567 thiết kế thi công mô hình dạy học hệ thống điện mặt trời nghiên cứu khoa học

ỦY BAN NHÂN DÂN TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ THỦ ĐỨC KHOA ĐIỆN _ ĐIỆN TỬ -o0o - NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Đề tài: THIẾT KẾ THI CƠNG MƠ HÌNH DẠY HỌC HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI Chủ nhiệm đề tài: Lương Chấn Nguyên Vũ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 03 năm 2015 MỞ ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Ngày ô nhiễm môi trường cạn kiệt nguồn lượng thiên nhiên vấn đề thách thức lớn cho toàn nhân loại Làm để chất lượng sống nâng cao cải thiện sức khoẻ cho người vấn đề nhiều người quan tâm Khai thác nguồn lượng xanh, sạch( lượng mặt trời, gió, thuỷ triều…) đã, thu hút nhiều tổ chức , nhiều nhà khoa học … dồn nhiều thời gian tiền bạc để nghiên cứu , triển khai, đưa nguồn lượng xanh sớm ứng dụng sống Hoà vào xu tơi mạnh dạn tổng hợp, phân tích đề xuất số vấn đề liên quan đến lĩnh vực biến đổi lượng mặt trời thành lượng điện phục vụ cho đời sống người Đặc biệt thiết kế thi cơng mơ hình dạy học hệ thống điện mặt trời phục vụ cho việc nghiên cứu giảng dạy môn khoa Điện – Điện Tử trường Cao Đẳng Cơng Nghệ Thủ Đức TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU Các nước đứng đầu giới lĩnh vực kỹ thuật Mỹ, Nhật, Nga…ngày đêm cạnh tranh riết để chứng tỏ nước đứng đầu giới lĩnh vực “hot” này, vấn đề khơng chỗ hình thức, mà ngày khơng xa nguồn lượng nước ta khơng phải ngoại lệ Khi tình hình giá xăng, dầu, than đá ngày tăng có khơng kiểm sốt Thì việc nghiên cứu, thực ( thi công, sản xuất…) đưa điện mặt trời vào sống cấp bách hết MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU - Thi cơng mơ hình dạy học hệ thống điện mặt trời công suất nhỏ - Hệ thống tập kèm theo mơ hình ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Tác giả thiết kế thi cơng mơ hình dạy học hệ thống điện mặt trời công suất nhỏ hoạt động độc lập, viết tài liệu hướng dẫn sử dụng mơ hình có kèm theo tập thực hành PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu lý thuyết lượng mặt trời - Nghiên cứu thiết kế mơ hình thực nghiệm - Nghiên cứu viết tài liệu hướng dẫn sử dụng tập thực hành ĐIỂM MỚI CỦA ĐỀ TÀI: Hiện việc giảng dạy lượng mặt trời nói riêng lượng tái tạo nói chung thực tế nghiên cứu lý thuyết Mơ hình dạy học hệ thống điện mặt trời góp phần làm cho sinh viên có khả hiểu rõ hệ thống lượng điện mặt trời hoạt động sao, đo kiểm kết nối khối điều khiển hệ thống điện mặt trời có nhìn trực quan sinh động lượng tái tạo GIÁ TRỊ THỰC TẾ CỦA ĐỀ TÀI : Đề tài đề cập giải vấn đề thời ngành lượng giới Việt nam, nội dung đề tài làm bước đệm cho muốn nghiên cứu xa sâu điện mặt trời Là công cụ đơn giản dễ tiếp cận để hướng dẫn sinh viên học sinh khảo sát hệ lượng mặt trời BỐ CỤC ĐỀ TÀI: Đề tài thực chương Chương : Tổng quan lượng mặt trời Chương : Các biến đổi bán dẫn hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập Chương 3: Các thuật toán hệ MPPT Chương : Thi cơng mơ hình thí nghiệm hệ thống điện mặt trời Một số thực hành hệ thống điện mặt trời Chương : Kết luận – Hướng phát triển Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ PIN MẶT TRỜI Năng lượng mặt trời Mặt trời xạ lượng theo dãy rộng, nhiên tia xạ tạo tượng quang điện Chỉ có tia xạ (ứng với bước sóng ‫ ) ג‬có lượng lớn mức lượng kích hoạt electron (tuỳ chất bán dẫn) có khả tạo tượng quang điện Phân tích điển hình phổ lượng mặt trời tác động lên pin quang điện silicon : Hình 1.1 : Quang phổ mặt trời với tỉ lệ khơng khí 1.5 Khái niệm photovoltaic (pin mặt trời): Pin quang điện photovoltaic (PV) chất bán dẫn có mối nối p-n, pin quang điện PV xem trường hợp ngược lại diode quang Diode quang nhận lượng điện sinh ánh sáng, pin PV nhận lượng ánh sáng sinh điện -Nhiệm vụ photon điện lượng mặt trời : kích hoạt electron khỏi trạng thái tĩnh chúng -Mơ hình PV Hình 1.2 : Mơ hình vật lý pin PV RS :Series resistance, Rp: parallel resistance, Ip : dòng điện qua Rp , ISC : short circuit current dòng ngắn mạch Vật liệu làm photovoltaic : Vật liệu làm nên photovoltaic, chúng có dạng đây: -Crystalline silicon -Thin film photovoltaic Hình 1.3 Các loại vật liệu làm photovoltaic Nguyên lý làm việc photovoltaic: Dựa vào mơ hình ngun tử Boh, electron có khối lượng me  9.1093897.1031 kg Xoay xung quanh hạt nhân, quỹ đạo với bán kính rn tần số góc  n Sự di chuyển xung quanh quỹ đạo sinh lực ly tâm Fz = me rn  2n Nhửng electron yếu tố mang điện e = 1.6 x 10-19 A s Nó giữ vị trí quanh hạt nhân nguyên tử với lực hấp dẫn Coulomb : FC = Z e 4  r  Với  = 8.8 x 10-12 (As /Vm) Gọi số điện môi Lực ly tâm lực Coulomb cân với để giữ electron quanh quỹ đạo Theo thuyết Planck, electron giữ quỹ đạo, nơi mà mơ men góc quỹ đạo nhân lên   h 2 Với số h = 6.6 x 10-34 Js Lượng tử hoá mơ men góc quỹ đạo dẫn đến Hình 1.4 : Mức trượt Electrons từ dãy hố trị đến dãy dẫn gây nên lượng ánh sáng bán dẫn ( Inner Photo Effect) Sự trượt electron từ vùng hoá trị đến vùng dẫn tác dụng lượng ánh sáng, mà nguyên tố thường dùng chất bán dẫn ( Si, Ge, Sn) , nhóm – đặc biệt Si Hình 1.5 : Nguyên lý tế bào mặt trời với mơ hình dãy lượng Đặc tuyến pin lượng điện mặt trời phương trình chúng 5.1 Phương trình mơ tả đặc tính pin quang điện I  I SC  I [e38.9(V  IRS )  1]  (V  IRS ) 25 C (Ghi : RP I0 : dịng điện bão hồ diode PV ISC, RS, RP : xem mơ hình thay pin PV ) 5.2 Các đặc tuyến a) Các đặc tuyến I (v), P(v) Hình1.6 Đặc tính pin quang điện I-V P-V với điểm truy bắt công suất cực đại ( MPP) Cách xác định IMPP vẻ hai đồ thị P-V I-V hệ trục toạ độ, từ đồ thị P-V ta xác định VMPP, kẻ đường thẳng PMPPVMPP cắt đồ thị IV điểm MPP, từ điểm MPP dóng ngang vào trục tung I, ta điểm IMPP b) Đặc tính V -I P- I pin quang điện giá trị khác dịng ngắn mạch Hình 1.7 Đặc tuyến V-I, P-I phụ thuộc dòng ngắn mạch Đối với loại pin PV có trị số dịng ngắn mạch khác nhau, ngồi giá trị dịng ngắn mạch cịn phụ thuộc vào mơi trường mà làm việc ( nhiệt độ độ rọi, góc đặt PV so với mặt phẳng nằm ngang) c) Mô tả đường đặc tính pin PV trường hợp lý tưởng thực tế: Hình 1.8 : Điện trở nối tiếp song song mạch tương đương ( qui đổi ) PV điện áp dòng điện phân phối bị giảm Để cải tiến hoạt động – điện trở song song RP phải có giá trị lớn điện trở nối tiếp RS có giá trị nhỏ xuống - Trường hợp lý tưởng : RP =  , RS = (RP , RS phần tử mơ hình thay pin PV) , lúc VMPP  VOC IMPP  ISC Hình 1.9 Mơ hình thay pin PV d Đặc tuyến làm việc pin PV Mặt trời thay đổi cường độ chiếu sáng liên tục, điểm MPP thay đổi, giả sử tải điện trở ( đặc tuyến I = V/R tuyến tính ) , ta có đường đặc tính làm việc sau: Hình 1.10 : Hiệu suất module PV với tải điện trở ánh sáng mặt trời yếu nhanh Điểm MPP có cơng suất lớn : Số liệu Module PV hãng sản xuất khác giới : Bảng thông số module điện mặt trời ( Sharp NE -80 EJEA) ELECTRICAL CHARACTERISTICS Cell Poly –crystal Silicon No.of Cell and Connections 36 in series Open Circuit Voltage (VOC) 21.6 V Maximum Power Voltage ( VPM) 17.3v Short Circuit Current (ISC) 5.16 A Maximum Power Current (IPM) 4.63 A Maximum Power (Pmax) 80W Module Efficiency  m 12.40% Maximum System Voltage 600 V DC Series Fuse Rating 10 A Type of Output Terminal Junction Box Example of PV Module Performance Data Under Standard Test Condition ( 1kW / m2, AM 1.5, 250 C Cell temperature) Manufacturer Model Material Kyocera Sharp BP Uni- Solar Sheel KC-120-1 NE-Q5E 2U 2150S US-64 ST40 Multicrystal Polycrystal Monocrys Trip tal Junction CIS T h i n fi l 10 MỘT SỐ BÀI THỰC HÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI BÀI THỰC HÀNH : Yêu cầu : a/ Lý thuyết Góc lệch mặt trời gì? Góc lệch  mặt trời ngày thứ n năm nào? biểu thức? b/ Thực hành Đo xạ mặt trời lúc 8h – 10h – 12h – 14h góc pin 100 , 150 , 200 250 , 300 ,350 900 Vật tư – Thiết bị - Mơ hình hệ thống điện mặt trời - Nhật xạ kế - Bộ đồ nghề thợ điện - Dây điện có jack cắm 5mm Nhận xét : - Đáp án lý thuyết : Góc lệch δ vị trí mặt trời thời điểm 12 theo mặt trời so với mặt phẳng xích đạo Trái đất, với hướng phía Bắc hướng dương Giả sử, Trái đất quay quanh trục nó, mặt trời di chuyển lên xuống theo thay đổi mùa Trái đất Vào ngày hạ chí, mặt trời chiếu xuống chí tuyến Bắc, góc lệch δ = 23.45O Vào ngày xuân phân thu phân, mặt trời chiếu thẳng góc với xích đạo, góc lệch δ = Vào ngày đơng chí, mặt trời nằm xích đạo, mặt trời chiếu xuống chí tuyến Nam, ta có góc lệch δ = −23.45O Góc lệch δ (-23.45O ≤ δ ≤ 23.45O) mặt trời ngày thứ n năm Được cho biểu thức sau: d = 23.45 sin 360 (n - 81) 365 53 54 BÀI THỰC HÀNH : 1.Yêu cầu : a/ Lý thuyết : Hãy cho biết công thức tính xạ mặt trời thời điểm lên bề mặt Trái đất? b/ Thực hành : Đo điện áp dịng điện khơng tải pin 12V – 22W Mắc nối tiếp hai pin đo điện áp dòng điện Nhận xét kết Mắc song song hai pin đo điện áp dòng điện Nhận xét kết 2.Vật tư – Thiết bị - Mơ hình hệ thống điện mặt trời - Nhật xạ kế - Bộ đồ nghề thợ điện - Dây điện có jack cắm 5mm 3.Nhận xét : Đáp án lý thuyết : Quan hệ cường độ dịng xạ mặt trời ngồi khí EEX ngày thứ n năm xác định theo phương trình sau: 55 BÀI THỰC HÀNH : 1.Yêu cầu : a/ Lý thuyết : Cách tính xạ mặt trời thời điểm lên hệ thống pin lượng mặt trời (photovoltaic, PV)? b/ Thực hành : Đo điện áp dịng điện có tải trở 12V – 5W pin 12V – 22W Vẽ đặc tuyến V - I 2.Vật tư – Thiết bị - Mơ hình hệ thống điện mặt trời - Nhật xạ kế - Bộ đồ nghề thợ điện - Dây điện có jack cắm 5mm 3.Nhận xét : Đáp án lý thuyết : Bức xạ mặt trời thời điểm lên hệ thống pin lượng mặt trời(photovoltaic :PV) Chùm tia xạ sau xuyên qua lớp khí Trái đất lại tiếp tục bị phân chia : số tia xạ truyền thẳng, số khác bị tán xạ Như vậy, xạ mặt trời lên hệ thống PV tổng hợp : xạ trực xạ, xạ khuyếch tán xạ phản xạ Bức xạ khuyếch tán: tia xạ mặt trời sau xuyên qua khí quyển, phần bị khuyếch tán đám mây, hạt bụi khơng khí… nhiều hướng khác nhau, số truyền tới hệ thống, số khác tiếp tục bị phản xạ mặt đất quay trở lại khơng khí lại bị khuyếch tán trở lại hệ thống Bức xạ phản xạ: hình thành từ chùm tia xạ trực xạ xạ khuyếch tán bị phản xạ mặt đất tới hệ thống Khi hệ thống PV đặt nghiêng góc α so với phương ngang, xạ mặt trời lên hệ thống thời điểm cho biểu thức: EC : xạ mặt trời lên hệ thống PV 56 EBC : xạ trực xạ lên hệ thống PV đặt nghiêng góc α EDC : xạ khuyếch tán lên hệ thống PV đặt nghiêng góc α ERC : xạ phản xạ lên hệ thống PV đặt nghiêng góc α 57 BÀI THỰC HÀNH : 1.Yêu cầu : a/ Lý thuyết : Hãy giải thích tượng điện quang chất bán dẫn? b/ Thực hành : Đo điện áp dịng điện có tải cảm 12V – 5W pin 12V – 22W Nhận xét vẽ đồ thị đặc tuyến V -I 2.Vật tư – Thiết bị - Mơ hình hệ thống điện mặt trời - Nhật xạ kế - Bộ đồ nghề thợ điện - Dây điện có jack cắm 5mm 3.Nhận xét : Đáp án lý thuyết : Pin lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện) thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn diod p-n, có khả biến đổi trực tiếp lượng xạ mặt trời thành điện sử dụng nhờ vào hiệu ứng quang điện Hình:Các vùng lượng chất bán dẫn Trong chất bán dẫn, tương tác mạnh mạng tinh thể lên điện tử vành ngoài, nên lượng thân bị tách nhiều mức lượng khác hình thành nên vùng lượng bên chất bán dẫn Vùng lượng thấp bị điện tử chiếm đầy trạng thái cân gọi vùng hóa trị Vùng lượng phía tiếp hồn tồn trống bị chiếm phần gọi vùng dẫn Cách ly vùng hóa trị vùng dẫn vùng cấm, khơng có mức lượng cho 58 phép điện tử Khi ánh sáng chiếu đến chất bán dẫn có vùng lượng nói trên, xạ có lượng hν bị điện tử vùng hoá trị hấp thụ điện tử chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự e-, lúc vùng hố trị có lỗ trống di chuyển “hạt” mang điện tích dương (kí hiệu h+), tham gia vào q trình dẫn điện Vậy chiếu sáng vào chất bán dẫn, điện tử vùng hoá trị hấp thụ lượng xạ hν chuyển lên vùng dẫn tạo cặp hạt dẫn điện tử-lỗ trống, tức tạo điện Hiện tượng tượng quang điện bên 59 BÀI THỰC HÀNH 5: 1.Yêu cầu : a/ Lý thuyết : Mô tả cấu trúc pin mặt trời? b/ Thực hành : Đo điện áp dịng điện có tải dung 12V – 5W pin 12V – 22W Nhận xét vẽ đồ thị đặc tuyến V -I 2.Vật tư – Thiết bị - Mơ hình hệ thống điện mặt trời - Nhật xạ kế - Bộ đồ nghề thợ điện - Dây điện có jack cắm 5mm 3.Nhận xét : Đáp án lý thuyết : 60 61 BÀI THỰC HÀNH 6: 1.Yêu cầu : a/ Lý thuyết : Khi chiếu sáng, ta nối bán dẫn p n tiếp xúc p-n dây dẫn, pin mặt trời phát dòng quang điện Iph Hãy vẽ mạch tương đương? b/ Thực hành : Mắc mạch điện hỗn hợp gồm tải trở 12V- 5W tải cảm 12V – 5W Đo điện áp dòng điện hệ thống Nhận xét vẽ đồ thị đặc tuyến V -I 2.Vật tư thiết bị : - Mô hình hệ thống điện mặt trời - Nhật xạ kế - Bộ đồ nghề thợ điện - Dây điện có jack cắm 5mm 3.Nhận xét : Đáp án lý thuyết : Khi chiếu sáng, ta nối bán dẫn p n tiếp xúc p-n dây dẫn, pin mặt trời phát dịng quang điện Iph Vì vậy, trướchết pin mặt trời xem “nguồn dịng” Như vậy, pin mặt trời chiếu sáng có sơ đồ tương đương đơn giản sau: 62 BÀI THỰC HÀNH 1.Yêu cầu : a/ Lý thuyết : Giải thích phương trình đặc trưng sáng Volt – Ampere pin mặt trời? b/ Thực hành : Dùng máy đo oscilloscope đo dạng sóng tải trở gồm bóng đèn 220V – 20W Nhận xét vẽ đồ thị đặc tuyến V -I 2.Vật tư thiết bị : - Mơ hình hệ thống điện mặt trời - Nhật xạ kế - Bộ đồ nghề thợ điện - Dây điện có jack cắm 5mm 3.Nhận xét : Đáp án lý thuyết : Từ sơ đồ tương đương, dễ dàng viết phương trình đặc trưng sáng Volt – Ampere pin mặt trời: 63 BÀI THỰC HÀNH 1.Yêu cầu : a/ Lý thuyết : Hãy cho biết hiệu suất số loại vật liệu làm pin mặt trời nay? b/ Thực hành : Dùng máy đo oscilloscope đo dạng sóng tải cảm 220V – 40W Nhận xét vẽ đồ thị đặc tuyến V -I 2.Vật tư thiết bị : - Mơ hình hệ thống điện mặt trời - Nhật xạ kế - Bộ đồ nghề thợ điện - Dây điện có jack cắm 5mm 3.Nhận xét : Đáp án lý thuyết : 64 BÀI THỰC HÀNH 1.Yêu cầu : a/ Lý thuyết : Hãy mô tả cấu trúc pin mặt trời CdS / CdTe? b/ Thực hành : Dùng máy đo oscilloscope đo dạng sóng tải hỗn hợp gồm bóng đèn 220V – 20W quạt 220V -40W Nhận xét vẽ đồ thị đặc tuyến V -I 2.Vật tư thiết bị : - Mơ hình hệ thống điện mặt trời - Nhật xạ kế - Bộ đồ nghề thợ điện - Dây điện có jack cắm 5mm 3.Nhận xét : Đáp án lý thuyết : 65 BÀI THỰC HÀNH 10 1.Yêu cầu : a/ Lý thuyết : Hãy cho biết đơn vị, cơng ty, xí nghiệp Việt Nam nghiên cứu, lắp ráp chế tạo pin mặt trời? b/ Thực hành : Thay đổi lượng xạ lượng mặt trời (dùng che phần pin, dùng dimmer điều khiển độ sáng đèn ) đo điện dòng điện tải trở 12V- 5W Nhận xét kết vẽ đồ thị đặc tuyến V-I 2.Vật tư thiết bị : - Mơ hình hệ thống điện mặt trời - Nhật xạ kế - Bộ đồ nghề thợ điện - Dây điện có jack cắm 5mm 3.Nhận xét : Đáp án lý thuyết : 66 Chương 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ Mơ hình dạy học hệ thống điện mặt trời bổ trợ góp phần vào việc giảng dạy mơn Điện Công Nghiệp thuộc khoa Điện – Điện Tử trường Cao Đẳng Công Nghệ Thủ Đức Việc thực tập mô hình thực tế giúp sinh viên tiếp cận hiểu rõ lượng tái tạo, nâng cao ý thức tình hình lượng Việt Nam giới Qua nhiều thực nghiệm mơ hình hệ thống lượng mặt trời với tải thơng dụng gia đình cho thấy: Dịng điện điện áp thiết bị lượng mặt trời ổn định, độ chênh lệch điện áp ∆U phạm vi cho phép Đối với thiết bị sử dụng inverter true sine, dạng sóng ổn định thay đổi sử dụng tải R,L,C Thời gian sử dụng tải phụ thuộc vào dung lượng ắc quy tổng công suất tải sử dụng Hướng phát triển đề tài : _ Sử dụng kết hợp lượng mặt trời lượng gió - Giải vấn đề hòa lưới điện mặt trời vào lưới điện quốc gia - Xét ảnh hưởng dòng điện điện áp lên thiết bị hòa lưới 67