Nếu như trước đây LED chỉ có mặt trong các thiết bị điện tử như truyền phát dữliệu, thì ngày nay LED được ứng dụng rông rãi trong lĩnh vực chiếu sáng, trang trí nộithất trong nhà, sân vư
Trang 1LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn tới quý thầy cô giảng dạy tại Trường Đại họcNha Trang, đặc biệt là quý thầy cô ở Khoa Điện – Điện tử Cảm ơn các thầy các cô đãtận tuỵ dạy bảo, trang bị cho em những kiến thức chuyên ngành trong bốn năm qua, tạotiền đề vững chắc để thực hiện đề tài này
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới thầy Trần Tiến Phức – giáo viênhướng dẫn em thực hiện đề tài Cảm ơn thầy đã tạo mọi điều kiện tốt nhất để em thựchiện đề tài cũng như hướng dẫn tận tình các bước thực hiện để hoàn thành đề tài tốtnhất
Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới bạn bè và người thân trong gia đình đã góp ý vàđộng viên em trong quá trình thực hiện đề tài này
Nha Trang, tháng 06 năm 2015
Đặng Quốc Việt
Trang 2MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN i
DANH MỤC CÁC BẢNG iv
DANH MỤC BIỂU ĐỒ vi
DANH SÁCH MỤC HÌNH VẼ vii
GIỚI THIỆU CHUNG x
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI (SOLAR), BỘ LƯU TRỮ ĐIỆN NĂNG (ACQUY), CÔNG NGHỆ CHIẾU SÁNG LED 1
1.1 PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI (SOLAR) 1
1.1.1 Cấu tạo 1
1.1.2 Nguyên lý hoạt động 4
1.1.3 Ứng dụng của pin mặt trời 8
1.1.4 Công nghệ mới của PNLMT 13
1.2 THIẾT BỊ LƯU TRỮ ĐIỆN NĂNG (ẮC QUY) 14
1.2.1 Giới thiệu về Ắc quy 15
1.2.2 Phóng và nạp Ắc quy chì – acid 18
1.2.3 Công nghệ Ắc quy mới 21
1.3 CÔNG NGHỆ CHIẾU SÁNG LED 23
1.3.1 Giới thiệu về LED (Light Emitting Diode) 23
1.3.2 Ứng dụng LED siêu sáng công suất cao trong chiếu sáng 25
CHƯƠNG 2: GIẢI PHÁP CHIẾU SÁNG SỬ DỤNG LED CHO ĐÈN HÀNG HẢI 29 2.1 GIỚI THIỆU CÁC LOẠI ĐÈN HÀNH TRÌNH TRÊN TÀU TRONG NGÀNH HÀNG HẢI 29
2.1.1 Đèn cột (Masthead light) 31
2.1.2 Đèn mạn (Sidelights) 31
Trang 32.1.3 Đèn lái (Sternlight) 32
2.1.4 Đèn lai dắt (Towing light) 32
2.1.5 Đèn chiếu sáng khắp 4 phía (All-round light) 32
2.1.6 Đèn chớp (Flashing light) 33
2.2 THỰC TRẠNG SỬ DỤNG HỆ THỐNG ĐÈN CHIẾU SÁNG TRONG TÀU ĐÁNH CÁ XA BỜ 34
2.2.1 Đèn sợi đốt 34
2.2.2 Đèn halogen 35
2.2.3 Đèn hơi natri 36
2.2.4 Đèn huỳnh quang 37
2.2.5 Đèn compact 37
2.3 GIẢI PHÁP CHIẾU SÁNG BẰNG ĐÈN LED 39
2.3.1 Phương pháp chọn led nghiên cứu cho đề tài 39
2.3.2 Xác định điểm làm việc tối ưu 46
2.3.3 Thiết kế đèn 48
CHƯƠNG 3 QUÁ TRÌNH CHẾ TẠO VÀ LẮP ĐẶT HỆ THỐNG ĐÈN HÀNH TRÌNH HÀNG HẢI TRÊN TÀU QNA 90170 54
3.1 QUÁ TRÌNH CHẾ TẠO, KIỂM TRA ĐỘ ỔN ĐỊNH ĐẢM BẢO ĐỘ AN TOÀN CÁC ĐÈN HÀNH TRÌNH HẢNG HẢI 54
3.1.1 Đèn hành trình mạn phải màu xanh 112,5 độ 54
3.1.2 Đèn hành trình mạn trái màu đỏ 112,5 độ 58
3.1.3 Đèn cột 225 độ 62
3.1.4 Đèn lái 135 độ 65
3.1.5 Đèn chiếu màu trắng 360 độ 68
3.1.6 Đèn sự cố màu đỏ 360 độ 70
3.2 QUÁ TRÌNH LẮP ĐẶT HOÀN THIỆN 73
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 77
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 78
Trang 4PHỤ LỤC 79
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Bảng xếp hạng các nhà máy điện mặt trời trên thế giới theo công nghệ SPV 9 Bảng 1.2: Tỷ trọng bình Ắc quy ở 250C 16
Bảng 1.3: Dòng nạp của một số Ắc quy 19
Bảng 2.1: Kết quả thử nghiệm mẫu số 1(a): LED 3mm dẹp ngắn màu xanh 42
Bảng 2.2: Kết quả thử nghiệm mẫu số 1(b): LED 3mm dẹp ngắn màu đỏ 42
Bảng 2.3: Kết quả thử nghiệm mẫu số 1(c): LED 3mm dẹp ngắn màu trắng 43
Bảng 2.4: Kết quả thử nghiệm mẫu số 2(1): LED 5mm tròn dài màu xanh 43
Bảng 2.5: Kết quả thử nghiệm mẫu số 2(2): LED 5mm tròn dài màu đỏ 44
Bảng 2.6: Kết quả thử nghiệm mẫu số 2(3): LED 5mm tròn dài màu trắng 44
Bảng 2.7: Chọn điểm làm việc Led làm thí nghiệm 47
Bảng 2.8: Thông số cường độ sáng và dòng điện 47
Bảng 2.9: Thông số LED làm đồ án 48
Bảng 2.10: Ứng dụng mạch cho các loại đèn với góc chiếu khác nhau 50
Bảng 3.1: Số liệu đèn dùng bóng sợi đốt 24v-21w 56
Bảng 3.2: Số liệu đèn mạn phải sử dụng led màu xanh 56
Bảng 3.3: Kết quả thử nghiệm đèn mạn phải sử dụng led màu xanh 57
Bảng 3.4: Số liệu đèn dùng bóng sợi đốt 24v-21w 60
Bảng 3.5: Số liệu đèn mạn trái sử dụng led màu đỏ 60
Bảng 3.6: Kết quả thử nghiệm đèn mạn trái sử dụng led màu đỏ 61
Bảng 3.7: Số liệu đèn dùng bóng sợi đốt 24v-21w 63
Trang 5Bảng 3.8: Số liệu đèn cột sử dụng led màu trắng 63
Bảng 3.9: Kết quả thử nghiệm đèn cột sử dụng led màu trắng 64
Bảng 3.10: Số liệu đèn dùng bóng sợi đốt 24v-21w 67
Bảng 3.11: Số liệu đèn cột sử dụng led màu trắng 67
Bảng 3.12: Kết quả thử nghiệm đèn lái sử dụng đèn led trắng 67
Bảng 3.13: Số liệu đèn dùng bóng sợi đốt 24v-21w 70
Bảng 3.14: Số liệu đèn chiếu sử dụng led 70
Bảng 3.15: Kết quả thử nghiệm đèn chiếu sử dụng led màu trắng 70
Bảng 3.16: Số liệu đèn dùng bóng sợi đốt 24v-21w 72
Bảng 3.17: Số liệu đèn sử dụng led 72
Bảng 3.18: Kết quả thử nghiệm sản phẩm 72
Trang 6DANH MỤC BIỂU ĐỒ
Biểu đồ 1.1: Sự tăng trưởng tổng điện năng mặt trời năm theo các năm 10
Biểu đồ 1.2: Tình hình xây dựng các nhà máy quang điện mặt trời trong các năm 2001-2015 10
Biểu đồ 2.1: Đồ thị so sánh chọn điểm làm việc loại LED màu xanh (a), (1) 45
Biểu đồ 2.2: Đồ thị so sánh chọn điểm làm việc loại LED màu đỏ (b), (2) 45
Biểu đồ 2.3: Đồ thị so sánh chọn điểm làm việc loại LED màu trắng (c), (3) 46
Trang 7DANH SÁCH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Các loại cấu trúc tinh thể của PNLMT 2
Hình 1.2: Cấu tạo Pin năng lượng mặt trời 3
Hình 1.3: Quá trình tạo một Panel Pin năng lượng mặt trời 4
Hình 1.4: Nguyên lý hoạt động của Pin năng lượng mặt trời 4
Hình 1.5: Trạng thái 2 mức năng lượng của Electron 5
Hình 1.6: Các vùng năng lượng trong phân tử bán dẫn 6
Hình 1.7: Hiện tượng biến đổi quang điện trong phân tử bán dẫn khi có ánh sáng chiếu vào lớp tiếp xúc p - n 6
Hình 1.8: Nguyên lý hoạt động của Pin năng lượng mặt trời 7
Hình 1.9: Sản xuất điện năng lượng Mặt Trời trên thế giới 9
Hình 1.10: Sản xuất điện năng lượng Mặt Trời tại Việt Nam 11
Hình 1.11: Năng lượng Mặt Trời làm nhiên liệu thay thế cho xăng dầu trên phương tiện giao thông 12
Hình 1.12: Cấu trúc silicon BC8 14
Hình 1.13: Cấu tạo Ắc quy chì - acid 15
Hình 1.14: Sự biến đổi thông số bình Ắc quy qua quá trình phóng nạp 17
Hình 1.15: Quá trình phóng điện của Ắc quy 18
Hình 1.16: Quá trình nạp điện cho Ắc quy 20
Hình 1.17: Mô tả các trạng thái pin Ắc quy kim loại lỏng 22
Hình 1.18: Cấu tạo bên trong và hình dạng cơ bản của LED 23
Hình 1.19: Các loại LED phân loại theo công suất 25
Hình 1.20: Chiếu sáng không gian trong nhà bằng Led 26
Trang 8Hình 1.21: Sử dụng Led trong chiếu sáng văn phòng và nhà xưởng 27
Hình 1.22: Cầu đường bộ ở Đà Nẵng sử dụng Led trong chiếu sáng 27
Hình 1.23: Sử dụng đèn Led trong chiếu sáng ở một số tuyến đường tại TP HCM 28
Hình 2.1: Sơ đồ bố trí góc chiếu đèn hàng hải 30
Hình 2.2: Đèn cột 31
Hình 2.3: Đèn mạn 31
Hình 2.4: Đèn lái 32
Hình 2.5: Đèn lai dắt 32
Hình 2.6: Đèn chiếu sáng 3600 33
Hình 2.7: Đèn chớp 33
Hình 2.8: Đèn sợi đốt sử dụng trên tàu 34
Hình 2.9: Đèn hàng hải sử dụng trên tàu QNA 90170 34
Hình 2.10: Thực trạng đèn báo hiệu hàng hải các tàu đánh cá 35
Hình 2.11: Bóng đèn halogen sử dụng trên tàu 36
Hình 2.12: Dụng cụ thí nghiệm 40
Hình 2.13: Mẫu thử nghiệm số 2 LED 5mm sử dụng rộng rãi 41
Hình 2.14: Sơ đồ mạch in 49
Hình 2.15: Sơ đồ mạch nguồn 50
Hình 2.16: Mạch nguồn thực tế 51
Hình 2.17: Sơ đồ chân IC 555 51
Hình 2.18: Mạch băm xung 53
Hình 3.1: Kiểm tra độ sáng bóng sợi đốt 24v-21w 55
Trang 9Hình 3.2: Thiết kế gắn chân đèn và mạch nguồn, mạch băm xung 55
Hình 3.3: Kiểm tra độ ổn định đèn mạn phải màu xanh 112.5 độ 56
Hình 3.4: Kiểm tra bóng đèn sợi đốt 24v-21w 59
Hình 3.5: Kết nối đảm bảo độ bền về cơ học cho đèn 59
Hình 3.6: Kiểm tra độ ổn định đèn mạn trái màu đỏ 112.5 độ 60
Hình 3.7: Kiểm tra độ ổn định đèn cột màu trắng 225 độ 63
Hình 3.8: Kiểm tra bóng đèn sợi đốt 24v-21w 66
Hình 3.9: Kiểm tra độ ổn định đèn lái màu trắng 135 độ 66
Hình 3.10: Kiểm tra bóng đèn sợi đốt 24v-21w 69
Hình 3.11: Kiểm tra độ ổn định đèn chiếu 360 độ 69
Hình 3.12: Kiểm tra độ sáng bóng sợi đốt 24v-21w 71
Hình 3.13: Kiểm tra độ ổn định đèn sự cố màu đỏ 360 độ 72
Hình 3.14: Mô phỏng sơ đồ lắp đặt đèn hàng hành trình và đèn đánh cá 74
Hình 3.15: Chế tạo, lắp đặt đế gắn đèn 74
Hình 3.16: Lắp đặt đèn mạn, đèn neo 75
Hình 3.17: Bản điều khiển và hướng dẫn sử dụng đèn hành trình hàng hải 75
Hình 3.18: Tổng quan hoàn thành lắp đặt 76
Hình 3.19: Kiểm tra hoạt động các đèn vào ban đêm 76
Trang 10GIỚI THIỆU CHUNG
Năm 1907, hiện tượng biến điện thành ánh sáng được H J Round phát hiện đầutiên Tuy nhiên, phải đến vài thập kỷ sau đó thì thế hệ LED đầu tiên mới được ra đời,gọi là LED hồng ngoại; do các nhà thí nghiệm người Mỹ Robert Biard và GarryPittman phát minh vào năm 1961 Sang năm 1962, Nick Honyak chế tạo ra loại LEDphát ra ánh sáng nhìn thấy là loại Led đỏ và ông được xem là cha đẻ của LED
Từ khi du nhập vào Việt Nam đến nay, LED dường như đã có chổ đứng khôngthể nào thay thế được trong lĩnh vực chiếu sáng bởi sự tiện dụng, tiết kiệm điện, tuổithọ và tính thẩm mỹ của nó Nhiều công trình mọc lên không thể thiếu sự góp mặt củađèn LED như: nhà cửa, văn phòng, sân vườn, trang trí cây cảnh, điểm du lịch - giải trí– nghỉ mát, các biển hiệu quảng cáo lại không thể thiếu,…cho đến chiếu sáng các côngtrình giao thông cầu – đường
Trải qua nhiều thập kỷ từ thuở sơ khai đến nay, năm 2015 là mốc thời gian màLED gần như đã hoàn thiện lên rất nhiều: từ chất lượng ánh sáng, hiệu suất, công suất,điện năng tiêu thụ, nhiệt độ làm việc, tuổi thọ, và giá cả cũng càng ngày giảm xuống…LED không còn đắc đỏ như nhũng ngày đầu ra đời và trở nên phổ biến trong đời sốngbởi sự tiện lợi của nó
Nếu như trước đây LED chỉ có mặt trong các thiết bị điện tử như truyền phát dữliệu, thì ngày nay LED được ứng dụng rông rãi trong lĩnh vực chiếu sáng, trang trí nộithất trong nhà, sân vườn, … Nhiều nơi đã sử dụng LED vào chiếu sáng đường bộ kếthợp với ứng dụng PIN năng lượng mặt trời, tạo thành một cặp đôi hoàn hảo của côngnghệ mới – công nghệ của tượng lai: không phát thải, sạch, an toàn, tiết kiệm và bảo vệmôi trường
Việt Nam với lợi thế là một trong những nước nằm trong giải phân bố ánh nắngmặt trời nhiều nhất trong năm trên bản đồ bức xạ của thế giới, năng lượng mặt trời ởViệt Nam có sẵn quanh năm, khá ổn định và phân bố rộng rãi trên các vùng miền Đặc
Trang 11biệt, số ngày nắng trung bình trên các tỉnh của miền Trung và miền Nam là khoảng 300ngày/năm.
Các nhà khoa hoc, các kỹ sư, các chuyên gia luôn quan tâm, nghiên cứu đếnnguồn năng lượng tái tạo, khả năng ứng dụng cho cuộc sống con người Đồ án
“NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI CUNG CẤP CHOĐÈN CHIẾU SÁNG, BÁO HIỆU VÀ THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ HẢNG HẢI TRÊN TÀUQNA 90170” là một đề tài chỉ nghiên cứu một mảng nhỏ trong hệ thống năng lượngmặt trời, đó là cung cấp năng lượng trực tiếp cho tàu khai thác thủy sản, nơi mà nguồnđiện năng quốc gia chưa thể kéo đến
TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Năng lượng mặt trời cũng như nhiều nguồn năng lượng mới khác như nănglượng gió, năng lượng thủy triều, năng lượng địa nhiệt…, Ngày nay trên thế giới rấtđược quan tâm, đặc biệt trong quá trình nóng lên toàn cầu hiện nay, thế giới đang có xuhướng tìm kiếm, phát triển mạnh nguồn năng lượng mới này Đối với Việt Nam tuyvẫn còn chưa phát triển rộng rãi nhưng lại được sự quan tâm đặc biệt từ chính phủ vàngười dân
Giá thành các đèn hành trình hảng hải ứng dụng led ngoại nhập còn quá cao nênchưa được người ta ứng dụng nhiều
Sư am hiểu về các quy tắc quy định của người dân về an toàn hàng hải còn kém.Một số ngư dân chủ quan không gắn các thiết bị đèn báo hiệu hàng hải hay gắn nhưng không đúng quy định an toàn hàng hải
Do công tác đánh bắt cá trên biển tốn nhiều thời gian nên việc tích trữ năng
lượng điện để vận hành các thiết bị an toàn trên thuyền là không đủ
Ngoài ra ảnh hưởng từ sự rung lắc của sóng dẫn tới giảm tuổi thọ bóng đèn
Theo nội dung chương trình mục tiêu quốc gia sử dụng năng lượng tiết kiệm vàhiệu quả của chính phủ, từ ngày 1-1-2013 Việt Nam sẽ cấm nhập, sản xuất các loạibóng đèn sợi đốt (đèn tròn) có công suất trên 60 W Tuy nhiên, hiện nay nhiều nơi
Trang 12người dân vẫn còn sử dụng loại đèn này trong chiếu sáng và sản xuất “nguồn: Quyếtđịnh số 78/2013/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ: Về việc ban hành Danh mục và lộtrình phương tiện, thiết bị sử dụng năng lượng phải loại bỏ và các tổ máy phát điệnhiệu suất thấp không được xây dựng mới”
ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG THỰC TẾ CỦA ĐỀ TÀI
Đối tượng áp dụng
Trong đề tài này, Sử dụng các loại LED chiếu sáng có trên thị trường chế tạo các đènhành trình hàng hải chiếu sáng hiệu suất cao theo công nghệ chiếu sáng mới, hiện đại,tiết kiệm năng lượng, lựa chọn các loại đèn LED đảm bảo yêu cầu, nhằm tăng hiệu suất sửdụng năng lượng của bình ắc quy được tích điện từ pin mặt trời LED là sản phẩmthân thiện với môi trường và giá thành của nó ngày càng rẻ
Phạm vi ứng dụng thực tế của đề tài
Chế tạo và ứng dụng đèn led cho các loại đèn hành trình hàng hải đảm bảo yêucầu tầm nhìn trong ngành hàng hải Việt Nam Sử dụng điện năng lượng mặt trời làmnguồn năng lượng chính cung cấp cho hệ thống hoạt động
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Việc chế tạo thành công các đèn hành trình hàng hải bằng LED dùng điện mặttrời mang nhiều ý nghĩa về tiết kiệm năng lượng, sử dụng năng lượng sạch cho mọingười và là bài học về công nghệ chiếu sáng hiện đại, hiệu suất cao cho sinh viênngành Công nghệ kỹ thuật điện - điện tử nói riêng và sinh viên trường Đại học NhaTrang nói chung và lớn hơn nữa là ứng dụng rộng rãi trong nghành hàng hải là nghànhtiêm năng mũi nhọn nước ta
Việc ứng dụng năng lượng vào nhu cầu điện sinh hoạt trên tàu như sử dụng máytầm ngư, bộ đàm, ICOM,… mà không phải vận hành động cơ của tàu Qua đó tiết kiệmđáng kể chi phí nhiên liệu và đặc biệt qua hệ thống này giúp cho việc liên lạc với đấtliền khi có sự cố trên biển một cách thường xuyên qua hệ thống thông tin liên lạc, hệthống định vị vệ tinh 24/24 giờ, giảm thiểu rủi ro
Trang 13Đồ án “NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜICUNG CẤP CHO ĐÈN CHIẾU SÁNG, BÁO HIỆU VÀ THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ HẢNGHẢI TRÊN TÀU QNA 90170” là một trong những nghiên cứu ứng dụng thiết thực, đề
ra dải pháp tối ưu và thực hiện mô hình điện mặt trời cho tàu khai thác thủy sản xa bờ
Đồ án gồm 2 phần chính:
Phần cơ sở lí thuyết: Chú trọng về lý thuyết luật hàng hải, năng lượng mặt trời,lập sơ đồ hệ thống điện mặt trời trên tàu, thiết kế quá trình lắp đặt, sử dụng an toàn, dễhiểu cho người dân
Phần thi công: Thiết kế thi công mạch đèn led trong đèn hành trình, hệ thốngđèn led chiếu sáng của tàu QNA 90170
Nội dung đồ án gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan lý thuyết về năng lượng mặt trời (solar), bộ lưu trữ điệnnăng (acquy), công nghệ chiếu sáng led
Chương 2: Giải pháp chiếu sáng sử dụng led cho đèn hàng hải
Chương 3: Quá trình chế tạo và lắp đặt hệ thống đèn hành trình hàng hải trên tàuqna 90170
Trong đồ án này, em đã đưa vào phần lý thuyết quan trọng về các thiết bị trong
hệ thống năng lượng mặt trời, mạch thi công ứng dụng thực tế Qua đây em muốnngười đọc hiểu rõ hơn về hệ thống và có thể tự lắp đặt riêng hệ thống năng lượng mặttrời để sử dụng, góp phần bảo vệ môi trường và tiết kiệm năng lượng
Trang 14CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI (SOLAR), BỘ LƯU TRỮ ĐIỆN NĂNG (ACQUY), CÔNG NGHỆ CHIẾU SÁNG
LED
Ở phần này chúng ta sẽ được tìm hiểu những lý thuyết cơ bản về Pin năng lượngMặt Trời (Solar), Ắc-quy (Ắc quy) và thiết bị chiếu sáng - Led Công nghệ pin mặttrời, Ắc quy mới nhất Ứng dụng của chúng trong đời sống cũng như trong công nghệsản xuất năng lượng sạch, sự tối ưu trong việc kết hợp các thiết bị trên để tạo ra những
mô hình thích hợp trên con đường ứng dụng năng lượng sạch
1.1 PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI (SOLAR)
Pin năng lượng Mặt Trời (PNLMT) (hay pin quang điện, tế bào quang điện), làthiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các diode p-n Duới sự hiện diện của ánh sáng MặtTrời, PNLMT có khả năng tạo ra dòng điện sử dụng được Sự chuyển đổi này gọi làhiệu ứng quang điện
1.1.1 Cấu tạo
1.1.1.1 Vật liệu
Để tìm hiểu về pin Mặt Trời chúng ta cần tìm hiểu về vật lý chất bán dẫn Đểđơn giản, ta tìm hiểu pin năng lượng tinh thể silic Silic thuộc nhóm IV, tức là có 4electron lớp ngoài cùng Silic có thể kết hợp với Silicon khác để tạo nên chất rắn
Cơ bản có 2 loại chất rắn Silicon: vô định hình (không có trật tự sắp xếp) và đa tinhthể (các nguyên tử sắp xếp theo thứ tự dãy không gian 3 chiều) PNLMT phổ biếnnhất là dùng đa tinh thể silicon, tuy nhiên ngày nay người ta đã tìm ra nhiều vật liệukhác có thể thay thế như sự kết hợp của Vonfram và gốm
Ở nhiệt độ phòng, silic nguyên chất có tính dẫn điện kém Để tạo ra Silic cótính dẫn điện tốt hơn, có thể thêm vào một lượng nhỏ các nguyên tử nhóm III hay Vtrong bảng tuần hoàn hóa học Các nguyên tử này chiếm vị trí của nguyên tử silictrong mạng tinh thể, và liên kết với các nguyên tử silic bên cạnh tương tự như là
Trang 15một silic Tuy nhiên các phân tử nhóm III có 3 electron ngoài cùng và nguyên tửnhóm V có 5 electron ngoài cùng, nên có chỗ trong mạng tinh thể thì dư electroncòn có chỗ thì thiếu electron Vì thế các electron thừa hay thiếu electron (gọi là lỗtrống) không tham gia vào các kết nối mạng tinh thể Chúng có thể tự do di chuyểntrong khối tinh thể Silic kết hợp với nguyên tử nhóm III (Nhôm hay Gali) được gọi làloại bán dẫn p bởi vì năng lượng chủ yếu mang điện tích dương (positive), trong khiphần kết hợp với các nguyên tử nhóm V (Phốt pho, Asen) gọi là bán dẫn n vìmang năng lượng âm (negative).
Cho tới hiện nay thì vật liệu chủ yếu dùng cho sản xuất pin Mặt Trời (và chocác thiết bị bán dẫn) là các Silic tinh thể Pin Mặt Trời từ tinh thể silic chia ra thành 3loại
Hình 1.1: Các loại cấu trúc tinh thể của PNLMT
Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trìnhCzochralski Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16% Chúng thường rất đắttiền do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn tinh thể này có các mặttrống ở góc nối các module
Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc, được đúc từ silic nung chảy cẩn thận, được làmnguội và làm rắn Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệusuất kém hơn
Dải Silic tạo từ các miếng phim mỏng, từ Silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh
Trang 16thể Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong cácloại vì không cần phải cắt từ thỏi Silicon.
1.1.1.2 Nguyên lý cấu tạo
Các tấm tinh thể mỏng được đánh bóng để loại bỏ các khuyết tật trong quátrình cắt Chất kích thích được dùng để tăng sư hấp thụ ánh sáng Các tấm kim loạidẫn truyền đặt vào một mặt, thêm một lưới mỏng trên bề mặt chiếu ánh sáng MặtTrời, và một mặt phẳng trên mặt còn lại, xem hình Hình 1.2 Tấm năng lượng MặtTrời tạo thành từ các pin như vậy cắt theo hình dạng thích hợp, được bảo vệ khỏi tiabức xạ và hư hại trên mặt trước bằng các miếng gương dán vào chất nền Sự liền mạch
Hình 1.2: Cấu tạo Pin năng lượng mặt trời
Trang 17được tạo nên thành các dãy song song để quyết định năng lượng tạo ra Chất keo vàchất nền phải có tính dẫn nhiệt, vì khi các pin bị làm nóng lên khi hấp thụ năng lượnghồng ngoại vốn không thể chuyển hóa thành năng lượng Một khi các pin bị nóng thìgiảm hiệu suất hoạt động vì thế nên phải làm giảm thiểu nhiệt năng.
Tấm năng lượng Mặt Trời tạo thành từ nhiều pin Mặt Trời Mặc dù mỗi pin chỉcung cấp một lượng nhỏ năng lượng, nhưng nhiều pin trải dài trên một diện tích lớntạo nên nguồn năng lượng đủ dùng Để đạt được hiệu năng tốt nhất, tấm năng lượngphải hướng trực tiếp đến Mặt Trời
Hình 1.3: Quá trình tạo một Panel Pin năng lượng mặt trờiCông nghệ trên là sản xuất 1 tấm, nói cách khác các loại trên có độ dày
300μmm tạo thành và xếp lại để tạo nên module
Trang 18Hình 1.4: Nguyên lý hoạt động của Pin năng lượng mặt trời
Trang 19Hệ thống hai mức năng lượng:
Bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp E2 Khi chiếu sáng hệ thống,lượng tử ánh sáng (photon) mang năng lượng hv (h là hằng số Plank và v là tần số ánhsáng) bị điện tử hấp thụ và chuyển lên mức E1
Phương trình cân bằng năng lượng:
hv = E1- E2 (1.1)Trong các vật rắn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vànhngoài, nên các năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng con rất sát nhau vàtạo thành vùng năng lượng Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi ởtrạng thái cân bằng gọi là vùng hoá trị mà bên trên của nó có năng lượng EV Vùngnăng lượng phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi làvùng dẫn, bên dưới của vùng có năng lượng là EC Phần cách ly giữa vùng hóa trị vàvùng dẫn đó gọi là một vùng cấm có độ rộng năng lượng là Eg, tại đó không có mức
Hình 1.5: Trạng thái 2 mức năng lượng của Electron
Trang 20năng lượng cho phép nào của điện tử.
Khi ánh sáng chiếu đến vật rắn có vùng năng lượng nói trên, photon có nănglượng hv chiếu tới hệ thống Bị điện tử của vùng hoá trị hấp thụ và nó có thể chuyểnlên vùng dẫn để trở thành điện tử tự do e-, lúc này vùng hoá trị sẽ có một lỗ trống cóthể di chuyển như “hạt“ mang điện tích dương (kí hiệu h+) Lỗ trống này có thể dichuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện Hình 1.6 trình bày các vùng năng lượngchất bán dẫn
Hiệu ứng lượng tử của quá trình hấp thụ Photon được mô tả bằng phương trình:
Ev + hv→ e- + h+Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lượng của Photon và chuyển vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử lỗ trống là:
hv > Eg = EC – Ev Suy ra bước sóng tới hạn λC của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e- - h+ là:
Hình 1.6: Các vùng năng lượng trong phân tử bán dẫn
(1.2)
(1.3)
(1.4)
Trang 21λC = hc/( EC – EV) Vậy khi chiếu sáng vào vật rắn, điện tử ở vùng hoá trị hấp thụ năng lượng
photon hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử – lỗ trống e- - h+, tức là tạo ra một điện thế Hiện tượng đó gọi là hiện tượng quang điện bên trong
Nguyên lý hoạt động của pin Mặt Trời chính là hiện tượng quang điện xảy ra trên lớp tiếp xúc p-n Hình 1.5 trình bày hiện tượng biến đổi năng lượng khi ánh sáng chiếu vào lớp bán dẫn
Hình 1.7: Hiện tượng biến đổi quang điện trong phân tử bán dẫn khi có ánh sáng chiếu
vào lớp tiếp xúc p - n
Trang 22Sự chuyển đổi ánh sáng:
Khi một photon chạm vào mảnh silic, một trong hai trường hợp sẽ xảy ra:
- Photon truyền trực xuyên qua mảnh silic Điều này thường xảy ra khi nănglượng của photon thấp hơn năng lượng đủ để đưa các hạt electron lên mứcnăng lượng cao hơn
- Năng lượng của photon được hấp thụ bởi silic Điều này thường xảy ra khi nănglượng của photon lớn hơn năng lượng để đưa electron lên mức năng lượng cao hơn
Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các hạtelectron trong màng tinh thể Thông thường các electron này ở lớp ngoài cùng, vàthường được kết dính với các nguyên tử lân cận vì thế không thể di chuyển xa Khielectron được kích thích, trở thành dẫn điện, các electron này có thể tự do di chuyểntrong bán dẫn Khi đó nguyên tử sẽ thiếu 1 electron gọi là "lỗ trống" Lỗ trống này tạođiều kiện cho các electron của nguyên tử bên cạnh di chuyển đến điền vào "lỗ trống",
và điều này tạo ra lỗ trống cho nguyên tử lân cận có "lỗ trống" Cứ tiếp tục như vậy
"lỗ trống" di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn tạo nên dòng điện Hình 1.8 trình bàynguyên lý hoạt động của PNLMT
Hình 1.8: Nguyên lý hoạt động của Pin năng lượng mặt trời
Trang 231.1.3 Ứng dụng của pin mặt trời
Năng lượng Mặt Trời là nguồn năng lượng mà con người biết khai thác và sử dụng từ rất sớm Nhưng việc ứng dụng NLMT vào sản xuất trên quy mô lớn, cũng như cuộc sống hàng ngày thì mới chỉ thực sự bắt đầu vào cuối thế kỷ 18, và tập chungchủ yếu ở các nước có nhiều năng lượng Mặt Trời Từ các cuộc khủng hoảng năng lượng thế giới năm 1968 và 1973, NLMT càng được quan tâm hơn Tuy nhiên, ở đây chúng ta chỉ bàn đến những ứng dụng mạnh mẽ của PNLMT trong những năm gần đây
và tập trung vào khía cạnh PNLMT kết hợp với LED trong chiếu sáng các công trình công cộng, hòa điện lưới,
Sản xuất năng lượng từ pnlmt
Sản xuất điện năng trên thế giới theo hai loại công nghệ sản xuất điện mặt trờiđược phát triển rộng rãi, đó là: Công nghệ hội tụ năng lượng mặt trờiCSP (concentrated solar power) và Công nghệ quang điện SPV (Solar Photovoltaic)
Trong Công nghệ CSP; còn gọi là Công nghệ nhiệt năng mặt trời STE (Solarthermal energy), sử dụng một hệ thống nhiều ống kính, gương phản chiếu và các hệthống theo dõi nhằm tập trung ánh sáng mặt trời từ một khu vực rộng lớn vào một diệntích nhỏ Ở đây, nước hoặc chất lỏng đặc biệt khác chứa trong các bể chứa hay ống dẫnđược làm nóng lên đến từ nhiệt độ vài chục độ (sử dụng, như sưởi ấm bể bơi, cung cấpnước ấm cho các hộ gia đình, lưu trữ năng lượng phòng khi không có mặt trời chiếusáng), đến vài trăm độ (tạo thành những dòng hơi nước mạnh làm quay tuôc-bin để sảnxuất điện)
Trong Công nghệ SPV, năng lượng ánh sáng mặt trời được chuyển thành dòngđiện, nhờ hiệu ứng quang điện, qua các tế bào quang điện hay các Pin mặt trời bé nhỏ.Các pin nhỏ ghép lại thành tấm Pin Mặt trời lớn Các tấm pin lớn này ghép lại với nhauthành mô đun hay dãy Ban đầu, các tấm Pin mặt trời được dùng cho vệ tinh nhân tạohay phi thuyền không gian, nhưng giờ đây ở nhiều nước đã sử dụng rộng rãi trong côngnghiệp và dân dụng Các nhà máy điện mặt trời sử dụng công nghệ hội tụ CSP hay
Trang 24công nghệ quang điện SPV, hoặc kết hợp cả hai công nghệ đã xuất hiện ở nhiều quốcgia (xem bài “Top 10 quốc gia khai thác điện mặt trời trên thế giới”/Vietnamnet.vn/truy cập ngày cuối 29/05/2014).
Trang 25Bảng 1.1: Bảng xếp hạng các nhà máy điện mặt trời trên thế giới theo công nghệ SPV
“Topaz Solar Farm”, Mỹ 550 MW (đat 300 MW vào tháng 1/2014)
“Agua Caliente” , Mỹ 251 MW (đat 397 MW khi hoàn thành)
“California Valley Solar Ranch”, Mỹ 250 MW (hoàn thành 2013)
“Antelope Valley Solar Ranch”, Mỹ 230 MW (gần hoàn thành)
“Charanka Solar Park”, Trung quốc 221 MW
“Golmud Solar Park” , Trung quốc 200 MW (hoàn thành 2011)
“Imperial Solar Energy Center South”, Mỹ 200 MW
“Centinela Solar Energy Project”, Mỹ 170 MW (gần hoàn thành)
“Meuro Solar Park”, Đức 166 MW (hoàn thành 2013)
“Mesquite Solar I” , Mỹ 150 MW
Hình 1.9: Sản xuất điện năng lượng Mặt Trời trên thế giớia) Hệ thống điện năng lượng Mặt Trời “Topaz Solar Farm”, ở Mỹ
b) Hệ thống sản xuất điện năng lượng Mặt Trời “Meuro Solar Park”, ở Đức
Biểu đồ 1.1: Sự tăng trưởng tổng điện năng mặt trời năm theo các năm
Trang 26Biểu đồ 1.2: Tình hình xây dựng các nhà máy quang điện mặt trời trong các năm
Tình hình thế giới thúc đẩy Việt Nam có chính sách đầu tư phát triển toàn diệnnền công nghiệp điện năng của đất nước Bên cạnh sự phát triển nhiệt điện khí, điện hạtnhân, không thể không có chính sách hợp lý đối với sử dụng năng lượng tái tạo, trướchết là điện gió và điện mặt trời
Tại Việt Nam các dự án về sản xuất điện từ PNLMT liên tục được các nhà đầu
tư nước ngoài kết hợp triển khai, Hình 1.10 a) là hệ thống cung cấp điện năng lượngMặt trời được lắp đặt trên nóc nhà Bộ Công Thương với công suất 120 kW do CHLBĐức tài trợ và (Hình 1.10 b) là hệ thống sản xuất điện năng lượng Mặt Trời do chínhIntel lắp đặt trên tòa nhà trụ sở của mình tại Việt Nam Ngoài ra, còn rất nhiều dự án
Trang 27khác được tài trợ từ các công ty, tập Đoàn năng lượng sạch của nước ngoài được thựchiện tại Việt Nam.
Phương tiện giao thông
Sử dụng năng lượng Mặt Trời làm nguồn năng lượng vận hành các phương tiệngiao thông là một hướng phát triển trong lĩnh vực tìm kiếm và sử dụng năng lượngsạch Trong tương lai, chắc chắn các phương tiện di chuyển đi lại hay vận chuyển hànghóa sử dụng PNLMT sẽ không còn xa lạ mà sẽ trở nên phổ biến như nhiều loại phươngtiện sử dụng động cơ xăng hay nhiên liệu hóa thạch khác, vì đây là hướng phát triểnbền vững của tương lai mà Thế Giới đang hương đến Hình 1.11 là những ví dụ điểnhình cho việc các phương tiện sử dụng PNLMT sẽ đi vào đời sống một cách phổ biếntrong tương lai không xa
Hình 1.10: Sản xuất điện năng lượng Mặt Trời tại Việt Nam
Hệ thống điện năng lượng Mặt Trời nối lưới trên nóc nhà Bộ Công Thương
Hệ thống sản xuất điện từ năng lượng Mặt Trời trên sân thượng Intel Việt
Nam
Hình 1.11: Năng lượng Mặt Trời làm nhiên liệu thay thế cho xăng dầu trên phương tiện giao thông
Máy bay chạy bằng năng lượng Mặt Trời
Tàu thủy chạy bằng năng lượng Mặt Trời
Ôtô chạy bằng Pin năng lượng mặt trời
b)a)
c)
Trang 28Các ứng dụng khác của PNLMT
Ngoài việc sử dụng tập hợp với quy mô lớn như sản xuất điện năng hay tích hợpvào các phương tiện giao thông thì PNLMT còn rất nhiều ứng dụng thiết thực khácnhư: tích hợp vào điện thoại di động để sạc Pin khi di chuyển ngoài trời, đèn học tậpchạy bằng PNLMT; máy tính cầm tay sử dụng PNLMT, sạc điện thoại bằng NLMT,Laptop sử dụng PNLMT,… và còn rất nhiều ứng dụng khác sẽ được con người đã vàđang tiếp tục nghiên cứu để cho ra những sản phẩm công nghệ của tương lai, không chỉtính ứng dụng cao mà quan trọng hơn nữa nó là một “thiết bị công nghệ sạch”
1.1.4 Công nghệ mới của PNLMT
Cấu trúc Silicon mới tăng hiệu suất pin mặt trời
Các nhà nghiên cứu đã tìm ra ra một cấu dạng silicon mới, mang tên SiliconBC8 có thể tăng hiệu suất hoạt động của pin mặt trời Nghiên cứu này được trình bàychi tiết tại tờ tạp chí Physical Review Letters, số tháng 1/2013 Các nhà nghiên cứu tạiĐại học California Davis tính toán hiệu suất có thể tăng thêm được tính toán dựa trên
mô phỏng điện toán
Với loại pin truyền thống, cứ một photon đi vào sẽ có một cặp lỗ hổng electron,
do đó hiệu suất tối đa sẽ đạt 33% Các hạt nano của hợp chất silicon truyền thống chỉ
có thể hoạt động trong vùng ánh sáng tia cực tím dưới tác động của hiện tượng giamgiữ lượng tử (quantum confinement)
Hiện tượng giam giữ lượng tử tạo ra nhiều hơn một cặp lỗ hổng electron và cácnhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos, UC Davis và Phòng thínghiệm Năng lượng tái tạo quốc gia đã nghiên cứu hiện tượng này một cách chi tiếthơn
Các nhà khoa học phát hiện ra nếu tạo ra được nhiều hơn một cặp lỗ hổngelectron trên một photon thì có thể đạt được hiệu suất lên tới 42% - mức hiệu suất vượt
xa so với bất kỳ loại pin mặt trời nào hiện nay Phương pháp mới không chỉ hiệu quả
Trang 29với vùng ánh sáng tia cực tím mà còn có hiệu quả với vùng ánh sáng mặt trời khôngnhìn thấy được.
Các chuyên gia cũng tin rằng với việc kết hợp nhiều lỗ hổng electron trên mộtphoton bằng các gương parabol, hiệu suất tối đa của pin có thể lên tới 70%
Các nhà nghiên cứu ủng hộ khả năng hoạt động của một cấu trúc silicon mangtên silicon BC8 BC8 được tạo thành dưới áp suất cao nhưng lại ổn định ở áp suấtthông thường Phép mô phỏng điện toán được thực hiện tại Trung tâm Siêu điện toánNghiên cứu khoa học Năng lượng quốc gia tại Phòng thí nghiệm Lawrence Berkeley
Kết quả cho thấy các hạt nano của cấu trúc silicon BC8 thực tế tạo ra nhiều cặp
lỗ hổng electron trên một photon thậm chí là khi tiếp xúc với ánh sáng nhìn thấy được
Do đó, các nhà khoa học đang hi vọng về khả năng tạo ra một loại pin mặt trời có hiệusuất cao nhất thế giới Nguồn “sở Khoa Học và Công Nghệ Ha Nam, truy cập ngàycuối 10-6-2015”
Hình 1.12: Cấu trúc silicon BC8
1.2 THIẾT BỊ LƯU TRỮ ĐIỆN NĂNG (ẮC QUY)
Điện năng là một loại hàng hóa đặc biệt trong đó sản xuất và tiêu dùng đi đôivới nhau, để lưu trữ/dự trữ được điện năng người ta đã chế tạo ra Ắc quy – thiết bị cókhả năng tích trữ điện trong thời gian lâu dài; Ắc quy là một thiết bị rất cơ động, người
Trang 30ta có thể mang nó đi đến bất kỳ vị trí nào để sử dụng như một “nhà máy phát điệnmini”, miễn là trước đó người ta đã dự trữ đủ điện ứng với dung lượng của nó.
Cũng giống như điện năng được sản xuất từ thủy điện hay nhiệt điện,… điệnnăng sản xuất ra từ pin năng lượng Mặt Trời cũng cần được dự trữ lại để sử dụng chonhững lúc trời không nắng hay không có đủ ánh sáng Măt Trời Ở mục này ta sẽ tìmhiểu về Ắc quy, cách lựa chọn Ắc quy, nạp điện và sử dụng Ắc-quy cũng như cách bảoquản, bảo vệ Ắc quy như thế nào để lưu trữ điện năng một cách hiệu quả nhất và tuổithọ Ắc quy là cao nhất
1.2.1 Giới thiệu về Ắc quy
Bình Ắc quy là thiết bị lưu trữ điện - một dạng nguồn điện hóa học, dùng để lưutrữ điện năng dưới dạng hóa năng Khi có phụ tải nối vào, hóa năng được giảiphóng dưới dạng điện năng
Hiện nay có rất nhiều loại Ắc quy với những chất lượng, tính năng và giá thànhrất khác nhau (axit chì, kín khí, chì khô, cadium, niken, Lithium….) Nhưng xéttổng thể thì có hai loại Ắc quy chính là Ắc quy chì- acid và Ắc quy sắt- kiềm Trongkhuôn khổ đồ án này ta tập trung nghiên cứu Ắc quy chì – acid sản xuất theo côngnghệ kín khí, đây là loại Ắc quy không cần bảo dưỡng
Cấu tạo chì – acid
Trang 31Ắc quy chì - acid gồm có các bản cực bằng chì đi-ô-xít chì ngâm trong dungdịch acid Sulfuric Hình 1.13 trình bày cấu tạo của Ắc quy.
Các bản cực thường có cấu trúc phẳng, dẹp, dạng khung lưới, làm bằng hợpkim chì - Antimone, có nhồi các hạt hóa chất tích cực Các hóa chất này khi được nạpđầy là dioxit chì ở cực dương, và chì nguyên chất ở cực âm Các bản cực được nối vớinhau bằng những thanh chì ở phía trên, bản cực dương nối với bản cực dương, bảncực âm nối với bản cực âm Thông thường, các bản cực âm được đặt ở bên ngoài, do
đó số lượng các bản cực âm nhiều hơn bản cực dương Các bản cực âm ngoài cùng
thường mỏng hơn, vì chúng sử dụng diện tích tiếp xúc ít hơn
Chất lỏng dùng trong bình Ắc quy này là dung dịch acid Sulfuric Nồng độ củadung dịch biểu trưng bằng tỷ trọng đo được, tuỳ thuộc vào loại bình Ắc quy, và tìnhtrạng phóng nạp của bình
Trị số tỷ trọng của bình Ắc quy khi được nạp đầy được quy ra ở 25⁰C (77⁰F) được cho ở Bảng 1.2
Bảng 1.2: Tỷ trọng bình Ắc quy ở 250C
Bình Ắc quy làm việc ở chế độ tải nặng, thí dụ các xe tải điện 1,275
Bình Ắc quy dùng cho tải không nặng lắm: thí dụ như chiếu 1,245
Bình Ắc quy tĩnh, hoặc dùng cho các ứng dụng dự phòng 1,215
Dung lượng Ắc quy
Dung lượng của Ắc quy là lượng điện (điện tích) mà Ắc quy đó sau khi đã đượcnạp đầy sẽ phát ra được trước khi hiệu điện thế giảm xuống đến mức ngừng Mứcngừng là mức mà không nên bắt Ắc quy phát điện tiếp, nếu cứ để Ắc quy phát điện ở
Hình 1.13: Cấu tạo Ắc quy chì - acid
Trang 32dưới mức ngừng thì sẽ giảm tuổi thọ của Ắc quy, thậm chí có thể làm Ắc quy chếtngay lập tức Đó là trường hợp dùng nhiều Ắc quy mắc nối tiếp nhau khi 1 Ắc quy đãphát hết điện mà những cái khác chưa hết điện và ta tiếp tục dùng thì cái hết điệntrước sẽ bị đảo cực và hỏng hoàn toàn Với Ắc quy chì thông thường thì mứcngừng là 1,67V cho mỗi ngăn; hay là 10V cho cả 6 ngăn.
Dung lượng của bình Ắc quy thường được tính bằng Ampe giờ (Ah) Ah là tích
số giữa dòng điện phóng với thời gian phóng điện Dung lượng này thay đổi tùytheo nhiều điều kiện như dòng điện phóng, nhiệt độ chất điện phân, tỷ trọng của dungdịch, và điện thế cuối cùng sau khi phóng Nhà sản xuất thường đặt số dung lượngtrong ký hiệu của Ắc quy
Các biến đổi của thông số của bình Ắc quy được cho trên các biểu đồ Hình
1.14
Trước khi dùng làm nguồn điện ta phải nạp điện cho Ắc quy Lúc này Ắcquy đóng vai trò một máy thu, tích trữ điện năng dưới dạng hóa năng Khi nạp điệncho Ắc quy người ta cho dòng điện một chiều đi vào Ắc quy Dung dịch Axit Sunfuric
bị điện phân, làm xuất hiện Hiđrô và Ôxit ở hai bản chì Ở bản nối với cực âm (-)Hình 1.14: Sự biến đổi thông số bình Ắc quy qua quá trình phóng nạp
Trang 33của nguồn điện Chì đi-ôxit (PbO2) khử mất ôxi và thành chì Pb, bản này sẽ thànhcực âm (-) của Ắc quy Còn ở bản nối với cực dương (+) của nguồn điện thì có ôxitbám vào, ôxi hóa Pb3O4 thành Chì đi-ôxit (PbO2), bản này sẽ trở thành cực dương (+)của Ắc quy Khi hai cực đã trở thành Pb và PbO2 thì giữa chúng có một hiệu điệnthế, Ắc quy trở thành nguồn điện và bây giờ tự nó có thể phát ra dòng điện.
Nếu ta nối hai cực của Ắc quy đã được nạp điện bằng một dây dẫn thì dòngđiện chạy trong dây sẽ có chiều ngược với dòng điện lúc nạp vào Ắc quy Dòng điệnnày sẽ gây ra quá trình hóa học ngược lại, dung dịch axit lại bị điện phân nhưng lầnnày các ion chuyển dời ngược chiều với lúc đầu, Hiđrô sẽ chạy về bản PbO2 và khửôxi, làm cho bản này chở thành chì ôxit PbO Cho đến khi hai cực đã hoàn toàn giốngnhau thì dòng điện tắt Bây giờ muốn Ắc quy lại phát điện, ta phải nạp điện cho nó đểhai cực trở thành Pb và PbO2
1.2.2 Phóng và nạp Ắc quy chì – acid
Phóng điện Ắc quy Ắc quy chì – acid
Khi cấp tải vào Ắc quy thì dòng đi từ cực (+) sang cưc (-) Quá trình phóngthể hiện trong Hình 1.15:
Hình 1.15: Quá trình phóng điện của Ắc quy
Trang 34Phóng điện có thể tiến hành vào bất kỳ thời điểm nào và bất kỳ dòng điệnnào nhỏ hơn trị số ghi trong bảng chỉ dẫn của nhà chế tạo.
Khi phóng điện bằng chế độ 3 giờ hoặc dài hơn, có thể phóng liên tục chođến khi điện thế ở mỗi ngăn giảm xuống đến 1,8V
Khi phóng với chế độ 1,2 giờ, thì ngừng phóng khi điện thế ở mỗi ngănxuống đến 1,75V
Khi phóng với dòng điện nhỏ thì không xác định việc kết thúc phóng theo điệnthế Trong trường hợp này, việc kết thúc phóng được xác định theo tỷ trọng chấtđiện phân Việc phóng được kết thúc khi tỷ trọng giảm đi từ 0,03 đến 0,06 g/cm3
so với tỷ trọng ban đầu (nhưng cũng không được để điện thế mỗi ngăn giảm xuốngthấp hơn 1,75V)
Nạp điện cho Ắc quy chì – acid
Tuỳ theo phương pháp vận hành Ắc quy, thiết bị nạp và thời gian cho phép nạp,phương pháp nạp, việc nạp có thể được thực hiện theo các cách như sau:
Nạp với dòng điện không đổi
Nạp với dòng điện giảm dần
Nạp với điện thế không đổi
Nạp thay đổi với điện thế không đổi
Bảng 1.3: Dòng nạp của một số Ắc quyLoại Ắc quy Dòng điện nap A) Thời gian nạp (giờ)
Trang 35Các chế độ vận hành Ắc quy chì – acid
Chế độ nạp thường xuyên:
Đối với các loại bình Ắc quy tĩnh điện, việc vận hành Ắc quy được tiến hànhtheo chế độ phụ nạp thường xuyên Ắc quy được đấu vào thanh cái một chiều songsong với thiết bị nạp Nhờ vậy, tuổi thọ và độ tin cậy của Ắc quy tăng lên và hạ thấpcho phí bảo dưỡng
Để bảo đảm chất lượng Ắc quy, trước khi đưa vào chế độ phụ nạp thườngxuyên phải phóng nạp tập dợt 4 lần Trong quá trình vận hành Ắc quy ở chế độ phụnạp thường xuyên Ắc quy không cần phóng tập dợt cũng như nạp lại Trường hợpsau một thời gian dài làm việc ở chế độ phụ nạp thường xuyên mà thấy chất lượng Ắcquy bị giảm thì phải thực hiện việc phóng nạp đột xuất
Ở chế độ phụ nạp thường xuyên cần duy trì điện thế trên mỗi Ắc quy
là 2,2±0,5V để bù trừ sự tự phóng và duy trì Ắc quy ở trạng thái luôn được nạp đầy.Dòng điện phụ nạp thông thường được duy trì từ 50-100 mA cho mỗi 100Ah dunglượng Ở chế độ phụ nạp này, điện thế trên Ắc quy phải được duy trì tự động trongkhoảng ± 2%
Chế độ phóng nạp xen kẽ:
Ắc quy làm việc ở chế độ phóng nạp xen kẽ là Ắc quy thường xuyên cấp vàophụ tải sau khi đã ngưng nạp Sau khi phóng đến một giá trị nào đó thì phải nạp trở lại.Trường hợp sử dụng Ắc quy không nhiều thì mỗi tháng phải tiến hành phụ nạp vớidòng điện không đổi là 0,1 x C Việc nạp lại này nhằm loại trừ việc Sunfat hóa ở cácbản cực
1.2.3 Công nghệ Ắc quy mới
Khả năng hạn chế của chúng ta trong việc lưu trữ năng lượng là một rào cản lớn cho việc sử dụng năng lượng tái tạo một cách rộng rãi do công nghệ chế tạo pin dân dụng hiện nay đều sử dụng hợp kim rắn cho hầu hết mọi thành phần bên trong như hai
Hình 1.16: Quá trình nạp điện cho Ắc quy
Trang 36cực và lớp dẫn ion có tên gọi là electrolyte không thể đáp ứng yêu cầu truyền dẫn dòng điện có cường độ lớn gấp 10 lần để phục vụ mạng điện Nhưng hiện nay các nhà
nghiên cứu tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã phát triển thành công một loại
ắc quy dạng pin kim loại lỏng mới, có thể giúp kéo dài tuổi thọ và giảm chi phí sản xuất của các thiết bị Đây là một tiến bộ giúp cho năng lượng gió và năng lượng mặt trời có thể cạnh tranh tốt hơn các nguồn năng lượng truyền thống Giáo sư Donal
Sadoway tại MIT đã khảo sát tiềm năng của ắc quy lỏng dùng cho lưới điện Ắc quy này có thành phần chính là các lớp vật liệu nóng chảy Vì có tỷ trọng khác nhau nên các lớp tự phân cách một cách tự nhiên, giống như dầu với nước
Cấu tạo
Ắc quy gồm một điện cực magie, một điện cực antimon và muối nóng chảy là chất điện phân
Nguyên lý làm việc
Thông thường, những hệ thống như vậy cần được nung nóng đến 700oC thì mới
có thể hoạt động Nhưng theo các nhà nghiên cứu MIT, nếu thay đổi một số vật liệu, ví
dụ sử dụng một điện cực làm bằng liti và điện cực kia bằng vật liệu chì và antimon kết hợp, thì có thể làm giảm nhiệt độ vận hành xuống còn 450o – 500o C
Từ lợi ích của việc sử dụng kết hợp antimon với chì để tạo ra điện cực Hợp kimloại lai này có nhiệt độ nóng chảy nằm giữa nhiệt độ nóng chảy của hai kim loại gốc nhưng lại giữ được điện thế cao hơn antimony, điện thế của kim loại lại không giảm
Quá trình nạp, xả Ắc quy kim loại lỏng
Trang 37Hình 1.17: Mô tả các trạng thái pin Ắc quy kim loại lỏngHai cực (xanh dương và vàng) như Hình: 1.17 Sẽ được tạo bởi hợp kim
magnesium và antimony và lớp electrolyte (xanh lá cây) chèn giữa có cấu tạo từ một hợp chất muối lỏng và được đặt trong môi trường 7000C để hóa lỏng toàn bộ Khi xả điện, dung dịch ở 2 cực sẽ ion hóa và phân rã vào lớp electrolyte ở giữa khiến nó phình
ra, và ngược lại, khi sạc điện, hợp kim lỏng ở hai cực sẽ chuyển từ trạng thái ion hóa trở lại như ban đầu và lớp electrolyte thu nhỏ lại do mất đi lượng ion nhận được trước
đó Do khác biệt nhau về tỉ trọng, ba lớp kim loại nóng chảy sẽ không bao giờ hoà tan vào nhau, như trường hợp của nước và dầu
Để kiểm tra hiệu suất của ắc quy mới, các nhà khoa học đã cho sạc và xả hằng ngày trong thời gian dài Kết quả cho thấy, sau 10 năm hoạt động Ắc quy vẫn duy trì khoảng 85% hiệu suất ban đầu Họ cho biết, hiệu suất ban đầu của Ắc quy đạt khoảng 70%.Vì loại ắc quy mới có thể vận hành ở nhiệt độ thấp hơn nên các nhà nghiên cứu cho rằng nó có thể được chế tạo dễ hơn, có tuổi thọ dài hơn và chi phí tổng thể thấp hơn “Theo Gizmag, 09/2014”
1.3 CÔNG NGHỆ CHIẾU SÁNG LED
LED được xem như là một diode, nhưng nó có khả năng phát ra các bức xạ nằmtrong vùng ánh sáng nhìn thấy (ở đây ta chỉ nói về LED phát ra ánh sáng nhìn thấy,không đề cập đến LED hồng ngoại, vì LED hồng ngoại phát ra bức xạ Hồng ngoại nằmngoài bức xạ ánh sáng nhìn thấy) LED được cấu tạo từ các chất bán dẫn (cho bán dẫn
p tiếp xúc với bán dẫn n, tạo thành lớp tiếp xúc p-n, giống như modul PMLMT đã đềcập ở trên, tuy nhiên kích thướng nhỏ hơn nhiều) Khi ta cho nguồn điện một chiều(DC) chay qua lớp tiếp xúc p-n thì nó sẽ phát ra bức xạ dưới dạng ánh sáng nhìn thấyvới nhiều màu sắc khác nhau LED chỉ sử dụng nguồn điện một chiều, cao nhất là24VDC vì vậy nó tiêu thụ rất ít điện năng, khoảng 90% năng lượng mà nó tiêu thụ đềuchuyển thành năng lượng ánh sáng Do đó, đây là bước phát triển mới trong lĩnh vựcchiếu sáng hiệu suất cao và tiết kiệm năng lượng
Trang 381.3.1 Giới thiệu về LED (Light Emitting Diode)
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Bản chất của LED là một diode, nó chứa một chíp bán dẫn có pha các tạp chất
để tạo ra một tiếp giáp P-N, khi chất bán dẫn Silicon cho pha Indium (có 3 nối hóa trị,
Hình 1.18: Cấu tạo bên trong và hình dạng cơ bản của LED
Trang 39khi gắn nó vào mạng Silicon cần 4 nối, sẽ có một nối thiếu điện tử và cho ra 1 lỗ trống)chúng ta sẽ có chất bán dẫn loại P và khi cho pha với Phosphor (có 5 nối hóa trị, khigắn nó vào mạng Silicon cần 4 nối, sẽ dư ra 1 hạt điện tử), chúng ta có chất bán dẫnloại N Kênh P chứa lỗ trống, kênh N chứa điện tử, dòng điện truyền từ A-nốt (A)( kênh P) đến K-tốt (K) (kênh N), khi mối nối P-N được cho phân cực thuận với nguồnpin ngoài, các điện tử lấp đầy chỗ trống sinh ra bức xạ ánh sáng, các bước sóng phát ra
có màu khác nhau tùy thuộc vào tạp chất trong chíp bán dẫn, Hình 1.18
Đèn LED cỡ trung: được thiết kế có chân cắm để hàn vào mạch in hoặc thànhchíp 4 chân để giúp tản nhiệt tốt, chúng được ghép thành bảng mạch vớinhiều LED nối tiếp hoặc song song Loại đèn LED này thường sử dụng làmcác biển báo, đèn chiếu hậu ô-tô, đèn chiếu sáng khẩn cấp, chúng tiêu thụdòng điện cỡ 100 mA Hình 1.19 b)
LED công suất lớn hay HPLED tiêu thụ dòng điện vài trăm mA đến vàiAmpe, do tiêu thụ dòng điện lớn nên loại này nhất thiết phải gắn với một bộtỏa nhiệt tốt, nếu không HPLED sẽ hỏng sau vài giây Hiệu suất của HPLEDrất cao có thể lên tới 105 lm/W Ứng dụng của HPLED là để thay thế loại đènchiếu sáng trong nhà (trang trí và chiếu sáng), ngoài trời, Hình 1.19 c)
Bản thân công nghệ LED cho phép nó phát sáng đến 100.000h nhưng có cácyếu tố ảnh hưởng đến tuổi thọ bộ đèn như: điện áp, dòng, nhiệt độ, công suất hoạt
Trang 40động, thời gian hoạt động liên tục, công nghệ chế tạo (hàng chính hãng sẽ có chấtlượng tốt hơn, điều kiện môi trường nơi sử dụng,…
1.3.2 Ứng dụng LED siêu sáng công suất cao trong chiếu sáng
Theo như phân loại thì ta cũng hình dung ra được khả năng ứng dụng của Ledtrong cuộc sống là cực kỳ mạnh mẽ: dùng làm hiển thị thông tin, trang trí, chiếu sáng,
…Tuy nhiên, trong đồ án này ta chỉ phân tích khả năng ứng dụng trong chiếu sáng, đặcbiệt là chiếu sáng công trình công cộng
Sử dụng Led cho chiếu sáng trong nhà
Trong gia đình chắc chắn sẽ có rất nhiều thiết bị cần tiêu tốn điện năng để hoạtđộng, nhất là chiếu sáng cho không gian ngôi nhà là không thể thiếu, nhưng nếu sửdụng quá nhiều loại đèn phát nhiệt mạnh sẽ làm cho ngôi nhà của bạn trở nên nóngbức, và nếu giả sử như bạn bật điều hòa không khí thì sẽ gây tiêu tốn thêm một phầnđiện năng để loại bỏ lượng nhiệt đó Văn phòng là nơi làm việc có rất nhiều người vàrất cần ánh sáng để làm việc, vì thế lượng điện tiêu tốn cho chiếu sáng và điều hòanhiệt là rất lớn
Thay thế toàn bộ đèn chiếu sáng trong nhà hay văn phòng của bạn bằng Led là giảipháp tốt nhất để giải quyết những vấn đề trên Ngoài những tính năng vượt trội như: antoàn, tuổi thọ cao, hiệu suất cao, phát nhiệt thấp thì ánh sáng phát ra của Led rất antoàn cho mắt và sức khỏe của con người (vì nó không dùng điện xoay chiều tần số50Hz gây nhấp nháy); vị trí lắp đặt của Led rất linh động, hầu như là mọi nơi banmuốn, có thể đặt chìm vào trong tường để tiết kiệm không gian và tạo không gian hiệnđại, màu sắc đa dạng sẽ giúp bạn có nhiều lựa chọn để trang trí tứng khoảng khônggian trong căn phòng Hình 1.20, Hình 1.21 là những ví dụ minh họa về hiệu quả củaviệc ứng dụng đèn Led để chiếu sáng trong nhà