THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐÈN CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Theo tính toán của các nhà nghiên cứu, năng lượng từ mặt trời đến trái đất vào khoảng 173.000 tỉ KW. Đối với các nước phát triển, năng lượng tái tạo (NLTT) năng lượng mặt trời là nguồn quan trọng trong cán cân năng lượng và bảo vệ môi trường. NLTT cũng là nguồn cung ứng lâu dài. Các nước phát triển ở châu Âu và các châu lục khác đã có những bước phát triển ứng dụng công nghệ NLTT đáng ghi nhận.Để phát triển NLTT, nhiều nước đã đặt ra mục tiêu tỷ lệ NLTT trong tổng nhu cầu năng lượng giai đoạn 20102015 hoặc dài hơn đến 2020. Ví dụ Châu Âu EU nhắm đến mục tiêu đến 2020 sẽ có 20%, Trung Quốc 15%; Thái Lan đến 2011 sẽ có 8%; Hàn Quốc 7% đến 2010; Indonesia 15% đến 2015; Anh quốc 15% đến 2020; Thụy Điển 49% đến 2020; New Zeland 90% đến 2025; Philipine 4.7 GW đến 2013…Riêng nước Mỹ có 25 tiểu bang đặt mục tiêu 20% đến năm 2017. Năm 2009, tổng thống Mỹ Barack Obama đã ký đạo luật khôi phục và tái đầu tư nước Mỹ (American Recovery and Reinvestment Act) trong đó dành 16.8 tỷ hỗ trợ các dự án tiết kiệm năng lượng và NLTT (Energy Efficiency and Renewable EnergyEERE). Tổng thống muốn đảm bảo rằng 10% điện của nước Mỹ là NLTT như điện gió và điện mặt trời vào năm 2012 và 25% vào năm 2025 và đặt mục tiêu giảm 80% khí thải hiệu ứng nhà kính vào năm 2050.Tính đến năm 2014, doanh thu từ NLTT của Đức là 50 tỷ euro. Bên cạnh đó, việc phát triển NLTT đã cung cấp việc làm cho khoảng 350.000 người dân Đức. Chính sách phát triển NLTT của Đức nằm trong chính sách chung của EU, tức là đến năm 2020 sẽ giảm 20% những loại NL gây ô nhiễm, tăng 20% các loại NLTT. Mục tiêu của Đức là đến năm 2020, NLTT sẽ chiếm tối thiểu 30% tổng nhu cầu năng lượng.Ở các nước phát triển thì công nghệ chế tạo thiết bị sử dụng NLTT đã phát triển từ lâu đạt chất lượng rất cao, độ bền tốt, mức độ tự động hoá cao và có thị trường toàn thế giới. Không những chế tạo sản phẩm để bán mà các nước này đã và đang xuất các công nghệ chế tạo thiết bị sang các nước theo nhiều hình thức.Việc ứng dụng công nghệ NLTT để cung cấp nhu cầu sử dụng năng lượng với quy mô nhỏ nhất là ở những khu vực không thể nối được lưới điện ở nhiều nước trên thế giới đã phát triển mạnh và đạt được hiệu quả rất cao.1.1.2. Thực trạng năng lượng tái tạo trong nước.Ở Việt Nam hiện nay vấn đề thiếu hụt năng lượng trong thời gian tới đang trở lên hiện hữu, tốc độ phát triển nguồn không theo kịp tốc độ phát triển của phụ tải, điều này nếu không giải quyết kịp thời sẽ ảnh hưởng hưởng rất lớn đến an ninh năng lượng quốc gia, ảnh hưởng hưởng đến sự phát triển của nền kinh tế và đời sống nhân dân. Vì vậy, nước ta đã đặt ra mục tiêu đến năm 2020, sản lượng điện NLTT chiếm khoảng 5% tổng nguồn điện, trong đó sẽ ưu tiên phát triển NLTT theo hướng thủy điện nhỏ, điện gió, điện mặt trời,… nhằm tăng tỷ lệ các nguồn NLTT khoảng 3% tổng năng lượng thương mại sơ cấp vào năm 2020 và 11% vào năm 2050. Chúng ta sẽ tập trung tìm hiểu về năng lượng mặt trời. Về vấn đề nguồn năng lượng mặt trời, Việt Nam có lợi thế là một trong những nước nằm trong giải phân bổ ánh nắng mặt trời nhiều nhất trong năm trên bản đồ bức xạ mặt trời của thế giới. Vị trí địa lý đã ưu ái cho Việt Nam một nguồn năng lượng tái tạo vô cùng lớn đó là năng lượng mặt trời. Trải dài từ vĩ độ 23023’Bắc đến 8027’ Bắc, Việt Nam nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao. Năng lượng mặt trời ở Việt Nam có sẵn quanh năm, khá ổn định và phân bố rộng rãi trên các miền khác nhau của đất nước. Đặc biệt, số ngày nắng trung bình trên các tỉnh của miền trung và miền nam là khoảng 300 ngàynăm. Với tổng số giờ nắng cao lên đến trên 2.500 giờnăm, tổng lượng bức xạ trung bình hàng năm vào khoảng 230250 kcalcm2 theo hướng tăng dần về phía Nam. Dưới đây là “ Bản đồ bức xạ mặt trời Việt Nam” do 3 viện nghiên cứu hàng đầu của Tây Ban Nha là CIEMAT, CENER, IDEA lập. Các viện nghiên cứu của Tây Ban Nha đã sử dụng các mô hình toán học để mô phỏng, tính toán trên cơ sở số liệu của 171 trạm đo khí tượng thủy văn của Việt Nam đo số giờ nắng trong 30 năm, cơ sở dữ liệu ảnh vệ tinh (ảnh phổ thị) trong 5 năm và dữ liệu của 12 trạm đo khí tượng thủy văn tự động trong 2 năm trong đó khu vực thấp nhất có lượng bức xạ mặt trời là 3kwhm2 ngày , khu vực cao nhất lượng bức xạ mặt trời nên đến 5,6 kwhm2 ngày. 1.2.1. Cấu tạo và phân loại Pin măt trời Pin năng lượng mặt trời là thiết bị giúp chuyển hóa trực tiếp năng lượng ánh sáng mặt trời (quang năng) thành năng lượng điện (điện năng) dựa trên hiệu ứng quang điện. Hiệu ứng quang điện là khả năng phát ra điện tử (electron) khi được ánh sáng chiếu vào của vật chất. Vật liệu xuất phát để làm pin mặt trời silic phải là bán dẫn silic tinh khiết. Ở dạng tinh khiết, còn gọi là bán dẫn ròng số hạt tải (hạt mang điện) là electron và số hạt tải là lỗ trống (hole) như nhau. Để làm pin Mặt trời từ bán dẫn tinh khiết phải làm ra bán dẫn loại n và bán dẫn loại p rồi ghép lại với nhau cho nó có được tiếp xúc p n. Thực tế thì xuất phát từ một phiến bán dẫn tinh khiết tức là chỉ có các nguyên tử Si để tiếp xúc p n, người ta phải pha thêm vào một ít nguyên tử khác loại, gọi là pha tạp. Hình 1.3. Cấu tạo của pin mặt trờiHiện nay vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời là các silic tinh thể. Pin mặt trời từ tinh thể silic chia thành 3 loại:•Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski. Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16%. Chúng thường rất mắc tiền do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này cócác mặt trống ở góc nối cácmodule.Hình 1.4. Pin mặt trời một tinh thể•Đa tinh thể làm từ các thỏi đúcđúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm nguội và làm rắn. Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể,tuy nhiên hiệu suất kém hơn. Tuy nhiên chúngcó thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinhthể bù lại cho hiệu suất thấp của nó.Hình 1.5. Pin mặt trời loại đa tinh thể•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 nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon. Các công nghệ trên là sản xuất tấm, hay các loại trên có độ dày 300 μm tạo thành và xếp lại để tạo nên module Hình 1.6. Pin mặt trời được làm từ miếng phim silic mỏng Ngoài Si, hiện nay người ta đang nghiên cứu và thử nghiệm các loại vật liệu khác có nhiều triển vọng như Sunfit cadmi đồng (CuCds), Galium arsenit (GaAs) … Dưới đây là cấu tạo một module Pin mặt trời:Hình 1.7. Cấu tạo một module pin mặt trời. 1.2.2. Nguyên lý hoạt động Pin mặt trời Silicon được biết đến là một chất bán dẫn. Chất bán dẫn là vật liệu trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Chất bán dẫn hoạt động như một chất cách điện ở nhiệt độ thấp và có tính dẫn điện ở nhiệt độ phòng. Với tính chất như vậy, silicon là một thành phần quan trọng trong cấu tạo của pin năng lượng mặt trời.

Trang 1

ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC

BÀI TIỂU LUẬN

PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG THÔNG TIN

CHƯƠNG TRÌNH QUẢN LÝ CỦA HÀNG HOA

Giáo viên: Th S Lê Văn Đạt

Lê Xuân Dương

GVHD: TS Phạm Duy Phong SVTH: Vũ Tiến Đại – Nguyễn Minh Vương

KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐÈN CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Giảng viên hướng dẫn: TS Phạm Duy Phong

Sinh viên thực hiện: Vũ Tiến Đại

Nguyễn Minh Vương

Hà Nội - 2015

Trang 2

ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC

BÀI TIỂU LUẬN

PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG THÔNG TIN

CHƯƠNG TRÌNH QUẢN LÝ CỦA HÀNG HOA

Giáo viên: Th S Lê Văn Đạt

KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐÈN CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Giảng viên hướng dẫn: TS Phạm Duy Phong

Sinh viên thực hiện: Vũ Tiến Đại

Nguyễn Minh Vương

Chuyên ngành: Điện Tử Viễn Thông

Hà Nội - 2015

Trang 3

LỜI MỞ ĐẦU

Năng lượng và sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả là vấn đề cấp thiết đượcchính phủ, các bộ ngành và các địa phương rất quan tâm Trong các nguồn năng lượngtái tạo, năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng có tiềm năng rất lớn, cung cấp ởphạm vi rộng, việc phát triển và ứng dụng năng lượng mặt trời đã đáp ứng một phầnnhu cầu điện năng sử dụng trong sản xuất, đời sống và sinh hoạt của người dân, gópphần bảo vệ môi trường và chống biến đổi khí hậu

Công nghệ, thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời đã được hoàn thiện và thương mạihóa, các nước trên thế giới và tại Việt Nam đã ứng dụng năng lượng mặt trời để đápứng nhu cầu sử dụng năng lượng với quy mô nhỏ nhất là ở những khu vực chưa thểnối được lưới điện đã phát triển mạnh và đạt được hiệu quả cao Trong những năm gầnđây, Việt Nam quan tâm đầu tư cho nghiên cứu khai thác sử dụng nguồn năng lượngmặt trời, ứng dụng các công nghệ quang điện tiên tiến để cấp điện và quang nhiệt đểcấp nhiệt phục vụ nhu cầu của người dân và phát triển kinh tế, xã hội

Trong đó, nguồn năng lượng mặt trời được đánh giá rất dồi dào, phong phú và lànguồn năng lượng cơ bản có tính chiến lược không chỉ cấp điện cho vùng chưa có điệnlưới mà còn là nguồn bổ sung quan trọng cho hệ thống năng lượng quốc gia, góp phầnđảm bảo an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường sống Việt Nam đã ứng dụng nănglượng mặt trời để cấp điện, nhiều địa phương trong cả nước đã sử dụng năng lượngmặt trời trong chiếu sáng công cộng

Hệ thống chiếu sáng công cộng là một trong những hạng mục công trình hạ tầng kỹthuật quan trọng, tiêu thụ lượng điện năng tương đối lớn và có nhiều tiềm năng để tiếtkiệm Tuy nhiên, đứng trước nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng tăng, nên việcứng dụng các giải pháp để sử dụng điện tiết kiệm, hiệu quả trong chiếu sáng công cộngđang nhận được sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học

Trang 4

Do đó, phần đồ án này tập trung thiết kế bộ điều khiển sạc và bộ điều khiển chiếusáng để đảm bảo hiệu quả chiếu sáng công cộng đạt hiệu suất cao Đồ án của chúng

em gồm 03 chương:

 Chương 1: Hệ thống chiếu sáng công cộng sử dụng năng lượng mặt trời

 Chương 2: Xây dựng, thiết kế mô hình đèn chiếu sáng sử dụng năng lượngmặt trời

 Chương 3: Chế tạo bộ điều khiển đèn chiếu sáng sử dụng năng lượng mặttrời

Do một vài yếu tối khách quan và chủ quan nên đồ án còn có những hạn chế Emrất mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô cũng như các bạn để đồ án của emđược hoàn thiện hơn nữa

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy Phạm Duy Phong đã tận tình hướng dẫngiúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện đồ án này

Em xin chân thành cảm ơn!

Trang 5

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, em muốn được bày tỏ sự biết ơn sâu sắc tới thầy hướng dẫn của em làthầy TS Phạm Duy Phong – Giảng viên Trường Đại học Điện Lực đã tận tình hướngdẫn em trong suốt quá trình thực hiện đồ án này

Em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới các Thầy Cô giáo trong và ngoàitrường Đại Học Điện Lực đã giảng dạy em trong 4, 5 năm qua, những kiến thức vàkinh nghiệm quý báu mà Thầy Cô đã truyền đạt cho em trên giảng đường đại học lànền tảng giúp em hoàn thành bài đồ án này và là hành trang vững chắc cho em trongbước đường tương lai

Em xin trân trọng cảm ơn các Thầy, Cô giáo trong Khoa Điện Tử Viễn Thông đãtận tình giúp đỡ và tạo điều kiện giúp em hoàn thành phần đồ án của mình

Trong quá trình làm đồ án khó có thể tránh khỏi những sai sót, em rất mong nhậnđược sự góp ý của Thầy Cô giáo cũng như của các bạn

Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn !

Trang 6

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

………

Giảng viên hướng dẫn TS Phạm Duy Phong

GVHD: TS Phạm Duy Phong SVTH: Vũ Tiến Đại - Nguyễn Minh Vương

Trang 7

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

………

Giảng viên phản biện

Trang 8

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 – HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1

1.1 Năng lượng mặt trời. 1

1.1.1 Thực trạng năng lượng tái tạo các nước trên thế giới. 1

1.1.2 Thực trạng năng lượng tái tạo trong nước. 2

1.2 Nghiên cứu tìm hiểu về cấu tạo và nguyên lý của pin mặt trời 4

1.2.1 Cấu tạo và phân loại Pin măt trời 4

1.2.2 Nguyên lý hoạt động Pin mặt trời 7

1.2.3 Ứng dụng pin mặt trời 10

CHƯƠNG 2 – XÂY DỰNG THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐÈN CHIẾU SÁNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 13

2.1 Tính toán, đáng giá lựa chọn tấm pin năng lượng mặt trời. 13

2.1.1 Đánh giá lựa chọn tấm pin mặt trời. 13

2.1.2 Tính toán số tấm pin năng lượng mặt trời (PV modul) 14

2.2 Tính toán, đánh giá lựa chọn ắc quy 15

2.3 Thiết kế bộ điều khiển. 18

2.3.1 Thiết kế bộ điều khiển sạc. 18

2.3.2 Thiết kế bộ điều khiển đèn chiếu sáng. 21

2.4 Thiết kế module truyền tín hiệu điều khiển. 40

2.4.1 Giới thiệu về công nghệ GSM 40

2.4.2 Đặc điểm của công nghệ GSM 40

2.4.3 Tổng quan về Module SIM900 41

CHƯƠNG 3 CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐÈN CHIẾU SÁNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 44

3.1 Chế tạo bộ điều khiển nạp ắc quy 44

3.2 Chế tạo bộ điều khiển. 45

3.3 Chế tạo module truyền tín hiệu điều khiển. 47

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 51

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 52

PHỤ LỤC

Trang 9

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Bản đồ bức xạ mặt trời Việt Nam 3

Hình 1.2 Hình ảnh các cột đèn sử dụng năng lượng mặt trời 4

Hình 1.3 Cấu tạo của pin mặt trời 5

Hình 1.4 Pin mặt trời một tinh thể 5

Hình 1.5 Pin mặt trời loại đa tinh thể 5

Hình 1.6 Pin mặt trời được làm từ miếng phim silic mỏng 6

Hình 1.7 Cấu tạo một module pin mặt trời 6

Hình 1.8 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 7

Hình 1.9 Sự dịch chuyển các điện tích trong pin mặt trời 10

Hình 1.10 Xe ô tô chạy bằng năng lượng mặt trời 11

Hình 1.11 Máy bay sử dụng năng lượng mặt trời 12

Hình 2.1 Đường đặc tuyến của công suất P 19

Hình 2.2 Đường đặc tuyến V, I thể hiện công suất tại mỗi thời điểm 20

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển sạc 21

Hình 2.5 Khối nguồn của bộ điều khiển 23

Hình 2.6 Khối màn hình hiển thị LCD 25

Hình 2.7 Hình ảnh thực tế của LCD 26

Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý bàn phím và còi 29

Hình 2.9 Sơ đồ chân và chip ATmega128 31

Hình 2.10 Thanh ghi DDRA 33

Hình 2.11 Thanh ghi PORTA 33

Hình 2.12 Thanh ghi PINA 34

Hình 2.13 Khối điều khiển trung tâm 35

Hình 2.14 Sơ đồ chân của DS1307 36

Hình 2.15 Mạch nguyên lý khối thời gian thực 37

Hình 2.16 Khối relay điều khiển tải 38

Hình 2.17 Lưu đồ thuật toán của chương trình điều khiển 39

Hình 2.18 GSM Module Sim900 42

Hình 3.1 Mạch in của mạch điều khiển sạc được thiết kế 44

Hình 3.2 Sơ đồ khối của bộ điều khiển 45

Trang 10

Hình 3.3 Mạch in của bộ điều khiển 46

Hình 3.4 Định dạng 3D thể hiện rõ vị trí linh kiện trong mạch 46

Hình 3.5 Module SIM 900A 47

Hình 3.6 Khối nguồn cung cấp điện áp cho Module SIM 48

Hình 3.7 Socket gắn thẻ SI 48

Hình 3.8 Khối xử lý chính và anten của Module SIM 900A 49

Trang 11

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Quan hệ giữa cường độ dòng điện và tiết diện dây dẫn 18

Bảng 2.2 Chức năng từng chân của LCD 26

Bảng 2.3 Đặc tính điện của LCD 27

Bảng 2.4 Đặc tính thời gian của LCD 28

Bảng 2.5 Các lệnh điều khiển hiển thị LCD 28

Trang 12

CHƯƠNG 1 – HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG SỬ DỤNG

NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI1.1 Năng lượng mặt trời.

1.1.1 Thực trạng năng lượng tái tạo các nước trên thế giới

Theo tính toán của các nhà nghiên cứu, năng lượng từ mặt trời đến trái đất vàokhoảng 173.000 tỉ KW Đối với các nước phát triển, năng lượng tái tạo (NLTT) nănglượng mặt trời là nguồn quan trọng trong cán cân năng lượng và bảo vệ môi trường.NLTT cũng là nguồn cung ứng lâu dài Các nước phát triển ở châu Âu và các châu lụckhác đã có những bước phát triển ứng dụng công nghệ NLTT đáng ghi nhận

Để phát triển NLTT, nhiều nước đã đặt ra mục tiêu tỷ lệ NLTT trong tổng nhu cầunăng lượng giai đoạn 2010-2015 hoặc dài hơn đến 2020 Ví dụ Châu Âu EU nhắm đếnmục tiêu đến 2020 sẽ có 20%, Trung Quốc 15%; Thái Lan đến 2011 sẽ có 8%; HànQuốc 7% đến 2010; Indonesia 15% đến 2015; Anh quốc 15% đến 2020; Thụy Điển49% đến 2020; New Zeland 90% đến 2025; Philipine 4.7 GW đến 2013…

Riêng nước Mỹ có 25 tiểu bang đặt mục tiêu 20% đến năm 2017 Năm 2009, tổngthống Mỹ Barack Obama đã ký đạo luật khôi phục và tái đầu tư nước Mỹ (AmericanRecovery and Reinvestment Act) trong đó dành $16.8 tỷ hỗ trợ các dự án tiết kiệmnăng lượng và NLTT (Energy Efficiency and Renewable Energy-EERE) Tổng thốngmuốn đảm bảo rằng 10% điện của nước Mỹ là NLTT như điện gió và điện mặt trờivào năm 2012 và 25% vào năm 2025 và đặt mục tiêu giảm 80% khí thải hiệu ứng nhàkính vào năm 2050

Tính đến năm 2014, doanh thu từ NLTT của Đức là 50 tỷ euro Bên cạnh đó, việcphát triển NLTT đã cung cấp việc làm cho khoảng 350.000 người dân Đức Chínhsách phát triển NLTT của Đức nằm trong chính sách chung của EU, tức là đến năm

2020 sẽ giảm 20% những loại NL gây ô nhiễm, tăng 20% các loại NLTT Mục tiêu củaĐức là đến năm 2020, NLTT sẽ chiếm tối thiểu 30% tổng nhu cầu năng lượng

Ở các nước phát triển thì công nghệ chế tạo thiết bị sử dụng NLTT đã phát triển từlâu đạt chất lượng rất cao, độ bền tốt, mức độ tự động hoá cao và có thị trường toàn thếgiới Không những chế tạo sản phẩm để bán mà các nước này đã và đang xuất cáccông nghệ chế tạo thiết bị sang các nước theo nhiều hình thức

GVHD: TS Phạm Duy Phong Trang 1 SVTH: Vũ Tiến Đại- Nguyễn Minh Vương

Trang 13

Việc ứng dụng công nghệ NLTT để cung cấp nhu cầu sử dụng năng lượng với quy

mô nhỏ nhất là ở những khu vực không thể nối được lưới điện ở nhiều nước trên thếgiới đã phát triển mạnh và đạt được hiệu quả rất cao

1.1.2 Thực trạng năng lượng tái tạo trong nước

Ở Việt Nam hiện nay vấn đề thiếu hụt năng lượng trong thời gian tới đang trở lênhiện hữu, tốc độ phát triển nguồn không theo kịp tốc độ phát triển của phụ tải, điều nàynếu không giải quyết kịp thời sẽ ảnh hưởng hưởng rất lớn đến an ninh năng lượngquốc gia, ảnh hưởng hưởng đến sự phát triển của nền kinh tế và đời sống nhân dân

Vì vậy, nước ta đã đặt ra mục tiêu đến năm 2020, sản lượng điện NLTT chiếmkhoảng 5% tổng nguồn điện, trong đó sẽ ưu tiên phát triển NLTT theo hướng thủyđiện nhỏ, điện gió, điện mặt trời,… nhằm tăng tỷ lệ các nguồn NLTT khoảng 3% tổngnăng lượng thương mại sơ cấp vào năm 2020 và 11% vào năm 2050 Chúng ta sẽ tậptrung tìm hiểu về năng lượng mặt trời

Về vấn đề nguồn năng lượng mặt trời, Việt Nam có lợi thế là một trong những nướcnằm trong giải phân bổ ánh nắng mặt trời nhiều nhất trong năm trên bản đồ bức xạ mặttrời của thế giới Vị trí địa lý đã ưu ái cho Việt Nam một nguồn năng lượng tái tạo vôcùng lớn đó là năng lượng mặt trời Trải dài từ vĩ độ 23023’Bắc đến 8027’ Bắc, ViệtNam nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao Năng lượng mặttrời ở Việt Nam có sẵn quanh năm, khá ổn định và phân bố rộng rãi trên các miền khácnhau của đất nước Đặc biệt, số ngày nắng trung bình trên các tỉnh của miền trung vàmiền nam là khoảng 300 ngày/năm Với tổng số giờ nắng cao lên đến trên 2.500giờ/năm, tổng lượng bức xạ trung bình hàng năm vào khoảng 230-250 kcal/cm2 theohướng tăng dần về phía Nam

Dưới đây là “ Bản đồ bức xạ mặt trời Việt Nam” do 3 viện nghiên cứu hàng đầu của

Tây Ban Nha là CIEMAT, CENER, IDEA lập

Các viện nghiên cứu của Tây Ban Nha đã sử dụng các mô hình toán học để môphỏng, tính toán trên cơ sở số liệu của 171 trạm đo khí tượng thủy văn của Việt Nam

đo số giờ nắng trong 30 năm, cơ sở dữ liệu ảnh vệ tinh (ảnh phổ thị) trong 5 năm và dữliệu của 12 trạm đo khí tượng thủy văn tự động trong 2 năm trong đó khu vực thấpnhất có lượng bức xạ mặt trời là 3kwh/m2 ngày , khu vực cao nhất lượng bức xạ mặttrời nên đến 5,6 kwh/m2 ngày

Trang 14

Hình 1.1 Bản đồ bức xạ mặt trời Việt Nam.

“Bản đồ bức xạ mặt trời Việt Nam” là cơ sở dữ liệu quan trọng giúp cơ quan nhà nước

xây dựng chính sách khuyến khích phát triển điện mặt trời ở Việt Nam, xây dựng cácquy hoạch tiềm năng phát triển điện mặt trời và công nghệ năng lượng mặt trời mộtcách hiệu quả

Ở Việt Nam, điện năng dùng cho chiếu sáng chiếm 35% tổng điện năng tiêuthụ Trong đó, hệ thống chiếu sáng công cộng đang là lĩnh vực có tiềm năng tiết kiệmnăng lượng rất lớn do sử dụng công nghệ tiêu tốn năng lượng, thiết kế, lắp đặt thiết bịchiếu sáng chưa hiệu quả và sử dụng điện trong chiếu sáng còn rất lãng phí Hệ thốngcác trạm điều khiển đèn vẫn chỉ được điều khiển bẳng tủ cục bộ và hầu như chưa cóthiết bị điều khiển chiếu sáng cho hệ thống (điều khiển công suất – cường độ chiếusáng, thời gian chiếu sáng…) Hệ thống đèn chiếu sáng công cộng sử dụng

Trang 15

năng lượng mặt trời là một hệ thống giúp làm giảm lượng điện tiêu thụ chiếu sángbằng việc sử dụng những tấm pin năng lượng mặt trời Dưới đây là hình ảnh một sốsản phẩm đã được lắp đặt:

Hình 1.2 Hình ảnh các cột đèn sử dụng năng lượng mặt trời.

Trang 16

1.2 Nghiên cứu tìm hiểu về cấu tạo và nguyên lý của pin mặt trời

1.2.1 Cấu tạo và phân loại Pin măt trời

Pin năng lượng mặt trời là thiết bị giúp chuyển hóa trực tiếp năng lượng ánh sángmặt trời (quang năng) thành năng lượng điện (điện năng) dựa trên hiệu ứng quangđiện Hiệu ứng quang điện là khả năng phát ra điện tử (electron) khi được ánh sángchiếu vào của vật chất

Vật liệu xuất phát để làm pin mặt trời silic phải là bán dẫn silic tinh khiết Ởdạng tinh khiết, còn gọi là bán dẫn ròng số hạt tải (hạt mang điện) là electron và số hạttải là lỗ trống (hole) như nhau Để làm pin Mặt trời từ bán dẫn tinh khiết phải làm rabán dẫn loại n và bán dẫn loại p rồi ghép lại với nhau cho nó có được tiếp xúc p- n Thực tế thì xuất phát từ một phiến bán dẫn tinh khiết tức là chỉ có các nguyên tử

Si để tiếp xúc p- n, người ta phải pha thêm vào một ít nguyên tử khác loại, gọi là phatạp

Hình 1.3 Cấu tạo của pin mặt trời

Hiện nay vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời là các silic tinh thể Pin mặt trời từ tinhthể silic chia thành 3 loại:

 Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski.Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16%

Chúng thường rất mắc tiền

Trang 17

do được cắt từ các thỏi hình

ống, các tấm đơn thể này có

các mặt trống ở góc nối các

module

Hình 1.4 Pin mặt trời một tinh thể

Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc-đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm nguội

và làm rắn Các pin này thường rẻ

hơn các đơn tinh thể,tuy nhiên hiệu suất

kém hơn Tuy nhiên chúng

có thể tạo thành các tấm vuông

che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh

thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó

Hình 1.5 Pin mặt trời loại đa tinh thể

 Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinhthể Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại

vì không cần phải cắt từ thỏi silicon Các công nghệ trên là sản xuất tấm, hay cácloại trên có độ dày 300 μm tạo thành và xếp lại để tạo nên modulem tạo thành và xếp lại để tạo nên module

Hình 1.6 Pin mặt trời được làm từ miếng phim silic mỏng

Ngoài Si, hiện nay người ta đang nghiên cứu và thử nghiệm các loại vật liệu khác cónhiều triển vọng như Sunfit cadmi- đồng (CuCds), Galium- arsenit (GaAs) …

Dưới đây là cấu tạo một module Pin mặt trời:

Trang 18

Hình 1.7 Cấu tạo một module pin mặt trời.

Trang 19

1.2.2 Nguyên lý hoạt động Pin mặt trời

Silicon được biết đến là một chất bán dẫn "Chất bán dẫn là vật liệu trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện Chất bán dẫn hoạt động như một chất cách điện

ở nhiệt độ thấp và có tính dẫn điện ở nhiệt độ phòng" Với tính chất như vậy, silicon là

một thành phần quan trọng trong cấu tạo của pin năng lượng mặt trời

Hình 1.8 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

Nguyên tử Si có 4 electron ở vành ngoài, cùng dùng để liên kết với bốn nguyên tử

Si gần đó (cấu trúc kiểu như kim cương) Nếu pha tạp vào Si một ít nguyên tử pho P có 5 electron ở vành ngoài, electron thừa ra không dùng để liên kết nên dễchuyển động hơn làm cho bán dẫn pha tạp trở thành có tính dẫn điện electron, tức làbán dẫn loại n (negative- âm) Ngược lại nếu pha tạp vào Si một ít nguyên tử bo B có 3electron ở vành ngoài, tức là thiếu một electron mới đủ tạo thành 4 mối liên kết nên cóthể nói là tạo thành lỗ trống (hole) Vì là thiếu electron nên lỗ trống mạng điện dương,bán dẫn pha tạp trở thành có tính dẫn điện lỗ trống, tức là bán dẫn loại p (positive -dương) Vậy trên cơ sở bán dẫn tinh khiết có thể pha tạp để trở thành có lớp là bán dẫn

Trang 20

loại n, có lớp bán dẫn loại p, lớp tiếp giáp giữa hai loạị chính là lớp chuyển tiếp p- n Ởchỗ tiếp xúc p- n này một ít electron ở bán dẫn loại n chạy sang bán dẫn loại p lấp vào

lỗ trống thiếu electron, ở đó Kết quả là ở lớp tiếp xúc p-n có một vùng thiếu electroncũng thiếu cả lỗ trống, người ta gọi đó là vùng nghèo Sự dịch chuyển điện tử để lấpvào lỗ trống tạo ra vùng nghèo này cũng tạo nên hiệu thế gọi là hiệu thế ở tiếp xúc p-

n, đối với Si vào cỡ 0,6V đến 0,7V Đây là hiệu thế sinh ra ở chỗ tiếp xúc không tạo radòng điện được

Nhưng nếu đưa phiến bán dẫn đã tạo lớp tiếp xúc p- n phơi cho ánh sáng mặt trờichiếu vào thì photon của ánh sáng mặt trời có thể kích thích làm cho điện tử đang liênkết với nguyên tử bị bật ra khỏi nguyên tử, đồng thời ở nguyên tử xuất hiện chỗ trống

vì thiếu electron, người ta gọi là photon đến tạo ra cặp electron- lỗ trống Nếu cặpelectron- lỗ trống này sinh ra ở gần chỗ có tiếp p- n thì hiệu thế tiếp xúc sẽ đẩyelectron về một bên (bên bán dẫn n) đẩy lỗ trống về một bên (bên bán dẫn p) Nhưng

cơ bản là electron đã nhảy từ miền hoá trị (dùng để liên kết) lên miền dẫn ở mức caohơn, có thể chuyển động tự do Càng có nhiều photon chiếu đến càng có nhiều cơ hội

để electron nhảy lên miền dẫn

Nếu ở bên ngoài ta dùng một dây dẫn nối bán dẫn loại n với bán dẫn loại p (qua mộtphụ tải như lèn LED chẳng hạn) thì electron từ miền dẫn của bán dẫn loại n sẽ quamạch ngoài chuyển đến bán dẫn loại p lấp vào các lỗ trống Đó là dòng điện pin Mặttrời silic sinh ra khi được chiếu sáng Dùng bán dẫn silic tạo ra tiếp xúc p- n để từ đólàm pin Mặt trời là một tiến bộ lớn trên con đường trực tiếp biến ánh sáng Mặt trờithành dòng điện để sử dụng Tuy nhiên pin Mặt trời silic có một số hạn chế về kinh tế,

kỹ thuật

- Vật liệu xuất phát là silic tinh khiết nên rất đắt Ban đầu là làm từ silic đơn tinhthể dùng trong công nghệ vi điện tử, tuy chỉ là dùng đầu thừa đuôi thẹo nhưnggiá vẫn là khá cao Đã có những cách dùng silic đa tinh thể, silic vô định hìnhtuy hiệu suất thấp hơn nhưng bù lại giá rẻ hơn Nhưng xét cho cùng thì vật liệusilic sử dụng phải là tinh khiết nên giá thành rẻ hơn không nhiều

Trang 21

- Đối với silic, để đưa electron từ miền hoá trị lên miền dẫn phải tốn năng lượng

cỡ 1,1eV Vậy năng lượng của photon đến phải bằng hoặc cao hơn 1,1eV mộtchút là đủ để kích thích eletron nhảy lên miền dẫn, từ đó tham gia tạo thànhdòng điện của pin Mặt trời Photon ứng với năng lượng 1,1 eV có bước sóng cỡ

1 m tức là hồng ngoại Vậy photon có các bước sóng lục, lam, tử ngoại là cónăng lượng quá thừa thãi để kích thích điện tử của Si nhảy lên miền dẫn

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 photontruyền năng lượng của chúng tới các electron rời rạc, kích thích làm cho electron đangliên kết với nguyên tử bị bật ra khỏi nguyên tử, đồng thời ở nguyên tử xuất hiện chỗtrống vì thiếu electron

Tuy nhiên giải phóng các electron chỉ mới là một nửa công việc của pin nănglượng mặt trời, sau đó nó cần phải dồn các electron rải rác này vào một dòng điện.Điều này liên quan đến việc tạo ra một sự mất cân bằng điện trong pin mặt trời, có tácdụng giống như 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 của silicon Nguyên

tử silicon được sắp xếp cùng nhau trong một cấu trúc ràng buộc chặt chẽ Bằng cách

ép một số lượng nhỏ các nguyên tố khác vào cấu trúc này, sẽ có hai loại silicon khácnhau được tạo ra: loại n và loại p

Chất bán dẫn loại n (bán dẫn âm- Negative) có tạp chất là các nguyên tố thuộcnhóm V, các nguyên tử này dùng 4 electron tạo liên kết và một electron lớp ngoài liênkết lỏng lẻo với nhân, đấy chính là các electron dẫn chính Chất bán dẫn loại p (bándẫn dương- 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 năng lượng mặt trời,electron dẫn chính của loại n sẽ nhảy qua để lấp đầy những khoảng trống của loại p.Điều này có nghĩa là silicon loại n tích điện dương và silicon loại p được tích điện âm,tạo ra một điện trường trên pin mặt trời Vì silicon là một chất bán dẫn nên có thể hoạtđộng như một chất cách điện và duy trì sự mất cân bằng này

Trang 22

Khi làm cho electron đang liên kết với nguyên tử bị bật ra khỏi nguyên tử silicon,photon trong ánh sáng mặt trời đưa các electron này vào một trật tự nhất định, cungcấp dòng điện nhất định, tức là tạo ra một điện thế.

Hình 1.9 Sự dịch chuyển các điện tích trong pin mặt trời.

1.2.3 Ứng dụng pin mặt trời

Pin mặt trời là phương pháp sản suất điện trực tiếp từ NLMT qua thiết bị biếnđổi quang điện Pin mặt trời có ưu điểm gọn nhẹ có thể lắp đặt ở bất kì đâu có ánhnắng mặt trời, đặc biệt là trong lĩnh vực tàu vũ trụ Ứng dụng NLMT dưới dạng nàyđược phát triển với tốc độ rất nhanh nhất là ở các nước phát triển Ngày nay con người

đã ứng dụng pin mặt trời trong nhiều dụng cụ các nhân như: máy tính đồng hồ và các

đồ dùng hằng ngày Pin mặt trời còn dùng để chạy xe ô tô thay thế dần nguồn nănglượng truyền thống, dùng thắp sáng đèn đường, đèn sân vườn và sử dụng trong từng

hộ gia đình Trong công nghiệp người ta cũng bắt đầu lắp đặt các hệ thống dùng pinmặt trời với công suất lớn Một số ứng dụng năng lượng mặt trời tiêu biểu:

Trang 23

- Xe ô tô sử dụng năng lượng mặt trời thường được lắp một số tấm năng lượng

mặt trời ở trên mui xe Còn đối với xe đạp năng lượng mặt trời thì các tấm năng lượngmặt trời được gắn trên áo của người lái xe Những loại xe này chủ yếu được sử dụngcho mục đích trình diễn và thử nghiệm về kỹ thuật Người lái xe có thể theo dõi lượngnăng lượng tiêu hao và lượng năng lượng mặt trời thu được qua các loại đồng hồ đolắp trên xe

Hình 1.10 Xe ô tô chạy bằng năng lượng mặt trời.

Trên thế giới hiện nay có một số giải đua xe năng lượng mặt trời, trong đó có 2giải tương đối nổi tiếng là giải The World Solar Challenge được tổ chức ở Úc với quyđịnh người tham gia phải vượt qua một quãng đường dài đến 3.000 km xuyên quanước Úc Giải thứ hai là The North American Solar Challenge lần đầu được tổ chứcvào năm 2008 với chặng đua từ bang Texas- Hoa Kỳ đến Canada

Chiếc máy bay mang tên The Solar Impulse với 12.000 tế bào quang điện trên cánh làmột mẫu thử của máy bay năng lượng mặt trời, chiếc máy bay này đã có chuyến bayvòng quang thế giới vào năm 2012 Trước đó vào tháng 4/2012, The Solar Impulse đãbay trên vùng trời Switzerland trong 87 phút ở độ cao 1.200 mét

Trang 24

Hình 1.11 Máy bay sử dụng năng lượng mặt trời

Thân chiếc máy bay này được làm từ vật liệu sợi carbon để đạt trọng lượng nhẹnhất Thời gian để chế tạo ra chiếc máy bay độc đáo này lên đến 6 năm Với sải cánhtương đương máy bay Airbus 340 (63,4 mét) và cân nặng khoảng 1,5 tấn, chiếc máybay này được trang bị 4 động cơ điện để có thể bay được cả ngày lẫn đêm nhờ vàonăng lượng mặt trời được chuyển hóa thông qua các tế bào quang điện và tồn trữ trongcác bộ pin có hiệu suất rất cao Tốc độ lớn nhất theo thiết kế vào khoảng 44 km/giờ và

độ cao tối đa là 8 km

Trang 25

CHƯƠNG 2 – XÂY DỰNG THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐÈN CHIẾU SÁNG SỬ

DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 2.1 Tính toán, đáng giá lựa chọn tấm pin năng lượng mặt trời.

2.1.1 Đánh giá lựa chọn tấm pin mặt trời

Tấm pin năng lượng mặt trời được đánh giá rất cao khi:

Hiệu suất chuyển đổi quang năng thành điện năng cao nhất, như các công nghệ hiện nay ( PV, Mono Crystalline, Poly Crystalline… ) có thể chuyển đổi trung bình từ14% lên tới 35%, nghĩa là khi năng lượng mặt trời đạt 1000w/m2 (ở điều kiện môi trường tiêu chuẩn) tấm pin sẽ sản xuất ra lượng điện năng tương đương đạt từ 140w/h cho tới 350w/h/m2

Độ bền về lượng điện năng sản xuất ra ổn định suy giảm thấp nhất sau nhiều năm sử dụng, hiện tại trung bình khoảng đạt 80-90% công suất thiết kế sau 25-30 năm

sử dụng

Ngoài ra, chúng ta nên sử dụng một bộ kích điện Apollo sóng sin chuẩn (PureSine Wave) cho hệ thống, vì năng lượng điện sạch này sẽ giúp đảm bảo an toàn tuyệtđối cho các thiết bị điện tử cao cấp của bạn như: tivi, dàn âm thanh, máy bơm, quạtđiện, điều hòa…và luôn đảm bảo nguồn điện sạch cho như cho hệ thống dàn âm thanhcao cấp Hi-end mà không cần ổn áp, bộ lọc…

PV hệ thống cũng làm việc tốt trong thời tiết lạnh Trong thực tế, PV tạo rađiện từ ánh sáng, không nhiệt Nó sẽ sản xuất điện tốt hơn trong khu vực lạnh hơntrong một khu vực nóng với cùng một lượng ánh sáng mặt trời Đối với các thiết bịtiêu dùng, PV có thể lên đến 100 lần rẻ hơn pin Vòng đời của một module PV phụthuộc vào chất lượng của các tế bào năng lượng mặt trời module chất lượng hàng đầu,chẳng hạn như các Cell module năng lượng mặt trời kiểm soát chất lượng của riêngmình trong sản xuất thiệt bị di động, được thiết kế để tạo ra điện cho ít nhất 30 năm.Với năng lượng mặt trời Cell 25 năm giới hạn bảo hành, module năng lượng mặt trờiđược bảo hành để sản xuất 80% năng lượng ban đầu theo công suất thiết kế ban đầu.Trên thực tế, hầu hết các pin mặt trời lắp đặt cách đây 20 năm về trước vẫn làm việctốt cho đến nay và đạt hiệu suất trên 95% với công suất thiết kế ban đầu Sự khác biệtgiữa các module công nghệ đơn tinh thể (Mono Crystallie) và đa tinh thể (PolyCrytalline) là hiệu suất pin mặt trời đơn tinh thể là cao hơn so với đa tinh thể Cell tế

Trang 26

bào năng lượng mặt trời hiệu quả và đang phổ biến ở khoảng 16% và 17% Tuy nhiên,khi so sánh các đặc điểm và sản xuất điện ở các Cell mô-đun năng lượng mặt trời đơntinh thể và đa tinh thể cơ bản giống nhau Nghĩa là cùng công suất tấm như nhau thìlượng điện sản sinh ra gần như nhau.

2.1.2 Tính toán số tấm pin năng lượng mặt trời (PV modul)

Tính tổng lượng tiêu thụ điện (watt-hour) của tất cả các thiết bị mà hệ thốngsolar phải cung cấp mỗi ngày

Tính tổng số Watt-hour sử dụng mỗi ngày của thiết bị Cộng tất cả lại chúng ta

có tổng số Watt-hour toàn tải sử dụng mỗi ngày Ví dụ tải là bóng đèn có công suấttiêu thụ là 80W, sử dụng 8h thì mỗi ngày Watt-hour sử dụng là 80*8 = 640 wh Cứtính cho mỗi thiết bị như vậy ta được tổng Watt-hour của tất cả các đèn chiếu sáng mà

hệ solar cung cấp

Tính sự Watt-hour các tấm pin mặt trời phải cung cấp cho toàn tải mỗi ngày

Do tổn hao trong hệ thống, số Watt-hour của tấm pin mặt trời cung cấp phải cao hơntổng số Watt-hour của toàn tải Thực nghiệm cho thấy cao hơn khoảng 1,3 lần

Số Watt-hour các tấm pin mặt trời (PV modules) = 1,3 * tổng số Watt-hour toàn tải sửdụng

Thí dụ ở trên thì Watt-hour các tấm pin mặt trời là:

640*1,3 = 832 wh

Tính toán kích cỡ tấm pin mặt trời cần sử dụng

Để tính toán kích cỡ của tấm pin mặt trời cần sử dụng ta tính Watt-peak (Wp)cần có của tấm pin mặt trời Lượng Wp mà pin mặt trời tạo ra lại tùy thuộc vào khí hậucủa từng vùng trên thế giới Cùng 1 tấm ping mặt trời nhưng đặt ở nơi này thì mức độhấp thu năng lượng sẽ khác khi đặt nó nơi khác Để thiết kế chính xác, người ta phải

đo đạc khảo sát độ hấp thụ bức xạ mặt trời ở từng vùng các tháng trong năm và đưa ramột hệ số trung bình gọi là “ panel generation factor” hay là hệ số hấp thu bức xạ củapin mặt trời Hệ số panel generation factor này là tích số của hiệu suất hấp thu(collection efficiency) và độ bức xạ năng lượng mặt trời (solar radition), đơn vị của nó

là (kWh/m2/ngày)

Trang 27

Ví dụ mức hấp thu năng lượng mặt trời tại 1 địa điểm của nước Việt Nam ta là

5 kWh/m2/ngày, ta lấy tổng số Watt-hour các tấm pin mặt trời chia cho 5 ta sẽ có tổng

số Wp của tấm pin mặt trời Ví dụ ở trên thì watt-peak các tấm pin mặt trời là:

832 / 5 = 166 (Wp)Mỗi PV mà ta sử dụng đều có thông số Wp của nó, lấy tổng số Wp cần có củatấm pin mặt trời chia cho thông số Wp của nó ta sẽ có được số lượng tấm pin mặt trờicần dùng Ví dụ ở trên nếu sử dụng solar panel 85 wp số lượng panel cần phải có là:

166 / 85 ≥ 2 (tấm)Kết quả trên chỉ cho ta biết số lượng tối thiểu số lượng tấm pin mặt trời cầndùng Càng có nhiều pin mặt trời, hệ thống sẽ làm việc tốt hơn, tuổi thọ của battery sẽcao hơn Nếu có ít pin mặt trời, hệ thống sẽ thiếu điện trong những ngày râm mát, rútcạn kiệt battery và như vậy sẽ làm battery giảm tuổi thọ Nếu thiết kế nhiều pin mặttrời thì làm giá thành hệ thống cao, vượt quá ngân sách cho phép, đôi khi không cầnthiết Thiết kế bao nhiêu pin mặt trời lại còn tùy thuộc vào độ dự phòng của hệ thống.Thí dụ một hệ solar có độ dự phòng 4 ngày, (gọi là autonomy day, là những ngàykhông có nắng cho pin mặt trời sản sinh điện), thì bắt buộc lượng battery phải tănghơn và kéo theo phải tăng số lượng pin mặt trời Rồi vấn đề sử dụng pin loại nào là tối

ưu, là thích hợp vì mỗi vùng địa lý đều có thời tiết khác nhau

Còn nữa, khi ta đã có tổng số tấm pin mặt trời thì không nhất thiết phải ghépnối tiếp tất cả các tấm này lại với nhau mà có thể ghép chúng thành các tổ hợp kết hợpnối tiếp và song song, do một hay nhiều solar controller đảm nhiệm Các việc này cótương tác lẫn nhau đến cách thiết kế hệ battery và hệ solar charger sau này

2.2 Tính toán, đánh giá lựa chọn ắc quy

Ắc quy ta lựa chọn cho hệ thống là loại ắc quy có dòng xả và nạp từ từ để đảm bảothời gian chiếu sáng của hệ thống Chúng ta không dùng ắc quy có dòng xả cao nhưcác loại ắc quy dùng trong oto hay xe nâng vì như vậy hệ thống sẽ chiếu sáng đượcthời gian rất ngắn mà nên dùng loại ắc quy dùng cho các trạm BTS (ắc quy này phùhợp với đặc tính của hệ thống chiếu sáng)

Ắc quy dùng cho hệ solar là loại deep-cycle Loại này cho phếp xả đến mức bìnhthường rất thấp và cho phép nạp đầy nhạnh loại này có khả năng nạp và xả rất nhiều

Trang 28

lần (có nhiều cycle) mà không bị hỏng bên trong do vậy khá bền tuổi thọ cao Có 2phương pháp tính toán battery:

Cách thứ nhất: dựa vào lượng điện sản suất được từ các tấm pin mặt trời Dung

lượng ắc quy phải chứa được = 1.5 đến 2 lần lượng điện sản xuất được mỗi ngày Hiệusuất xả nạp của battery chỉ khoảng 70 - 80% cho nên chia số Wh do pin mặt trời sảnxuất ra với 0.7 - 0.8 rồi nhân với 1.5 đến 2 lần ta có Wh của battery

Dung lượng ắc quy:

C= (Ah)

Trong đó: N là số ngày dự trữ điện của bộ ác quy

E: nhu cầu điện năng trung bình ngày của phụ tải

V= 12v

n: hiệu suất phóng nạp của ác quy (n=0.85)

D: độ sâu phóng điện (D= 0.7)

Giả thiết hệ thống dùng 2 bóng đèn : một bóng 40w dùng để chiếu sáng cho người đi

bộ và một bóng đèn 80w dùng để chiếu sáng cho giao thông (cả hai bóng đều là đèn

led siêu sáng tiết kiệm điện) Trong một đêm ta bật hai đèn trong 10 tiếng thì tổng công suất tiêu thụ của hệ thống là: 1200wh Để đáp ứng nhu cầu chiếu sáng trong 3-5

ngày dự trữ ko có nắng liên tiếp thì dung lượng của bộ ác quy là:

C=(1.7*1200)/(12*0.85*0.7)=285,714286 (Ah)(N=1.7 ngày = 40 tiếng: tương đương với chiếu sáng được cho hệ thống trong 4 ngày) Như vậy từ tính toán ở trên ta sẽ chọn hai ác quy có dung lượng 150Ah đấu songsong

Cách thứ 2:

Dựa vào tải sử dụng, cụ thể như sau:

Số lượng battery cần dùng cho hệ solar là số lượng battery đủ cung cấp điệncho những ngày dự phòng (autonomy day) khi các tấm pin mặt trời không sản sinh rađiện được Ta tính dung lượng battery như sau:

Trang 29

- Hiệu suất xả nạp của battery chỉ khoảng 80% cho nên chia số Wh của tải tiêu thụ với0.8 ta có Wh của battery

- Với mức deep of discharge DOD (mức xả sâu) là 0.6 (hoặc thấp hơn là 0.8), ta chia

số Wh của battery cho 0.6 sẽ có dung lượng battery

=

Kết quả trên cho ta biết dung lượng battery tối thiểu cho hệ solar không có dựphòng Khi hệ solar có số ngày dự phòng (autonomy day) ta phải nhân dung lượngbattery cho số autonomy-day để có số lượng battery cần cho hệ thống

=

Hộp nối và dây nối điện

Khi lắp đặt các module hay dàn pin mặt trời, bộ acquy, các bộ điều phối trong

hệ với nhau người ta dùng các hộp nối các đầu nối riêng, tháo lắp dễ dàng Khi cầnkiểm tra sửa chữa, nhờ các hộp nối và đầu nối này, có thể tách riêng từng thành phầnhoặc các phần khác nhau trong một thành phần Các hộp nối và đầu nối của modun pinmặt trời cần được bảo vệ cẩn thận vì nó phải làm việc lâu dài ở ngoài trời

Các hệ thống pin mặt trời bao giờ cũng có một phần hoặc toàn hệ làm việc với cáchiệu điện thế thấp(ví dụ hiện điện thế của tấm pin mặt trời và acquy thường là 12V,24V, 48V…) nên dòng điện trong mạch lớn Vì vậy các dây nối trong hệ phải dùngloại tiết diện đủ lớn và bằng vật liệu có độ dẫn điện cao để giảm tổn hao năng lượngtrên các dây Việc lựa chọn tiết diện dây dẫn phụ thuộc vào cường độ dòng điện và vàovật liệu dây dẫn như bảng sau:

Dung lượng Battery (Ah)

Trang 30

Bảng 2.1 Quan hệ giữa cường độ dòng điện và tiết diện dây dẫn.

STT Tiết diện dây dẫn

2.3 Thiết kế bộ điều khiển.

2.3.1 Thiết kế bộ điều khiển sạc

Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời là một thiết bị trung gian giữa hệ các tấmpin mặt trời và hệ các bình ắc quy lưu trữ Nhiệm vụ chính của nó là "điều khiển" việcsạc bình ắc quy từ nguồn điện sinh ra từ pin mặt trời

Cụ thể là các nhiệm vụ sau:

- Bảo vệ bình ắc quy Khi bình đầy (VD 13.8V- 14V đối với ắc quy 12V) thì bộđiều khiển ngăn không cho nguồn điện tiếp tục nạp vào ắc quy có thể gây sôi bình vàlàm ảnh hưởng đến tuổi thọ của bình Khi bình gần cạn đến ngưỡng phải ngắt để bảo

vệ bình (VD 10.5V đối với ắc quy 12V), bộ điều khiển sẽ ngắt không cho sử dụng tải

để bảo vệ bình không bị "kiệt"

- Bảo vệ tấm pin mặt trời Nguyên lý của dòng điện là chảy từ nơi điện áp caođến nơi điện áp thấp Ban ngày trời nắng thì điện áp tấm pin loại 12V sẽ từ khoảng 15đến hơn 20V, cao hơn điện áp ắc quy nên dòng điện sẽ đi từ pin xuống ắc quy Nhưngban đêm 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 hiệu suất tấmpin dần dần và có thể hỏng tấm pin Vậy nên bộ điều khiển sẽ ngăn một cách triệt đểkhông để cho dòng điện có thể đi ngược lên tấm pin để tránh hiện tượng trên

- Điều quan trọng nhất: giúp chúng ta đạt hiệu suất cao nhất từ tấm pin mặt trời

Có chức năng này thì thiết bi này mới có tên gọi là "điều khiển", nghĩa là thiết bị này

Trang 31

điều khiển làm sao để công suất sạc đạt cực đại Pmax, nâng cao hiệu suất sử dụng củatấm pin mặt trời.

Các bộ điều khiển sạc kiểu cũ đơn giản thì chỉ điều khiển đóng cắt khi bình đầy hoặcbình cạn và bảo vệ không cho điện trào lên pin, hiện đại hơn là sử dụng phương phápđiều khiển điều rộng xung PWM (Pulse- Width- Modulation) sử dụng mạch transitorđóng cắt liên tục để ổn áp sạc cho ắc quy, phương pháp này có nhược điểm lớn là làmhao phí khoảng trên dưới 20% lượng điện sạc từ pin mặt trời Các bộ điều khiển sạchiện 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 để sạc cho ắcquy Công suất cực đại minh họa trong hình dưới đây là diện tích hình chữ nhật màuxám

Hình 2.1 Đường đặc tuyến của công suất P

- Một số chức năng khác như: Hiển thị mức điện còn trong hệ bình ắc quy, bảo vệ quátải, chập mạch trong hệ thống, các chức năng bổ sung như tự động bật tắt thiết bị, tạodòng 5V để sạc điện thoại

Phương pháp sạc MPPT (Maximum Power Point Tracker) là phương pháp dò tìm điểmlàm việc có công suất tối ưu của hệ thống nguồn điện pin mặt trời qua việc điều khiểnchu kỳ đóng mở khóa điện tử dùng trong bộ DC/DC Phương pháp này được sử dụngrất phổ biến trong hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập và đang dần được áp dụng

Trang 32

trong hệ quang điện là việc với lưới MPPT bản chất là thiết bị điện tử công suất ghépnối nguồn điện PV với tải để khuếch đại nguồn công suất ra khỏi nguồn pin mặt trờikhi điều kiện làm việc thay đổi và từ đó có thể nâng cao được hiệu suất làm việc của

hệ MPPT được ghép nối với bộ biến đổi DC/DC và một bộ điều khiển Với mỗi điểmlàm việc nào đó của nó ta sẽ có một V và một I tương ứng và công suất nó tạo ra là:

P = V.I (W)Chắc chắn là P này sẽ thay đổi khi điểm làm việc thay đổi và điển nào cho P lớn nhấtthì gọi đó là điểm công suất cực đại của tấm pin mặt trời Đường cong đặc tính củadòng điện- điện áp của tấm pin mặt trời cho t quan hệ V và I để từ đó xác định đượcđiểm công suất cực đại của nó có hình dạng sau đây:

Hình 2.2 Đường đặc tuyến V, I thể hiện công suất tại mỗi thời điểm

Trang 33

Nguyên lý mạch điều khiển sạc được thể hiện thông qua hình 2.3 sau.

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển sạc

2.3.2 Thiết kế bộ điều khiển đèn chiếu sáng

Điều khiển chiếu sáng là phương pháp nhằm giúp giảo hao phí điện năng chiếu sángkhông cần thiết, góp phần vào việc tiết kiệm năng lượng điện 2 phương pháp điềukhiển đèn chiếu sáng bao gồm:

- Điều khiển phổ thông: là dạng điều khiển thông thường, phổ biến mọi nơi dễbắt gặp và điều khiển bằng phương pháp thủ công: ổ cắm, công tắc,aptomat, gây ra lãng phí năng lượng do vận hành thủ công, không tối ưu vàkhó quản lý

- Điều khiển thông minh: là dạng điều khiển áp dụng công nghệ tiên tiến, điềukhiển tự động các thiết bị dựa vào các đầu cảm biến khác nhau: cảm biến nhiệt,cảm biến hồng ngoại, cảm biến quang, Mang đến tiềm năng tiết kiệm nănglượng mới, vận hành tự động, tối ưu hóa Chính vì vậy, việc xây dựng một bộđiều khiển thông minh là việc cần thiết và quan trọng cho việc chiếu sáng.Các khối trong bộ điều khiển đèn chiếu sáng bao gồm:

- Khối nguồn

Trang 34

- Khối truyền thông.

- Điều khiển trung tâm

- Khối thời gian thực RTC

- Bàn phím và còi chip

- Màn hình hiển thị LCD

- Điều khiển relay

Hình 2.4 Sơ đồ khối bộ điều khiển đèn chiếu sáng

Bộ điều khiển sẽ bao gồm hai chức năng chính:

- Điều khiển bật/tắt các bóng đèn theo thời gian thực

- Điều khiển bộ sạc của mô hình sao cho việc phóng/nạp của ắc quy đạt hiệu suấtcao và đảm bảo tuổi thọ cho mô hình

Mạch điều khiển được sử dụng dòng chíp Atmega là dòng chíp có tính ổn địnhcao và dễ sử dụng Bộ điều khiển sẽ được lập trình bật/tắt các bóng đèn theo ba chế độ:chế độ hoạt động theo mùa, chế độ họat động theo tháng, chế độ hoạt động theo tuần.Với các chế độ hoạt động như vậy sẽ dễ dàng cho người vận hành bộ điều khiển cài

Trang 35

đặt và nâng cao hiệu quả sử dụng của mô hình Ví dụ vào mùa hè trời sẽ tối muộn hơn

và sáng sớm hơn ta cài đặt cho bóng đèn bật muộn và tắt sớm còn vào mùa đông trờitối sớm và sáng muộn ta sẽ cài đặt cho bóng đèn bật sớm và tắt muộn như vậy ta cóthể đảm bảo được nhu cầu chiếu sáng mà không lãng phí năng lượng Bên cạnh đóviệc tự động bật/tắt của hệ thống sẽ giảm nhân công vận hành, tăng tính hiệu quả vàchính xác của mô hình

2.3.2.1 Thiết kế khối nguồn.

Là khối cơ bản nhất nó cung cấp nguồn nuôi cho toàn bộ linh kiện trong mạch

Nó tạo ra điện áp ổn định thỏa mãn các chỉ số về điện áp và dòng.

Mạch sử dụng đầu vào INT 12V đi qua điôt chống dòng ngược tới IC7805 ổn

áp nguồn,ổn định điện áp 5V, để ổn áp được tín hiệu chuẩn cần có tụ lọc nguồn đầuvào và tụ lọc nguồn đầu ra để tạo điện áp bằng phẳng cung cấp nguồn cho vi điềukhiển ốn định

Hình 2.5 Khối nguồn của bộ điều khiển.

2.3.2.2 Bộ giao tiếp (Bàn phím, còi và màn hình hiển thị LCD)

Bộ giao tiếp gồm có bàn phím và màn hình LCD sẽ giúp chúng ta thao tác cài đặtcho bộ điều khiển hệ thống một cách dễ dàng Bộ phím bấm bao gồm bốn phím chứcnăng:

 Phím Menu: Các chức năng của bộ điều khiển

Trang 36

 Phím Up, Down: Hai phím di chuyển để lựa chọn các chức năng của bộđiều khiển trong Menu.

 Phím Ok: Xác nhận cài đặt cho bộ điều khiển

Màn hình hiển thị sẽ hiển thị các chức năng và các thông số cài đặt giúp người sử dụngvận hành dễ dàng hơn Ngoài ra ở chế độ màn hình chờ màn hình sẽ hiển thị thời gianthực để tiện cho việc theo dõi hoạt động của mô hình

a) Khối màn hình hiển thị

Màn hình tinh thể lỏng (Liquid Crystal Display) là loại thiết bị hiển thị cấu tạo bởicác tế bào (các điểm ảnh) chứa tinh thể lỏng có khả năng thay đổi tính phân cực củaánh sáng và do đó thay đổi cường độ ánh sáng truyền qua khi kết hợp với các kính lọc

phân cực.Chúng có ưu điểm là phẳng,cho hình ảnh sáng,chân thực và tiết kiệm điện.

Ngày nay,thiết bị hiển thị LCD được sử dụng trong rất nhiều các ứng dụng của VĐK.LCD có rất nhiều ưu điểm so với các dạng hiển thị khác,nó có khả năng hiển thịcác kí tự đa dạng,trực quan (chữ,số và kí tự đồ họa) dễ dàng đưa vào mạch ứng dụngtheo nhiều giao thức giao tiếp khác nhau tốn rất ít tài nguyên hệ thống và giá thành rẻ.LCD 1602 là LCD hiển thị được 2 hàng, mỗi hàng hiển thị được 16 ký tự

• Cỡ chữ hiển thị: 5x7 hoặc 5x10

• Kích thước hiển thị: 16x2 dòng

• Màu hiển thị: đen trắng

• Chế độ giao tiếp: 8 hoặc 4 bít

• Số chân: 16

Định dạng
Số trang	72
Dung lượng	4,42 MB