trong đó, điện mặt trời theo cơng nghệ quang
điện SPV được nhiều nước đầu tư phát triển từ giai đoạn đầu tiên của ngành điện mặt
trời.
Quang điện mặt trời tiếp tục là một trong những ngành công nghiệp phát triển
nhanh nhất thế giới. Thị trường quang điện mặt trời thể hiện ba xu hướng rõ ràng
là: Roof-top resident (Điện mặt trời áp mái cho nhà dân) đang ngày càng gia tăng, thể
hiện rõ tiện ích và tiết kiệm; Roof-top factory (Điện mặt trời áp mái cho cơ sở sản
suất) đang dần trở nên cần thiết với các doanh nghiệp, tiết kiệm tối đa chi phí sản xuất,
với cơng suất 20kWp đến 1MWp; Solar Plant (nhà máy điện Năng lượng mặt trời)
với quy mô lớn, công suất 5MWp-1GWp, đang dần đáp ứng nhu cầu điện năng trên
toàn Thế giới.
Điện mặt trời lắp mái thực chất là các nhà máy điện mặt trời sử dụng pin quang
điện. Các tấm pin năng lượng mặt trời hoặc ngói năng lượng mặt trời được lắp đặt trên
các mái nhà, các tấm pin hoặc ngói năng lượng mặt trời này sẽ hấp thu ánh năng mặt
trời và chuyển thành điện năng. Dòng điện này được dẫn tới bộ điều khiển (charge
controller) là một thiết bị có chức năng có chức năng tự động điều hòa dòng điện từ
pin mặt trời và dòng điện nạp cho acquy. Thông qua bộ đổi điện DC/AC (Inverter) tạo
ra dòng điện xoay chiều chuẩn 220V/50Hz để chạy các thiết bị điện trong gia đình như

đèn chiếu sáng; quạt…nếu cịn thừa sẽ được tích trữ lại dưới dạng ắc quy hoặc phát lên
lưới.
Như vậy, điện mặt trời lắp mái tạo ra một nguồn điện độc lập, xanh sạch và bảo
3


vệ mơi trường và giúp làm giảm hóa đơn tiền điện, thậm chí người dùng có thể khơng
cần tham gia vào mạng lưới điện thực hiện mơ hình điện mặt trời lắp mái sẽ góp phần
giảm áp lực về điện trong bối cảnh nguồn năng lượng hóa thạch phục vụ cho sản xuất
điện đang gặp khó khăn. Trong số những nguồn năng lượng tái tạo ở Việt Nam, điện
mặt trời có tính khả thi cao, dễ thực hiện, đặc biệt là điện mặt trời lắp mái. Xu hướng
của thế giới là hướng đến ngơi nhà thơng minh, tích tiểu thành đại, lại không cần phải
thay đổi điều kiện cơ sở hạ tầng lưới điện hiện nay.
Xu hướng phát triển điện năng lượng mặt trời.
Với sự phát triển tiến bộ không ngừng về cơng nghệ, mức chi phí đầu tư ban đầu
ngày càng giảm, chi phí vận hành và bảo dưỡng nhỏ nên giá thành sản xuất điện từ
mặt trời đang dần cạnh tranh với các nguồn điện từ nhiên liệu hóa thạch (chẳng hạn
than nhập khẩu). Hiện nay, điện từ nguồn năng lượng mặt trời đang phát triển mạnh
với tốc độ rất cao. Năm 2016, đã có 303 GW điện từ mặt trời được kết nối với hệ
thống điện, tăng 75.000 MW so với cuối năm 2016 (228.000 MW) và tăng 44,5 lần về
công suất lắp đặt trong 10 năm qua (2005-2015). Chỉ trong 5 năm trở lại đây các
cường quốc điện mặt trời có tên trong các vị trí từ 1 đến 5 thay đổi liên tục giữa Đức,
Tây Ban Nha, Ấn Độ, Trung Quốc, Mỹ [1-4].

Hình 1.1. Xu hướng lắp đặt điện mặt trời trên thế giới giai đoạn 2005-2015
(Nguồn: Báo cáo tình trạng năng lượng tái tạo trên tồn thế giới năm 2015)

Hình 1.2. Xu hướng lắp đặt điện mặt trời trên thế giới giai đoạn 2006-2016
(Nguồn: Báo cáo tình trạng năng lượng tái tạo trên tồn thế giới năm 2016)
4

Chỉ số giá thị trường thế giới các tấm pin mặt trời:
Giá tấm pin mặt trời đã giảm mạnh từ 3,5 ÷ 4 EUR/Wp năm 2008 xuống cịn chỉ
0,41 ÷ 0,57 EUR/Wp vào tháng 12 năm 2016 đã thúc đẩy phát triển mạnh mẽ điện mặt
trời ở nhiều nước đang phát triển như Thái Lan, Trung Quốc và kể cả Việt Nam. Hình
dưới đây cho viết giá tấm pin mặt trời tại thời điểm từ 01/12/2016 theo các vùng lãnh
thổ và các nước [1-4].
Bảng 1.1. Chỉ số giá thị trường thế giới các tấm pin mặt trời
Xu hướng giá tháng 12/2016
Kiểu Module, nguồn
Xu hướng từ
Xu hướng từ
€/Wp
gốc
11/2016
01/2016
Germany, Europe

0,49

- 2,0%

- 16,9%

Japan, Korea

0,57

- 1,7%

- 13,6%

China

0,50

2,0%

- 10,7%

Southeast Asia,
0,41
- 2,4%
- 14,6%
Taiwan
Nguồn: tháng 12 năm 2016
Bảng 1.2. Chỉ số giá thị trường thế giới các tấm pin mặt trời
Xu hướng giá tháng 5/2017
Kiểu Module, nguồn
Xu hướng từ
Xu hướng từ
€/Wp
gốc
03/2017
01/2017
Germany, Europe

0,45

- 2,2%

- 6,2%

Japan, Korea

0,53

0,0%

- 7,0%

China

0,46

0,0%

- 6,1%

Southeast Asia,
0,40
+2,6%
0,0%
Taiwan
Nguồn: tháng 5 năm 2017
1.2. Các quy định và chính sách hỗ trợ chính phủ và ngành điện về năng lượng
mặt trời.
Các quy định chung và chính sách hỗ trợ chung:
* Thông tư 39/2015/TT-BCT ngày 18/11/2015 Quy định về Hệ thống điện phân

phối.
Điều 41. Yêu cầu đối với hệ thống điện mặt trời đấu nối vào lưới điện phân phối
cấp điện áp hạ áp
Hệ thống điện mặt trời được phép đấu nối với lưới điện hạ áp khi đáp ứng các
yêu cầu sau:
5


1. Công suất đấu nối
a) Tổng công suất đặt của hệ thống điện mặt trời đấu nối vào cấp điện áp hạ áp
của trạm biến áp hạ thế không được vượt quá 30 % công suất đặt của trạm biến áp đó;
b) Hệ thống điện mặt trời có cơng suất dưới 03 kVA trở xuống được đấu nối vào
lưới điện hạ áp 01 (một) pha hoặc 03 (ba) pha;
c) Hệ thống điện mặt trời có cơng suất từ 03 kVA đến 100 kVA (nhưng không
vượt quá 30 % công suất đặt của trạm biến áp hạ thế đấu nối) được đấu nối vào lưới
điện hạ áp 03 (ba) pha.
2. Hệ thống điện mặt trời phải có khả năng duy trì vận hành phát điện liên tục
trong dải tần số từ 49 Hz đến 51 Hz. Khi tần số hệ thống điện nằm ngồi dải từ 49 Hz
đến 51 Hz thì hệ thống điện mặt trời phải có khả năng duy trì vận hành phát điện trong
thời gian tối thiểu 0,2 giây.
3. Hệ thống điện mặt trời phải có khả năng duy trì vận hành phát điện liên tục khi
điện áp tại điểm đấu nối trong dải từ 85 % đến 110 % điện áp định mức. Khi điện áp
tại điểm đấu nối nằm ngoài dải từ 85 % đến 110 % điện áp định mức thì hệ thống điện
mặt trời phải có khả năng duy trì vận hành phát điện trong thời gian tối thiểu 02 giây.
4. Hệ thống điện mặt trời không được gây ra sự xâm nhập của dòng điện một
chiều vào lưới điện phân phối vượt quá giá trị 0,5 % dòng định mức tại điểm đấu nối.
5. Hệ thống điện mặt trời phải trang bị thiết bị bảo vệ đảm bảo loại trừ sự cố và
vận hành an toàn hệ thống điện mặt trời. Đối với hệ thống điện mặt trời có cơng suất
từ 10 kVA trở lên, khách hàng có đề nghị đấu nối phải thống nhất các yêu cầu về hệ
thống bảo vệ với Đơn vị phân phối điện.

6. Hệ thống điện mặt trời đấu nối vào lưới điện hạ áp phải tuân theo các quy định
về điện áp, cân bằng pha, sóng hài, nhấp nháy điện áp và chế độ nối đất quy định tại
Điều 5, Điều 6, Điều 7, Điều 8 và Điều 10 Thông tư này.
* Quyết định số 2068/QĐ-TTg ngày 25/11/2015 của Thủ tướng Chính phủ phê
duyệt Chiến lược phát triển năng lượng tái tạo của Việt Nam đến năm 2030, tầm nhìn
đến năm 2050. Một trong những nội dung chính của Chiến lược là ưu tiên phát triển
nhanh điện mặt trời, Định hướng phát triển nguồn điện từ NLMT của Việt Nam được
nêu rõ trong Quyết định như sau:
- Phát triển điện mặt trời để cung cấp điện cho hệ thống điện quốc gia;
- Điện năng sản xuất từ năng lượng mặt trời tăng từ khoảng 10 triệu kWh năm
2015 lên khoảng 1,4 tỷ kWh vào năm 2020; khoảng 35,4 tỷ kWh vào năm 2030. Đưa
tỷ lệ điện năng sản xuất từ nguồn NLMT trong tổng sản lượng điện sản xuất từ mức
không đáng kể hiện nay lên đạt khoảng 0,5% vào năm 2020, khoảng 6% vào năm
2030.
Để có thể đạt được các mục tiêu này, Chính phủ Việt Nam đã đưa ra nhiều ưu đãi
đối với các nhà đầu tư. Các nhà máy NLTT sẽ nhận được ưu đãi đầu tư, ưu đãi về biểu
giá điện và ưu đãi thuế. Các nhà đầu tư có thể hưởng các ưu đãi khác như miễn thuế
nhập khẩu thiết bị, miễm giảm thuế thu nhập doanh nghiệp và miễn thuế sử dụng đất
trong một khoảng thời gian, các ưu đãi về tín dụng đầu tư theo các quy định pháp luật
hiện hành về tín dụng đầu tư và tín dụng xuất khẩu của Nhà nước.
Các tiêu chuẩn bắt buộc áp dụng áp dụng cho các nhà đầu tư điện từ năng lượng
hóa thạch và các đơn vị mua điện trong thời gian tới, đó là:
- Các đơn vị phát điện có công suất lắp đặt các loại nguồn điện lớn hơn 1.000
MW (khơng kể các nguồn điện đầu tư theo hình thức BOT), tỷ lệ điện sản xuất từ việc
6


sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo (không kể các nguồn thủy điện có cơng suất lớn
hơn 30 MW): Đến năm 2020 không thấp hơn 3%; năm 2030 không thấp hơn 10%.
- Các đơn vị phân phối điện có tỷ lệ điện năng sản xuất, điện năng mua được sản

xuất từ các nguồn điện sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo và khách hàng sử dụng
điện cuối cùng tự sản xuất từ nguồn năng lượng tái tạo (không kể các nguồn thủy điện
có cơng suất lớn hơn 30 MW): Đến năm 2020 không thấp hơn 5%; năm 2030 không
thấp hơn 10%.
* Quyết định 428/QĐ-TTg ngày 18/3/2016 của Thủ tướng Chính phủ phê duyệt
điều chỉnh Quy hoạch phát triển Điện lực quốc gia giai đoạn 2011-2020, có xét đến
năm 2030, trong đó có định hướng quy hoạch phát triển nguồn điện mặt trời lên
khoảng 850MW vào năm 2020, khoảng 4.000MW vào năm 2025 và khoảng
12.000MW vào năm 2030. Điện năng sản xuất từ nguồn điện mặt trời chiếm tỷ trọng
khoảng 0,5% năm 2020, khoảng 1,6% năm 2025, khoảng 3,3% năm 2030.
* Quyết định số 11/2017/QĐ-TTg ngày 11/4/2017 của Chính phủ về cơ chế
khuyến khích phát triển các dự án điện mặt trời tại Việt Nam.Những điểm đáng lưu ý
trong Quyết định là biểu giá và các cơ chế hỗ trợ khác. Tóm lược nội dung chính của
bản thảo Quyết định đối với dự án điện mặt trời quy mô lớn nối lưới như sau:
i. Là các dự án điện mặt trời quy mô công nghiệp nối lưới quốc gia;
ii. Bên mua điện có trách nhiệm mua tồn bộ sản lượng điện từ các dự án nối lưới
với giá điện tại điểm giao nhận điện là 2.068 đồng/kWh (chưa bao gồm thuế giá trị gia
tăng, tương đương với 9,35 Uscents/kWh), Giá bán điện được điều chỉnh theo biến
động của tỷ giá đồng/USD.
iii. Giá điện này chỉ áp dụng cho các dự án điện mặt trời nối lưới có hiệu suất của
tế bào quang điện (solar cell) lớn hơn 16% (module là từ 15%).
iv. Việc mua bán điện theo hợp đồng mẫu-không đàm phán. Thời hạn của hợp
đồng mua bán điện là hai mươi (20) năm kể từ ngày vận hành thương mại. Sau 20
năm, hai bên có thể gia hạn thời gian hợp đồng hoặc ký hợp đồng mới theo quy định
của pháp luật hiện hành;
v. Các ưu đãi khác, gồm: ưu đãi về vốn đầu tư và thuế (thực hiện như đối với dự
án thuộc lĩnh vực ưu đãi đầu tư theo quy định của pháp luật hiện hành về thuế); Ưu đãi
về đất đai (Các dự án điện mặt trời và cơng trình đường dây và trạm biến áp để đấu nối
với lưới điện quốc gia được miễn, giảm tiền sử dụng đất, tiền thuê đất theo quy định
của pháp luật hiện hành áp dụng đối với dự án thuộc lĩnh vực ưu đãi đầu tư); Miễn

thuế nhập khẩu (nguyên liệu, vật tư, bán thành phẩm trong nước chưa sản xuất được).
vi. Quyết định có hiệu lực thi hành kể từ ngày 01/6/2017 đến ngày 30/6/2019.
* Thông tư 16/2017/TT-BCT ngày 12/9/2017 của Bộ Công Thương quy định về
phát triển dự án và Hợp đồng mua bán điện mẫu áp dụng cho các dự án điện mặt trời.
Các quy định chung và chính sách hỗ trợ đối với hệ thống điện mặt trời
áp mái nhà
* Quyết định số 67/QĐ-EVN ngày 28 tháng 2 năm 2018 của Chủ tịch hội đồng
thành viênTập đoàn Điện lực Việt Nam về việc phân cấp, ủy quyền ký kết và thực hiện
Hợp đồng mua bán điện đối với các dự án điện mặt trời trên mái nhà.
* Văn bản số 1337/EVN-KD ngày 21/3/2018 của Tập đoàn Điện lực Việt Nam
về việc hướng dẫn tạm thời đối với các dự án điện mặt trời trên mái nhà.
* Văn bản số 2230/EVNCPC-KD ngày 03/04/208 của Tổng Công ty Điện lực
miền Trung về việc hướng dẫn tạm thời đối với các dự án điện mặt trời trên mái nhà.
7


1.3. Cơ sở lý thuyết về năng lượng mặt trời [5]
Giới thiệu về năng lượng mặt trời
Mặt trời - ngôi sao trong trung tâm Thái dương hệ và là nguồn cung cấp năng
lượng, ánh sáng tự nhiên cho Trái đất.Mặt trời luôn phát ra một nguồn năng lượng
khổng lồ và một phần nguồn năng lượng đó truyền bằng bức xạ đến trái đất chúng
ta.Trái đất và Mặt trời có mối quan hệ chặt chẽ, chính bức xạ mặt trời là yếu tố quyết
định cho sự tồn tại của sự sống trên hành tinh của chúng ta.Năng lượng mặt trời là một
trong các nguồn năng lượng sạch được xem là vô tận và nó là nguồn gốc của các
nguồn năng lượng khác trên trái đất.Đối với cuộc sống con người, năng lượng mặt trời
là 1 nguồn năng lượng tái tạo quý báu. Nguồn năng lượng thay thế này đã và đang
được các nhà khoa học đặc biệt quan tâm. Con người đã biết tận hưởng nguồn năng
lượng quí giá này từ rất lâu, tuy nhiên việc khai thác, sử dụng nguồn năng lượng này
một cách hiệu quả nhất thì vẫn là vấn đề mà chúng ta đang quan tâm. Việc tiếp cận để
tận dụng nguồn năng lượng mới này không chỉ góp phần cung ứng kịp nhu cầu năng

lượng của xã hội mà còn giúp tiết kiệm điện năng và giảm thiểu ơ nhiễm mơi trường.
Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính khoảng 1,4 triệu km (lớn hơn
110 lần đường kính Trái đất), cách xa trái đất 150.106km (bằng một đơn vị thiên văn
AU ánh sáng Mặt trời cần khoảng 8 phút để vượt qua khoảng này đến Trái đất). Thành
phần gồm các khí có nhiệt độ rất cao, nhiệt độ bề mặt khoảng 5762 oK. Bao gồm 92,1
% Hydro và gần 7,8 % Hêli, 0,1 % là các nguyên tố khác.
Mỗi giây, mặt trời phát một khối năng lượng khổng lồ vào Thái Dương Hệ. Tuy
nhiên chỉ một phần nhỏ tổng lượng bức xạ đến được trái đất. Tuy nhiên phần năng
lượng này được xem là vô cùng lớn, vào khoảng 1.367 MW/m2 ở ngoại tầng khí
quyển của Trái Đất. Một phần bức xạ mặt trời phản xạ lại về không gian bề mặt các
đám mây, 99% bức xạ mặt trời chiếu xuống bề mặt trái đất.
Trái đất chuyển động quanh Mặt trời, đồng thời nó cũng tự quay quanh trục của
nó. Thời gian quay một vòng quanh Mặt trời của Trái đất mất 365 ngày và 1/4 vịng
quanh trục của nó. Chuyển động quay quanh Mặt trời tạo nên bốn mùa, chuyển động
quay quanh trục tạo nên ngày và đêm trên Trái đất. Trục quay của Trái đất khơng
thẳng góc với mặt phẳng quỹ đạo, bởi thế chúng ta có mùa đơng và mùa hè.

Hình 1.3. Bên ngồi mặt trời
Khí quyển Trái Đất là lớp các chất khí bao quanh hành tinh Trái Đất và được giữ
lại bởi lực hấp dẫn của Trái Đất. Bầu khí quyển bảo vệ cuộc sống trên Trái Đất bằng
cách hấp thụ các bức xạ tia cực tím của mặt trời và tạo ra sự thay đổi về nhiệt
độ giữa ngày và đêm. Bầu khí quyển khơng có ranh giới rõ ràng với khoảng không vũ
8


trụ nhưng mật độ khơng khí của bầu khí quyển giảm dần theo độ cao [5].
Các kết quả nghiên cứu gần đây cho thấy lượng Ơzơn trong tầng thấp nhất của
khí quyển (tầng đối lưu hình 1.4) ngày càng tăng. Nhiệt lượng bức xạ rất mạnh của
mặt trời làm tách các phân tử ra để tạo thành các ion và electron. Vì thế người ta gọi
tầng này là tầng điện ly (Ionosphere) các sóng điện từ bị phản xạ trong tầng này (hình

1.4).

Hình 1.4. Sự thay đổi nhiệt độ theo độ cao của các tầng khí quyển
Càng lên cao khí quyển càng mỏng và khơng có một ranh giới rõ ràng phân biệt
giữa khí quyển của trái đất và khơng gian. Người ta xác định rằng khí quyển chuẩn của
trái đất có độ cao 800km.Hai khái niệm quan trọng trong hệ thống tuabin gió.
Bức xạ mặt trời
Nguồn năng lượng bức xạ của mặt trời chủ yếu là do phản ứng nhiệt hạch tổng
hợp hạt nhân Hydro (4 hạt Hydro tổng hợp thành 1 hạt Heli và bức xạ ra năng lượng)
Trong toàn 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 ban 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 bước sóng.
Độ dài bước sóng (m)

Hình 1.5 Dải bức xạ điện từ
9


Bức xạ γ là sóng ngắn nhất trong các sóng đó (hình 1.5), từ tâm Mặt trời đi ra do
sự va chạm hoặc tán xạ mà năng lượng của chúng giảm đi và bây giờ chúng ứng với
bức xạ có bước sóng dài. Như vậy bức xạ chuyển thành bức xạ Rơnghen có bước 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.
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, được tính theo công thức:
4
(1.1)
 T 

2
q  φDT .C0 .
 [W / m ]
 100 

Trong đó:
D-T: 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’ như 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 1.6 Góc nhìn mặt trời
2

 2.3,14.32 


5762 4
360.60 

q

.5,76.(
)  1353 [W / m2 ]
4
100

(1.3)

Do khoảng cách giữa Trái đất và Mặt trời thay đổi theo mùa trong năm nên β
cũng thay đổi, do đó q cũng thay đổi nhưng độ thay đổi này khơng lớn lắm nên có thể
xem q là không đổi và được 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, hơi nước và bụi trong khí quyển, chỉ một phần năng lượng
được truyền trực tiếp tới Trái đất. Đầu tiên ơxy phân tử bình thường O2 phân ly thành
ôxy nguyên tử O, để phá vỡ liên kết phân tử đó, cần phải có các photon bước sóng
ngắn hơn 0,18μm, do đó các photon (xem bức xạ như các hạt rời rạc - photon) có năng
lượng như vậy bị hấp thụ hoàn toàn. Chỉ một phần các nguyên tử ơxy kết hợp thành
các phân tử, cịn đại đa số các nguyên tử tương tác với các phân tử ôxy khác để tạo
10


thành phân tử ôzôn O3, ôzôn cũng hấp thụ bức xạ tử ngoại nhưng với mức độ thấp hơn
so với ôxy, dưới tác dụng của các photon với bước sóng ngắn hơn 0,32μm, sự phân
tách O3 thành O2 và O xảy ra. Như vậy hầu như toàn bộ năng lượng của bức xạ tử
ngoại được 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 năng lượng nhỏ hơn.

Hình 1.7. Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển của Trái đất
Phần năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt trái đất trong những ngày
quang đãng (khơng có nhiều mây) ở thời điểm cao nhất vào khoảng 1.000W/m2 (hình

1.7). Yếu tố cơ bản xác định cường độ của bức xạ mặt trời ở một điểm nào đó trên Trái
đất là quãng đường nó đi qua. Sự mất mát năng lượng trên quãng đường đó gắn liền
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 1.8) và thực tế xem
như khơng đổi trong không gian. Sự định hướng như 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 năm.
23,5
0
66,50
Cực 23,5
Nam

0

23,5

23,5

0

0

Cực
Bắc

Cực
Bắc
Hình 1.8. Vị trí của Trái đất và mặt trời thay đổi trong năm

Tính tốn bức xạ năng lượng mặt trời
Cường 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 đường đi của các
tia sáng trong khí quyển hay nói chung là phụ thuộc vào độ cao của Mặt trời (Góc giữa
phương từ điểm quan sát đến Mặt trời và mặt phẳng nằm ngang đi qua điểm đó). Yếu
11


tố cơ bản xác định cường độ của bức xạ mặt trời ở một điểm nào đó trên Trái đất là
quãng đường nó đi qua. Sự mất mát năng lượng trên quãng đường đó gắn liền với sự
tán xạ, hấp thụ bức xạ và phụ thuộc vào thời gian trong ngày, mùa, vị trí địa lý.
Quan hệ giữa bức xạ mặt trời ngồi khí quyển và thời gian trong năm có thể xác
định theo phương trình sau:
(2.4)
360.n 


Eng  Eo 1  0,033.cos

365 


[ W / m2 ]

Trong đó:
Eng: bức xạ ngồi khí quyển được đo trên mặt phẳng vng góc với tia bức xạ
vào ngày thứ n trong năm.
a) Tính tốn góc tới của bức xạ trực xạ
Một số khái niệm cơ bản:
- Hệ số khối khơng khí m: là t ỷ số giữa khối lượng khí quyển theo phương tia

bức xạ truyền qua và khối lượng khí quyển theo phương thẳng đứng (tức là khi Mặt
trời ở thiên đỉnh). Như 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 được đưa vào tính tốn.
Riêng đối với trường hợp tính tốn bức xạ mặt trời ngồi khí quyển m =0.
- Trực xạ: là bức xạ mặt trời nhận được khi khơng bị bầu khí quyển phát tán. Đây
là dịng bức xạ có hướng và có thể thu được ở các bộ thu kiểu tập trung (hội tụ).
- Tán xạ: là bức xạ mặt trời nhận được sau khi hướng của nó đã bị thay đổi do sự
phát tán của bầu khí quyển (trong một số tài liệu khí tượng, tán xạ còn được gọi là bức
xạ của bầu trời, ở đây cần phân biệt tán xạ của mặt trời với bức xạ hồng ngoại của bầu
khí quyển phát ra).
- 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, thường gọi là bức xạ cầu trên bề mặt).
- Cường độ bức xạ (W/m2): là cường độ năng lượng bức xạ mặt trời đến một bề
mặt tương ứng với một đơn vị diện tích của bề mặt. Cường độ bức xạ cũng bao gồm
cường độ bức xạ trực xạ Etrx, cường độ bức xạ tán xạ Etx và cường độ bức xạ quang
phổ Eqp.
- Năng lượng bức xạ (J/m2): là năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới một đơn vị
diện tích bề mặt trong một khoảng thời gian, như vậy năng lượng bức xạ là một đại
lượng bằng tích phân của cường độ bức xạ trong một khoảng thời gian nhất định
(thường 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 ước giờ mặt trời chính ngọ là thời điểm mặt trời đi qua thiên đỉnh của
người quan sát. Giờ mặt trời là thời gian được sử dụng trong mọi quan hệ về góc mặt
trời, nó khơng đồng nghĩa 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 được xác định
theo các góc đặc trưng sau (hình 1.9);
- Góc vĩ độ φ: vị trí góc tương ứng với vĩ độ về phía bắc hoặc về phía nam đường
xích đạo trái đất, với hướng phía bắc là hướng dương: - 900 ≤ φ ≤ 900

12


Hình 1.9. Quan hệ các góc hình học của tia bức xạ mặt trời trên mặt phẳng nghiêng
- Góc nghiêng β: góc giữa mặt phẳng của bề mặt tính tốn và phương nằm
ngang. 0 ≤ β ≤ 1800 (β > 900 nghĩa là bề mặt nhận bức xạ hướng xuống phía dưới).
- Góc phương vị của bề mặt γ: góc lệch của hình chiếu pháp tuyến bề mặt trên
mặt phẳng nằm ngang so với đường kinh tuyến. Góc γ = 0 nếu bề mặt quay về hướng
chính nam, γ lấy dấu (+) nếu bề mặt quay về phía tây và lấy dấu (-) nếu bề mặt quay về
phía đơng. -1800 ≤ γ ≤ 1800
- Góc giờ ω: góc chuyển động của vị trí mặt trời về phía đơng hoặc phía tây của
kinh tuyến địa phương do quá trình quay của trái đất quanh trục của nó và lấy giá trị
150 cho 1 giờ đồng hồ, buổi sáng lấy dấu (-), buổi chiều lấy dấu (+).
- Góc tới θ: góc giữa tia bức xạ truyền tới bề mặt và pháp tuyến của bề mặt đó.
- Góc thiên đỉnh θz: góc giữa phương thẳng đứng (thiên đỉnh) và tia bức xạ tới.
Trong trường hợp bề mặt nằm ngang thì góc thiên đỉnh chính là góc tới θ.
- Góc cao mặt trời α: góc giữa phương nằm ngang và tia bức xạ truyền tới, tức là
góc phụ của góc thiên đỉnh.
- Góc phương vị mặt trời γs: góc lệch so với phương nam của hình chiếu tia bức
xạ mặt trời truyền tới trên mặt phẳng nằm ngang. Góc này lấy dấu âm (-) nếu hình
chiếu lệch về phía đơng và lấy dấu dương (+) nếu hình chiếu lệch về phía tây.
- Góc lệch δ: vị trí góc của mặt trời tương ứng với giờ mặt trời là 12 giờ (tức là
khi Mặt trời đi qua kinh tuyến địa phương) so với mặt phẳng của xích đạo trái đất, với
hướng phía bắc là hướng dương. -23,450 ≤ δ ≤ 23,450. Góc lệch δ có thể tính tốn theo
phương trình của Cooper:
(1.5)
284  n 

δ  23, 45.sin  360.


365 

Với: n là thứ tự ngày của 1 năm.
Quan hệ giữa các loại góc đặc trưng ở trên có thể biểu diễn bằng phương trình
giữa góc tới θ và các góc khác như sau:
(1.6)
Cos  sin.sin.cos  sin.cos.sin.cos  cos.cos.cos.cos

 cos.sin.sin.cos.cos  cos.sin.sin.sin
và : Cos  cosz.cos  sinz.sin.cos  s   
Đối với bề mặt nằm ngang góc tới θ chính là góc thiên đỉnh của mặt trời θz, giá
trị của nó phải nằm trong khoảng 00 và 900 từ khi mặt trời mọc đến khi Mặt trời ở thiên
đỉnh (β = 0):
cosθz = cosφ.cosδ.cosω + sinφ.sinδ
(1.7)
13