Tài liệu Nghiên cứu ứng dụng điện năng cho máy bơm nước từ pin năng lượng mặt trời

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

----------------------

NGUYỄN GIA HOÀNG ĐĂNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐIỆN NĂNG
CHO MÁY BƠM NƯỚC TỪ PIN
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ thuật điện
Mã số ngành : 60 52 02 02

TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

----------------------

NGUYỄN GIA HOÀNG ĐĂNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐIỆN NĂNG
CHO MÁY BƠM NƯỚC TỪ PIN
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ thuật điện

Mã số ngành : 60 52 02 02
HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS.TRƯƠNG VIỆT ANH

TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2015


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CỘNG NGHỆ TP.HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS. TRƯƠNG VIỆT ANH

Luận văn Thạc sĩ đư ợc bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP.HCM ngày tháng
năm 2015
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ g ồm :
Stt

Họ và tên

Chức danh hội đồng

1
2
3
4
5

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

Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn

Khoa quản lý chuyên ngành


TRƯỜNG ĐH CƠNG NGHỆ TP.HCM

CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG QLKH – ĐTSĐH

Độc lập – Tự Do – Hạnh Phúc

TP.HCM, ngày ... tháng ... năm 2015

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: Nguyễn Gia Hoàng Đăng

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 01 – 01 – 1986

Nơi sinh: Tỉnh Long an

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

MSHV: 134 183 000 2

I-TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐIỆN NĂNG CHO MÁY BƠM NƯỚC TỪ PIN
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

II-NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG
-

Nghiên cứu hệ thống pin năng lượng mặt trời.

-

Mơ hình ứng dụng điện năng cho máy bơm nước từ pin năng lượng mặt trời.

III-NGÀY GIAO NHIỆM VỤ

: 18 – 08 – 2014

IV-NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 21 – 03 - 2015
V-CÁN BÔ HƯỚNG DẨN
CÁN BỘ HƯỚNG DẨN

PGS.TS. TRƯƠNG VIỆT ANH

: PGS.TS. TRƯƠNG VIỆT ANH
KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH


i

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ
cơng trình nào khác.
Tơi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã

được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã đư ợc ghi rõ nguồn góc.

Học viên thực hiện Luận văn

Nguyễn Gia Hồng Đăng


ii

LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian học tập và rèn luyện tại Trường Đại học Công nghệ
TP.HCM. Xin chân thành cảm ơn tập thể quý Thầy Cô giáo đã giảng dạy, truyền đạt
trí thức giúp em học tập và nghiên cứu trong quá trình học cao học tại Trường Đại
học Công Nghệ TP.HCM.
Tôi chân thành cảm ơn thầy hướng dẩn PGS.TS. Trương Việt Anh đã nhiệt
tình hư ớng dẫn, chỉ bảo, truyền đạt kiến thức chuyên môn và kinh nghiệm để em
thực hiện luận văn này. Với sự nhiệt tình hướng dẫn của Quý Thầy đã làm động lực
cho em có tinh thần cố gắng, nỗ lực trong tìm tịi, nghiêng cứu để hoàn thành Luận
văn này.
Em cũng xin lời cảm ơn đến Ban giám hiệu Trường Đại học Công Nghệ
TP.HCM, Phòng Quản lý Khoa học và Đào tạo Sau Đại học đã h ổ trợ và giúp đỡ
em trong quá trình học tập.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, b ạn bè đã đ ộng viên, giúp đỡ
và tạo cho em niềm tin và nỗ lực cố gắng để hoàn thành luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn !

Tp.Hồ Chí Minh, ngày....tháng....năm 2015
Người thực hiện

Nguyễn Gia Hoàng Đăng

iii

TÓM TẮT
Hiện nay, nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng cao để đáp ứng nhu cầu
sinh hoạt và sản xuất của con người, trong đó nhu cầu sử dụng điện năng trong sinh
hoạt và sản xuất là không thể thiếu đối với con người. Nhưng hiện nay việc sản xuất
năng lượng điện vẫn chưa thể đáp ứng cho tất cả mọi người vì nhiều lý do khác
nhau như: nhu cầu sử dụng năng lượng điện quá lớn hoặc những vùng sâu vùng xa
chưa thể đưa nguồn điện đến được .v.v. Việc nghiên cứu sử dụng các nguồn năng
lượng tự nhiên để tạo ra nguồn điện là thật sự cần thiết để đáp ứng các nhu cầu sử
dụng, các nguồn năng lượng tự nhiên như: năng lượng gió, nhiệt điện, năng lượng
mặt trời,… là các nguồn năng lượng có thể đáp ứng được các nhu cầu đó. Đề tài
“Nghiên Cứu Ứng Dụng Điện Năng Cho Máy Bơm Nước Từ Pin Năng Lượng Mặt
Trời” là một phần trong việc sử dụng các nguồn năng lượng tự nhiên đó vào trong
sản xuất.
Đề tài “Nghiên Cứu Ứng Dụng Điện Năng Cho Máy Bơm Nước Từ Pin
Năng Lượng Mặt Trời” là đề tài tìm hiểu và tính tốn một ứng dụng thực tế về việc
sử dụng năng lượng Mặt Trời cho các nhu cầu về sinh hoạt và sản xuất của con
người. Đề tài sẽ giúp cho những người muốn tìm hiểu và mới tìm hiểu về nhu cầu
sử dụng Năng Lượng Mặt Trời, để đưa nguồn năng lương mới phát triển rộng rãi và
giúp một phần vào việc giải quyết bài toán năng lượng hiện nay.


iv

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN.........................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................ii

TÓM TẮT ................................................................................................................. iii
MỤC LỤC ..................................................................................................................iv
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................vi
DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................vii
DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, HÌNH ẢNH ............................................ viii
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ........................................................................................1
1.1.

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

1.1.1. Sự tiêu thụ năng lượng hiện tại và trong tương lai.[10].[11]................1
1.1.2. Năng lượng tái tạo..................................................................................5
1.1.3. Năng lượng mặt trời ...............................................................................7
1.1.4. Hệ thống bơm nước sử dụng năng lượng mặt trời ...............................12
1.2 Các đề tài nghiên cứu đã thực hiện .........................................................13
1.3 Định hướng của đề tài .............................................................................14
1.4 Nhiệm vụ của đề tài..................................................................................14
1.5 Kết quả mong muốn ................................................................................15
CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG PIN
MẶT TRỜI .....................................................................................................16
2.1 Mặt Trời và nguồn bức xạ Mặt Trời ........................................................16
2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Pin Mặt Trời ..................................19
2.2.1 Cấu tạo pin Mặt Trời .............................................................................20
2.3 Hệ thống pin mặt trời ...............................................................................26
2.3.1 Hệ thống pin mặt trời thường sử dụng hiện nay ...................................26
2.3.2 Các loại pin Mặt Trời mới.....................................................................27
2.4 Ứng dụng của pin mặt trời. [2].................................................................30
CHƯƠNG 3 GIỚI THIỆU BỘ DỊ CƠNG SUẤT CỰC ĐẠI VÀ MẠCH TĂNG
ÁP...................................................................................................................34
3.1 Vai trị của việc dị cơng suất cực đại. [8]................................................34

3.2 Các phương pháp dị cơng su ất cực đại- MPPT.......................................35


v
3.4 Tính tốn và thi cơng mạch DC/DC converter.........................................39
3.4.1 Cơ sở tính tốn ......................................................................................39
CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH BƠM NƯỚC TỪ PIN NĂNG
LƯỢNG MẶ T TRỜI .....................................................................................45
4.1 Xây dựng mơ hình bơm nước sử dụng năng lượng mặt trời....................45
4.1.1 Thiết kế mơ hình bơm nư ớc sử dụng năng lượng mặt trời ...................45
4.1.1.1 Yêu cầu mô hình ................................................................................45
4.1.1.2 Sơ đồ nguyên lý mạch tăng áp và điều khiển.....................................45
4.1.2 Thi cơng mạch tăng áp và dị cơng suất cực đại ...................................46
4.1.2.1 Vật tư thi công mạch tăng áp và dị cơng suất cực đại.......................46
4.1.2.2 u cầu của mơ hình..........................................................................46
4.1.2.3 Kết quả thi cơng mạch........................................................................47
4.1.3 Giới thiệu động cơ bơm nước và tính tốn trên cơ sở lý thuyết ...........47
4.1.3.1 Cấu tạo máy bơm ly tâm [10].............................................................47
4.1.3.2 Nguyên lý hoạt động của bơm ly tâm ................................................48
4.1.3.3 Các đặc điểm của bơm ly tâm.[4].[10].[11]. ......................................49
4.1.4 Nguồn lưu trữ năng lượng acquy ..........................................................54
4.1.5 Sơ đồ điện hệ thống ...............................................................................55
4.1.6 Kết quả thi cơng mơ hình và giá trị khảo sát thực tế.............................56
4.1.7 Kết quả nghiên cứu đạt được và đánh giá kết quả ................................58
4.2 Bài tốn thực tế ........................................................................................58
4.2.1 Tính tốn cơng suất máy bơm ...............................................................59
4.2.2 Tính tốn chọn cơng suất pin mặt trời...................................................60
4.2.3 Tính kích cỡ tấm pin mặt trời [10] ........................................................60
4.2.4 Tính solar charge controller [10] ........................................................61
CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ...................63

5.1. Kết luận của đề tài...................................................................................63
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................64


vi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
PV

: PhotoVotaic : Pin quang điện (pin mặt trời)

PPT (Maximum power point): Điểm làm việc mà tại đó cơng suất thu được cực
đại
MPPT

: Maximum Power Point Tracking : Dị tìm điểm cực đại

DC (Direct current)

: Điện một chiều

AM (Air Mass ratio) : Tỷ số khối khí Phổ bức xạ
DSC (dye-Sensitized solar Cell): chất màu (một loại Pin mặt trời giá rẻ)
NLTT

: Năng Lượng Tái Tạo.

NLMT

: Năng Lượng Mặt Trời

vii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Mức dự trữ các nguồn năng lượng hóa thạch ..............................................1
Bảng 1.2 Dự đốn lượng tiêu thụ sơ cấp trên thế giới (đơn vị: triệu tấn dầu) ............2
Bảng 1.3 Trữ lượng các mỏ than Quảng Ninh (ĐVT: Ngàn tấn) ...............................4
Bảng 1.4 Thống kê về than Việt Nam của EIA (ĐVT: Ngàn tấn) ..............................4
Bảng 1.5 Tỷ lệ sản xuất điện năng của thế giới năm 2010 .........................................6


viii

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Mức tiêu thụ các nguồn năng lượng trên thế giới 1990 – 2035 ...................3
Hình 1.2 Dự báo nhu cầu năng lượng Việt Nam ........................................................4
Hình 1.3 Mức tiêu thụ điện của Việt Nam ..................................................................5
Hình 1.4 Cơng suất phát điện xây dựng năm 2010 (khơng kể thủy điện nhỏ) (ĐVT:
GW).............................................................................................................................7
Hình 1.5 Lượng năng lượng mặt trời cung cấp cho Trái Đất .....................................8
Hình 1.6 Hệ thống nước nóng đun bằng năng lượng Mặt Trời ..................................9
Hình 1.7 Cơng nghệ nhiệt Mặt Trời sử dụng máng hội tụ Parabol ...........................10
Hình 1.8 Một Cell Pin Mặt Trời ................................................................................11
Hình 1.9 Tổng cơng suất lắp đặt Pin Mặt Trời trên thế giới từ năm 2005 -2010 ......11
Hình 1.10 Hệ thống bơm nước sử dụng năng lượng Mặt Trời .................................13
Hình 2.1 Cấu trúc Mặt Trời.[11]. ..............................................................................16
Hình 2.2 Dãy bức xạ điện từ .[7]. .............................................................................17
Hình 2.3 Góc nhìn Mặt Trời......................................................................................18
Hình 2.3 Một cell pin Mặt Trời.[2]. ..........................................................................19

Hình 2.4 Cấu tạo pin Mặt Trời.[10].[6]. ...................................................................20
Hình 2.5 Các loại cấu trúc tinh thể của pin Mặt Trời. [11]. ......................................20
Hình 2.6 Mộ t số loại panel pin Mặt Trời. [10].[11]. .................................................22
Hình 2.7 Quá trình tạo một panel pin Mặt Trời.[6] ..................................................23
Hình 2.8 Nguyên lý hoạt động của pin Mặt Trời ......................................................23
Hình 2.9 Hệ thống 2 mức năng lượng trong đó E2>E1 .[6].[7]. ...............................24
Hình 2.10 Các vùng năng lượng .[6]. ........................................................................24
Hình 2.11 Nguyên lý hoạt động của hiện tượng quang điện ....................................25
Hình 2.12 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời .[6]. ..............................................26
Hình 2.13 Sơ đồ khối hệ thống pin Mặt Trời độc lập. [7]. .......................................27
Hình 2.14 Pin nhạy cảm với chất màu DSC .............................................................29
Hình 2.15 Pin Mặt Trời dạng keo nước.[11]. ............................................................29
Hình 2.16 Các tuabin gió phát điện nhờ sức gió và thủy triều, tận thu một cách gián
tiếp năng lượng Mặt Trời .[7]. ..................................................................................31
Hình 2.17 Nhà máy điện mặt trời.[7]. .......................................................................31
Hình 2.18 Trạm vũ trụ ISS . [11]. .............................................................................33


ix
Hình 2.19 Pin mặt trời được ứng dụng trong nơng nghiệp và trong các hộ gia đình
[11]. ...........................................................................................................................33
Hình 3.1 Đặc tính I-V ứng với bức xạ thay đổi và quỹ đạo của các điểm công suất
cực đại khi nhiệt độ của pin ở 25 C .........................................................................34
Hình 3.2 Đặc tính I -V ứng với bức xạ thay đổi và quỹ đạo của các điểm công suất

cực đại khi nhiệt độ của pin ở 50 C .........................................................................35
Hình 3.3 Phương pháp dị cơng suất cực đại của thuật tốn P&O. [8]. ....................36
Hình 3.4 Lưu đồ giải thuật của thuật tốn P&O .......................................................36
Hình 3.5 Phản ứng của giải thuật P&O trong điều kiện bức xạ tăng dần. [8]. .........37
Hình 3.6 Sơ đồ mạch Boost ......................................................................................39

Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý mạch Boost .....................................................................40
Hình 3.8 Mạch điệ n khi đóng S ................................................................................40
Hình 3.9 Dạng sóng điện áp và dịng điện trên cuộn dây khi dóng S .......................41
Hình 3.10 Mạch điện khi S mở .................................................................................41
Hình 3.11 Dạng sóng điện áp và dịng điện khi S mở ...............................................42
Hình 3.12 Dạng sóng điện áp và dịng điện trên cuộn dây L. [8]. ............................43
Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý mạch tăng áp và điều khiển .............................................46
Hình 4.2 Bo mạch tăng áp và dị điểm MPPT được hồn thành ...............................47
Hình 4.3 Màn hình LCD hiển thị các giá trị cần theo dõi .........................................47
Hình 4.4 Động cơ bơm nước.[11]. ............................................................................49
Hình 4.5 Cấu tạo máy bơm ly tâm. [11] ...................................................................50
Hình 4.6 Các dạng bánh xe công tác của bơm ly tâm. [4]. .......................................50
Hình 4.7 Điểm làm việc của máy bơm [4] ................................................................51
Hình 4.8 Đồ thị thể hiện độ nhớt của nước theo nhiệt độ [4] ...................................53
Hình 4.9 sơ đồ điện hệ thốn g ....................................................................................55
Hình 4.9 Mơ hình sau khi thi cơng hồn thành .........................................................56
Hình 4.10 Mơ hình tấm pin mặt trời .........................................................................56
Hình 4.11 Bộ chuyển đổi DC/DC và động cơ bơm nước .........................................56
Hình 4.12 Đài phun nước [11] ..................................................................................57
Hình 4.13 Thiết lập phần mềm Hyper Terminal .......................................................57
Hình 4.14 Kết quả khảo sát ngõ ra thu được .............................................................58


1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.1.

Đặt vấn đề
Ngày nay, nhu cầu năng lượng của con người trong thời đại khoa học kỹ

thuật phát triển ngày càng tăng. Trong khi đó, các nguồn nhiên liệu dự trữ như than
đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên và thậm chí là thủy điện đều có giới hạn, điều đó làm
cho nhân loại đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng. Việc tìm kiếm và sử dụng
các nguồn năng lượng mới như năng lượng hạt nhân, năng lượng địa nhiệt, năng
lượng gió và năng lượng mặt trời… là hướng đi quan trọng trong phát triển năng
lượng.
1.1.1. Sự tiêu thụ năng lượng hiện tại và trong tương lai.[10].[11]
Theo thống kê mức độ tiêu thụ năng lượng của con người trên hành tinh
trong năm 2004 là khoảng 15 terawatt (TW), bao gồm tất cả mọi thứ. Hầu hết năng
lượng này (87%) bắt nguồn từ năng lượng hóa thạch. Sự phát triển liên tục trong
q trình cơng nghiệp hóa- hiện đại hóa ở các nước đang phát triển, sự phát triển
dân số và tăng phúc lợi của con người nói chung sẽ làm tăng nhu cầu năng lượng
của con người tăng mạnh trong tương lai. Đến năm 2050, dự báo mức tiêu thụ năng
lượng của con người là 28 - 35 TW, đó là một thách thức lớn đối với chúng ta hiện
nay khi các nguồn năng lượng có sẵn không thể đáp ứng được nhu cầu hiện tại.
Bảng 1.1 Mức dự trữ các nguồn năng lượng hóa thạch
Năng lượng

Dầu thơ

Khí tự nhiên

Than đá (Mt) Uranium (Kt)

(Mt)
(Gm3)
Thế giới
Trữ lượng
159 644 176 462

847 488
Khai thác
3 898
2 834
5 901
Số năm khai thác 41
62
144
Việt Nam
còn lại
Trữ lượng
413
365
150
Khai thác
19
4
35
ố
năm
khai
thác
S
22
91
4
(*) Với giá thị trường 130 USD/kg
cịn lại
Tại diễn đàn chính sách an ninh năng lượng Châu Á

3 297 (*)
42
79
5 (*)
?
?
– Thái Bình Dương

(ASEM) lần thứ nhất được tổ chức tại Việt Nam tháng 4 năm 2008 với sự tham gia
của 45 nước thành viên của ASEM. Vấn đề nóng bỏng được các đại biểu đặt ra đó
là: “ làm thế nào để đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng của con người


2
trong thời gian tới”. Hiện nay, sự giới hạn của nguồn năng lượng tỷ lệ nghịch với
nhu cầu sử dụng ngày càng tăng của các khu vực và trên thế giới.
Vấn đề an ninh năng lượng của Thế gới đang trở nên bức bách hơn bao giờ
hết.việc sử dụng năng lượng hiện nay đang tập trung ở nguồn năng lượng hóa thạch
Theo dự báo của Cơ quan năng lượng quốc tế, lượng năng lượng tiêu thụ trên
thế giới vẫn tăng đều đặn, trong đó nguồn năng lượng hóa thạch vẫn chiếm ưu thế
cho đến năm 2030.
Bảng 1.2 Dự đoán lượng tiêu thụ sơ cấp trên thế giới (đơn vị: triệu tấn dầu)

Nhu cầu năng lượng của từng nước, từng khu vực cũng không giống nhau.
Sự tăng trưởng về nhu cầu năng lượng tập trung vào các nước đang phát triển. Dự
kiến ở các nước này nhu cầu năng lượng sẽ đạt 50% nhu cầu năng lượng của thế
giới vào năm 2030. Các dạng năng lượng truyền thống như than, dầu mỏ, khí đốt
v.v…đang ngày càng cạn kiệt. Nhiều nước trong khu vực ASEM có nguồn dầu khí,
trong đó Brunei, Inđơnêsia thuộc nhóm các nước xuất khẩu dầu. Nhưng với nhu cầu
năng lượng của khu vực như hiện nay sẽ dẫn đến nguy cơ phải chịu sự phụ thuộc

vào nhập khẩu năng lượng. Theo nghiên cứu dự báo của giám đốc Trung tâm năng
lượng ASEM, mức độ phụ thuộc này có thể đạt khoảng 49% đến 58%.


3

Hình 1.1 Mức tiêu thụ các nguồn năng lượng trên thế giới 1990 – 2035
Ở Việt Nam là một nước hiện đang xuất khẩu than. Theo Tập đồn Cơng
nghiệp Than Khoáng sản Việt Nam – VINACOMIN, trữ lượng than Việt Nam rất
lớn: Quảng Ninh khoảng 10,5 tỷ tấn trong đó đã tìm kiếm thăm dị 3,5 tỉ tấn, chủ
yếu là than antraxit. Đồng bằng sông Hồng dự báo tổng trữ lượng 210 tỉ tấn than
Abitum, các mỏ than ở các tỉnh khác khoảng 400 triệu tấn và riêng than bùn phân
bố hầu hết ở 3 miền khoảng 7 tỉ m3, chủ yếu tập trung ở miền Nam Việt Nam. Tuy
nhiên việc khai thác và xuất khẩu của chúng ta chưa có chiến lược hợp lý, chưa đảm
bảo tính bền vững. Theo chiến lược phát triển ngành điện, xi măng, phân bón, hóa
chất… đến năm 2015 khả năng tiêu thụ than trong nước có thể vượt hơn 90 triệu
tấn. Điều đó cảnh báo cho biết, nếu chúng ta khơng có chiến lược khai thác than
hợp lí thì trong tương lai, chúng ta sẽ là một nước nhập khẩu than hoặc phải đóng
cửa một số nhà máy.


4
Bảng 1.3 Trữ lượng các mỏ than Quảng Ninh (ĐVT: Ngàn tấn)
Tổng trữ

Trữ lượng khai

Trữ lượng khai

Trữ lượng khai

lượng

thác lộ thiên

thác lò bằng

thác giếng đứng

3.523.640

215.476

470.356

2.837.808

1.422.362

192.442

150.793

1.079.127

333.536

12.410

113.746

207.407

Trữ lượng đã
thăm dò
Trữ lượng mỏ
đang khai thác
Trữ lượng các
mỏ chuẩn bị khai

thác Bảng 1.4 Thống kê về than Việt Nam của EIA (ĐVT: Ngàn tấn)
Sản lượng
Tiêu thụ
Nhập khẩu
Xuất khẩu

2003
18.409
11.464
0
6.945

2004
28.109
16.424
0
11.685

2005
35.710

15.995
111
19.827

2006
41.776
17.336
326
24.767

2007
49.141
16.995
493
32.638

Theo số liệu từ Viện Năng lượng (Bộ Cơng nghiệp), nếu khơng có đột biến
lớn về khả năng khai thác từ sau năm 2010 thì nguồn tài ngun trong nước sẽ
khơng cịn đáp ứng được nhu cầu năng lượng.

Hình 1.2 Dự báo nhu cầu năng lượng Việt Nam
Việc khai thác nguồn năng lượng hóa thạch này làm cho chúng ngày càng bị
kạn kiệt và tác động rất lớn đến môi trường, như ô nhiễm môi trường, rừng bị tàn
phá đất bị xói mịn, tăng hiệu ứng nhà kính, băng tan, biến đổi khí hậu .v.v. Theo


5
nghiên cứu thống kê của các tổ chức năng lượng, lượng khí CO2 thải bình qn trên
đầu người ở các nước công nghiệp như Mỹ là 21tấn/năm (năm 1990), Singapore là
10 tấn/năm, Việt Nam là 0,8 tấn/năm (năm 2003).

Hình 1.3 Mức tiêu thụ điện của Việt Nam
Trước tình hình nguồn năng lượng truyền thống ngày càng cạn kiệt, nhu cầu
sử dụng ngày càng tăng và các vấn đề về môi trường đang là vấn đề thách thức đối
với toàn cầu. Điều đó đã dẫn đến việc tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế và năng
lượng tái tạo là một sự lựa chọn tối ưu.
1.1.2. Năng lượng tái tạo
Năng lượng tái tạo là các loại năng lượng có từ các nguồn năng lượng không
bị cạn kiệt khi sử dụng hay không cần phải tái tạo trong thời gian ngắn. Đó là các
nguồn năng lượng có tiềm năng lâu dài như: thủy điện, gió, bức xạ mặt trời, địa
nhiệt, thủy triều. Một loại năng lượng tái tạo khác có được từ các khối lượng tĩnh
(khác với năng lượng động) như khí sinh học (biogas), ethanol sinh học, gỗ và sinh
khối. Sinh khối có được từ nguyên vật liệu hữu cơ tiếp tục sinh sôi theo thời gian
bằng hiệu ứng quang hợp như cây cối (rơm, trấu, lá cây...) và cả các vật liệu hữu cơ
bắt nguồn từ đấy như thú vật, vi sinh…
Việc sử dụng năng lượng tái tạo mang lại nhiều ưu điểm tich cực về mặt môi
trường. Tuy nhiên việc lựa chọn sử dụng và phát triển mơ hình năng lượng nào thì
phụ thuộc vào từng quốc gia, một số quốc gia tìm đến nguồn năng lượng nguyên tử,
một số nước tìm đến nguồn năng lượng có nguồn gốc từ mặt trời, gió, nước, thủy


6
triều, năng lượng địa nhiệt, sinh khối vv…Việc lựa chọn tùy thuộc vào điều kiện địa
lý, nhu cầu và chính sách năng lượng của quốc gia đó.
Mặc dù thế giới đang trải qua giai đoạn khủng hoảng kinh tế nặng nề nhưng
thị trường năng lượng tái tạo vẫn phát triển mạnh mẽ, liên tục trong những năm qua.
Đây cũng là m ột xu hướng tất yếu mang tính tồn cầu để giải quyết vấn đề năng
lượng và bảo vệ môi trường trong thế kỷ 21.
Trong giai đoạn 2005 - 2010, tổng cơng suất NLTT gồm điện mặt trời, điện
gió, nhiệt điện, nước nóng NLMT và nhiên liệu sinh học…tăng với tốc độ trung

bình từ khoảng 15% đến gần 50% hàng năm. Đặc biệt điện mặt trời đã tăng v ới tốc
độ nhanh nhất trong giai đoạn trên. Tiếp theo là nhiên liệu sinh học và điện gió.
Thủy điện nhỏ, điện và nhiệt sinh khối (SK), điện và địa nhiệt tăng với tốc độ trung
bình trong khoảng 3 -9%/ năm. Năm 2009, NLTT đã cung cấp trên 16% tổng tiêu
thụ NL cuối cùng trên thế giới.
Nói riêng về thị trường điện NLTT trong năm 2010, tổng công suất phát điện
NLTT được xây dựng mới trên thế giới là 194 GW, chiếm khoảng 50% tổng công
suất phát điện được xây dựng thêm trong năm. Tỷ lệ điện năng sản xuất từ các
nguồn sơ cấp khác nhau được cho trong Bảng 1.5.
Bảng 1.5 Tỷ lệ sản xuất điện năng của thế giới năm 2010
TT
Nguồn sơ cấp
1
Nhiên liệu hóa thạch
2
Nhiên liệu hạt nhân
3
Năng lượng tái tạo
Trong đó: Thủy điện nhỏ 16,1 và NLTT khác 3,3%
Tổng công suất phát điện NLTT trên thế giới đến năm

Tỷ lệ (%)
67,6
13,0
19,4
2010 là 4.950 GW,

chiếm khoảng 25% tổng công suất phát điện và cung cấp gần 20% điện năng trên
tồn cầu, trong đó thủy điện nhỏ chiếm một tỷ lệ rất lớn (16,1%, Bảng 1.5). Nếu
không kể thủy điện nhỏ thì tổng cơng suất phát điện NLTT là 312 GW, tăng 25% so

với 2009 (250 GW), trong đó phát điện NL gió tăng nhanh nhất, với cơng suất lắp
thêm năm 2010 là 39 GW, tiếp theo điện mặt trời tăng 17 GW. Các nước dẫn đầu về
công suất phát điện NLTT đến cuối năm 2010 (không kể thủy điện nhỏ) là Trung
Quốc, Mỹ, Canada, Brazin, Ấn độ và Đức (Hình 1.4).


7

Hình 1.4 Cơng suất phát điện xây dựng năm 2010 (không kể thủy điện nhỏ) (ĐVT:
GW)
Phát điện năng lượng tái tạo (NLTT) có vai trị rất quan trọng ở khu vực châu
Âu (EU). Năm 2010, công suất NLTT được xây dựng thêm là 22,6 GW, chiếm
khoảng 41% tổng công suất phát điện xây dựng mới. Đặc biệt với cường độ bức xạ
mặt trời khơng cao và giá đầu tư cịn cao nhưng đi ện mặt trời đã phát tri ển rất mạnh,
chiếm hơn 50% tổng công suất NLTT lắp thêm năm 2010.
Như vậy có thể thấy trong lĩnh vực NLTT công nghệ phát triển nhất trong
các nguồn năng lượng tái tạo đó là năng lượng mặt trời.
1.1.3. Năng lượng mặt trời
Ánh sáng mặt trời là một nguồn năng lượng dồi dào, trong 10 phút truyền xạ,
Trái Đất nhận một năng lượng khoảng 5x1020 J (500 tỷ tỷ Joule), tương đương với
lượng tiêu thụ của tồn thể nhân loại trong vịng một năm. Trong 36 giờ truyền xạ,
mặt trời cho chúng ta một năng lượng bằng tất cả những giếng dầu của quả đất.
Năng lượng mặt trời vì vậy gần như vơ tận. Hơn nữa, nó khơng phát sinh các loại
khí nhà kính và khí gây ơ nhiễm mơi trường.


8

Hình 1.5 Lượng năng lượng mặt trời cung cấp cho Trái Đất
Hiện tại năng lượng mặt trời được sử dụng dưới hai dạng chính:

Nhiệt mặt trời (sử dụng dưới dạng nhiệt năng)
Cơng nghệ nhiệt mặt trời có thể được sử dụng cho đun nước nóng, sưởi ấm
khơng gian, làm mát khơng gian và q trình sinh nhiệt. Có thể kể đến một số ứng
dụng cụ thể dưới dạng này như :
- Hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời sử dụng ánh sáng mặt trời để làm
nóng nước. Hệ thống này thường được sử dụng ở các khu vực trong vĩ đ ộ địa lý
thấp (dưới 40°C) nhiệt độ của nước qua hệ thống có thể lên đến 60°C.
- Hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời sử dụng ánh sáng mặt trời để làm
nóng nước. Hệ thống này thường được sử dụng ở các khu vực trong vĩ đ ộ địa lý
thấp (dưới 40°C) nhiệt độ của nước qua hệ thống có thể lên đến 60°C.


9

Hình 1.6 Hệ thống nước nóng đun bằng năng lượng Mặt Trời
- Tại Mỹ, hệ thống sưởi ấm, thơng gió và điều hịa khơng khí (HVAC),
chiếm 30% (4,65 EJ) năng lượng được sử dụng trong các tòa nhà thương mại
và gần 50% (10,1 EJ) năng lượng sử dụng trong các tòa nhà dân cư.
- Khử trùng nước bằng năng lượng mặt trời (SODIS): phương pháp này dùng các
chai nhựa polyethylene terephthalate (PET) đổ đầy nước và phơi chúng dưới ánh
sáng mặt trời trong vài giờ. Thời gian phơi sáng khác nhau tùy thuộc vào thời tiết và
khí hậu (tối thiểu là sáu giờ đến hai ngày trong điều kiện hoàn toàn u ám). Hơn hai
triệu người ở các nước đang phát triển sử dụng phương pháp này đối với nước uống
hàng ngày của họ.
- Bếp năng lượng mặt trời sử dụng ánh sáng mặt trời để nấu nướng, làm khô và khử
trùng. Chúng có thể được nhóm lại thành ba loại lớn: bếp hộp, bếp tấm và bếp phản
xạ.
Điện mặt trời
Sử dụng thơng qua sự chuyển hố năng lượng mặt trời thành điện năng: việc
chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện có thể thực hiện trực tiếp bằng cách sử

dụng quang điện (PV), hoặc gián tiếp bằng cách sử dụng điện mặt trời tập
trung(CSP).
Các hệ thống điện mặt trời tập trung (CSP) sử dụng ống kính, gương và các
hệ thống theo dõi đ ể tập trung một khu vực rộng lớn của ánh sáng mặt trời vào một


10
chùm nhỏ (Hình 1.7). Nhiệt tập trung sau đó được sử dụng như một nguồn năng
lượng cho một nhà máy điện thông thường. Các nhà máy CSP thương mại được
phát triển đầu tiên vào những năm 1980, nhà máy CSP SEGS 354 MW là nhà máy
điện mặt trời lớn nhất trên Thế giới và nằm ở sa mạc Mojave của California. Các
nhà máy CSP lớn khác bao gồm Nhà máy điện mặt trời Solnova (150 MW) và Nhà
máy điện mặt trời Andasol (100 MW) ở Tây Ban Nha.

Hình 1.7 Cơng nghệ nhiệt Mặt Trời sử dụng máng hội tụ Parabol
Pin quang điện (PV): chuyển đổi ánh sáng thành dòng đi ện bằng cách sử
dụng hiệu ứng quang điện. Hệ thống pin mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang
điện), là những thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các diot p-n, duới sự hiện diện của
ánh sáng mặt trời có khả năng tạo ra dịng điện sử dụng được. Sự chuyển đổi này
gọi là hiệu ứng quang điện. Các pin năng lượng mặt trời có nhiều ứng dụng. Chúng
đặc biệt thích hợp cho các vùng mà điện năng trong mạng lưới chưa vươn tới, các
vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo trái đất, máy tính cầm tay, các máy điện thoại cầm
tay từ xa...


11

Hình 1.8 Một Cell Pin Mặt Trời
Trong những năm gần đây, tình hình phát triển năng lượng tái tạo rất khả quan. Đặc
biệt là sự phát triển mạnh mẽ của năng lượng gió, tuy nhiên năng lượng mặt trời vẫn

đóng vai trị chủ đạo. Tình hình phát triển năng lượng mặt trời trên thế giới có thể
tổng kết như sau:


Lắp đặt mới năm 2010, toàn thế giới:

16.6 GW



Tổng lắp đặt tính đến cuối năm 2010:

39.5 GW



Điện sản xuất từ pin MT2 năm 2010, tồn thế giới:



Lượng phát điện rịng ở Đức năm 2009:



Sản lượng điện thương mại Việt Nam 2010:

47 000 GWh
617 000 GWh
86 000 GWh

Hình 1.9 Tổng cơng suất lắp đặt Pin Mặt Trời trên thế giới từ năm 2005-2010
Hiện nay, trên thế giới và trong nước đã có nhiều cơng trình nghiên cứu về


12
hệ thống Pin mặt trời với mục đích nâng cao hiệu suất và giảm giá thành sản xuất
của Pin mặt trời.
1.1.4. Hệ thống bơm nước sử dụng năng lượng mặt trời
Đây là một ứng dụng của pin mặt trời trong thực tế, rất phù hợp với nước ta
trong tình hình năng lượng điện thiếu hụt như hiện nay. Máy bơm năng lượng mặt
trời mang tính khả thi về kinh tế cho hệ thống thủy lợi, chẳng hạn như tưới nhỏ giọt,
trong đó lượng nước sử dụng ít nước hơn các loại khác. Hệ thống bơm năng lượng
mặt trời hoạt động bằng cách chuyển đổi năng lượng bức xạ mặt trời thành điện
năng thông qua việc sử dụng tế bào quang điện (PV). Các tế bào quang điện đươc
đấu nối với nhau để tạo ra một module năng lượng mặt trời. Điện được sản xuất bởi
các tế bào PV được sử dụng trực tiếp đến máy bơm nước chìm. Các máy bơm nư ớc
được sử dụng để bơm nước ra khỏi nguồn nước giếng hoặc nguồn nước mặt chẳng
hạn như một ao hồ.. để bơm vào một bể chứa nước chăn nuôi hoặc bể giữ nước trên
cao. Nước từ bể chứa trên cao có thể được cung cấp cho vật ni hoặc bể chứa nước
sử dụng khác khi cần thiết. Các máy bơm có thể có một phao để dừng bơm khi bể
nước được cấp nước đầy.
Hệ thống này rất phù hợp cho những khu vực khơng có điện lưới, hoặc khi
nguồn điện lưới có sẵn khơng cung cấp đủ năng lượng. Để có thể sử dụng nguồn
điện từ pin PV, bơm chìm trong hệ thống này có thể là bơm DC, hoặc có thể là bơm
AC kết hợp với bộ biến đổi DC - AC. Tuy nhiên đối với các ứng dụng vừa và nhỏ,
việc sử dụng hệ thống bơm DC mang lại những hiệu quả cao hơn về mặt kinh tế kỹ thuật : thứ nhất, máy bơm DC sử dụng ít năng lượng hơn so với máy bơm AC
cùng công suất, thứ hai hệ thống bơm DC không đòi hỏi phải sử dụng bộ biến đổi
như AC, thứ ba, mơ men máy bơm DC tạo ra lớn. Vì vậy khi sử dụng hệ thống bơm
trực tiếp DC, hiệu suất bơm của hệ thống được cải thiện, ngoài ra hệ thống bơm DC
sử dụng ít năng lượng hơn, và không bù tổn hao ở bộ điều khiển nên sẽ giảm được

công suất đầu vào từ tấm pin, làm cho kích thước hệ thống giảm và chi phí đầu tư
giảm đi.