Vô hạn có hai nghĩa: Hoặc là năng lượng tồntại nhiều đến mức mà không thể trở thành can kiệt vì sự sử dụng của con ngườithí dụ như năng lượng mặt trời hoặc là năng lượng tự tái tạo trong
TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN MẶT TRỜI VÀ XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Nguồn năng lượng tái tạo
-Năng lượng tái tạo hay năng lượng tái sinh là năng lượng từ những nguồn liên tục mà theo tiêu chuẩn của con người là vô hạn Nguyên tắc cơ bản của việc sử dụng năng lượng tái sinh là tách một phần năng lượng từ các quy trình diễn biến liên tục trong môi trường và đưa vào trong các sử dụng lỹ thuật Các quy trình này thường được thúc đẩy đặc biệt là từ mặt trời.
Theo cách hiểu thông thường, năng lượng tái tạo là loại năng lượng hoặc phương pháp khai thác năng lượng mà con người không thể làm cạn kiệt "Vô hạn" ở đây được hiểu theo hai nghĩa: Thứ nhất, nguồn năng lượng dồi dào đến mức không thể hết vì sử dụng của con người (ví dụ: năng lượng mặt trời) Thứ hai, năng lượng được tái tạo liên tục trong thời gian ngắn (ví dụ: năng lượng sinh khối) trong các quá trình diễn ra thường xuyên trên Trái đất.
-Theo ý nghĩa về vật lý, năng lượng không được tái tạo mà trước tiên là do Mặt trời mang lại và được biến đổi thành cá dạng năng lượng hay các vật mang năng lượng khác nhau Tùy theo trường hợp mà năng lượng này được sử dụng ngay tức khắc hay được tạm thời dự trữ.
-Việc sử dụng khái niệm “ tái tạo” theo cách nói thông thường là dùng để chỉ đến các chu kỳ tái tạo mà đối với con người là ngắn đi rất nhiều (thí dụ như khí sinh học so với năng lượng hóa thạch) Trong cảm giác về thời gian của con người thì Mặt trời sữ còn là một nguồn cung cấp năng lượng trong một thời gian gần như là vô tận Mặt trời cũng là nguồn cung cấp năng lượng liên tục cho nhiều quy trình diễn tiến trong bầu sinh quyển Trái đất Những quy trình này có thể cung cấp năng lượng cho con người và cũng mang lại nhưng cái gọi là nguyên liệu tái tăng trưởng Luồng gió thổi, dòng nước chảy và nhiệt lượng củaMặt Trời đã được con người sử dụng trong quá khứ Quan trọng nhất trong thời đại công nghiệp là sức nước nhìn theo phương diện sử dụng kỹ thuật và theo phương diện phí tổn sinh thái.
-Ngược lại với việc sử dụng các quy trình này là việc khai thác các nguồn năng lượng như than đá hay dầu mỏ, những nguồn năng lượng mà ngày nay được tiêu dùng nhanh hơn là được tạo ra rất nhiều Theo ý nghĩa của định nghĩa tồn tại "vô tận" thì phản ứng tổng hợp hạt nhân (phản ứng nhiệt hạch), khi có thể thực hiện trên bình diện kỹ thuật, và phản ứng phân rã hạt nhân (phản ứng phân hạch) với các lò phản ứng tái sinh (breeder reactor), khi năng lượng hao tốn lúc khai thác uranium hay thorium có thể được giữ ở mức thấp, đều là những nguồn năng lượng tái tạo mặc dù là thường thì chúng không được tính vào loại năng lượng này.
1.1.2 Phân loại năng lượng tái tạo:
Một số nguồn năng lượng tái tạo chủ yếu:
-Nguồn gốc từ bức xạ của mặt trời:
Hình 1.1: Nguồn gốc năng lượng từ bức xạ
+ Năng lượng Mặt Trời thu được trên Trái Đất là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ Mặt Trời đến Trái Đất Chúng ta sẽ tiếp tục nhận được dòng năng lượng này cho đến khi phản ứng hạt nhân trên Mặt Trời hết nhiên liệu, vào khoảng 5 tỷ năm nữa.
+ Có thể trực tiếp thu lấy năng lượng này thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển năng lượng các photon của Mặt Trời thành điện năng, như trong pin Mặt Trời Năng lượng của các photon cũng có thể được hấp thụ để làm nóng các vật thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, sử dụng cho bình đun nước Mặt Trời, hoặc làm sôi nước trong các máy nhiệt điện của tháp Mặt Trời, hoặc vận động các hệ thống nhiệt như máy điều hòa Mặt Trời
+ Năng lượng của các photon có thể được hấp thụ và chuyển hóa thành năng lượng trong các liên kết hóa học của các phản ứng quang hóa Một phản ứng quang hóa tự nhiên là quá trình quang hợp Quá trình này được cho là đã từng dự trữ năng lượng Mặt Trời vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch không tái sinh mà các nền công nghiệp của thế kỷ 19 đến 21 đã và đang tận dụng Nó cũng là quá trình cung cấp năng lượng cho mọi hoạt động sinh học tự nhiên, cho sức kéo gia súc và củi đốt, những nguồn năng lượng sinh học tái tạo truyền thống. Trong tương lai, quá trình này có thể giúp tạo ra nguồn năng lượng tái tạo ở nhiên liệu sinh học, như các nhiên liệu lỏng (diesel sinh học, nhiên liệu từ dầu thực vật), khí (khí đốt sinh học) hay rắn.
+ Năng lượng Mặt Trời cũng được hấp thụ bởi thủy quyển Trái Đất và khí quyển Trái Đất để sinh ra các hiện tượng khí tượng học chứa các dạng dự trữ năng lượng có thể khai thác được Trái Đất, trong mô hình năng lượng này, gần giống bình đun nước của những động cơ nhiệt đầu tiên, chuyển hóa nhiệt năng hấp thụ từ photon của Mặt Trời, thành động năng của các dòng chảy của nước, hơi nước và không khí, và thay đổi tính chất hóa học và vật lý của các dòng chảy này.
+ Thế năng của nước mưa có thể được dự trữ tại các đập nước và chạy máy phát điện của các công trình thủy điện Một dạng tận dụng năng lượng dòng chảy sông suối có trước khi thủy điện ra đời là cối xay nước Dòng chảy của biển cũng có thể làm chuyển động máy phát của nhà máy điện dùng dòng chảy của biển.
+ Dòng chảy của không khí, hay gió, có thể sinh ra điện khi làm quay tuốc bin gió Trước khi máy phát điện dùng năng lượng gió ra đời, cối xay gió đã được ứng dụng để xay ngũ cốc Năng lượng gió cũng gây ra chuyển động sóng trên mặt biển Chuyển động này có thể được tận dụng trong các nhà máy điện dùng sóng biển.
+ Đại dương trên Trái Đất có nhiệt dung riêng lớn hơn không khí và do đó thay đổi nhiệt độ chậm hơn không khí khi hấp thụ cùng nhiệt lượng của Mặt Trời Đại dương nóng hơn không khí vào ban đêm và lạnh hơn không khí vào ban ngày Sự chênh lệch nhiệt độ này có thể được khai thác để chạy các động cơ nhiệt trong các nhà máy điện dùng nhiệt lượng của biển.
+ Khi nhiệt năng hấp thụ từ photon của Mặt Trời làm bốc hơi nước biển, một phần năng lượng đó đã được dự trữ trong việc tách muối ra khỏi nước mặn của biển Nhà máy điện dùng phản ứng nước ngọt - nước mặn thu lại phần năng lượng này khi đưa nước ngọt của dòng sông trở về biển.
-Nguồn gốc từ nhiệt năng của trái đất:
+ Nhiệt năng của Trái Đất, gọi là địa nhiệt, là năng lượng nhiệt mà Trái Đất có được thông qua các phản ứng hạt nhân âm ỉ trong lòng Nhiệt năng này làm nóng chảy các lớp đất đá trong lòng Trái Đất, gây ra hiện tuợng di dời thềm lục địa và sinh ra núi lửa Các phản ứng hạt nhân trong lòng Trái Đất sẽ tắt dần và nhiệt độ lòng Trái Đất sẽ nguội dần, nhanh hơn nhiều so với tuổi thọ của Mặt Trời.
+ Địa nhiệt dù sao vẫn có thể là nguồn năng lượng sản xuất công nghiệp quy mô vừa, trong các lĩnh vực như: Nhà máy điện địa nhiệt và sưởi ấm địa nhiệt.
-Nguồn gốc từ động năng hệ Trái đất – Mặt trăng:
Tìm hiểu về pin mặt trời
1.2.1 Pin mặt trời, cấu tạo và nguyên lý hoạt động:
Pin mặt trời là phương pháp sản xuất điện trực tiếp từ năng lượng mặt trời qua thiết bị biến đổi quang điện Pin mặt trời có ưu điểm là gọn nhẹ có thể lắp bất kỳ ở đâu có ánh sáng mặt trời, đặc biệt là trong lĩnh vực tàu vũ trụ Ứng dụng năng lượng mặt trời dưới dạng này được phát triển với tốc độ rất nhanh,nhất là ở các nước đang phát triển Ngày nay con người đã ứng dung pin mặt trời trong lĩnh vực hàng không vũ trụ để chạy xe và trong sinh hoạt thay thế dần nguồn năng lượng truyền thống.
1.2.2 Cấu tạo của Pin mặt trời:
Hiện nay vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời là các silic tinh thể Pin mặt trời từ tinh thể silic chia thành 3 loại:
-Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16% Chúng thường rất đắt do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module.
-Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc- đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm nguội và làm rắn Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó.
-Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon.
-Một lớp tiếp xúc bán dẫn pn có khả năng biến đổi trược tiếp năng lượng bức xậ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên trong gọi là pin mặt trời Pin mặt trời được sản xuất và ứng dụng phổ biến hiện nay là các pin mặt trời được chế tạo từ vật liệu tinh thể bán dẫn silicon(Si) có hóa trị 4 Từ tinh thể Si tinh khiết, để có vật liệu tinh thể bán dẫn Si loại người ta pha tạp chấtn donor là photon có hóa trị 5 Còn có thể có vật liệu bán dẫ tinh thể loại thì tạpp chất acceptor được dùng để pha vào Si là Bo có hóa trị 3 Đối với pin mặt trời từ vật liệu tinh thể Si khi bức xạ mặt trời chiếu đến thì hiệu điện thể hở mạch giữa
2 cực khoảng 0,55V và dòng điện đoản mạch của nó khi bức xạ mặt trời có cường đọ 1000W/m vào khoảng 25 30mA/cm 2 2
- Hiện nay người ta đã chế tạo pin mặt trời bằng vật liệu Si vô định hình (a-
Si) So với pin mặt trời tinh thể Si thì pin mặt trời a-Si giá thành rẻ hơn nhưng hiệu suất thấp hơn và kém ổn định.
- Ngoài Si, hiện nay người ta đang nghiên cứu và thử nghiệm các loại vật liệu khác có nhiều triển vọng như Sunfit cadmi- đồng(CuCds), galium- arsenit (GaAs)…
- Công nghệ chế tạo pin mặt trời gồm nhiều công đoạn khác nhau, ví dụ để chế tạo pin mặt trời từ
Silicon đa tinh thể cần qua nhiều công đoạn như hình
3.6 cuối cùng ta được module.
Hình 1.4: Quá trình tạo module
1.2.3 Hoạt động của Pin mặt trời:
Pin mặt trời làm việc theo nguyên lý là biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện.
-Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel Tuy nhiên cho đến năm 1883 một pin năng lượng mới được tạo thành bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối Thiết bị chỉ có hiệu suất 1%, Russell Ohl xem là người tạo ra pin năng lượng mặt trời đầu tiên năm 1946 Sau đó Sven Ason Berglund đã có các phương pháp liên quan đến việc tăng khả năng cảm nhận ánh sáng của pin.
-Xét một hệ hai mức năng lựng điện tử (hình 1):
Hình 1.6: Hệ 2 mức năng lượng
Khi năng lượng của photon hấp thụ đủ lớn (hv > E2 - E1), điện tử sẽ hấp thụ photon và chuyển từ mức năng lượng thấp hơn (E1) lên mức năng lượng cao hơn (E2) Quá trình này được gọi là hấp thụ bức xạ, được mô tả bởi phương trình cân bằng năng lượng: hv = E2 - E1, trong đó h là hằng số Planck và v là tần số của bức xạ hấp thụ.
-Trong các vật thể rắn, do tương tác rất mạnh của tinh thể lên điện tử vòng ngoài, nên các mức năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng sát nhau và tạo thành các vùng năng lượng (hình 2) Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi ở trạng thái cân bằng gọi là vùng hóa trị, mà mặt trên của nó có mức năng lượng E Vùng năng lượng phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặcv chỉ bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn, mặt dưới của vùng có năng lượng là E c
Cách ly giữa 2 vùng hóa trị và vùng dẫn là một vùng có độ rộng với năng lượng là E , Trong đó không có mức năng lượng cho phép nào của điện tử.g v
Hình 1.7: Các vùng năng lượng
-Khi nhận bức xạ mặt trời, photon có năng lượng hv tới hệ thống và bị điện tử ở vùng hóa trị hấp thu và nó có thẻ chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự do (e ), để lại ở vùng hóa trị một lỗ trống có thể coi như hạt mang điện dương, ký hiệu là (h ) Lỗ trống này có thể di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện.
-Hiệu ứng lưởng tử của quá trình hấp thụ photon có thể mô tả bằng phương trình:
-Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lượng của photon và chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử - lỗ trống là hv hc E
Từ đó có thể tính được bước sóng tới hạn c của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e , h : hc hc 1,
-Trong thực tế các hạt dẫn bị kích thích e , h đều tự phát tham gai vào quá trình phục hồi, chuyển động đến mặt của các vùng năng lượng: điện tử e giải phóng năng lượng để chuyển đến mặt của vùng dẫn E , còn lỗ trống h c chuyển đến mặt của E , quá trình phục hồi chỉ xảy ra trong khoảng thời gianv ngắn 10 12 10
1 giây và gây ra dao đọng mạnh (photon) Năng lượng bị tổn hao do quá trình phục hòi sẽ là E =hv- E ph g
Hiệu ứng quang điện bên trong xảy ra khi điện tử vùng hóa trị hấp thụ photon năng lượng hv từ bức xạ mặt trời, chuyển lên vùng dẫn và tạo ra cặp hạt dẫn điện tử-lỗ trống (e-, h+) Quá trình hấp thụ năng lượng này tạo ra điện thế, là cơ sở cho hiện tượng quang điện bên trong.
Hình 1.8: Nguyên lý hoạt động của Pin mặt trời
1.3 Tiêu chuẩn thiết kế điện mặt trời
1 Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 7447-7-712:2015 (IEC 60364-7- 712:2002) về Hệ thống nguồn quang điện sử dụng năng lượng mặt trời (PV).
2 Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 10896:2015 (IEC 61646:2008) về Mô- đun quang điện màng mỏng mặt đất (PV) – Chất lượng thiết kế và phê duyệt kiểu.
3 Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 11855-1:2017 (IEC 62446-1:2016) về Hệ thống quang điện
Tiêu chuẩn thiết kế điện mặt trời
KHẢO SÁT CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI
2.1 Cấu trúc hệ thống điện NLMT cơ bản:
2.1.1 Cấu trúc điện mặt trời độc lập
Hình 2.1: Sơ đồ điện năng lượng mặt trời cơ bản
Bao gồm các thiết bị chính sau:
1 Modul tấm Pin mặt trời.
2 Bộ điều khiển sạc: Charge controler
4 Bộ chuyển đổi điện DC- AC (Inverter)
5 Hệ thống dây dẫn, cáp dẫn điện và khung giá.
6 Phụ tải điện xoay chiều và một chiều.
KHẢO SÁT CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI
Các thành phần cơ bản của hệ thống điện mặt trời độc lập
Khi mặt trời lặn, ngôi nhà hoặc cơ sở kinh doanh sẽ sử dụng điện lưu trữ trong bình ắc quy (pin) Tuy nhiên, nếu mức tiêu thụ điện vượt quá dung lượng ắc quy, hệ thống sẽ tự động lấy điện từ lưới điện để đảm bảo nguồn điện ổn định cho các thiết bị điện.
2.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống điện mặt trời độc lập
Tấm pin mặt trời RED SUN (solar cells panel) biến đổi quang năng hấp thụ từ mặt trời để biến thành điện năng.
Một số thông tin cơ bản về tấm pin mặt trời RED SUN:
Công suất: từ 25Wp đến 175 Wp
Số lượng cells trên mỗi tấm pin RED SUN: 72 cells
Kích thước cells: 5 – 6 inchs Loại cells: monocrystalline và polycrystalline Chất liệu của khung: nhôm
Tuổi thọ trung bình của tấm pin RED SUN: 30 năm
Có khả năng kết nối thành các trạm điện mặt trời công suất lớn không hạn chế, có thể hòa lưới (grid), hoặc hoạt động độc lập như 1 hệ thống back-up điện.
Trong một ngày nắng, mặt trời cung cấp khoảng 1 kW/m² đến mặt đất (khi mặt trời đứng bóng và quang mây, ở mực nước biển).
Công suất và điện áp của một hệ thống sẽ phụ thuộc và cách chúng ta nối ghép các tấm pin mặt trời RED SUN lại với nhau.
Tấm pin mặt trời RED SUN được thiết kế với các tính năng và vật liệu đặc biệt có khả năng chịu đựng những điều kiện thời tiết khắc nghiệt, khí hậu và nhiệt độ ngoài trời Được lắp đặt bên ngoài để tối ưu hóa hấp thụ ánh nắng mặt trời, tấm pin phải đảm bảo độ bền và khả năng thích ứng với môi trường để hoạt động hiệu quả và lâu dài.
Là thiết bị thực hiện chức năng điều tiết sạc cho ắc-quy, bảo vệ cho ắc-quy chống nạp quá tải và xả quá sâu nhằm nâng cao tuổi thọ của bình ắc-quy, và giúp hệ thống pin mặt trời sử dụng hiệu quả và lâu dài - Bộ điều khiển còn cho biết tình trạng nạp điện của Panel mặt trời vào ắc-quy giúp cho người sử dụng kiểm soát được các phụ tải.
-Bộ điều khiển còn thực hiện việc bảo vệ nạp quá điện thế (>13,8V) hoặc điện thế thấp (25 năm
Trong điều kiện thời tiết xấu ,ít nắng năng suất đạt 30%-40% tương đương : 15 – 20 Kw/ngày
Kết luận và đánh giá
– Ưu điểm của hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới.
– Dành cho các hộ gia đình, nhà hàng, khách sạn, văn phòng, công ty có mức tiêu thụ điện cao vào ban ngày, đặc biệt là vào giờ cao điểm.
– Tiết giảm chỉ số điện năng tiêu thụ trong tháng từ 75% đến 85% – Giảm chỉ số điện hàng tháng theo bật thang.
– Cắt giảm chỉ số điện trong giờ cao điểm đối với nghành kinh doanh ( 4.320đ )và sản xuất (2.700đ)
– Đầu tư một lần sử dụng đến 30 năm.
Hưởng ứng chương trình hỗ trợ lắp đặt điện mặt trời, khách hàng sẽ được miễn phí công lắp đặt và lắp đặt công tơ 2 chiều Hệ thống công tơ 2 chiều này sẽ thực hiện cơ chế mua - bán điện từ hệ thống với giá đề xuất của Bộ Công Thương.
– Bảo vệ môi trường, giúp tiết giảm đáng kể lượng khí thải CO2 gây hiệu ứng nhà kính.
– Tăng vẻ thẩm mỹ cho công trình sử dụng năng lượng xanh.
– Chống nóng mái, chống dột, giảm nhiệt độ trần nhà xuống dưới 10ºC.
- Kể cả khi lưới điện bị cắt, bạn vẫn có điện sinh hoạt từ hệ thống cung cấp