Luận văn Thiết kế hệ thống chiếu sáng độc lập sử dụng năng lượng mặt trời

III Kết cấu của đề tài Chương 1: Ứng dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam và trên thế giớiChương 2: Nguyên lý hoạt động của các phần tử trong hệ thồng điện sửdụng năng lượng mặt trời Ch

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 3

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 3

1.1 Khái quát về năng lượng mặt trời 3

1.2 Ứng dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam và trên thế giới 4

1.2.1 Ứng dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam 4

1.2.2 Ứng dụng năng lượng mặt trời trên thế giới 9

1.3 Một số hạn chế trong việc ứng dụng năng lượng mặt trời vào phục vụ sinh hoạt 10

1.4 Tiềm năng phát triển năng lượng mặt trời 11

CHƯƠNG 2 Hệ thống điện sử dụng năng lượng mặt trời………14

2.1 Nguyên lý hoạt động của hệ thống điện sử dụng năng lượng mặt trời 14

2.2 Các hệ thống điện mặt trời 14

2.2.1 Điện mặt trời độc lập 14

2.3 Hệ thống điện mặt trời độc lập 17

2.3.1 Tấm pin mặt trời (Solar Panel) 17

2.3.2 Bộ điều khiển sạc mặt trời (Solar Charger Controller) 20

2.3.3 Bộ kích điện DC-AC (Solar Inverter) 22

2.3.4 Ắc quy (Battery) 27

CHƯƠNG 3 Tính toán hệ thống điện mặt trời độc lập 31

3.1 Trình tự tính toán 31

3.2 Tính toán hệ thống điện mặt trời độc lập 34

CHƯƠNG 4 Thiết kế hệ thống điện mặt trời độc lập 44

4.1 Tính toán hệ thống 44

4.2 Thí nghiệm kiểm tra thời gian nạp của ắc quy 50

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

2

LỜI NÓI ĐẦU

I Sự cần thiết của đề tài

Do sự phát triển ngày càng nhanh chóng của nền kinh tế kéo theo nhucầu tiêu thụ nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng tăng Việc đẩy mạnh khaithác nguồn nhiên liệu hóa thạch lại làm mất đi sự cân bằng sinh thái, gây ônhiễm môi trường và ảnh hưởng trực tiếp tới đời sống con người Nguồn nhiênliệu hóa thạch không phải là vô tận, trong khi phải cần một thời gian dài thì mớihình thành các nguồn năng lượng hóa thạch mới, rồi sẽ tới một ngày con ngườiphải đối mặt với việc thiếu hụt trầm trọng nguồn năng lượng phục vụ cho nềnkinh tế và cuộc sống con người Hiện nay một số nước trên thế giới có nền khoahọc tiên tiến đang đẩy mạnh việc nghiên cứu và phát triển hệ thống điện hạtnhân Tuy nhiên vấn đề đặt ra khi phát triển nguồn năng lượng này đó là tính antoàn, cụ thể là an toàn trong kỹ thuật và rác thải hạt nhân Ngoài ra các yếu tốnhư nguy cơ phổ biến vũ khí hạt nhân, việc đảm bảo an ninh cho các cơ sở hạtnhân quốc gia Vấn đề về nguồn nhân lực có trình độ cao và kinh nghiệm, đặcbiệt là những chuyên gia quản lý và kỹ thuật cũng là những rào cản lớn khi sửdụng và phát triển nguồn năng lượng này

Trong những điều kiện kể trên thì việc phát triển và sử dụng nguồn nănglượng mặt trời là một biện pháp tốt đáp ứng về các yếu tố như an toàn, môitrường … Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng vô tận mà khi khai thác vàtận dụng chúng một cách có hiệu quả sẽ đem lại những lợi ích to lớn cho conngười Sử dụng năng lượng mặt trời thay cho năng lượng hóa thạch sẽ giảmlượng khí thải ô nhiễm môi trường, bớt phụ thuộc vào việc khai thác năng lượnghóa thạch từ đó hạn chế xấu nhất tới việc thay đổi môi trường sinh thái Hiện

năng lương mặt trời phục vụ cho đời sống Việc nghiên cứu và ứng dụng nănglượng mặt trời đã trở nên phổ biến chính vì thế giá cả các thiết bị trong hệ thốngngày càng có hiệu suất cao hơn và ổn định hơn Trước kia giá thành chính là ràocản trong việc ứng dụng năng lượng mặt trời, tuy nhiên những năm gần đây đã

có nhiều công ty, các tổ chức, các quốc gia đẩy mạnh việc nghiên nghiên cứu,chế tạo và làm giá thành trở nên rẻ hơn

Từ những lý do kể trên em đã lựa chọn đề tài “ Thiết kế hệ thống chiếu sáng độc lập sử dụng năng lượng mặt trời”.

II Mục tiêu của đề tài

Nghiên cứu các vấn đề của hệ thống điện mặt độc lập, đánh giá tiềm năng

sử dụng của hệ thống Thiết kế hệ thống điện mặt trời độc lập

III Kết cấu của đề tài

Chương 1: Ứng dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam và trên thế giớiChương 2: Nguyên lý hoạt động của các phần tử trong hệ thồng điện sửdụng năng lượng mặt trời

Chương 3: Phương án thiết kế hệ thống điện mặt trời độc lập

Trong quá trình tìm hiểu và hoàn thành đề tài này, em đã nhận được

sự giúp đỡ tận tình của cùng sự hướng dẫn vô cùng quý báu của giảng viênhướng dẫn TS Lê Lăng Vân Em xin chân thành cảm ơn Thầy đã giúp em hoànthành bài đề tài Do thời gian có hạn sự hạn chế về kinh nghiệm và kiến thứcnên bài viết của em không tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được

sự góp ý của thầy cô để bài viết được hoàn thiện hơn

4

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

1.1 Khái quát về năng lượng mặt trời

Trong tất cả các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng mặt trời là phongphú và ít biến đổi nhất trong thời kì biến đổi khí hậu hiện nay Năng lượng mặttrời, bức xạ mặt trời và nhiệt từ mặt trời đã được khai thác bởi con người từ cổđại cho tới bây giờ như việc sưởi ấm, làm khô quần áo, khử trùng nước, nấuăn…

Bức xạ mặt trời là sức nóng, ánh sáng dưới dạng các chùm tia do mặttrời phát ra trong quá trình tự đốt mình Bức xạ mặt trời chứa đựng một nguồnnăng lượng khổng lồ và là nguồn gốc của quá trình tự nhiên trên trái đất

Năng lượng mặt trời có những ưu điểm như: sạch, chi phí nhiên liệu vàbảo dưỡng thấp, an toàn cho người sử dụng Đồng thời phát triển ngành côngnghiệp sản xuất pin mặt trời sẽ góp phần thay thế các nguồn năng lượng hóathạch, giảm khí thải nhà kính giúp bảo vệ môi trường

Đơn vị được sử dụng để thể hiện mức độ hấp thụ nhiệt:

Các giá trị được thể hiện tổng quát bằng kWh/m²/ngày Đây chính là lượngnăng lượng mặt trời chiếu vào 1m² trên bề mặt trái đất trong 1 ngày Tất nhiêngiá trị này được tính trung bình cho các giá trị khác nhau đo được trong độ dàithời gian 1 ngày (kWh/m²/ngày)

1 kWh/m²/ngày = 317.1 btu/ft2/ngày = 3.6MJ/m²/ngày

(1Btu = 1055J , 1ft = 0,3048m )

Năng lượng mặt trời dù rất rồi dào nhưng việc khai thác một cách hiệu

1.2 Ứng dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam và trên thế giới

1.2.1 Ứng dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam

Việt Nam nằm trong khu vực nhiệt đới, một trong những khu vực cócường độ mặt trời tương đối cao trên thế giới Tổng số ngày nắng trong năm vàcường độ bức xạ mặt trời khá cao Đây là một trong những thuận lợi cho việcứng dụng và khai thác nguồn năng lượng vô tận đem lại lợi ích to lớn cho nềnkinh tế, môi trường và đời sống của con người Chính vì lẽ đó hiện nay tại ViệtNam đã và đang ứng dụng và khai thác rất nhiều các công trình, hạng mục đểkhai thác nguồn năng lượng mặt trời

+ Tại Hà Nội

Trạm pin mặt trời nối lưới lắp đặt trên mái nhà làm việc Bộ Côngthương, 54 Hai Bà Trưng, Quận Hoàn Kiếm, Hà Nội Công suất lắp đặt 2.700Wp

- Trung tâm Hội nghị Quốc gia sử dụng hệ thống Pin mặt trời côngsuất 154 KWp là công trình Pin mặt trời lớn nhất ở Việt Nam

- Hiện nay một số khu đô thị mới, các công trình giao thông cũng đãđưa vào sử dụng các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời như cột đèn sử dụngnăng lượng mặt trời ở khu đô thị Ciputra-Nam Thăng Long, trung tâm sát hạchlái xe Sơn Tây, Hà Nội…

- Ngoài ra hàng loạt các hộ dân trên toàn bộ địa bàn Thành Phố đã

và đang sử dụng các hệ thống sử dụng năng lương mặt trời như: bình nướcnóng năng lượng mặt trời, một số hộ dân đã mạnh dạn triển khai và sử dụngdàn pin năng lượng mặt trời

6

Hình 1.1 Máy nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời

( ảnh chụp thực tế khu đô thị Dịch Vọng )

Hình 1.2 Đèn chiếu sáng sử dụng năng lượng mặt trời( ảnh chụp thực tế khu đô thị Ciputra-Nam Thăng Long)

8

+ Tại TP.Hồ Chí Minh

Từ năm 1990, Phân viện Vật lý Tp.HCM đã triển khai các dự án điện mặttrời áp dụng vào các công trình công cộng như nhà văn hóa, bệnh viện tại BìnhChánh, Cần Giờ, Củ Chi, nơi mà lưới điện và tình hình kinh tế của người dâncòn gặp nhiều khó khăn Trên một số vùng hải đảo, như đảo Thiềng Liềng - xãCần Gáo - huyện Cần Giờ, công trình điện mặt trời cũng đã cung cấp điện đượccho hơn 50% hộ dân sống trên đảo Đến năm 1995, hơn 180 nhà dân và một sốcông trình công cộng tại buôn Chăm - xã Eahsol - huyện Eahleo - tỉnh Đắk Lắk

đã sử dụng điện mặt trời

Ngày 23/4/2012 hệ thống điện mặt trời được lắp đặt tại nhà máy Intel,hoạt động trên tổng diện tích 3270 m² (do Tập đoàn GES Vietnam thiết kế và thicông, là đơn vị chuyên cung cấp giải pháp năng lượng xanh và xây dựng ngànhcông nghiệp năng lượng mặt trời kỹ thuật cao) được vận hành từ 1.092 tấm pinnăng lượng mặt trời cùng 21 bộ biến điện, có công suất phát điện khoảng321.000 kWh/năm, hạn chế hơn 220 kg lượng khí thải CO₂ thải ra hàng năm

+ Các tỉnh thành khác

Viện năng lượng EVN kết hợp với Trung tâm năng lượng mới củaTrường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tiếp tục triển khai ứng dụng dàn pin mặttrời tại các hộ dân và trạm biên phòng của đảo Cô Tô (tỉnh Quảng Ninh) Đồngthời, thực hiện dự án “Ứng dụng thí điểm điện mặt trời cho vùng sâu, vùng xa”tại xã Ái Quốc, huyện Lộc Bì, tỉnh Lạng Sơn

Công nghệ năng lượng mặt trời ứng dụng vào quy trình nuôi tôm côngnghiệp tại Bạc Liêu, Đầm Dơi - Cà Mau Thiết bị là những tấm thu năng lượngmặt trời, năng lượng hấp thu chuyển đến hệ thống bình ắc quy Nguồn điện tíchtrữ trong bình ắc quy cung cấp dòng năng lượng để các thiết bị thổi khí oxy vậnhành

- Năm 2000 - 2005, Trung tâm nghiên cứu thiết bị áp lực và nănglượng mới (ĐH Đà Nẵng) cùng với tổ chức phục vụ năng lượng mặt trời đã triểnkhai sản xuất các loại bếp năng lượng mặt trời cho các hộ dân tại làng Bình Kỳ

2 - Phường Hòa Quý - Quận Ngũ Hành Sơn (Đà Nẵng)

- Tháng 6 năm 2007, tại Công viên nước Đà Nẵng đã diễn ra ngày hộinấu ăn bằng loại bếp này do Solar Serve tổ chức Ngoài ra, Solar Serve đã cungcấp miễn phí hơn 1.200 bếp năng lượng mặt trời cho người nghèo tại vùng sâuvùng xa Đây là một tổ chức phi lợi nhuận, được thành lập nhằm giúp đỡ và phổbiến việc sử dụng năng lượng mặt trời cho người dân Các sản phẩm năng lượngmặt trời của Solar Serve đều do chính các người nghèo và người khuyết tật tạiđịa phương chế tạo

- Ngoài ra Sở Khoa học và Công nghệ Tp.Đà Nẵng còn phối hợp vớiCông ty Quản lý vận hành điện chiếu sáng công cộng, quyết định thí điểm mộtnăm trong việc lắp đặt 10 bộ đèn chiếu sáng đường phố bằng năng lượng gió vàmặt trời tại đường Trường Sa, Tp.Đà Nẵng Được biết, Đà Nẵng là một trongnhững nơi được đánh giá là có tiềm năng phát triển năng lượng mặt trời tốt nhấttại Việt Nam, với 177 giờ nắng trung bình trong tháng và cường độ bức xạ nhiệtđạt 4,89 kWh/m2/ngày

Ngoài ra tại Việt Nam, còn có khá nhiều doanh nghiệp đầu tư sản xuấtloại máy nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời như Polarsun, Megasun, Sơn

Hà, Sunflower, Thái Dương Năng… Khác với các thiết bị được chế tạo dànhcho người nghèo, đây là loại sản phẩm nhắm đến những hộ gia đình có thu nhậptrung bình khá Mặc dù chi phí lắp đặt ban đầu khá cao (tối thiểu 5 triệu đồng),đây vẫn được xem là bài toán kinh tế cho người dân tại các thành phố có nắngquanh năm, khi mà giá điện vẫn liên tục leo thang

10

1.2.2 Ứng dụng năng lượng mặt trời trên thế giới.

Ở Nhật Bản, chỉ riêng năm 2000 đã tăng lượng điện mặt trời lên tới 128

MW (gấp 4 lần trước đó); Philipines điện mặt trời đảm bảo nhu cầu sinh hoạtcho 400.000 dân Từ những năm 90 ở Đức, Thụy Sỹ đã có hàng ngàn toà nhàđược lắp đặt các tấm pin thu năng lượng mặt trời theo chương trình hỗ trợ tàichính của Chính phủ Khối EU có trên 25 triệu m2 thu năng lượng mặt trời dùng

để phát điện và đun nước nóng Israel có luật bắt buộc nhà ở phải có bình đunnước nóng bằng năng lượng mặt trời và có những khu phố giờ cao điểm sẽcúp điện quốc gia.

Trên thế giới đã có rất nhiều lĩnh vực ứng dụng năng lượng mặt trời như :thùng rác tự nén sử dụng năng lượng mặt trời ở Anh, đèn tín hiệu giao thông,đèn chiếu sáng công cộng sử dụng năng lượng mặt trời ở Nhật Bản, các cao ốc

sử dụng năng lượng mặt trời ở Trung Quốc

Tại Thái Lan, Malaysia, Trung Quốc, Hàn quốc từ nhiều năm nay đã coihướng phát triển năng lượng tái tạo như một quốc sách vì thế năng lượng mặttrời ở đây có sự tăng trưởng rất mạnh và chiếm một tỷ lệ đáng kể trong cơ cấuphân bổ điện năng

Tại Mỹ, Hungary, Đức, Thụy Sỹ từ nhiều năm nay cũng đã tăng nhanhtốc độ xây dựng các nhà máy sản xuất pin mặt trời

Hệ thống Pin Năng lượng mặt trời 600W được lắp đặt tại Victoria Peak,đỉnh Peak, một điểm du lịch hấp dẫn của thành phố Hồng Kông Hệ thống Pinmặt trời cung cấp điện cho hệ thống các thiết bị viễn thông quan sát trên đỉnhPeak này và được sử dụng hàng ngày…

Hệ thống Tubine Gió và Pin Năng lượng mặt trời 4000W tại khuPhilipin năm 2009 Hệ thống cung cấp điện cho hệ thống BTS viễn thông trênđảo, đáp ứng đủ yêu cầu của trạm BTS sử dụng hàng ngày…

Hệ thống Pin Năng lượng mặt trời 80KW được lắp đặt cho khách hàngtại thành phố Thâm Quyến – Trung Quốc năm 2010 Hệ thống pin mặt trời hòavào hệ thống điện lưới của tòa nhà, cung cấp điện cho hệ thống điện của tòa nhà

sử dụng đèn, quạt, máy tính, điều hòa làm giảm chi phí điện hàng ngày …

Hệ thống Pin Năng lượng mặt trời 300KW được lắp đặt cho khách hàngtại thành phố Thượng Hải – Trung Quốc năm 2010 Hệ thống pin mặt trời hòavào hệ thống điện lưới của tòa nhà, cung cấp điện cho hệ thống điện của tòa nhà

sử dụng đèn, quạt, máy tính, điều hòa làm giảm chi phí điện hàng ngày …

Tại Đan Mạch, năm 2000 hơn 30% hộ dân sử dụng tấm thu năng lượngmặt trời, có tác dụng làm nóng nước Ở Brazil, những vùng xa xôi hiểm trở nhưAmazon, điện năng lượng mặt trời luôn chiếm vị trí hàng đầu Ngay tại ĐôngNam Á, điện mặt trời ở Philipines cũng đảm bảo nhu cầu sinh hoạt cho 400.000dân

Hiện nay trên thế giới việc sử dụng năng lượng mặt trời là rất rộng rãinhưng chủ yếu tập trung lớn ở một số quốc gia phát triển như Nhật Bản, HànQuốc, Đức

1.3 Một số hạn chế trong việc ứng dụng năng lượng mặt trời vào phục vụ sinh hoạt.

 Các chi phí ban đầu là rào cản chính của việc cài đặt một hệ thốngnăng lượng mặt trời, phần lớn là vì chi phí cao của các vật liệu bán dẫn và sựphức tạp của các thiết kế liên quan

 Chi phí năng lượng mặt trời cũng là cao so với tiện ích cung cấp điệnkhông tái tạo Như tình trạng thiếu năng lượng đang trở nên phổ biến hơn, nănglượng mặt trời ngày càng trở nên giá cạnh tranh

12

 Tấm năng lượng mặt trời có giá thành khá đắt tiền và đòi hỏi có mộtvùng rộng lớn để lắp đặt để đạt được một mức độ tốt hiệu quả.

 Việc sản xuất năng lượng mặt trời bị ảnh hưởng bởi các yếu tố nhưđám mây, mưa, ô nhiễm trong không khí

 Tương tự như vậy, sẽ không có năng lượng mặt trời được sản xuấtvào ban đêm mặc dù một hệ thống pin dự phòng sẽ được sử dụng

1.4 Tiềm năng phát triển năng lượng mặt trời

- Trên thế giới, với việc phát triển mạnh về khoa học công nghệ, cho phépkhai thác tốt hơn nguồn năng lượng vô hạn này Đây cũng là xu hướng thúc đẩyviệc sử dụng năng lượng mặt trời vì hiện tại các nguồn năng lượng hóa thạchđang cạn dần và trước vấn đề về ô nhiễm môi trường, sự xung đột tranh giànhtài nguyên của các quốc gia

- Việt Nam nằm trong khu vực khí hậu nhiệt đới, một trong những khuvực nhận được lượng bức xạ nhiều nhất trong năm trên bản đồ bức xạ mặt trờicủa thế giới

Bảng 1.1 Số liệu bức xạ mặt trời ở các khu vực tại Việt Nam

( tạp chí năng lượng Việt Nam 2012)

trong năm

Cường độ BXMT(kWh/m²,ngày)

Bảng 1.2: Tổng lượng bức xạ Mặt Trời của các tháng trong năm ở Hà Nội

và TP.Hồ Chí Minh (Tạp chí năng lượng Việt Nam-đơn vị: MJ/m².ngày)

Bảng 1.3 Bảng giá điện theo từng năm ( Số liệu Điện lực Việt Nam)

14

Ở Việt Nam, năng lượng mặt trời tuy được sử dụng nhưng còn hạn chế donhững nguyên nhân khách quan như: giá thành thiết bị còn cao, sự hỗ trợ củanhà nước chưa có hoặc đang còn hạn chế, việc triển khai ứng dụng thực tế cònhạn chế nhưng vẫn có chung xu hướng là tăng cường sử dụng năng lượng mặttrời để thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch

CHƯƠNG 2

HỆ THỐNG ĐIỆN SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 2.1 Nguyên lý hoạt động của hệ thống điện sử dụng năng lượng mặt trời.

Nguyên lý hoạt động của Hệ thống điện mặt trời:

Từ hệ thống pin mặt trời, ánh sáng được biến đổi thành điện năng, tạo radòng điện một chiều (DC) Dòng điện này được truyền dẫn tới bộ điều khiển xạcnăng lượng mặt trời (Solar Charger Controller) là một thiết bị điện tử có chứcnăng điều khiển tự động quá trình nạp điện vào ắc-quy và phóng điện từ ắc-quy

ra các thiết bị điện một chiều (DC)

Trường hợp công suất hệ thống pin mặt trời và điện được tích trữ trongcác ắc quy đủ lớn, trong hệ thống sẽ có thêm bộ kích điện (Inverter) để biến đổidòng điện một chiều (DC) thành dòng điện xoay chiều (AC) 220V, có thể sửdụng cho hầu hết các thiết bị điện gia đình (đèn, quạt, máy tính, TV…)

2.2 Các hệ thống điện mặt trời.

Trong việc thiết kế và sử dụng điện mặt trời người ta phân ra làm 3 hệthống chính:

 Điện mặt trời độc lập

 Điện mặt trời lai

 Điện mặt trời hòa lưới,điện mặt trời nối lưới điện

Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời độc lập

( với biến tần tích hợp bộ sạc)

Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời độc lập( với biến tần tách

rời bộ sạc)

- Hệ thống điện mặt trời độc lập bao gồm các thành phần cơ bản:

1 Pin Mặt Trời (Solar Panels)

Pin Mặt Trời

(dòng DC)

Ắc Quy

Tải Tiêu Thụ

Biến Tần tích Hợp

Bộ Sạc(220vAC/50hz)

Pin Mặt Trời

(dòng DC)

Điều Khiển Sạc

(dòng DC)

Biến Tần(220vAC/50hz)

Tải Tiêu Thụ

Ắc Quy

3 Bộ điều khiển sạc điện từ pin mặt trời vào ắc quy (Solar Charger)

4 Bộ chuyển điện từ ắc quy thành điện xoay chiều cấp cho thiết bị(Inverter)

5 Dây dẫn và linh kiện đồng bộ

- Nguyên lý hoạt động:

Năng thành Điện Năng Điện năng một chiều (DC) này được nạp vào ắc quythông qua một bộ điều khiển sạc Điện năng này sau đó lại được chuyển hóathành điện xoay chiều nhờ vào bộ Inverter và cung cấp cho thiết bị tiêu thụ điện

 Chi phí bảo trì ,bảo dưỡng cao

 Hiệu suất chuyển đổi không cao

 Lượng điện phụ thuộc vào thời tiết ( mưa gió, nhiều mây…)

- Ứng dụng:

 Cấp điện độc lập cho một tòa nhà

 Cấp điện độc lập cho một văn phòng làm việc

 Cấp điện độc lập cho một thiết bị điện

- Điều kiện áp dụng:

 Những vùng chưa có điện lưới hoặc thường xuyên bị cúp điện

 Sử dụng cho hộ gia đình, nhà di động, thiết bị di động

18

2.3 Hệ thống điện mặt trời độc lập

Hệ thống điện mặt trời độc lập bao gồm các thành phần cơ bản:

 Pin Mặt Trời (Solar Panels)

 Ắc quy lưu trữ điện

 Bộ điều khiển sạc điện từ pin mặt trời vào ắc quy (Solar Charger)

 Bộ chuyển điện từ ắc quy thành điện xoay chiều cấp cho thiết bị (Inverter)

 Dây dẫn và linh kiện đồng bộ

2.3.1 Tấm pin mặt trời (Solar Panel)

a Phân loại, cấu tạo

Cho tới nay thì vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời (và cho các thiết bị bán dẫn) là các silic tinh thể Pin mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại:

Hình 2.3: Hình ảnh một số loại Pin mặt trời

- Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trìnhCzochralski Trong quá trình này Silic đa tinh thể được nấu chảy ở 2500 °F(1370 °C) để loại bỏ tạp chất và hình thành đơn tinh thể.

Một mẫu silic đơn tinh thể được nhúng vào silic nóng chảy, mẫu này đượcquay đều và nâng dần lên với tốc độ 1,5 mm/phút Từ đó khối silic đơn tinh thểdần được hình thành, quá trình này có tên Czochralski

- Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16% Chúng thường rất đắt tiền

do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở gócnối các module

- Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc-đúc từ silic nung chảy cẩn thận đượclàm nguội và làm rắn Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiênhiệu suất kém hơn Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bềmặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho 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 thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhấttrong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon Các công nghệ trên là sảnsuất tấm, nói cách khác, các loại trên có độ dày 300 μm tạo thành và xếp lại đểm tạo thành và xếp lại đểtạo nên module

b Nguyên lý hoạt động.

Pin năng lượng mặt là thiết bị giúp chuyển hóa trực tiếp năng lượngánh sáng mặt trời (quang năng) thành năng lượng điện (điện năng) dựa trên hiệuứng quang điện Hiệu ứng quang điện là khả năng phát ra điện tử (electron) khiđược ánh sáng chiếu vào của vật chất Silicon là một thành phần quan trọngtrong cấu tạo của pin năng lượng mặt trời

20

Ánh sáng mặt trời bao gồm các hạt rất nhỏ gọi là photon được tỏa ra

từ mặt trời Khi va chạm với các nguyên tử silicon của pin năng lượng mặt trời,những hạt photon truyền năng lượng của chúng tới các electron rời rạc, kíchthích làm cho electron đang liên kết với nguyên tử bị bật ra khỏi nguyên tử,đồng thời ở nguyên tử xuất hiện chỗ trống vì thiếu electron Điều này liên quanđến việc tạo ra một sự mất cân bằng điện trong pin mặt trời, có tác dụng giốngnhư xây một con dốc để các electron chảy theo cùng một hướng

Sự mất cân bằng này có thể được tạo ra bởi tổ chức bên trong củasilicon Nguyên tử silicon được sắp xếp cùng nhau trong một cấu trúc ràng buộcchặt chẽ Bằng cách ép một số lượng nhỏ các nguyên tố khác vào cấu trúc này,

sẽ có hai loại silicon khác nhau được tạo ra: loại n và loại p Chất bán dẫn loại n(bán dẫn âm - Negative) có tạp chất là các nguyên tố thuộc nhóm V, các nguyên

tử này dùng 4 electron tạo liên kết và một electron lớp ngoài liên kết lỏng lẻovới nhân, đấy chính là các electron dẫn chính Chất bán dẫn loại p (bán dẫndương - Positive) có tạp chất là các nguyên tố thuộc nhóm III, dẫn điện chủ yếubằng các lỗ trống

Khi hai loại bán dẫn này được đặt cạnh nhau trong một pin nănglượng mặt trời, electron dẫn chính của loại n sẽ nhảy qua để lấp đầy nhữngkhoảng trống của loại p Điều này có nghĩa là silicon loại n tích điện dương vàsilicon loại p được tích điện âm, tạo ra một điện trường trên pin mặt trời Vìsilicon là một chất bán dẫn nên có thể hoạt động như một chất cách điện và duytrì sự mất cân bằng này

Khi làm cho electron đang liên kết với nguyên tử bị bật ra khỏi nguyên tửsilicon, photon trong ánh sáng mặt trời đưa các electron này vào một trật tự nhấtđịnh, cung cấp dòng điện cho máy tính, vệ tinh và tất cả các thiết bị ở giữa.

 Loại : monocrystalline và polycrystalline

 Chất liệu của khung: nhôm

 Tuổi thọ trung bình của tấm pin: 25-30 năm

Trong một ngày nắng, mặt trời cung cấp khoảng 1 kW/m² đến mặt đất(khi mặt trời đứng bóng và quang mây) Công suất và điện áp của một hệ thống

sẽ phụ thuộc và cách chúng ta nối ghép các tấm pin mặt trời lại với nhau

Các tấm pin mặt trời được lắp đặt ở ngoài trời để có thể hứng được ánhnắng tốt nhất từ mặt trời nên được thiết kế với những tính năng và chất liệu đặcbiệt, có thể chịu đựng được sự khắc nghiệt của thời tiết, khí hậu, nhiệt độ…

2.3.2 Bộ điều khiển sạc mặt trời (Solar Charger Controller)

Là thiết bị thực hiện chức năng điều tiết sạc cho ắc-quy, bảo vệ choắc-quy chống nạp quá tải và xả quá sâu nhằm nâng cao tuổi thọ của bình ắc-quy

và giúp hệ thống pin mặt trời sử dụng hiệu quả và lâu dài Bộ điều khiển chobiết tình trạng nạp điện của Panel mặt trời vào ắc-quy giúp cho người sử dụngkiểm soát được các phụ tải Bộ điều khiển còn thực hiện việc bảo vệ nạp quáđiện thế (>13,8V) hoặc điện thế thấp (<10,5v)

22

Nhiệm vụ

- Bảo vệ bình ắc quy.

Khi bình ắc quy đầy (13.8V - 14V đối với ắc quy 12V) thì bộ điều khiểnsạc ngăn không cho nguồn điện tiếp tục nạp vào ắc quy có thể gây nóng bình vàlàm ảnh hưởng đến tuổi thọ của bình Khi bình ắc quy gần cạn đến ngưỡng phảingắt để bảo vệ bình ( 10.5V đối với ắc quy 12V), bộ điều khiển sạc sẽ ngắtkhông cho sử dụng tải để tránh trường hợp bình ắc quy bị “kiệt”

- Bảo vệ tấm pin mặt trời.

Nguyên lý của dòng điện là chảy từ nơi điện áp cao đến nơi điện áp thấp.Ban ngày trời nắng thì điện áp tấm pin loại 12V sẽ từ khoảng 15 đến hơn 20V,cao hơn điện áp ắc quy nên dòng điện sẽ đi từ pin xuống ắc quy Nhưng banđêm khi không có ánh nắng, điện áp của pin sẽ thấp hơn điện áp của ắc quy vàdòng điện sẽ đi từ ắc quy lên ngược tấm pin và "đốt" tấm pin, làm giảm hiệusuất tấm pin và có thể hỏng tấm pin Vậy nên bộ điều khiển sẽ ngăn một cáchtriệt để không để cho dòng điện có thể đi ngược lên tấm pin để tránh hiện tượngtrên

- Nâng cao hiệu suất tấm pin mặt trời.

Có chức năng này thì thiết bi này mới có tên gọi là "điều khiển", nghĩa làthiết bị này điều khiển làm sao để công suất sạc đạt cực đại Pmax, nâng cao hiệusuất sử dụng của tấm pin mặt trời Các bộ điều khiển sạc kiểu cũ đơn giản thìchỉ điều khiển đóng cắt khi bình đầy hoặc bình cạn và bảo vệ không cho điệntrào lên pin, hiện đại hơn là sử dụng phương pháp điều khiển điều rộng xungPWM (Pulse - Width - Modulation) sử dụng mạch transitor đóng cắt liên tục để

ổn áp sạc cho ắc quy, phương pháp này có nhược điểm lớn là làm hao phí

đại sử dụng phương pháp điều rộng xung không hao phí, có bộ vi xử lý và thiết

bị đo chọn được điểm có công suất cực đại MPP (Max Power Point) Pmax đểsạc cho ắc quy Công suất cực đại minh họa trong hình dưới đây là diện tíchhình chữ nhật màu xám

2.3.3 Bộ kích điện DC-AC (Solar Inverter)

Bộ kích điện là một thiết bị biến đổi điện áp một chiều (DC) của bìnhắcquy (12V – 24V - 48V hoặc lên đến 240V) thành điện áp xoay chiều (AC) cótần số phù hợp với lưới điện Việt Nam đang sử dụng là 220V, 50Hz Bộ kíchđiện được thiết kế với nhiều loại công suất từ 300VA – 10kVA tuỳ yêu cầu sửdụng

A Phân loại

Bộ kích điện chia thành 2 loại chính:

 Loại sóng sin chuẩn (true sine wave)

 Loại sóng mô phỏng hình sin (Modified sine wave or square wave) Inverter sin chuẩn (True sine wave): là dạng inverter cho ra sóng sin dạngchuẩn như sin thật Hầu như không có khác biệt giữa điện lưới và nguồn outputcủa inverter này Dạng sóng này có biến đổi thêm để hòa vào lưới điện Inverternối lưới chắc chắn phải dùng dạng này Nhược điểm lớn nhất của dạng này làtiêu hao cho không tải thường rất cao, nên chỉ thích hợp cho các hệ thống lớnhoặc các thiết bị y tế, hệ thống âm thanh nổi cần âm thanh chuẩn hoặc khi nốilưới

24

Hình 2.5 Mô phỏng Sine chuẩn Inverter sóng vuông (square wave): là dạng kích điện cho ra sóng vuôngnhư hình dưới đây Đây là dạng kích điện rẻ và dễ làm nhất Dạng này dùngđược cho hầu hết các thiết bị điện tần số 50-60Hz nhưng nếu sử dụng lâu chocác thiết bị sẽ làm hỏng thiết bị…

Hình 2.6 Mô phỏng sóng vuông

Hầu hết các thiết bị điện gia dụng đều hoạt động tốt với một trong hai loạitrên Nếu chỉ có nhu cầu thắp sáng đèn, bộ xạc cho điện thoại di động hoặc lònướng thì bộ kích điện mô phỏng hình sin có thể đáp ứng tốt nhu cầu này.Nhưng nếu sử dụng các thiết bị điện – điện tử có hiệu suất cao hoặc có động cơnhư : quạt, máy tính xách tay, màn hình LCD, cửa cuốn thì bắt buộc phải sửdụng bộ kích điện sin chuẩn để các thiết bị hoạt động ổn định hơn

Trên thực tế bộ kích điện (inverter) dạng mô phỏng hình sin hoặc sóngvuông được dùng cho ôtô và các ứng dụng trên ôtô như chiếu sáng, xạc điệnthoại di động, bật lửa điện… Loại này có kích thước khá nhỏ, chỉ to hơn hoặcbằng bàn tay người lớn bình thường Về cơ bản thiết bị dạng này chất lượngcũng đảm bảo, nhưng khi sử dụng phải thích hợp với thiết bị có công suất nhỏ.

26

B Nguyên lý cơ bản của kích điện dân dụng:

 Biến đổi một bước từ điện một chiều sang điện xoay chiều 220V thông quacác transitor công suất và một biến áp sắt từ ở tần số 50 Hz (bước biến đổi DC-AC)

 Biến đổi hai bước: từ điện một chiều ắc quy ở mức thấp (12, 24Vdc) sangđiện một chiều ở mức điện áp cao (khoảng 300Vdc) thông qua mạch dao độngtần số cao và biến áp xung (bước biến đổi DC-DC), rồi từ điện một chiều (lúcnày có điện thế cao) dao động thành điện xoay chiều 220Vac (tức bước biến đổiDC-AC)

Tuỳ loại nguyên lý mà kích điện được tạm phân ra thành hai loại: Loại biến đổi một bước và loại biến đổi hai bước – thường gọi là kích “điện tử”

Các kích điện kiểu “điện tử” luôn có kích thước và trọng lượng nhỏ hơn nhiều lần so với loại kích còn lại nếu cùng công suất

Khi dùng bộ kích điện, người tiêu dùng phải đặt tại vị trí thoáng mát,tránh các nơi ẩm ướt hoặc dễ cháy Người tiêu dùng tuyệt đối không được nốiđầu ra 220V của bộ kích điện với hệ thống điện lưới toàn nhà Tránh trường hợpcắm ngược vào nguồn điện, khi có điện lưới dập cầu dao gây chập cháy vì điệnxông ngược vào máy Dùng đúng công suất của máy, không được dùng quá tải.Khi dùng nhiều giờ liên tục thì chỉ nên dùng tối đa là 80% công suất máy

Ngoài ra còn có một số tiêu chí khi lựa chọn bộ kích điện như sau: