Thuyết trình về Điện mặt trời

Năng lượng mặt trời, bức xạ ánh sáng và nhiệt từ Mặt trời, đã được khai thác bởi con người từ thời cổ đại bằng cách sử dụng một loạt các công nghệ phát triển hơn bao giờ hết. Bức xạ mặt trời, cùng với tài nguyên thứ cấp của năng lượng mặt trời như sức gió và sức sóng, sức nước và sinh khối, làm thành hầu hết năng lượng tái tạo có sẵn trên Trái Đất. Chỉ có một phần rất nhỏ của năng lượng mặt trời có sẵn được sử dụng. Điện mặt trời nghĩa là phát điện dựa trên động cơ nhiệt và pin quang điện. Sử dụng năng lượng mặt trời chỉ bị giới hạn bởi sự khéo léo của con người. Một phần danh sách các ứng dụng năng lượng mặt trời sưởi ấm không gian và làm mát thông qua kiến trúc năng lượng mặt trời, qua chưng cất nước uống và khử trùng, chiếu sáng bằng ánh sáng ban ngày, nước nóng năng lượng mặt trời, nấu ăn năng lượng mặt trời, và quá trình nhiệt độ cao nhiệt cho công nghiệp purposes. Để thu năng lượng mặt trời, cách phổ biến nhất là sử dụng tấm năng lượng mặt trời. Công nghệ năng lượng mặt trời được mô tả rộng rãi như là hoặc năng lượng mặt trời thụ động hoặc năng lượng mặt trời chủ động tùy thuộc vào cách chúng nắm bắt, chuyển đổi và phân phối năng lượng mặt trời. Kỹ thuật năng lượng mặt trời hoạt động bao gồm việc sử dụng các tấm quang điện và năng lượng mặt trời nhiệt thu để khai thác năng lượng. Kỹ thuật năng lượng mặt trời thụ động bao gồm các định hướng một tòa nhà về phía Mặt trời, lựa chọn vật liệu có khối lượng nhiệt thuận lợi hoặc tài sản ánh sáng phân tán, và thiết kế không gian lưu thông không khí tự nhiên.

MÔN: NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO

Giáo viên bộ môn: Thầy Lê Minh Nhựt

Giới thiệu điện năng lượng mặt trời

Điện mặt trời (solar power) cũng được gọi là quag điện hay quang năng (tiếng Anh: photovoltaics - PV) là lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật biến đổi ánh sáng mặt trời trực tiếp thành điện năng nhờ  Tấm Pin năng lượng mặt trời (solar cells panel), Pin mặt trời, hay pin quang điện, là hệ thống các tấm vật liệu đặc biệt có khả năng chuyển đổi quang năng của ánh sáng mặt trời thành điện năng Pin mặt trời được cấu tạo bằng các tế bào quang điện (cells) đơn tinh thể (monocrystalline) và đa tinh thể

(polycrystalline) có hiệu suất cao (15% - 18%), công suất từ 25Wp đến 300Wp và có tuổi thọ trung bình

30 năm Ngày nay, do nhu cầu năng lượng sạch ngày càng nhiều nên ngành sản xuất pin mặt trời phát triển cực kỳ nhanh chóng

Tình hình điện năng lượng mặt trời trên thế giới.

Sản lượng điện mặt trời tăng 48% mỗi năm kể từ 2002, nghĩa là cứ hai năm lại tăng gấp đôi và đã giúp ngành năng

lượng này đạt tốc độ tăng trưởng cao nhất thế giới Dữ liệu đến hết năm 2007 cho biết toàn thế giới đạt 12400 MW công suất quang điện trong đó khoảng 90% hòa vào mạng lưới điện chung, còn lại được lắp trên tường hay mái của nhiều tòa nhà gọi là hệ thống tích hơp điện mặt trời cho tòa nhà

GlobalData, doanh nghiệp nghiên cứu và tư vấn, cho biết công suất quang điện mặt trời lắp đặt được kỳ vọng sẽ tăng với tỉ lệ tăng trưởng hằng năm là 13,1% cho đến năm 2025, từ 271,4 GW năm 2016 lên 756,1 GW năm 2025

Tengger Desert Solar Park - Trung Quốc (Công suất 1500MW) Kurnool Ultra Mega Solar Park- Ấn Độ (1000KW)

Solar Star – Mỹ (Công suất 579MW) Topaz Solar Farm – Mỹ (Công suất 550MW)

Tình hình điện năng lượng mặt trời ở Việt

Nam

•  Tại Việt Nam thuộc nhóm  mới nổi, được nhập cuộc theo sự phát triển nguồn  chung của thế giới,

sự nhập khẩu khoa học kỹ thuật, đồng thời đáp ứng nhu cầu phát triển nguồn năng lượng khi các nguồn  lớn đã khai thác hết, các  nhỏ không đảm bảo lợi ích mang lại so với thiệt hại môi trường

mà nó gây ra Mặt khác Việt Nam có tiềm năng lớn về năng lượng mặt trời và gió, do ở gần xích đạo và tồn tại những vùng khô nắng nhiều như các tỉnh nam Trung Bộ Vì thế  cùng với  đang được Nhà nước Việt Nam khuyến khích phát triển, thể hiện ở Quyết định 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, đảm bảo phát triển nguồn điện khi dừng các dự án  và giảm bớt khí đốt

• Những ưu đãi về đầu tư xây dựng nhà máy và giá bán điện cho Điện lực Việt Nam đã thu hút sự quan tâm của nhà đầu tư cả trong và ngoài nước Vì thế, tuy chỉ bắt đầu xây dựng nhà máy điện mặt trời từ năm 2015, đến giữa năm 2019 đã có vài trăm dự án có công suất lắp máy từ 20 đến 250 MW

đã hoặc sắp hoàn thành  Theo EVN tính tới ngày 30/5/2019 đã có 47 dự án điện mặt trời với tổng công suất 2.300 MW được đấu nối vào lưới điện quốc gia

• Nhược điểm của điện mặt trời là điện năng chỉ được tạo ra khi có ánh sáng mặt trời, và công suất phát ra thay đổi liên tục theo mức ánh sáng Vùng thuận lợi cho đặt nhà máy cũng thường cách xa vùng tiêu thụ Điều này làm cho lưới điện phải bố trí dẫn truyền điện, và có kế hoạch điều hòa

nguồn phát thích hợp để đảm bảo năng lượng cho các phụ tải tiêu thụ

Nhà máy điện mặt trời Xuân Thọ (Phú Yên) Nhà máy điện mặt trời Phong Điền

Nhà máy điện mặt trời Dầu Tiếng (Tây Ninh) Nhà máy điện mặt trời Phước Hữu (Ninh Thuận)

Nhà máy điện mặt trời Phước Hữu (Ninh Thuận)

Vùng Giờ nắng trong năm Cường độ BXMT

L ư ợ n g t ổ n g b ứ c x ạ m ặ t t r ờ i t r u n g

b ì n h t ro n g n g à y ( M J / / n g à y )

Tỉnh, thành Tháng

1-7 Tháng 2-8 Tháng 3-9 Tháng 4-10 Tháng 5-11 Tháng 6-12 Cao Bằng 8,21

Vùng Tây Bắc

• Nhiều nắng vào các tháng 8 Thời gian có nắng dài nhất vào các tháng 4,5 và 9,10 Các tháng 6,7 rất hiếm nắng, nhiều mây và mưa rất nhiều Lượng tổng bức xạ trung bình ngày lớn nhất khoảng 5,234 kWh//ngày và trung bình trong năm là 3,489 kWh//ngày

• Các vùng núi cao khoảng 1500m trở lên thường ít nắng Mây phủ và mưa nhiều, nhất

là vào khoảng tháng 6 đến tháng 1 Cường

độ bức xạ trung bình thấp (<3,489

kWh//ngày )

Vùng Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ

• Ở Bắc Bộ, nắng nhiều vào tháng 5 Còn ở Bắc Trung Bộ càng đi sâu về phía Nam thời gian nắng lại càng sớm, nhiều vào tháng 4

• Tổng bức xạ trung bình cao nhất ở Bắc Bộ khoảng từ tháng 5, ở Bắc Trung Bộ từ tháng

4 Số giờ nắng trung bình thấp nhất là trong tháng 2,3 khoảng 2h/ngày, nhiều nhất vào tháng 5 với khoảng 6 – 7h/ngày và duy trì ở mức cao từ tháng 7

•  

Các tỉnh vùng Nam Bộ

Vùng Nam Bộ

Ở vùng này, quanh năm dồi dào nắng Trong các tháng 1,3,4 thường có nắng từ 7h sáng đến 17h Cường độ bức xạ mặt trời trung bình thường lớn hơn 3,489

kWh//ngày Đặc biệt là các khu vực Nha Trang, cường độ bức xạ lớn hơn 5,815 kWh//ngày trong thời gian 8 tháng/năm

Tổng số giờ nắng và cường độ bức xạ trung bình trong ngày và trong tháng.

Cấu tạo của điện mặt trời bao gồm các bộ phận sau:

• Hệ thống pin năng lượng mặt trời

• Inverter chuyển đổi nguôn điện

• Solar charge controller

• Hệ thống ắc quy lưu trữ

Dòng điện xoay chiều

không sử dụng được gửi

trở lại vào lưới để được

sử dụng bởi người tiêu

dùng khác

TẤM PIN NĂNG LƯỢNG MẶT

TRỜI

Hệ thống pin năng lượng mặt trời:

Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện ,

tế bào quang điện) là thiết bị bán dẫn chứa lượng

lớn các diod p-n , dưới sự hiện của ánh sáng mặt

trời có khả năng tạo ra dòng điện sử dụng được

Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện

Các tấm pin mặt trời có nhiệm vụ thu nhận và

chuyển hóa năng lượng mặt trời (photon) thành

điện năng Sau đó cung cấp nguồn điện cho cả

hệ thống hoạt động

Inverter chuyển đổi nguôn điện: Thiết bị

inverter có nhiệm vụ chuyển đổi nguồn điện một chiều (DC) của pin mặt trời sang điện xoay chiều (AC) chuẩn 220v

• Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời là thiết bị thực hiện chức năng:

 Điều tiết sạc cho ắc-quy

 Đảm bảo sạc năng lượng từ pin mặt trời sang hệ thống ắc-quy

 Bảo vệ cho ắc-quy chống nạp quá tải và xả 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 sạc 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 Ngoài ra nó còn giúp thực hiện việc bảo vệ nạp quá điện thế (>13,8V) hoặc điện thế thấp (<10,5V)

Hệ thống ắc quy lưu trữ: Các bình ắc quy sử dụng để lưu trữ nguồn điện

Sau đó cung cấp cho các tải tiêu thụ khi điện lưới bị mất hoặc hệ thống điện mặt trời không sản xuất ra điện

PHƯƠNG PHÁP THIẾT

KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT

TRỜI

Để thiết kế một hệ solar, chúng ta lần lượt

thực hiện các bước sau:

1 Tính tổng lượng tiêu thụ điện của tất cả thiết bị mà hệ thống solar phải cung cấp

2 Tính số Watt-hour các tấm pin mặt trời phải cung cấp cho toàn tải mỗi ngày

3 Tính toán công suất pin mặt trời cần sử dụng

4 Tính toán bộ inverter

5 Tính toán battery

6 Thiết kế solar charge controller

• Tính tổng số Watt-hour sử dụng mỗi ngày của từng thiết bị Cộng tất cả lại chúng ta có tổng số Watt-hour toàn tải sử dụng mỗi ngày

• Do tổn hao trong hệ thống, cũng như xét đến tính an toàn khi những ngày nắng không tốt,

số Watt-hour của tấm pin mặt trời cung cấp phải cao hơn tổng số Watt-hour của toàn tải, theo công thức sau:

• Số Watt-hour các tấm pin mặt trời (PV modules) phải cung cấp = (1.3 – 1.5)* tổng số Watt-hour toàn tải sử dụng

• Trong đó 1.3 đến 1.5 là hệ số an toàn

(collection efficiency) và độ bức xạ năng lượng mặt trời (solar radiation) trong các tháng

ít nắng của vùng, đơn vị tính của nó là (kWh//ngày)

• Tóm lại, từ kết quả chỉ cho ta biết:

1 Càng nhiều pin mặt trời hệ thống càng làm việc tốt hơn

2 Tuổi thọ battery cao hơn

3 Ít tấm pin mặt trời, trong những ngày không có nắng hệ thống sẽ thiếu điện, rút cạn battery nên do đó tuổi thọ battery sẽ giảm đi

4 Thiết kế nhiều pin sẽ vượt ngân sách nên việc thiết kế phụ thuộc vào độ dự phòng của hệ thống

4 TÍNH TOÁN

ER

• Inverter phổ biến có 2 loại dùng tính toán: inverter sine chuẩn tần số cao (high frequency)

và inverter sine chuẩn tần số thấp (low frequency) hay còn được gọi là inverter dùng tăng

6 THIẾT KẾ S

OLAR CHA

RGE CONT ROLL

ER

• Solar charge controller có điện thế vào phù hợp với điện thế pin mặt trời và điện thế ra tương ứng với điện thế của battery

• Đối với các hệ pin mặt trời lớn nó được thiết kế thành nhiều dãy song song và mỗi dãy sẽ

do một solar charge controller phụ trách

• Thông thường ta chọn solar charge controller có dòng = 1,3* dòng ngắn mạch của PV

5 TÍNH TOÁN

Có 2 cách tính toán battery

Cách thứ 1: Dựa vào lượng điện sản xuất được từ tấm pin mặt trời.

- Dựa vào lượng điện sản xuất từ các tấm pin mặt trời Dung lượng ắc quy phải chứa được

= 1.5 đến 2 lần lượng điện sản xuất mỗi ngày

- Hiệu suất xả nạp của battery chỉ khoảng 70-80% cho nên chia số Wh do pin sản xuất ra với 0.7 – 0.8 rồi nhân với 1.5 đến 2 lần ta có Wh của battery

5 TÍNH TOÁN

Cách thứ 2: Dựa vào tải sử dụng, ta tính dung lượng battery như sau:

- Hiệu suất xả nạp của battery khoảng 80% nên chia số Wh của tải tiêu thụ với 0.8 ta có

BÀI TOÁN THỰC TẾ

 Tính hệ solar cho 1 hộ dân vùng sâu có yêu cầu sử dụng như sau:

- 1 bóng đèn 18 Watt sử dụng từ 6-10 giờ tối

- 1 quạt máy 60 Watt mỗi ngày sử dụng khoảng 2 giờ

- 1 tủ lạnh 75 Watt chạy liên tục

1 Xác định tổng lượng điện tiêu thụ mỗi ngày = (18W x 4 giờ) + (60W x 2 giờ)

+ (75W x 12 giờ) = 1092 Wh/ngày

( tủ lạnh tự động ngắt khi đủ lạnh nên xem như chạy 12 giờ nghỉ 12 giờ)

2 Tính pin mặt trời (PV panel)

PV panel = 1092 x 1,3 = 1419,6 Wh/ngày

Tổng Wp của PV panel = 1419,6 / 4,58 = 310 Wp

Chọn loại PV có 110 Wp thì số PV cần dùng là 310/110 # 3 tấm

3 Tính inverter

Tổng công suất sử dụng lớn nhất tại một thời điểm = 18 + 60 + 75 = 153 W

Công suất inverter = 153 W x 125% = 191,25 # 190 W

 Tính hệ solar cho 1 hộ dân vùng sâu có yêu cầu sử dụng như sau:

- 1 bóng đèn 18 Watt sử dụng từ 6-10 giờ tối

- 1 quạt máy 60 Watt mỗi ngày sử dụng khoảng 2 giờ

- 1 tủ lạnh 75 Watt chạy liên tục

Tuy nhiên trong hệ thống có tủ lạnh với dòng khởi động khoảng gấp 5-6 nên ta có:

= (6 x 75 = 450W)

Vậy chọn inverter công suất phải lớn hơn 450W Ta có thể chọn loại 500W trở lên nhưng cần chú ý cần chọn inverter sine chuẩn để an toàn cho tủ lạnh.

4 Tính toán battery

Dung lượng battery (Ah) = = 178 Ah

Với 2 ngày dự phòng, dung lượng bình = 178 x 2 = 356 Ah

Như vậy chọn battery deep-cycle 12V/400Ah cho 2 ngày dự phòng

Nếu chỉ sự dụng trong ngày thì không cần tính dự phòng, chọn ắc quy 12V - 200 Ah

là đủ

–  

 Tính hệ solar cho 1 hộ dân vùng sâu có yêu cầu sử dụng như sau:

- 1 bóng đèn 18 Watt sử dụng từ 6-10 giờ tối

- 1 quạt máy 60 Watt mỗi ngày sử dụng khoảng 2 giờ

- 1 tủ lạnh 75 Watt chạy liên tục

5 Tính solar charge controller

Thông số của mỗi PV module: Pm = 110 Wp, Vm = 16,7 Vdc , Im = 6,6 A, Voc = 20,7

V , Isc = 7.5 A

Như vậy solar charge controller = (3 tấm PV x 7,5 A) x 1,3 = 29,25 A

Chọn solar charge controller có dòng 30A / 12V hay lớn hơn

ƯU – NHƯỢC

ĐIỂM

CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI

ƯU ĐIỂM

• 1 Khả năng tái tạo

- Điện mặt trời là một nguồn năng lượng tái tạo, không giống như các nhiên liệu hóa thạch như than, dầu

mỏ, khí đốt… là những nguồn nhiên liệu không thể phục hồi Theo tính toán của NASA, mặt trời còn có thể cung cấp năng lượng cho chúng ta trong khoảng 6,5 tỉ năm nữa.

• 2 Sự phong phú, dồi dào

- Tiềm năng của năng lượng mặt trời là rất lớn - mỗi ngày, bề mặt trái đất được hưởng 120.000 terawatts (TW) của ánh sáng mặt trời, cao gấp 20.000 lần so với nhu cầu của con người trên toàn thế giới (1TW =

1.000 tỉ W).

• 3 Nguồn cung bền vững và vô tận

- Năng lượng mặt trời là vô tận, dư thừa để đáp ứng nhu cầu về năng lượng của nhân loại, đủ dùng cho

muôn vàn thế hệ về sau.

• 4 Tính khả dụng

- Năng lượng mặt trời có thể được tiếp nhận và sử dụng ở mọi nơi trên thế giới - không chỉ ở vùng gần xích đạo trái đất mà còn ở các vĩ độ cao thuộc phía bắc và phía nam Ví dụ, Đức hiện đang chiếm vị trí hàng đầu thế giới trong việc sử dụng năng lượng mặt trời và có kế hoạch tận dụng tối đa tiềm năng này.

ƯU ĐIỂM

• 5 Sạch về sinh thái

- Theo xu hướng phát triển gần đây trong cuộc đấu tranh cho việc làm sạch môi trường trái đất, năng lượng mặt trời là lĩnh vực hứa hẹn nhất, có thể thay thế một phần năng lượng từ các nguồn nhiên liệu không tái tạo được và do đó, nó đóng vai trò quan trọng trong công cuộc bảo vệ môi trường từ sự tăng nhiệt toàn cầu Việc sản xuất, vận chuyển, lắp đặt và vận hành các nhà máy điện mặt trời về cơ bản không phát thải các loại khí độc hại vào khí quyển Ngay cả khi có phát thải một lượng nhỏ thì nếu so sánh với các nguồn năng lượng truyền thống, lượng khí này là không đáng kể.

• 6 Không gây tiếng ồn

- Trên thực tế, việc sản xuất năng lượng mặt trời không sử dụng các loại động cơ như trong máy phát điện,

vì vậy việc tạo ra điện không gây tiếng ồn.

• 7 Hiệu quả cao, chi phí hoạt động thấp

- Chuyển sang sử dụng pin mặt trời, các hộ gia đình sẽ có được một khoản tiết kiệm đáng kể trong ngân sách chi tiêu Việc bảo trì, duy tu hệ thống cung cấp năng lượng mặt trời cho hộ gia đình đòi hỏi chi phí rất thấp - trong 1 năm, bạn chỉ cần một vài lần lau chùi sạch các tấm pin năng lượng mặt trời và chúng luôn được các nhà sản xuất bảo hành trong khoảng thời gian lên tới 20-25 năm.

ƯU ĐIỂM

• 8 Áp dụng rộng rãi

- Phổ ứng dụng của năng lượng mặt trời rất rộng - cung cấp điện tại các khu vực không có kết nối với lưới điện quốc gia (ngay cả ở những quốc gia phát triển cao như Mỹ, Nga, Pháp… hiện cũng vẫn có những vùng sâu vùng xa được gọi là “điểm mù về điện” như thế); dùng để khử muối trong nước biển ở nhiều quốc gia châu Phi khan hiếm nước ngọt và thậm chí cả việc cung cấp năng lượng cho các vệ tinh trên quỹ đạo trái đất Điện mặt trời gần đây được gọi là "năng lượng toàn dân", phản ánh sự đơn giản của việc tích hợp điện mặt trời vào hệ thống cung cấp điện nhà, song song với điện lưới hoặc

điện từ các nguồn cung khác.

• 9 Công nghệ tiên tiến

- Công nghệ sản xuất pin mặt trời mỗi ngày một tiến bộ hơn - mô-đun màng mỏng được đưa trực tiếp vào vật liệu ngay từ giai đoạn sơ chế ban đầu Tập đoàn Sharp của Nhật Bản cũng là một nhà sản

xuất pin mặt trời, vừa giới thiệu một hệ thống sáng tạo các yếu tố lưu trữ năng lượng cho kính cửa sổ Những thành tựu mới nhất trong lĩnh vực công nghệ nano và vật lý lượng tử cho phép chúng ta kỳ

vọng về khả năng tăng công suất của các tấm pin mặt trời lên gấp 3 lần so với hiện nay.

NHƯỢC ĐIỂM

• 1 Chi phí cao

- Có ý kiến cho rằng, điện mặt trời thuộc về loại năng lượng đắt tiền - đây có lẽ là vấn đề gây tranh cãi nhất trong việc sử dụng nguồn năng lượng này Do việc lưu trữ năng lượng mặt trời tại các hộ gia đình đòi hỏi khoản chi phí đáng kể ở giai đoạn ban đầu, nhiều quốc gia khuyến khích việc sử dụng các nguồn năng

lượng sạch bằng cách cho vay tín dụng để thực hiện hoặc cho thuê pin mặt trời theo những hợp đồng có lợi cho người thuê.

• 2 Không ổn định

- Có một thực tế bất khả kháng: Vào ban đêm, trong những ngày nhiều mây và mưa thì không có ánh sáng mặt trời, vì thế năng lượng mặt trời không thể là nguồn điện chính yếu Tuy nhiên, so với điện gió, điện mặt trời vẫn là một lựa chọn có nhiều ưu thế hơn.

• 3 Chi phí lưu trữ năng lượng cao

- Giá của ắc quy tích trữ điện mặt trời để lấy điện sử dụng vào ban đêm hay khi trời không có nắng hiện nay vẫn còn khá cao so với túi tiền của đại đa số người dân Vì thế, ở thời điểm hiện tại, điện mặt trời chưa có khả năng trở thành nguồn điện duy nhất ở các hộ gia đình mà chỉ có thể là nguồn bổ sung cho điện lưới và các nguồn khác.