Tính toán và mô phỏng modun điều khiển điện nhiệt để làm mát tấm pin mặt trời lắp trên ô tô du lịch

Bên cạnh đó đề tài còn khảo sát các phương pháp làm mát hệ thốngnăng lượng mặt trời nhằm làm tăng hiệu suất của tấm NLMT, xây dựng được cơ sở lýthuyết để tính toán hệ thống năng lượng

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

LỊCH

Người hướng dẫn: Th.S Phạm Minh Mận Sinh viên thực hiện: Trần Phước Dinh

Mã sinh viên: 1711504210267 Lớp: 17OTO2

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

LỊCH

Người hướng dẫn: Th.S Phạm Minh Mận Sinh viên thực hiện: Trần Phước Dinh

Mã sinh viên: 1711504210267 Lớp: 17OTO2

Đà Nẵng, … /2021

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN

Tên đề tài: TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG MODUN ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN - NHIỆT

ĐỂ LÀM MÁT TẤM PIN MẶT TRỜI LẮP TRÊN Ô TÔ DU LỊCH

Sinh viên thực hiện: Trần Phước Dinh

Thuyết minh này trình bày nội dung nghiên cứu của đề tài “tính toán và môphỏng modun điều khiển điện - nhiệt để làm mát tấm pin mặt trời lắp trên ô tô dulịch” Bao gồm:

 Khảo sát lý thuyết hệ thông pin năng lượng mặt trời, các phương pháp là mát

hệ thống năng lượng mặt trời

 Mô phỏng nhiệt độ của tấm pin năng lượng mặt trời khi không được làm mát

và được làm mát bằng phần mềm Ansys

 Mô phỏng tính toán hiệu quả về điện của tấm pin năng lượng mặt trời khiđược làm mát và không được làm mát bằng phần mềm LabVIEW

Giảng viên hướng dẫn: GVC ThS Phạm Minh Mận

Sinh viên thực hiện: Trần Phước Dinh MSSV: 1711504210267

1 Tên đề tài:

TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG MODUN ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN - NHIỆT ĐỂ LÀM MÁT TẤM PIN MẶT TRỜI LẮP TRÊN Ô TÔ DU LỊCH.

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

- Khảo sát xe điện i-MiEV, tấm pin mặt trời, các phần kết nối sử dụng năng lượng

từ tấm pin mặt trời

- Tham khảo và tiếp cận tài liệu online về quá trình mô phỏng và tính toán kiểm

tra

- Các tài liệu, bài báo liên quan đến quá trình làm mát tấm pin mặt trời.

3 Nội dung chính của đồ án:

1 Giới thiệu chung xe điện i-MiEV cần ứng dụng và các phần liên quan đến mụcđích, phương pháp, ý nghĩa của đề tài

2 Xây dựng các phương án làm mát cho tấm pin và cơ sở lý thuyết để tính toáncác phần liên quan khi mô phỏng và thử nghiệm

3 Nghiên cứu ứng dụng các phần mềm để mô phỏng và phân tích sau khi chọnphương án mát cho tấm pin mặt trời

4 Phân tích, đánh giá kết quả mô phỏng và tiếp cận quá trình thử nghiệm để hiểu

và nắm thêm quá trình làm mát

LỜI NÓI ĐẦU

Đây thực sự là những trải nghiệm từ lý thuyết cho đến thực tế trong một môitrường làm việc, học tập kỷ luật và khoa học Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em

đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cô, giađình và bạn bè

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến GVC ThS Phạm Minh Mận, giảng viênBộ môn Kỹ Thuật Ô Tô – Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật, Đại học Đà Nẵng người

đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo em trong suốt quá trình làm đồ án tốt nghiệp

Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong trường Đại học Sư phạm

Kỹ thuật, Đại học Đà Nẵng nói chung, các thầy cô trong Bộ môn Kỹ Thuật Ô Tô nóiriêng đã dạy dỗ cho em kiến thức về các môn đại cương cũng như các môn chuyênngành, giúp em có được cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ em trongsuốt quá trình học tập

Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã luôn tạo điều kiện,quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành đồ án tốtnghiệp

Đà Nẵng, ngày tháng năm 2022

Sinh Viên Thực Hiện

Trần Phước Dinh

Tôi xin cam đoan: Đề tài “TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG MODUN ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN - NHIỆT ĐỂ LÀM MÁT TẤM PIN MẶT TRỜI LẮP TRÊN Ô

TÔ DU LỊCH” được tiến hành công khai, dựa trên sự cố gắng, nỗ lực của mình và sự

giúp đỡ không hề nhỏ từ trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng nóichung, giảng viên hướng dẫn ThS Phạm Minh Mận nói riêng

Các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn tốt nghiệp là trung thực vàkhông có bất kỳ sự sao chép hay sử dụng để bảo vệ một học vị nào Tất cả những sựgiúp đỡ cho việc xây dựng cơ sở lý luận cho bài luận đều được trích dẫn đầy đủ và ghi

rõ nguồn gốc rõ ràng và được phép công bố

Đà Nẵng, ngày tháng năm 2022.

Tác giả đề tài

Trần Phước Dinh.

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN I NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN II TÓM TẮT III NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP IV LỜI NÓI ĐẦU V LỜI CAM ĐOAN VI MỤC LỤC VII DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ X DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT XIV

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG ĐỀ TÀI 2

1.1 Tổng quan 2

CHƯƠNG 2: KHẢO SÁT PHƯƠNG TIỆN LẮP ĐẶT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP LÀM MÁT HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 4

2.1 Khảo sát phương tiện lắp đặt và tính toán hệ thống năng lượng mặt trời 4

2.1.1 Khảo sát phương tiện lắp đặt [29] 4

2.1.1.2 Thông số xe Mitsubishi i-MiEV 4

2.1.2 Tính toán hệ thống năng lượng mặt trời 5

2.2 Khảo sát các phương pháp làm mát tấm năng lượng mặt trời 8

2.2.1 Phương án làm mát tấm năng lượng mặt trời bằng gió 9

2.2.2 Phương án làm mát tấm năng lượng mặt trời bằng gió có tấm tạo rối 10

2.2.3 Phương án làm mát tấm năng lượng mặt trời bằng nước 11

2.2.4 Phương án làm mát tấm năng lượng mặt trời bằng ống dẫn nhiệt 12

2.3 Chọn phương pháp làm mát cho tấm pin năng lượng mặt trời lắp trên ô tô du dịch và mục tiêu của đề tài 13

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 15

3.1.1 Tổng quan về năng lượng mặt trời 15

3.1.2 Cơ sở lý thuyết tính toán hiệu quả điện hệ thống năng lượng mặt trời[18,19,20]: 16

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG MODUN ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN – NHIỆT TẤM PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 19

4.1 Giới thiệu phần mềm mô phỏng và tính toán 19

4.2 Mô phỏng điều khiển điện tấm pin năng lượng mặt trời bằng phần mềm Labview 22

4.2.1 Tổng quan hệ thống điều khiển làm mát tấm pin năng lượng mặt trời 22

4.2.2 Phần cứng của hệ thống 23

4.2.3 Phần mềm của hệ thống 23

4.2.4 Sơ đồ hệ thống điện điều khiển 24

4.2.5 Mô phỏng đo các thông số nhiệt độ của tấm pin năng lượng mặt trời 26

4.2.6 Mô phỏng hiệu quả về điện của tấm pin năng lượng mặt trời 27

4.3 Mô phỏng 3D tấm pin năng lượng mặt trời bằng phần mềm Catia 30

4.3.2 Mô phỏng các chi tiết của tấm NLMT trong phần mềm Catia 31

4.3.3 Lắp ghép tấm NLMT trong môi trường Assembly Design của phần mềm Catia 33

4.3.4 Thực hiện lưu file 34

4.4 Mô phỏng nhiệt độ của tấm pin năng lượng mặt trời khi được làm mát bằng gió 35

4.4.1 Mô phỏng dòng khí chảy xung quanh tấm pin năng lượng mặt trời 35

4.4.2 Mô phỏng nhiệt độ của tấm pin năng lượng mặt trời khi chưa được làm mát 39

4.4.3 Mô phỏng nhiệt độ của tấm pin năng lượng mặt trời khi được làm mát 44

4.4.4 Kết quả mô phỏng nhiệt độ tấm pin năng lượng mặt trời và dòng chảy xung quanh tấm NLMT 45

4.4.4.1 Kết quả mô phỏng nhiệt dòng chảy xung quanh tấm NLMT 45

4.4.4.2 Xuất file kết quả CFD (Report Viewer) 47

4.4.4.4 Xuất file kết quả CFX (Report Preview) 48

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN HIỆU QUẢ NHIỆT - ĐIỆN TẤM NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 49

5.1 Tính toán hiệu quả nhiệt – điện của tấm NLMT khi không được làm mát và được làm mát bằng gió 49

5.1.1 Kết quả mô phỏng tấm NLMT khi không được làm mát và được làm mát bằng gió 49

5.1.2 Kết quả mô phỏng bằng Labview tấm NLMT khi không được làm mát và được làm mát bằng gió 51

5.2 Tính toán hiệu quả nhiệt – điện của tấm NLMT khi được làm mát bằng gió và được làm mát bằng gió có tấm tạo rối 53

5.2.2 Kết quả mô phỏng tấm NLMT khi được làm mát bằng gió và được làm mát bằng gió có tấm rối 53

5.2.3 Kết quả mô phỏng bằng Labview tấm NLMT khi được làm mát bằng gió và được làm mát bằng gió có tấm tạo rối 56

5.3 Tính toán hiệu quả nhiệt – điện của tấm NLMT khi được làm mát bằng gió và được làm mát bằng gió có ống tạo rối 57

5.3.1 Kết quả mô phỏng tấm NLMT khi được làm mát bằng ống rối ở các góc khác nhau 58

5.3.2 Kết quả mô phỏng bằng Labview tấm NLMT khi được làm mát bằng gió và được làm mát bằng gió có ống tạo rối 61

5.4 Kết luận tính toán hiệu quả điện nhiệt tấm năng lượng mặt trời 63

CHƯƠNG 6: THỰC NGHIỆM VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN- NHIỆT KHI LÀM MÁT TẤM PIN MẶT TRỜI 64

6.1 Thiết kế thiết bị đo 64

6.1.2 Vẽ sơ đồ nguyên lý 65

6.1.3 Quy trình làm mạch 66

6.2 Thực nghiệm đo nhiệt độ tấm NLMT 67

6.2.1 Quá trình đo thực nghiệm 67

CHƯƠNG 7 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ, KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT

TRIỂN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 72

7.1 Đánh giá kết quả 72

7.2 Kết luận 73

7.3 Định hướng phát triển của đề tài 74

LỜI CẢM ƠN 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ Bảng 2.1 Thông số cơ bản xe Mitsubishi i-MiEV 4

Bảng 2.2 Phạm vi hoạt động của xe Mitsubishi i-MiEV 5

Bảng 2.3 Hiệu suất của xe Mitsubishi i-MiEV 5

Bảng 2.4 Pin và sạc của xe Mitsubishi i-MiEV 5

Bảng 2.5 Lượng năng lượng tiêu thụ thực 5

Bảng 2.6 Thông số tấm NLMT chọn 7

Bảng 4.1 Thông số tấm năng lượng mặt trời được mô phỏng 30

Bảng 4.2 Tính chất vật liệu của các lớp trong tấm năng lượng mặt trời và độ dày [11] 30

Bảng 4.3 Hình và kích thước của lưới 42

Bảng 5.1 Kích thước và hình dạng lưới được chia 50

Bảng 5.2 Giá trị nhiệt độ của tấm NLMT không làm mát và được làm mát 50

Bảng 5.3 Kích thước và hình dạng lưới được chia 54

Bảng 5.4 Giá trị nhiệt độ của tấm NLMT được làm mát bằng gió và được làm mát bằng gió có tâm tạo rối 55

Bảng 5.5 Kích thước và hình dạng lưới được chia 58

Bảng 5.6 Giá trị nhiệt độ của tấm NLMT khi được làm mát có ống rối với các góc khác nhau 59

Hình 1.1 Đường cong qua hệ IV của tấm pin năng lượng mặt trời theo nhiệt độ [1] 2

Hình 2.1 Xe Mitsubishi i-MiEV 4

Hình 2.2 Bản đồ bức xạ mặt trời tạ Việt Nam [7] 7

Hình 2.4 Tấm NLMT có và không có cơ chế làm mát sử dụng mô phỏng [8] 10

Hình 2.5 Bố trí trong thí nghiệm của Iman Arianmehr [10] 10

Hình 2.6 Hình học được nghiên cứu trong bài báo của Cătălin George Popovici [12].11 Hình 2.7 Sơ đồ hệ thống làm mát trong nghiên cứu của Abu Syed Keron [14] 12

Hình 3.1 Cấu tạo tấm pin năng lượng mặt trời [16] 15

Hình 3.2 Hiệu ứng quang điện [17] 16

Hình 3.3 Sơ đồ tương đương của tấm pin mặt trời 16

Hình 3.4 Sơ đồ mạch của một tấm pin năng lượng mặt trời 18

Hình 4.1 Logo LabVIEW [22] 19

Hình 4.2 Logo CATIA 20

Hình 4.3 Logo Ansys 22

Hình 4.4 Sơ đồ khối điều khiển hệ thống 22

Hình 4.5 Giao diện LabVIEW 23

Hình 4.6 Code LIFA_Base 24

Hình 4.7 Sơ đồ khối điều khiển 24

Hình 4.8 Sơ đồ lập trình điều khiển 25

Hình 4.9 Giao diện điều khiển 25

Hình 4.10 Khai báo Arduino Mega trong LabVIEW 26

Hình 4.11 Cách lấy lệnh Analog Read Pin 26

Hình 4.12 Khai báo chân cho lệnh Analog Read Pin 26

Hình 4.13 Sơ đồ điều khiển đo các thông số nhiệt độ 27

Hình 4.14 Mô phỏng Iph dùng formula 27

Hình 4.15 Vòng lặp tính giá trị cường độ dòng điện I theo điện áp V 28

Hình 4.16 Sơ đồ lập trình tổng 28

Hình 4.17 Thiết lập Write To Measurement File 29

Hình 4.18 Giao diện điều khiển trong LabVIEW 29

Hình 4.19 Cấu tạo của mô hình mô phỏng 31

Hình 4.20 Tấm kính được vẽ 3D 31

Hình 4.21 Tấm tế bào quang điện được mô phỏng 32

Hình 4.22 Khung được vẽ 3D 32

Hình 4.23 Thanh công cụ lệnh Constraints 33

Hình 4.24 Các ràng buộc trong lắp tấm pin năng lượng mặt trời 33

Hình 4.25 Tấm pin năng lượng mặt trời được mô phỏng 34

Hình 4.26 Các bước lưu file trong CATIA 34

Hình 4.27 Các bước chuyển file stp trong CATIA 35

Hình 4.29 Chèn mô hình có sẵn vào Ansys 36

Hình 4.30 Tạo vùng mô phỏng dòng khí xung quanh mô hình 37

Hình 4.31 Bắt đầu quá trình tạo lưới 37

Hình 4.32 Chất lượng lưới theo phương pháp Orthogonal Quality 38

Hình 4.33 Các mặt sau khi được đặt tên 38

Hình 4.34 Hướng chảy của dòng khí 39

Hình 4.35 Cấu tạo hệ thống phân tích nhiệt ổn định (Steady-State Thermal) 40

Hình 4.36 Nhập các thông số của vật liệu trong Engineering Data 41

Hình 4.37 Chèn mô hình vào Geometry 41

Hình 4.38 Gắn vật liệu cho các chi tiết của mô hình 42

Hình 4.39 Lưới sau khi được chia 43

Hình 4.40 Điều kiện biên được đặt 43

Hình 4.41 Nhiệt độ tấm NLMT khi chưa được làm mát a) Mặt trên, b) Mặt dưới, c) Tế bào quang điện 44

Hình 4.42 Tạo mặt phẳng hiển thị kết quả CFD 45

Hình 4.43 Tốc độ dòng khí CFD tại plane 1 46

Hình 4.44 Nhiệt độ dòng khí tại plane 1 46

Hình 4.45 Nhiệt độ dòng khí tại lớp tiếp xúc tấm NLMT và plane 1 47

Hình 4.46 Cài đặt lưu file Report Viewer 47

Hình 4.47 Nhiệt độ tấm NLMT khi được làm mát a) Mặt trên, b) Mặt dưới, c) Tế bào quang điện 48

Hình 4.48 Cài đặt lưu file Report Preview 48

Hình 5.1 Lưới được chia của mô hình tấm NLMT 49

Hình 5.2 Nhiệt độ tấm NLMT không làm mát và làm mát a) Nhiệt độ mặt trên b) Nhiệt độ tế bào quang điện c) Nhiệt độ mặt dưới 50

Hình 5.3 Biểu đồ quan hệ công suất và điện áp của tấm NLMT 52

Hình 5.4 Biểu đồ quan hệ I - U của tấm NLMT 52

Hình 5.5 Các trường hợp mô phỏng a) không có tấm tạo rối b) Có tấm tạo rối 45° 53

Hình 5.6 Cấu tạo của mô hình mô phỏng 54

Hình 5.7 Tốc độ gió tại mặt cắt giữa tấm NLMT 54

Hình 5.8 Nhiệt độ tấm NLMT và tế bào quang điện a) Nhiệt độ mặt trên b) Nhiệt độ tế bào quang điện c) Nhiệt độ mặt dưới 55

Hình 5.9 Biểu đồ quan hệ công suất và điện áp của tấm NLMT 56

Hình 5.10 Biểu đồ quan hệ I - U của tấm NLMT 57

58

Hình 5.12 Tốc độ gió tại mặt cắt giữa tấm NLMT a) Không có ống rối b) 45° c) 90° d) 135° 59

Hình 5.13 Nhiệt độ tấm NLMT khi được làm mát bằng ống rối a) Không có ống rối b) 45° c) 90° d) 135° 60

Hình 5.14 Nhiệt độ tế bào quang điện a) Không có ống rối b) 45° c) 90° d) 135° 61

Hình 5.15 Biểu đồ quan hệ công suất và điện áp của tấm NLMT 62

Hình 5.16 Biểu đồ quan hệ I - U của tấm NLMT 62

Hình 5.17 Biểu đồ hiệu suất tấm NLMT 63

Hình 6.1 Giao diện phần mền Proteus 64

Hình 6.2 Sơ đồ nguyên lý 65

Hình 6.3 Sơ đồ mạch in PCB 66

Hình 6.4 Xuất file PDF mạch in 66

Hình 6.5 Mạch sau khi được hàn 67

Hình 6.6 Lắp cảm biến nhiệt độ vào mô hình a) Cảm biến đầu ra, b) Cảm biến đầu vào, c) Cảm biến dàn lạnh, d) Cảm biến tấm NLMT 68

Hình 6.7 Lắp đặt mạch đo 68

Hình 6.8 Đặt mô hình ngoài trời 69

Hình 6.9 Code LIFA_Base 69

Hình 6.10 Giao diện LabVIEW khi thực nghiệm 70

Hình 6.11 Các cảm biến trên tấm NLMT 70

Hình 6.12 Biểu đồ kết quả thực nghiệm ngày 02-07-2021 71

Hình 7.1 Vị trí đường thẳng xuất nhiệt độ 72

Hình 7.2 Vị trí gốc tọa độ trong mô hình 72

Hình 7.3 Đồ thị so sánh nhiệt độ mô phỏng và thực nghiệm 73

KÝ HIỆU

Iscr Dòng ngắn mạch ở nhiệt độ tham chiếu Tr A

Vscr Điện áp hở mạch ở nhiệt độ tham chiếu Tr V

NOCT Nhiệt độ tế bào hoạt động danh nghĩa 25 °C

Imp

Cường độ dòng điện tại điểm công suất cực

S Diện tích bề mặt pin mặt trời được chiếu sáng m2

FF Thừa số lấp đầy

I ζtt Cường độ tổng bức xạ tại địa phương Wh/m².ngày

NLMT: Năng lượng mặt trời

EIA: Energy Information Administration

MỞ ĐẦU

Nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt, xu thế năng lượng là dùng

lượng tái tạo Năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng tái tạo dồi dào, nhưnghiệu suất của hệ thống NLMT không cao Hiệu suất của hệ thống NLMT bị ảnh hưởngbởi cường độ bức xạ và nhiệt độ của tế bào quang điện Nên việc làm mát hệ thốngnăng lượng mặt trời là hết sức cần thiết và có ý nghĩa khoa học cao

Nghiên cứu tính toán và mô phỏng modun điều khiển điện – nhiệt cho hệ thốngnăng lượng mặt trời Làm giảm nhiệt của tế bào quang điện, tăng hiệu suất của hệthống NLMT Bên cạnh đó đề tài còn khảo sát các phương pháp làm mát hệ thốngnăng lượng mặt trời nhằm làm tăng hiệu suất của tấm NLMT, xây dựng được cơ sở lýthuyết để tính toán hệ thống năng lượng mặt trời Phương pháp nghiên cứu hiệu quả vềnhiệt khi làm mát hệ thống năng lượng mặt trời bằng phần mềm Ansys và hiệu quả vềđiện của hệ thống NLMT bằng phần mềm Labview

Đề tài nghiên cứu hệ thống năng lượng mặt trời, sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến

hệ thống NLMT Khảo sát các phương pháp làm mát của hệ thống NLMT được cácnhà khoa học nghiên cứu Bên cạnh đó đề tài còn nghiên cứu sử dụng các phần mềmthiết kế 3D cũng như mô phỏng điện - nhiệt cho hệ thống NLMT Mô phỏng 3D tấmpin năng lượng mặt trời và các phương pháp làm mát bằng phần mềm Catia V5 Cũngnhư mô phỏng hiệu quả nhiệt khi làm mát của các phương pháp bằng phần mềm Ansys

và hiệu quả về điện của hệ thống NLMT bằng phần mềm Labview

Đề tài được nghiên cứu dựa trên cả hai phương pháp thực nghiệm và mô phỏngbằng các phần mềm nghiên cứu như Catia, Ansys, Labview

Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG ĐỀ TÀI

1.1 Tổng quan.

Nhu cầu năng lượng toàn cầu tăng lên do dân số con người và sự phát triển côngnghiệp Mặt khác, nguồn tài nguyên dầu mỏ và nhiên liệu hóa thạch ngày càng giảm,vì vậy điều quan trọng là phải phát triển các ngành năng lượng tái tạo Các chính phủliên tục phát triển năng lượng tái tạo như là nguồn cung cấp năng lượng chính cho nhucầu điện của đất nước Do nguồn nhiên liệu hóa thạch đang cạn kiệt, các nguồn nănglượng tái tạo có tầm quan trọng lớn để đáp ứng nhu cầu năng lượng trong tương lai củathế giới Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng dồi dào, miễn phí, thân thiện vớimôi trường và năng lượng tái tạo Năng lượng mặt trời được coi là một trong nhữngnguồn năng lượng nổi bật nhất để đáp ứng những nhu cầu năng lượng của thế giới vì

nó là nguồn năng lượng sạch có sẵn miễn phí ở hầu hết các nơi trên thế giới Do đó,việc sản xuất điện sử dụng năng lượng mặt trời vô cùng quan trọng và hàng đầu trongviệc đáp ứng nhu cầu năng lượng Đặc biệt, năng lượng mặt trời có thể được chuyểnđổi trực tiếp thành năng lượng điện dựa trên nguyên lý quang điện với công nghệ pinmặt trời Công nghệ pin mặt trời trực tiếp chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điệnnăng, đây là một công nghệ nghệ đầy hứa hẹn ngày nay trong việc đáp ứng nhu cầunăng lượng Tuy nhiên, hiệu suất của tấm pin năng lượng mặt trời (NLMT) giảm khinhiệt độ của bề mặt tế bào quang điện tăng Cho nên việc nghiên cứu làm mát tế bàoquang điện là hết sức cần thiết, mang ý nghĩa khoa học cao

Hình 1.1.1.1.a.1 Đường cong qua hệ IV của tấm pin năng lượng mặt trời theo nhiệt độ

[1]

Yếu tố môi trường chính ảnh hưởng đến hiệu suất điện và sản lượng điện của tấmNLMT là bức xạ mặt trời và nhiệt độ hoạt động [2, 3] Khi tấm NLMT hấp thụ bức xạmặt trời dư thừa, nhiệt độ hoạt động của tấm NLMT sẽ được tăng lên Khi nhiệt độhoạt động của tấm NLMT tăng thì hiệu suất tấm NLMT giảm và ngược lại [4] Điềunày là do tấm NLMT chỉ có 15% năng lượng ánh sáng mặt trời chuyển thành nănglượng điện, phần còn lại chuyển thành nhiệt năng

Với thời tiết nắng nóng tại Việt Nam, nhiệt độ ngoài trời có thể lên đến 40°C.Thay đổi nhiệt độ và bức xạ của ánh sáng mặt trời có tác dụng trực tiếp đến hệ thốngnăng lượng mặt trời nói chung và tấm pin năng lượng mặt trời nói riêng khi hoạt động.Theo thời gian, nhiệt độ môi trường tăng dẫn đến nhiệt độ của tấm pin năng lượng mặttrời sẽ tăng cao làm cho hiệu suất và tuổi thọ của hệ thống giảm

Xe ô tô điện đang trở thành xu hướng của ngành công nghiệp ô tô, nhằm giảmthiểu ô nhiễm môi trường cũng như đáp ứng nhu cầu về năng lượng hóa thạch ngàycàng cạn kiệt của thế giới Nguồn năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch, dồidào, miễn phí và thân thiện với môi trường có thể đáp ứng được việc cung cấp nănglượng cho ô tô điên Việc ứng dụng năng lượng mặt trời trên xe ô tô đã được nhiềuhãng xe nổi tiếng như Hyundai, Tesla, Ford đã nghiên cứu và ứng dụng trên các mẫu

xe như Hyundai Sonata Hybrid, Tesla Model 3, C-Max Solar Energi [5] Hiệu suất hệthống năng lượng mặt trời phụ thuộc vào cường độ bức xạ và nhiệt độ của hệ thống.Nhưng cường độ bức xạ chỉ phụ thuộc vào từng địa phương lắp đặt khác nhau, nên đểtăng hiệu suất của hệ thống năng lượng mặt trời cần hạ nhiệt độ của hệ thống nănglượng mặt trời Như vậy, việc thực hiện nghiên cứu “Tính toán và mô phỏng modunđiều khiển điện - nhiệt để làm mát tấm pin mặt trời lắp trên ô tô du lịch” làm tăng hiệusuất làm việc của hệ thống và nhất là tiết kiệm năng lượng nên rất cần thiết và có ýnghĩa khoa học cao

Chương 2: KHẢO SÁT PHƯƠNG TIỆN LẮP ĐẶT VÀ CÁC PHƯƠNG

PHÁP LÀM MÁT HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

2.1 Khảo sát phương tiện lắp đặt và tính toán hệ thống năng lượng mặt trời.

2.1.1 Khảo sát phương tiện lắp đặt [29].

Tấm NLMT được lắp đặt trên xe Mitsubishi i-MiEV Mitsubishi i-MiEV là một

xe điện hatchback năm cửa sản xuất trong 2010 bởi Mitsubishi Motors và là phiên bản

xe điện của Mitsubishi i I-MiEV là chiếc xe điện sản xuất hàng loạt hiện đại đầu tiêntrên thế giới [6]

Hình 2.1.1.1.a.1 Xe Mitsubishi i-MiEV

2.1.1.2 Thông số xe Mitsubishi i-MiEV.

Bảng 2.1.1.2.a.1.1 Thông số cơ bản xe Mitsubishi i-MiEV

Bảng 2.1.1.2.a.1.2 Phạm vi hoạt động của xe Mitsubishi i-MiEV.

Phạm vi hoạt động Khoảng cách Thành phố - Thời tiết lạnh 90 km

Đường cao tốc - Thời tiết lạnh 60 km

Thành phố - Thời tiết ôn hòa 135 km

Đường cao tốc - Thời tiết ôn hòa 75 km

Kết hợp - Thời tiết ôn hòa 100 km

Bảng 2.1.1.2.a.1.3 Hiệu suất của xe Mitsubishi i-MiEV

Bảng 2.1.1.2.a.1.4 Pin và sạc của xe Mitsubishi i-MiEV

Công suất sạc nhanh (tối đa) 40 kw DC

Thời gian sạc nhanh (9-> 68 km) 21 phút

Bảng 2.1.1.2.a.1.5 Lượng năng lượng tiêu thụ thực

Thành phố - Thời tiết lạnh 161 Wh / km

2.1.2 Tính toán hệ thống năng lượng mặt trời.

 Tính toán nhu cầu tải mỗi ngày:

Để tính toán các thành phần của hệ thống năng lượng mặt trời ta phải suất phát từnhu cầu tải mỗi ngày của các thiết bị tiêu thụ Để xác định nhu cầu tải mỗi ngày ta cầnxác định số lượng thiết bị, công suất và thời gian sử dụng của chúng Từ đó nhu cầu tảimỗi ngày được tính theo công thức

Trong đó: z là hệ số an toàn (1,2)

t là thời gian sử dụng

n số lượng thiết bị

W công suất thiết bị

Tải sử dụng mỗi ngày là bộ phát wifi có công suất 20W Thời gian sử dụng trongngày là 5 giờ và hệ số an toàn là 1,2 Từ đó ta có nhu cầu tải mỗi ngày là: 120 (W)

 Tính toán và lựa chọn bình ắc quy lưu trữ:

Chức năng của ắc quy là lưu trữ năng lượng điện từ bảng điều khiển năng lượngmặt trời và tái giải phóng khi cần Đối với ắc quy ta cần lựa chọn và tính toán cácthông số về điện áp và dung lượng bình để phù hợp với giàn năng lượng mặt trời

Đối với điện áp của bình: ta lựa chọn điện áp bằng với điện áp của tai một chiềuDC

Đối với dung lượng của bình: thì được tính theo công thức

Ta chọn: Hiệu suất bình là 0,85; số ngày lưu trữ là 3 ngày, mức độ xả của bình là70%

C = V X η E X N

b X D (Ah) = 24.0,85.0 7120.3 =25,2 (Ah)Vậy từ đó ta có được bình ắc quy có thông số là 24V – 30Ah

 Tính toán và lựa chọn tấm pin năng lượng mặt trời:

Công suất P của dàn năng lượng mặt trời được bằng Wp và được tính theo côngthức:

P (Wp) = E X E I 0

Trong đó I ζtt là cường độ tổng bức xạ tại địa phương mặt trời trung bình tại địaphương được lắp đặt (Wh/m².ngày) E0 là cường độ bức cạ mặt trời tiêu chuẩn E0 =1000(W/m2) η là hiệu suất của tấm năng lượng mặt trời (12 – 15)%

Hình 2.1.2.1.a.1 Bản đồ bức xạ mặt trời tạ Việt Nam [7].

Ta chọn hiệu suất của tấm năng lượng mặt trời là 15% và cường độ bức xạ tại ĐàNẵng là 4,3 (giờ/ngày) Từ đó ta có:

Kích thước(mm)SC-

 Chọn bộ điều khiển sạc:

Bộ điều khiển sạc có chức năng tự động điều hòa quá trình nạp và xả ắc quy Khi

ắc quy đầy thì bộ điều khiển sạc tự động ngắt hoặc giảm sòng điện nạp từ giàn nănglượng mặt trời để tránh hỏng ắc quy

Để lựa chọn bộ điều khiển sạc phù hợp, ta dựa vào các thông số của giàn nănglượng mặt trời và bình ắc quy lưa trữ

 Điện áp sạc bằng điện áp của bình 24V.

 Cường độ dòng điện sạc bằng công suất đầu ra của tấm NLMT chia cho điện ápbình Công suất của giàn năng lượng mặt trời là 200W và điện áp bình là 24Vnên ta có cường độ sạc là 8,3A

 Ta chọn bộ điêu khiển sạc có thông số 24V/10A (240W)

 Thời gian sạc đầy bình là 30(Ah)/8.3(A) = 3.6(h)

 Sơ đồ kết nối

Hình 2.1.2.1.a.2 Sơ đồ kết nối hệ thống pin năng lượng mặt trời

2.2 Khảo sát các phương pháp làm mát tấm năng lượng mặt trời.

Năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng sạch và nó là nguồn năng lượng

vô tận Cách để tận dụng nguồn năng lượng đó là sản xuất điện năng - điện mặt trời

Để sản xuất điện mặt trời người ta sử dụng hai công nghệ nhiệt điện mặt trời và pinnăng lượng mặt trời Công nghệ pin năng lượng mặt trời là công nghệ chuyển đổi nănglượng mặt trời trực tiếp thành điện năng nhờ các tế bào quang điện bán dẫn, hay còngọi là các pin mặt trời, được chế tạo từ các chất bán dẫn điện Các pin mặt trời sản xuất

ra điện năng một cách liên tục chừng nào còn có bức xạ mặt trời tới nó Tuy nhiên hiệusuất của tấm pin năng lượng mặt trời lại tỷ lệ nghịch với nhiệt độ, nên có nhiều nhàkhoa học nghiên cứu và các phương án được đưa ra để hạ, kiểm soát nhiệt độ của tấmpin năng lượng mặt trời:

- Phương án làm mát tấm năng lượng mặt trời bằng gió

- Phương án làm mát tấm năng lượng mặt trời bằng gió có tấm tạo rối.

- Phương án làm mát tấm năng lượng mặt trời bằng cách phun nước lên bề mặt

- Phương án làm mát tấm năng lượng mặt trời bằng ống dẫn nhiệt

2.2.1 Phương án làm mát tấm năng lượng mặt trời bằng gió.

Hệ thống làm mát bằng gió được thiết kế khá đơn giản, sử dụng nguyên lý gióthổi qua tấm năng lượng mặt trời đang hoạt động trong quá trình vận hành Phương ánlàm mát bằng gió được sử dụng phổ biến Ưu điểm của hệ thống là thiết kế đơn giản,không phức tạp, giảm chi phí sản xuất, không cần thông qua bộ phận riêng biệt nào.Nhược điểm là hiệu suất làm mát không cao, phụ thuộc vào sức gió tại địa phương lắpđặt hệ thống năng lượng mặt trời

Phương pháp làm mát hệ thống NLMT bằng gió được nhiều nhà khoa học nghiên

cứu để tăng hiệu suất của hệ thống NLMT Trong nghiên cứu “Analysis Air Cooling Mechanism for Photovoltaic Panel by Solar Simulator” của Y.M Irwan cho thấy sự

ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất làm việc của hệ thống NLMT Khi so sánh hiệusuất của hệ thống NLMT có cơ chế làm mát với hệ thống NLMT không có cơ chế làmmát không khí, hiệu suất điện của hệ thống NLMT được tăng lên do nhiệt độ của tấmNLMT giảm Bên cạnh đó, nhiệt độ hoạt động của tấm NLMT có cơ chế làm mát bằngkhông khí thấp hơn so với tấm NLMT không có cơ chế làm mát bằng không khí Kếtquả thí nghiệm cho thấy sự giảm nhiệt độ vận hành là khoảng 2-3 ˚C tăng sản lượngđiện của tấm NLMT với cơ chế làm mát bằng không khí lên 6 - 14% Các sự gia tăngcủa sản lượng điện sẽ có một đóng góp đáng kể cho các ứng dụng hệ thống NLMT [8]

Hình 2.2.1.1.a.1 Tấm NLMT có và không có cơ chế làm mát sử dụng mô phỏng [8]

2.2.2 Phương án làm mát tấm năng lượng mặt trời bằng gió có tấm tạo rối.

Phương pháp làm mát tấm NLMT bằng gió có tấm tạo rối hoạt động theo nguyên

lý như phương pháp làm mát tâm NLMT bằng gió Tấm tạo rối có tác dụng tạo sựnhiễu loạn của dòng khí để tăng hiệu quả truyền nhiệt đối lưu Từ đó có thể tăng hiệuquả làm mát hệ thống NLMT bằng gió Sự truyền nhiệt nhiệt đối lưu hỗn loạn bằngtấm tạo rối ở đầu được nhà nghiên cứu Iman Arianmehr đã đánh giá làm giảm nhiệt độ

bề mặt lên đến khoảng cách mép trước của tấm khoảng 20cm, ngoài khoảng cách nàyảnh hưởng của tấm tạo rối làm mát tấm giảm dần Có thể thấy rằng ở hạ lưu củakhoảng cách tới hạn này, nhiệt độ của tấm NLMT có tấm tạo rối xuất hiện cao hơnmột chút so với loại không có tấm tạo rối cho thấy khả năng làm mát kém hiệu quảhơn của tấm tạo rối xa hơn về phía hạ lưu, hay nói đúng hơn, trường hợp không có tạorối sẽ hiệu quả hơn trong làm mát đối lưu vượt quá khoảng cách 20cm [9]

Hình 2.2.2.1.a.1 Bố trí trong thí nghiệm của Iman Arianmehr [10]

Việc làm mát bằng gió có kết hợp với tấm tản nhiệt phía sau tấm NLMT là mộttrong những phương pháp làm mát tấm NLMT trong nghiên cứu của tác giả Cătălin

George Popovici trong bài báo “Efficiency improvement of photovoltaic panels by using air cooled heat sinks” [11] Trong bài báo tác giả đã kết luận nhiệt độ hoạt động

của tấm NLMT có ảnh hưởng quan trọng đến hiệu suất chuyển đổi của nó Hiệu ứngnày dễ dàng được khám phá nhất thông qua các thông số chính của tấm NLMT: cườngđộ dòng điện và điện áp của bảng quang điện, được biểu thị bằng công suất đầu ra tối

đa Đối với trường hợp đã nghiên cứu, nhiệt độ hoạt động của tấm NLMT đạt khoảng

56 ° C, nếu không sử dụng tấm tản nhiệt và công suất sản xuất tối đa là 86% danhnghĩa Trong trường hợp sử dụng bộ tản nhiệt, ngay cả đối với chiều cao nhỏ củakhung, nhiệt độ trung bình của tấm NLMT là đang giảm dần Theo mô phỏng, nhiệt độđược giảm xuống ít nhất 10 ° C thấp hơn giá trị thu được trong trường hợp không cótấm tản nhiệt Đối với mô hình đã nghiên cứu, mức tăng của công suất cực đại do tấmNLMT tạo ra là từ 6,97% đến 7,55% so với tấm NLMT không có tấm tản nhiệt, đốivới các góc của tản nhiệt tương ứng từ 90 ° đến 45 °

Hình 2.2.2.1.a.2 Hình học được nghiên cứu trong bài báo của Cătălin George Popovici

[12]

2.2.3 Phương án làm mát tấm năng lượng mặt trời bằng nước.

Hệ thống làm mát bằng cách phun nước lên bề mặt đem lại khả năng làm mátvượt trội hơn so với hệ thống làm mát bằng gió, nhiệt độ của tấm năng lượng mặt trời

sẽ được truyền qua chất lỏng (nước) Ưu điểm với đặc tính của dung dịch làm mát giúpgiải nhiệt tốt hơn thay vì chỉ dựa vào sức gió như hệ thống làm mát bằng gió, giúp duytrì nhiệt độ ổn định hơn Nhược điểm là hệ thống làm mát bằng cách phun nước lên bềmặt có nhược điểm là khá phức tạp và có ảnh hưởng đến cường độ bức xạ tác dụng lêntấm NLMT nhưng điều này đã được bù đắp hoàn toàn nhờ sự gia tăng hiệu suất củatấm NLMT

Có nhiều nghiên cứu về làm mát hệ thống NLMT bằng nước, Abu Syed Keron

và cộng sự đã nghiên cứu làm mát tấm NLMT bằng nước [13] Nước được phun vàchảy trên bề mặt tấm NLMT, từ dữ liệu tính toán trong nghiên cứu, có thể kết luận khikhông có hệ thống làm mát hiệu quả tổng thể của pin mặt trời là 1,55% và khi thựchiện làm mát trên bảng điều khiển nó đã tăng lên 1,66% Từ những dữ liệu này, tổngthể hiệu suất đã được tăng lên 7,10% cho tải 1000 ohm Thông qua thử nghiệm và dữliệu được tính toán, nó chỉ ra rằng nếu nhiệt độ được kiểm soát đến một giới hạn nhấtđịnh, hiệu quả của bảng NLMT tăng lên Hệ thống làm mát không cho phép nhiệt độ

bề mặt tăng lên nhiều Nhưng khi không có hệ thống làm mát, nhiệt độ bề mặt tăng lênđáng kể và nó làm cho hiệu suất tổng thể thấp hơn pin mặt trời với hệ thống làm mát

Hình 2.2.3.1.a.1 Sơ đồ hệ thống làm mát trong nghiên cứu của Abu Syed Keron [14].

2.2.4 Phương án làm mát tấm năng lượng mặt trời bằng ống dẫn nhiệt.

Phương án này hoạt động theo nguyên lý truyền nhiệt và đối lưu qua chất lỏng(nước) được dẫn trong ống để làm mát tấm NLMT Ống dẫn nhiệt được làm bằngđồng và lắp đặt phía sau tấm NLMT Với phương pháp này có ưu điểm là có thể hấpthu nhiệt lượng từ tấm NLMT vào nước, làm nước nóng lên từ đó có thể dùng cho cácmục đích khác Bên cạnh đó phương pháp này còn làm mát tấm NLMT ổn định hơnphương pháp làm mát bằng gió, việc làm mát không phụ thuộc vào sức gió tại nơi lắpđặt Ngược lại phương pháp này cũng có nhược điểm là chi phí lắp đặt cao, mô hìnhcồng kềnh, khó lắp đặt

Đã có nhiều nghiên cứu làm mát hệ thống NLMT bằng ống dẫn nhiệt Trongnghiên cứu của Sunarno A Rakin, đã trình bày hệ thống làm mát thụ động để tănghiệu suất đầu ra bảng năng lượng mặt trời [15] Hệ thống làm mát hệ thống NLMT sửdụng nước và cánh tản nhiệt và được gắn phía sau của tấm pin năng lượng mặt trời.Nước được làm đầy trong máng (thanh nhôm) và được gắn vào mặt sau của tấmNLMT, sau đó các tấm tản nhiệt được gắn lến các thanh nhôm Nhiệt từ tấm pin nănglượng mặt trời sẽ được làm mát bằng nước và nước sẽ được tản nhiệt, làm mát bằngcác tấm tản nhiệt ra không khí Kết quả cho thấy rằng nghiên cứu cải thiện hiệu suấtcủa tấm NLMT Hệ thống làm mát thụ động làm giảm nhiệt độ bề mặt một chút; tuynhiên, nó cải thiện hiệu quả Thử nghiệm hệ thống làm mát thụ động cho thấy rằng hệ

thống đề xuất hoạt động tốt nhất trong số các hệ thống được so sánh Nó làm giảmnhiệt độ bề mặt trung bình khoảng 12,66%, 10,13% và 8,96% so với tấm năng lượngmặt trời không được làm mát, tấm năng lượng mặt trời làm mát với tấm tản nhiệt vàtấm năng lượng mặt trời với nước Kết quả là, điện áp đầu ra của phương pháp đề xuấtcao hơn 21,49%, 4,66% và 8,34% so với các phương pháp làm mát khác Công suấtđầu ra của bảng điều khiển được làm mát được đề xuất tạo ra công suất cao hơn47,71% so với tấm năng lượng mặt trời chưa được làm mát.

2.3 Chọn phương pháp làm mát cho tấm pin năng lượng mặt trời lắp trên ô tô du dịch và mục tiêu của đề tài.

Trong điều kiện thực tế, việc lắp tấm pin năng lượng mặt trời lên ô tô du lịch.Khi ô tô hoạt động, tấm NLMT được gắn trên xe sẽ được làm mát bằng gió, do đó việctận dụng làm mát bằng gió khi ô tô di chuyển là phương pháp làm mát hiệu quả nhất

Để tăng hiệu quả làm mát bằng gió cho hệ thống NLMT, ống tạo rối sẽ được lắp ở đâutrên tấm NLMT hoặc tấm tạo rối được lắp dưới tấm NLMT Ống tạo rối sẽ làm tăng sựnhiễu loạn trong dòng khí từ đó có thể tăng hiệu quả truyền nhiệt đối lưu của khôngkhí và làm mát hiệu quả tấm NLMT hơn

Việc tăng nhiệt độ hoạt động của tấm pin năng lượng mặt trời (NLMT) ảnhhưởng đến hiệu quả và tuổi thọ độ bền của các hệ thống pin năng lượng mặt trời Đặcbiệt, khi hệ thống năng lượng mặt trời được ứng dụng trên ô tô, nhiệt độ của tấmNLMT khi ô tô đậu ngoài trời là rất cao Nghiên cứu này nhằm mục đích nghiên cứutính toán và mô phỏng modun điều khiển điện – nhiệt làm mát cho hệ thống NLMT.Làm tăng hiệu suất của hệ thống NLMT, tiết kiệm năng lượng góp phần phát triểnnguồn năng lượng tái tạo Năng lượng tái tạo là nguồn năng lượng sạch, thân thiện vớimôi trường, ít gây ô nhiễm Nhiều ứng dụng từ nguồn năng lượng này rất hữu ích, giúptiết kiệm điện năng cho các hộ gia đình, nhà máy, xí nghiệp

Bên cạnh đó đề tài còn khảo sát các phương pháp làm mát hệ thống năng lượngmặt trời nhằm làm tăng hiệu suất của tấm NLMT, xây dựng được cơ sở lý thuyết đểtính toán hệ thống năng lượng mặt trời Phương pháp nghiên cứu hiệu quả về nhiệt khilàm mát hệ thống năng lượng mặt trời bằng phần mềm Ansys và hiệu quả về điện của

hệ thống NLMT bằng phần mềm Labview

Nghiên cứu này nhằm làm giảm nhiệt độ của tế bào quang điện trong hệ thốngNLMT, nhằm làm tăng hiệu suất làm việc của hệ thống NLMT, góp phần vào sự pháttriển của ngành năng lượng tái tạo, giảm thiểu gây ô nhiễm môi trường và cạn kiệt tàinguyên nhiên liệu hóa thạch trên thế giới Đồng thời, cho thấy được sự ảnh hưởng củanhiệt độ đến hệ thống năng lượng mặt trời, phương pháp và các bước mô phỏng dòng

chảy chất làm mát và nhiệt độ của tế bào quang điện Các bước kết nối và tính toánđiểm làm việc tại công suất cực đại trên trên phần mềm LABVIEW dựa theo điều kiệnthời tiết.

Chương 3: XÂY DỰNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT HỆ THỐNG PIN NĂNG

LƯỢNG MẶT TRỜI

3.1 Cơ sở lý thuyết hệ thống năng lượng mặt trời.

3.1.1 Tổng quan về năng lượng mặt trời.

Pin Mặt trời, pin năng lượng mặt trời hay pin quang điện (Solar panel) bao gồmnhiều tế bào quang điện (solar cells) - là một thiết bị có khả năng chuyển đổi ánh nắngthành dòng điện, hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện

Pin năng lượng mặt trời được sản xuất và ứng dụng phổ bố hiện nay là các loạipin năng lượng được chế tạo từ các tinh thể bán dẫn silicon (Si) Si là một chất bán dẫnđiển hình với hóa trị 4 Từ tinh thể Si tinh khiết, để có vật liệu tinh thể bán dẫn Si loại

n thì người ta sẽ pha tạp chất donor là Photpho có hóa trị 5 Còn để có vật bán dẫn tinhthể loại p người ta pha tạp chất bo có hóa trị 3 Đối với pin năng lượng mặt trời khichiếu sáng thế năng giữa hai cực khoảng 0.55v còn dòng đoản mạch dưới bức xạ mặttrời 1000w/m2 vào khoảng (25-30) mA/cm2

Ngoài Si thì người ta còn nghiên cứu và thử nghiệm nhiều loại vật liệu khác nhưbán dẫn hợp chất bán dẫn nhóm III-V, sunfit cadmi-đồng (CuCdS)… Tuy nhiên hiệnnay việc nghiên cứu chế tạo và sử dụng các pin mặt trời từ các vật liệu khác Si chỉ mới

ở phạm vi và quy mô thí nghiệm

Cường độ dòng điện, hiệu điện thế hoặc điện trở của pin mặt trời thay đổi phụthuộc bởi lượng ánh sáng chiếu lên chúng Tế bào quang điện được ghép lại thành khối

để trở thành pin mặt trời (thông thường 60 hoặc 72 tế bào quang điện trên một tấm pinmặt trời) Tế bào quang điện có khả năng hoạt động dưới ánh sáng mặt trời hoặc ánhsáng nhân tạo

Hình 3.1.1.1.a.1 Cấu tạo tấm pin năng lượng mặt trời [16].

Trên thị trường hiện nay pin năng lượng mặt trời phổ biến nhất đó là: mono (đơntinh thể), poly (đa tinh thể) và thin-film (màng mỏng) Những tấm pin mặt trời nàykhác nhau về cách chúng được tạo ra, hình dạng, hiệu suất, giá thành và cách lắp đặt.Tấm năng lượng mặt trời được hoạt động theo nguyên lý hiệu ứng quang điện.Hiệu ứng quang điện là một hiện tượng điện - lượng tử, trong đó các điện tử đượcthoát ra khỏi nguyên tử (quang điện trong) hay vật chất (quang điện thường) sau khihấp thụ năng lượng từ các photon trong ánh sáng làm nguyên tử chuyển sang trạng tháikích thích làm bắn electron ra ngoài Hiệu ứng quang điện đôi khi được người ta dùngvới cái tên hiệu ứng Hertz, do nhà khoa học Heinrich Hertx tìm ra [17]

Hình 3.1.1.1.a.2 Hiệu ứng quang điện [17]

Thông số của hệ thống năng lượng mặt trời được thể hiện qua các giá trị đặctrưng như điện áp hở mạch, dòng ngắn mạch, điểm công suất tối đa, điện áp làm việctại công suất tối đa Sau đây là lý thuyết về các thông số đặc trưng của tấm tấm nănglượng mặt trời

3.1.2 Cơ sở lý thuyết tính toán hiệu quả điện hệ thống năng lượng mặt trời[18,19,20]:

Hiệu quả năng lượng điện của quá trình thực hiện làm mát cho hệ thống nănglượng mặt trời được xét đến thông qua các thống số hiệu suất, công suất, mối quan hệgiữa cường độ dòng điện và hiệu điện thế I -V của tấm năng lượng mặt trời sử dụngtrong hệ thống cung cấp hoặc lưu trữ dùng năng lượng tái tạo Trong đó một số thông

số có thể được xây dựng dựa trên các cơ sở lý thuyết như sau:

Hình 3.1.2.1.a.1 Sơ đồ tương đương của tấm pin mặt trời.

Mối quan hệ giữa dòng điện I (A) và hiệu điện thế V (V) được thể hiện trong sơđồ tương đương khi xét đến các tấm pin mặt trời Dưới cường độ sáng khác nhau, bức

xạ mặt trời khác nhau, nhiệt độ khác nhau thì ta có công thức (1) tương đương nhưsau:

Khi xét điều kiện lý tưởng dưới tác dụng của một chùm ánh sáng có cường độkhông đổi được xác định theo công thức (3.1) và Rsh bằng vô cùng thì ta có:

ở nhiệt độ tham chiếu Tr, Ki là hệ số nhiệt độ của dòng ngắn mạch, G là bức xạ mặttrời tính bằng kW/m2

Một số thông số cần được xem xét như: dòng bảo hòa Is, công suất cực đại Pmax,

hệ số lấp đầy FF cũng được xác định theo các công thức (3.5,3.6,3.7,3.8)

Hiệu suất của tấm pin mặt trời là khả năng chuyển đổi từ bức xạ mặt trời thànhđiện Được tính bằng tỷ lệ phần trăm giữa năng lượng điện tối đa được tạo ra so vớinăng lượng ánh sáng chiếu tới trong công thức (3.9)

η mp = P mp

P¿ = I G A mp V mp

m

(3.1.2.1.a.1.1.9)Trong một tấm pin năng lượng mặt trời là một nhóm gồm một số tế bào quangđiện được kết nối với nhau bằng cách nối tiếp hoặc song song để tạo ra dòng điện vàđiện áp Mạch tương đương cho mô-đun năng lượng mặt trời được bố trí trong các tếbào nối tiếp NP và song song NS được hiển thị trong Hình 3.4

Hình 3.1.2.1.a.2 Sơ đồ mạch của một tấm pin năng lượng mặt trời

Mối quan hệ giữa I(A)-V(V) được thể hiện trong công thức:

I = N p I ph – N p I s ( e( Vq

Chương 4: MÔ PHỎNG MODUN ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN – NHIỆT TẤM

PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI.

4.1 Giới thiệu phần mềm mô phỏng và tính toán.

Trong nghiên cứu này mô hình được mô phỏng bằng ba phần mềm bao gồm:Labview, Ansys và Catia Mỗi phần mềm thực hiện một nhiệm vụ khác nhau Phầnmềm Labview thực hiện tính toán, điều khiển, mô phỏng hiệu quả về điện của hệthống năng lượng mặt trời Cho ra các thông số hiệu suất, công suất các biểu đồđường đặc trưng của hệ thống năng lượng mặt trời Phần mềm Ansys thực hiện môphỏng quá trình làm mát hệ thống năng lượng mặt trời bằng các modun ANSYSFluent và ANSYS Steady-State Thermal Phần mềm Ansys cho thấy được hiệu quả vềnhiệt của quá trình làm mát hệ thống năng lượng mặt trời Cho thấy được biểu đồ phân

bố nhiệt độ của tế bào NLMT trong tấm pin năng lượng mặt trời, dòng khí chạy xungquanh tấm pin năng lượng mặt trời Từ đó ta có chọn được phương pháp làm mát thíchhợp và các thông số tối ưu trong quá trình làm mát Phần mềm Catia là phần mềmđược dùng để thiết kế 3D, mô hình mô phỏng được thiết kế trên phần mềm Catia vớicác lệnh đơn giản và trực quan

Phần mềm LabVIEW (viết tắt của nhóm từ Laboratory Virtual InstrumentationEngineering Workbench) là một phần mềm máy tính được phát triển bởi công tyNational Instruments, Hoa kỳ LabVIEW còn được biết đến như là một ngôn ngữ lậptrình với khái niệm hoàn toàn khác so với các ngôn ngữ lập trình truyền thống nhưngôn ngữ C, Pascal Bằng cách diễn đạt cú pháp thông qua các hình ảnh trực quantrong môi trường soạn thảo, LabVIEW đã được gọi với tên khác là lập trình G (viết tắtcủa Graphical, nghĩa là đồ họa) [21]

Hình 4.1.1.1.a.1 Logo LabVIEW [22]

LabVIEW được dùng nhiều trong các phòng thí nghiệm, lĩnh vực khoa học kỹthuật như tự động hóa, điều khiển, điện tử, cơ điện tử, hàng không, hóa sinh, điện tử ysinh, Hiện tại ngoài phiên bản LabVIEW cho các hệ điều hành Windows, Linux,

Hãng NI đã phát triển các mô-đun LabVIEW cho máy hỗ trợ cá nhân (PDA) Các chứcnăng chính của LabVIEW có thể tóm tắt như sau:

 Thu thập tín hiệu từ các thiết bị bên ngoài như cảm biến nhiệt độ, hình ảnh

từ webcam, vận tốc của động cơ,

 Giao tiếp với các thiết bị ngoại vi thông qua nhiều chuẩn giao tiếp thôngqua các cổng giao tiếp: RS232, RS485, USB, PCI, Ethernet

 Mô phỏng và xử lý các tín hiệu thu nhận được để phục vụ các mục đíchnghiên cứu hay mục đích của hệ thống mà người lập trình mong muốn

 Xây dựng các giao diện người dùng một cách nhanh chóng và thẩm mỹhơn nhiều so với các ngôn ngữ khác như Visual Basic, Matlab,

 Cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển như PID, Logic mờ (FuzzyLogic), một cách nhanh chóng thông qua các chức năng tích hợp sẵn trongLabVIEW

 Cho phép kết hợp với nhiều ngôn ngữ lập trình truyền thống như C, C++ Nhờ tính năng hỗ trợ mạnh và nhanh chóng cho các ứng dụng trong kỹ thuật, lĩnhvực giáo dục nên LabVIEW được dùng nhiều trong các phòng thí nghiệm và trung tâmnghiên cứu cũng như các hệ thống công nghiệp

CATIA (Computer Aided Three Dimensional Interactive Application, nghĩa là

Xử lý tương tác trong không gian ba chiều có sự hỗ trợ của máy tính là một bộ phầnmềm thương mại phức hợp CAD/CAM/CAE được Dassault Systemes (một công tycủa Pháp) phát triển và IBM phân phối trên toàn thế giới Catia được viết bằng ngônngữ lập trình C++ Catia là viên đá nền tảng đầu tiên của bộ phần mềm quản lý toàn bộ

1 chu trình sản phẩm của Dassault

Hình 4.1.1.1.a.2 Logo CATIA.

Phần mềm này được viết vào cuối những năm 1970 và đầu 1980 để phát triểnmáy bay chiến đấu Mirage của Dassault, sau đó được áp dụng trong ngành hàng không

vũ trụ, ô tô, đóng tàu, và các ngành công nghiệp khác Kiến trúc sư Frank Gehry đã sửdụng nó để thiết kế các Bảo tàng Guggenheim Bilbao và Walt Disney Concert Hall[23]

Lợi ích của phần mềm Catia

 Thiết kế trong ngành Công Nghiệp dù là bắt đầu từ ý tưởng 3D hay từ bảnphác thảo 2D, các nhà kỹ sư thiết kế có thể thỏa sức thiết kế các hình dángvới sự tự do trong môi trường thiết kế và tận dụng lợi thế những ý tưởng

có sẵn để tạo ra thêm nhiều những ý tưởng hơn

 Chức năng mô hình hóa bề mặt tiên tiến

 Đáp ứng các quy trình thiết kế hoàn hảo, với giải pháp sàng lọc bề mặttích hợp các công nghệ bề mặt hàng đầu trong ngành

 Cung cấp bộ công cụ mạnh mẽ và trực quan cho việc mô hình hóa, phântích và hiển thị những hình dạng và cho chất lượng bề mặt cao nhất

Ansys là phần mềm CAE khá phổ biến hiện nay, được các bạn sinh viên vàngười đi làm sử dụng nhiều trong học tập và nghiên cứu Là một phần mềm phân tíchphần tử hữu hạn hoàn toàn dùng để mô phỏng ,tính toán thiết kế công nghiệp Ansys làmột công cụ không thể thiếu Lập trình là tạo ra công cụ để các nhà khoa học thực hiệncác tính toán khoa học; cho tất cả các ngành nghề khác thực hiện các thống kê, kếtoán,… Không có ngành công nghiệp nào mà hoàn toàn không cần sự giúp đỡ của máy

tính, việc này dẫn đến cuộc cách mạng tính toán đã trở thành một phần không thể thiếutrong quá trình phát triển của các ngành nghề Kỹ thuật cơ khí cũng không phải làngoại lệ, các công cụ được phát triển bởi tập đoàn ANSYS đã cung cấp các phần mềm

để các kỹ sư tận dụng sức mạnh tính toán của máy tính hiện đại mà không phải sửdụng sức người để tăng tốc thiết kế, giảm chi phí thiết kế, mô hình hóa 3D,…đồng thờitối đa hóa thời gian giải quyết vấn đề

Ansys, Inc là một công ty đại chúng toàn cầu có trụ sở tại Canonsburg,Pennsylvania Nó phát triển và tiếp thị đa vật lý phần mềm mô phỏng kỹ thuật để thiếtkế, thử nghiệm và vận hành sản phẩm Ansys được thành lập vào năm 1970 bởi JohnSwanson Swanson đã bán quyền lợi của mình trong công ty cho các nhà đầu tư mạohiểm vào năm 1993 Ansys đã công khai NASDAQ vào năm 1996 Trong những năm

2000, Ansys đã thực hiện nhiều vụ mua lại các công ty thiết kế kỹ thuật khác, mua lạicông nghệ bổ sung cho động lực học chất lỏng, thiết kế điện tử và phân tích vật lýkhác Ansys đã trở thành một thành phần của chỉ số NASDAQ-100 vào ngày 23 tháng

12 năm 2019 [24]

Hình 4.1.1.1.a.3 Logo Ansys

4.2 Mô phỏng điều khiển điện tấm pin năng lượng mặt trời bằng phần mềm Labview.

4.2.1 Tổng quan hệ thống điều khiển làm mát tấm pin năng lượng mặt trời.

Hình 4.4 cho thấy sơ đồ điều khiển hệ thống làm mát tấm NLMT trên ô tô Dòngđiện và điện áp cảm biến cảm nhận dòng điện nhiệt độ, độ ẩm, lưu lượng Sau đó, kếtquả của bốn cảm biến là được truyền đến vi điều khiển của bo mạch Arduino UNO.Trong khi Giao diện LabVIEW cho Arduino đóng vai trò là giao diện giữa vi điềukhiển Arduino và máy tính để tạo giao tiếp giữa vi điều khiển và LabVIEW thông quakết nối nối tiếp Trong quá trình thu nhận, dữ liệu đo được về dòng điện, điện áp vàcông suất được vẽ trực tiếp trong LabVIEW Như thể hiện trong hình 4.4, bảngArduino là thành phần chính của quá trình thu nhận thời gian thực hệ thống Thiết kếcủa thiết bị được đề xuất được chia thành hai phần: hệ thống phần cứng và phần mềm

hệ thống

Hình 4.2.1.1.a.1 Sơ đồ khối điều khiển hệ thống.

1.1.2 Phần cứng của hệ thống.

Phần cứng của hệ thống điều khiển làm mát tấm NLMT trên ô tô bao gồm cácthiết bị Arduino UNO, cảm biến điện áp, cảm biến dòng điện, cảm biến lưu lượng,cảm biến nhiệt độ, quạt làm mát

4.2.2 Phần mềm của hệ thống.

Hệ thống thiết bị điều khiển làm mát trung gian trên ô tô được thiết kế bằng cách

sử dụng LabVIEW và bộ điều khiển dựa trên Arduino Vì vậy, trong phần mềm, chúngtôi trình bày tất cả các công cụ được yêu cầu để gửi dữ liệu từ mạch Arduino đếnLabVIEW Để đo được các thông số và thực hiện điều khiển chúng ta cần thực hiệncác bước cài đặt

 Bước 1: Tải và cài đặt phần mềm LabVIEW software