Công Nghệ Thông Tin, it, phầm mềm, website, web, mobile app, trí tuệ nhân tạo, blockchain, AI, machine learning - Công nghệ - Môi trường - Công nghệ thông tin TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG NAM KHOA: LÝ – HÓA - SINH -------- TRẦN THANH TRÀ ỨNG DỤNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TRONG HỆ THỐNG ĐÈN CHIẾU SÁNG TUYẾN ĐƯỜNG LÊ LỢI – TP. TAM KỲ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Tam kỳ, tháng 07 năm 2020 TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG NAM KHOA: LÝ – HÓA - SINH -------- KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: ỨNG DỤNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TRONG HỆ THỐNG ĐÈN CHIẾU SÁNG TUYẾN ĐƯỜNG LÊ LỢI – TP. TAM KỲ Sinh viên thực hiện TRẦN THANH TRÀ MSSV: 2116020156 CHUYÊN NGHÀNH: SƯ PHẠM VẬT LÝ KHÓA: 2016 – 2020 Cán bộ hướng dẫn Th.S NGÔ THỊ HỒNG NGA MSCB:................ Tam kỳ, tháng 07 năm 2020 LỜI CẢM ƠN Bài luận văn này là kết quả của quá trình học tập và nghiên cứu của tôi tại trường Đại Học Quảng Nam. Với tình cảm chân thành tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các quý thầy cô giáo trong trường Đại Học Quảng Nam đã quan tâm và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và thực hiện đề tài này. Tôi cũng chân thành cảm ơn tới cô giáo Th.s Ngô Thị Hồng Nga. Mặc dù rất nhiều công việc nhưng cô vẫn quan tâm, giúp đỡ, động viên tôi trong quá trình làm khóa luận. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy cô giáo trong khoa Lý – Hóa – Sinh nói chung và bộ môn Vật Lý nói riêng đã dành thời gian quý bấu để đọc, nhận xét, tham gia hội đồng chấm khóa luận này, giúp cho việc nghiên cứu luận văn tốt nghiệp của tôi hoàn chỉnh hơn. Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn người thân trong gia đình và mọi người xung quanh tôi đã động viên tôi về mặt tinh thần và vật chất trong suốt quá trình nghiên cứu khóa luận. Do kiến thức còn hạn chế và đây là lần đầu tiên tôi đi sâu vào nghiên cứu một đề tài khoa học nên tôi không thể tránh khỏi sự thiếu sót. Tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô giáo cùng các bạn sinh viên để đề tài khóa luận của tôi được hoàn chỉnh hơn. Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn Người thực hiện Trần Thanh Trà LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu và kết quả nêu trong bài khóa luận này là trung thực. Người thực hiện Trần Thanh Trà DANH MỤC TỪ VIẾT TẮC DOD : Mức xả sâu EVN : Tập đoàn điện lực Việt Nam NLMT : Năng lượng mặt trời PV : Mảng pin năng lượng
PHẦN MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Thủy điện xuất hiện cách đây trên 70 năm và trở thành niềm hy vọng của nhân loại trên nhiều phương diện, đặc biệt là cung cấp nguồn năng lượng tái tạo và tương đối sạch Việt Nam với công trình thủy điện Hòa Bình hùng vĩ, đã tạo thành hệ thống điện Quốc gia, kéo dài 4670 km từ Bắc chí Nam, mang điện đến thắp sáng các vùng sâu vùng xa của Tổ Quốc Bằng cách sử dụng nguồn nước thay vì các loại nhiên liệu hoá thạch (đặc biệt là than), thuỷ điện giảm bớt ô nhiễm môi trường, giảm bớt các trận mưa axít, giảm axít hoá đất và các hệ thống thủy sinh Thuỷ điện thải ra rất ít khí hiệu ứng nhà kính so với các phương án phát điện quy mô lớn khác, do vậy làm giảm sự nóng lên của Trái Đất Tuy nhiên, việc xây dựng quá nhiều nhà máy thủy điện để đáp ứng nhu cầu điện năng hiện nay đã dẫn đến những hệ lụy không mong muốn Hồ thủy điện khi tích trữ nước sẽ khiến vùng hạ lưu dễ bị nhiễm mặn do xâm thực, ảnh hưởng đến sản xuất nông nghiệp Quá trình dựng đập cũng làm thay đổi dòng chảy tự nhiên của dòng sông, làm suy giảm nguồn thủy lợi, khiến nhiều loài cá nước ngọt có nguy cơ tuyệt chủng(ví dụ điển hình gần đây nhất là quá trình xâm nhập mặn tại các tỉnh miền tây Nam Bộ ảnh hưởng đến nông nghiệp, nuôi trồng thủy hải sản và thiếu nguồn nước sinh hoạt cho người dân) Đồng thời, thủy điện là nguyên nhân gây lũ lụt khi quản lý vận hành sai, xả đập sai quy trình khiến lũ về bất ngờ ở vùng hạ lưu, đã có nhiều trường hợp ghi nhận lũ về bất ngờ, lũ quét gây thiệt hại lớn về người và của Ngoài ra, thủy điện còn ngăn dòng trầm tích chảy xuống hạ lưu, khiến nhiều bờ sông suy yếu và sụt đáy sông… Mặc dù vẫn còn những hạn chế như vậy, nhưng các nhà máy thủy điện vẫn phải xây dựng để tạo năng lượng cung cấp cho các lĩnh vực công nông nghiệp, đảm bảo hoạt động đời sống và sản xuất diễn ra bình thường Hơn thế nữa, nguồn năng lượng tạo ra cũng được dùng để duy trì hoạt động đô thị ở nước ta, nó buộc phải bắt kịp với quá trình đô thị hóa hiện nay
Tốc độ đô thị hóa nhanh chóng đã kéo theo sự phát triển của cơ sở hạ tầng, hàng loạt các tuyến đường được xây dựng để phục vụ nhu cầu đi lại, vận tải hàng hóa Đường đô thị ngoài việc phải được đảm bảo thiết kế, quy hoạch hợp lý, lưu thông thông suốt thì việc chiếu sáng cũng là vấn đề luôn được chú trọng Hệ thống đèn chiếu sáng phải đáp ứng tính thẩm mỹ, khoa học, giảm tai nạn giao thông, tăng vẻ đẹp đô thị, giảm tệ nạn xã hội; tiết kiệm chi phí lắp đặt cũng như điện năng, góp phần giảm thiểu hiệu ứng nhà kính, thời tiết cực đoan, bảo vệ môi trường sống….Để có được một hệ thống chiếu sáng như vậy, chúng ta không những tập trung vào phần thiết kế mà còn phải tìm kiếm nguồn năng lượng sạch thay thế, nguồn năng lượng không tạo ra bất kỳ sự ảnh hưởng nào đến môi trường khi khai thác sử dụng
Với vị trí địa lý gần xích đạo, có tổng số giờ nắng và cường độ bức xạ cao, miền Trung Việt Nam nói chung, Quảng Nam nói riêng được đánh giá là một khu vực có tiềm năng rất lớn về năng lượng mặt trời số giờ nắng từ 2200 đến 2300 giờ nắng đối với khu vực đồng bằng ven biển và 1700 đến 1900 đối với khu vực miền núi Chính vì vậy nên tôi chọn đề tài “Ứng dụng điện năng lượng mặt trời trong hệ thống đèn chiếu sáng tuyến đường Lê Lợi – TP.Tam Kỳ” để giảm thiểu tình trạng lệ thuộc vào nguồn năng lượng từ lưới điện quốc gia và giảm tác động xấu đến môi trường.
Mục tiêu đề tài
- Tổng quan về hệ thống điện năng lượng mặt trời
- Tính toán chi phí lắp đặt hệ thống
- Lắp được mô hình điện năng lượng mặt trời dùng chiếu sáng tuyến đường Lê Lợi – TP Tam Kỳ.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Pin năng lượng mặt trời
- Hệ thống đèn chiếu sáng sử dụng nguồn năng lượng mặt trời
- Hệ thống đèn chiều sáng tuyến đường Lê Lợi – TP Tam kỳ.
Nhiệm vụ nghiên cứu
- Xây dựng cơ sở lý thuyết phục vụ cho việc lắp mô hình điện năng lượng mặt trời
- Lắp mô hình ứng dụng điện năng lượng mặt trời trong hệ thống chiếu sáng tuyến đường
Lê Lợi – TP Tam Kỳ.
Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lí thuyết: tổng hợp và phân tích lí thuyết dựa trên sách vở, giáo trình, trang web… để hiểu về năng lượng mặt trời, hiểu được nguyên lý hoạt động của pin năng lượng
- Nghiên cứu thực nghiệm: thực hành lắp ráp mô hình điện năng lượng mặt trời.
Cấu trúc tổng quan của đề tài
Ngoài phần mở đầu bài khóa luận còn có phần kết luận, tài liệu tham khảo, phụ lục thì khóa luận gồm có 3 chương:
Chương 1: Năng lượng mặt trời và ứng dụng
Chương 2: Cấu trúc của lưới điện năng lượng mặt trời
Chương 3: Thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời cho hệ thống đèn chiếu sáng tuyến đường Lê Lợi – TP Tam Kỳ
Hình 1.2 Cấu trúc bên trong mặt trời
Hình 1.1 Bên ngoài Mặt Trời
Phần II NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CHƯƠNG 1 NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ ỨNG DỤNG 1.1 Năng lượng mặt trời
Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1,390.10 6 km lớn hơn gấp 110 lần đường kính của trái đất, nó cách xa trái đất 150.10 6 km Khối lượng mặt trời khoảng M0 2.10 30 Kg Nhiệt độ T0 trung tâm mặt trời thay đổi trong khoảng từ 10.10 6 K, trung bình khoảng 15600000 K Ở nhiệt độ như vậy vật chất không thể giữ được cấu trúc trật tự thông thường gồm các nguyên tử và phân tử mà nó trở thành plasma trong đó các hạt nhân của nguyên tử chuyển động tách biệt với các electron Khi các hạt nhân tự do va chạm với nhau sẽ xuất hiện những vụ nổ nhiệt hạch Khi quan sát tính chất của vật chất nguội hơn trên bề mặt nhìn thấy của Mặt Trời, các nhà khoa học đã kết luận rằng có phản ứng nhiệt hạch xảy ra ở trong lòng Mặt Trời
Trong quá trình diễn biến của phản ứng có một lượng vật chất của Mặt Trời bị mất đi
Do đó khối lượng Mặt Trời mỗi giây giảm chừng 4.10 6 tấn Mỗi ngày Mặt Trời sản xuất một nguồn năng lượng qua phản ứng nhiệt hạch lên đến 9.10 24 kWh (tức là chưa đầy một giây Mặt Trời đã giải phóng ra một lượng năng lượng tương đương với tổng số điện năng sản xuất trong một năm trên Trái Đất)
Hình 1.3 Dải bức xạ điện từ
Trong toàn bộ bức xạ của mặt trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các phản ứng hạt nhân xảy ra trong nhân mặt trời không quá 3% Tất cả các dạng của bức xạ điện từ đều có bản chất sóng và chúng có bước sóng khác nhau Bức xạ 𝛾 là bức xạ có bước sóng ngắn nhất trong các bức xạ (Hình 1.3), từ tâm mặt trời đi ra do sự va chạm và 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 Đặc trưng của bức xạ mặt trời truyền trong không gian bên ngoài Mặt Trời là một phổ rộng trong đó cực đại của cường độ bức xạ nằm trong dải 10 -1 – 10 𝜇𝑚 và hầu như một nửa tổng năng lượng Mặt Trời tập trung trong khoảng bước sóng 0,38 – 0,78 𝜇𝑚 đó là vùng nhìn thấy của quang phổ
Chùm tia truyền thẳng từ Mặt Trời gọi là bức xạ trực xạ Tổng hợp các tia trực xạ và tán xạ ọi là tổng xạ Mật độ dòng bức xạ trực xạ ở ngoài lớp khí quyển, tính đối với 1m 2 bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ, được tính theo công thức: q = φ D_T C 0 ( T
(1.1) Ở đây: 𝜑 𝐷_𝑇 gọi là hệ số góc bức xạ giữa Trái Đất và Mặt Trời φ D_T =β
𝛽: góc nhìn mặt trời và 𝛽 ≈ 32′ như hình 1.4
𝑚 2 𝐾 4 : hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối
T ≈ 5762 𝐾: Nhiệt độ bề mặt Mặt Trời (xem giống như vật đen tuyệt đối)
Hình 1.3 Dải bức xạ điện từ
Hình 1.5 Qúa trình bức xạ Mặt Trời qua khí quyển của Trái Đất
Hình 1.4 Góc nhìn Mặt Trời
Các bức xạ có bước sóng ứng với các vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoại của phổ tương tác với các phân tử khí và các hạt bụi của không khí nhưng không phá vỡ các liên kết của chúng, khi đó các photon bị tán xạ khá đều theo mọi hướng và một số photon quay trở lại không gian vũ trụ 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/m 2 (Hình 1.5) Yếu tố cơ bản xác định cường độ bức xạ Mặt Trời ở một thời điểm nào đó trên Trái Đất là quãng 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 và vị trí địa lý
Hình 1.6 Quan hệ các góc hình học của tia bức xạ Mặt Trời trên mặt phẳng nghiêng
1.3 Tính toán bức xạ năng lượng mặt trời
Cường độ bức xạ Mặt Trời lên trên mặt đất chủ yếu phụ thuộc vào 2 yếu tố đó là: góc nghiêng của các tia sáng đối với mặt phẳng bề mặt tại một điểm đã cho và độ dài đường đi của các tia sáng trong khí quyển hay nói chung là phụ thuộc vào độ cao của Mặt Trời (góc giữa phương từ điểm quan sát đến Mặt Trời và mặt phẳng nằm ngang đi qua điểm đó) quang trọng nhất là quãng 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
Quan hệ giữa bức xạ Mặt Trời ngoài khí quyển và thời gian trong năm có thể xác định theo phương trình sau:
Trong đó : 𝐸 𝑛𝑔 là bức xạ ngoài khí quyển được đo trên mặt phẳng vuông góc với tia bức xạ vào ngày thứ n trong năm
1.3.1 Tính toán góc tới của bức xạ trực xạ
Ta có phương trình góc tới như sau:
1.3.2 Bức xạ mặt trời ngoài khí quyển lên bề mặt nằm ngang
Tại thời điểm bất kỳ, bức xạ Mặt Trời đến một bề mặt nằm ngang ngoài khí quyển được xác định theo phương trình:
Thay giá trị 𝑐𝑜𝑠𝜃 𝑧 vào phương trình trên ta có 𝐸 𝑛𝑔 tại thời điểm bất kỳ từ lúc Mặt Trời mọc đến lúc Mặt Trời lặn:
365 ) cosϕ cosδ cosω + sinϕ sinδ (1.10) Tích phân phương trình này theo thời gian từ khi Mặt Trời mọc đến khi Mặt Trời lặn (6h đến 18h mặt trời), ta sẽ có được 𝐸 𝑛𝑔 là năng lượng bức xạ Mặt Trời trên mặt phẳng nằm ngang trong một ngày:
365 ) (cosϕ cosδ cosω + sinϕ sinδ) (1.11) Với 𝜔 𝑧 là góc giờ Mặt Trời lặn ( nghĩa là góc giờ 𝜔 khi 𝜃 𝑧 = 90 0 ) cosω z = −sinϕ sinδ cosϕ cosδ= −tgϕ tgδ (1.12) Người ta cũng xác định năng lượng bức xạ ngày trung bình bằng tháng 𝐸 𝑡ℎ bằng cacgs thay các giá trị n và 𝛿 trong các công thức lấy trên lấy giá trị ngày trung bình của tháng và độ lệch 𝛿 tương ứng
Năng lượng bức xạ trên mặt phẳng nằm ngang trong một giờ nhất định có thể xác định:
1.3.3 Cường độ bức xạ mặt trời lên bề mặt trái đất
Cường độ bức xạ Mặt Trời lên một bề mặt đất bao gồm hai thành phần chính đó là trực xạ và tán xạ Phần trực xạ đã được khảo sát ở trên, còn thành phần tán xạ thì phức tạp hơn Hướng của bức xạ khuếch tán truyền tới bề mặt là hàm số của độ mây và độ trong suốt của khí quyển, các đại lượng này lại thay đổi khá nhiều Có thể xem bức xạ tán xạ là tổng hợp của 3 thành phần: tán xạ đẳng hướng, tán xạ quanh tia, tán xạ chân trời (Hình 1.7)
Hình 1.7 Sơ đồ phân bố các thành phần bức xạ khuếch tán.
Góc khuếch tán ở mức độ nhất định phụ thuộc vào độ phản xạ Rg của mặt đất Những bề mặt có độ phản xạ cao sẽ phản xạ mạnh bức xạ Mặt Trời trở lại bầu trời và lần lượt bị
8 phát tán trở thành thành phần tán xạ chân trời Như vậy, bức xạ Mặt Trời truyền đến một bề mặt nghiêng là tổng các dòng bức xạ bao gồm: trực xạ 𝐸 𝑏 , 3 thành phần tán xạ
𝐸 𝑑1 ,𝐸 𝑑2 ,𝐸 𝑑3 và bức xạ phản xạ từ bề mặt khác lân cận 𝐸 𝑟 :
E ∑ = E b + E d1 + E d2 + E d3 + E r (1.14) Tuy nhiên việc tính toán các đại lượng tán xạ này rất phức tạp Vì vậy người ta giả thiết là sự kết hợp của bức xạ khuếch tán và bức xạ phản xạ của mặt đất là đẳng hướng, nghĩa là tổng của bức xạ khuếch tán từ bầu trời và bức xạ phản xạ của mặt đất là như nhau trong mọi trường hợp không phụ thuộc vào hướng của bề mặt Khi đó một bề mặt nghiêng tạo một góc 𝛽 so với phương nằm ngang sẽ có tổng xạ bằng tổng 3 thành phần:
Trong đó: 𝐸 ∑ là tổng xạ trên bề mặt nằm ngang
2 = F CS là hệ số góc của bề mặt đối với bầu trời
2 = F cg là hệ số góc của bề mặt đối với mặt đất
R g là hệ số phản bức xạ của môi trường xung quanh
Hình 1.8 Các thành phần bức xạ lên bề mặt nghiêng
Và từ đó ta có tỉ số bức xạ Bb của bề mặt nghiêng góc 𝛽 so với bề mặt nằm ngang:
Trong tính toán kỹ thuật ta có thể coi cường độ bức xạ mặt đất là hàm của thời gian 𝜏, tính từ lúc mặt trời mọc, 𝜏 = 0 đến khi mặt trời lặn 𝜏 = 𝜏 𝑛 /2 với 𝜏 𝑛 = 24ℎ = 24.3600𝑠 như sau:
E(τ) = E n sinφ(τ) (1.17) φ(τ) = ωτ là góc nghiêng tia nắng so với mặt đất β
24.3600 = 7,72 10 −5 rad/s là tốc độ góc tự xoay của trái đất
𝐸 𝑛 (W/m 2 ) là cường độ bức xạ cực đại trong ngày, lấy giá trị trung bình cả năm theo số liệu đo lường thực tế tại vĩ độ ta đang xét
Hình 1.9 Bức xạ trực xạ trên bề mặt nằm ngang và nằm nghiêng
Ngoài phương pháp xác định cường độ bức xạ Mặt Trời tại một điểm bất kỳ dựa trên vị trí địa lý như trên thì trong thực tế người ta đã chế tao các dụng cu đo cường độ bức xạ Mặt Trời trực tiếp tại địa điểm cần đo Thiết bị đo bức xạ thường có 2 loại: đó là đo trực xạ như pyrhelimeter, actinometer và đo tổng xạ như pyranometer, solarimeter Ngày nay, với kỹ thuật tinh vi xử lý người có thể dùng các đầu đo bức xạ để đo tự động cường độ bức xạ Mặt Trời ở nơi nào đó trong một khoảng thời gian nào đó và kết quả đo được lưu trên máy tính
1.4 Các ứng dụng năng lượng mặt trời
1.4.1 Hệ thống bếp nấu dùng năng lượng mặt trời
Sử dụng năng lượng Mặt Trời để nấu thức ăn đã được con người sử dụng rất lâu Các công nghệ làm bếp dùng năng lượng mặt trời đã có những thay đổi và phát triển Hiện nay bếp được sử dụng phổ biến dưới 2 loại bếp là bếp hình hộp và bếp Parabon Bếp năng lượng Mặt Trời được sử dụng rộng rãi ở các nước nhiều năng lượng Mặt Trời, khan hiếm θ β θ
Hình 1.10 Đầu đo bức xạ Hình 1.11 Đầu đo bức xạ
ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CÁC ỨNG DỤNG CỦA NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Năng lượng mặt trời
Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1,390.10 6 km lớn hơn gấp 110 lần đường kính của trái đất, nó cách xa trái đất 150.10 6 km Khối lượng mặt trời khoảng M0 2.10 30 Kg Nhiệt độ T0 trung tâm mặt trời thay đổi trong khoảng từ 10.10 6 K, trung bình khoảng 15600000 K Ở nhiệt độ như vậy vật chất không thể giữ được cấu trúc trật tự thông thường gồm các nguyên tử và phân tử mà nó trở thành plasma trong đó các hạt nhân của nguyên tử chuyển động tách biệt với các electron Khi các hạt nhân tự do va chạm với nhau sẽ xuất hiện những vụ nổ nhiệt hạch Khi quan sát tính chất của vật chất nguội hơn trên bề mặt nhìn thấy của Mặt Trời, các nhà khoa học đã kết luận rằng có phản ứng nhiệt hạch xảy ra ở trong lòng Mặt Trời
Trong quá trình diễn biến của phản ứng có một lượng vật chất của Mặt Trời bị mất đi
Do đó khối lượng Mặt Trời mỗi giây giảm chừng 4.10 6 tấn Mỗi ngày Mặt Trời sản xuất một nguồn năng lượng qua phản ứng nhiệt hạch lên đến 9.10 24 kWh (tức là chưa đầy một giây Mặt Trời đã giải phóng ra một lượng năng lượng tương đương với tổng số điện năng sản xuất trong một năm trên Trái Đất)
Hình 1.3 Dải bức xạ điện từ
Bức xạ mặt trời
Trong toàn bộ bức xạ của mặt trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các phản ứng hạt nhân xảy ra trong nhân mặt trời không quá 3% Tất cả các dạng của bức xạ điện từ đều có bản chất sóng và chúng có bước sóng khác nhau Bức xạ 𝛾 là bức xạ có bước sóng ngắn nhất trong các bức xạ (Hình 1.3), từ tâm mặt trời đi ra do sự va chạm và 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 Đặc trưng của bức xạ mặt trời truyền trong không gian bên ngoài Mặt Trời là một phổ rộng trong đó cực đại của cường độ bức xạ nằm trong dải 10 -1 – 10 𝜇𝑚 và hầu như một nửa tổng năng lượng Mặt Trời tập trung trong khoảng bước sóng 0,38 – 0,78 𝜇𝑚 đó là vùng nhìn thấy của quang phổ
Chùm tia truyền thẳng từ Mặt Trời gọi là bức xạ trực xạ Tổng hợp các tia trực xạ và tán xạ ọi là tổng xạ Mật độ dòng bức xạ trực xạ ở ngoài lớp khí quyển, tính đối với 1m 2 bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ, được tính theo công thức: q = φ D_T C 0 ( T
(1.1) Ở đây: 𝜑 𝐷_𝑇 gọi là hệ số góc bức xạ giữa Trái Đất và Mặt Trời φ D_T =β
𝛽: góc nhìn mặt trời và 𝛽 ≈ 32′ như hình 1.4
𝑚 2 𝐾 4 : hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối
T ≈ 5762 𝐾: Nhiệt độ bề mặt Mặt Trời (xem giống như vật đen tuyệt đối)
Hình 1.3 Dải bức xạ điện từ
Hình 1.5 Qúa trình bức xạ Mặt Trời qua khí quyển của Trái Đất
Hình 1.4 Góc nhìn Mặt Trời
Các bức xạ có bước sóng ứng với các vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoại của phổ tương tác với các phân tử khí và các hạt bụi của không khí nhưng không phá vỡ các liên kết của chúng, khi đó các photon bị tán xạ khá đều theo mọi hướng và một số photon quay trở lại không gian vũ trụ 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/m 2 (Hình 1.5) Yếu tố cơ bản xác định cường độ bức xạ Mặt Trời ở một thời điểm nào đó trên Trái Đất là quãng 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 và vị trí địa lý
Hình 1.6 Quan hệ các góc hình học của tia bức xạ Mặt Trời trên mặt phẳng nghiêng.
Tính toán bức xạ năng lượng mặt trời
Cường độ bức xạ Mặt Trời lên trên mặt đất chủ yếu phụ thuộc vào 2 yếu tố đó là: góc nghiêng của các tia sáng đối với mặt phẳng bề mặt tại một điểm đã cho và độ dài đường đi của các tia sáng trong khí quyển hay nói chung là phụ thuộc vào độ cao của Mặt Trời (góc giữa phương từ điểm quan sát đến Mặt Trời và mặt phẳng nằm ngang đi qua điểm đó) quang trọng nhất là quãng 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
Quan hệ giữa bức xạ Mặt Trời ngoài khí quyển và thời gian trong năm có thể xác định theo phương trình sau:
Trong đó : 𝐸 𝑛𝑔 là bức xạ ngoài khí quyển được đo trên mặt phẳng vuông góc với tia bức xạ vào ngày thứ n trong năm
1.3.1 Tính toán góc tới của bức xạ trực xạ
Ta có phương trình góc tới như sau:
1.3.2 Bức xạ mặt trời ngoài khí quyển lên bề mặt nằm ngang
Tại thời điểm bất kỳ, bức xạ Mặt Trời đến một bề mặt nằm ngang ngoài khí quyển được xác định theo phương trình:
Thay giá trị 𝑐𝑜𝑠𝜃 𝑧 vào phương trình trên ta có 𝐸 𝑛𝑔 tại thời điểm bất kỳ từ lúc Mặt Trời mọc đến lúc Mặt Trời lặn:
365 ) cosϕ cosδ cosω + sinϕ sinδ (1.10) Tích phân phương trình này theo thời gian từ khi Mặt Trời mọc đến khi Mặt Trời lặn (6h đến 18h mặt trời), ta sẽ có được 𝐸 𝑛𝑔 là năng lượng bức xạ Mặt Trời trên mặt phẳng nằm ngang trong một ngày:
365 ) (cosϕ cosδ cosω + sinϕ sinδ) (1.11) Với 𝜔 𝑧 là góc giờ Mặt Trời lặn ( nghĩa là góc giờ 𝜔 khi 𝜃 𝑧 = 90 0 ) cosω z = −sinϕ sinδ cosϕ cosδ= −tgϕ tgδ (1.12) Người ta cũng xác định năng lượng bức xạ ngày trung bình bằng tháng 𝐸 𝑡ℎ bằng cacgs thay các giá trị n và 𝛿 trong các công thức lấy trên lấy giá trị ngày trung bình của tháng và độ lệch 𝛿 tương ứng
Năng lượng bức xạ trên mặt phẳng nằm ngang trong một giờ nhất định có thể xác định:
1.3.3 Cường độ bức xạ mặt trời lên bề mặt trái đất
Cường độ bức xạ Mặt Trời lên một bề mặt đất bao gồm hai thành phần chính đó là trực xạ và tán xạ Phần trực xạ đã được khảo sát ở trên, còn thành phần tán xạ thì phức tạp hơn Hướng của bức xạ khuếch tán truyền tới bề mặt là hàm số của độ mây và độ trong suốt của khí quyển, các đại lượng này lại thay đổi khá nhiều Có thể xem bức xạ tán xạ là tổng hợp của 3 thành phần: tán xạ đẳng hướng, tán xạ quanh tia, tán xạ chân trời (Hình 1.7)
Hình 1.7 Sơ đồ phân bố các thành phần bức xạ khuếch tán.
Góc khuếch tán ở mức độ nhất định phụ thuộc vào độ phản xạ Rg của mặt đất Những bề mặt có độ phản xạ cao sẽ phản xạ mạnh bức xạ Mặt Trời trở lại bầu trời và lần lượt bị
8 phát tán trở thành thành phần tán xạ chân trời Như vậy, bức xạ Mặt Trời truyền đến một bề mặt nghiêng là tổng các dòng bức xạ bao gồm: trực xạ 𝐸 𝑏 , 3 thành phần tán xạ
𝐸 𝑑1 ,𝐸 𝑑2 ,𝐸 𝑑3 và bức xạ phản xạ từ bề mặt khác lân cận 𝐸 𝑟 :
E ∑ = E b + E d1 + E d2 + E d3 + E r (1.14) Tuy nhiên việc tính toán các đại lượng tán xạ này rất phức tạp Vì vậy người ta giả thiết là sự kết hợp của bức xạ khuếch tán và bức xạ phản xạ của mặt đất là đẳng hướng, nghĩa là tổng của bức xạ khuếch tán từ bầu trời và bức xạ phản xạ của mặt đất là như nhau trong mọi trường hợp không phụ thuộc vào hướng của bề mặt Khi đó một bề mặt nghiêng tạo một góc 𝛽 so với phương nằm ngang sẽ có tổng xạ bằng tổng 3 thành phần:
Trong đó: 𝐸 ∑ là tổng xạ trên bề mặt nằm ngang
2 = F CS là hệ số góc của bề mặt đối với bầu trời
2 = F cg là hệ số góc của bề mặt đối với mặt đất
R g là hệ số phản bức xạ của môi trường xung quanh
Hình 1.8 Các thành phần bức xạ lên bề mặt nghiêng
Và từ đó ta có tỉ số bức xạ Bb của bề mặt nghiêng góc 𝛽 so với bề mặt nằm ngang:
Trong tính toán kỹ thuật ta có thể coi cường độ bức xạ mặt đất là hàm của thời gian 𝜏, tính từ lúc mặt trời mọc, 𝜏 = 0 đến khi mặt trời lặn 𝜏 = 𝜏 𝑛 /2 với 𝜏 𝑛 = 24ℎ = 24.3600𝑠 như sau:
E(τ) = E n sinφ(τ) (1.17) φ(τ) = ωτ là góc nghiêng tia nắng so với mặt đất β
24.3600 = 7,72 10 −5 rad/s là tốc độ góc tự xoay của trái đất
𝐸 𝑛 (W/m 2 ) là cường độ bức xạ cực đại trong ngày, lấy giá trị trung bình cả năm theo số liệu đo lường thực tế tại vĩ độ ta đang xét
Hình 1.9 Bức xạ trực xạ trên bề mặt nằm ngang và nằm nghiêng
Ngoài phương pháp xác định cường độ bức xạ Mặt Trời tại một điểm bất kỳ dựa trên vị trí địa lý như trên thì trong thực tế người ta đã chế tao các dụng cu đo cường độ bức xạ Mặt Trời trực tiếp tại địa điểm cần đo Thiết bị đo bức xạ thường có 2 loại: đó là đo trực xạ như pyrhelimeter, actinometer và đo tổng xạ như pyranometer, solarimeter Ngày nay, với kỹ thuật tinh vi xử lý người có thể dùng các đầu đo bức xạ để đo tự động cường độ bức xạ Mặt Trời ở nơi nào đó trong một khoảng thời gian nào đó và kết quả đo được lưu trên máy tính.
Các ứng dụng năng lượng mặt trời
1.4.1 Hệ thống bếp nấu dùng năng lượng mặt trời
Sử dụng năng lượng Mặt Trời để nấu thức ăn đã được con người sử dụng rất lâu Các công nghệ làm bếp dùng năng lượng mặt trời đã có những thay đổi và phát triển Hiện nay bếp được sử dụng phổ biến dưới 2 loại bếp là bếp hình hộp và bếp Parabon Bếp năng lượng Mặt Trời được sử dụng rộng rãi ở các nước nhiều năng lượng Mặt Trời, khan hiếm θ β θ
Hình 1.10 Đầu đo bức xạ Hình 1.11 Đầu đo bức xạ
Hình 1.12 Cấu tạo bếp hình hộp củi đốt, giá thành nhiên liệu cao như các nước Châu Phi, các khu vực vùng sâu vùng xa của các nước đang phát triển Hiện nay bếp năng lượng Mặt Trời còn được sử dụng ngày càng nhiều đối với các ngư dân và khách du lịch
• Đối với bếp hình hộp
Về cấu tạo bếp: bếp nấu hình hộp có cấu tạo như hình 1.12 Hộp bảo vệ (1) được làm bằng gỗ (có thể làm bằng tôn), tiết diện ngang có thể hình vuông hoặc hình tròn Mặt phản xạ bên trong (2) được làm bằng kim loại (nhôm, thép trắng hoặc Inox), đánh bóng nhẵn để có độ phản xạ cao Nồi chứa thức ăn (3) là nồi nấu bình thường bên ngoài được sơn màu đen (chọn loại sơn có độ hấp thụ cao) để có thể hấp thu ánh sáng tốt, dung tích của nồi tùy thuộc vào kích thước của bếp và tùy thuộc vào thời gian chúng ta cần nấu chín thức ăn Tấm kính trong (4) là tấm kính có độ trong suốt cao để có thể cho ánh sáng xuyên qua tốt, thường được chế tạo bằng tấm kính có chiều dày 2÷3 mm, Tấm kính này có tác dụng tạo “ lồng kính” và giảm tổn thất nhiệt khi nấu Gương phản xạ (5) là tấm gương có độ phản xạ ánh sáng cao, gương có thể xoay quanh trục xoay (6) để cho chùm tia sáng phản xạ từ gương vào nồi, phía sau tấm gương có tấm bảo vệ và cũng là nắp đậy của bếp khi không sử dụng Lớp vật liệu cách nhiệt (7) là bông thủy tinh cách nhiệt (hoặc có thể dùng bất kỳ vật liệu cách nhiệt nào như rơm rạ… thậm chí để không có không khí nhưng phải kín) nhằm giảm mất mát nhiệt khi nấu Đế đặt nồi (8) nhằm mục đích ngăn cách giữa nồi và các bộ phận khác của bếp để giảm mất mát nhiệt khi nấu ăn Đối với bếp parabol
Cấu tạo của bếp: bếp nấu parabon có cấu tạo gồm đế đặt nồi (1) được làm bằng khung kim loại dẫn nhiệt tốt, đế được gắn với hệ thống chân đỡ , đế đặt nồi rời có thể di chuyển được Mặt phản xạ (3) làm bằng kim loại (nhôm, thép trắng hoặc Inox) đánh bóng nhẵn để có độ phản xạ cao Khung đỡ (4) làm bằng kim loại, nhựa hoặc bằng gỗ có dạng là mặt parabol tròn xoay để có thể gắn mặt phản xạ lên trên khung, khung được chế tạo sao cho
Hình 1.13 Cấu tạo bếp Parabol có thể tháo láp dễ dàng Thanh chống điều chỉnh (5) làm bằng kim loại hoặc gỗ cứng để điều chỉnh chảo parabol xoay quanh một trục nằm ngang Hệ thống chân đỡ (6) làm bằng kim loại , nhựa hoặc gỗ có thể dễ dàng tháo gỡ và xếp gọn Hệ thống chân đỡ được đặt trên 4 bánh xe để có thể dễ dàng di chuyển và xoay theo hướng mặt trời
Ngày nay để tiện lợi cho việc sử dụng, người dùng không phải đứng ngoài nắng để nấu thức ăn mà chúng ta có thể sử dụng loại bếp với chảo parabol ở ngoài còn nồi nấu được đặt trong nhà
1.4.2 Hệ thống cung cấp nước nóng dùng năng lượng mặt trời Ứng dụng phổ biến và hiệu quả nhất hiện nay của năng lượng mặt trời là dùng để đun nước nóng Hệ thống cung cấp nước nóng bằng năng lượng Mặt Trời đã và đang được ứng dụng rộng rãi ở Hà Nội, TP Hồ Chí Minh, Đà Nẵng và Quảng Nam Các hệ thống sấy này đã tiết kiệm cho người sử dụng một lượng đáng kể năng lượng, góp phần rất lớn trong việc thực hiện chương trình tiết kiệm năng lượng của nước ta cũng như bảo vệ môi trường chung của nhân loại
1.4.3 Hệ thống sấy dùng năng lượng mặt trời
Thiết bị sấy dùng năng lượng Mặt Trời lấy nhiệt được cung cấp bởi việc hấp thụ trực tiếp năng lượng bức xạ Mặt Trời của vật sấy Hơi nước sinh ra được mang đi bởi không khí thổi ngang qua vật sấy Không khí chuyển động được nhờ quá trình đối lưu tự nhiên
Hình 1.14 Hệ thống cung cấp nước nóng năng lượng Mặt Trời
Hình 1.15 Tủ sấy năng lượng Mặt Trời hoặc do quạt thổi cưỡng bức Thiết bị sấy dùng năng lượng mặt trời được sử dụng phổ biến nhất như tủ sấy dùng năng lượng mặt trời hay thiết bị sấy sử dụng bởi các Collector năng lượng Mặt Trời
Tủ sấy dùng năng lượng Mặt Trời là thiết bị có hình dạng là một cái tủ, một mặt tủ là kính để thu bức xạ Mặt Trời chuyển thành năng lượng nhiệt làm tăng nhiệt độ của không khí, buồng sấy và sản phẩm sấy, còn các mặt khác được bọc cách nhiệt Vật sấy được nằm trên các khay với từng lớp mỏng và đặt trong tủ sấy Thiết bị này được sử dụng để sấy các loại trái cây hay ngũ cốc như nho, lúa thóc, bắp,…
1.4.4 Thiết bị lạnh dùng năng lượng mặt trời cho các trạm y tế
Phần lớn vaccin phải được bảo quản ở nhiệt độ thấp Vì thế việc bảo quản vaccin ở nhiệt độ thấp không đổi từ lúc sản xuất cho đến nơi sử dụng, rất khó thực hiện ở nông thôn Đa phần việc sử dụng tủ lạnh chỉ dùng để bảo quản vaccin cho các trung tâm chăm sóc sức khỏe ở vùng sâu vùng xa trở nên dễ dàng hơn Tủ lạnh phải giữ được vaccin ở một khoảng nhiệt độ nhất định từ 0 0 – 8 0 C Khoang đông đá của tủ lạnh phải có khả năng tạo ít nhất 1kg đá trong 24 giờ Những tủ lạnh này thường hoạt động ở điện áp thấp ( 12V – 24V ) của dòng điện một chiều để giảm bớt sự hao phí năng lượng Thiết bị được trang bị một bộ ac-quy đủ để đảm bảo tủ lạnh hoạt động được trong 5 ngày khi trời không có nắng Ngoài ra còn có bộ điều hòa nhiệt độ nhằm kiểm soát lượng điện của bộ ac-quy để tránh quá tải và thông báo cho người sử dụng biết dòng điện có điện áp quá yếu để có thể vận hành tủ lạnh Lượng điện tiêu thụ mỗi ngày của một tủ lạnh như vậy là khoảng 500 –
800 Wh Đối với những vùng có bức xạ Mặt Trời khoảng 5Kw/m 2 thì các tủ lạnh này cần có các modul quang điện có công suất đỉnh 100 – 200 Wp
Hình 1.16 Tủ lạnh năng lượng mặt trời 200W sử dụng cho trạm y tế
Kết luận chương 1 Ở chương 1, tôi đã trình bày các lý thuyết về năng lượng mặt trời: giới thiệu cấu tạo Mặt Trời, bức xạ Mặt Trời và các bước tính toán năng lượng bức xạ Mặt Trời để từ đó làm cơ sở cho việc đo đạc các thông số trong thực tế nhằm tính toán, thiết kế hệ thống bị hiệu quả nhất Trong chương này tôi còn trình các ứng dụng năng lượng Mặt Trời phổ biến phục vụ cho đời sống và khoa học – kỹ thuật Qua đó, ta thấy Việt Nam là một trong những nước nằm trong giải phân bố ánh nắng Mặt Trời nhiều nhất trong năm trên bản đồ bức xạ Mặt Trời của thế giới, với dải bờ biển dài 3000km, có hàng nghìn đảo lớn nhỏ có cư dân cư sống nhưng không thể đưa điện lưới đến được Vì vậy, sử dụng năng lượng Mặt Trời như một nguồn năng lượng tại chổ để thay thế cho các dạng năng lượng truyền thống, đáp ứng nhu cầu của các vùng dân cư này là một kế sách có ý nghĩa về mặt kinh tế, an ninh quốc phòng
CẤU TRÚC CỦA LƯỚI ĐIỆN MẶT TRỜI
Pin năng lượng Mặt Trời
2.1.1 Khái niệm pin năng lượng Mặt Trời
Pin năng lượng Mặt Trời còn gọi là pin quang điện là thiết bị ứng dụng hiệu ứng quang điện trong bán dẫn (thường gọi là hiệu ứng quang điện trong – quang dẫn) để tạo ra dòng điện một chiều từ ánh sáng Mặt Trời Loại pin Mặt Trời thông dụng nhất hiện nay là loại sử dụng Silic tinh thể Tinh thể Silic tinh khiết là chất bán dẫn rất kém vì các điện tử bị giam giữ bởi liên kết mạng Không có điện tử tự do Khi bị ánh sáng hay nhiệt độ kích thích, các điện tử bị bứt ra khỏi liên kết, hay là các điện tử tích điện âm nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẫn và để lại một lỗ trống tích điện dương trong vùng hóa trị Lúc này chất bán dẫn mới có điện
2.1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời
2.1.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động pin mặt trời
Pin năng lượng Mặt trời hay pin mặt trời hay pin quang điện bao gồm nhiều tế bào quang điện là phần tử bán dẫn có thành phần chính là sillic tinh khiết, có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là điốt quang, thực hiện biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện Các tế bào quang điện này được bảo vệ bởi một tấm kính trong suốt ở mặt trước và một vật liệu nhựa ở phía sau Toàn bộ nó được đóng gói chân không trong thông qua lớp nhựa polymer càng trong suốt càng tốt Cường độ dòng điện, hiệu điện thế hoặc điện trở của pin mặt trời thay đổi phụ thuộc bởi lượng ánh sáng chiếu lên chúng Tế bào quang điện được ghép lại thành khối để trở thành pin mặt trời
Cấu trúc các lớp bên trong pin năng lượng mặt trời
• Khung tấm pin mặt trời
Một trong những phần cuối cùng được lắp ráp pin mặt trời là khung Nó thướng được làm bằng nhôm và có chức năng đảm bảo độ bền cho tấm pin Đối với các trường hợp sử dụng đặc biệt, cũng có sẵn các tấm pin không khung hoặc các giải pháp nhựa đặc biệt Những giải pháp này thường liên quan đến việc sử dụng các dung dịch hỗ trợ dán ở phía sau với công nghệ kính thủy tinh
Phần Kính mặt trước của pin mặt trời là phần nặng nhất Nó có chức năng bảo vệ và đảm bảo độ bền cho toàn bộ tấm pin mặt trời, duy trì độ trong suốt cao Độ dày của lớp này thường là 3,3mm nhưng nó có thể dao động từ 2 mm đến 4mm tùy thuộc vào loại kính mà hãng sản xuất pin đó chọn Điều quan trọng là phải chú ý đến các yếu tố như chất lượng độ cứng, độ truyền quang phổ và truyền ánh sáng Pin càng tốt thì lớp kính trước này hấp thu ánh sáng đi qua tốt hơn , phản xạ ánh sáng ít hơn
• Lớp tế bào quang điện bên trong
Các tế bào quang điện là thành phần chính và có chức năng hấp thụ ánh sáng mặt trời, biến đổi quang năng thành điện năng Các tế bào thinh thể Silics này có thể là đơn tinh thể (gọi là pin Mono) hay đa tinh thể (gọi là pin Poly), tùy theo quy trính sản xuất của từng hãng pin mặt trời Các đặc tính kỹ thuật chính là: kích thước, màu sắc, số lượng tế bào – cells pin và quan trọng hơn hết là hiệu suất chuyển đổi của pin mặt trời Hiện nay, các tế bào Cells pin với hiệu suất chuyển hóa khoảng 17,6% tạo ra một pin mặt trời 250W với
60 cells Các tế bào Cells này được liên kết với nhau bằng một dây đồng mỏng được phủ một hợp kim thiếc
• Lớp keo cố định tế bào quang điên
Một trong những vật liệu quan trọng nhất là chất liệu đóng gói – là chất kết dính giữa các lớp khác nhau của pin mặt trời Vật liệu phổ biến nhất được sử dụng làm chất đóng gói là EVA – Ethylene vinyl acetate Nó là một polymer đục mờ được đóng theo cuộn
Nó phải được cắt thành tấm và nằm trước và sau các tế bào quang điện Khi chịu một quá trình nhiệt của nấu chân không, loại polymer đặc biệt này trở đăc lại thành keo trong suốt và kết dính các tế bào quang điện Chất lượng của quá trình này, được gọi là cán màng, đảm bảo tuổi thọ cao cho chính tấm pin đó, đồng thời có ảnh hưởng đến việc truyền ánh sáng, tốc độ xử lý và khả năng chống lại màu vàng do tia UV
Tấm nền mặt sau của pin mặt trời được làm từ một vật liệu nhựa có chức năng cách ly điện, bảo vệ và che chắn các tế bào PV khỏi thời tiết và độ ẩm Tấm đặc biệt này thường có màu trắng và được bán ở dạng cuộn hoặc tấm Các loại pin các hãng khác nhau có thể
Hình 2.1 Cấu tạo pin năng lượng Mặt Trời
Hình 2.2 Cấu tạo tế bào quang điện khác nhau về độ dày, màu sắc và sự hiện diện của các vật liệu cụ thể để che chắn tốt hơn hoặc cho độ bền cơ học cao hơn
• Hộp đựng mối nối mạch điện
Hộp nối có chức năng đưa các mối nối điện của mô đun pin mặt trời ra bên ngoài Nó chứa các dây cáp để kết nối các tấm trong hệ thống Khi chọn hộp Nối, chúng ta nên chú ý đến chất lượng nhựa, độ tốt của khớp nối
Nguyên lý hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện Về bản chất quang điện là một diot bán dẫn bao gồm hai tấm bán dẫn loại P và loại N đặt sát cạnh nhau, khác ở chổ pin quang điện có diện tích bề mặt rộng và có lớp N cực mỏng để ánh sáng có thể truyền qua Trên bề mặt của pin quang điện có một lớp chống phản xạ vì khi chiếu ánh sáng vào pin quang điện sẽ có một phần ánh sáng bị hấp thụ khi truyền qua lớp N và một phần ánh sáng sẽ bị phản xạ ngược lại còn một phần ánh sáng sẽ đến được lớp chuyển tiếp nơi có các electron và lỗ trống nằm trong điện trường của bề mặt giới hạn Với các bước sóng thích hợp sẽ truyền cho electron một năng lượng đủ lớn để thoát khỏi liên kết Khi thoát ra khỏi liên kết, dưới tác dụng của điện trường, electron sẽ bị kéo về phía chất bán dẫn loại N, còn lỗ trống bị kéo về phái bán dẫn loại P Khi đó nếu nối hai cực vào hai phần bán dẫn loại N và P sẽ đo được một hiệu điện thế Giá trị hiệu điện thế này phụ thuộc vào chất làm chất bán dẫn và tạp chất pha trong chất bán dẫn
Pin Mặt Trời làm việc theo nguyên lý là biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ Mặt Trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu năm
1839 bởi nhà vật lý Pháp Alexandre Tuy nhiên cho đến năm 1883 một pin năng lượng mới được tạo thành bởi Charles Frits, ông phủ lên mạch bán dẫn một lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối Thiết bị chỉ có hiệu suất 1% Russell Ohl xem là người tạo ra pin Mặt Trời đầu tiên năm 1946 Sau đó Sven Ason Berglund đã có các phương pháp liên quan đến việc tăng khả năng cảm nhận ánh sáng của pin Xét một hệ gồm hai mức năng lượng điện tử là E1 và E2 với E1 < E2
Bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E1 nhưng khi hệ nhận được ánh sáng Mặt Trời, lượng tử ánh sáng – photon có ăng lượng ℎ𝜈 (với h = 6,625.10 −34 J.s là hằng số Planck,𝜈 là tần số ánh sáng) bị điện từ hấp thụ và chuyển lên mức năng lượng E2 Phương trình cân bằng năng lượng có dạng:
Trong các vật thể rắn, do sự tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vòng ngoài, nên các mức năng lượng của nó được tách thành nhiều mức năng lượng sát nhau và tạo thành các vùng năng lượng Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi ở trạng thái cân bằng được gọi là vùng hóa trị có năng lượng bờ phía trên là Ev Vùng năng lượng phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc bị chiếm một phần được gọi là vùng dẫn, bờ dưới của vùng có năng lượng là Ec Cách ly giữa hai vùng hóa trị và vùng dẫn là vùng cấm có năng lượng là Eg Khi nhận bức xạ Mặt Trời, photon có năng lượng ℎ𝜈 tới hệ thống và bị điện tử vùng hóa trị hấp thụ và nó có thể di chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự do e - để lại vùng hóa trị một lỗ trống có thể coi như hạt mang điện tích dương kí hiệu là h + Lỗ trống này có thể di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện Hiệu ứng lượng tử của quá trình hấp thụ photon được mô tả bằng phương trình sau:
Phân tích các thành phần của hệ thống điện năng lượng mặt trời
Là bộ điều khiển trung tâm của cả hệ thống thực hiện chức năng điều phối công suất giữa hệ thống pin mặt trời với lưới nhằm điều khiển phát công suất phản kháng lên lưới và phát công suất tác dụng cực đại lên lưới, điều phối tải Bộ điều khiển sạc là một thiết bị điện tử có chức năng kiểm soát tự động các quá trình nạp và phóng điện của bộ ác qui Bộ điều khiển sạc theo dõi trạng thái của ac-quy thông qua hiệu điện thế trên các điện cực của nó Các thông số kỹ thuật chính cần phải được quan tâm
Ngưỡng điện thế cắt trên Vmax: Ngưỡng điện thế cắt trên Vmax là giá trị hiệu điện thế
24 trên hai cực của ac-qui đã được nạp điện no, dung lượng đạt 100% Khi đó nếu tiếp tục nạp điện cho ac-quy thì ac-qui sẽ bị quá no, dung dịch ac-qui sẽ bị sôi dẫn đến sự bay hơi nước và làm hư hỏng các bản cực Vì vậy khi có dấu hiệu ac-quy đã được nạp no, hiệu điện thế trên các cực ac-quy đạt đến V = Vmax, thì điều khiển sạc sẽ tự động cắt hoặc hạn chế dòng nạp điện từ dàn pin mặt trời Sau đó khi hiệu điện thế của bộ ac-quy giảm xuống dưới giá trị ngưỡng, điều khiển sạc lại tự động đóng mạch nạp lại
Ngưỡng cắt dưới Vmin: Ngưỡng cắt dưới Vmin là giá trị hiệu điện thế trên hai cực ac- quy Khi ac-quy đã phóng điện đến giá trị cận dưới của dung lượng ac-quy nếu tiếp tục sử dụng ac-quy thì nó sẽ bị phóng điện quá kiệt, dẫn đến hư hỏng ac-quy Vì vậy, khi điều khiển sạc nhận thấy hiệu điện thế ac-quy 𝑉 ≤ 𝑉 𝑚𝑖𝑛 thì nó sẽ tự động cắt mạch tải tiêu thụ Sau đó nếu hiệu điện thế ac-quy tăng lên trên giá trị ngưỡng, điều khiển sạc lại tự động đóng mạch nạp lại
Hiệu suất của bộ điều khiển phải càng cao càng tốt, ít nhất cũng phải đạt giá trị lớn hơn 85%
2.2.2 Bộ biến đổi dòng DC-AC
Khi các tấm pin mặt trời tiếp nhận năng lượng mặt trời rồi chuyển đổi thành đổi thành dòng điện một chiều Dòng điện một chiều này sẽ được chuyển xuống biến tần điện mặt trời Bộ biến đổi dòng sẽ biến đổi điện một chiều thành dòng điện xoay chiều và cung cấp điện cho các tải tiêu thụ (có thể là mạng lưới điện thương mại hoặc mạng lưới điện cục bộ) Ngoài ra, nó còn có chức năng thích nghi đặc biệt với những tấm pin năng lượng mặt trời, theo dõi điểm công suất cực đại của các tấm pin và chống sự xâm nhập của dòng ngược DC Hiện nay trên thị trường có 2 loại biến đổi dòng đó là biến đổi dòng có lưu trữ và biến đổi dòng không có lưu trữ
• Biến đổi dòng có lưu trữ
Bộ biến đổi dòng này có thêm một bình ắc quy đi kèm cùng với hệ thống Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi dòng này là khi chuyển đổi nguồn năng lượng mặt trời thành nguồn điện xoay chiều sẽ được nạp vào bình ắc quy để dự trữ rồi sau đó mới cung cấp cho các tải tiêu thụ
• Biến đổi dòng không có lưu trữ
Inverter không lưu trữ này sẽ không có thêm bình ắc quy đi kèm cùng với hệ thống
Hình 2.9 Sơ đồ mạch bộ nghịch lưu DC/AC
Nguyên lý hoạt động của Inverter này là khi năng lượng mặt trời được các tấm pin hấp thụ và chuyển đổi thành dòng điện DC thì Inverter sẽ chuyển đổi dòng DC này thành dòng AC Sau đó cung cấp cho các tải tiêu thụ và nếu số điện dư ra sẽ được trả ra điện lưới mà không có lưu trữ Do đó, nếu điện lưới bị cắt thì hệ thống cũng ngừng cung cấp điện cho các tải tiêu thụ
Bộ nghịch lưu biến đổi công suất một chiều thành xoay chiều Nhiều bộ biến đổi cho vận hành cả nghịch lưu và chỉnh lưu Do điện áp mặt trời là điện một chiều và có giá trị thay đổi theo điều kiện bức xạ của mặt trời do đó để có thể nạp vào ác-quy biến đổi xoay chiều người ta phải sử dụng bộ tăng áp một chiều Tín hiệu vào của bộ biến đổi này khoảng 12v và có tín hiệu ra vào khoảng 145V Giai đoạn này là giai đoạn chuyển đổi từ một chiều sang một chiều Giai đoạn tiếp theo là chuyển điện áp DC cao sang điện áp xoay chiều AC (110V-225V AC tần số 60Hz hay 50Hz AC)
Bộ nghịch lưu có chức năng biến đổi dòng điện một chiều (DC) từ dàn pin mặt trời hoặc từ bộ Ắc qui thành dòng điện xoay chiều (AC) Các thông số kỹ thuật chính cần quan tâm bao gồm:
- Thế vào Vin một chiều
- Thế ra Vout xoay chiều
- Tần số và dạng dao động điện (hình sin hay vuông góc, )
- Công suất yêu cầu cũng được xác định như đối với Bộ điều khiển, nhưng ở đây chỉ tính các tải của riêng Bộ biến đổi điện
2.2.3 Bộ lưu trữ năng lượng
Ac-quy là thiết bị dùng để lưu trữ năng lượng Nó được sử dụng trong những trường hợp thiếu điện hoặc những nơi không có điện…Đối với pin mặt trời thì do dòng điện và
26 điện áp không ổn định phụ thuộc nhiều vào điều kiện thời tiết như nhiệt độ, cường độ ánh sáng nên việc sử dụng ac-quy là điều cần thiết Ac-quy là thiết bị điện hóa, dự trữ năng lượng dưới dạng hóa năng và khi có phụ tải sử dụng thì năng lượng hóa năng đó được chuyển thành điện năng Quá trình hóa học xảy ra thuận nghịch, sau khi đã phóng điện thì các sản phẩm của phản ứng hóa học có thể dễ dàng tái sinh lại cái chất tham gia ban đầu bằng cách nối ac-quy với nguồn điện một chiều phù hợp, quá trình này gọi là sạc ac-quy Sức điện động của ac-quy phụ thuộc vào vật liệu làm nên bản cực và chất điện phân Muốn tăng khả năng dự trữ năng lượng thì người ta phải tăng số lượng các bản cực trái dấu trong mỗi ac-quy đơn Để tăng sức điện động thì người ta ghép nối nhiều ac-quy đơn với nhau thành một bình ac-quy
2.2.3.2 Cấu tạo bình ac-quy
Bình ac-quy axit gồm vỏ bình có các ngăn riêng gồm có 3 ngăn hoặc 6 ngăn tùy theo loại 6V hoặc 12V Trong mỗi ngăn có đặt khối bản cực gồm bản cực dương và bản cực âm cách nhau bằng các tấm ngăn Mỗi ngăn như vậy là một ắc-quy đơn Các ngăn nối tiếp với nhau bằng các cầu nối và tạo thành bình ac-quy Ngăn đầu và ngăn cuối có đầu tự do và được làm theo dạng côn mặt trên có gắn các đầu (+) hoặc (-) tạo thành các đầu cực ac- quy Dung dịch điện phân (dung dịch axit sunfuric) được đổ vào từng ngăn theo mức quy định Thường người ta đổ ngập cách cạnh trên của bản cực khoảng 10-15mm Để tránh hư hỏng cho các tấm ngăn và bản cực khi kiểm tra mức dung dịch trong mỗi ngăn thì người ta đặt thêm tấm bảo vệ lưới clovinhin hoặc vinhiplat, trên cùng mỗi ngăn có nắp và để đảm bảo độ kín giữa nắp và vỏ thì người ta đổ vào một lớp sáp chịu axit gồm khoảng 75% là nhựa đường và 25% là dầu máy
Vỏ bình hiện nay được chế tạo bởi nhựa ebonit, anphatopec hoặc cao su nhựa cứng So với anphatopec thì nhựa ebonit có độ bền và độ chịu axit tốt hơn nhiều nên gần như vật liệu nhựa ebonit được sử dụng nhiều hơn cả Đặc điểm của vỏ bình là phía trong được chia thành nhiều ngăn kín và chắc Ở dưới đáy mỗi ngăn có bốn sống đỡ khối bản cực tạo thành lỗ trống giữa đáy bình và khối bản cực, do vậy tránh được hiện tượng chập mạch do các chất kết tủa rơi xuống đáy bình
• Bản cực, phân khối bản cực và khối bản cực
Bản cực gồm cột hình mắt cáo, trên đó trát đầy chất tác dụng Cột đúc bằng hợp kim chì và Stibi (Sh) với tỷ lệ 87-95% chì và 5-13% Stibi Stibi trong hợp kim có tác dụng tăng độ cứng và giảm độ han gỉ của các cột Các khối bản cực và tấm ngăn được lắp lại thành khối bản cực sao cho các bản cực âm dương xem kẽ nhau và cách điện với nhạu bằng các tấm ngăn có độ xốp cao Trong mỗi khối bản cực số cực âm bao giờ cũng nhiều hơn số cực dương với mục đích sử dụng triệt để hơn và giảm cong vênh cho các bản cực dương ở hai bên khi phóng và nạp điện
Tấm ngăn có tác dụng chống chập mạch giữa các cực âm và cực dương đồng thời còn để đỡ các chất tác dụng ở các bản cực đỡ bị bong rơi trong quá trình sử dụng acquy Các tấm ngăn phải là chất cách điện, có độ xốp thích hợp để không ngăn cản dung dịch điện phân thấm lên các bản cực Nó phải là chất bền vững có độ dẻo, chịu được axit và không có các tạp chất có hại đặc biệt là sắt Các tấm ngăn hiện nay đa số được chế tạo từ mipo (ebonit xốp mịn) hoặc platchipo (peclovinhin xốp mịn)….Cấu tạo các tấm ngăn có dạng hình chữ nhật, các tấm ngăn mipo thường được lấy độ dày là 1.5 - 2.4 mm có một mặt hướng về phía bản cực âm và một mặt có hình sóng hoặc gồ ghề hướng về phía bản cực dương Qua đó có thể tạo điều kiện cho dung dịch điện phân dễ luân chuyển hơn đến các bản cực dương và lưu thông tốt hơn
• Nắp, nút và cầu nối
Nắp được làm bằng nhựa ebonit Kết cấu của nắp ngăn thông dụng hiện nay là lỗ có hai ổ giữa được gọi là lỗ đổ để đổ dung dịch điện phân, kiểm tra mức dung dịch điện phân và kiểm tra, nhiệt độ và nồng độ dung dịch trong ac-quy Để đảm bảm kín tốt khi chế tạo người ta ép các lỗ bên của nắp những ống chì Lỗ đổ được đậy kín bằng các nút có ren để cho dung dịch điện phân trong bình ac-quy tránh bị bẩn và láng ra ngoài Ở nút có lỗ nhỏ để thông khí ra ngoài khi nạp acquy
Các bước tính toán hệ thống đèn chiếu sáng ứng dụng điện năng lượng Mặt Trời
2.3.1.1 Tính công suất phụ tải Đối với phụ tải ta cần biết các thông số sau:
- Gồm bao nhiêu thiết bị, các đặc trưng của mỗi thiết bị như công suất tiêu thụ, hiệu điện thế và tần số làm việc, hiệu suất của các thiết bị điện…
- Thời gian làm việc của mỗi thiết bị bao gồm thời gian biểu và quãng thời gian trong ngày, trong tuần, trong tháng,… Để tính số Wh sử dụng mỗi ngày của từng thiết bị thì cộng tất cả công suất tiêu thụ điện của thiết bị lại và ta được số Wh toàn tải sử dụng mỗi ngày Được tính theo công thức:
Trong đó: 𝑃 𝑖 : tổng lượng tiêu thụ điện
P1,2,…,n: công suất của phụ tải
2.3.1.2 Vị trí và hướng lắp đặt dàn pin năng lượng Mặt Trời
Bức xạ Mặt Trời phụ thuộc vào từng địa điểm trên mặt đất và các điều kiện tự nhiên tại địa điểm đó Để hệ thống pin NLMT nhận được cường độ bức xạ lớn kể cả những ngày không có nắng thì ta cần đặt hệ thống dàn pin lên trên đỉnh của trụ đèn Ngoài ra, còn phụ thuộc vào góc nghiêng của dàn pin Nếu ta gọi 𝛽 là góc nghiêng của dàn pin mặt trời so với mặt phẳng nằm ngang thì thông thường ta chọn: β = φ ± 10 0 (2.12)
Việc đặt dàn pin nằm ngang còn giúp nó tự làm sạch bề mặt, khi có mưa do mặt dàn pin nằm ngang nên có thể tẩy sạch bụi bẩn bám trên bề mặt dàn pin làm tăng khả năng hấp
Hình 2.11 Góc nghiêng 𝛽 so với mặt phẳng nằm ngang
30 thụ bức xạ hơn Về hướng lắp đặt thì còn phụ thuộc vào vị trí nơi ta sống, nếu ở bán cầu Nam thì quay về hướng Bắc còn ở bán cầu Bắc thì quay về hướng Nam
2.3.2 Các bước thiết kế hệ thống điện năng điện năng lượng mặt trời a Lựa chọn sơ đồ khối
Sơ đồ khối hệ thống điện năng lượng Mặt Trời gồm có các khối:
Nguồn điện pin Mặt Trời gồm một hay nhiều tấm pin năng lượng ghép lại với nhau Pin Mặt Trời được ghép nối từ các tế bào quang điện, tế bào quang điện được cấu tạo từ các chất bán dẫn N-P, dưới ánh nắng mặt trời nó có khả năng chuyển đổi quang năng thành điện năng Dòng điện mà dàn pin năng lượng tạo ra là dòng điện một chiều Điện từ hệ thống pin năng lượng được lưu trữ bởi acquy thông qua điều khiển sạc Điều khiển sạc là thiết bị tự động điều hòa quá trình của dàn pin năng lượng nạp cho ac-quy cấp điện cho tải Khi dung lượng ac-quy đầy 100% thì lúc này điều khiển sạc sẽ cắt hoặc giảm dòng điện nạp từ dàn pin năng lượng Mặt Trời Ngược lại, khi dung lượng ac-quy giảm còn khoảng 30% đến 40% thì lúc này điều khiển sạc cho dòng điện qua ac-quy Đồng thời bộ điều khiển còn điều khiển dòng điện đi qua tải Khi thời tiết xấu hay những ngày không có nắng, dung lượng của ac-quy giảm xuống mức nguy hiểm thì bộ điều khiển sẽ không cho dòng điện đi qua tải Như vậy bộ điều khiển có chức năng bảo vệ acquy khỏi trạng thái “quá no” hoặc “quá đói” Để dòng điện từ dàn pin năng lượng có thể sử dụng được
Hình 2.12 Hướng lắp đặt dàn pin NLMT
Hình 2.13 Sơ đồ khối hệ thống pin năng lượng mặt trời cho tất cả các phụ tải thì ta đặt vào hệ thống bộ biến đổi một chiều thành xoay chiều Bộ biến đổi điện một chiều từ dàn pin Mặt trời hay bộ acquy thành điện xoay chiều để cấp điện cho các tải xoay chiều b Các bước thiết kế hệ thống điện năng lượng Mặt Trời
❖ Tính năng lượng điện Mặt Trời cần cung cấp
Năng lượng điện hằng ngày của dàn pin năng lượng Mặt Trời cần phải cung cấp cho hệ
Ecấp được xác định theo công thức:
Với 𝜂 1 = hiệu suất của thành phần thứ nhất, ví dụ bộ biến đổi điện
𝜂 2 = hiệu suất của thành phần thứ hai, ví dụ điều khiển sạc
𝜂 3 = hiệu suất của thành phần thứ ba, ví dụ hiệu suất nạp/ xả của acquy.v…v… Qua quá trình thực nghiệm, do tổn hao trong hệ thống nên số Watt-hour của tấm pin mặt trời cung cấp phải cao hơn tổng số Watt-hour của toàn tải là 1,3 lần
𝐸 𝑐ấ𝑝 = 1,3 Tống số Watt–hour toàn tải sử dụng (2.15)
❖ Tính công suất dàn pin năng lượng Mặt Trời Để tính toán kích cỡ của các tấm pin mặt trời cần sử dụng, ta tính công suất (Wp) cần có của tấm pin mặt trời Lượng Wp mà pin mặt trời tạo ra lại tùy thuộc vào khí hậu của từng vùng trên thế giới Cùng 1 tấm pin mặt trời nhưng đặt ở nơi này thì mức độ hấp thu năng lượng sẽ khác với khi đặt nó nơi khác Để thiết kế chính xác, ta phải đo đạc khảo sát độ hấp thụ bức xạ mặt trời ở từng vùng các tháng trong năm và đưa ra một hệ số trung bình gọi là hệ số hấp thu bức xạ của pin mặt trời Hệ số là tích số của hiệu suất hấp thu và độ bức xạ năng lượng mặt trời đơn vị tính của nó là (kWh/m2/ngày) Nếu ta đặt hệ thống pin tại một địa điểm có mức hấp thụ là K kWh/m 2 /ngày thì công suất của các tấm pin được tính như sau:
Hình 2.14 Bảng số liệu cường độ bức xạ mặt trời qua các tháng trong năm của Quảng
Tùy thuộc vào mỗi tấm PV mà ta sử dụng đều có thông số Wp của nó, lấy tổng số Wp cần có của tấm pin mặt trời chia cho thông số công suất của nó ta sẽ có được số lượng tấm pin mặt trời cần dùng Kết quả trên chỉ cho ta biết số lượng tối thiểu số lượng tấm pin năng lượng mặt trời cần sử dụng Càng có nhiều mảng pin mặt trời, hệ thống sẽ làm việc tốt hơn, tuổi thọ của ac-quy sẽ cao hơn Nếu có ít pin mặt trời, hệ thống sẽ thiếu điện trong những ngày râm mát, rút cạn kiệt dung lượng ac-quy và như vậy sẽ làm ac-quy giảm tuổi thọ Nếu thiết kế quá nhiều pin mặt trời thì làm giá thành hệ thống cao, vượt quá ngân sách cho phép, đôi khi không cần thiết
❖ Tính dung lượng ac-quy
Bộ lưu trữ dùng cho hệ pin năng lượng Mặt Trời là loại xả sâu Loại này cho phép xả đến mức bình rất thấp và cho phép nạp đầy nhanh Nó có khả năng nạp xả rất nhiều lần nhưng không bị hỏng bên trong do vậy nó khá bền và tuổi thọ rất cao.Dung lượng ac-quy cần dùng cho hệ pin năng lượng Mặt Trời là dung lượng ac-quy đủ cung cấp điện cho những ngày dự phòng khi các tấm pin năng lượng mặt trời không sản sinh ra điện được.Ta tính dung lượng ac-quy như sau:
- Hiệu suất của ac-quy chỉ khoảng 85% cho nên chia công suất của tải tiêu thụ với 0.85 ta có công suất tiêu thụ của ac-quy
- Với mức xả sâu là 0.6, ta chia số công suất tiêu thụ của ac-quy cho 0.6 sẽ có dung lượng ac-quy dung lượng ac − quy = 𝑡ổ𝑛𝑔 𝑠ố 𝑊ℎ 𝑡𝑖ê𝑢 𝑡ℎụ 𝑚ỗ𝑖 𝑛𝑔à𝑦
=tổng số Wh tiêu thụ mỗi ngày 0,85.0,6 điện thế ac − quy (Ah)
Kết quả trên cho ta dung lượng ac-quy tối thiểu cho hệ solar không có dự phòng Khi hệ thống có số ngày dự phòng ta phải nhận dung lượng ac-quy cho số ngày dự phòng để có số lượng ac-quy cần cho hệ thống Khi đã có điện thế V và dung lượng của bình acquy, ta có thể lựa chọn ac-quy và tính toán cách ghép chúng lại với nhau sao cho tối ưu nhất , và phải để ý đến tính dự phòng của toàn hệ thống dung lượng ac − quy = tổng số Wh tiêu thụ mỗi ngày
0,85.0,6 điện thế ac − quy × số ngày dự phòng (2.18)
❖ Tính chọn bộ điều khiển sạc Điều khiển sạc có điện thế vào phù hợp với điện thế của pin mặt trời và điện thế ra tương ứng với điện thế của ac-quy Vì điều khiển sạc có nhiều loại cho nên cần chọn loại điều khiển sạc nào phù hợp với hệ pin năng lượng mặt trời Đối với hệ thống pin năng lượng mặt trời lớn được thiết kế thành nhiều dãy song song và mỗi dãy sẽ do một điều khiển sạc phụ trách Công suất của điều khiển sạc phải đủ lớn để nhận điện năng từ PV và đủ công suất để nạp cho hệ thống pin Ac-quy Để chọn điều khiển sạc, ta cần phải tính ra các thông số WP, Vpm, Voc, IPm, Isc của hệ thống pin Mặt Trời kết nối với nó Các trị số dòng và điện áp của bộ điều khiển sạc phải chấp nhận được các trị số dòng áp trên hệ thống pin Mặt Trời Thông thường người ta chọn điều khiển sạc có dòng = 1,3 x dòng ngắn của mạch Isc của hệ thống pin
❖ Tính chọn bộ biến đổi dòng DC/AC Đối với hệ thống điện năng lượng Mặt Trời độc lập, bộ biến đổi dòng phải đủ lớn để có thể đáp ứng được khi tất cả tải đều bật lên, như vậy nó phải có công suất bằng 125% công suất tải Nếu tải là motor thì phải tính toán thêm công suất để đáp ứng thời gian khởi động của motor
Chọn biến đổi dòng có điện áp vào danh định phù hợp với điện áp danh định của bộ lưu
34 trữ Đối với hệ solar kết nối vào lưới điện, ta không cần ac-quy, điện áp vào danh định của bộ biến đổi dòng phải phù hợp với điện áp danh của hệ pin mặt trời
ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TRONG HỆ THỐNG ĐÈN CHIẾU SÁNG
Khảo sát vị trí và cách bố trí lắp đặt hệ thống đèn chiếu sáng ứng dụng điện năng lượng Mặt Trời
• Khảo sát điểm chiếu sáng Đường Lê Lợi-TP Tam Kỳ, rộng 6 m, hai bên vỉa hè mỗi bên rộng 1 m, chiều dài đường 1,2 km, một đầu thông ra đường Nguyễn Du, đầu còn lại thông qua đường Nguyễn Hoàng (đường tránh đô thị)
• Cách bố trí cột đèn trên trục đường
Chọn cột đèn có độ cao H = 10m, tầm nhô ra một đoạn s = 1,5m, chọn loại đèn led cao áp có công suất 100W, chiều rộng lòng đường L = 6m Bố trí hai bên trái và bên phải, tạo góc bẻ để hướng ánh sáng ra giữa đường Để đèn chiếu sáng đồng đều ta phải phối hợp giữa chiều cao cột đèn (kí hiệu h) và khoảng cách giữa hai đèn (kí hiệu là e) Sự phối hợp thể hiện qua chỉ số e/h sau đây:
Bảng 3.1 Tỉ số chiều cao và khoảng cách giữa hai cột đèn e/h max Đèn chụp sâu Đèn chụp vừa
Với loại đèn led cao áp có công suất 100W thì có có tỉ số:
ℎ 𝑚𝑎𝑥 = 3,2 → 𝑒 = 10 × 3,2 = 32𝑚 Vậy khoảng cách giữa các cột đèn cách nhau 32m, nhưng khi lắp đặp thực tế ta có thể nới ra hoặc thu hẹp khoảng cách tùy thuộc vào mặt bằng của đường có bị cản trở của chướng ngại vật như cột điện, cây cối Với đoạn đường dài 1,2 km thì ta cần bố trí khoảng 38 cột đèn,38 bóng đèn cao áp
Hình 3.2 Đèn led cao áp
Tính toán hệ thống đèn chiếu sáng đường Lê Lợi thành phố Tam Kỳ bằng năng lượng Mặt Trời
a Vị trí và hướng lắp đặp dàn pin năng lượng Mặt Trời Để đảm bảo cho việc chiếu sáng thì ta nên lắp đặt pin năng lượng lên trên trụ đèn Tại thành phố Tam kỳ có vỹ độ là 15,576 0 thì ta đặt dàn pin nghiêng một góc 𝛽 = 15,576 ±
10 độ Nhưng để phù hợp với điều kiện khí hậu, dàn pin năng lượng thu được lượng bức xạ cao thì độ nghiêng của dàn pin bằng với vĩ độ tại thành phố Tam Kỳ Hướng lắp đặt dàn pin năng lượng mặt trời là hướng chính nam b Tính tổng lượng điện tiêu thụ Để đảm bảo cho việc chiếu sáng tốt, thuận lợi cho việc lưu thông thì tôi chọn loại đèn có công suất 100W Tổng lượng tiêu thụ điện (Wh) của thiết bị sử dụng trong 12h
Do tổn hao trong hệ thống nên số Wh của pin năng lượng sẽ lớn hơn 1,3 lần tổng lượng điện tiêu thụ của thiết bị Vậy công suất của tấm pin là
𝑃 𝑃𝑉 = 1,3 × 1200 = 1560 (𝑊ℎ) c Tính toán công suất tấm pin cần sử dụng
Từ bảng số liệu hình 3.4 ta có thể thấy rằng bức xạ mặt trời tại Quảng Nam trung bình vào khoảng 4,57 kwh/m 2 ngày
Tổng số Wh của tấm pin cần sử dụng là
Từ kết quả trên tôi sử dụng 2 tấm pin năng lượng mặt trời MONO 180 W, mắc song song nhau với hệ thống đèn chiếu sáng ứng dụng NLMT tôi cần 76 tấm pin NLMT Vậy sản lượng điện năng sinh ra từ một trụ đèn trong một ngày từ hệ thống pin năng lượng Mặt Trời bằng bức xạ tại khu vực.diện tích bức xạ(m 2 ).Hiệu suất pin.0,9
Hình 3.3 Tấm pin năng lượng mặt trời Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật của pin năng lượng d Tính toán chọn inventer
Tổng công suất của tải sử dụng là 100W
Vậy tôi cần chọn bộ inverter có công suất khoảng 200W e Tính toán chọn loại ac-quy
Với hai ngày dự phòng khi trời không có nắng thì ta cần chon ac-quy có dung lương
Thông số kỹ thuật của pin
Số cell 72 cell (6x12) Điện áp hở mạch Voc 44,71V
Dòng ngắn mạch Isc 5,1A Điện áp danh định Vmp 37,72V
Nhiệt độ hoạt động Tpv 40-80 0 C
Tuổi thọ Từ 30 đến 50 năm
Ngưỡng điện áp cực đại 1000V
Cấu tạo của pin Kính-EVA-cell- tpt&khung nhôm
Hình 3.5 Bộ điều khiển sạc
Hình 3.4 Acquy viễn thông 12V, dòng 100Ah khoảng = 1200
0,85×0,6×24× 2 = 196,1 Ah Vậy ta chọn 4 bình acquy 12V-100Ah mắc hỗn hợp nối tiếp và song song có tổng điện thế 24V và tổng dòng là 200Ah Vậy với 38 trụ đèn thì cần 152 bình ac-quy f Tính toán lựa chọn điều khiển sạc
Dựa vào bảng thông số pin năng lượng mặt trời
Pmax80W, ISC,26A, Imp=9,6A, Vmp9,6V, VocH,3V
Với thiết kế hệ acquy 24 VDC
Thông thường người ta chọn điều khiển sạc có dòng bằng:
2 x1,3 x Isc=2 x 1,3 x 10,26 = 26,67 A vậy ta chọn điều khiển sạc có dòng 30A có điện áp vào 24 VDC Vậy cần 38 điều khiển sạc cho tuyến đường.
Tính toán chi phí lắp đặt và thời gian hoàn vốn
Bảng 3.3 Chi phí đầu tư hệ thống năng lượng Mặt Trời
Tên sản phẩm Đơn giá(VND) Số lượng Thành tiền
Bóng đèn cao áp 1,850,000 38 70,300,000 Điều khiển sạc 120,000 38 4,560,000
40 Đánh giá chỉ tiêu kinh tế sử dụng hệ thống trong 1 năm
- Mức hấp thu năng lượng mặt trời trung bình tại TP Tam Kỳ là 4,57 kWh/m 2 /ngày
- Hệ thống điện mặt trời có công suất 360Wp
- Như đã tính ở trên thì điện năng mà hệ thống điện mặt trời tạo ra trong 1 ngày của 38 trụ là khoảng 38.1,48 KWh/ngày = 56,24 KWh/ngày
- Giá điện chiếu sáng công cộng, đơn vị hành chính sự nghiệp là 1,827 đồng /KWh
- Tổng chi phí tiền điện từ hệ thống năng lượng Mặt Trời trong 1 năm:
56,24 × 30 × 12 × 1,827 = 36,990,173 (𝑉𝑁Đ) Qua phép toán đơn giản như trên, chúng ta có thể thấy được, chỉ sau 25 năm, hệ thống đã thu hồi lại nguồn vốn đầu tư ban đầu Trong khi đó, tuổi thọ trung bình của tấm pin mặt trời là từ 30 – 50 năm và các nhà cung cấp cam kết bảo hành 10 năm cho người sử dụng Sau 25 năm khấu hao, toàn bộ thời gian sử dụng tiếp theo sẽ đem lại lợi nhuận Như vậy, dù ban đầu có thể bỏ ra chi phí đầu tư khá lớn nhưng về lâu dài thì rất hiệu quả về mặt kinh tế Đây chính là giải pháp cho các đơn vị, doanh nghiệp, cơ quan và các nhà đầu tư có tầm nhìn xa trông rộng và đặc biệt có tư duy sống xanh, thân thiện với môi trường
Nếu sử dụng điện năng từ lưới điện với giá là 1,827 VNĐ, công suất của bóng đèn cao áp hiện nay 200W thời gian chiếu sáng 12h thì chi phí hóa đơn tiền điện trong 1 năm là của 38 trụ đèn: (200 × 12 × 30 × 1,827 × 12) × 38 = 59,984,064 𝑉𝑁Đ
Số tiền tiết kiệm khi sử dụng năng lượng Mặt Trời trong 1 năm
3.4 Mô hình thực tế hệ thống đèn chiếu sáng đô thị ứng dụng điện năng lượng mặt trời tuyến đường Lê Lợi – TP Tam Kỳ
Bảng 3 4 Các linh kiện được sử dụng trong mô hình
Tên linh kiện Hình linh kiện Số lượng
Pin năng lượng Mặt Trời
Hình 3.6 Mô hình đèn chiếu sáng ứng dụng điện năng lượng mặt trời Điều khiển sạc 1
Biến đổi dòng DC/AC 1
Bộ lưu trữ ac-quy 1
Vì đây là mô hình mô phỏng ứng dụng điện năng lượng năng lượng Mặt Trời trong hệ thống đèn chiếu sáng tuyến đường Lê Lợi – TP Tam Kỳ Để tiết kiệm chi phí nên mô hình của tôi sử dụng các linh kiện có công suất rất nhỏ Vì vậy tôi đã bỏ qua các bước tính toán thiết kế hệ thống đèn chiếu sáng mà chỉ lắp rắp mô hình thực tế
Qua chương 3 giúp cho tôi biết được cách thiết kế và lợi nhuận kinh tế từ hệ thống đèn chiếu sáng từ nguồn điện năng lượng mặt trời Qua đây, cho tôi thấy được việc sử dụng nguồn năng lượng mặt trời cho hệ thống đèn chiếu sáng đem lại nhiều lợi ích như nguồn năng lượng sạch, chi phí nhiên liệu và bảo dưỡng thấp, an toàn cho người sử dụng Đồng thời, góp phần thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch, giảm phát khí thải nhà kính, bảo vệ môi trường Vì thế, đây được coi là nguồn năng lượng quý giá, có thể thay thế những dạng năng lượng cũ đang ngày càng cạn kiệt
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Sau một thời gian nghiên cứu, làm việc một cách nghiêm túc, tôi đã hoàn thành bài khóa luận này đạt được những mục tiêu đề ra Bài khóa luận trình bày ứng dụng pin năng lượng chi tiết cách thiết kế hệ thống đèn chiếu sáng từ nguồn điện năng lượng mặt trời Qua đây ta thấy được việc sử dụng nguồn năng lượng mặt trời cho hệ thống đèn chiếu sáng đem lại nhiều lợi ích không chỉ trong việc phát triển kinh tế mà còn bảo vệ môi trường, giảm phát khí thải nhà kính
Việc áp dụng và xây dựng các dự án xanh sử dụng năng lượng tái tạo như năng lượng gió, năng lượng Mặt Trời , năng lượng mới thân thiện với môi trường trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng đang diễn ra mạnh mẽ Bên cạnh đó vẫn còn nhiều trở ngại khi áp dụng đại trà như chi phí đầu tư quá lớn, còn nặng về mặt hình thức Để việc ứng dụng điện năng lượng Mặt Trời trong chiếu sáng đường được phổ biến và mang lại hiệu quả cao, tôi xin đưa ra một số kiến nghị sau:
- Cần có chính sách thông thoáng và đầu tư hợp lý cho các đơn vị, tổ chức tiên phong vấn đề sử dụng năng lượng mới tiết kiệm và hiệu quả
- Chuyển đổi điện năng từ nguồn năng lượng Mặt Trời vào nguồn lưới điện quốc gia có lưu trữ thay vì sử dụng nguồn năng lượng Mặt Trời độc lập để làm giảm bớt chỉ số tiêu thụ điện cho mỗi đơn vị quản lý
Kết luận
Sau một thời gian nghiên cứu, làm việc một cách nghiêm túc, tôi đã hoàn thành bài khóa luận này đạt được những mục tiêu đề ra Bài khóa luận trình bày ứng dụng pin năng lượng chi tiết cách thiết kế hệ thống đèn chiếu sáng từ nguồn điện năng lượng mặt trời Qua đây ta thấy được việc sử dụng nguồn năng lượng mặt trời cho hệ thống đèn chiếu sáng đem lại nhiều lợi ích không chỉ trong việc phát triển kinh tế mà còn bảo vệ môi trường, giảm phát khí thải nhà kính.
Kiến nghị
Việc áp dụng và xây dựng các dự án xanh sử dụng năng lượng tái tạo như năng lượng gió, năng lượng Mặt Trời , năng lượng mới thân thiện với môi trường trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng đang diễn ra mạnh mẽ Bên cạnh đó vẫn còn nhiều trở ngại khi áp dụng đại trà như chi phí đầu tư quá lớn, còn nặng về mặt hình thức Để việc ứng dụng điện năng lượng Mặt Trời trong chiếu sáng đường được phổ biến và mang lại hiệu quả cao, tôi xin đưa ra một số kiến nghị sau:
- Cần có chính sách thông thoáng và đầu tư hợp lý cho các đơn vị, tổ chức tiên phong vấn đề sử dụng năng lượng mới tiết kiệm và hiệu quả
- Chuyển đổi điện năng từ nguồn năng lượng Mặt Trời vào nguồn lưới điện quốc gia có lưu trữ thay vì sử dụng nguồn năng lượng Mặt Trời độc lập để làm giảm bớt chỉ số tiêu thụ điện cho mỗi đơn vị quản lý