TÓM TẮT Đề tài tập trung nghiên cứu về hệ thống năng lượng mặt trời, với mục đích chính là thiết kế và thực hiện mô hình sử dụng năng lượng mặt trời phục vụ cho đời sống hằng ngày cũng n
TỔNG QUAN
Lý do chọn đề tài
Nguồn năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng vô cùng lớn và vĩnh cửu Đã từ lâu nó la nguồn nhiệt được sử dụng mà không cần trả phí Nước ta là một trong những nước nằm ở vành đai nội chí tuyến nên độ cao mặt trời và độ dài ban ngày biến đổi không lớn lắm trong năm
Số giờ năng thực tế rất lớn đặc biệt vào các tháng mùa khô có thể lên từ 8 đến 9 giờ đồng hồ Trong bối cảnh các nguồn nhiên liệu dầu mỏ, khí đốt ngày càng cạn kiệt và giá thành cao thì việc tìm ra nguồn thay thế là vô dùng cần thiết
Mặt khác vấn đề ô nhiễm môi trường ở các thành phố lớn ngày càng trở nên nghiêm trọng và khó kiểm soát ,thì việc sử dụng nguồn năng lượng mặt cũng sẽ góp phần vào việc giúp làm giảm tình trạng ô nhiễm như hiện nay tuy không lớn lắm nhưng cũng có thể coi là một giải pháp chữa cháy trong lúc cấp bách như này
Nhận thấy những điều trên nhóm chúng em đã quyết tâm thực hiện mô hình hệ thống năng lượng mặt trời bởi tính quan trọng và ứng dụng thực tế trong đời sống hằng ngày.Vì thế nhóm em đã chọn đề tài: ”Thiết kế chế tạo hệ thống năng lượng mặt trời dạng hybrid di động “ Với mục đích góp phần giảm ô nhiễm môi trường đồng thời có thêm nguồn năng lượng thay thế cho điện lưới sử dụng ban đêm ở nhà hoặc có thể sử dụng khi chúng ta đi chơi ở ngoài như dã ngoại, cắm trại …
Mục tiêu nghiên cứu
-Tìm hiểu khái niệm, lịch sử phát triển, cấu tạo, nguyên lý hoạt động của hệ thống năng lượng mặt trời
-Thiết kế và thi công chế tạo mô hình sử dụng năng lượng mặt trời thực tế
- Nâng cao, bổ sung kiến các nguồn năng lượng có thể sử dụng nói chung cũng như năng lượng mặt trời nói riêng
- Lắp đặt hệ thống sử dụng năng lượng mặt trời
- Chạy thử nghiệm hệ thống, sử dụng thay thế cho điện thông thường cũng như có thể dùng thay thế bình ắc quy trên xe máy.
Phương pháp nghiên cứu
Đề tài được nghiên cứu bởi hai phương pháp chính :
-Nghiên cứu lý thuyết: dựa trên các kiến thức được học trên trường lớp ,tài liệu tham khảo từ thư viện ,thông tin dữ liệu trên các mạng xã hội , internet …cũng như tiếp cận thêm thông tin từ thầy cô và bạn bè xung quanh, doanh nghiệp hướng dẫn
- Nghiên cứu thực tế: thi công chế tạo một mô hình sử dụng năng lượng điện từ năng lượng mặt trời dựa trên cơ sở lý thuyết và nền tảng được tiếp thu.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Lịch sử hình thành và phát triển của hệ thống năng lượng mặt trời
Về lý thuyết, nguồn năng lượng mặt trời bắt đầu có từ đầu thế kỷ thứ 7 TCN vào thời điểm ấy con người đã biết dùng sức nóng từ mặt trời để đốt lửa sử dụng thông qua kính lúp Sau đó người dân từ các nước Hy Lạp và La Mã đã tận dụng ánh nắng mặt trời làm gương để đốt đuốc Sau đó nó đã trờ thành công cụ được chuẩn hóa và được gọi là “Gương đốt cháy”
Những “sunroom” bắt đầu dùng cánh cửa sổ lớn để tích tụ tập trung ánh nắng mặt trời lại thành một chỗ.Vào khoảng những năm của thế kỷ 18 và thế kỷ 19, khoa học tiên tiến đã thành công chế tạo dùng nguồn năng lượng mặt trời làm nguồn năng lượng cho lò nướng cung cấp cho các cuộc dã ngoại cũng như cắm trại Và sau đó họ đã chế tạo tàu hơi nhờ sức mạnh của năng lượng trời Từ đó ta việc tận dụng nguồn năng lượng mặt trời đã có từ rất lâu trước khi con người biết đến khái niệm pin mặt trời như thời đại bây giờ
Năm 1873, Willoughby Smith nhận thấy selen có tiềm năng quang dẫn, là nền tảng cho việc selen sẽ xuất hiện điện khi tiếp xúc với ánh nắng mặt trời Vào năm 1883, Charles Fritts bắt đầu sản xuất được làm từ selenium
Tuy nhiên, ngày nay chúng ta đang sử dụng những tấm pin được làm từ silicon chứ phải làm từ selenium.
Khái quát về hệ thống năng lượng mặt trời
Năng lượng mặt trời là là nguồn nhiên liệu đầu tiên mà con người tận dụng và khai thác trước cả lửa Được hiểu nôm na là bức xạ và nhiệt Ánh nắng mặt trời cùng với nguồn năng lượng khác như gió, nước tạo nên một nhóm năng lượng tái tạo đa dạng và phong phú Mọi sinh vật trên trái đất này sẽ không thể nào tồn tại được nếu không có mặt trời và năng lượng của nó mang lại Điện mặt trời là nguồn điện được tạo ra từ tiên tiến của công nghệ với nguyên liệu chính là ánh nắng mặt trời Để mà nói thì điện mặt trời được xem là nguồn năng lượng sạch nhất và tiết kiệm chi phí nhất ,không chỉ vậy trong bối cảnh hiệu ứng nhà kính ngày càng tăng thì việc sử dụng điện mặt trời cũng góp phần không nhỏ trong công cuộc bảo vệ môi trường
Hệ thống điện mặt trời bao gồm thành phần chính là tấm pin năng lượng mặt trời cùng với một số thiết bị hỗ trợ khác , hệ thống vận hành chủ yếu dựa vào hiện tượng quang điện từ đó biến đổi quang năng thành điện năng Hệ thống cấu tạo gồm các thành phần như sau :
+ Thiết bị dùng để lưu trữ điện như ác quy ,pin …
2.2.2.Công dụng Điện mặt trời được sử dụng rất nhiều trong đời sống hằng ngày: áp dụng cho máy nước nóng lạnh,trạm sạc cho các dòng xe máy ô tô điện , thắp sáng đèn đường ,đèn báo hiệu ,đèn giao thông,đặc biệt la dùng thay thế cho điện lưới trong nhà …
Thực tế cho ta thấy năng lượng mặt trời là nguồn nhiên liệu rất rất là sạch không chỉ vậy còn rất là nhiều nữa có thể nói là vô tận Xét về lâu dài việc sử dụng điện mặt trời rất là có lời thứ nhất lợi về chi phí tốn một khoảng ban đầu nhưng về sau thì tốn rất ít tiền điện ,thứ hai dùng năng lượng mặt trời góp phần bảo vệ môi trường
Chính vì vậy, chúng ta cần cải tiến và sử dụng triệt để chúng Và phổ biến rộng rãi để mọi người có thế biết và tận dụng vào trong đời sống.
Các bộ phận chính của hệ thống năng lượng mặt trời
Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống điện năng lượng mặt trời
2.3.1.Tấm pin năng lượng mặt trời
Tấm pin cầu tạo gồm những phần chính như sau : Jack kết nối , cáp điện ,hộp đấu dây ,tấm nền ,solar cell,kính cường lực , khung nhôm và lớp màng EVA
Hình 2.2: Tấm pin năng lượng mặt trời
Khung nhôm: kết nối solar cell với các bộ phận khác lên trên Yêu cầu cần của mỗi khung nhôm bắt buộc phải đảm bảo rằng chắc chắn cứng cáp tuy nhiên không được quá nặng đồng thời bảo vệ được các bộ phận khác trước các tác động như thời tiết, ngoại lực… Màu bạc coi như màu chủ đạo của khung nhôm và đa số các hãng đều sản xuất khung nhôm theo mẫu màu này
Kính cường lực: bộ phận này được trang bị với mục đích chống bụi bẩn từ môi trường xung quanh , độ dày của kính sẽ tùy thuộc vào từng hãng nhưng đa số sẽ rơi vào khoảng 2-4mm vừa bảo vệ solar cell vừa đảm bảo độ trong suốt của tấm pin
Lớp EVA (ethylene vinyl acetate) hiểu đơn giản đây là chất dùng để kết dính, công dụng chính là kết dính solar cell với mặt kính cường lức phía trên và dưới Đồng thời còn chống rung ,chống bụi Vật liệu EVA đặc thù chịu được nhiệt độ cao
Tế bào quang điện ( solar cell)một tấm pin mặt trời có rất nhiều solar cell nhỏ Mỗi solar cell sử dụng hai lớp silic khác nhau đó là loại P và loại N
Nền pin công dụng chính của nó là chống ẩm cũng như cách điện Nguyên liệu chế tạo chính là polymer hoặc nhựa tùy vào từng hãng Độ dày mỗi tấm nền sẽ tùy vào từng hãng và có màu chính là màu trắng
Junction box được bố trí sau cung của tấm pin, nhiệm vụ chính la tập trung và chuyển đổi năng lượng từ mặt trời xuất ra ngoài.Do đó yêu cầu chế tạo phải đảm bảo chắc chắn
Cáp điện, thiết kế dành riêng cho điện mặt trời với yêu cầu chịu nhiệt , điều kiện khắc nghiệt của môi trường cũng như tác động ngoại cảnh
Jack kết nối, đầu nối điện thông dụng được dùng trong các hệ thống điện mặt trời Từ jack này có thể tạo thành nhiều dãy pin kết nối với nhau dễ dàng
Hình 2.5: Jack kết nối MC4
Nguyên lý hoạt động:Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào tấm pin đồng nghĩa các hạt photon tiếp xúc với tấm silic Thì sẽ có những trường hợp sau :
+Hạt photon truyền xuyên qua mảnh silic(năng lượng photon thấp )
+Năng lượng của các hạt photon được hấp thụ bởi mảnh silic( năng lượng hạt photon đủ lớn )
Khi các electron được kích thích sẽ di chuyển tự do trong chất bán dẫn.Từ đó nguyên tử sẽ thiếu 1 electron gọi là lỗ trống.Lỗ trống này tạo điều kiện thuận lợi cho các electron bên cạnh đến để lắp đầy từ đó các nguyên tử bên cạnh sẽ cũng bị mất đi electrong và tạo thành lỗ trống cứ tiếp tục như vậy tạo ra nhiều lỗ trống khác di chuyển xuyên suốt trong mạch bán dẫn
Trong solar cell chỉ có mỗi electron la di chuyển và quay lại ban đầu Không có gì hao hụt cũng như thay đổi nên tuổi thọ tấm pin rất cao Điện ở tấm pin tạo ra sẽ là điện một chiều DC
Chức năng chính của bộ điều khiển sạc là điều chỉnh điện áp và dòng điện, là bộ phận cần thiết để kết nối giữa pin mặt trời với các thiết bị lưu trữ như ác quy, pin lithium… Đảm bảo rằng sạc đúng quy trình hay nói cách khác tự sạc khi pin yếu hoặc tự động ngắt sạc khi pin đầy
Ngày nay bộ điều khiển sạc ngày càng tiên tiến đảm bảo rằng pin được sạc với hiệu suất tối đa, đồng thời đầu ra là nguồn DC phục vụ việc chiếu sáng
Phân loại bộ điều khiển sạc: a) Bộ sạc PWM
- Bộ điều khiển sạc loại PWM có chức năng chính là điểu chỉnh điện áp
Bộ sạc PWM hoạt động dựa trên việc bật tắt điện áp trên bảng điều khiển một cách nhanh chóng, từ đấy làm xuất hiện các xung điện DC Kích thước của xung chính là năng lượng được tạo ra Để giữ điện áp pin ở mức ổn định nhất thì phải điều chỉnh độ rộng của xung điện thích ứng
Nguyên lý hoạt động : điện áp được truyền từ bảng điều khiển tới chuỗi điện trở chia thông qua dây dẫn gồm âm và dây dương Để đảm bảo đầu vào được ổn định và ở một mức nhất định chúng sẽ thực hiện bảo vệ đầu vào của bộ điều khiển không vượt quá ranh giới an toàn
Nguyên lý hoạt động của hệ thống điện năng lượng mặt trời
Hình 2.15 Nguyên lý hoạt động của hệ thống năng lượng mặt trời
- Bố trí tấm pin mặt trời tại những nơi đáp ứng đủ và nhiều ánh nắng nhất Khi ánh nắng chiều thẳng vào tầm pin sẽ phát sinh ra dòng điện 1 chiều nhờ dựa trên hiệu ứng gọi là quang điện
- Tuy nhiên để sử dụng dòng điện này thay thế điện lưới thì cần nối với một bộ kích điên (inverter) Khi đó dòng điện có dạng sin chuẩn 220v và đồng thời có cùng tần với điện lưới dùng trong nhà
- Nhờ có bộ điều khiển sạc kết nối tấm pin với các thiết bị lưu trữ như pin lithium , ác quy mà các thiết bị này sẽ được sạc đầy
- Vào ban ngày khi chúng ta thực hiện viêc chuyển đổi năng lượng mặt trời thì đồng nghĩa có
2 nguồn điện được sinh ra , một là từ tấm pin mặt trời , hai là từ các thiết bị lưu trữ điện năng tuy nhiên điện mà chúng ta sử dụng tải sẽ được ưu tiên lấy từ tấm pin xuống trước Chỉ khi nào điện từ tấm pin mặt trời không đáp ứng tải nổi thì lúc đó điện mới được lấy từ pin hoặc ắc quy Ưu điểm của điện mặt trời :
- Xét về lâu dài chi phí để tiêu tốn cho tiền đóng tiền điện sẽ là rất ít
- Không như các hệ thống khác phải bảo dưỡng liên tục để đạt hiệu quả cao thì hệ thống điện mặt trời sẽ không mất khoảng bảo dưỡng
- Trước là tiết kinh phí sau là góp phần không nhỏ vào công cuộc bảo vệ môi trường đặc biệt trong bối cảnh hiệu ứng nhà kính ngày càng tăng khí thải môi trường ngày càng nhiều thì việc chúng ta sử dụng một nguồn năng lượng sạch không có khí thải như xăng dầu cũng góp phần không nhỏ trong việc giữ gìn bầu không khí trong lành.
THIẾT KẾ THỰC HIỆN MÔ HÌNH
Tính toán và thiết kế hệ thống điện mặt trời
3.1.1.Tính toán tải sử dụng:
Giả thuyết: một hộ dân vùng sâu có nhu cầu sử dụng: 01 bóng đèn 18 Watt dùng từ 6 đến
9 giờ tối, 01 quạt máy 45 Watt mỗi ngày sử dụng khoảng 3 giờ
- A (Wh): điện năng tiêu thụ
- 2 bóng đèn (mỗi bóng 18 Watt)
𝐴 𝑞 = 45 × 3 = 135 (𝑊ℎ) Tổng lượng điện năng tiêu thụ:
3.1.2.Tính toán pin mặt trời:
Do các tổn hao trong hệ thống tạo nên cộng thêm sự tác động của điều kiện tự nhiên (như những ngày nắng không tốt hay trời mưa)… số Watt-hour của hệ thống pin mặt trời cung cấp phải cao hơn tổng số Watt-hour toàn tải, theo công thức sau:
Số Watt-hour hệ thống pin mặt trời = (1.3-1.5) × Tổng Watt-hour toàn tải sử dụng
Trong đó: 1.3 đến 1.5 là hệ số an toàn
Số Watt-hour hệ thống pin mặt trời = 1.5 × 243 = 364.5 (Wh)
Tính toán Watt-peak (Wp) cần có của tấm pin mặt trời
Tùy vào điều kiện khí hậu mà lượng Watt-peak tạo ra bởi tấm pin mặt trời không phải khi nào cũng giống nhau Chẳng hạn, mức độ hấp thu năng lượng mặt trời sẽ khác nhau nếu đặt cùng một tấm pin mặt trời ở các địa điểm khác Dựa vào các khảo sát từng vùng mà đưa ra một hệ số gọi là Panel Generation Factor (hệ số phát điện của tấm pin mặt trời) để giúp việc thiết kế chính xác Hệ số này tại Việt Nam là 4.58 (𝑘𝑊ℎ/𝑚 2 /𝑛𝑔à𝑦) được tính bằng tích của hiệu suất hấp thu (collection efficiency) với độ bức xạ năng lượng mặt trời (solar radiation) vào các tháng có số giờ nắng thấp của vùng Tuy nhiên, các vùng có mức hấp thu năng lượng mặt trời chênh lệch Trong tính toán, cũng có thể lấy con số trung bình là 4(𝑘𝑊ℎ/𝑚 2 /𝑛𝑔à𝑦) Tổng số Wp của hệ thống pin mặt trời = Số Watt-hour hệ thống pin mặt trời ÷ 4
= 364.5 ÷ 4 = 91.125(Wp) Nên nhóm chọn tấm thu năng lượng mặt trời có thông số 100(Wp)
3.1.3.Tính toán bộ kích điện (inverter) Để đáp ứng được những thời điểm tất cả tải đều bật phải yêu cầu có bộ inverter đủ lớn Do đó, bộ inverter phải có công suất bằng 150-200% công suất tải (tốt nhất là chọn 200% vì có những lúc cần khởi động các thiết bị)
Tổng công suất sử dụng lớn nhất tại một thời điểm = 18 × 2 + 45 = 81(W)
Nên nhóm chọn bộ inverter có công suất nhỏ nhất trên thị trường là 600 Watt
3.1.4.Tính toán pin lithium dựa theo tải sử dụng
Dung lượng pin được tính theo công thức:
Số Watt-hour của pin = Số Watt-hour toàn tải sử dụng ÷ 0.85
= 243 ÷ 0.85 = 285.882 (Wh) Với mức xả sâu (DOD – deep of discharge) của pin lithium là 0.5:
Dung lượng pin = Số Watt-hour của pin ÷ DOD ÷ điện thế pin
Trong đó DOD: (deep of discharge) mức xả sâu của pin lithium bằng 0.5
Dung lượng pin = 285.882 ÷ 0.5 ÷ 12.6 = 45.378 (Ah) Đây là dung lượng pin tính cho hệ thống điện năng lượng mặt trời độc lập không có dự phòng Trong trường hợp hệ solar có số ngày dự phòng (autonomy day) là 2
Dung lượng pin hệ thống = Dung lượng pin x Số ngày dự phòng
= 45.378 × 2 = 90.756 (Ah) Nên nhóm chọn pin có dung lượng 100 (Ah)
3.1.5.Tính toán bộ điều khiển sạc:
Bộ điều khiển sạc phải có điện thế đầu vào phù hợp với điện thế của tấm pin mặt trời và có điện thế đầu ra phù hợp với điện thế của pin lithium Cùng với đó bộ điều khiển sạc phải có công suất đủ lớn để nhận điện năng từ tấm pin mặt trời và đủ công suất để nạp cho pin lithium Thông thường chọn bộ điều khiển sạc có dòng Imax = 1.3 × dòng ngắn mạch của PV
= 1.3 × 6.49 = 8.437(A) Nên nhóm chọn bộ điều khiển sạccó dòng tải 30(A) công suất: 360(W)
3.1.6.Tính toán dây dẫn điện
– J: là tỷ lệ dòng điện cho phép (A/𝑚𝑚 2 )
– S: là tiết diện dây dẫn (mm²)
+ Đối với dây đồng: Mật độ dòng điện cho phép Jđ = 6 A/mm²
+ Đối với dây nhôm: Mật độ dòng điện cho phép Jn = 4,5 A/mm²
Nên nhóm chọn dây dẫn có tiết diện 1(𝑚𝑚 2 )
Lựa chọn vật tư
Hệ thống điện năng lượng mặt trời bao gồm:
Tấm pin năng lượng mặt trời Mono 100W WorldEnergy
Hình 3.1: Tấm pin năng lượng mặt trời Mono 100W WorldEnergy
Bảng 3.1: Thông số tấm pin năng lượng mặt trời Mono 100W WorldEnergy
Công suất tấm pin 100W Điện áp danh định Vmp 18.78V
Dòng danh đinh Imp 5.32A Điện áp hở mạch Voc 22.64V
Chuẩn loại pin (cell) Silic đơn tinh thể
Khối lượng 6.42 Kg Ưu điểm :
-Kích thước nhỏ gọn, được chia thành từng tấm, rất tiện lợi cho việc khuân vác, lắp ghép trên mái nhà
- Bề mặt là kính cường lực bền vững, độ bền cao, đảm bảo chuyển hóa và cung cấp điện năng cho gia đình bạn sử dụng từ nguồn năng lượng mặt trời
- Nhiệt độ vận hàng ở khoảng rộng, cho phép thiết bị có thể hoạt động trong nhiều điều kiện thời tiết
Bộ kích điện:Suoer SFR-600A
Hình 3.2: Bộ kích điện Suoer SFR-600A
Bảng 3.2: Thông số bộ kích điện Suoer SFR-600A Điện áp đầu ra 220VAC
Tần số đầu ra 50Hz+/-2Hz
Dạng sóng đầu ra Hình sin
Dải điện áp đầu ra 10-15VDC
Báo động pin yêu (danh nghĩa) 10.4-11V Điểm tắt pin yếu (danh nghĩa) 14.5-15.5V
Hết pin khi không tải AC
