Header Page 1 of 126.

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ....................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu: ........................................................................... 3
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:....................................................... 3
4. Phương pháp nghiên cứu: .................................................................... 4
5. Bố cục của đề tài: ................................................................................ 4
6. Tổng quan và tài liệu nghiên cứu ......................................................... 4
CHƯƠNG 1. NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP
KHAI THÁC, SỬ DỤNG ............................................................................. 5
1.1. NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI .................................................................. 5
1.1.1. Cấu trúc của mặt trời .................................................................... 6
1.1.2. Bức xạ mặt trời ............................................................................. 8
1.1.3. Phổ bức xạ mặt trời..................................................................... 14
1.1.4. Đặc điểm của bức xạ mặt trời trên bề mặt quả đất....................... 16
1.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP KHAI THÁC, SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT
TRỜI ............................................................................................................ 23
1.2.1. Tổng quan về thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời ..................... 24
1.2.2. Hướng nghiên cứu về thiết bị sử dụng NLMT ............................ 30
CHƯƠNG 2. CẤU TRÚC MỘT LƯỚI ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT
TRỜI NỐI LƯỚI ....................................................................................... 33
2.1. GIỚI THIỆU ......................................................................................... 33
2.2. PHÂN TÍCH CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG
LƯỢNG MẶT TRỜI ................................................................................... 34
2.2.1. Solar ........................................................................................... 34
2.2.2. Solar controller ........................................................................... 35

Footer Page 1 of 126.


DANH MỤC CÁC HÌNH
Số

Tên hình

hình
1.1

Cấu trúc của mặt trời.

6

1.2

Các thành phần của mặt trời.

7

1.3

Dải bức xạ điện từ.

9

1.4

Góc nhìn mặt trời

10



Định nghĩa các vĩ tuyến (a) và kinh tuyến (b)

17

1.10

Phổ bức xạ mặt trời bên trong và ngoài bầu khí quyển

18

1.11

Định nghĩa và cách xác định airmas

21

1.12

Pin mặt trời

24

1.13

Nhà máy sử dụng Năng lượng mặt trời

26

1.14


Solar panel 170 W

34

2.2

Bộ solar controller uC12 – 40DC3ST

35

2.3

Bình ac quy 12v 180Ah

36

2.4

Bộ inverter

37


Header Page 4 of 126.

Footer Page 4 of 126.

2.5


Tấm pin mặt trời 160 Wp

53

3.5

Thiết bị đồng bộ RS – 485

54

3.6

Sơ đồ đấu nối hệ pin mặt trời vào hệ thống

58


Header Page 5 of 126.

DANH MỤC CÁC BẢNG
Số

Tên bảng

bảng
1.1

Phân bố phổ bức xạ mặt trời theo bước sóng

15


Trang

Sản lượng điện năng do hệ thống pin mặt trời tạo
ra theo tháng
Tổng chi phí cho cả hệ thống pin năng lượng mặt
trời

55

61


Header Page 6 of 126.

DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT

Footer Page 6 of 126.

NLMT

: Năng lượng mặt trời

DC

: Điện áp một chiều

AC

: Điện áp xoay chiều

MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây Việt Nam quan tâm đầu tư cho nghiên cứu
khai thác sử dụng nguồn năng lượng mặt trời, ứng dụng các công nghệ tiên
tiến quang điện để cấp điện và quang nhiệt để cấp nhiệt phục vụ cho nhu cầu
phát triển kinh tế xã hội. Trong đó, nguồn năng lượng mặt trời được đánh giá
là khá dồi dào và phong phú, và là nguồn năng lượng cơ bản có tính chiến
lược không chỉ cấp điện cho vùng chưa có điện lưới mà còn là nguồn bổ sung
quan trọng cho hệ thống năng lượng quốc gia, góp phần đảm bảo an ninh
năng lượng và bảo vệ môi trường sống. Việt Nam đã ứng dụng năng lượng
mặt trời để cấp điện và cấp nhiệt. Các hệ thống lưới điện mặt trời đã có mặt ở
38 tỉnh, thành trong cả nước và một số bộ, ngành sử dụng. Các nguồn điện pin
mặt trời đều không nối lưới, trừ hệ thống pin mặt trời 150 kW tại Trung tâm
Hội nghị Quốc gia là có nối lưới. Tổng công suất điện pin mặt trời của Việt
Nam hiện nay khoảng 1,4 MW.
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay, các nguồn năng lượng trên trái đất như dầu mỏ, than đá…
đang dần cạn kiệt, không còn để khai thác được nữa. Ngoài ra, những nguồn
năng lượng này là nguyên nhân chính gây ra sự ô nhiễm không khí làm ảnh
hưởng đến đời sống con người.
Trong khi đó, nguồn năng lượng tái tạo khá dồi dào, có khả năng thay
thế nguồn năng lượng hóa thạch, giảm thiểu tác động tới môi trường. Vì vậy,
tập trung nghiên cứu ứng dụng năng lượng tái tạo đang là hướng đi mới trong
năng lượng công nghiệp, nhất là trong thời đại ngày nay vấn đề tiết kiệm năng
lượng đang đặt lên hàng đầu. Việc khai thác năng lượng tái tạo có ý nghĩa
quan trọng cả về kinh tế, xã hội, an ninh năng lượng và phát triển bền vững.
Năng lượng mặt trời là một trong các nguồn năng lượng tái tạo quan
trọng nhất mà thiên nhiên ban tặng cho hành tinh chúng ta. Đồng thời, nó

Footer Page 7 of 126.


phát triển bền vững Việt Nam giai đoạn 2011-2020, bảo đảm kết hợp hài
hòa giữa tăng trưởng kinh tế, xóa đói giảm nghèo, sử dụng hợp lý tài nguyên

Footer Page 8 of 126.


3

Header Page 9 of 126.

thiên nhiên và bảo vệ môi trường, nhằm chống tụt hậu xa hơn về kinh tế so
với các nước trong khu vực, cũng như các nước khác trên phạm vi toàn thế
giới, đồng thời thực hiện thắng lợi mục tiêu “Dân giàu, nước mạnh, dân
chủ, công bằng, văn minh”.
Đối với tỉnh Trà Vinh nói chung và Trường Đại học Trà vinh nói
riêng, với tốc độ phát triển về c ơ s ở v ậ t c h ấ t cũ n g nh ư c ơ s ở h ạ
t ầ n g n g à y mộ t l ớn trong những năm gần đây, nhu cầu năng lượng để
đáp ứng cho việc phát triển này sẽ ngày một gia tăng. Trong khi đó
trường Đại học Trà vinh đang khởi động dự án Đại học xanh. Đặc biệt
vào tháng 10 năm 2014 Hiệp hội Lãnh đạo Đại học vì một Tương lai Bền
vững (ULSF) đã chính thức công nhận Đại học Trà Vinh thuộc hệ thống 400
trường đại học trên 50 quốc gia cùng chung tay xây dựng môi trường bền
vững trong các lĩnh vực học thuật. Do đó việc sử dụng nguồn năng lượng
mặt trời là giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng trong tình
hình hiện nay là hết sức cần thiết.
Vì vậy, việc nghiên cứu khai thác hệ thống điện năng lượng mặt trời,
cung cấp điện cho phụ tải đồng thời hòa tối ưu nguồn năng lượng này lên lưới
điện đang là một vấn đề cấp thiết.
2. Mục tiêu nghiên cứu:
Sử dụng hệ thống điện năng lượng mặt trời kết nối với lưới điện trường


Footer Page 10 of 126.


5

Header Page 11 of 126.

CHƯƠNG 1

NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP
KHAI THÁC, SỬ DỤNG
1.1. NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Mặt trời là một trong những ngôi sao phát sáng mà con người có thể
quan sát được trong vũ trụ. Mặt trời cùng với các hành tinh và các thiên thể
của nó tạo nên hệ mặt trời nằm trong dải Ngân Hà cùng với hàng tỷ hệ mặt
trời khác. 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. 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.
Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1,390.106 km (lớn hơn
110 lần đường kính Trái đất), cách xa trái đất 150.106 km (bằng một đơn vị
thiên văn AU ánh sáng Mặt trời cần khoảng 8 phút để vượt qua khoảng này
đến Trái đất). Khối lượng Mặt trời khoảng Mo = 2.1030 kg. Nhiệt độ To trung
tâm mặt trời thay đổi trong khoảng từ 10.106 oK đến 20.106 oK, trung bình

có nhiệt độ thấp khoảng 4.500 oK và các tai lửa có nhiệt độ từ (7.000 ÷
10.000) oK. Vùng ngoài cùng là vùng bất định và gọi là “khí quyển” của
Mặt trời.

Footer Page 12 of 126.


7

Header Page 13 of 126.

Hình 1.2. Các thành phần của mặt trời.
Nhiệt độ bề mặt của Mặt trời là 5.762 oK nghĩa là có giá trị đủ lớn để
các nguyên tử tồn tại trong trạng thái kích thích, đồng thời đủ nhỏ để ở đây
thỉnh thoảng lại xuất hiện những nguyên tử bình thường và các cấu trúc phân
tử. Dựa trên cơ sở phân tích các phổ bức xạ và hấp thụ của Mặt trời người ta
xác định được rằng trên mặt trời có ít nhất 2/3 số nguyên tố tìm thấy trên Trái
đất. Nguyên tố phổ biến nhất trên Mặt trời là nguyên tố nhẹ nhất Hydrogen.
Vật chất của Mặt trời bao gồm khoảng 73.46% là Hydrogen và gần 24,85% là
Helium, còn lại là các nguyên tố và các chất khác như Oxygen 0,77%, Carbon
0,29%, Iron 0,16%, Neon 0,12%, Nitrogen 0,09%, Silicon 0,07%, Magnesium
0,05% và Sulphur 0,04%. Nguồn năng lượng bức xạ chủ yếu của Mặt trời là
do phản ứng nhiệt hạch tổng hợp hạt nhân Hyđrô, phản ứng này đưa đến sự
tạo thành Hêli. Hạt nhân của Hyđrô có một hạt mang điện dương là proton.
Thông thường những hạt mang điện cùng dấu đẩy nhau, nhưng ở nhiệt độ đủ
cao chuyển động của chúng sẽ nhanh tới mức chúng có thể tiến gần tới nhau ở
một khoảng cách mà ở đó có thể kết hợp với nhau dưới tác dụng của các lực
hút. Khi đó cứ 4 hạt nhân Hyđrô lại tạo ra một hạt nhân Hêli, 2 Neutrino và
một lượng bức xạ γ.


chuyển thành điện năng bằng các pin năng lượng Mặt Trời. Năng lượng dự
trữ trong dầu mỏ được giả định rằng là nguồn năng lượng của Mặt Trời được
chuyển đổi từ xa xưa trong quá trình quang hợp và phản ứng hóa sinh của
sinh vật cổ.
Trong toàn bộ bức xạ của Mặt trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các
phản ứng hạt nhân xảy ra trong Mặt trời không quá 3%. Bức xạ γ ban đầu khi
đi qua 5.105 km chiều dầy của lớp vật chất Mặt trời của biến đổi rất mạnh. Tất

Footer Page 14 of 126.


9

Header Page 15 of 126.

cả các dạng của bức xạ điện từ đều có bản chất sóng và chúng khác nhau ở
bước sóng. Bức xạ γ là sóng ngắn nhất trong các sóng đó, tứ tâm Mặt trời đi
ra cho 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.

Hình 1.3. Dải bức xạ điện từ.
Bức xạ γ là sóng ngắn nhất trong các sóng đó (hình 1.3), từ tâm Mặt
trời đi ra do sự va chạm hoặc tán xạ mà 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.

Trong đó: φD_T: hệ số góc bức xạ giữa Trái đất và Mặt trời.
φD_T = β2/4

(1.3)

β: góc nhìn mặt trời, β ≈ 32’ như hình 2.2
C0 = 5,67 W/m2.K4 – hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối.
T ≈ 5762oK – nhiệt độ bề mặt Mặt trời. (xem giống vật đen tuyệt đối)

Hình 1.4. Góc nhìn mặt trời
 2.3,14.32 2 


4
 360.60 
 .5,67. 5762   1353 W / m 2
=> q  


4
 100 





(1.4)

Do khoảng cách giửa 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 không lớn lắm

Bức xạ chịu dạng tán xạ đó chủ yếu là bức xạ có bước sóng ngắn nhất.
Sau khi phản xạ từ các phần khác nhau của khí quyển bức xạ tán xạ đi đến

Footer Page 17 of 126.


12

Header Page 18 of 126.

chúng ta mang theo màu xanh lam của bầu trời trong sáng và có thể quan sát
được ở những độ cao không lớn. Các giọt nước cũng tán xạ rất mạnh bức xạ
mặt trời.
Bức xạ mặt trời khi đi qua khí quyển còn gặp một trở ngại đáng kể nữa
đó là do sự hấp thụ của các phần tử hơi nước, khí cacbônic và các hợp chất
khác, mức độ của sự hấp thụ này phụ thuộc vào bước sóng, mạnh nhất ở
khoảng giữa vùng hồng ngoại của phổ.
Phần năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt trái đất trong những
ngày quang đãng (không có mây) ở thời điểm cao nhất vào khoảng 1000W/m2
(hình 1.5). Yếu tố cơ bản xác định cường độ của bức xạ mặt trời ở một điểm
nào đó trên Trái đất là quảng 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 nghiên của
trục Trái đất đối với mặt phẳng quỹ đạo của nó quanh Mặt trời gây ra. Góc
nghiên vào khoản 66,5o và thực tế xem như không thay đổi trong không gian.
Sự đinh hướng như vậy của trực quay Trái đất trong chuyển động của nó đối
với Mặt trời gây ra những sự dao động quan trọng về độ dài ngày và đêm
trong năm.

Hình 1.6. Vị trí của trái đất và mặt trời thay đổi trong năm


Footer Page 19 of 126.


14

Header Page 20 of 126.

không ngừng trong lòng mặt trời. Ngoài ra, bằng kính thiên văn có thể quan
sát được cấu trúc hạt, vật thể hình kim, hiện tượng phụt khói, phát xung
sáng,…luôn luôn thay đổi và rất dữ dội.
1.1.3. Phổ bức xạ mặt trời
Bức xạ mặt trời có bản chất là sóng điện từ, là quá trình truyền các dao
động điện từ trường trong không gian. Trong quá trình truyền sóng, các vectơ
cường độ điện trường và cường độ từ trường luôn luôn vuông góc với nhau và
vuông góc với phương truyền của sóng điện từ. Quãng đường mà sóng điện từ
truyền được sau một chu kỳ dao động điện từ được gọi là bước sóng .
Trong chân không vận tốc truyền của sóng điện từ gần đúng bằng c =
3.108 m/s. Còn trong môi trường vật chất, vận tốc truyền của sóng nhỏ hơn và
bằng v = c/n, trong đó n được gọi là chiết suất tuyệt đối của môi trường, với n
≥ 1. Các sóng điện từ có bước sóng trải dài trong một phạm vi rất rộng từ 10.7
nm (nano met) đến hàng nghìn km. (Hình 1.8) trình bày thang sóng điện từ
của bức xạ mặt trời.

Hình 1.8. Thang sóng điện từ của bức xạ mặt trời
Ánh sáng nhìn thấy có bước sóng từ 0,4 µm đến gần 0,8 µm, chỉ chiếm
một phần rất nhỏ của phổ sóng điện từ của bức xạ mặt trời. Mặc dù có cùng
bản chất là song điện từ nhưng các loại sóng điện từ có bước sóng  khác
nhau thì gây ra các tác dụng lý học, hoá học và sinh học rất khác nhau. Nói
riêng trong vùng phổ nhìn thấy được, sự khác nhau về bước sóng gây cho ta

[9] H.P. Garg: Trease on solar energy, Vol. 1, Fundamentals of solar energy,
John Wiley and Sons, New York 1982.
[10] John A. Duffie, William A Beckman, Solar Engineering of Themal
Processes, A Wiley – Interscience Publication, 1991

Footer Page 21 of 126.


66

Header Page 22 of 126.

[11] Martin Mc Phillips: The solar age, Everest House Publishers, New
Press,1979.
[12] Các nguồn tài liệu trên internet.

Footer Page 22 of 126.