SÁCH HƯỚNG DẪN HỌC TẬP NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT  SÁCH HƯỚNG DẪN HỌC TẬP NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO Ngành Kỹ thuật Điện – Điện tử Tp TDM, tháng 06 năm 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘ.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT  SÁCH HƯỚNG DẪN HỌC TẬP NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO Ngành: Kỹ thuật Điện – Điện tử Tp TDM, tháng 06 năm 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT  SÁCH HƯỚNG DẪN HỌC TẬP NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO (Lưu hành nội bộ) Ngành: Kỹ thuật Điện – Điện tử Chủ biên: ThS Nguyễn Phương Trà, ThS Nguyễn Bá Thành Tp TDM, tháng 06 năm 2017 LỜI NÓI ĐẦU Năng lượng nguồn động lực cho hoạt động sản xuất đời sống xã hội Ngày nay, với tiến khoa học kỹ thuật, mức tiêu thụ lượng người ngày gia tăng Các nguồn lượng hóa thạch than đá, dầu khí, v.v dần cạn kiệt Bên cạnh đó, việc sử dụng lượng truyền thống tạo khí thải điơxit cacbon, mêtan, bụi… gây nhiễm mơi trường, tạo nên hiệu ứng nhà kính nguyên nhân chủ yếu làm cho trái đất nóng lên Để đáp ứng nhu cầu lượng ngày cao, người mặt phải sử dụng lượng tiết kiệm, hiệu quả, mặt khác phải tăng cường nghiên cứu, khai thác, sử dụng nguồn lượng tái tạo lượng mặt trời, lượng gió, lượng sinh khối, v.v Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn nhằm đáp ứng nhu cầu tài liệu học tập cho sinh viên Khoa Điện – Điện tử Trường đại học Thủ Dầu Một, biên soạn Bài giảng môn học Năng lượng tái tạo Bài giảng biên soạn dựa việc tổng hợp tài liệu tham khảo từ đồng nghiệp anh chị sinh viên Thực ra, tác giả cố gắng không tránh khỏi sai sót, kính mong nhận bổ khuyết, góp ý từ q thầy/ cơ, anh /chị sinh viên để lần tái sau hoàn chỉnh Tác giả xin cảm ơn đồng nghiệp giúp đỡ tài liệu cho mơn học cịn Tp TDM, ngày 26 tháng 06 năm 2017 MỤC LỤC Chương 1: Tổng quan lượng tái tạo (NLTT) 1.1 Lịch sử phát triển công nghệ lượng 1.2 Các dạng lượng 1.3 Tình hình sử dụng lượng tái tạo giới tiềm phát triển Việt Nam 1.4 Các sách lượng Việt Nam 16 Chương 2: Năng lượng gió 26 2.1 Lịch sử ứng dụng lượng gió 26 2.2 Nguyên lý lượng gió 30 2.3 Năng lượng gió Việt Nam 31 2.4 Các kiểu turbine gió 33 2.5 Cấu tạo tuabin gió 37 2.6 Nguyên lý hoạt động tuabin gió 38 2.7 Hiệu suất turbine gió 42 2.8 Thiết kế máy phát điện gió cơng suất nhỏ 43 2.9 Tính tốn thiết kế mơ hình gió điển hình 47 Chương 3: Điện mặt trời 53 3.1 Pin mặt trời lịch sử phát triển 56 3.2 Nguyên lý hoạt động tế bào quang điện 56 3.3 Công nghệ sản xuất tế bào quang điện 70 3.4 Hệ thông nguồn điện pin mặt trời 83 Chương Nhiệt mặt trời 95 4.1 Bức xạ mặt trời 95 4.2 Các nguyên lý nhiệt động học 95 4.3 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động Máy nước nóng lượng mặt trời 97 4.4 Các loại nhà máy nhiệt điện mặt trời 100 Chương 5: Pin nhiên liệu 109 i 5.1 Nhiên liệu hydro/pin nhiên liệu gì? 109 5.2 Nguyên lý hoạt động pin nhiên liệu 109 5.3 Lịch sử phát triển pin nhiên liệu 110 5.4 Phân loại 111 5.5 Cách tạo pin nhiên liệu hidrogen đơn giản 112 5.6 Ứng dụng pin nhiên liệu 119 Chương 6: Khí sinh học 121 6.1 Nguyên lý sinh học hình thành biogas 121 6.2 Tình hình phát triển cơng nghệ khí sinh học Việt Nam 122 6.3 Cấu tạo hầm khí sinh học 128 6.4 Thiết kế hầm biogas quy mô nhỏ 128 6.5 Các ứng dụng biogas 129 Chương 7: Nhiên liệu sinh học 135 7.1 Nhiên liệu sinh học gì? 135 7.2 Phân loại nhiên liệu sinh học 136 7.3 Cồn sinh học (bio-ethanol) 136 7.4 Dầu sinh học (bio-diesel) 137 7.5 Công nghệ sản xuất cồn sinh học dầu sinh học 138 ii NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO Chương 1: Tổng quan lượng tái tạo (NLTT) 1.1 Lịch sử phát triển công nghệ lượng Để tồn phát triển từ xa xưa loài người biết sử dụng dạng lượng khác Theo đà phát triển lịch sử người phát sử dụng thêm nhiều dạng lượng khác Năng lượng động lực cho hoạt động vật chất tinh thần người Trình độ sản xuất phát triển ngày cao tiêu tốn nhiều lượng tạo thách thức to lớn môi trường Ngày lượng trở nên có tính chất sống cịn nhân loại mặt nguồn lượng hóa thạch dần cạn kiệt, mặt khác phát triển sản xuất đặt vấn đề cấp bách yêu cầu lượng có nguy hủy hoại môi trường Để phát triển bền vững người phải sử dụng lượng cách tiết kiệm hiệu quả, đồng thời phải nghiên cứu phát triển nguồn lượng có tính chất tái tạo thân thiện với môi trường Lịch sử phát triển cơng nghệ lượng giới tóm tắt bảng 1.1 theo mốc thời gian sau đây: Bảng 1.1 Các mốc lịch sử việc sử dụng lượng Thời gian Tiền sử Cổ đại 1687 1738 1756 1763 Năng lượng sử dụng Với việc phát lửa người tiến sử biết sử dụng nhiệt từ gỗ để đun nấu, sưởi ấm, chiếu sáng Con người biết sử dụng lượng gió để xay xát, kéo thuyền bè, lượng dòng chảy để bơm nước tưới tiêu, xay xát Isaac Newton (1642-1727) xây dựng sở lý thuyết học cổ điển đặt móng cho việc sử dụng kỹ thuật Daniel Bernoulli (1700-1782) xây dựng sở cho nghiên cứu học chất lỏng đặt móng cho việc sử dụng thủy kỹ thuật Mikhail Lomonossov (1711-1785) đề xuất định luật bảo toàn biến đổi lượng James Watt (1736-1919) phát triển máy nước Năng lượng nước góp phần giải phóng lao động bắp nguời Bắt đầu kỷ nguyên công nghiệp hóa khí hóa Than đá nguồn nhiên liệu chủ yếu NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 1831 Michael Faraday (1791-1867) phát minh định luật cảm ứng điện từ đặt móng cho đời thiết bị điện Bắt đầu kỷ ngun điện khí hóa 1860 J.C Maxwell (1831-1879) công bố lý thuyết Trường điện từ thống nhất, hoàn thiện sở điện từ sử dụng lượng điện từ, đặt móng cho đời kỹ thuật điện tử Luyện thép đời thúc đẩy khai thác than phát triển Dầu mỏ bắt đầu sử dụng công nghiệp đời sống Tàu hỏa chạy lượng nước đời nước Anh Động đốt hồn thiện Ơ tơ sản xuất hàng loạt Pierre Marie Curie (1867-1934) tìm chất phóng xạ Bắt đầu kỷ nguyên lượng nguyên tử Max Planck (1858-1947) công bố thuyết lượng tử Cơ học lượng tử đời IEC (International Electrotechnical Commission) Ủy ban Kỹ thuật điện quốc tế đời thúc đẩy phát triển tiêu chuẩn hóa kỹ thuật điện Albert Einstein (1879-1955) cơng bố lý thuyết tương định luật tiếng E = mC Các nhà khoa học Hoa Kỳ chế tạo bom nguyên tử Pin mặt trời bắt đầu chế tạo thương mại hóa Ngày 27-6-1954, nhà máy điện nguyên tử đời Liên Xô cũ, công suất 5MW Obninsk IAEA (International Atomic Energy Agency) Uỷ ban Năng lượng Nguyên tử quốc tế đời Tổ chức nước xuất dầu mỏ OPEC (Organization of the Petroleum Exporting Countries) đời Khủng hoảng dầu mỏ hậu chiến tranh Trung Đông IEA (International Energy Agency) Ủy ban Năng lượng quốc tế đời Công ước khung biến đổi khí hậu LHQ nhằm ổn định nồng độ khí gây hiệu ứng nhà kính 1860 1870 1881 1890 1898 1899 1900 1906 1942 1954 1954 1957 1960 1973 1974 9/9/199 2 NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 1.2 Các dạng lượng Tổn thất vận chuyển biến đổi từ lượng sơ cấp sang thứ cấp Tổn thất truyền tải phân phối hiệu suất thiết bị sử dụng Hình 1.1 Quan hệ loại lượng Năng lượng dạng vật chất ứng với q trình sinh công Năng lượng hiểu khả sinh cơng sinh nhiệt Có nhiều hệ thống phân loại khác lượng sử dụng:  Theo dạng vật chất lượng phân loại như: thể rắn (than, củi…), thể lỏng (dầu mỏ sản phẩm dầu), thể khí (khí đốt sản phẩm khí)  Theo dịng biến đổi lượng ta thường gặp khái niệm: - Năng lượng sơ cấp: Năng lượng sơ cấp lượng khai thác trực tiếp từ nguồn chưa qua công đoạn xử lý Ví dụ than đá, dầu thơ, v.v - Năng lượng thứ cấp: Năng lượng thứ cấp lượng qua vài q trình biến đổi Ví dụ điện năng, khí hóa than, v.v - Năng lượng cuối cùng: Năng lượng cuối lượng đầu vào thiết bị sử dụng lượng NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO - Năng lượng hữu ích: Năng lượng hữu ích lượng nhận thiết bị sử dụng lượng trừ tổn thất truyền tải phân phối tổn thất thiết bị sử dụng lượng Quan hệ khái niệm lượng cho hình 1.1  Theo khả tái sinh lượng ta thường gặp khái niệm lượng tái tạo không tái tạo Ví dụ lượng mặt trời, lượng gió, thủy năng…là tái tạo; lượng từ dạng nhiên liệu hóa thạch than, dầu mỏ, khí đốt khơng có khả tái tạo 1.2.1 Khái niệm lượng tái tạo Năng lượng tái tạo hay lượng tái sinh lượng từ nguồn liên tục mà theo chuẩn mực người vô hạn Nguyên tắc việc sử dụng lượng tái sinh tách phần lượng từ quy trình diễn biến liên tục mơi trường đưa vào sử dụng kỹ thuật Các quy trình thường thúc đẩy đặc biệt từ Mặt Trời Trong cách nói thơng thường, lượng tái tạo hiểu nguồn lượng hay phương pháp khai thác lượng mà đo chuẩn mực người vơ hạn Vơ hạn có hai nghĩa: Hoặc lượng tồn nhiều đến mức mà trở thành cạn kiệt sử dụng người (thí dụ lượng Mặt Trời) lượng tự tái tạo thời gian ngắn liên tục (thí dụ lượng sinh khối) quy trình cịn diễn tiến thời gian dài Trái Đất Theo ý nghĩa vật lý, lượng không tái tạo mà trước tiên Mặt Trời mang lại biến đổi thành dạng lượng hay vật mang lượng khác Tùy theo trường hợp mà lượng sử dụng tức khắc hay tạm thời dự trữ Việc sử dụng khái niệm "tái tạo" theo cách nói thơng thường dùng để đến chu kỳ tái tạo mà người ngắn nhiều (thí dụ khí sinh học so với lượng hóa thạch) Trong cảm giác thời gian người Mặt Trời cịn nguồn cung cấp lượng thời gian gần vô tận Mặt Trời nguồn cung cấp lượng liên tục cho nhiều quy trình diễn tiến bầu sinh Trái Đất Những quy trình cung cấp lượng cho người mang lại gọi nguyên liệu tái tăng trưởng Luồng gió thổi, dịng nước chảy nhiệt NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO lượng Mặt Trời người sử dụng khứ Quan trọng thời đại cơng nghiệp sức nước nhìn theo phương diện sử dụng kỹ thuật theo phương diện phí tổn sinh thái Ngược lại với việc sử dụng quy trình việc khai thác nguồn lượng than đá hay dầu mỏ, nguồn lượng mà ngày tiêu dùng nhanh tạo nhiều Theo ý nghĩa định nghĩa tồn "vơ tận" phản ứng tổng hợp hạt nhân (phản ứng nhiệt hạch), thực bình diện kỹ thuật, phản ứng phân rã hạt nhân (phản ứng phân hạch) với lò phản ứng tái sinh (breeder reactor), lượng hao tốn lúc khai thác uranium hay thorium giữ mức thấp, nguồn lượng tái tạo thường chúng khơng tính vào loại lượng 1.2.2 Các dạng lượng tái tạo Nguồn gốc từ xạ Mặt Trời Năng lượng Mặt Trời thu Trái Đất lượng dòng xạ điện từ xuất phát từ Mặt Trời đến Trái Đất Chúng ta tiếp tục nhận dòng lượng phản ứng hạt nhân Mặt Trời hết nhiên liệu, vào khoảng tỷ năm Có thể trực tiếp thu lấy lượng thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển lượng photon Mặt Trời thành điện năng, pin Mặt Trời Năng lượng photon hấp thụ để làm nóng vật thể, tức chuyển thành nhiệt năng, sử dụng cho bình đun nước Mặt Trời, làm sôi nước máy nhiệt điện tháp Mặt Trời, vận động hệ thống nhiệt máy điều hòa Mặt Trời Năng lượng photon hấp thụ chuyển hóa thành lượng liên kết hóa học phản ứng quang hóa Một phản ứng quang hóa tự nhiên trình quang hợp Quá trình cho dự trữ lượng Mặt Trời vào nguồn nhiên liệu hóa thạch khơng tái sinh mà công nghiệp kỷ 19 đến 21 tận dụng Nó trình cung cấp lượng cho hoạt động sinh học tự nhiên, cho sức kéo gia súc củi đốt, nguồn lượng sinh học tái tạo truyền thống Trong tương lai, q trình có NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO Hình 3.21 PMT tandem 3.4.3.5 Các hệ pin mặt trời hội tụ Trong hệ thống quang điện , thành phần đắt tiền PMT Nếu ta giảm diện tích PMT C lần nhờ hệ hội tụ C lần, ta giảm giá thành hệ PMT gắn quay tự động hướng mặt trời, khơng chuyển hóa thành phần khuếch tán xạ mặt trời Rõ ràng hệ hoạt động hoạt động vùng nhiệt đới nơi xạ trực tiếp cao khoảng – 7,5KWh/m /ngày tối ưu hóa tăng hiệu suất tồn hệ thống Trên hình 3.22 3.23 ta thấy sơ đồ sử dụng thấu kính Fesnel và nắp đậy hình lăng trụ giảm độ che contact mặt trước Thấu kình Fesnel hệ phổ biến nhất, hãng Entech – Texas tiếng Mỹ chọn để sử dụng Hệ thống tự quay theo mặt trời có làm phức tạp thêm khí giảm độ ổn định tồn hệ thống, hệ thúc đẩy lượng sinh cách đáng kể, từ 20 – 40% Ngoài làm cần ý sử dụng hệ thống làm lạnh để nhiệt độ PMT không tăng lên nhiều 80 NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO Hình 3.22 Thấu kính Fresnel Hình 3.23 Nấp che lăng tụ giảm độ che contact Ưu điểm PMT hội tụ tăng hiệu suất chuyển hóa lên C lần (C hệ số hội tụ) Lý đơn giản : hở mạch loga dòng nối tắt, lấy gần logic Để tận dụng tối đa yếu tố cần giảm điện trở nối tiếp PMT, tăng bề rộng lưới contact mặt trước với phủ lớp hình lăng trụ để giảm che contact mặt trước Với hồn hảo cơng nghệ, BP Solar đạt hiệu suất 20,1% PMT hiệu suất 18% hệ số hội tụ C =1 3.4.3.5 Pin mặt trời cho vũ trụ Mỗi năm vệ tinh tàu vũ trụ sử dụng hàng trăm MWp PMT, chiếm khoảng 3% thị trường PMT nói chung Giá PMT vũ trụ vào thập niên 1960 tới 1000USD/Wp Ngày giá PMT dùng cho vũ trụ khoảng 55USD/Wp, đắt 15 lần so với sử dụng mặt đất yêu cầu chất lượng cao, yếu tố : độ tin cậy phải hoàn hảo, hiệu suất cao trọng lượng nhỏ Về hiệu suất phải tính đến dùng PMT vũ trụ với xạ lớn 35% mặt đất, hiệu suất giảm 1-2% phổ xạ dịch ánh sáng xanh Ngồi cịn phải tính đến “vành đai xạ” thường phá hoại PMT độ cao 700 – 0 14.000km thay đổi nhiệt độ lớn (từ -150 C đến 60 C) Phục vụ cho mục tiêu sử dụng vũ trụ, người ta thường sử dụng PMT GaAs PMT Si đơn tinh thể hiệu suất cao So với PMT Si, PMT GaAs có hiệu suất cao nhiều thường gấp rưỡi Sử dụng PMT cho mục đích vũ trụ ứng dụng ứng dụng lâu dài tương lai 81 NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO Pin mặt trời vũ trụ chìa khóa cho Cơng nghệ thơng tin Viễn thơng qua vệ tinh Có thể nói PMT vũ trụ đưa lồi người sang kỹ nguyên công nghệ mới, thông tin viễn thông tồn cầu hàng loại tiện ích cơng nghệ thơng tin Hình 3.24 Trạm Skylab – giàn pin mặt trời 20W phóng lên vũ trụ 1973 3.3.3.7 Triển vọng pin mặt trời hiệu suất cao Các PMT Si đơn tinh thể chế tạo phương pháp Cz sử dụng công nghệ chế tạo cải tiến, đạt hiệu suất 16 – 18% Các PMT Si hiệu suất cao pin GaAs đạt hiệu suất 20 – 25% hướng nghiên cứu cần tiếp tục Tuy đối tượng sử dụng hẹp, chủ yếu dùng cho tàu vũ trụ Giữa hai hướng PMT hội tụ thuận lợi cho việc sử dụng nước nhiệt đới Song song với tiến PMT hiệu suất cao, PMT đa tinh thể vơ định hình với giá thành hạ hướng đáng quan tâm, bàn đến phần khác Hiện nay, pin mặt trời truyền thống gặp phải vấn đề tính hiệu việc hấp thu lượng Các pin hấp thu khoảng 20% lượng từ ánh sáng Tuy nhiên gần đây, kỹ sư thuộc trường đại học Missouri, Mỹ phát triển pin lượng mặt trời linh hoạt hơn, có khả hấp thu đến 90% lượng từ ánh sáng Ông dự định đưa sản phẩm thử nghiệm đến tay người tiêu dùng vòng năm năm tới 82 NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 3.4 Hệ thông nguồn điện pin mặt trời 3.4.1 Hệ thống nguồn pin mặt trời độc lập Đối với khu vực nơi mà khơng có lưới điện vươn tới sử dụng với quy mô nhỏ thường sử dụng nguồn Pin mặt trời độc lập Một hệ thống nguồn Pin mặt trời độc lập gồm phận sau: Dàn Pin mặt trời Bộ tích trữ điện Các thiết bị điều khiển, biến đổi điện , tạo cân lượng hệ Thiết bị tiêu thụ điện Hình 3.25 Sơ đồ khối hệ thơng pin mặt trời độc lập 83 NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO Hình 3.26 Nguồn Pin mặt trời nối lưới 3.4.3 Hệ thống pin mặt trời nối lưới Trong hệ thông pin mặt trời nối lưới điện mặt trời tạo chuyển đổi thành AC hịa vào mạng lưới công nghiệp Đây công nghệ phổ biến nước phát triển Pin mặt trời lâu năm như: Mỹ, Nhật, Pháp, Đức,… Ưu điểm hệ thống khơng phải dùng dự trữ điện năng, xem lưới bồn chứa điện cần lấy sử dụng, phương pháp khơng phải tốn chi phí tích trữ lượng, phải chăm sóc bảo dưỡng phức tạp 3.4.3 Thiết kế lắp đặt hệ thống pin mặt trời 3.4.3.5 Dàn pin mặt trời Modun pin mặt trời: Vì pin mặt trời làm việc ngồi trời lâu dài, để bảo vệ mối nối dây, bề mặt pin, tăng tuổi thọ pin ta cần phải đóng pin mặt trời vật liệu suốt Vì người ta đóng nhiều pin vật liệu suất gọi modun pin mặt trời Mỗi modun có cơng suất hiệu điện định Hiện với pin mặt trời Si modun khoảng 100Wp có diện tích khoảng 1m2 84 NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO Tấm pin mặt trời: Hình 3.27 Cell – Module – Array Trong thực tế modun mặt trời có cơng suất hiệu điện có định Như để có hiệu suất hiệu điện ý muốn tải ta phải ghép modun với nhau, tùy theo tải ta ghép nối tiếp song song hỗn hợp Nếu địi hỏi có dịng điện lớn ta ghép modun song song muốn có hiệu điện lớn ta ghép song song, thực tế người ta thường ghép hỗn hợp modun với 3.4.3.5 Ghép nối tiếp modun pin mặt trời với Hai modun giống hệt có: ISC=ISC1= ISC2 (3.12) VOC1= VOC2 Với: ISC dòng đoản mạch VOC hở mạch Hai modun mắc nối tiếp chúng có đường đặc tính VA Trong điều kiện xạ mặt trời chiếu xuống mắc nối tiếp thì: + Dịng đoản mạch hệ: ISC=ISC1= ISC2 (3.13) + Thế hở hệ: 85 NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO VOC=VOC1+ VOC2 (3.14) Công suất điện modun cấp cho tải tải nhận tổng công suất hai modun: P=P1+P2=2P1=2P2 (3.15) Modun R Modun Modun Hình 3.28 Modun pin mặt trời ghép nối tiếp 3.4.3.3 Ghép song song modun pin mặt trời với Ở điều kiện đoản mạch: (R=0) Ở điều kiện hở mạch (R =  (3.16) Voc= Voc1= Voc2 ; I=0 Modun I= I1 + I2 ; V=V1=V2 P=I.V=( I1 + I2 ).V=P1+P2 Modun Ở tải khác, < R <  ): Isc= Isc1 + Isc2 , V=0 (3.17) R Hình 3.29 Modun mặt trời ghép song song 86 NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 3.4.3.5 Các thông số kỹ thuật Modun Pin mặt trời Để tránh ghép nối không modun tạo thành dàn lớn (tức để tránh hiệu ứng điểm nóng trình bày trên), người sản xuất cần phải đo đạc, kiểm tra xác số đặc trưng ghi rõ modun tài liệu bán kèm modun: - Công suất làm việc cực đại Pmax (Wp) - Dòng điện ngắn mạch Isc (A) - Thế hở mạch Voc (V) - Dòng điện làm việc tối ưu Iopt (A) - Thế làm việc tối ưu Vopt (V) - Hiệu suất cực đại (%) - Vùng nhiệt độ làm việc cho phép (0C) - Kích thước, trọng lượng modun Các đặc trưng điện phải đo điều kiện tiêu chuẩn quốc tế Cụ thể là: Nguồn xạ để đo phải có phổ phổ xạ mặt trời, có mật độ 1000W/m2 nhiệt độ chuẩn Tc=250C Ngoài đạc trên, modun phải đạt tiêu chuẩn khác như: độ cách điện , độ bền học (chịu gió cấp 12 hay 130km/h, chịu mưa đá), chịu độ ẩm,… 3.4.3.5 Các bước thiết kế hệ lượng mặt trời 3.4.3.5.1 Lựa chọn sơ đồ khối Căn vào yêu cầu đặt trưng tải tiêu thụ mà ta thiết kế sơ đồ khối thích hợp Mỗi thành phần sơ đồ khối có tổn hao lượng định thiết kế phải hạn chế khối tốt Đối với hệ thống tải DC ta có sơ đồ khối đơn giản sau: Máy phát (tấm pin) Pin mặt trời Bộ điều khiển Tải Acquy Hình 3.30 Sơ đồ khối hệ nguồn pin mặt trời đơn giản 87 NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 3.4.3.5.2 Tính tốn thành phần hệ nguồn Có số phương pháp thiết kế, tính toán phương pháp thống dụng dung để tính tốn thiết kê dàn pin mặt trời chủ yếu dựa cân điện hàng ngày a Tính điện tải yêu cầu Điện tải tiêu thụ tính theo ngày theo tháng theo năm Giả sử hệ gồm thiết bị A,B,C… có cơng suất tiêu thụ Pa, Pb, Pc… Và thời gian làm việc ngày chúng ta, tb, tc… Thì tổng điện mà tải yêu cầu ngày cần là: En = Pa.ta + Pb.tb + Pc.tc +… (3.18) Từ ta suy lượng hệ cần tháng hay năm b Tính hiệu suất truyền lượng hệ Gọi η1: hiệu suất thành phần thứ η2 : hiệu suất thành phần thứ η3: hiệu suất nạp phóng acquy… Thì hiệu suất hệ tính theo công thức: ηS = η1 η2 η3… c Năng lượng hàng ngày cần phải cấp cho hệ, Eout Năng lượng hàng ngày dàn pin mặt trời phải cung cấp cho hệ, Eout tính theo cơng thức: Eout  En (3.19) s d Tính dung lượng dàn pin mặt trời W đỉnh (Peak Watt, Wp) 88 NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO Trong cơng thức tính tốn dung lượng dàn pin mặt trời thường tính cơng suất đỉnh hay cực đại (peak Watt,Wp), tức công suất dàn pin mặt trời phát điều kiện tổng xạ chuẩn E0 = 1000W/m2 nhiệt độ chuẩn T0 = 250C Ta tính cho trường hợp dàn pin mặt trời phải đảm bảo đủ lượng cho tải liên tục năm Khi cường độ xạ mặt trời dùng để tính phải cường độ xạ hàng ngày trung bình cua tháng thấp năm Nếu gọi Ith - cường độ xạ mặt phẳng ngang IDh – Cường độ xạ nhiễu xạ mặt phẳng ngang Của tháng có xạ thấp nhất, tổng cường độ xạ mặt phẳng nghiêng góc β so với mặt phẳng ngang tính theo cơng thức: I Tt  cos t  cos   cos  ( I Th  I Dh )  ( ) I Dh  ( ) RI Th cos h 2 (3.20) Ở ITt cường độ tổng xạ (= trực xạ + nhiễu xạ) mặt phẳng nghiêng, R hệ số phản xạ mặt nơi có lắp đặt dàn pin mặt trời Vì góc tới θt θh tia mặt trời mặt phẳng nghiêng mặt phẳng ngang phụ thuộc phức tạp van quan sát hàng ngày, vào tháng năm, vào vĩ độ đặt hệ lượng nên người ta tính gần tính tỷ số cos θt /cos θh thời gian trưa Từ cơng thức, ta suy mặt dàn pin mặt trời hướng Nam cho cho địa phương Bắc Bán Cầu nghiên góc β Ta có: - Đối với mặt phẳng ngang:   0, ASZ  90 ,  nên cos h  cos cos +sin sin  - Đối với mặt phẳng nghiêng  : ASZ  (hướng mặt Nam),   cos t  (cos cos +sin sin  )cos +sin (sin cos  cos sin  ) (3.21) Với  vĩ độ địa điểm lắp đặt dàn pin mặt trời,  lấy góc lệch trung bình tháng tính tốn Dung lượng dàn Pin mặt trời tính Peak watt (Wp) là: E (Wp)= E n 100Wh / m2 , Wp ITt s (3.22) 89 NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO Trong cường độ tổng xạ mặt nghiêng ITt tính theo Wh/m2.ngày ta đặt cường độ tổng xạ chuẩn E0=1000W/m2 Trong thiết kế, việc chọn giá trị tổng xạ trung bình ngày ITh ITt có ý nghĩa quan trọng Nếu lấy giá trị đại lượng ngày xạ mặt trời thấp năm, nói trên, có nghĩa phải chọn dàn pin mặt trời có dung lượng lớn, tháng lại lượng hệ nguồn phát dư thừa, hiêu đầu tư thấp Còn chọn ngày xạ trung bình năm để thiết kế, dung lượng dàn pin nhỏ hơn, chi phí hơn, phải dùng máy điện phụ ( pin mặt trời hay diezen,…) phải cắt giảm tải tiêu thụ Tóm lại việc vận dụng cơng thức (3.22) phụ thuộc nhiều vào yêu cầu cụ thể hộ tiêu thụ, vào kinh nghiệm người thiết kế e Hiệu chỉnh hiệu ứng nhiệt độ Dung lượng dàn pin mặt trời theo nói đủ cấp cho tải nhiệt độ chuẩn To=250C Khi làm việc trời, nhiệt độ của pin mặt t trời cao nhiệt độ chuẩn, nên hiệu suất biến đổi quang điện pin modun pin mặt trời bị giảm Để hệ làm việc bình thường ta phải tăng dung lượng pin lên Gọi dung lượng dàn pin có kể đến hiệu ứng nhiệt độ E(Wp,T) thì: Trong m (T ) xác định theo cơng thức: ηM(T) = ηM(TC).(1+PC.(T-TC)) f Tính số module mắc song song nối tiếp - Thế làm việc tối ưu Vmd - Dòng điện làm việc tối ưu Imd - Công suất đỉnh Pmd Số modun cần phải dung cho hệ tính từ tỷ số: N E (Wp , T ) (3.23) Pmd Số modun nối tiếp thành dãy dàn pin xác định từ điện yêu cầu hệ V: N nt  V Vmd (3.24) 90 NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO Còn số dãy modun ghép song song xác định từ dịng điện tồn phần N ss  hệ I: I I md (3.25) Trong N=Nnt.Nss Trong tính tốn Ta bỏ qua điện trờ dây nối, hao phí lượng bụi phủ dàn pin mặt trời,… Nếu cần phải tính đến hao phí đó, người ta thường đưa vào hệ số K dung lượng dàn pin mặt trời là: K.E(Wp,T) (3.26) Với K chọn khoảng (1-1.2) tùy theo điều kiện thực tế, thường gọi hệ số an toàn hệ Dung lượng acquy tính theo ampe-giờ,Ah Dung lượng tính Ah acquy phụ thuộc vào làm việc hệ V, số ngày cần dự trữ lượng (số ngày khơng có nắng) D, hiệu suất nạp phóng điện acquy độ sâu phóng điện thích hợp DOS tính theo cơng thức: N ss  Cout D , Ah Vxb DOS (3.27) (C tính oat-giờ, Wh, dùng công thức Wh=Ah x V x BF) Nếu V hiệu điện làm việc hệ thống nguồn, v hiệu điện acquy, số bình mắc nối tiếp là: N nt  V v (3.28) Số dãy bình mắc song song là: N ss  C Cb (3.29) Trong bình có dung lượng Cb tính Ah Tổng số bình acquy xác định sau: n C (V/v) Cb (3.30) Ở V điện acquy, v điện bình acquy Trong công thức N ss  Cout D , D số ngày dự phịng khơng có nắng lựa chọn Vxb DOS dựa số liệu khí tượng số ngày khơng có nắng trung bình tháng nói 91 NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO vào yêu cầu thực tế tải tiêu thụ Tuy nhiên khong nên chọn D lớn, ví dụ >10 ngày, dung lượng acquy lớn, vừa tốn chi phí, lại vừa làm cho acquy không nạp no, gây hư hỏng cho acquy Thông thường D chọn khoảng từ đến 10 ngày Độ sâu phóng điện DOS acquy chì chọn khoảng 0.6 đến 0.7 3.4.3.5.3 Xác định cơng suất tải Do mơ hình có cơng suất nhỏ nên áp dụng cách thức tính tốn sơ gần sau: Phần bóng đèn thiết kế gồm 32 led siêu sáng mõi có điện áp định mức 3.2V Do sử dụng acquy 6V (khi đầy 6.4V) ta phải nối tiếp led lại thành 16 dãy mắc song song nhau: - Dòng điện qua led 20mA cơng suất P bóng đèn : - P=6,4.20.10^-3.16=2W - Để thấp sáng ngày 10 Vậy ngày cần lượng acquy 2Ah - Ta chọn acquy loại khơ có điện áp định mức 6V dung lượng 4.5 Ah 3.4.3.5.4 Xác định công suất pin Với acquy 6V, 4.5Ah để nạp yêu cầu đặt là: Về điện áp Unạp= 7,2V-7,7V để thỏa mãn điều kiện ta chọn điện áp pin phát 9V tương đương với 18 cell 0.5V mắc nối tiếp Về dòng điện nạp theo tiêu chuẩn nạp ắcquy dịng nạp tốt 1/10 ampe tức Inạp=0.45 A Từ ta tính công suất pin mặt trời cần sử dụng P=0,45.9=4.05W Do công suất mõi cell 1/3W với 18cell sử dụng ta có 6W Như với pin 6W ta đảm bảo yêu cầu nạp ắcquy ngày 3.4.3.5.5 Thi công thiết kế module Mỗi cell có mặt mặt hướng phía mặt trời cực âm, mặt cực dương, để nối tiếp cell ta hàn mặt liên tiếp contact mặt cell trước với contact mặt cell cho hai đầu cực âm dương hình bên 92 NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO Sau hàn xong cell lại với ta dùng silicon để định vị cell mặt sau bo đồng Phần làm khung cho mơ hình ta thiết kế khung nhơm với kích thướt bo đồng sau cho đậy kiến lên cho vào khe rãnh khung nhơm Sau ta tiến hành trét lớp silicon xung quanh khe rãnh panel để chống thấm nước Hình 3.31 Modun pin mặt trời hồn thành Hình 3.32 Mơ hình chiếu sáng pin mặt trời công suất nhỏ 93 NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO Chương biên soạn nhằm cung cấp cho sinh viên: o Kiến thức pin mặt trời, lịch sử phát triển pin mặt trời o Cấu tạo nguyên lý hoạt động tế bào quang điện o Các đặc trưng pin mặt trời o Cách ghép nối modul pin mặt trời o Hệ thống nguồn điện pin mặt trời o Các bước tính tốn, thiết kế hệ thống pin mặt trời công suất nhỏ Câu hỏi chương 3: Câu 1: Pin quang điện gì? Trình bày cấu tạo nguyên lý hoạt động pin quang điện? Câu 2: Tình hình sử dụng lượng mặt trời giới tiềm phát triển Việt Nam? Câu 3: Các đặc trưng pin mặt trời? Câu 4: Trình bày sơ đồ hệ thống nguồn điện pin mặt trời? Câu 5: Các bước tính tốn, thiết kế hệ thống điện pin mặt trời cơng suất nhỏ? 94 ... tái tạo không tái tạo Ví dụ lượng mặt trời, lượng gió, thủy năng? ??là tái tạo; lượng từ dạng nhiên liệu hóa thạch than, dầu mỏ, khí đốt khơng có khả tái tạo 1.2.1 Khái niệm lượng tái tạo Năng lượng. .. cấp lượng qua vài q trình biến đổi Ví dụ điện năng, khí hóa than, v.v - Năng lượng cuối cùng: Năng lượng cuối lượng đầu vào thiết bị sử dụng lượng NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO - Năng lượng hữu ích: Năng lượng. .. tạo? Tình hình sử dụng lượng tái tạo tiềm phát triển lượng tái tạo Việt Nam? Các sách lượng Việt Nam? 25 NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO Chương 2: Năng lượng gió 2.1 Lịch sử ứng dụng lượng gió Hàng nghìn năm