mô hình điều khiển pin năng lượng mặt trời 2 trục

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN PIN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI HAI TRỤC SINH VIÊN : Trần Hoàng Nguyên hghieh euu eohg tae ke toah bah hahg

Trang 1

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN PIN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI HAI TRỤC

SINH VIÊN : Trần Hoàng Nguyên

hghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty thhh mtv due trihghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty thhh mtv due trihghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty thhh mtv due trihghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty thhh mtv due tri

80Thursday, June 13, 20249:14:04 PM9:14:04 PM80Thursday, June 13, 20249:14:04 PM9:14:04 PM80Thursday, June 13, 20249:14:04 PM9:14:04 PM

hghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty thhh mtv due trihghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty thhh mtv due trihghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty thhh mtv due trihghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty thhh mtv due trihghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty thhh mtv due trihghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty thhh mtv due trihghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty thhh mtv due trihghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty thhh mtv due tri

80hghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty thhh mtv due triThursday, June 13, 2024

Trang 2

PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Trần Hoàng Nguyên, MSSV: 15021841

MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI HAI TRỤC

 Chương 1: Giới thiệu về năng lượng Mặt Trời

 Chương 2: Giới thiệu sơ lược về hệ thống năng lượng Mặt Trời  Chương 3: Mô hình điều khiển pin năng lượng Mặt Trời hai trục  Chương 4: Thiết kế cung cấp và tính toán năng lượng Mặt Trời

 Biết được dăc điểm của từng loại hệ thống điện Mặt Trời  Biết được cách thiết kế cung cấp theo tiều cuẩn IEC

 Biết được cách lập trình vi điều khiển, mạch điện và cơ cấu cơ

Trang 3

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Trang 4

-

MỤC LỤC PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP INHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN IIMỤC LỤC IIIDANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ VIIDANH SÁCH CÁC BẢNG IXCHƯƠNG 1 : NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI – HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1

1.1 Mặt Trời – Nguồn năng lượng vô tận : 1

1.1.1 Cấu tạo Mặt Trời : 1

1.1.2 Năng lượng bức xạ Mặt Trời : 2

1.1.3 Quá trình phát triển và triển khai ứng dụng năng lượng bức xạ Mặt Trời: 2

1.1.4 Tình hình ứng dụng năng lượng Mặt Trời : 4

1.1.4.1 Trên thế giới : 4

1.1.4.2 Tại Việt Nam : 5

1.1.5 Ứng dụng của năng lượng Mặt Trời trong đời sống : 6

1.2 Mặt Trời đang ở đâu ? 8

1.2.1 Góc thiên độ δ – Solar Delination : 8

1.2.2 Cao độ giữa trưa βN – Altitude Angle : 9

1.2.3 Góc giờ H – Hour Angle : 10

1.2.4 Góc cao độ β và góc phương vị ϕs ở bất kì thời điểm nào trong ngày : 11

1.2.5 Quy đổi điểm tham chiếu : 13

1.3 Tìm hiểu các dạng hệ thống điện năng lượng Mặt Trời : 17

1.3.1 Hệ thống điện Mặt Trời độc lập (Off-grid) : 17

1.3.2 Hệ thống điện Mặt Trời hòa lưới (On-grid hoặc Grid-tied) : 18

1.3.3 Hệ thống điện Mặt Trời hòa lưới có dự trữ (Hybrid): 19hghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty thhh mtv due trihghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty thhh mtv due trihghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty thhh mtv due trihghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty thhh mtv due tri802413069:14:04 PM9:14:04 PM802413069:14:04 PM9:14:04 PM802413069:14:04 PM9:14:04 PM

Trang 5

CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC CỦA MỘT HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT

TRỜI NỐI LƯỚI 20

2.1 Pin năng lượng Mặt Trời (solar module): 20

2.2.7.1 Cách đấu nối tiếp: 33

2.2.7.2 Cách đấu song song: 33

123docz.net - File bi loi xin lienhe: lethikim34079@hotmail.com

hghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty thhh mtv due trihghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty thhh mtv due trihghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty thhh mtv due trihghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty thhh mtv due tri802413069:14:04 PM9:14:04 PM802413069:14:04 PM9:14:04 PM802413069:14:04 PM9:14:04 PM

Trang 6

3.1 Giới thiệu linh kiện và phương thức giao tiếp I2C: 38

3.1.1 Giới thiệu về giao tiếp I2C: 38

3.1.1.1 Khái quát về I2C: 38

3.1.3.3 Hoạt động của động cơ Servo: 43

3.1.3.4 Servo và điều biến độ rộng xung: 44

3.1.3.5 Vai trò của vôn kế: 44

3.1.3.6 Thông số động cơ Servo : 45

3.1.3.7 So sánh động cơ Servo và động cơ bước: 45

3.1.4 Module giảm áp LM 2596 (LM 2596 Simple Switcher): 48

3.1.4.1.6 Sơ đồ chân và chức năng: 50

3.1.4.2 Giới thiệu về module LM 2596: 52

3.1.4.2.1 Mô tả: 52

3.1.4.2.2 Thông số kỹ thuật: 52

123docz.net - File bi loi xin lienhe: lethikim34079@hotmail.com

Trang 7

3.1.4.2.3 Sơ đồ nguyên lý module LM2596 53

3.2 Sơ đồ nguyên lý: 54

3.2.1 Sơ dồ nguyên lý mạch nguồn: 54

3.2.2 Sơ đồ PCB vẽ trên proteus: 55

3.7 Hướng phát triển của đề tài: 62

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN PHỤ TẢI 63

4.1 Thiết kế hệ thống điện cho sử dụng năng lượng mặt trời cho văn phòng: 63

4.2 Tính toán điện năng cung cấp cho tải của hệ thống pin mặt trời: 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

Trang 8

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Cấu tạo Mặt Trời 1

Hình 1.2 : Hiệu ứng quang điện (PV) 3

Hình 1.3 : Hệ thống CSP 3

Hình 1.4 : Nhà máy nhiệt điện Mặt Trời lớn nhất thế giới Ivanpah (Mỹ) 4

Hình 1.5 : Dùng NLMT để nấu ăn (trái) và khử trùng nước (phải) 7

Hình 1.6 : Xe điện chạy bằng NLMT (trái) và máy bay chạy bằng NLMT (phải) 7

Hình 1.7 : Đèn giao thông chạy bằng NLMT (trái) và sản suất hydro nhờ NLMT (phải) 7

Hình 1.8 : Sưởi ấm bằng NLMT (trái) và balo NLMT (phải) 8

Hình 1.9 : Góc thiên độ mặt trời 8

Hình 1.10 : Góc cao độ 9

Hình 1.11 : Góc nghiêng thích hợp của pin mặt trời 10

Hình 1.12: Góc giờ H 11

Hình 1.13 : Góc cao độ và góc phương vị trong ngày 11

Hình 1.14 : Sơ đồ nguyên lý hệ thống điện NLMT độc lập (off-grid) 17

Hình 1.15 : Sơ đồ nguyên lý hệ thống điện NLMT hòa lưới (On-grid) 18

Hình 1.16 : Sơ đồ nguyên lý hệ thống điện NLMT hòa lưới có dự trữ (Hybrid) 19

Hình 2.1 : Một cell pin năng lượng Mặt Trời 20

Hình 2.2 : Cấu tạo của pin Mặt Trời 21

Hình 2.3 : Các loại cấu trúc tinh thể của pin Mặt Trời 22

Hình 2.4 : Một số loại panel pin Mặt Trời 23

Hình 2.5 : Quá trình tạo một panel pin Mặt Trời 24

Hình 2.6 : Nguyên lỳ hoạt động của pin Mặt Trời 25

Hình 2.7 : Dòng điện trong pin Mặt Trời 25

Hình 2.8 : Đường đặc tính làm việc I-V của pin Mặt Trời 26

Hình 2.9 : Sự phụ thuộc của đường đặc tính của pin Mặt Trời vào cường độ bức xạ 26

Hình 2.10 : Sự phụ thuộc của đường đặc tính của pin MT vào nhiệt độ của pin 27

Hình 2.11 : Ghép nối tiếp pin Mặt Trời 27hghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty thhh mtv due trihghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty thhh mtv due trihghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty thhh mtv due trihghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty thhh mtv due tri802413069:14:04 PM9:14:04 PM802413069:14:04 PM9:14:04 PM802413069:14:04 PM9:14:04 PM

Trang 9

Hình 2.12 : Ghép song song pin Mặt Trời 28

Hình 2.13 : Ghép hỗn hợp pin Mặt Trời 28

Hình 2.14 : Cấu tạo của ắc-quy 30

Hình 2.15 : Mắc nối tiếp ắc-quy 33

Hình 2.16 : Mắc song song ắc-quy 34

Hình 2.17 : Mắc ắc-quy hỗn hợp 34

Hình 2.18 : Bộ điều khiển sạc PWM (trái) và MPPT (phải) 35

Hình 2.19 : Off-gird inverter (trái) và On-grid inverter (phải) 37

Hình 3.1 : Nguyên lý kết nối của giao tiếp I2C 39

Hình 3.2 : Vi điều khiển ATmega 40

Hình 3.12 : Sơ đồ PCB board chính vẽ trên proteus 55

Hình 3.13 : Sơ đồ PCB mạch cảm biến ánh sáng vẽ trên proteus 55

Hình 3.14 : Bộ phận cảm biến ánh sáng 60

Hình 3.15 : Mạch thực tế 61hghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty thhh mtv due trihghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty thhh mtv due trihghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty thhh mtv due trihghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty thhh mtv due tri802413069:14:04 PM9:14:04 PM802413069:14:04 PM9:14:04 PM802413069:14:04 PM9:14:04 PM

Trang 10

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 1.1 : Các nước có nhà máy điện năng lượng Mặt Trời cỡ lớn (trên 1MWp) 4

Bảng 1.2 : Hệ thống cung cấp nước nóng bằng năng lượng Mặt Trời tại một số nước 5

Bảng 1.3 : Mật độ NLMT trung năm và số giờ nắng theo khu vực 6

Bảng 2.1 : So sánh các loại ắc-quy 32

Bảng 2.2: So sánh bộ điều khiển sạc PWM và MPPT 36

Bảng 3.1 : Số chân và chức năng 51hghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty thhh mtv due trihghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty thhh mtv due trihghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty thhh mtv due trihghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty thhh mtv due tri802413069:14:04 PM9:14:04 PM802413069:14:04 PM9:14:04 PM802413069:14:04 PM9:14:04 PM

Trang 11

CHƯƠNG 1 : NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI – HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

1.1 Mặt Trời – Nguồn năng lượng vô tận : 1.1.1 Cấu tạo Mặt Trời :

Mặt Trời được tạo chủ yếu bởi các nguyên tố hydro và heli, các nguyên tố này chiếm tỷ trọng 74,9% và 23,8% khối lượng của Mặt Trời trong quang quyển Các nguyên tố nặng hơn được gọi là kim loại trong thiên văn học, chiếm ít hơn 2% khối lượng Mặt Trời Trong đó phổ biến nhất là oxy (chiếm gần 1%), cacbon (0,3%), neon (0,2%) và sắt (0,2%)

Đường kính trung bình của Mặt Trời khoảng 1,392x106 km (gấp 109 lần Trái Đất), diện tích bề mặt 6,0877x1012 km2 (gấp 11900 lần Trái Đất), thể tích 1,4122x1018km3 (gấp 1.1300.000 lần Trái Đất), khối lượng 1,9891x1030 kg (gấp 332.946 lần Trái Đất)

Nhiệt độ bề mặt của Mặt Trời khoảng 5780 độ K, nhiệt độ tâm ước tính khoảng 13,6 triệu độ K

Hình 1.1: Cấu tạo Mặt Trời

1 Lõi

2 Vùng bức xạ 3 Vùng đối lưu 4 Quang quyển 5 Sắc quyển 6 Vành nhật hoa 7 Vết đen Mặt Trời 8 Hạt quang

Trang 12

1.1.2 Năng lƣợng bức xạ Mặt Trời :

Bức xạ Mặt Trời là dòng vật chất và năng lượng của Mặt Trời phát ra Đây chính là nguồn năng lượng chính cho các qua trình phong hóa, bóc mòn, vận chuyển, bồi tụ trên Trái Đất, cũng như chiếu sáng và suởi ấm cho các hành tinh trong hệ Mặt Trời

Năng lượng bức xạ Mặt Trời có vai trò quan trọng đối với sự tồn tại và phát triển của các yếu tố sự sống trên Trái Đất

Trước hết, năng lượng bức xạ Mặt Trời là nguồn năng lượng khổng lồ có tính tái sinh Năng lượng bức xạ Mặt Trời được sinh ra do các phản ứng nhiệt hạt nhân tổng hợp các hạt nhân đồng vị Hydro (H) để tạo ra các hạt nhân Heli (He) liên tục xây ra trên Mặt Trời Công suất bức xạ Mặt Trời là 3,865.1026W, tương đương với năng lượng đốt cháy hết 1,32.1016 tấn than đá tiêu chuẩn Nhưng phần năng lượng bức xạ Mặt Trời đến bề mặt Trái Đất chỉ là 1,757.1016J/s hay tương ứng với năng lượng đốt cháy hết 6.106 tấn than đá

1.1.3 Quá trình phát triển và triển khai ứng dụng năng lƣợng bức xạ Mặt Trời:

Năng lượng bức xạ Mặt Trời trung bình trên Trái Đất nằm trong khoảng 150 đến 300W/m2 hay từ 3.5 đến 7,0kWh/m2 trong một ngày

Năng lượng bức xạ Mặt Trời từ lâu đã được con người khai thác sử dụng bằng các phương pháp tự nhiên, trức tiêp và đơn giản như phơi sấy (quần áo, vật dụng; nông, lâm, hải sản; sưởi ấm ,… ) Tuy nhiên cách sử dụng năng lượng bức xạ Mặt Trời theo các phương cách tự nhiên nói trên có hiệu quả thấp và hoàn toàn thụ động

Năng lượng bức xạ Mặt Trời có thể sử dụng dưới dạng nhiệt hay biến đổi thành điện Điện từ Mặt T rời là dạng điện năng được tạo ra khi biến đổi năng lượng bức xạ Mặt Trời thành điện năng nhờ hiêu ứng quang điện (photovoltaic effect, viết tắt là PV) một cách trực tiếp, hoặc nhờ các hệ thống nhiệt điện thông qua hiệu ứng hội tụ tia Mặt Trời (concentrated solar power, CSP) một cách gián tiếp

Trang 13

Hình 1.2 : Hiệu ứng quang điện (PV)

Các hệ thống CSP sử dụng các thấu kính hay các gương hội tụ và hệ thống “dỏi theo Mặt Trời” (solar tracking system) để hội tụ một diện tích các tia Mặt Trời vào một diện tích nhỏ hơn (gọi là điểm hay đường hội tụ) Nguồn nhiệt hội tụ này sau đó được sử dụng để phát điện Các hệ thống này gọi là hệ nhiệt điện mặt trời Còn hệ thống PV biến đổi ánh sáng thành điện năng khi dùng hiệu ứng quang điện được gọi là hệ thống điện PV

Hình 1.3 : Hệ thống CSP

Nhà máy nhiệt điện Mặt Trời thương mại đầu tiên được xây dựng trong những năm 1980 Nhà máy có công suất lớn nhất là 354MW xây dựng tại sa mạc Mojave ở California (Mỹ) Các nhà máy lớn khác như nhà máy Solnova (150MW) và Andalso (100MW), cả hai đều ở Tây Ban Nha

Trang 14

Hình 1.4 : Nhà máy nhiệt điện Mặt Trời lớn nhất thế giới Ivanpah (Mỹ)

1.1.4 Tình hình ứng dụng năng lƣợng Mặt Trời : 1.1.4.1 Trên thế giới :

Bảng 1.1 : Các nước có nhà máy điện năng lượng Mặt Trời cỡ lớn (trên 1MWp)

Trang 15

Cho tới cuối năm 2005, tổng công suất lắp đặt các hệ thống cung cấp nước nóng bằng năng lượng bức xạ Mặt Trời trên toàn thế giới vào khoảng 88GWth, trong đó phần lớn được lắp đặt ở Trung Quốc và các nước thuộc khối EU Đặc biệt trong những năm gần đây, tốc độ lắp đặt các hệ thống nước nóng năng lượng

bức xạ Mặt Trời ở các nước đứng đầu trong bảng dưới đây gia tăng rất đáng kể

(1m2 collector có thể được quy đổi thành 0,7kWth)

Bảng 1.2 : Hệ thống cung cấp nước nóng bằng năng lượng Mặt Trời tại một số nước Nước Diện tích collector (106 m2) Công suất đã lắp đặt(GWth) Trung Quốc

1.1.4.2 Tại Việt Nam :

Việt Nam là một quốc gia nằm trọn trong vùng nhiệt đới Trung bình, tổng bức xạ năng lượng Mặt Trời ở Việt Nam vào khoảng 5kW/h/m2/ngày ở các tỉnh miền

Trung và miền Nam, và vào khoảng 4kW/h/m2/ngày ở các tỉnh miền Bắc Từ dưới vĩ tuyến 17, bức xạ Mặt Trời không chỉ nhiểu mà còn rất ổn định trong suốt thời gian của năm, giảm khoảng 20% từ mùa khô sang mùa mưa

Trang 16

Bảng 1.3 : Mật độ NLMT trung năm và số giờ nắng theo khu vực

bình/năm (kcal/cm2)

Số giờ nắng trung bình/năm (giờ/năm)

1.1.5 Ứng dụng của năng lƣợng Mặt Trời trong đời sống :

Năng lượng Mặt Trời, bức xạ ánh sáng và nhiệt từ Mặt Trời đẵ được con người khai thác từ thời cố đại Bức xạ Mặt Trời , cùng tài nguyên thứ cấp của năng lượng Mặt Trời như sức gió và sức sóng, sức nước và sinh khối làm thành hều hết năng lượng tái tạo có sẵn trên Trái Đất Chỉ một phần rất nhỏ của năng lượng Mặt Trời có sẵn được sử dụng Điện Mặt Trời nghĩa là phát điện dựa trên động cơ nhiệt và pin quang điện Ngày nay, con người đã sử dụng loại điện năng này để ứng dụng trong nhiều kĩnh vực như sưởi ấm, không gian và làm mát thông qua kiến thức năng lượng Mặt Trời, chưng cất nước uống và khử trùng, chiếu sáng bằng ánh sáng ban ngày, bình nước nóng năng lượng Mặt Trời, nấu ăn bằng năng lượng Mặt Trời, … Để thu năng lượng Mặt Trời, cách phổ biến nhất là sử dụng tấm năng lượng Mặt Trời

Dưới đây là một số ứng dụng thực tế từ năng lượng Mặt Trời để phục vụ đời sống hằng ngày của con người :

Trang 17

Hình 1.5 : Dùng NLMT để nấu ăn (trái) và khử trùng nước (phải)

Hình 1.6 : Xe điện chạy bằng NLMT (trái) và máy bay chạy bằng NLMT (phải)

Hình 1.7 : Đèn giao thông chạy bằng NLMT (trái) và sản suất hydro nhờ NLMT (phải)

Trang 18

Hình 1.8 : Sưởi ấm bằng NLMT (trái) và balo NLMT (phải)

1.2 Mặt Trời đang ở đâu ?

1.2.1 Góc thiên độ δ – Solar Delination :

Hình 1.9 : Góc thiên độ mặt trời

- Thiên độ δ – là góc hợp bởi mặt phẳng xích đạo với đường thẳng nối tâm mặt trời và tâm trái đất (δ < 0 khi mặt trời ở bán cầu Nam)

- δ biến thiên trong khoảng +/- 23.45°

- Là một hàm của hình sin tính theo ngày, bắt đầu từ ngày Xuân phân (n=81) tính cho cả năm 365 ngày

Trang 19

Trong đó:

 δ : góc thiên độ (độ)

 n : số thứ tự ngày trong năm

1.2.2 Cao độ giữa trƣa βN – Altitude Angle :

- Góc cao độ giữa trưa là góc giữa tia nắng mặt trời với mặt phẳng trái đất

- Zenith – trục hướng tâm, vuông góc với mặt phẳng trái đất (hay đường chân trời)

Trong đó:

 βN : góc cao độ (độ)  L : vĩ độ (độ)

Trang 20

Góc thiên độ:

Góc cao độ giữa trưa:

Góc nghiêng các tia sáng mặt trời vuông góc với pin mặt trời tại giữa trưa sẽ là:

Hình 1.11 : Góc nghiêng thích hợp của pin mặt trời

1.2.3 Góc giờ H – Hour Angle :

Góc giờ là số độ mà trái đất phải xoay trước khi mặt trời phải nằm trực tiếp trên kinh tuyến địa phương của bạn (kinh độ) Như thể hiện trong hình dưới đây , bất cứ lúc nào, mặt trời cũng nằm ngay trên một đường cụ thể của kinh độ, được gọi là kinh tuyến của mặt trời Sự khác biệt giữa kinh tuyến địa phương và kinh tuyến mặt trời là góc giờ, với các giá trị dương xảy ra trong buổi sáng trước khi mặt trời đi qua kinh tuyến địa phương

Trang 21

Hình 1.12: Góc giờ H

Xem trái đất xoay 360° trong 24 giờ, hoặc 15°/h, góc giờ có thể được mô tả như sau:

Ví dụ: tính góc giờ H lúc 2:00 PM: giờ = 14 vậy góc giờ H = 15°(12 – 14) = -30°

1.2.4 Góc cao độ β và góc phương vị ϕs ở bất kì thời điểm nào trong ngày :

Hình 1.13 : Góc cao độ và góc phương vị trong ngày

Góc phương vị và góc cao độ của mặt trời phụ thuộc vào vĩ độ, số ngày, và quan trọng nhất là thời gian trong ngày Hai phương trình sau cho phép chúng ta tính toán góc cao độ và góc phương vị của mặt trời:

Trang 22

Trong đó:

β : góc cao độ (độ) ϕs : góc phương vị (dộ) L : vĩ độ (độ)

δ : góc thiên độ (độ) H : góc giờ H (độ)

Sinβ = cos L cos δ cos H + sin L sin δ

= cos 40° cos23.45° cos(-45°) + sin 40° sin 23.45° = 0.7527

Trang 23

Góc phương vị:

Nhưng góc phương vị tồn tại 2 giá trị là:

Do đó cần kiểm tra lại

Vậy cos H ≥ nên ϕs = -80°

1.2.5 Quy đổi điểm tham chiếu :

Trong nục 1.2.4 Góc cao độ β và góc phương vị ϕs ở bất kì thời điểm nào trong ngày Ta có lưu ý làm các công thức sử dụng tham chiếu hướng nam làm chuẩn Như vậy ở đây hướng nam tương ứng góc 0° làm chuẩn Khi đi theo chiều kim đồng hồ góc phương vị mang giá trị âm, ngược lại mang giá trị dương

Hoặc

Φs = 180 – (–80) = 260

Cos H = cos(–45°) = 0.707

Trang 24

Lấy kết quả ví dụ trong mục 1.2.4 ta có: sin ϕs = -0.9848 như vậy tồn tại 2 góc phương vị là:

Hai góc trên sẽ được biểu diễn trên hình tròn lượng giác như sau: Hoặc

Trang 25

Do bộ phận truyền động ở trong mô hình là dùng motor servo, motor này có giới hạn xoay từ 0-180° nên ta tiến hành quy đổi tham chiếu lại như sau: lấy hướng bắc làm chuẩn, đi theo chiều kim đồng hồ góc phương vị sẽ mang giá trị dương, ngược lại mang giá trị âm Và góc tối đa là ±180°

Trang 26

Để quy đổi được như vậy ta áp dụng công thức sau: - Nếu góc phương vị > 0:

- Nếu góc phương vị < 0:

Áp dụng 2 công thức trên ta sẽ có 2 góc là:

Biểu diễn trên hình tròn lượng giác:

Φs sau quy đổi = (ϕs ‒ 180°)*(‒1)

Φs sau quy đổi = (ϕs + 180°)*(‒1)

Φs1 = –100 Hoặc

Trang 27

1.3 Tìm hiểu các dạng hệ thống điện năng lƣợng Mặt Trời : 1.3.1 Hệ thống điện Mặt Trời độc lập (Off-grid) :

Hình 1.14 : Sơ đồ nguyên lý hệ thống điện NLMT độc lập (off-grid)

- Ưu điểm: phù hợp với những nơi chưa có điện lưới, điện lưới không ổn định hoặc có giá thành cao (như huyện đảo Phú Quốc hơn 9500đ/k.Wh)

Trang 28

1.3.2 Hệ thống điện Mặt Trời hòa lưới (On-grid hoặc Grid-tied) :

Hình 1.15 : Sơ đồ nguyên lý hệ thống điện NLMT hòa lưới (On-grid)

- Ưu điểm: giá thành rẻ, phù hợp với những nơi sử dụng điện kinh doanh (trên 2500đ/kWh), các nhà hàng, khách sạn, văn phòng cho thuê, các nhà máy hoạt động chủ yếu vào ban ngày,…

- Nhược điểm: không hoạt động khi mất điện lưới

Nguyên lý hoạt động: khi có ánh nắng Mặt Trời, các tấm pin Mặt Trời sẽ hấp thụ bức xạ rồi chuyển đổi thành điện năng, thông qua on-grid/grid-tied inverter để chuyển đổi điện áp DC thành AC cung cấp cho các tải tiêu thụ mà không cần dùng điện lưới Nếu công suất điện Mặt Trời dư (Wl>W2) thì lượng công suất dư sẽ phát ngược lên lưới điện Nếu vào những lúc trời râm, công suất điện Mặt Trời bị giảm không cung cấp đủ cho tải (WI <W2) thì hệ thống sẽ tự động lấy điện lưới bù vào Khi không còn nắng, hệ thống sẽ dùng hẳn điện lưới

Trang 29

1.3.3 Hệ thống điện Mặt Trời hòa lưới có dự trữ (Hybrid):

Hình 1.16 : Sơ đồ nguyên lý hệ thống điện NLMT hòa lưới có dự trữ (Hybrid) - Ưu điểm:

+ Phù hợp với những nơi thường xuyên mất điện

+ Phù hợp với những hệ thống chạy 24/24 như trạm viễn thông, bệnh viện, máy chủ dữ liệu,…

+ Khi mất điện lưới hệ thống vẫn hoạt động bình thường - Nhược điểm:

Chi phí lắp đặt ban đầu và chi phí bảo dưỡng cao Tuổi thọ bình ắc-quy thấp

Nguyên lý hoạt động: khi có ánh nắng Mặt Trời, các tấm pin Mặt Trời sẽ hấp thụ bức xạ rồi chuyển thành điện năng, sau đó vừa sạc vào bình ắc-quy thông qua bộ điều khiển sạc, vừa hòa lưới thông qua on-grid/grid-tied inverter theo tỉ lệ cài đặt Nếu công suất điện Mặt Trời dư (W1>W2) thì lượng công suất sẽ phát ngược lên lưới điện Nếu vào những lúc trời râm, công suất điện Mặt Trời bị giảm không cung cấp đủ cho tải (W1<W2) thì hệ thống sẽ lấy điện lưới bù vào Khi không còn nắng, hệ thống sẽ dùng hẳn điện lưới Khi mất điện lưới, grid-tied inverter ngừng hoạt động, hệ thống chuyển qua dùng nguồn từ pin Mặt Trời cung cấp không đủ, hệ thống sẽ lấy thêm điện từ hệ thống ắc-quy thông qua off-grid inverter rồi cung cấp cho tải

Trang 30

CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC CỦA MỘT HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI NỐI LƯỚI

2.1 Pin năng lượng Mặt Trời (solar module): 2.1.1 Khái niệm:

Pin năng lượng Mặt Trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện) là thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các diod p-n, dưới sự hiện diện của ánh sáng Mặt Trời có thể tạo ra dòng điện có thể sử dụng được Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện

Các pin năng lượng Mặt trời có nhiều hiệu dụng Chúng đặc biệt thích hợp với các vùng mà mà mạng lưới điện năng chưa vươn tới, các vệ tinh xoay quanh Trái Đất, máy tính cầm tay, máy bơm nước,… Pin năng lượng Mặt Trời (tạo thành các module hay các tấm năng lượng Mặt Trời) xuất hiện các nóc tòa nhà nơi chúng có thể kết nối với bộ chuyển đổi của mạng lưới điện

Hình 2.1 : Một cell pin năng lượng Mặt Trời

Hiệu ứng quang điện được phát hiện lần đầu năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel Tuy nhiên cho đến năm 1883 một pin năng lượng mới được chế tạo thành công, bởi Charles Pritts, ông phủ lên lớp bán dẫn selen một lớp vàng cực mỏng để tạo nên mạch nối Russell Ohl được xem là người tạo ra pin năng lượng Mặt Trời đầu tiên năm 1946 tuy nhiên hiệu suất chỉ có 1% Pin Mặt Trời đầu tiên được ứng dụng là trên vệ tinh Vangaurd 1 của Mỹ, được phóng năm 1958 Ngày nay, pin Mặt Trời được sản xuất trển toàn thế giới đặc biệt là ở các nước tiên tiến như Mỹ, Đức, Tây Ban Nha,…

Trang 31

2.1.2 Cấu tạo:

Cấu tạo pin Mặt Trời là nột lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng Mặt Trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên trong

Hình 2.2 : Cấu tạo của pin Mặt Trời

Cho tới nay vật liệu chủ yếu để chế tạo pin năng lượng Mặt Trời (và các thiết bị bán dẫn) là các tinh thể Silic Pin Mặt Trời từ các tinh thể Silic chia làm 3 loại:

 Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski Pin Mặt Trời đơn tinh thể có thể đạt hiệu suất từ 11% - 16% Chúng thường rất mắc tiền do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thế này có các mặt trống ở góc nối các module

 Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc làm từ silic nung chảy, rồi cẩn thận được làm nguội và làm rắn Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn, từ 8% - 11% Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể để bù lại hiệu suất thấp của nó

 Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể Loại này có hiệu suất thấp nhất, từ 3% - 6%, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon

Trang 32

Hình 2.3 : Các loại cấu trúc tinh thể của pin Mặt Trời

Silic thuộc nhóm IV, tức là có 4 electron lớp ngoài cùng Silic có thể kết hợp với các silicon khác để tạo nên chất rắn Cơ bản có 2 loại silicon, đa thu hình (không có trật tự sắp xếp) và tinh thể (các nguyên tử sắp xếp theo thứ tự dãy không gian 3 chiều) Pin năng lượng Mặt Trời phổ biến nhất dùng đa tinh thể silicon

Silic là chất bán dẫn Tức là thể rắn của silic, tại một tầng năng lượng nhất định, electron có thể đạt được năng lượng, và tại một số tầng năng lượng khác thì không được Các tầng năng lượng không được phép này xem là tầng trống Lý thuyết này căn cứ theo thuyết cơ học lượng tử

Ở nhiệt độ phòng, Silic nguyên chất có tính dẫn điện kém Trong cơ học lượng tử, giải thích thực tế tại mức năng lượng Fermi này là tấng trống Để tạo ra silic có tính dẫn điện tốt hơn, có thể thêm vào một lượng nhỏ các nguyên tử nhóm III hay V trong bảng tuần hoàn hóa học Các nguyên tử này chiếm vị trí của các nguyên tử silic trong mạng tinh thể, và liên kết với các nguyên tử silic bên cạnh tương tự như là một silic Tuy nhiên các nguyên tử nhóm III có 3 electron ngoài cùng và nguyên tử nhóm V có 5 electron ngoài cùng, vì thế nên có chỗ trong mạng tinh thể có dư electron có chỗ thì thiếu electron Vì thế các chỗ thừa hay thiếu các electron (gọi là lỗ trống) không tham gia vào kết nối mạng tinh thể Chúng có thể tự do di chuyển trong khối tinh thể Silic kết hợp với nguyên tử nhóm III (nhôm hay gali) được gọi là bán dẫn P bởi vì năng lượng chủ yếu mang điện tích dương (positive), trong khi phần kết hợp với các nguyên tử nhóm V (phốt-pho,asen) gọi là bán n vì mang năng lượng âm (negative) Lưu ý rằng cả hai loại n và p có năng hghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty thhh mtv due trihghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty thhh mtv due trihghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty thhh mtv due trihghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty thhh mtv due tri

802413069:14:04 PM9:14:04 PM802413069:14:04 PM9:14:04 PM802413069:14:04 PM9:14:04 PM

Trang 33

lượng trung hòa, tức là chúng có cùng năng lượng dương và âm, loại bán dẫn n, loại âm có thể di chuyển xung quanh, tương tự ngược lại với loại p

Các tinh thể silic (Si) hay gali asenua (GaAs) là các vật liệu được sử dụng làm pin Mặt Trời Gali asenua đặc biệt nên để dùng cho pin Mặt Trời, tuy nhiên thỏi tinh thể siic cũng có thể dùng được với giá thành thấp hơn, sản xuất chủ yếu để tiêu thụ trong công ngiệp vi điện tử Đa tinh thể silic có hiệu quả kém hơn nhưng giá tiền cũng thấp hơn Một pin silic có đường kính 6 cm có thể sản xuất dòng điện khoảng 0,5 ampe ở 0,5 volt

Các tấm tinh thể mỏng hình đĩa, được đánh bóng để loại bỏ các khuyết tật trong quá trình cắt, chất kích thích được dùng cho các pin, và các tấm kim loại dẫn truyền đặt vào một mặt: một lưới mỏng trên bề mặt chiếu sáng Mặt Trời, và mặt phẳng trên mặt còn lại Tấm năng lượng Mặt Trời được tạo thành từ từ các pin như vậy cắt theo hình dạng thích hợp, được bảo vệ khỏi tia bức xạ và hư hại trên mặt trước từ các miếng gương, dán vào chất nền Sự liền mạch tạo một dãy song song để quyết định năng lượng tạo ra Chất kep và chất nền phải có tính dẫn nhiệt, khi hấp thụ năng lượng hồng ngoại các pin được làm nóng, vốn không thể chyển hóa thành năng lượng Một khi các pin được làm nóng thì giảm hiệu suất hoạt động vì thế nên phải làm giảm thiểu nhiệt năng

Hình 2.4 : Một số loại panel pin Mặt Trời

Trang 34

Hình 2.5 : Quá trình tạo một panel pin Mặt Trời

2.1.3 Nguyên lý hoạt động:

Khi 2 lớp bán dẫn p và n tiếp xúc nhau, do sự chênh lệch về mật độ các hạt dẫn nên các điện tử (electron) sẽ khếch tán từ bán dẫn n sang p, lỗ trống khếch tán ngược lại từ p sang n Sự khếch tán này làm cho phần bán dẫn n sát lớp tiếp xúc tích điện dương, còn phần bán dẫn p ngay đối diện tích điện âm Trong miền tiếp xúc lúc này hình thành điện trường Utx hướng từ bán dẫn n sang p (Utx sẽ ngăn cản sự khếch tán tiếp tục của các hạt dẫn qua lơp tiếp xúc) Khi chiếu sáng lớp tiếp xúc p-n, cặp điện tử lỗ trống được tạo thành bị tách ra dưới tác dụng của điện trường tiếp xúc Utx và bị gia tốc về phía đối diện tạo thành một sức điện động quang điện Sức điện động quang điện phụ thuộc vào bản chất chất bán dẫn, nhiệt độ lớp tiếp xúc, bước sóng và cường độ ánh sáng tới

Trang 35

Hình 2.6 : Nguyên lỳ hoạt động của pin Mặt Trời

Lớp bán dẫn p-n có tính chỉnh lưu như một doide, chỉ cho điện tử và lỗ trống dẫn trong vùng tiếp xúc di chuyển về phía bán dẫn n và bán dẫn p tương ứng Nối các đầu bán dẫn bằng một dây dẫn thì trong dây xuất hiện dòng điện I đi theo chiều từ bán dẫn p qua tải về bán dẫn n

Hình 2.7 : Dòng điện trong pin Mặt Trời

2.1.4 Đặc tính làm việc của pin Mặt Trời:

Đặc tính làm việc của pin Mặt Trời thể hiện qua hai thông số là điện áp hở mạch lớn nhất Voc lúc dòng ra bằng 0 và dòng điện ngắn mạch Isc khi điện áp ra bằng 0 Công suất của pin được tính theo công thức:

Trang 36

Hình 2.8 : Đường đặc tính làm việc I-V của pin Mặt Trời

Dòng ngắn mạch Isc tỉ lệ thuận với cường độ chiếu sáng Nên đường đặc tuyến I-V của pin Mặt Trời phụ thuộc vào phụ thuộc vào cường độ chiếu sáng Ở mỗi tầng bức xạ chỉ thu duy nhất một điểm làm việc V= VMPP có công suất lớn nhất thể hiện trên hình vẽ sau Điểm làm việc có công suất lớn nhất được thể hiện là điểm chấm đen to trên hình vẽ (đỉnh của đường cong đặc tính)

Hình 2.9 : Sự phụ thuộc của đường đặc tính của pin Mặt Trời vào cường độ bức xạ

Điện áp ở mạch VOC phụ thuộc trực tiếp vào nhiệt độ nên đường đặc tính I-V của pin Mặt Trời phụ thuộc vào nhiệt độ của pin

Trang 37

Hình 2.10 : Sự phụ thuộc của đường đặc tính của pin MT vào nhiệt độ của pin

2.1.5 Cách ghép nối các tấm pin năng lƣợng Mặt Trời:

Như ta đã biết trước các tấm pin Mặt Trời đều có công suất và hiệu điện thế xác định từ nhà sản xuất Để tạo ra công suất và hiệu điện thế theo yêu cầu thì phải ghép nối nhiều tấm pin lại với nhau Có ba cách ghép cơ bản:

Ghép nối tiếp các tấm pin lại sẽ cho điện áp ra lớn hơn

Hình 2.11 : Ghép nối tiếp pin Mặt Trời

Trang 38

Ghép song song các tấm pin cho dòng điện ra lớn hơn

Hình 2.12 : Ghép song song pin Mặt Trời Ghép hỗn hợp các tấm pin cho ra cả dòng và áp lớn hơn

Trang 39

* Hiện tượng “điểm nóng”:

Xảy ra khi ta ghép nối các môđun không giống nhau, tức là khi các thông số Isc, Voc, Popt của các tấm pin khác nhau Đây là hiện tượng tấm pin yếu hơn (tức là pin kém chất lượng hơn so với các pin khác trong dàn hoặc khi nó bị che nắng trong khi các pin khác trong dàn vẫn được chiếu sáng) sẽ hấp thụ hoàn toàn công suất điện do các tấm pin khỏe hơn phát ra và làm cho công suất điện mạch ngoài bằng 0 Phần năng lượng điện tấm pin yếu nhận được từ các tấm pin khỏe hơn sẽ biến thành nhiệt, làm nóng tấm pin này lên và có thể dẫn tới hư hỏng Hiện tượng này chỉ xảy ra khi các pin khác yếu hơn các pin khác trong hệ, dẫn tới sự hư hỏng trong hệ thống hay làm giảm hiệu suất biến đổi quang điện của hệ thống

Để tránh hiệu ứng điểm nóng này, khi thiết kế phải ghép các tấm pin Mặt Trời cùng loại, có cùng các thống số đặc trưng trong một dàn pin Mặt Trời Vị trí đặt dàn phải tránh các che do cây cối, nhà cửa hay các vật cản khác trong những ngày có nắng cũng như bảo vệ tránh bụi bẩn phủ bám lên một vùng nào của tấm pin và có thể sử dụng các điốt bảo vệ

2.2 Ắc-quy (battery): 2.2.1 Phân loại ắc-quy:

- Ắc-quy chì – axít - Ắc-quy kiềm

2.2.2 Chức năng:

Ắc-quy là bình điện hóa học dùng để lưu trữ năng lượng điện được cung cấp từ hệ thống pin Mặt Trời và làm nguồn điện một chiều (DC) cung cấp cho một số tải DC và thông qua bộ chuyển đổi điện (inverter) để đưa ra nguồn điện một chiều (AC) để cung cấp cho các tải AC trong hệ thống điện năng lượng Mặt Trời

Các đặc điểm cơ bản của ắc-quy:

 Sức điện động lớn, ít thay đổi khi phóng điện nạp  Sự tự phóng điện bé nhất

 Năng lượng nạp vào luôn bé hơn năng lượng mà ắc-quy phóng ra

Trang 40

 Điện trở của ắc-quy nhỏ Nó gồm điện trở của các bản cực, điện trở dung dịch điện phân, có xét đến sự ngăn cách của giữa các tấm ngăn của các bản cực Thường trị số của ắc-quy khi nạp điện đầy là 0,001Ω – 0,0015Ω và ắc-quy khi phóng điện hoàn toàn là 0,02Ω – 0,025Ω

2.2.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:

Hình 2.14 : Cấu tạo của ắc-quy

Bình ắc-quy được chia làm nhiều ngăn, thông thường là 6 ngăn Mỗi ngăn ắc-quy có điện áp đầu ra là 2V Như vậy nếu nối tiếp tất cả 6 ngăn với nhau ta sẽ có bộ ắc-quy là 12V

Vỏ bình ắc-quy được chế tạo bằng vật liệu cứng có tính chịu axit, chịu nhiệt, do đó người ta đúc bằng nhựa cứng hoặc ebonite Phía trong vỏ bình có các vách ngăn riêng biệt, mỗi ngăn riêng biệt là một ắc-quy đơn Dưới đáy bình ta làm 2 yên đỡ gọi là yên đõ bản cực Mục đích để các bản cực tỳ lên đó, tránh bị ngắn mạch khi đáy bình có lắng đọng cặn bẩn

Bản cực được làm từ hợp kim chì và antimon, trên mặt bản cực có gắn các xương dọc và xương ngang để tăng độ vững cứng và tạo ra các ô cho chất hoạt tính bám trên các bản cực Nếu bản cực dương thì chất hoạt tính để phủ vảo khung ô là đioxit chì Nếu là bản cực âm thì chất hoạt hoạt tính được sử dụng là chì xốp