Thiết kế hệ thống chiếu sáng sử dụng hệ thống pin năng lượng mặt trời cho Đường 304, tại thành phố cần thơ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT - CÔNG NGHỆ CẦN THƠKHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN 1 THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG SỬ DỤNG HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CHO ĐƯỜNG 30/4, TẠI THÀNH PHỐ CẦN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT - CÔNG NGHỆ CẦN THƠ

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN 1 THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG SỬ DỤNG HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CHO ĐƯỜNG 30/4,

TẠI THÀNH PHỐ CẦN THƠ

GVHD: SINH VIÊN THỰC HIỆN: THS TRẦN HỮU TÍNH BÙI VĂN ANH 2000015 THS LÊ QUỐC KHƯƠNG

Cần Thơ – 2022

LỜI CAM ĐOAN

Đề tài là một sản phẩm do tôi đã nỗ lực nghiên cứu, trong bài có sự tham khảocủa một số tài liệu có nguồn gốc rõ ràng Đề tài được nghiên cứu đảm bảo theođúng mục tiêu đã được thuyết minh trước Hội đồng Khoa học nhà trường Tôi camđoan chịu hoàn toàn trách nhiệm về bản quyền

Sinh viên thực hiện

Bùi Văn Anh

LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

DANH MỤC HÌNH ẢNH 5

MỞ ĐẦU 7

1 Lý do chọn đề tài 7

2 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu 8

2.1 Mục tiêu nghiên cứu: 8

2.2 Phạm vi nghiên cứu: 8

3 Ý nghĩa của đề tài: 8

3.1 Ý nghĩa khoa học: 8

3.2 Ý nghĩa thực tiễn: 8

4 Bố cục đề tài: 9

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG 10

1.1 Giới thiệu về pin mặt trời 10

1.1.1 Tổng quan về bức xạ của Việt Nam: 11

1.1.2 Bức xạ trung bình của Đồng bằng sông Cửu Long: 12

1.1.3 Công nghệ mới pin năng lượng mặt trời được ứng dụng đầu tiên trên thế giới 13

1.1.4 Pin năng lượng mặt trời được ứng dụng tại Việt Nam 13

1.1.5 Một số hình ảnh tiêu biểu hệ thống chiếu sáng đèn đường năng lượng mặt trời 14

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ 15

2.1 Để thiết kế một hệ solar, chúng ta cần thực hiện các bước sau: - Tính tổng công suất sử dụng mỗi ngày, cộng tất cả chúng lại ta có tổng công suất toàn tải sử dụng mỗi ngày 16

2.1.1 Thông số khí tượng ở Cần Thơ: 16

2.2 Tính toán thiệt bị sử dụng trong hệ thống: 17

2.2.1 Pin năng lượng mặt trời 17

2.3 Bộ lưu trữ năng lượng ( ắc quy ) 18

2.3.1 Đèn led chiếu sáng dùng LED HLMTS10 19

2.3.2 Cấu tạo hệ thống pin năng lượng mặt trời 20

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG DÙNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 21

3.1 Sơ đồ nguyên lý lắp đặt 1 cột đèn chiếu sáng 21

3.1.1 Quy trình lắp đặt trụ đèn 22

3.1.2 Lắp đặt hộp đèn LED HLMTS10 vào giá đèn 23

3.1.3 Lắp đặt giá đèn và cột đèn vào cột 26

3.1.4 Lắp đặt ắc quy RA 12V-150DG và kết nối điện cho bộ điều khiển 28

3.2 Bảo trì, thay thế, sửa chửa theo định kỳ hoặc hỏng hóc cho cột đèn, pin mặt trời, bộ điều khiển sạc, LED chiếu sáng, ac-quy 31

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 34

4.1 KẾT LUẬN 34

4.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 34

TÀI LIỆU THAM KHẢO 35

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Cấu tạo của pin mặt trời 13

Hình 1.5a: Đèn Năng Lượng Mặt Trời Solar-BK Quần Đảo Trường Sa 17

Hình 1.5b: Công Trình Năng Lượng Sạch Solar – BK 17

Hình 1.5c: hệ thống pin năng lượng mặt trời cho trẻ em vùng sâu vùng xa 17

Hình 2.2: Bức xạ mặt trời trung bình trong năm 18

Hình 2.3 : Hình minh họa pin năng lượng mặt trời 20

Hình 2.4: cấu tạo hệ thống pin năng lượng mặt trời 23

Hình 3.1: Bản vẽ hoàn chỉnh cột đèn 25

Hình 3.2: Bản vẽ trụ đèn 26

Hình 3.3: Bản lót trụ đèn 26

Hình 3.4: Quá trình chuẩn bị đèn phía dưới trước khi đưa lên gắn trên trụ 27

Hình 3.5: Định vị thanh giữ của giá đèn vào hộp đèn 28

Hình 3.6: Cố định thanh giữ của giá đèn vào hộp đèn 28

Hình 3.7: Các bước kết nối dây cáp điện vào đèn và đóng hộp đèn 30

Hình 3.8: Lắp đặt giá đỡ cùng với đèn vào cột đèn 31

Hình 3.9: Hai đoạn dây nối Bộ điều khiển – Ac-quy và hai đoạn dây nối Bộ điều khiển – CB 32

Hình 3.10: Bắt vít giữ Bộ điều khiển vào bát giữ trên tủ điện 33

Hình 3.11: Bắt vít giữ CB đã chuẩn bị trước đó vào bát giữ 33

Hình 3.14: Bắt chặt 2 đầu còn lại của cáp nối “Bộ điều khiển – Ac-quy” vào 2 đầu cực của ac-quy 34

Hình 3.15: Đấu 2 đầu dây còn lại của cáp Tấm pin vào bộ điều khiển 34

Hình 3.16: Đấu dây kết nối CB – Bộ điều khiển 35

Hình 3.17: Đấu dây kết nối cáp đèn vào CB .35

Hình 3.18: Bộ điều khiển đã kết thúc việc đấu nối dây 36

DANH MỤC BIỂU BẢNG

Bảng 1.1: Số liệu về bức xạ mặt trời trung bình tại Việt Nam 14

Bảng 1.2: Tổng xạ Bức xạ Mặt Trời của các tháng trong năm (đơn vị: MJ/m2 ngày) .1

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Ngày nay với tình hình dân số và nền công nghiệp phát triển không ngừng,năng lượng càng thể hiện rõ vai trò quan trọng và trở thành yếu tố không thể thiếutrong cuộc sống Tuy nhiên trong khi nhu cầu sử dụng năng lượng đang ngày cànggia tăng thì các nguồn năng lượng truyền thống được khai thác sử dụng hàng ngàyđang dần cạn kiệt và trở nên khan hiếm Một số nguồn năng lượng đang được sửdụng như nguồn nguyên liệu hoá thạch (dầu mỏ, than đá…) đang cho thấy nhữngtác động xấu đến môi trường, gây ô nhiễm bầu khí quyển như gây hiệu ứng nhàkính, thủng tầng ozôn, là một trong những nguyên nhân làm trái đất ấm dần lên.Các khí thải ra từ việc đốt các nguyên liệu này đã gây ra mưa axit, gây hại cho môitrường sống của con người Còn nguồn năng lượng thuỷ điện (vốn cũng được coi làmột loại năng lượng sạch) thì cũng không đáp ứng được nhu cầu tiêu thụ điện hiệnnay trong khi tình trạng mức nước trong hồ chứa thường xuyên xuống dưới mựcnước chết Trước tình hình đó, vấn đề phải tìm được những nguồn năng lượng mới

để đáp ứng nhu cầu sử dụng năng lượng đang lớn mạnh hàng ngày, thay thế nhữngnguồn năng lượng có hại cho môi trường hoặc đang cạn kiệt đang trở nên cấp thiết,đòi hỏi nhiều sự quan tâm

So với những nguồn năng lượng mới đang được khai thác sử dụng như nănglượng gió, năng lượng hạt nhân… Năng lượng mặt trời được coi là một nguồn nănglượng rẻ, vô tận, là một nguồn năng lượng sạch không gây hại cho môi trường đangthu hút sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học, nhà nghiên cứu và sẽ trở thànhnguồn

năng lượng tốt nhất trong tương lai Hệ thống quang điện sử dụng năng lượng mặt

trời (Hệ pin mặt trời) có nhiều ưu điểm như không cần nguyên liệu, không gây ô

nhiễm môi trường, ít phải bảo dưỡng, không gây tiếng ồn…Việc sử dụng pin nănglượng mặt đem lại nhiều lợi ích cho đời sống của chúng ta và tôi đã nghiên cứu thiết

kế một hệ thống chiếu sáng sử dụng pin năng lượng mặt trời ở ngay thành phố Cần

Thơ cụ thể là con đường 30/4 nơi tôi đang sống nhằm mục đích tiết kiệm được mộtphần năng lượng và góp phần phát triển thành phố nơi tôi ở.

2 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu

2.1 Mục tiêu nghiên cứu

+ Thiết kế hệ thống chiếu sáng sử dụng năng lượng mặt trời

+ Tiết kiệm được một phần năng lượng cho thành phố Cần Thơ

+ Thay đổi toàn bộ hệ thống chiếu sáng dùng điện lưới sang sử dụng hệ thốngpin năng lượng mặt trời

- Phương pháp nghiên cứu: Tham khảo và chọn lọc các tài liệu để rút ra các kiếnthức có liên quan để tổng hợp vào đồ án

- Phương tiện: từ các nguồn Internet, tạp chí điện tử kỹ thuật, tài liệu sách thưviện,…

2.2 Phạm vi nghiên cứu:

+ Tổng quan về pin năng lượng mặt trời

+ Tìm hiểu các mô hình biến đổi pin năng lượng mặt trời thành điện năng cùng với

hệ thống chiếu sáng để triển khai áp dụng tại đường 30/4 thành phố Cần Thơ

3 Ý nghĩa của đề tài:

4 Bố cục đề tài:

Chương 1: Tổng quan về các thành phần trong hệ thống chiếu sáng

Chương 2: Các phương pháp thiết kế hệ thống pin ăng lượng mặt trời

Chương 3: thiết kế hệ thống chiếu sáng đèn đường dùng pin năng lượng mặt trờiChương 4: Kết luận và hướng phát triển đề tài

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆ

THỐNG CHIẾU SÁNG 1.1 Giới thiệu về pin mặt trời

Pin mặt trời còn gọi là pin quang điện là thiết bị ứng dụng hiệu ứng quang điệntrong bán dẫn (thường gọi là hiệu ứng quang điện trong – quang dẫn) để tạo ra dòngđiện một chiều từ ánh sáng mặt trời Loại pin mặt trời thông dụng nhất hiện nay làloại sử dụng Silic tinh thể Tinh thể Silic tinh khiết là chất bán dẫn điện rất kém vìcác điện tử bị giam giữ bởi liên kết mạng, không có điện tử tự do Khi bị ánh sánghay nhiệt độ kích thích, các điện tử bị bứt ra khỏi liên kết, hay là các điện tử tíchđiện âm nhảy từ vùng hoá trị lên vùng dẫn và để lại một lỗ trống tích điện dươngtrong vùng hóa trị

- Lúc này chất bán dẫn mới dẫn điện

- Có 3 loại pin mặt trời làm từ tinh thể silic:

+ Một tinh thể hay đơn tinh thể module Đơn tinh thể này có hiệu suất tới 16% Loạinày thường đắt tiền do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có cácmặt trống ở góc nối các module

+ Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc từ Silic nung chảy, sau đó được làm nguội và làmrắn Loại pin này thường rẻ hơn loại đơn tinh thể, nhưng lại có hiệu suất kém hơn.Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn loại đơntinh thể bù cho iệu suất thấp của nó

+ Dài Silic tạo từ các miếng phim mỏng từ Silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinhthể Loại này thường có hiệu suất thấp hơn nhưng cũng là loại rẻ nhất trong các loại

vì không cần phải cắt từ thỏi Silicon

Về bản chất pin quang điện là một điốt bán dẫn bao gồm hai tấm bán dẫn loại P vàloại N đặt sát cạnh nhau, khác ở chỗ pin quang điện có diện tích bề mặt rộng và cólớp 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 phầnánh sáng bị hấp thụ khi truyền qua lớp N và một phần ánh sáng sẽ bị phản xạ ngượclại 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 sẽtruyền cho electron một năng lượng đủ lớn để thoát khỏi liên kết Khi thoát khỏiliên 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 bándẫn loại N và P sẽ đo được một hiệu điện thế Giá trị của hiệu điện thế này phụthuộc vào bản chất của chất làm bán dẫn và tạp chất được hấp thụ

1.1.1 Tổng quan về bức xạ của Việt Nam:

Bức xạ mặt trời là một nguồn tài nguyên vô cùng quan trọng tại Việt Nam Trungbình, tổng bức xạ năng lượng mặt trời ở Việt Nam vào khoảng 5 kW/h/m2/ngày ởcác tỉnh miền Trung và miền Nam và vào khoảng 4 kW/h/m2/ngày ở các tỉnh miềnBắc Số giờ nắng trong năm ở miền Bắc vào khoảng 1.500 -1.700 giờ trong khi ởmiền Trung và miền Nam Việt Nam, con số này vào khoảng 2000 - 2600 giờ mỗinăm Cường độ bức xạ mặt trời là dòng vật chất và năng lượng phát ra từ mặt trời.Bức xạ mặt trời là nguồn năng lượng cho nhiều quá trình diễn ra trên Trái Đất nhưphong hóa, bóc mòn, bồi tụ; đồng thời giúp chiếu sáng và sưởi ấm cho các hành tinhtrong hệ Mặt Trời Để cấu tạo nên một bản đồ bức xạ mặt trời, ta cần một quá trình

lâu và liên tục khi phải tiến hành đo lượng ánh sáng mặt trời tại các vị trí cụ thể ởnhiều thời điểm khác nhau trong năm Từ những kết quả của sự đo đạc này, ta ướctính được lượng ánh sáng mặt trời tại các khu vực có cùng vị trí với thời gian và khíhậu tương tự.

Bảng 1.1: Số liệu về bức xạ mặt trời trung bình tại Việt Nam

Vùng Giờ nắng trong năm Cường độ BXMT (kWh/

1.1.2 Bức xạ trung bình của Đồng bằng sông Cửu Long:

- ĐBSCL có khí hậu gió mùa, nóng và ẩm với 2 mùa rõ rệt Mỗi năm, vùng đồngbằng này nhận trung bình 2.200 - 2.500 giờ nắng, với năng lượng bức xạ mặt trờitrung bình ngày 4,3 - 4,9 kWh/m2 Tiềm năng khai thác năng lượng ánh sáng rõràng rất lớn Ước tính, cứ 1 m2 lắp đặt các tấm pin mặt trời có thể thu 5 kWh điệnmỗi ngày Nguồn chiếu sáng này rất ổn định với hơn 90% số ngày trong năm đềunhận được ánh sáng mặt trời đủ mạnh để vận hành các tấm thu năng lượng mặt trời

- Cụ thể ở Cần Thơ có tổng bức xạ Mặt Trời của các tháng trong năm và tổngtrung bình bức xạ 1 ngày ở Cần thơ

+ Tổng trung bình bức xạ tại Cần Thơ: 5,29MJ/m2.ngày

Bảng 1.2: Tổng xạ Bức xạ Mặt Trời của các tháng trong năm (đơn vị: MJ/m2 ngày)

CẦN THƠ

Tổng xạ Bức xạ Mặt Trời của các tháng trong năm

1.1.3 Công nghệ mới pin năng lượng mặt trời được ứng dụng đầu tiên trên thế giới

Phát minh của Ohl đã cho ra tấm pin năng lượng mặt trời đầu tiên vào năm 1954.Chúng lúc bấy giờ được ứng dụng đầu tiên cho các vệ tinh không gian Đối với hầu hết mọi người, có lẽ ứng dụng đầu tiên mà họ biết đến là tích hợp trong máy tính bỏtúi, vào những năm 1970

Ngày nay, các tấm pin và các hệ thống PV hoàn chỉnh được sử dụng để cung cấpnăng lượng cho rất nhiều ứng dụng

1.1.4 Pin năng lượng mặt trời được ứng dụng tại Việt Nam

Ở Việt Nam, theo báo cáo về "Năng lượng tái tạo tại Việt Nam năm 2018" củaStoxPlus, sau khi giá bán điện mặt trời được Chính phủ điều chỉnh tăng lên mức9,35 cent một kWh, trung bình có 9 dự án phát và phân phối điện tái tạo được đăng

ký mỗi tháng, bởi nhà đầu tư nước ngoài, trong nửa cuối năm 2017 Chuyên gia nàynhận định, các nhà đầu tư trong nước lẫn nước ngoài đang ở trong tâm trạng rất hàohứng với ngành năng lượng tái tạo, dự kiến sẽ tăng trưởng 23,2%/ năm trong giaiđoạn 2020 - 2030

Riêng điện mặt trời đến cuối năm 2018 đã có trên 20.000 MW điện mặt trời đượccác nhà đầu tư đăng ký, trong đó 8.100 MW được bổ sung quy hoạch (121 dự án)với trên 100 dự án đã ký hợp đồng mẫu mua bán điện (PPA) Nhà máy điện mặt trờiquy mô 100 MW tại Đắk Lắk đã được đưa vào vận hành Trong khi đó, vẫn cònkhoảng 220 dự án đang chờ bổ sung vào quy hoạch.

Do đặc điểm địa lý và khí hậu, giá trị bức xạ của Việt Nam theo phương ngangdao động từ 897 kWh/m2/năm đến 2108 kWh/m2/năm Tương ứng giá trị nhỏ nhấtđạt 2,46 kWh/m2/ngày, lớn nhất là 5,77 kWh/m2/ngày

Trong tổng số 63 tỉnh thành, chỉ có 25 tỉnh là có tiềm năng kinh tế, với tổng diệntích 5.041,4 km2, với công suất đặt khoảng 166 GW và sản lượng điện dự kiến262.327 TWh/năm

1.1.5 Một số hình ảnh tiêu biểu hệ thống chiếu sáng đèn đường năng lượng mặt trời

Hình 1.5a: Đèn Năng Lượng Mặt Trời Solar-BK Quần Đảo Trường Sa.

Hình 1.5b: Công Trình Năng Lượng Sạch Solar – BK.

Hình 1.5c: hệ thống pin năng lượng mặt trời cho trẻ em vùng sâu vùng xa

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ 2.1 Để thiết kế một hệ solar, chúng ta cần thực hiện các bước sau:

- Hiện tại tuyến đường 30/4 đến 3/2 có diện tích mặt đường là 9.130m2 và sử 20 cột đèn trên 1 tuyến đường và loại đèn sử dụng là đèn halogen kiểu củ khoảng cách giữa hai cột đèn là 20m nên góc chiếu sáng là vừa phải

- Do đó sẽ thay thế toàn bộ bằng đèn led nhưng khoảng cách giữa 2 cột đèn sẽ vẫn giữ nguyên là 20m nhưng độ chiếu sáng là vượt trội hơn đèn halogen kiểu củ và không phải đào bới đất để di chuyển khoảng cách cột đèn gây ùn tắc giao thông nhưng tuyến đường vẫn đạt được ánh sáng tốt và vượt trội từ đèn led

- Tính tổng công suất sử dụng mỗi ngày, cộng tất cả chúng lại ta

có tổng công suất toàn tải sử dụng mỗi ngày

Thơ:

Hình 2.2: Bức xạ mặt trời trung bình trong năm

2.2 Tính toán thiệt bị sử dụng trong hệ thống:

2.2.1 Pin năng lượng mặt trời

Năng lượng DC mà hệ thống PV cần cung cấp là:

EDCPV = Eden x 12h = 28 W x 12h = 336h/ngày (1)

Trong đó, thời gian hoạt động của đèn 12 giờ

Điện áp DC của hệ thống sẽ được cấu hình là 12V, như vậy Ah trung bình mà PVcần phải tại ra là:

Số lượng tấm PV cần thiết sẽ được tính dựa trên dòng sạc tối đa của tấm

PV, đối với loại Mitsubishi PV-UE130MF5N, dòng sạc tối đa là 7.47A/tấm, như

Điện áp hoạt động 12 VDC của bộ điều khiền phù hợp vời đèn, dòng tải tối

đa là 20A của bộ điều khiển > dòng tải của đèn

Sử dụng 1 bộ điều khiển cho 1 trụ đèn đường năng lượng mặt trời

Do bộ điều khiển Sunlight làm 2 nhiệm vụ là sạc accu từ tấm pin mặt trời và điều khiển đèn do đó chúng ta cần xem xét các thông số của 2 phần trên.