nghiên cứu và thi công đèn chiếu sáng hiệu suất cao dùng năng lượng mặt trời

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU VÀ THI CÔNG ĐÈN CHIẾU SÁNG HIỆU SUẤT CAO DÙNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI S K C 0 9 MÃ SỐ: T2011 - 27 S KC 0 Tp Hồ Chí Minh, 2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU VÀ THI CÔNG ĐÈN CHIẾU SÁNG HIỆU SUẤT CAO DÙNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Mã số: T2011 – 27 Chủ nhiệm đề tài: ThS TRẦN QUANG THỌ Tp HCM, 2011 T2011-27 Chương Mở đầu I ĐẶT VẤN ĐỀ Điện loại lượng sử dụng phổ biến có ưu điểm vượt trội mà dạng lượng khác khó so sánh Đó là: rẻ tiền, lúc, nơi, dễ điều khiển, tự động hóa mức độ cao, an toàn “tương đối sạch” Mặt khác, ngành công nghiệp điện ngày phát triển, công nghệ vật liệu phát triển làm cho giá thành thiết bị điện ngày hạ Đó lý làm cho thiết bị điện sử dụng ngày phổ biến nên ngày thiếu điện tất yếu Giải pháp thực vấn đề xây dựng thêm nguồn điện mới, tiết kiệm điện tìm kiếm thêm lượng điện lượng trở nên thiết Việc dùng pin mặt trời giới sử dụng nhiều nước phát triển Ở nước nghèo sử dụng lý giá thành cao Đức nước sử dụng pin mặt trời nhiều Thống kê [1] vào cuối năm 2009 cho thấy nước Đức lắp đặt chiếm 47% 24GWp toàn giới Đứng thứ Tây Ban Nha chiếm 16% Nhu cầu điện Việt Nam tăng mức khoảng 28%/năm, khả đáp ứng EVN khoảng 15%/năm Điều có nghĩa ngày thiếu điện Việc sử dụng nguồn lượng khác trở nên phổ biến Một dạng lượng từ pin mặt trời Hiện Việt Nam có nhà máy sản xuất pin mặt trời (First Solar Mỹ khởi công ngày 22/3/2011 Củ Chi với công suất 250MWp, công ty Mặt Trời Đỏ Đức Hòa Hạ, Đức Hòa, Long An khánh thành ngày 27/4/2009 với công suất 25MWp/năm) tương lai nhiều Giá thành ngày rẻ nên việc sử dụng pin mặt trời ngày nhiều tất yếu, làm để sử dụng hiệu pin có ý nghĩa to lớn thực tế II TÍNH CẤP THIẾT: Từ trước đến việc nghiên cứu pin mặt trời hạn chế, điều kiện (mất điện thường xuyên, giá điện tăng cao, …) làm cho nhu cầu sử dụng nguồn lượng từ pin mặt mặt trời tăng lên nhanh Ở nước phát triển, hàng năm có hàng trăm công trình nghiên cứu riêng sử dụng pin mặt trời Trong Việt Nam toàn mua sử dụng mà không thấy có nhiều nghiên cứu sâu sử dụng cho hiệu Trong khuôn khổ đề tài Nghiên cứu thi công đèn chiếu sáng hiệu suất cao dùng lượng mặt trời Nghiên cứu sâu ứng dụng nhu cầu thiết nhằm mang lại hiệu cao sử dụng III MỤC TIÊU: Nghiên cứu tổng quan pin mặt trời Nghiên cứu loại đèn chiếu sáng tiết kiệm Thiết kế thi công mô hình tiêu biểu ứng dụng pin mặt trời để chiếu sáng Khảo sát đánh giá kết mô hình ThS Trần Quang Thọ T2011-27 IV CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: Từ phương pháp tham khảo tài liệu, thực nghiệm, biên dịch, tổng hợp, phân tích, đánh giá tài liệu, giáo trình, tài liệu mạng, báo, báo cáo khoa học có lĩnh vực chiếu sáng lượng mặt trời sau xây dựng lý thuyết cuối thiết kế thi công mô hình chiếu sáng tiết kiệm điện sử dụng lượng mặt trời Vì giới hạn thời gian nên mô hình thực với mục đích thí điểm cho phương pháp chiếu sáng tiết kiệm điện hiệu Mô hình hình mẫu cho sinh viên, giáo viên người làm việc ngành điện tham khảo, nghiên cứu phát triển Trong trình thực mô hình, nhóm nghiên cứu đưa phương án giải pháp kỹ thuật để có mô hình mang lại hiệu chiếu sáng giá thành cạnh tranh Do đó, mẫu thiết kế cho tổ chức, doanh nghiệp ứng dụng đại trà cho hệ thống chiếu sáng công cộng để mang lại hiệu tiết kiệm điện Đề tài coi cẩm nang cho muốn chế tạo thiết bị chiếu sáng hiệu quả, tiết kiệm Do đó: Cách tiếp cận: Đảm bảo tính khoa học Đảm bảo tính thực tiễn Đảm bảo tính mở rộng cho nghiên cứu liên quan Phương pháp: Tham khảo tài liệu Thực nghiệm V ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đề tài tập trung nghiên cứu: Tổng quan pin mặt trời Đèn led dùng chiếu sáng Xây dựng mô hình ứng dụng pin mặt trời để chiếu sáng VI NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Nội dung nghiên cứu đề tài thể qua chương sau: Chương 1: Tổng quan pin mặt trời đèn led chiếu sáng, sở ưu - nhược điểm pin mặt trời đèn led để đề xuất mô hình chiếu sáng tiết kiệm dùng pin mặt trời Chương 2: Xây dựng mô hình thi công hoàn chỉnh mô hình Chương 3: khảo sát – đánh giá kết VII KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC Đặc điểm pin mặt trời giải thuật điều khiển để có công suất cực đại (MPPT) Đặc điểm led chiếu sáng ThS Trần Quang Thọ T2011-27 Mô hình chiếu sáng tiết kiệm dùng pin mặt trời hoàn chỉnh với nhiều tính giá thành rẻ VIII KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận - Đã xây dựng mô hình đèn chiếu sáng tiết kiệm dùng pin mặt trời đạt yêu cầu đề - Để có hiệu suất tốt pin mặt trời việc thực tính MPPT dò hướng nắng mặt trời để quay pin theo hướng cần thiết - Tấm pin nên đặt gần thu lượng, nên thiết kế để có điện áp cao (48V) để giảm tổn thất điện áp - Đèn led thị trường loại đèn cho hiệu suất quang thông cao Kiến nghị Từ kết đạt mô hình, tác giả kiến nghị hướng phát triển đề tài sau: - Giá pin mặt trời ngày rẻ nên việc dùng pin mặt trời góp phần cải thiện môi trường Việc sạc pin mặt trời phải có tính dò công suất cực nâng cao hiệu suất - Cần có nhiều nghiên cứu ứng dụng pin mặt trời để tuyên truyền nhận thức tiết kiệm lượng - Cần có nhận thức đắn đèn tiết kiệm điện: đèn compact tối ưu nên có tư vấn xác đèn compact - Đèn led nên sử dụng nơi cần độ bền môi trường khắc nghiệt Nếu sử dụng không hợp lý không mang lại hiệu kinh tế - Nên phát triển pin mặt trời nối lưới: thời điểm pin mặt trời phát công suất lớn chủ yếu vào buổi trưa, lúc phụ tải tải đỉnh Việc phát điện vào lưới lúc trưa sử dụng pin mặt trời kinh tế giá bán điện cao giảm dung lượng acqui dự trữ làm giảm vốn đầu tư - Các pin nên đặt mái nhà để giảm chi phí lắp đặt - Nhà nước cần có sách ưu đãi thiết thực để phát triển lượng mặt trời ThS Trần Quang Thọ T2011-27 Chương TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI VÀ LED CHIẾU SÁNG 1.1 Khái niệm pin mặt trời 1.1.1 Nguyên lý cấu tạo hoạt động pin mặt trời: Năng lượng Mặt Trời: Là lượng dòng xạ điện từ xuất phát từ Mặt Trời, cộng với phần nhỏ lượng hạt nguyên tử khác phóng từ Dòng lượng tiếp tục phát phản ứng hạt nhân Mặt Trời hết nhiên liệu, vào khoảng tỷ năm Năng lượng xạ điện từ Mặt Trời tập trung vùng quang phổ nhìn thấy Mỗi giây phát 3,865.1026J, tương đương với lượng đốt cháy hết 1,32.1016 than đá tiêu chuẩn Nhưng bề mặt đất nhận phần lượng nhỏ 17,57 1016 J hay tương đương lượng đốt cháy 6.106 than đá Hình 1.1 Năng lượng Mặt Trời khí Trái Đất: cường độ ánh sáng (W/ m2/ nm) từ bước sóng ánh sáng 300 nm đến 1000 nm Năng lượng Mặt Trời nguồn lượng quan trọng điều khiển trình khí tượng học trì sống Trái Đất Ngay khí Trái Đất, mét vuông diện tích vuông góc với ánh nắng Mặt Trời, thu dòng lượng khoảng 1.400 joule giây Bức xạ mặt trời:Bức xạ mặt trời có chất sóng điện từ ThS Trần Quang Thọ T2011-27 Sóng điện từ (hay Bức xạ điện từ) kết hợp dao động điện trường từ trường vuông góc với nhau, lan truyền không gian sóng Sóng điện từ bị lượng tử hoá thành "đợt sóng" có tính chất hạt chuyển động gọi photon Khi lan truyền, sóng điện từ mang theo lượng, động lượng thông tin Sóng điện từ với bước sóng nằm khoảng 400 nm 700 nm quan sát mắt người gọi ánh sáng Bảng 1.1 Phân bố xạ điện từ theo bước sóng Bước sóng Mật độ lượng (W/m ) Tia vũ trụ < 1nm 6,978.10 −5 Tia x 0,1 nm 6,978.10 −7 Quang phổ Tỷ lệ (%) Tia tử ngoại C 0,2 ÷ 0,28 µm 7,864.10-6 0,57 Tia tử ngoại B 0,28 ÷ 0,32 µm 2,122.10 1,55 Tia tử ngoại A 0,32 ÷ 0,4 µm 8,073.10 5,90 0,4 ÷ 0,52 µm 2,24.10 16,39 0,52 ÷ 0,62 µm 1,827.10 13,36 0,62 ÷ 0,78 µm 2,280.10 16,68 0,78 ÷1,4 µm 4,125.102 30,18 1,4 ÷3 µm 1,836.102 13,43 ÷100 µm 2,637.101 1,93 0,1 ÷10 cm 6,987.10-9 10 ÷100 cm 6,987.10-10 ÷ 20 m 6,987.10-9 Tia nhìn thấy Tia hồng ngoại Sóng vô tuyến điện Mặc dù có chất sóng điện từ loại sóng điện từ có bước sóng khác gây tác dụng lý học, hóa học, sinh học khác Các ứng dụng lượng mặt trời Ứng dụng lượng mặt trời bao gồm lĩnh vực chủ yếu: ThS Trần Quang Thọ T2011-27 • Năng lượng mặt trời biến đổi trực tiếp thành điện nhờ tế bào quang điện bán dẫn hay gọi pin mặt trời, pin mặt trời sản xuất điện cách liên tục chừng xạ mặt trời chiếu tới • Năng lượng mặt trời sử dụng dạng nhiệt năng, ta dùng thiết bị thu nhiệt lượng xạ nhiệt Mặt Trời chiếu tới, dùng tích trữ dạng nhiệt dùng vào mục đích khác Pin mặt trời: Pin mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện) thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn diod p-n Lớp tiếp xúc P-N có khả biến đổi trực tiếp lượng ánh sáng mặt trời thành điện nhờ hiệu ứng quang điện bên Hình 1.2 Pin mặt trời Pin Mặt Trời có ưu điểm gọn nhẹ lắp đặt nơi có ánh sáng mặt trời Cấu tạo pin Mặt Trời: Cho tới vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời (và cho thiết bị bán dẫn) silic tinh thể Pin mặt trời từ tinh thể silic chia thành loại: Hình 1.3 Cấu tạo pin Mặt Trời ThS Trần Quang Thọ T2011-27 Vật liệu cho tế bào quang điện dùng để chuyển hoá lượng mặt trời thành điện silicon (Si) Silicon nguyên tố nhiều thứ hai sau oxygen địa cầu Đây là nguồn thiên nhiên phong phú gần vô tận Nó chiếm gần 30 % vỏ đất dạng silica (SiO2), hợp chất cát Vật liệu silicon nguyên chất mạng nối kết nguyên tố silicon mạng trung tính điện nên không hữu dụng Khi silicon kết hợp lượng nhỏ (vài phần triệu) "chất tạp", mạng sinh điện tích Silicon mang điện tích vật liệu cho nhiều áp dụng quan trọng Khi silicon kết hợp với chất tạp (dopant) có khả lấy điện tử (electron acceptor) từ mạng silicon, mạng silicon có lỗ trống mang điện tích dương (+) Đây p-silicon (p = positive, dương) Lỗ trống (+) "nhà" điện tử, điều kiện cho phép điện tử chiếm đóng trở lại Mặt khác, silicon kết hợp với chất tạp có khả cho điện tử, mạng silicon dư điện tử Đây n-silicon (n = negative, âm) Silicon dùng linh kiện điện tử (thí dụ: transistor, đèn diode) vật liệu hỗn hợp liên kết psilicon n-silicon Nguyên lý hoạt động pin mặt trời Hiệu ứng quang điện: Là tượng điện tử thoát khỏi vật chất sau hấp thụ lượng từ xạ điện từ (hình 1.5) Hình1.4 Hiệu ứng quang điện Pin mặt trời hoạt động theo nguyên lý biến đổi trực tiếp lượng xạ mặt trời thành điện nhờ hiệu ứng quang điện ThS Trần Quang Thọ T2011-27 Hình 1.5 Nguyên lý họat động pin mặt trời Xét hệ gồm hai mức lượng điện tử (hình 1.7) với E1[...]... 2005, Trung tâm Nghiên cứu thi t bị áp lực và năng lượng mới (Đại học Đà Nẵng), phối hợp với Tổ chức phục vụ năng lượng mặt trời triển khai Dự án “Bếp năng lượng mặt trời cho các hộ dân tại làng Bình Kỳ 2, Phường Hòa Quý, Quận Ngũ Hành Sơn (Đà Nẵng) Bên cạnh đó, Trung tâm nghiên cứu năng lượng mới cũng nghiên cứu năng lượng mặt trời để đun nước nóng và đưa loại bình đun nước nóng này vào ứng dụng tại... không cao - hiệu suất quang thông cao Chưa có chính sách đảm bảo môi trường Đèn hơi Natri Đèn hơi Natri cao áp Hình 1.16 Đèn hơi Natri cao áp Đèn hơi Natri cao áp (HPS) được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng chiếu sáng ngoài trời và chiếu sáng công nghiệp Hiệu suất cao là đặc điểm ưu việt hơn của loại đèn này so với đèn halogen kim loại vì những ứng dụng này không đòi hỏi độ hoàn màu cao Khác với đèn. .. P_V của pin mặt trời 2.2 Mô hình đề nghị: 2.2.1 Tiêu chí xây dựng mô hình đèn chiếu sáng dùng pin mặt trời: Về mặt khoa học: Phát huy ưu điểm của pin mặt trời và đèn led Pin mặt trời phát ra điện áp thấp DC Led sử dụng áp thấp DC Sử dụng tính năng MPPT để có thể thu được công suất cực đại Đảm bảo tính cấp điện liên tục, độ tin cậy cao Hệ thống thân thi n với môi trường Về mặt ứng dụng: Khả thi trong... tìm cách dùng điện thế trực tiếp đưa điện tử trong bán dẫn từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao Hiện nay dùng OLED tức là LED hữu cơ (organic) để làm LED cho ánh sáng trắng Đưa thêm một số tạp chất khác nhau vào hoặc trong lớp nhựa cho thêm các chất huỳnh quang để có màu sáng khác nhau Ưu điểm của LED công suất dùng cho chiếu sáng Sáng hơn đèn led thông thường do sử dụng led công suất công nghệ... làm giảm tổn hao và vốn đầu tư Cả 2 là bán dẫn nên có tuổi thọ rất cao Như vậy, đề xuất mô hình chiếu sáng tiết kiệm điện như sau: Pin mặt trời Bộ điều khiển acqui Hình 1.19 mô hình chiếu sáng tiết kiệm đề nghị ThS Trần Quang Thọ Đèn led T2011-27 24 Chương 2 XÂY DỰNG VÀ THI CÔNG HOÀN CHỈNH MÔ HÌNH CHIẾU SÁNG TIẾT KIỆM ĐIỆN 2.1 Mô hình toán pin mặt trời Đặc tính ngõ ra I-V của pin mặt trời được thể hiện... điện chung của Trung tâm Hội nghị Quốc gia, trạm pin mặt trời nối lưới lắp đặt trên mái nhà làm việc Bộ Công Thương, hai cột đèn năng lượng mặt trời kết hợp năng lượng gió đầu tiên được lắp đặt tại Ban quản lý dự án Công nghệ cao Hòa Lạc, ở Nha Trang cũng có vài trụ đèn pin mặt trời cũng do các doanh nghiệp tài trợ nhân dịp festival biển 2011, pin mặt trời trên cabin cáp treo của Vinpearlland,… tất cả... pin mặt trời và thuỷ điện nhỏ, công suất 125 kW được lắp đặt tại xã Trang, huyện Mang Yang, tỉnh Gia Lai, và dự án phát điện lai ghép giữa pin mặt trời và động cơ gió với công suất 9 kW đặt tại làng Kongu 2, huyện Đăk ThS Trần Quang Thọ T2011-27 15 Hà, tỉnh Kon Tum, do Viện Năng lượng (EVN) thực hiện, góp phần cung cấp điện cho khu vực đồng bào dân tộc thi u số Từ thành công của Dự án này, Viện Năng lượng. .. đủ loại công suất ra đời đáp ứng nhiều yêu cầu chiếu sáng: gia đình, công xưởng, đèn trước của xe ôtô, đèn đầu tàu hoả, thắp sáng đèn đường Tại Anh, toàn bộ cung điện Buckingham để tiết kiệm điện và cho ánh sáng dễ chịu họ thắp toàn bộ bóng LED Trung Quốc đã có kế hoạch chiếu sáng bằng đèn LED cả bên trong lẫn bên ngoài các toà nhà nhân dịp Olympic 2008 và từ đó về sau đẩy mạnh việc chiếu sáng bằng... Các loại đèn chiếu sáng tiết kiệm 1.2.1 Các loại đèn chiếu sáng thông dụng: Đèn sợi đốt Bức xạ có thể nhìn thấy Thất thoát do dẫn nhiệt và đối lưu Bức xạ tia hồng ngoại Hình 1.15 Đèn sợi đốt và sơ đồ năng lượng của đèn sợi đốt Hiệu suất – 12 lumen/Oát Chỉ số hoàn màu – 1A Nhiệt độ màu – Ấm (2.500K – 3.600K) Tuổi thọ của đèn – 1 – 2.000 giờ Ưu điểm Nhược điểm Giá thành thấp Không tiết kiệm điện năng Sơ... Hình 1.7 Các vùng năng lượng Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi ở trạng thái cân bằng gọi là vùng hóa trị, mà mặt trên của nó có năng lượng Ev Vùng năng lượng phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn, mặt dưới của vùng có năng lượng Ec Cách ly giữa hai vùng hóa trị và vùng dẫn là một vùng có năng lượng là Eg, trong đó không có mức năng lượng nào cho phép