NGHIÊN CỨU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI - ỨNG DỤNG TRONG HỘ GIA ĐÌNH

Công Nghệ Thông Tin, it, phầm mềm, website, web, mobile app, trí tuệ nhân tạo, blockchain, AI, machine learning - Công Nghệ Thông Tin, it, phầm mềm, website, web, mobile app, trí tuệ nhân tạo, blockchain, AI, machine learning - Công nghệ thông tin TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG NAM KHOA: LÝ-HÓA-SINH ---------- KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Tên đề tài: NGHIÊN CỨU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI - ỨNG DỤNG TRONG HỘ GIA ĐÌNH Sinh viên thực hiện NGUYỄN THỊ LÀI MSSV: 2116020125 CHUYÊN NGÀNH: SƯ PHẠM VẬT LÝ KHÓA 2016 - 2020 Cán bộ hướng dẫn ThS. NGÔ THỊ HỒNG NGA MSCB:…………. Quảng Nam, tháng 6 năm 2020 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến Ban Giám hiệu nhà trường , quý thầy cô khoa Lí-Hóa-Sinh trường Đại học Quảng Nam đã cùng với tri thức và tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho tôi trong suốt thời gian học tập tại trường. Đặc biệt, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến cô giáo ThS. Ngô Thị Hồng Nga người đã trực tiếp hướng dẫn, tận tình dạy dỗ, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và hoàn thành bài khóa luận này. Với vốn kiến thức được tiếp thu trong quá trình học tập không chỉ là nền tảng cho quá trình nghiên cứu khóa luận mà còn là hành trang quý báu để tôi bước vào đời một cách vững chắc và tự tin. Từ đáy lòng mình, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn vô hạn tới gia đình thân yêu của tôi, cản ơn bạn bè và các bạn sinh viên trong lớp sư phạm Vật lí K16 đã động viên, chia sẽ những khó khăn, thông cảm, hỗ trợ về tinh thần cũng như vật chất trong suốt thời gian tôi nghiên cứu và thực hiện khóa luận này. Mặc dù đã rất cố gắng nhưng khóa luận này sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự đóng góp, chỉ bảo từ quý thầy cô để khóa luận được hoàn thiện hơn. Xin kính chúc quý thầy cô giáo trường Đại học Quảng Nam thật dồi dào sức khỏe để tiếp tục thực hiện sứ mệnh cao đẹp của mình Quảng Nam, ngày tháng năm 2020 Tác giả khóa luận Nguyễn Thị Lài LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan khóa luận có tên đề tài “Nghiên cứu năng lượng mặt trời- ứng dụng trong hộ gia đình” là công trình nghiên cứu của riêng tôi và được sự hướng dẫn khoa học của ThS. Ngô Thị Hồng Nga. Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa công bố dưới bất kì hình thức nào trước đây. Nếu phát hiện điều gì không đúng tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về nội dung khóa luận của mình. Quảng Nam, ngày tháng năm 2020 Người nghiên cứu khóa luận Nguyễn Thị Lài MỤC LỤC PHẦN 1: MỞ ĐẦU .........................................................................................................1 1. Lý do chọn đề tài .........................................................................................................1 2. Mục tiêu của đề tài ......................................................................................................2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ..............................................................................2 4. Nhiệm vụ nghiên cứu ..................................................................................................2 5. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................................ 2 6. Cấu trúc tổng quan của đề tài ......................................................................................3 PHẦN 2: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ...........................................................................4 CHƯƠNG 1. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ CẤU TẠO CỦA PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI. ......................................................................................................4 1.1. Cấu trúc của mặt trời ................................................................................................4 1.2. Bức xạ mặt trời .........................................................................................................6 1.3. Cơ sở lý thuyết pin năng lượng mặt trời...................................................................8 1.3.1. Cấu tạo của pin mặt trời ........................................................................................8 1.3.2. Hiệu ứng quang điện ..........................................................................................10 1.3.3. Thông số pin năng lượng mặt trời .......................................................................12 1.3.4. Đặc tính làm việc .................................................................................................13 1.3.5. Tấm năng lượng mặt trời .....................................................................................14 1.3.6. Cách ghép nối các tấm năng lượng mặt trời ........................................................15 1.3.6.1 Phương pháp ghép nối tiếp các tấm pin mođun mặt trời...................................15 1.3.6.2 Phương pháp ghép nối pin mặt trời song song ..................................................16 1.3.7. Công thức tính dàn pin năng lượng mặt trời .......................................................16 Kết luận chương 1 .........................................................................................................19 CHƯƠNG 2: CÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG VÀ ỨNG DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI. .......................................................................................20 2.1. Bộ điều khiển sạc năng lượng ................................................................................20 2.1.1. Giới thiệu .............................................................................................................20 2.1.2. Nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển sạc năng lượng .....................................20 2.1.3. Công thức tính số bộ điều khiển sạc ....................................................................20 2.2. Bộ hòa lưới Inveter .................................................................................................21 2.2.1. Giới thiệu .............................................................................................................21 2.2.2. Nguyên lý hoạt động của bộ hòa lưới điện mặt trời. ...........................................21 2.2.3. Công thức tính số bộ hòa lưới Inverter ................................................................21 2.3. Bộ lưu trữ năng lượng (ac - quy) ............................................................................21 2.3.1. Giới thiệu .............................................................................................................21 2.3.2. Các loại ac - quy ..................................................................................................22 2.3.2.1 Ac-quy chì – axit ...............................................................................................22 2.3.2.2. Ac-quy kiềm .....................................................................................................23 2.3.3. Nguyên lý hoạt động của acquy .........................................................................24 2.3.4. Các đặc tính của ac-quy .......................................................................................25 2.3.4.1. Dung lượng .......................................................................................................25 2.3.4.2. Điện áp ngưỡng thấp nhất ................................................................................26 2.3.4.3. Điện áp hở mạch ...............................................................................................26 2.3.5. Chế độ làm việc của ac-quy (xét acquy chì - axit) ..............................................26 2.3.5.1. Nạp ac-quy ........................................................................................................26 2.3.5.2. Ac-quy phóng ...................................................................................................26 2.3.6. Công thức tính ac-quy .........................................................................................27 2.4. Bộ điều phối năng lượng ........................................................................................27 2.4.1. Bộ điều khiển nạp – phóng điện ..........................................................................27 2.4.2. Bộ biến đổi DC- AC ............................................................................................28 2.4.3. Hộp nối và dây nối điện.......................................................................................29 2.5. Các ứng dụng ..........................................................................................................30 2.5.1. Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời ......................................................................30 2.5.2. Hệ thống cung cấp nước nóng dùng năng lượng mặt trời ...................................32 2.5.3. Hệ thống sấy khô các sản phẩ m nông nghiệp .....................................................33 Kết luận chương 2 .........................................................................................................35 Chương 3: THIẾT KẾ VÀ LẮP RÁP MÔ HÌNH ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CHO HỘ GIA ĐÌNH .....................................................................................................36 3.1. Các thông số cần thiết để thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời ...........................36 3.1.1. Tính toán phụ tải ..................................................................................................36 3.1.2. Tính công suất bức xạ mặt trời tỉnh Quảng Nam - thành phố Đà Nẵng .............39 3.1.2.1. Phương công suất bức xạ mặt trời ....................................................................39 3.1.2.2. Tính công suất bức xạ ngày tỉnh Quảng Nam –thành phố Đà Nẵng ................40 3.1.3. Lựa chọn dây dẫn cho các thiết bị và ví trí lắp đặt tấm pin năng lượng ............44 3.1.3.1. Lựa chọn dây dẫn cho các thiết bị ....................................................................44 3.1.3.2. Vị trí lắp đặt tấm pin năng lượng .....................................................................44 3.2. Các bước thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời ............................................45 3.2.1. Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời .......................................................................45 3.2.2. Tính năng lượng điện mặt trời cần thiết

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

CỦA PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

1.1 Cấu trúc của mặt trời

Mặt trời luôn phát ra một nguồn năng lượng khổng lồ và một phần nguồn năng lượng đó bức xạ đến Trái Đất chúng ta Trái đất và Mặt trời có mối quan hệ chặt chẽ, chính bức xạ mặt trời là yếu tố quyết định cho sự tồn tại của sự sống trên hành tinh của ta

Hình 1.1 Mặt trời Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1,390.10 6 (lớn hơn 110 lần đường kính trái đất), cách xa trái đất 150.10 6 km (bằng một đơn vị thiên văn AU ánh sáng mặt trời cần khoảng 8 phút để vượt qua khoảng này đến trái đất) Khối lượng mặt trời khoảng Mo = 2.10 30 kg Nhiệt độ T ở trung tâm mặt trời thay đổi trong khoảng từ 10.10 6 K đến 20.10 6 K, trung bình khoảng 156.10 5 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 có 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 được của mặt trời, các nhà khoa học đã kết luận rằng có phản ứng nhiệt hạch xảy ra ở trong lòng mặt trời

Về cấu trúc, mặt trời có thể chia làm 4 vùng, tất cả hợp thành một khối cầu khí khổng lồ vùng giữa gọi là nhân hay “lõi” có những chuyển động đối lưu, nơi xảy ra những phản ứng nhiệt hạt nhân tạo nên nguồn năng lượng mặt trời, vùng này có bán kình khoảng 175.000 km, khối lượng riêng 160kg/dm 3 , nhiệt độ ước tính từ 14 đến 20 triệu đô, áp suất vào khoảng hằng trăm tỷ atmotphe Vùng kế tiếp là vùng trung gian

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ CẤU TẠO CỦA PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Cấu trúc của mặt trời

Mặt trời luôn phát ra một nguồn năng lượng khổng lồ và một phần nguồn năng lượng đó bức xạ đến Trái Đất chúng ta Trái đất và Mặt trời có mối quan hệ chặt chẽ, chính bức xạ mặt trời là yếu tố quyết định cho sự tồn tại của sự sống trên hành tinh của ta

Hình 1.1 Mặt trời Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1,390.10 6 (lớn hơn 110 lần đường kính trái đất), cách xa trái đất 150.10 6 km (bằng một đơn vị thiên văn AU ánh sáng mặt trời cần khoảng 8 phút để vượt qua khoảng này đến trái đất) Khối lượng mặt trời khoảng Mo = 2.10 30 kg Nhiệt độ T ở trung tâm mặt trời thay đổi trong khoảng từ 10.10 6 K đến 20.10 6 K, trung bình khoảng 156.10 5 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 có 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 được của mặt trời, các nhà khoa học đã kết luận rằng có phản ứng nhiệt hạch xảy ra ở trong lòng mặt trời

Về cấu trúc, mặt trời có thể chia làm 4 vùng, tất cả hợp thành một khối cầu khí khổng lồ vùng giữa gọi là nhân hay “lõi” có những chuyển động đối lưu, nơi xảy ra những phản ứng nhiệt hạt nhân tạo nên nguồn năng lượng mặt trời, vùng này có bán kình khoảng 175.000 km, khối lượng riêng 160kg/dm 3 , nhiệt độ ước tính từ 14 đến 20 triệu đô, áp suất vào khoảng hằng trăm tỷ atmotphe Vùng kế tiếp là vùng trung gian còn gọi là vùng “đổi ngược” qua đó năng lượng truyền từ trong ra ngoài, vật chất ở vùng này gồm có sắt (Fe), canxi (Ca), natri (Na), stronti (Sr), crôm (Cr), niken (Ni), cacbon (C), silic (Si) và các khi như hiđrô (H2), heli (He), chiều dày vùng này khoảng 400.000km Tiếp theo là vùng “đối lưu” dày 125.000km và vùng “quang cầu” có nhiệt độ khoảng 6000K, dày 1000km Ở vùng này gồm các bọt khí sôi sục, có chỗ tạo ra các vết đen, là các hố xoáy có nhiệt độ thấp khoảng 4500K và các tai lửa có nhiệt độ từ 7000K -1000K Vùng ngoài cùng là vùng bất định và gọi là “khí quyển”.[2]

Nhiệt độ bề mặt của mặt trời khoảng 5762K nghĩa là có giá trị đủ lớn để các nguyên tử tồn tại trong trạng thái kích thích, đồng thời đủ nhỏ để ở đây thỉnh thoảng lại xuất hiện những nguyên tử bình thường và các cấu trúc phân tử Dựa trên cơ sở phân tích các phổ bức xạ và hấp thụ của mặt trời người ta xác định được rằng trên mặt trời có ít nhất 2/3 số nguyên tố tìm thấy trên trái đất Nguyên tố phổ biến nhất trên mặt trời là nguyên tố nhẹ nhất Hiđro Vật chất của mặt trời bao gồm chừng 92,1% là Hiđro và gần 7,8% là Heli, 0,1% là nguyên tố khác Nguồn năng lượng bức xạ chủ yếu của mặt trời là do phản ứng nhiệt hạch tổng hợp hạt nhân Hidro, phản ứng này đưa đến sự tạo thành Heli Hạt nhân của Hidro có một hạt mang điện dương là proton Thông thường những hạt mang điện cùng dấu đẩy nhau, nhưng ở nhiệt độ đủ cao chuyển động của chúng sẽ nhanh tới mức chúng có thể tiến gần tới nhau ở một khoảng cách mà ở đó có thể kết hợp với nhau dưới tác dụng của các lực hút Khi đó cứ 4 hạt nhân Hidro lại tạo ra một hạt nhân Heli, 2 neutrino và một lượng bức xạ 𝛾.[2]

Hình 1.2 Cấu trúc của mặt trời

Neutrino là hạt không mang điện, rất bền và có khả năng đâm xuyên rất lớn Sau phản ứng, các Neutrino lập tức rời khỏi phạm vi mặt trời và không tham gia vào các

Trong quá trình diễn biến của phản ứng có một lượng vật chất của mặt trời bị mất đi Khối lượng của mặt trời do đó mỗi giây giảm chừng 4.10 6 tấn, tuy nhiên theo các nhà nghiên cứu, trạng thái của mặt trời vẫn không thay đổi trong thời gian hàng tỷ năm nữa Mỗi ngày mặt trời sản xuất một nguồn năng lượng qua phản ứng nhiệt hạch lên tới 9.10 24 kWh (tức là chưa đầy một phần triệu 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).[2]

Bức xạ mặt trời

Nhờ nằm ở vị trí trung tâm khu vực Đông Nam Á nên Việt Nam nhận được lượng bức xạ tương đối lớn vào khoảng 5Kw/m 2 /ngày ở các tỉnh miền Trung và miền Nam, vào khoảng 4Kw/m 2 /ngày ở các tỉnh miền Bắc Đây là nguồn tài nguyên quý báu

Quá trình diễn biến phản ứng nhiệt hạch lượng vật chất Mặt trời bị mất đi để sinh ra một nhiệt lượng Khối lượng Mặt trời mỗi giây giảm chừng 4,106 tấn, trạng thái Mặt trời không thay đổi hàng tỷ năm nữa Mỗi ngày Mặt trời sản xuất nguồn năng lượng phản ứng nhiệt hạch đến 9.1024kWh (tức chưa đầy một phần triệu giây, Mặt trời giải phóng một lượng năng lượng tương đương với tổng điện năng sản xuất một năm trên Trái đất)

Hằng mặt trời: cường độ bức xạ chiếu 1m 2 bề mặt ngoài tầng khí quyển

Năng suất bức xạ E (W/m 2 ): năng lượng bức xạ mặt trời đơn vị diện tích bề mặt, trong 1giây Năng suất bức xạ gồm nâng suất bức xạ trực xa Etrx nâng suất bức xạ tán xạ Etx Dưới điều kiện khí quyển mùa hè, trước chính ngọ (khoảng 11-13 giờ), nâng suất bức xạ mặt trời chiếu 1Sun = 1000W/m 2

Năng lượng bức xạ Q (J/m 2 ): năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới một đơn diện tích bề mặt một thời gian, chính là đại lượng tích phân của năng suất bức xạ trong một khoảng thời gian nhất định (thường 1 giờ hay 1 ngày)

Ngoài biên tầng khí quyển cường độ bức xạ mặt trời ổn định cả ngày đêm, trong tầng khí quyển tác dụng hấp thụ bầu khí quyển bức xạ mặt trời yếu (có sự hấp thụ bức xạ khi ba nguyên tử trở lên, hơi nước, hạt bụi… bầu khí quyển) Cường độ suy yếu tia bức xạ phụ thuộc chiều dài quãng đường xuyên khối không khí dài ngắn được đặc trưng bằng trị số m (air mas-hệ số khối không khí) Khi mặt trời chính ngọ quãng đường đó ngắn nhất

Tổng cường độ bức xạ mặt trời trên bề mặt trái đất:

Tổng cường độ bức xạ mặt trời lên bề mặt trái đất (tổng xạ) gồm hai thành phần: bức xạ trực xạ và tán xạ Phần trực xạ đã được khảo sát ở trên, còn thành phần tán xạ thì khá phức tạp Hướng của bức xạ khuyếch tán truyền tới bề mặt là hàm số của độ mây và độ trong suốt của khí quyển, các đại dương này lại thay đổi khá nhiều Có thể xem bức xạ là tổng hợp của 3 thành phần như hình 1.3

Hình 1.3 Thành phần tán xạ vùng khí quyển trái đất

- Thành phần tán xạ đẳng hướng: tán xạ nhận đồng đều toàn bầu trời

- Thành phần tán xạ tia: tán xạ bị phát tán tia mặt trời

- Thành phần tán xạ chân trời: tán xạ phát ra đường chân trời

Ngoài ra còn có thành phần bức xạ các bề mặt cận (mặt đất, cây cối, nhà cửa …) Cường độ tán xạ phụ thuộc độ phản xạ mặt đất Rg nhiều Những bề mặt độ phản cao (như bề tuyết khoảng Rg =0,7) sẽ phản xạ các tia trở lại bầu trời sau đó bị phát tán trở thành tán chân trời Hệ số phản xạ các bề hiệt độ 300°K bảng sau:

Bảng 1.1 Hệ hấp thụ, phản xạ bức xạ mặt trời

Hệ hấp thụ bức xạ mặt trời Hệ phản xạ bức xạ mặt trời

Crom đánh bóng 0,4 0,6 Đồng đánh bóng 0,18 0,82

Cơ sở lý thuyết pin năng lượng mặt trời

1.3.1 Cấu tạo của pin mặt trời

Pin 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 điện 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 hoá trị lên vùng dẫn và để lại một lỗ trống tích điện dương trong vùng hoá trị Lúc này chất bán dẫn mới dẫn điện

Hiện nay, vật liệu chủ yếu để cấu tạo tấm pin năng lượng mặt trời là các silic tinh thể Các silic tinh thể này được chia là 3 loại đó là: đơn tinh thể, đa tinh thể và dạng phim mỏng Cụ thể như sau:

+ Đơn tinh thể: Được sản xuất dựa trên quá trình Czochralski Đây là loại vật liệu đắt tiền nhất do được cắt từ các thỏi hình ống Tuy nhiên, hiệu suất của tấm đơn tinh thể này khá cao lên đến 16%

+ Đa tinh thể: Được sản xuất từ các thỏi đúc silic nóng chảy sau đó được làm rắn Các tấm đa tinh thể có hiệu suất kém hơn so với đơn tinh thể và đương nhiên, giá thành của chúng cũng rẻ hơn

+ Miếng phim mỏng: Loại này tương tự như đa tinh thể nhưng chúng không cần phải cắt từ thỏi silic So với 2 loại trên thì giá thành của loại này rẻ hơn Đồng thời, hiệu suất cũng đạt thấp nhất

Hình 1.4 Pin mặt trời đơn và đa tinh thể

Hình 1.5 Pin mặt trời dạng màng mỏng

Về bản chất pin mặt trời là một điốt bán dẫn bao gồm hai tấm bán dẫn loại p và loại n đặt sát cạnh nhau, khác ở chỗ 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 cặp 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 khỏi liên kết, dưới tác dụng của điện trường, electron sẽ bị kéo về phía bán dẫn loại n, còn lỗ trống bị kéo về phía 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 của hiệu điện thế này phụ thuộc vào bản chất của chất làm bán dẫn và tạp chất được hấp thụ

Hình 1.6 Cấu tạo của pin mặt trời

Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bới nhà vật lý học Pháp Alexandre Edmond Becquerel Tuy nhiên cho đến năm 1883 một pin năng lượng mới được tạo thành bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen 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 năng lượng mặt trời đầu tiên 1946 Sau đó Sven Ason Berglunl đã có các phương pháp liên quan đến việc tăng khả năng cảm nhận ánh sáng của pin

Hình 1.7 Hệ 2 mức năng lượng Xét một hệ hai mức năng lượng điện tử (hình 1.7) E1< E2, bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E1 Khi nhận bức xạ mặt trời, lượng tử ánh sáng photon có năng lượng hѵ (trong đó h là hằng số Planck, ѵ là tần số ánh sáng) bị điện tử hấp thụ và chuyển lên mức năng lượng E2 Ta có phương trình cân bằng năng lượng: hѵ = E 2 − E 1 (1.1)

Trong các vật thể rắn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vòng ngoài, nên các mức năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng sát nhau và tạo thành các mức năng lượng (hình 1.8) Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi ở trang thái cân bằng gọi là vùng hóa trị, mà mặt trên của nó có mức năng lượng Ev Vùng năng lượng phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn, mặt dưới của vùng có năng lượng là Ec Cách ly giữa vùng hóa trị và vùng dẫn là một vùng cấp có độ rộng với năng lượng cho phép nào của điện tử

Hình 1.8 Các vùng năng lượng Khi nhận bức xạ mặt trời, photon có năng lượng hѵ tới hệ thống và bị điện tử ở vùng hóa trị thấp hấp thu và có thể chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự do e - , để lại ở vùng hóa trị một lỗ trống có thể coi như hạt mạng điện dương, ký 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 có thể mô tả bằng phương trình:

E v + hѵ → e − + h + (1.2) Điều kiện điện tử có hấp thu nâng lượng của photon chuyển vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra cập điện tử - lỗ trống là hv = hc/λ ≥ Eg = Ec – Ev Từ có thể tính bước sóng hạn λc ánh sáng có thể ra cặp e – - h + : λ 𝑐 = ℎ𝑐

Trong thực tế điện tử lỗ trống bị kích thích, e - và h + đều tự phát tham gia quá trình phục hồi, chuyển động đến mặt của các vùng năng lượng: điện tử e - giải phóng năng lượng để chuyển đến mặt của vùng dẫn Ec, còn lỗ trống h + chuyển mặt Ev, quá trình phục hồi xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn 10 -12 ÷ 10 -1 giây Năng lượng bị tổn hao do quá trình phục hồi sẽ là: Eph= hѵ – Eg

Tóm lại khi vật rắn nhận tia bức xạ mặt trời, điện tử ở vùng hóa trị hấp thụ năng lượng photon hѵ và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử - lỗ trống e – - h + , tức là đã tạo ra một điện thế Hiệu tượng tự đó gọi là hiệu ứng quang điện bên trong

Hình 1.9 Hiện tượng của hiệu ứng quang điện

1.3.3 Thông số pin năng lượng mặt trời

Khi lựa chọn các tấm pin, các thông số của nó là với hệ thống đang thiết kế Các thông số cơ bản của một tấm pin năng lượng mặt trời bao gồm

- Công suất đỉnh (Pmax hay Wp): Là công suất lớn nhất của tấm pin được nhà sản xuất đo được trong điều kiện chuẩn STC thường với bức xạ và nhiệt độ là 1000 W/m 2 ,

CÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG VÀ ỨNG DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Bộ điều khiển sạc năng lượng

Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời là thiết bị thực hiện chức năng điều tiết sạc cho acquy, bảo vệ cho acquy chống nạp quá tải và xả quá sâu nhằm nâng cao tuổi thọ của bình acquy, và giúp hệ thống pin mặt trời sử dụng hiệu quả và lâu dài Thiết bị giúp tăng tuổi thọ cho hệ thống acquy

Bộ điều khiển còn cho biết tình trạng nạp điện của pin năng lượng mặt trời vào ac-quy giúp cho người sử dụng kiểm soát được các phụ tải Ngoài ra nó còn giúp thực hiện việc bảo vệ nạp quá điện thế (> 13,8𝑉) hoặc điện thế thấp ( 80℃

Dùng năng lượng mặt trời để làm nóng nước là hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời Sản phẩm phổ biến nhất ứng dụng làm nóng nước bằng cách này là máy nước nóng năng lượng mặt trời Máy nước nóng năng lượng mặt trời có 2 bộ phận chính là bình bảo ôn và ống thủy tinh hấp thu nhiệt mặt trời

Hình 2.5 Máy nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời Những ống thủy tinh khi được nắng mặt trời chiếu vào sẽ hấp thụ bức xạ mặt trời Sau đó chuyển hóa thành nhiệt năng làm nóng nước Với nguyên lý tỷ trọng nước nóng nhỏ hơn nước lạnh hình thành nên vòng tuần hoàn Vòng tuần hoàn liên tục chuyển động làm nóng nước, cho đến khi cân bằng được nhiệt độ nước Hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời còn có bình trữ nước nóng Như thế, những lúc không có ánh nắng mặt trời vẫn có sẵn nước nóng để sử dụng

Lắp máy nước nóng năng lượng mặt trời cần đáp ứng được các điều kiện: Máy phải được lắp đúng hướng mặt trời chiếu vào nhiều nhất Và cần có nguồn cấp nước ổn định Đảm bảo lúc nào cũng có nước để hệ thống làm nóng nước Không nên để máy không có nước, vì như thế sẽ nhanh hỏng

2.5.3 Hệ thống sấy khô các sản phẩm nông nghiệp

Việt Nam là nước thuần nông nghiệp, số lượng thu hoạch các sản phẩm nông nghiệp cũng rất lớn Vì thế nhu cầu sấy khô nhanh các sản phẩm từ nông nghiệp rất cấp thiết Nhưng các nguồn năng lượng truyền thống ngày càng khan hiếm Vì vậy nhiều loại thiết bị sấy bằng năng lượng mặt trời đã và đang được nghiên cứu phát triển Tuy nhiên các máy sấy còn hạn chế ở quy mô, thiết bị hiệu suất cao thì chi phí cũng cao Vì thế không có mấy hộ nông dân có thế sở hữu máy sấy năng lượng mặt trời

Hình 2.6 Năng lượng mặt trời trong sấy khô Các thiết bị sấy bằng năng lượng mặt trời có nguyên lý hoạt động giống như hiệu ứng nhà kính Nguồn nhiệt từ mặt trời bên trong hệ thống sấy cao hơn rất nhiều so với nhiệt độ bên ngoài Vì thế, nông sản được đưa vào máy sấy sẽ nhanh khô hơn

Các thiết bị sấy tuy có quy mô khác nhau nhưng vẫn là có 4 bộ phận Gồm buồng sấy, bộ phận thông gió và tải ẩm, bộ phận cấp liệu và lấy sản phẩm, bộ phận cấp nhiệt

Dù là thiết bị sấy năng lượng mặt trời thì cũng cần lắp thêm thiết bị hỗ trợ Thiết bị này sẽ hoạt động khi không có nắng để đảm bảo độ sấy luôn đồng đều

Trong chương 2, đã giới thiệu, trình bày nguyên lý hoạt động của các thành phần trong hệ thống năng lượng mặt trời như: bộ điều khiển sạc, bộ hòa lưới Inverter, bộ lưu trữ năng lượng (ac-quy), bộ điều phối năng lượng

Tìm hiểu về các ứng dụng thực tế của pin năng lượng mặt trời trong thực tế.

THIẾT KẾ VÀ LẮP RÁP MÔ HÌNH ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Các thông số cần thiết để thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời

Khảo sát ngôi nhà gồm có: một phòng khách, hai phòng ngủ, nhà bếp và phòng ăn, một nhà vệ sinh, một phòng tắm

Hầu hết các thiết bị điện gia dụng đều có ghi công suất hoạt động của sản phẩm

Từ các thiết bị trong gia đình mà mình sử dụng, số thiết bị đó tiêu thụ bao nhiêu giờ trong một ngày Thông qua các con số đó, ta có thể tính được lượng điện năng tiêu thụ trong ngày là bao nhiêu, từ đó tính được lượng điện năng tiêu thụ hằng tháng

Công thức tính điện năng tiêu thụ điện: A = P × t

A: Lượng điện tiêu thụ trong khoảng thời gian t

P: Công suất tiêu thụ điện (đơn vị W) t: Thời gian (đơn vị h)

Ví dụ: Thiết bị máy bơm nước, công suất tiêu thụ là 200(W), thời gian sử dụng là 2h một ngày Tính điện năng tiêu thụ trong ngày A(Wh) của thiết bị đó

P = 200W Điện năng tiêu thụ trong ngày của máy bơm:

Tương tự ta tính cho các thiết bị tiếp theo

Bảng 3.1 Thống kê các thiết bị và công suất phòng khách

TT Thiết bị Số lượng

Công suất tiêu thụ điện P(W)

Thời gian sử dụng trong ngày t(h)

Tiêu thụ điện năng trong ngày A(Wh)

Tính toán phụ tải phòng khách:

- Tổng lượng điện năng tiêu thụ của các thiết bị điện dùng mỗi ngày

- Tổng công suất tiêu thụ của các thiết bị điện

P = 72 + 40 + 69 + 60 + 1100 + 160 = 1501(W) Bảng 3.2 Thống kê các thiết bị và công suất của cả hai phòng ngủ

3 Đèn ngủ để bàn TDD-

`10 Đèn bàn làm việc Hapo

Tính toán phụ tải cho cả 2 phòng ngủ:

- Tổng lượng điện năng tiêu thụ của các thiết bị điện trong mỗi ngày

= 14498(Wh) Tổng công suất tiêu thụ của các thiết bị điện

Bảng 3.3 Thống kê các thiết bị và công suất phòng ăn và bếp

Tính toán phụ tải cho phòng ăn và bếp:

Bảng 3.4 Thống kê các thiết bị và công suất WC và nhà tắm

Tính toán phụ tải cho WC và nhà tắm:

P = 36 + 2500 = 2536(W) Vậy tổng lượng điện năng tiêu thụ của các thiết bị điện mỗi ngày trong hộ gia đình là:

∑𝐸 𝑛𝑔𝑎𝑦 = 6175 + 14498 + 4116 + 1322 = 26111(Wh) Tổng công suất tiêu thụ các các thiết bị điện trong hộ gia đình là:

∑P = 1501 + 4890 + 2504 + 2536 = 11431(Wh) Lượng điện tiêu thụ thực tế có thể sẽ ít hơn vì mức công suất ghi trên các thiết bị gia dụng thường là công suất tối đa và không phải lúc nào các thiết bị điện cũng chạy với công suất tối đa của nó

3.1.2 Tính công suất bức xạ mặt trời tỉnh Quảng Nam - thành phố Đà Nẵng

3.1.2.1 Phương công suất bức xạ mặt trời

Bức xạ mặt trời truyền một bề mặt nghiêng trái đất Engh tổng dòng bức xạ trực xạ Eb, ba thành phần bức xạ tán xạ Ed1, Ed2, Ed3 bức xạ phản xạ bề mặt lân cận Er

Engh = Eb + Ed1+ Ed2 + Ed3 + Er

Khi bề mặt nghiêng tạo góc 𝛽 phương ngang sẻ tổng xạ 𝐸 𝛽∑ gồm 3 phần:

(1 + cos 𝛽)/2 hệ số góc nhìn tán xạ mặt trời phía bầu trời

(1 - cos 𝛽)/2 hệ số góc nhìn tán xạ bề mặt trời phía mặt đất

𝐸 ∑ - tổng xạ trung bình đo được trên bề mặt ngang; kWh/m 2 / ngày

Eb- thành phần trực xạ tổng xạ đo được

Ed- thành phần tán xạ tổng xạ đo được ( ví dụ: Nam bộ Ed = 49% tổng xạ)

Rg - hệ số phản xạ tia bức xạ môi trường xung quanh

Rb - hệ số đổi bức xạ mặt ngang sang mặt nghiêng

Công thức hệ số đổi bức xạ mặt ngang sáng mặt nghiêng Rb theo các góc mặt trời

𝐸 𝑛 cos 𝜃 𝑍 = cos 𝜃 cos 𝜃 𝑍 Trong đó:

En - cường độ bức xạ mặt trời phương bất kỳ

Ebng – bức xạ mặt trời phương vuông gó ngang

Ebngh – bức xạ mặt trời phương vuông góc nghiêng cos 𝜃 và cos 𝜃z định phương trình góc biểu diễn hình 3.1 a) b)

Hình 3.1 Bức xạ trực xạ bề mặt ngang (a) nghiêng (b)

3.1.2.2 Tính công suất bức xạ ngày tỉnh Quảng Nam –thành phố Đà Nẵng

Căn cứ số liệu trạm khí tượng nhiều năm theo dõi, người ta lập bảng cường độ năng lượng mặt trời:

Bảng 3.5 Tổng lượng bức xạ trung bình ngày năm

Tổng lượng bức xạ trung bình ngày: kWh/m 2 ngày

Tổng lượng bức xạ trung bình năm: kWh/m 2 năm

Vùng phía Bắc, Đông Bắc, đồng bằng sông Hồng đến

2 Vùng Tây Bắc, Hà tỉnh, Quảng

Thừa Thiên-Huế, từ Đà Nẵng đến Phú yên, các tỉnh Kon

Tum, Gia Lai, các tỉnh Đông

Nam bộ, đồng bằng sông Cửu long

4 Đắc Lắc, Lâm Đồng, Khánh

Hòa, Ninh Thuận, Bình Thuận,

Nằm giữa dải đất miền Trung đầy nắng gió với tổng lượng bức xạ trung bình ngày của tỉnh Quảng Nam – thành phố Đà Nẵng là E= 4,8kWh/m 2 ngày

Bảng 3.6 Tổng giờ nắng trung bình năm

TT Tên địa phương Số giờ nắng trung bình năm

1 Điện Biên, Sơn La, Lai Châu, Mộc Châu 1930

2 Lào Cai, Hà Giang,Vùng Tây Bắc Bắc bộ 1452

3 Vùng núi phía Bắc, Đông Bắc, đồng bằng sông Hồng đến

4 Quảng Bình,Vùng núi QuảngTrị và Thừa Thiên-Huế 1818

5 Vùng ven biển từ Quảng trị, Thừa Thiên-Huế, đến Ninh

Thuận (bao gồm Đà Nẵng)

7 Kon Tum, Gia Lai, Đắc Lắc, Lâm Đồng 2431

8 Đông Nam bộ, TP.Hồ Chí Minh, đồng bằng sông Cửu Long 2411

Từ bảng này ta có thể tính số giờ nắng bình tại tỉnh Quảng Nam – thành phố Đà Nẵng là:

T =Số giờ nắng trung bình năm

Bảng 3.7 Tổng xạ trực xạ trung bình tỉnh Quảng Nam – thành phố Đà Nẵng ; kWh/m 2 ngày

Tháng tỉnh Quảng Nam – Thành phố Đà Nẵng

Tính công suất bức xạ tỉnh Quảng Nam- Thành phố Đà Nẵng:

Góc vĩ độ tỉnh Quảng Nam- Thành phố Đà Nẵng: ϕ = 16,03 0 N; 108,22 0 E

Số nắng trung bình ngày: T = 6,3 giờ

Tổng bức xạ ngang: E = 4,8 kWh/m 2 ngày

Góc nghiêng: Lắp đặt tấm pin mặt trời (mặt thu) nghiêng phía Nam (do Việt Nam nằm vùng chí tuyến Bắc) 1 góc độ định : góc nghiêng 𝛽 = ϕ + 5 = 21 0 Cường độ bức xạ mặt trời giờ mặt nghiêng khảo sát:

Eb: trực xạ tỉnh Quảng Nam - Thành phố Đà Nẵng

Rb: hệ số chuyển đổi trực xạ tấm thu nghiêng hướng chính Nam nên 𝛾 𝑠 = 0

𝑅 𝑏 =cos(𝜙 − 𝛽) × cos 𝛿 × cos 𝜔 + sin(𝛷 − 𝛽) × sin 𝛿 cos 𝜙 × cos 𝛿 × cos 𝜔 + sin 𝜙 × sin 𝛿

R g : suất phản chiếu môi trường xung quanh: bề mặt tuyết: 0,2

E  : Tổng bức xạ trên ngang

 Tính bức xạ ngày vào ngày 1 tháng 6: n2

Góc lệch mặt trời δ: là vị trí của mặt trời so với đường chân trời vào các ngày trong năm

365× (284 + 𝑛)] n-số thứ tự ngày năm tính từ ngày 1 tháng 6;

365× (284 + 152)] = 22,04 0 Tổng bức xạ trên mặt nghiêng thời điểm 12h trưa (ω=0)

𝑅 𝑏 =cos(𝜙 − 𝛽) × cos 𝛿 × cos 𝜔 + sin(𝛷 − 𝛽) × sin 𝛿 cos 𝜙 × cos 𝛿 × cos 𝜔 + sin 𝜙 × sin 𝛿

=cos(16 − 21) × cos(22,04) × cos(0) + sin(16 − 21) × sin(22,04) cos(16) × (22,04) × cos(0) + sin(16) × sin(22,04) = 0,9 Tổng bức xạ trên nghiêng 12h

Khi chọn giờ mặt trời 9h sáng đến 15h chiều

Tính được tổng xạ lên nghiêng tại Quảng Nam- Đà Nẵng:

EβTB= ∑Eβ.(6,3/7) = 4910,17 (Wh/m²/ngày) (6,3/7) = 4419,153 Wh/m 2 /ngày

 Trong trường hợp để tối ưu hóa góc nhận bức xạ mặt trời, khi đó mặt phẳng nghiêng nhận bức xạ tương tự như lúc 12 giờ, có thể tổng xạ mặt phẳng nghiêng như sau:

3.1.3 Lựa chọn dây dẫn cho các thiết bị và ví trí lắp đặt tấm pin năng lượng

3.1.3.1 Lựa chọn dây dẫn cho các thiết bị

Lựa chọn dây dẫn điện cho gia đình là một việc cần thiết để đảm bảo an toàn trong sử dụng điện cho người và tài sản trong gia đình, tiết kiệm được chi phí cho việc sửa chữa, cải tạo thay thế trong quá trình sử dụng

Các thiết bị điện như là máy bơm nước, ti vi, tủ lạnh, đèn LED, đèn trang trí, máy quạt, lò vi sóng, máy tính xách tay, bình thủy hay bình đun nước nóng… Nói chung là các thiết bị có công suất dưới 1kW thì dây từ ổ cắm điện hoặc công tắc điện đến thiết bị điện dùng đồng loạt 1 dây là dây súp mềm, tiết diện 2x1,5mm

Trường hợp dùng cho máy điều hòa, bàn ủi, máy xoáy tóc… hay là các thiết bị có công suất từ 1kW đến 2kW nên dùng loại cáp PVC có 2 lớp cách đỉnh, tiết diện 2x2,5mm 2 để đảm bảo an toàn cả về điện và về cơ

3.1.3.2 Vị trí lắp đặt tấm pin năng lượng Để nhận được lượng năng lượng mặt trời tốt nhất quanh năm, hệ thống pin mặt trời nên hướng về phía chính Nam

Khi chọn vị trí lắp đặt, nên chọn nơi không có vật cản như: cây cối, tòa nhà cao tầng… để tránh bóng râm, nhất là vào mùa đông khi quỹ đạo của mặt trời thấp nhất so với mặt ngang

Góc nghiêng của module là góc giữa mặt module và mặt đất Đối với các module pin mặt trời được lắp cố định, các tấm pin mặt trời nên nghiêng một góc sao cho hoạt động vào mùa đông là tốt nhất, vì nó sẽ thỏa mãn điều kiện trong suốt thời gian còn lại của năm

Lắp đặt tấm pin mặt trời (mặt thu) nghiêng phía Nam (do Việt Nam nằm vùng chí tuyến Bắc) 1 góc bằng vĩ độ 16 0

Các bước thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời

3.2.1 Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời

Hình 3.2 Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời Các tấm pin năng lượng mặt trời được lắp đặt trên mái nhà, các tấm pin này sẽ hấp thụ ánh nắng mặt trời và chuyển thành nguồn điện pin mặt trời là dòng DC Dòng điện này được dẫn tới bộ điều khiển xạc là một thiết bị có chức năng tự động điều hòa dòng điện từ pin mặt trời và dòng điện nạp cho acquy Thông qua bộ đổi điện DC-AC tạo ra dòng điện xoay chiều chuẩn 200V/50Hz để chạy trong các thiết bị phụ tải trong gia đình như đèn chiếu sáng, quạt, máy bơm nước…

3.2.2 Tính năng lượng điện mặt trời cần thiết 𝑬 𝒄ấ𝒑

Tổng lượng điện năng tiêu thụ cung cấp cho hộ gia đình mỗi ngày (được tính ở mục 3.1.1)

𝐸 𝑛𝑔𝑎𝑦 = 26111(Wh) Tổng công suất tiêu thụ các các thiết bị điện trong hộ gia đình là:

• Trường hợp điều kiện bình thường:

Năng lượng điện hằng ngày mà tấm pin mặt trời cần thiết phải cấp cho hệ, 𝐸 𝑐ấ𝑝 được xác định theo công thức (1.5) ta có:

Pin năng lượng mặt trời

Vậy năng lượng điện mặt trời cần thiết phải cấp cho hệ ở điều kiện bình thường là:

• Trường hợp điều kiện nắng tốt: Ở điều kiện trời nắng tốt, tải chỉ sử dụng điện năng qua hai bộ phận đó là bộ điều khiển sạc Inverter mà không phải qua ac-quy Do đó, dung lượng dàn pin cần thiết cần được tính theo công thức (1.6) ta có:

𝜂 1 𝜂 3 Vậy năng lượng điện mặt trời cần thiết phải cấp cho hệ ở điều kiện nắng tốt là :

3.2.3 Tính công suất của tấm pin mặt trời cần sử dụng

Công suất của pin mặt trời thường được tính ra công suất đỉnh hay cực đại (Peak Watt, Wp), là công suất của pin trong điều kiện chuẩn

E 0 = 1000W/m 2 và ở nhiệt độ tiêu chuẩn T 0 = 25℃

• Trường hợp điều kiện bình thường:

Công suất dàn pin mặt trời tính ra Peak Watt (Wp) xác định theo công thức (1.7) ta có

4419,153 = 7388,7(𝑊𝑝) Dung lượng dàn Pin mặt trời Wp chỉ tính tiêu chuẩn T0% 0 C lượng pin lên Hiệu suất biến đổi quang điện của pin và module giảm theo quan hệ sau: ηM(T) = ηM(TC)×{1 - PC× (T – TC)}

Chọn nhiệt độ làm tỉnh Quảng Nam và Thành phố Đà Nẵng là 35 o C, ta có:

Hệ số theo nhiệt độ được tính từ công thức (1.9):

Từ công thức (1.10) ta có dung lượng ứng của nhiệt độ là E(Wp,T):

Từ công thức (1.11) tổng số Wp là:

Vậy công suất tấm pin mặt trời cần sử dụng ở điều kiện bình thường là

• Tương tự ta tính cho trường hợp điều kiện nắng tốt:

4419,153 = 6280,4 (𝑊𝑝) Chọn nhiệt độ ngoài dàn pin tỉnh Quảng Nam - Thành phố Đà Nẵng là 35 o C

Hệ số giảm hiệu suất theo nhiệt độ:

Do công suất module hoạt động điều kiện chuẩn 25 o C kể cả hiệu suất chuyển đổi quang điện ta có:

0.95 = 6610,9 (𝑊𝑝) Xét tổn hao điện trở nối dây, hao phí bụi phủ dàn pin… ta chọn hệ số an toàn hệ là K=1,2 Ta cũng sẽ thiết kế dự trữ 20% công suất tiêu thụ hộ gia đình

Do đó tổng số Wp là:

120%.K 𝐸 (𝑊𝑝,𝑇) 0%.1,2.661.0,919,7 (Wp) Vậy công suất tấm pin mặt trời cần sử dụng ở điều kiện tốt nắng là 9519,7 (Wp)

3.2.4 Tính toán dung lượng của ac-quy

Ac-quy dùng cho hệ hệ mặt trời là loại deep-cycle 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 (rất nhiều cycle) mà không bị hỏng bên trong, do vậy khá bền, tuổi thọ cao

Từ công thức (2.4) ta có dung lượng của ac-quy là

C = Tổng Wh tiêu thụ mỗi ngày 0.85 × 0.6 × điện thế Ac − quy

C = 26111 0.85 × 0.6 × 12= 4266,5(Ah) Vậy dung lượng của Ac-quy là 4266,5(Ah)

3.2.5 Tính toán bộ hòa lưới inverter

Công suất của bộ hòa lưới inverter được tính theo công thức (2.2)

Công suất inverter = 11431 × 125% = 14288,75(W) Vậy công suất bộ hòa lưới inverter là 14288,75(W)

Tính toán thiết bị sử dụng trong hệ thống điện mặt trời

3.3.1 Tính dàn pin năng lượng mặt trời

Ta chọn tấm pin năng lượng 330W Mono (CPP330W Mono) để lắp đặt trong hộ gia đình

Hình 3.3 Tấm pin năng lượng mặt trời 330W Mono Pin mặt trời 330W Mono (CPP330W Mono)

- Công suất pin năng lượng: 330Wp

- Điện áp danh định (Vmp): 37,9 V

- Ðiện áp hở mạch (Voc) : 45.8V

- Điện áp hở mạch (Isc): 9,19 A

Từ công thức (1.12) ta có số module tấm pin mặt trời:

𝑃 𝑑𝑖𝑛ℎ Với E(Wp,T)= 7777,6 (Wp) ta lấy số liệu ở mục 3.2.3

Ta chọn module: 24 tấm pin mặt trời Mono 330W, mắc nối tiếp các tấm pin năng lượng mặt trời lại với nhau

Với dung lượng pin cần có để cung cấp tải thời gian điều kiện nắng là 9519,7 (Wp) điều kiện thường là 11199,7 (Wp) → Dung lượng dư ra là:

11199,7 − 9519,7 = 1680 (Wp) Vậy sau 5 đến 7 ngày nắng tốt acquy nạp đủ cung cấp cho tải 1 ngày không có nắng (vì trong tính toán, dàn pin 11199,7 WP cung cấp tải 1 ngày đêm)

Vậy dung lượng của ac-quy còn được tính theo công thức sau:

Từ công thức (2.5) ta có số lượng bình acquy

Ta chọn ac-quy dung lượng 230Ah mã hiệu LFD230 (12V- 230Ah) của hãng

- Thích hợp dùng cho : khởi động và xả sâu

- Lí tưởng cho việc sử dụng quanh năm

Hình 3.4 Bình Ac-quy mã hiệu LFD230 của hãng Varta

- Nhà sản xuất: VARTA -Đức

- Nhà máy sản xuất tại: Hàn Quốc

Vậy số lượng bình ac-quy cần dùng là 20 bình Với dung lượng ac-quy là 4534,97(Ah) thì ta cần mắc nối tiếp các bình ac-quy lại với nhau

3.3.3 Số lượng bộ hòa lưới Inverter

Hòa lưới có dự trữ nên chọn bộ Inverter có điện áp vào định mức bằng điện áp làm việc của hệ V"0V Công suất bộ hòa lưới inverter là 14288,75(W) ta lấy số liệu ở mục 3.2.5

Hình 3.5 Bộ hòa lưới Đức SMA sunny Tripower 15kw

- Loại sản phẩm: Bộ hòa lưới Đức SMA sunny Tripower 15kw

- Cách lắp đặt: Gắn trên khung cố định

3.3.4 Tính toán chọn lựa bộ điều khiển sạc

Dựa vào thông số pin năng lượng mặt trời ở mục 3.3.1

Pin mặt trời 330W Mono (CPP330W Mono)

- Công suất pin năng lượng: 330Wp

- Điện áp danh định (Vmp): 37,9 V

- Ðiện áp hở mạch (Voc) : 45.8V

Từ công thức (2.1) Với thiết kế hệ ac-quy là 12VDC Bộ điều khiển sạc của hệ thống phải có công suất đủ lớn để nhận điện từ pin và đủ công suất để nạp ac-quy Thì ta chọn bộ điều khiển sạc pin mặt trời có dòng Imax bằng 1,3 nhân với dòng hở mạch của điện mặt trời nhân 24 modun tấm pin mặt trời

Hình 3.6 Bộ điều khiển xạc năng lượng mặt trời

Thông số kỹ thuật cơ bản

- Loại biến tần: sóng hình sin tinh khiến

Vậy ta chọn 2 điều khiển sạc có dòng ngõ vào tối đa là 180A và dòng sạc tối đa là 140A, công suất 6800W.

Nguyên lý hoạt động của toàn hệ thống điện mặt trời

Từ sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời ở mục 3.2.1 ta đi đến nguyên lý hoạt động của toàn hệ thống điện mặt trời

Các tấm pin năng lượng mặt trời được lắp đặt trên mái nhà, ánh nắng mặt trời chiếu vào các tấm pin mặt trời, tấm pin này hấp thụ ánh nắng mặt trời sẽ được biến đổi thành dòng điện DC theo hiệu ứng quang điện Dòng điện DC này được nạp vào hệ thống ac-quy lưu trữ thông qua bộ điều khiển sạc Bộ điều khiển sạc này điều chỉnh dòng điện DC được sinh ra từ tấm pin năng lượng mặt trời tới ac-quy Nó sẽ bảo vệ bình ac-quy khi bình đầy thì lúc này chức năng của bộ điều khiển sạc sẽ ngắt dòng điện nạp từ tấm pin mặt trời xuống ac-quy Giúp bình không bị sôi và tuổi thọ của bình sẽ cao hơn Khi bình cạn đến ngưỡng phải ngắt dòng không cho tải sử dụng, thì bộ điều khiển sạc sẽ ngắt không cho tải sử dụng Bộ điều khiển còn có chức năng bảo vệ tấm pin mặt trời Theo nguyên lý, dòng điện sẽ chảy từ nơi có điện áp cao xuống nơi có điện áp Ban ngày trời nắng, điện áp của tấm pin sẽ cao hơn điện áp của ac-quy nên dòng sẽ đi từ tấm pin xuống bình Nhưng vào ban đêm, khi không có ánh nắng mặt trời, điện áp tấm pin sẽ thấp hơn điện áp bình và dòng điện sẽ chạy ngược lại tấm pin, làm tấm pin nhanh bị hỏng Lúc này, bộ điều khiển sạc có chức năng ngăn chặn một cách triệt để không cho dòng điện đi qua tấm pin Thông qua bộ chuyển đổi điện áp

DC – AC (Inverter) Dòng điện DC được chuyển đồi thành dòng điện AC chuẩn

220V/50Hz Để cung cấp và sử dụng cho các thiết bị phụ tải trong gia đình như đèn chiếu sáng, tủ lạnh, tivi, máy bơm nước, máy quạt

Lắp ráp mô hình điện năng lượng mặt trời cho hộ gia đình

3.5.1 Danh sách các linh kiện trong hệ thống

Bảng 3.8 Danh sách các linh kiện trong hệ thống

Thành phần Số lượng Hình ảnh thực tế

Tấm pin năng lượng mặt trời 1

3.5.2 Lắp ráp mô hình thực tế

Vì đây là mô hình thí nghiệm với kinh phí không có nhiều nên phần mô phỏng tôi chỉ dùng thiết bị là một bóng đèn, một cái quạt, các thiết bị trong hệ thống phải đi kèm theo là các thiết bị có công suất nhỏ nhất để giảm giá thành và đảm bảo đủ độ sáng

Hình 3.7 Hình ảnh mô hình điện năng lượng mặt trời khi chưa hoạt động

Trong chương 3, đã trình bày được các thông số cần thiết để thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời: tính toán phụ tải, tính được công suất bức xạ mặt trời, lựa chọn dây dẫn cho các thiết bị và vị trí lắp đặt tấm pin mặt trời

Tính toán trong một ngôi nhà ta cần sử dụng bao nhiêu tấm pin mặt trời, bao nhiêu bình ac- quy, bao nhiêu bộ điều khiển sạc và bao nhiêu bộ hòa lưới Inverter Hiểu được nguyên lý hoạt động của toàn hệ thống Biết được cách lắp mô hình thực tế cho ngôi nhà.

Định dạng
Số trang	67
Dung lượng	1,66 MB