Giải pháp nâng cao hiệu suất pin năng lượng mặt trời

Bằng thực nghiệm, nhóm nghiên cứu đề tài đã chứng minh được giải pháp này đem lại sự tối ưu, mang lại hiệu quả cao, có khả năng áp dụng vào thực tế và hoàn toàn sạch với môi trường trong bối cảnh việc khai khác năng lượng điện truyền thống ngày càng cạn kiệt và tác động xấu đến môi trường.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA ĐIỆN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGÀNH: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN HỆ THỐNG

ĐỀ TÀI

GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU SUẤT PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Người hướng dẫn : TS LÊ ĐÌNH DƯƠNG

KS NGUYỄN QUỐC TUYẾN Sinh viên thực hiện : NGUYỄN MINH HẢI

Số thẻ sinh viên : 105130155

Đà Nẵng, tháng 5/2018

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA ĐIỆN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGÀNH: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN HỆ THỐNG

ĐỀ TÀI

GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU SUẤT PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Người hướng dẫn : TS LÊ ĐÌNH DƯƠNG

KS NGUYỄN QUỐC TUYẾN Sinh viên thực hiện : NGUYỄN MINH HẢI

Số thẻ sinh viên : 105130155

Đà Nẵng, tháng 5/2018

TÓM TẮT IV LỜI CẢM ƠN V CAM ĐOAN VI DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ VII CÁC TỪ VIẾT TẮT X

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 2

1.1 Đặt vấn đề 2

1.2 Phạm vi đề tài 2

1.3 Đối tượng nghiên cứu của đề tài 3

1.4 Phương pháp nghiên cứu 3

1.4.1 Nghiên cứu lý thuyết: 3

1.4.2 Nghiên cứu thực nghiệm: 3

1.5 Mục đích đề tài 3

1.6 Khái quát về hệ thống nâng cao hiệu suất pin năng lượng mặt trời 4

1.7 Hướng triển khai đề tài 4

CHƯƠNG 2: NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ ỨNG DỤNG 5

2.1 Tổng quan về năng lượng bức xạ mặt trời 5

2.2 Phân bố bức xạ mặt trời trên thế giới và ở Việt Nam 7

2.2.1 Phân bố bức xạ mặt trời trên thế giới 7

2.2.2 Phân bố bức xạ mặt trời tại Việt Nam 8

2.3 Các phương thức khai thác nguồn năng lượng mặt trời 8

2.3.1 Khai thác trực tiếp năng lượng mặt trời ở dạng nhiệt năng 9

2.3.2 Khai thác năng lượng mặt trời chuyển hóa thành điện năng 10

2.4 Trình hình khai thác NLMT trong lĩnh vực điện năng 11

2.4.1 Tiềm năng khai thác 11

2.4.2 Tình hình khai thác NLMT thành điện năng 11

2.4.2.1 Trên thế giới 12

2.4.2.2 Tại Việt Nam 14

CHƯƠNG 3: PIN MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU HƯỚNG PIN MẶT TRỜI 15

3.1 Pin mặt trời 15

3.1.2 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và thông số pin mặt trời 15

3.1.2.1 Cấu tạo pin mặt trời 15

3.1.2.3 Đặc tính làm việc của pin mặt trời 18

3.1.2.4 Thông số làm việc pin năng lượng mặt trời 19

3.2 Hệ thống điều hướng pin mặt trời 23

3.2.1 Nguyên tắc điều hướng 23

3.2.2 Các hệ thống điều hướng pin mặt trời 23

3.2.2.1 Hệ thống điều hướng theo một trục 24

3.2.2.2 Hệ thống điều hướng theo hai trục 25

3.2.3 Lựa chọn phương án kiểu xoay mô hình 26

CHƯƠNG 4: CÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG MÔ HÌNH ĐIỀU HƯỚNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 29

4.1 Tổng quan về các thành phần trong hệ thống mô hình 29

4.2 Hệ thống cơ khí trục đỡ, trục xoay 30

4.2.1 Thiết kế ban đầu 30

4.2.2 Tiến hành thi công 31

4.3 Tấm pin năng lượng mặt trời 33

4.4 Nguồn điện Acquy 34

4.5 Động cơ servo 35

4.5.1 Tổng quan về động cơ servo 35

4.5.2 Ứng dụng động cơ servo vào hệ thống điều hướng pin mặt trời hai trục xoay.37 4.5.3 Chọn động cơ servo cho hệ thống 38

4.6 Quang trở 39

4.7 Vi xử lý Aduino 40

4.7.1 Sử dụng vi xử lý Arduino trong hệ thống điều hướng hai trục xoay: 40

4.8 Mạch giảm áp 42

4.9 Nút nhấn 42

4.10 Màn hình LCD 43

CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ VÀ LẬP TRÌNH VI XỬ LÝ 45

5.1 Thiết kế mạch điện tử 45

5.1.1 Mạch điều khiển 45

5.1.2 Mạch cảm biến hướng ánh sáng 48

5.1.3 Mạch nạp cho Acquy 49

5.2 Lập trình vi xử lý 50

5.2.1 Xây dựng thuật toán cân bằng giá trị điện trở trên bộ cảm biến 50

5.2.1.1 Điều khiển động cơ Servo 1 (trục ngang) 50

5.2.1.2 Điều khiển động cơ Servo 2 (trục dọc) 51

5.3 Lập chương trình cho vi xử lý Arduino Nano CH340 54

CHƯƠNG 6: THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH - KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 61

6.1 Thực nghiệm mô hình 61

6.1.1 Thực nghiệm với điều kiện ban ngày 61

6.1.2 Thực nghiệm với điều kiện ban đêm 65

6.2.1 Một số vấn đề cần lưu ý khi vận hành bảo dưỡng mô hình 66

6.2.2 Ưu, nhược điểm của mô hình 66

6.3 Đề xuất hướng phát triển 67

KẾT LUẬN 69

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 70

Đề tài trình bày quá trình nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và thực nghiệm mô hình điều hướng pin năng lượng mặt trời có công suất là 25W

Mô hình điều hướng pin năng lượng mặt trời gồm hai thành phần chính Thành phần đầu tiên là cơ cấu cơ khí, bao gồm khung đỡ, trục quay, bánh răng truyền động và động cơ Servo Thành phần còn lại là các mạnh điện tử bao gồm bộ cảm biến, mạch điều khiển bộ vi xử lý và acquy Mô hình hoạt động thông qua mạch điều khiển có bộ vi xử

lý Arduino được cài sẵn chương trình trước, mạch điều khiển nhận tín hiệu từ bộ cảm biến hướng ánh sáng, tín hiệu đầu ra từ Arduino của mạch điều khiển dùng để quay hai động cơ servo theo các góc để sang trái qua phải, lên phía trên hay xuống phía dưới, để cuối cùng sao cho mặt phẳng tấm pin vuông góc với hướng chiếu của ánh sáng mặt trời

Dựa vào thực nghiệm mô hình cho thấy, mô hình hoạt động tốt bằng cả hai chế

độ là điều khiển bằng tay và điều khiển tự động Đồng thời kết quả thực nghiệm cũng chỉ ra hiệu suất của tấm pin khi được điều hướng cũng được nâng cao so với hiệu suất của tấm pin khi được đặt cố định Điều đó sẽ mở ra những hướng nghiên cứu mới để có thể phát triển nhiều hơn nguồn điện năng lượng mặt trời vào đời sống con người và công cuộc phát triển đất nước

Em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS LÊ ĐÌNH DƯƠNG, giáo viên hướng dẫn đề tài của em, người đã tận tình chỉ bảo, động viên và đã hướng dẫn, góp ý và giúp đỡ rất nhiều trong suốt thời gian làm đồ án tốt nghiệp Đồng thời em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến KS NGUYỄN QUỐC TUYẾN, hiện đang công tác tại Điện lực Thuận Nam, Điện lực Ninh Thuận đã giúp đỡ em trong quá làm đồ án tốt nghiệp khóa học

Em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Ban chủ nhiệm khoa Điện, trường đại học Bách Khoa Đà Nẵng đã tạo điều kiện tối đa để em được học tập, nghiên cứu khoa học tại đây

Em xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình em, những người đã cho em cuộc sống, vật chất để theo đuổi con đường tìm hiểu tri thức Luôn luôn động viên, khuyên bảo và

là hậu phương vững chắc để em có thể yên tâm học tập, nghiên cứu và hoàn thành đồ

án tốt nghiệp

Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn đến tất cả bạn bè, những người đã nhiệt tình giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và làm đồ án tốt nghiệp khóa học

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu, đồ án tốt nghiệp của em và các bạn cùng nhóm nghiên cứu dưới sự hướng dẫn khoa học của TS LÊ ĐÌNH DƯƠNG, giảng viên khoa Điện trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng và KS NGUYỄN QUỐC TUYẾN, là Giám đốc Điện lực Thuận Nam, Điện lực Ninh Thuận Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây Những số liệu trong các bảng, hình ảnh phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá được chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần danh mục tài liệu tham khảo

Ngoài ra, trong đồ án tốt nghiệp còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như

số liệu của các tác giả khác, cơ quan tổ chức khác đều có trích dẫn và chú thích nguồn gốc

Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

về nội dung đồ án tốt nghiệp của mình Người hướng dẫn, khoa Điện và trường đại

học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng không liên quan đến những vi phạm tác quyền, bản quyền do tôi gây ra trong quá trình thực hiện (nếu có)

Đà Nẵng, ngày 26 tháng 5 năm 2018

Tác giả

(ký tên và ghi rõ họ tên)

BẢNG:

BẢNG 2.1: GIÁ TRỊ TRUNG BÌNH CƯỜNG ĐỘ BỨC XẠ BỨC XẠ NGÀY

TRONG NĂM VÀ SỐ GIỜ NẮNG CỦA MỘT SỐ KHU VỰC KHÁC NHAU Ở

VIỆT NAM 8

BẢNG 3.1: ƯU, NHƯỢC ĐIỂM CỦA HAI HỆ THỐNG ĐIỀU HƯỚNG PIN MẶT TRỜI 28

BẢNG 5.1: CÁC THÀNH PHẦN TRONG CHƯƠNG TRÌNH LẬP TRÌNH ARDUINO 55

BẢNG 6.1: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ TÍNH TOÁN CÔNG SUẤT CỦA MÔ HÌNH KHI TỰ ĐỘNG ĐIỀU HƯỚNG HAI TRỤC VÀ KHI ĐẶT CỐ ĐỊNH 63

BẢNG 6.2: CÁC ƯU, NHƯỢC ĐIỂM CỦA MÔ HÌNH 67

HÌNH VẼ: HÌNH 2-1: DẢI BỨC XẠ ĐIỆN TỪ 5

HÌNH 2-2: QUANG PHỔ MẶT TRỜI NGOÀI KHÍ QUYỂN TRÁI ĐẤT 6

HÌNH 2-3: SỰ TRUYỀN NĂNG LƯỢNG BỨC XẠ MẶT TRỜI QUA LỚP KHÍ QUYỂN TRÁI ĐẤT 7

HÌNH 2-4: PHÂN BỐ CƯỜNG ĐỘ BỨC XẠ TRÊN THẾ GIỚI 7

HÌNH 2-5: BẾP NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 9

HÌNH 2-6: HỆ THỐNG MÁY NƯỚC NÓNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 9

HÌNH 2-7: TRƯỜNG ĐHBK ĐÀ NẴNG LẮP DÀN PIN MẶT TRỜI TẠI KHU A 10 HÌNH 2-8: NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 10

HÌNH 2-9: BIỂU ĐỒ TỔNG CÔNG SUẤT LẮP ĐẶT NHÀ MÁY ĐIỆN PV TOÀN THẾ GIỚI VÀ PHÂN BỐ CÔNG SUẤT RIÊNG NĂM 2015 11

HÌNH 2-10: BIỂU ĐỒ PHÂN BỐ CÔNG SUẤT LẮP ĐẶT NHÀ MÁY ĐIỆN PV TOÀN CẦU TỪ NĂM 2005 ĐẾN 2015 12

HÌNH 2-11: BIỂU ĐỒ TỔNG GIÁ TRỊ ĐẦU TƯ TOÀN CẦU CHO NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO TOÀN CẦU, TRONG ĐÓ CÓ ĐIỆN MẶT TRỜI TÍNH ĐẾN NĂM 2017 13

HÌNH 2-12: LCOE CHO GIÁ THÀNH ĐIỆN PV THẾ GIỚI NĂM 2016 13

HÌNH 3-1: TẾ BÀO PIN MẶT TRỜI 15

16

HÌNH 3-4 HỆ HAI MỨC NĂNG LƯỢNG 17

HÌNH 3-5: CÁC VÙNG NĂNG LƯỢNG 17

HÌNH 3-6: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA PIN MẶT TRỜI 18

HÌNH 3-7 : ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC U-I CỦA PIN MẶT TRỜI 18

HÌNH 3-8: SỰ PHỤ THUỘC CỦA ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH PIN MẶT TRỜI VÀO NHIỆT ĐỘ PIN 19

HÌNH 3-9: ĐẶC TÍNH PHỤ THUỘC V-A CỦA PIN MẶT TRỜI VÀO CƯỜNG ĐỘ BỨC XẠ 19

HÌNH 3-10: ĐẶC TÍNH P-V CỦA PIN MẶT TRỜI 20

HÌNH 3-11: SƠ ĐỒ BLOCKING DIODE VÀ BYPASS DIODE TRONG PIN MẶT TRỜI 21

HÌNH 3-12: CÁC THÔNG SỐ CỦA MỘT SỐ TẤM PIN MẶT TRỜI 23

HÌNH 3-13: MÔ TẢ GÓC TỚI TIA ÁNH SÁNG MẶT TRỜI ĐỐI VỚI ĐỐI VỚI MẶT PHẲNG TẤM PIN 23

HÌNH 3-14: CÁC HỆ THỐNG VỚI CÁC KIỂU XOAY TẤM PIN KHÁC NHAU 24

HÌNH 3-15: MÔ HÌNH PIN MẶT TRỜI TỰ XOAY THEO MỘT TRỤC 24

HINH 3-16: MỘT MÔ HÌNH PIN MẶT TRỜI XOAY THEO HAI TRỤC 25

HÌNH 3-17: BIỂU ĐỒ NĂNG LƯỢNG THU ĐƯỢC CỦA HỆ THỐNG XOAY MỘT TRỤC VÀ HỆ THỐNG CỐ ĐỊNH 26

HÌNH 3-18: BIỂU ĐỒ SO SÁNH CÔNG SUẤT CỦA HỆ THỐNG HAI TRỤC XOAY VÀ CỐ ĐỊNH 27

HÌNH 4-1: SƠ ĐỒ KHỐI CỦA MỘT HỆ THỐNG ĐIỀU HƯỚNG TỰ ĐỘNG 29

HÌNH 4-2: MÔ HÌNH KẾT CẤU ĐƯỢC XÂY DỰNG TRÊN PHẦN MỀM SOLIDWORKS 30

HÌNH 4-3: BẢN VẼ HÌNH CHIẾU ĐỨNG MÔ HÌNH 31

HÌNH 4-4: PHẦN CHÂN ĐẾ VÀ TRỤ ĐỠ 32

HÌNH 4-5: PHẦN TRỤC QUAY 32

HÌNH 4-6:GIÁ ĐỠ CHỮ Y VÀ TRỤC ĐỠ PIN MẶT TRỜI 33

HÌNH 4-7: PHẦN CƠ KHÍ SAU KHI HOÀN THÀNH 33

HÌNH 4-8: MẶT TRƯỚC VÀ SAU CỦA TẤM PIN 34

HÌNH 4-9: ACQUY CỦA MÔ HÌNH 35

HÌNH 4-10: MỘT SỐ ĐỘNG CƠ SERVO THƯỜNG GẶP 35

HÌNH 4-11: CẤU TẠO CỦA ĐỘNG CƠ SERVO THƯỜNG GẶP 36

HÌNH 4-12: CƠ CẤU GHÉP NỐI ĐỘNG CƠ SERVO 37

HÌNH 4-14: QUANG TRỞ, KÍ HIỆU VÀ ĐẶC TÍNH CỦA QUANG TRỞ 39

HÌNH 4-15: MỘT SỐ PHIÊN BẢN ADUINO ĐIỂN HÌNH 40

HÌNH 4-16: DATASHEET CỦA ARDUINO NANO CH340 41

HÌNH 4-17: MẠCH GIẢM ÁP DC-DC LM2596 3A CỦA MÔ HÌNH 42

HÌNH 4-18: NÚT NHẤN VÀ BẢNG NÚT NHẤN CỦA MÔ HÌNH THỰC 43

HÌNH 4-19: MÀN HÌNH LCD 16X2A CỦA MÔ HÌNH 44

HÌNH 5-1: GIAO DIỆN CỦA PHẦN MỀM PROTEUS 45

HÌNH 5-2: SƠ ĐỒ MẠCH NGUYÊN LÝ CỦA HỆ THỐNG 46

HÌNH 5-3: SƠ ĐỒ MẠCH NGUYÊN LÝ CÁC NÚT NHẤN ĐẾN ARDUINO VÀ BỐ TRÍ TRÊN MẠCH ĐIỀU KHIỂN 47

HÌNH 5-4: SƠ ĐỒ BOARD MẠCH IN LAYOUT 47

HÌNH 5-5: BOARD MẠCH ĐIỀU KHIỂN HOÀN CHỈNH 48

HÌNH 5-6: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH CẢM BIẾN HƯỚNG ÁNH SÁNG 48

HÌNH 5-7: MÔ PHỎNG BỐ TRÍ QUANG TRỞ VÀ MẠCH CẢM BIẾN HƯỚNG SÁNG THỰC TẾ 49

HÌNH 5-8: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH NẠP ACQUY TỰ NGẮT 49

HÌNH 5-9: MẠCH NẠP CỦA MÔ HÌNH 50

HÌNH 5-10: TRƯỜNG HỢP ÁNH SÁNG CHIẾU ĐẾN BỘ CẢM BIẾN TỪ HƯỚNG BẮC 50

HÌNH 5-11: TRƯỜNG HỢP ÁNH SÁNG CHIẾU ĐẾN BỘ CẢM BIẾN TỪ HƯỚNG TÂY 51

HÌNH 5-12: CÁC THÀNH PHẦN CỦA LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN 52

HÌNH 5-13: LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN CHƯƠNG TRÌNH 53

HÌNH 5-14: GIAO DIỆN CHƯƠNG TRÌNH LẬP TRÌNH 55

HÌNH 6-1: SƠ ĐỒ THÍ NGHIỆM CÔNG SUẤT PIN CỦA MÔ HÌNH 61

HÌNH 6-2: TÍNH TOÁN GÓC NGHIÊNG Β 62

HÌNH 6-3: ĐỒ THỊ SO SÁNH CÔNG SUẤT THU ĐƯỢC KHI CÓ ĐIỀU HƯỚNG HAI TRỤC VÀ KHI CỐ ĐỊNH 64

HÌNH 6-4: MỘT HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI CỦA HÃNG SMART FLOWER SOLAR 68

NLMT: Năng lượng mặt trời

EVN: Tập đoàn điện lực Việt Nam

MPPT: Maximum power point tracking

MPP: Maximum power point

CdS: The cadmium sulfide

LDR: light dependent resistor

AVR: auto voltage regulator

IDE: Integrated Development Environment

MỞ ĐẦU

Con người đã dần đưa các nguồn năng lượng sạch vào việc sản xuất điện năng trên quy mô lớn để có thể góp phần cung cấp cho nhu cầu và ít tác động xấu đến môi trường nhất Năng lượng Mặt trời là một ví dụ điển hình, nhưng vẫn còn những hạn chế nhất định

về giá cả, quy mô đầu tư và cả công suất điện năng Do đó chúng em quyết định tìm một phương án để nâng cao công suất bằng cách nghiên cứu mô hình điều hướng pin Mặt trời theo ánh sáng Mặt trời Đề tài sẽ thiết kế, thi công tạo mô hình, thực nghiệm, đánh giá tính khả thi của mô hình điều hướng pin Mặt trời Mục đích của đề tài là có thể ứng dụng rộng rãi để phục vụ cuộc sống tốt hơn

Nhưng với những hạn chế về kiến thức cũng như điều kiện của em và nhóm nghiên cứu chưa thể hướng đến mục đích đó, nên mục tiêu trước mắt của đề tài là mô hình sẽ hoạt động tốt ở những thời điểm khác nhau, và kết quả thực nghiệm mô hình sẽ có giúp ích cho những nghiên cứu sau này

Đề tài tập trung vào nghiên cứu mô hình thực tiễn thông qua việc tìm hiểu các thông tin, kiến thức liên quan để từ có tiến hành thực hành chế tạo mô hình thông qua cấu trúc của đề tài như sau:

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

CHƯƠNG 2: NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ ỨNG DỤNG

CHƯƠNG 3: PIN MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU HƯỚNG PIN MẶT TRỜI CHƯƠNG 4: CÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG MÔ HÌNH ĐIỀU HƯỚNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

CHƯƠNG 5: LẬP TRÌNH VI XỬ LÝ VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ

CHƯƠNG 6: THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH - KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Trong quá trình làm đề tài, đồ án tốt nghiệp thì còn có những thiếu sót nhất định, kính mong thầy, cô góp ý để em hoàn thiện hơn, và có những hướng phát triển mới cho đề tài nếu có cơ hội

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Cho đến nay nhiều hệ thống thu và biến đổi năng lượng mặt trời đã được thiết kế, chế tạo và lắp đặt khắp nơi trên thế giới Cách thức thông dụng nhất hiện nay là sử dụng các dàn pin mặt trời để chuyển hóa trực tiếp quang năng thành điện năng, một dạng năng lượng có thể lưu trữ, truyền tải và sử dụng phổ biến bậc nhất trong đời sống con người

Một trong những rào cản trong vấn đề khai thác nguồn năng lượng mặt trời là giá thành các tấm pin mặt trời thường khá đắt, do vậy, phải tìm cách nâng cao hiệu suất của chúng Vào những ngày có nắng, Mặt Trời di chuyển một góc khoảng 1800 so với một điểm cố định trên mặt đất Rõ ràng, một tấm pin mặt trời đặt cố định sẽ không tận dụng hết được nguồn năng lượng từ bức xạ mặt trời, điều này gọi là hao phí pin mặt trời Hệ thống nâng cao hiệu suất pin mặt trời là một hệ thống tự điều hướng tấm pin sao cho tia bức xạ chiếu vuông góc lên bề mặt tấm pin trong suốt thời gian chiếu sáng ban ngày, làm tăng đáng kể hiệu suất của tấm pin năng lượng mặt trời

Nguyên lý cơ bản: tấm pin mặt trời sẽ đạt hiệu suất cao nhất khi ánh sáng mặt trời chiếu vuông góc với mặt phẳng của tấm pin

Hướng phát triển: cho tấm pin tự xoay theo hướng di chuyển của Mặt Trời theo 2 trục, đảm bảo nguồn bức xạ mặt trời luôn chiếu vuông góc vào mặt phẳng tấm pin

1.2 Phạm vi đề tài

Thiết kế và thi công một hệ thống pin năng lượng mặt trời với yêu cầu tận dụng tối

ưu nguồn năng lượng này, đạt hiệu suất cao, hoạt động ổn định và tìm được điểm có công suất cực đại trong điều kiện nhất định

Phạm vi đề tài tập trung nghiên cứu, giải quyết các vấn đề sau:

- Ứng dụng thuật toán cùng với lý thuyết về sự chuyển động theo ánh sáng của tấm pin để đạt điện áp ngõ ra tấm pin lớn nhất, điều khiển dàn xoay của hệ thống pin năng lượng mặt trời

-Mô hình hóa hệ thống tự động điều hướng pin mặt trời

-So sánh với hệ thống pin năng lượng mặt trời không có hệ thống điều hướng

1.3 Đối tượng nghiên cứu của đề tài

1) Hệ thống dàn pin mặt trời được điều hướng theo ánh sáng mặt trời

2) Kết cấu giá đỡ, hệ truyền động cơ khí cho mô hình nâng cao hiệu suất pin năng lượng mặt trời

3) Mô hình thực tế

1.4 Phương pháp nghiên cứu

1.4.1 Nghiên cứu lý thuyết:

Tập trung nghiên cứu lý thuyết về các vấn đề sau :

- Cấu tạo, nguyên lý hoạt động pin mặt trời

- Góc quay và giờ mặt trời

- Mạch điện tử, vi điều khiển và cấu trúc lập trình

- Động cơ, điều khiển động cơ và cơ cấu truyền động cơ khí

1.4.2 Nghiên cứu thực nghiệm:

- Khảo sát quy luật chuyển động của mặt trời tại vị trí đặt tấm pin mô hình

- Thiết kế và thực hiện thí nghiệm so sánh hiệu quả dàn pin tự xoay so với dàn cố định

- Cải tiến mô hình thực nghiệm cho hệ thống nâng cao hiệu suất pin năng lượng mặt trời để nâng cao hiệu suất pin mặt trời

1.5 Mục đích đề tài

1) Phát triển hướng chế tạo cho hệ khung dàn và hệ dẫn động cơ khí trong thực tế 2) Thử nghiệm, chế tạo và mô hình nâng cao hiệu suất pin năng lượng mặt trời với tấm pin năng lượng mặt trời

3) Đánh giá kết quả thực nghiệm hiệu quả về hệ thống nâng cao hiệu suất pin năng lượng mặt trời

4) Kết luận, đưa ra hướng phát triển cho những nghiên cứu về nâng cao hiệu suất pin năng lượng mặt trời

1.6 Khái quát về hệ thống nâng cao hiệu suất pin năng lượng mặt trời

Hệ thống nâng cao hiệu suất pin năng lượng mặt trời pin năng lượng mặt trời thực chất là một hệ thống tự động điều hướng trục xoay của dàn pin sao cho nguồn ánh sáng chiếu vuông góc lên bề mặt tấm pin trong suốt thời gian chiếu sáng ban ngày, làm tăng đáng kể hiệu suất của dàn pin Có nhiều cách bố trí và điều khiển khác nhau, phép xoay dàn năng lượng đều được phân tách thành hai chuyển động xoay độc lập: xoay theo góc phương vị và xoay theo góc vĩ độ Xét theo phương diện truyền dẫn cơ khí, hoàn toàn có thể chế tạo hệ thống xoay tấm pin năng lượng mặt trời quanh hai trục vuông góc

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, hệ thống pin năng lượng mặt trời với kết cấu dàn xoay 2 trục mang lại hiệu suất cao với hệ thống pin năng lượng mặt trời cố định Các dàn xoay quanh 1 trục theo hướng Bắc – Nam hoặc Đông - Tây mặc dù có hiệu suất thấp hơn

so với dàn quay 2 trục, nhưng lại có kết cấu đơn giản hơn Mặc khác là ở dàn 1 trục xoay hay dàn 2 trục xoay đều cần phải tiêu tốn một lượng năng lượng để phục vụ cho các cơ cấu điều khiển, truyền động cho dàn hoạt động Từ điều này, có thể xem xét đầu tư cho bài toán thiết kế, chế tạo các hệ thống dẫn động cơ khí và điều khiển dàn tự xoay

1.7 Hướng triển khai đề tài

Mặc dù đã có nhiều hệ thống dàn năng lượng mặt trời tự xoay, nhưng các bước tính toán, thiết kế kết cấu cơ khí cho các hệ thống này chưa được đưa ra cụ thể Kết cấu, kích thước của các dàn tự xoay hầu như được chế tạo theo kinh nghiệm

Để có thể triển khai đề tài, tập trung làm rõ các vấn đề sau :

1) Tính toán, lựa chọn loại động cơ , công suất cần thiết để xoay dàn pin năng lượng Mặt trời cũng như sự ảnh hưởng của tốc độ quay động cơ

2) Thiết kế, lựa chọn các thành phần cơ khí trục đỡ và phương pháp xoay dàn pin

3) Giải quyết bài toán tự động điều hướng, góc quay động cơ

4) Liên kết các thành phần trong hệ thống sao cho đạt được hiệu quả cao nhất

5) Đánh giá về hiệu quả vận hành giữa mô hình không sử dụng hệ thống tự điều hướng và mô hình có hệ thống tự điều hướng

Đề tài này được thực hiện nhằm giải quyết những vấn đề nêu trên đồng thời ứng dụng thi công mô hình có hệ thống tự điều hướng với tấm pin năng lượng mặt trời Kết quả thực nghiệm mô hình này có thể được dùng làm cơ sở cho các hướng phát triển về hệ thống pin năng lượng mặt trời tiếp theo

CHƯƠNG 2 NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ ỨNG DỤNG

2.1 Tổng quan về năng lượng bức xạ mặt trời

Trong toàn bộ bức xạ của Mặt Trời, bức xạ liên quan đến các phản ứng hạt nhân xảy ra trong nhân mặt trời không quá 3% Bức xạ γ ban đầu đi qua 5.105 km chiều dày của lớp vật chất mặt trời bị biến đổi rất mạnh Tất cả các dạng của bức xạ điện từ đều có bản chất sóng và chúng khác nhau ở bước sóng Bức xạ γ là sóng ngắn nhất trong các sóng đó,

từ tâm mặt trời đi ra do sự va chạm hoặc tán xạ mà năng lượng của chúng giảm đi và bây giờ chúng ứng với bức xạ có bước sóng dài Khi gần đến bề mặt mặt trời nơi có nhiệt độ

đủ thấp để có thể tồn tại vật hất trong trạng thái nguyên tử và các cơ chế khác bắt đầu xảy ra[1]

Đặc trưng của bức xạ mặt trời truyền trong không gian bên ngoài Mặt Trời là một phổ rộng trong đó cực đại của cường độ bức xạ nằm trong khoảng 10-1 – 10µm và hầu như một nửa tổng năng lượng mặt trời tập trung trong khoảng bước sóng 0,38 – 0,78 µm, đó là vùng nhìn thấy của phổ (hình 2.2)

Hình 2-1: Dải bức xạ điện từ [2]

Hình 2-2: Quang phổ mặt trời ngoài khí quyển trái đất[8]

Chùm tia truyền thẳng từ Mặt Trời gọi là bức xạ trực xạ Tổng hợp các tia trực xạ

và tán xạ gọi là tổng xạ Mật độ dòng bức xạ trực xạ ở ngoài lớp khí quyển, tính đối với 1m2 bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ, được tính theo công thức[1]:

Với: φ D_T: hệ số goác giữa Trái Đất và Mặt Trời, φ D_T = β4/4

β: góc nhìn Mặt Trời và β≈ 32’

C0 = 5,67W/m2.K4 : hệ số bức xạ vật đen tuyệt đối

T≈ 5762 0K : nhiệt độ bề mặt mặt trời (xem giống như vật đen tuyệt đối)

Vậy 𝑞 = (

2.3,14.32 360.60 )2

4 5,67 (5762

100)4 ≈ 1353 𝑊/𝑚2 (2.2)

Vì khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trời thay đổi theo mùa trong năm nên β cũng thay đổi, do đó q cũng thay đổi nhưng thay đổi này không lớn lắm nên có thể xem q không đổi

và được gọi là hằng số mặt trời.[1]

Như vậy ở bên ngoài lớp khí quyển trái đất, năng lượng bức xạ mặt trời là hằng số

và có giá trị 1353 W/m2 Khi truyền qua lớp khí quyển bao bọc quanh Trái Đất, các chùm tia bức xạ bị hấp thụ và tán xạ bởi tần ôzôn, hơi nước và các hợp chất khác trong khí quyển, chỉ một phần năng lượng được truyền trực tiếp tới bề mặt trái đất Phần năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt trái đất trong những ngày quan đãng (không có mây) ở thời điểm cao nhất vào khoảng 1000 W/m2 (hình 2-4)

Hình 2-3: Sự truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển Trái đất[1]

2.2 Phân bố bức xạ mặt trời trên thế giới và ở Việt Nam

2.2.1 Phân bố bức xạ mặt trời trên thế giới

Năng lượng mặt trời thay đổi bởi vì sự chuyển động tương đối của mặt trời Sự thay đổi này còn phụ thuộc vào giờ trong ngày và các mùa trong năm Nhìn chung bức xạ mặt trời có nhiều vào buổi trưa hơn là lúc sáng sớm và chiều tối Vào giữa trưa, Mặt Trời ở vị trí cao nhất trên bầu trời và đường đi của tia nắng mặt trời xuyên qua bầu khí quyển của Trái Đất được rút ngắn Do đó, bức xạ mặt trời ít bị tán xạ hay hấp thụ và bức xạ đến bề mặt trái đất sẽ càng nhiều

Hình 2-4: Phân bố cường độ bức xạ trên thế giới [11]

2.2.2 Phân bố bức xạ mặt trời tại Việt Nam

Trải dài từ vĩ độ 23o23’ Bắc đến 8o27’ Bắc, Việt Nam nằm trong khu vực có cường

độ bức xạ mặt trời tương đối cao Trong đó, nhiều nhất phải kể đến thành phố Hồ Chí Minh, tiếp đến là các vùng Tây Bắc (Lai Châu, Sơn La, Lào Cai) và vùng Bắc Trung Bộ (Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh)… Năng lượng mặt trời ở Việt Nam có sẵn quanh năm, khá ổn định và phân bố rộng rãi trên các vùng 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 ngày/năm

Bảng 2.1: Giá trị trung bình cường độ bức xạ bức xạ ngày trong năm và số giờ nắng của

một số khu vực khác nhau ở Việt Nam [12]

2.3 Các phương thức khai thác nguồn năng lượng mặt trời

Tại thời điểm hiện nay, đã có nhiều phương thức khai thác nguồn năng lượng mặt trời, chuyển đổi, khai thác năng lượng mặt trời sang các dạng năng lượng khác nhau Việc sử dụng năng lượng mặt trời đến nay gồm bốn phương thức cơ bản:

 Chuyển đổi năng lượng mặt trời thành nhiệt năng

 Chuyển đổi năng lượng mặt trời trực tiếp thành điện năng

 Chuyển đổi năng lượng mặt trời thành hóa năng

 Chuyển đổi năng lượng mặt trời qua hiệu ứng quang hợp

Tùy theo phương thức chuyển đổi mà các thiết bị năng lượng mặt trời (NLMT) đã ra đời Các thiết bị này chủ yếu ứng dụng sử dụng năng lượng mặt trời tập trung vào phương thức chuyển hóa năng lượng mặt trời thành nhiệt năng và điện năng

2.3.1 Khai thác trực tiếp năng lượng mặt trời ở dạng nhiệt năng

Ứng dụng đơn giản nhất tận dụng năng lượng mặt trời để cấp nhiệt đốt nóng, khai thác năng lượng mặt trời dưới dạng nhiệt năng

Nguyên lý của hoạt động của bếp mặt trời rất đơn giản, sử dụng mặt cầu parabol để tập trung ánh sáng mặt trời tại tiêu điểm, vật dụng đun nấu được đặt ngay tại tiêu điểm đó

Ưu điểm của kiểu khai thác này là đơn giản , không tốn chi phí vận hành, hiệu suất cao do nhận nhiệt năng trực tiếp từ Mặt Trời

Hình 2-5: Bếp năng lượng mặt trời [1]

Một sản phẩm khác được áp dụng rộng rãi và phổ biến hơn là bồn nước nóng năng lượng mặt trời, với cơ chế ống dẫn đối lưu được chế tạo phức tạp hơn bếp năng lương mặt trời

Hình 2-6: Hệ thống máy nước nóng năng lượng mặt trời [13]

Ngoài ra NLMT còn được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác như thiết bị điều hòa, làm lạnh không khí, động cơ bơm nước, bếp nấu v.v…

2.3.2 Khai thác năng lượng mặt trời chuyển hóa thành điện năng

Đây là một kiểu khai thác năng lượng mặt trời phổ biến bậc nhất hiện nay Pin mặt trời là phương pháp sản xuất điện trực tiếp từ NLMT qua thiết bị biến đổi quang điện Pin mặt trời có ưu điểm là gọn nhẹ có thể lắp bất kỳ ở đâu có ánh sáng mặt trời, đặc biệt là trong lĩnh vực tàu vũ trụ Ứng dụng NLMT dưới dạng này được phát triển với tốc độ rất nhanh, nhất là ở các nước phát triển

Ngày nay con người đã ứng dụng pin NLMT để thay thế dần nguồn năng lượng truyền thống

Hình 2-7: Trường ĐHBK Đà Nẵng lắp dàn pin mặt trời tại khu A

Điện năng còn có thể tạo ra từ NLMT dựa trên nguyên tắc tạo nhiệt độ cao bằng một hệ thống gương phản chiếu và hội tụ để gia nhiệt cho môi chất làm việc truyền động cho tua bin máy phát điện

Hình 2-8: Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời [1]

2.4 Trình hình khai thác NLMT trong lĩnh vực điện năng

2.4.1 Tiềm năng khai thác

Năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng sạch và có khả năng tái tạo vô tận Tính sẵn có của nguồn năng lượng này lớn hơn rất nhiều so với nhu cầu năng lượng trong tương lai có thể dự báo được Theo tính toán của các nhà khoa học, chỉ cần thu được 10% năng lượng mặt trời trên toàn bộ bề mặt trái đất có thể cung cấp 20TW (20.000.000 MW), lớn gấp 10.417 công suất thiết kế của nhà máy thủy điện Hòa Bình và bằng khoảng hai lần năng lượng hóa thạch có được trên thế giới Lượng năng lượng mặt trời trên Trái Đất thu được trong 72 giờ tương đương với nguồn năng lượng thu được từ tất cả các mỏ than, dầu

và khí thiên nhiên trên khắp thế giới

Bảng thống kê sau về sự tăng trưởng sản lượng điện mặt trời toàn cầu hằng năm cho thấy sự phát triển nguồn điện này nhanh nhất trong nhóm các nguồn điện tái tạo

Hình 2-9: Biểu đồ tổng công suất lắp đặt nhà máy điện PV toàn thế giới và phân bố công

suất riêng năm 2015 [21]

Riêng năm 2015 trên toàn thế giới có thêm 50 GW được đầu tư xây dựng và đưa vào sử dụng, nâng tổng công suất lắp đặt điện mặt trời trên thế giới lên đến 227 GW

Theo định luật Swanson: giá điện mặt trời sẽ giảm 20% mỗi khi tăng gấp đôi sản lượng Và theo định luật này, người ta đã kiểm chứng được cứ 10 năm giá điện mặt trời sẽ giảm xuống một nửa Với tốc độ này, suất đầu tư điện mặt trời ngày càng giảm mạnh, tạo nên sự hấp dẫn lớn đối với các nhà đầu tư hiện nay

2.4.2 Tình hình khai thác NLMT thành điện năng

Trong các năm gần đây, các công nghệ Năng lượng tái tạo (NLTT), trong đó có các

công nghệ NLMT có tốc độ tăng trưởng cao và liên tục

Lý do của xu hướng trên là:

1 Công nghệ ngày càng hoàn thiện, dẫn đến giá NLTT ngày càng giảm sâu;

2 Vấn đề an ninh năng lượng NLTT là nguồn năng lượng (NL) địa phương, không phụ thuộc vào nguồn nhập khẩu, và do đó không phụ thuộc vào các biến đổi chính trị và các tác động khác;

3 Các nguồn NL hóa thạch đã dần cạn kiệt, trong lúc nhu cầu NL không ngừng gia tăng;

4 Ô nhiễm môi trường do khai thác sử dụng NL hóa thạch đã đến mức báo động, dẫn đến các hiện tượng biến đổi khí hậu toàn cầu Việc cắt giảm phát thải, sử dụng các nguồn NL sạch - các nguồn NLTT, vì vậy trở nên cấp bách và càng ngày càng có tính nghĩa vụ đối với các quốc gia

Hình 2-11: Biểu đồ tổng giá trị đầu tư toàn cầu cho năng lượng tái tạo toàn cầu, trong

đó có điện mặt trời tính đến năm 2017 [24]

Như vậy, tăng trưởng về đầu tư cho NLMT đối với các nước phát triển (+12%) là con số rất ấn tượng, tạo niềm tin cho các nhà đầu tư về lĩnh vực này đối với các nước bắt đầu phát triển điện mặt trời như Việt Nam

Theo thống kê mới nhất của REN21 năm 2016 (Renewable 2016 Global Status Report), giá PV loại đa tinh thể (Poly c-Si) xuống mức từ 0,53÷0,63 USD/Wp tùy thuộc vào nguồn gốc, xuất sứ và quy mô lắp đặt Đồng thời, với sự tối ưu công nghệ, quy trình lắp đặt xây dựng và các chi phí phần mềm khác đã kéo giá thành sản xuất điện năng quy dẫn (LCOE) của điện mặt trời giảm mạnh

Hình 2-12: LCOE cho giá thành điện PV thế giới năm 2016[23]

2.4.2.2 Tại Việt Nam

Việt Nam được đánh giá là có nguồn tài nguyên năng lượng mặt trời vào loại tốt trên thế giới Nguồn năng lượng sạch và tiềm năng lớn này hoàn toàn có thể tham gia đóng góp vào cân bằng năng lượng quốc gia

Hiện nay cả nước có khoảng 30 nhà đầu tư bắt đầu xúc tiến lập các dự án điện mặt trời có công suất từ 20 đến 300 MW tại một số địa phương, tập trung chủ yếu ở khu vực miền Trung Trong đó đáng chú ý là 2 dự án của Công ty Đầu tư và Xây dựng Thiên Tân (tại tỉnh Quảng Ngãi và Ninh Thuận) và dự án Tuy Phong do Công ty TNHH DooSung Vina (Hàn Quốc) đầu tư với quy mô 66 triệu USD, công suất 30 MW tại tỉnh Bình Thuận[19]

EVN cũng đề xuất với tỉnh Ninh Thuận về việc đầu tư dự án điện mặt trời với tổng vốn đầu tư khoảng 8.000 tỷ đồng, công suất 200 MW trên diện tích 400 ha tại xã Phước Thái, huyện Ninh Phước, tỉnh Ninh Thuận Dự kiến dự án này sẽ được khởi công trong năm 2018[19]

Ngoài ra, tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) cũng đang dự định triển khai nghiên cứu phát triển 2 dự án trên đất liền tại thủy điện Trị An (tỉnh Đồng Nai) và dự án nổi trên mặt nước tại gồ thủy điện Đa Mi (tỉnh Bình Thuận)[19]

Với tổng vốn đầu tư 2.373 tỷ đồng, dự án Nhà máy điện năng lượng mặt trời tại thị trấn Đức An, huyện Đắk Song và dự án Nhà máy Module năng lượng mặt trời Đắk Nông tại xã Đắk Ru, huyện Đắk R’lấp do Tập đoàn Shinsung (Hàn Quốc) làm chủ đầu tư đã chính thức được khởi động ngày 11/12/2016[20]

Tổng công ty Điện lực miền Trung cũng đang triển khai một số dự án như: Nhà máy điện mặt trời đặt tại Cam Lâm tỉnh Khánh Hòa, theo quyết định phê duyệt, dự án được đầu tư với quy mô thiết kế công suất 50 MW, diện tích dự án khoảng 70 ha, thời gian hoạt động của dự án là 50 năm[21]

Từ các dự án đã, đang và sẽ thực hiện cho thấy Việt Nam đã tập trung nhiều hơn vào việc sản xuất điện năng từ NLMT nói riêng, NLTT nói chung, dần thay thế cho các nguồn năng lượng thủy điện, năng lượng nhiệt điện

CHƯƠNG 3 PIN MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU HƯỚNG PIN MẶT TRỜI

3.1 Pin mặt trời

3.1.2 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và thông số pin mặt trời

3.1.2.1 Cấu tạo pin mặt trời

Pin mặt trời (Solar panel) gồm nhiều tế bào quang điện (solar cells) - là phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là diode quang, thực hiện biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện Cường độ dòng điện, hiệu điện thế hoặc điện trở của pin Mặt trời thay đổi phụ thuộc bởi lượng ánh sáng chiếu lên chúng Tế bào quang điện được ghép lại thành khối để trở thành pin mặt trời (thông thường 60 hoặc

72 tế bào quang điện trên một tấm pin mặt trời) Tế bào quang điện có khả năng hoạt động dưới ánh sáng mặt trời hoặc ánh sáng nhân tạo Chúng có thể được dùng như cảm biến ánh sáng hoặc các phát xạ điện từ gần ngưỡng ánh sáng nhìn thấy hoặc đo cường độ ánh sáng[2]

Hiện nay vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời là các silic tinh thể Pin mặt trời từ tinh thể silic chia tành 3 loại[1]:

 Một tinh thể hay tinh thể đơn (module) sản xuất dựa trên quá trình Czochralski Đơn tinh thể có hiệu suất tới 16% Chúng thường đắt tiền do được cắt từ các thỏi silic hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module

 Đa tinh thể - đúc từ silic nung chảy và được làm nguội và làm rắn Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn Chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể

 Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể Chúng có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên giá thành lại rẻ nhất vì không cần phải cắt

từ thỏi silicon

Hình 3-1: Tế bào pin mặt trời[15]

Để tạo ra tinh thể Silic có khả năng dẫn điện tốt, người ta phải thêm một lượng nhỏ các nguyên tử nhóm III hay nhóm V trong bảng tuần hoàn hóa học vào các nguyên tử Silic ở nhóm IV Khi Silic kết hợp với nguyên tử nhóm III (nhôm hay gali) tạo thành bán dẫn loại

p (positive, mang năng lượng dương), khi Silic kết hợp với nguyên tử nhóm V (photpho

hay asen) thì tạo ra bán dẫn loại n (negative, mang năng lượng âm)[1, 15]

Hiện nay người ta đã chế tạo pin mặt trời bằng Si vô định hình (a-Si) So với pin mặt trời tinh thể Si thì pin mặt trời a-Si giá thành rẻ hơn nhưng hiệu suất thấp hơn và kém

ổn định hơn[1]

Công nghệ chế tạo pin mặt trời bao gồm nhiều công đoạn khác nhau, điển hình như tạo pin mặt trời từ Si đa tinh thể thì cần qua những công đoạn như hình 3-2, cuối cùng ta được module pin mặt trời

1 Silicon đa tinh thể

11 Module Pin Mặt trời

Hình 3-2: Cấu tạo và quá trình tạo thành module pin mặt trời[1]

3.1.2 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời dựa trên hiệu ứng quang điện

Xét một hệ hai mức năng lượng điện tử (hình 3-4) E1<E2, bình thường ở E1 có mức năng lượng điện tử thấp

E 2

E 1

hʋ

Hình 3-4 Hệ hai mức năng lượng[2]

Khi nhận bức xạ mặt trời, lượng tử ánh sáng photon có năng lượng hʋ (trong đó h

là hằng số Plankc = 6.624e x 10-34 (Js), ʋ là tần số ánh sáng) bị điện tử hấp thụ và chuyển lên mức năng lượng E2 Ta có phương trình cân bằng năng lượng[1]:

Trong các vật thể rắn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vòng ngoài, nên các mức năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng sát nhau và tạo thành các vùng năng lượng (hình 3-5) Vùng năng lượng bị các điện tử chiếm đầy khi ở trạng thái cân bằng gọi là vùng hóa trị, mà mặt trên của nó có mức 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 là Ec Cách ly giữa hai vùng hóa trị và vùng dẫn là một vùng cấp có độ rộng với năng lượng là Eg, trong đó không có mức năng lượng cho phép nào của điện tử[1]

đó gọi là hiệu ứng quang điện trong[1]

Hầu hết năng lượng mặt trời chuyển đổi thành năng nhiệt năng một phần thiểu số thành điện năng sử dụng được Nếu các photon-electron phóng thích thoát ra khỏi bề mặt vật liệu sẽ tạo nên hiệu ứng hiệu ứng quang điện ở mạch ngoài, tức là tạo ra dòng điện cung cấp cho tải điện Trường hợp các photon-electron không ra mạch ngoài mà chỉ chuyển động như điện tử tự do trong lòng vật liệu, tạo ra dòng điện tức là hiệu ứng quang điện trong Hiệu ứng quang điện trong xảy ra đối với vật liệu bán dẫn, là cơ sở để tạo ra pin mặt trời[2]

Hình 3-6: Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời[2]

3.1.2.3 Đặc tính làm việc của pin mặt trời

Để có thể vận hành tốt nhất hệ thống pin năng lượng mặt trời, cũng như đạt hiệu suất cao nhất của tấm pin, người vận hành cần hiểu rõ đặc tính của chúng

Đặc tính làm việc của pin mặt trời thể hiện qua hai thông số là điện áp hở mạch lớn nhất Uoc lúc dòng ra bằng 0 và dòng điện ngắn mạch Isc khi điện áp ra bằng 0 Công suất của pin được tính theo công thức[2]:

P = I*U (3.2) Trong đó U và I lần lượt là điện áp và dòng điện làm việc Tại điểm U= Uoc thì I= 0 và tại điểm làm việc I= Isc thì U= 0, công suất làm việc của pin cũng có giá trị bằng 0

Hình 3-7 : Đường đặc tính làm việc U-I của pin mặt trời[2]

Điện áp hở mạch Voc phụ thuộc vào nhiệt độ nên đường đặc tính V-A phụ thuộc nhiệt độ của pin (hình 3-8)

Hình 3-8: Sự phụ thuộc của đường đặc tính pin mặt trời vào nhiệt độ pin[2]

Dòng ngắn mạch Isc có giá trị tỉ lệ thuận với cường độ bức xạ chiếu sáng, do đó đường đặc tính V – I của pin mặt trời cũng phụ thuộc vào cường độ bức xạ chiếu sáng

Ở mỗi tầng bức xạ chỉ thu được duy nhất một điểm làm việc với V = VMPP có công suất lớn nhất Điểm làm việc có công suất lớn nhất được thể hiện là điểm chấm trên hình 3-9

Hình 3-9: Đặc tính phụ thuộc V-A của pin mặt trời vào cường độ bức xạ[2]

3.1.2.4 Thông số làm việc pin năng lượng mặt trời

Pin mặt trời có các thông số cơ bản sau:

 Công suất cực đại Pmax – Đơn vị : Wp

 Điện áp hở mạch Uoc – Đơn vị : Volt

 Điện áp điểm cực đại VMPP – Đơn vị : Volt

 Dòng điện ngắn mạch Isc – Đơn vị : Ampere

 Dòng điện điểm cực đại IMPP – Đơn vị : Ampere

 Hiệu suất tấm pin ƞ – Đơn vị : %

Pmax là điểm mà công suất của hệ thống sinh ra cao nhất, tại điểm cong nhất của đồ thị đặc tính P-V (hình 3-10)

Hình 3-10: Đặc tính P-V của pin mặt trời[3]

Khi sử dụng bộ điều khiển sạc có MPPT (Maximum Power Point Tracking) có nhiệm vụ duy trì điểm công suất cực đại MPP để có được công suất tối đa trong trường hợp tấm pin chưa đạt VMPP và được tính theo công thức:

VMPP là điện áp mà tại đó công suất đầu ra là tốt nhất, không phải là điện áp lớn nhất từ ngõ ra tấm pin Hệ thống có bộ điều khiển sạc có MPPT sẽ tự động điều chỉnh sao cho điện áp ngõ ra tấm pin Vout xấp xỉ bằng VMPP

Isc là điện áp ngắn mạch sinh ra khi kết nối đầu âm và dương của tấm pin vào nhau

Sử dụng đồng hồ ampere có thể đo được dòng này, đây là dòng điện lớn nhất mà tấm pin

có thể sản sinh trong điều kiện tiêu chuẩn

Ngoài ra, còn xảy ra hiện tượng “điểm nóng” trong hệ thống NLMT trong trường hợp các module pin khác nhau Đây là hiện tượng tấm pin yếu hơn (tức là pin kém chất lượng hơn so với các pin khác trong dàn hoặc khi nó bị che nắng trong khi các pin khác trong dàn vẫn được chiếu sáng) sẽ hấp thụ hoàn toàn công suất điện do các tấm pin khỏe hơn phát ra và làm cho công suất điện mạch ngoài bằng không Phần năng lượng điện tấm pin yếu nhận được từ tấm pin khỏe hơn sẽ biến thành nhiệt, làm nóng tấm pin này lên và

có thể dẫn tới hư hỏng Hiện tượng điểm nóng này chỉ xảy ra trên các pin yếu hơn các pin

khác trong hệ, dẫn tới sự hư hỏng hệ hay làm giảm đáng kể hiệu suất biến đổi quang điện của hệ Để tránh hiệu ứng điểm nóng này, khi thiết kế phải ghép các tấm pin mặt trời cùng loại, có cùng các thông số đặc trưng trong một dàn pin mặt trời Vị trí đặt dàn phải tránh các bóng che do cây cối, nhà cửa hay các vật cản khác trong những ngày có nắng cũng như bảo vệ tránh bụi bẩn phủ bám lên một vùng nào đấy của tấm pin

Mặt khác, để đảm bảo chế độ vận hành bình thường và những tác động, sự cố về điện ảnh hưởng đến quá trình làm việc, trong tấm năng lượng mặt trời còn có hai bộ phận quan trọng là Blocking Diode (Diode chống ngược) và Bypass Diode

Hình 3-11: Sơ đồ Blocking diode và bypass diode trong pin mặt trời[16]

Giả sử khi chưa có bypass diode, các cell trong một tấm pin được nối nối tiếp với nhau, nếu có 1 cell trong tấm pin có sự cố, không dẫn điện được sẽ làm cho toàn bộ dãy pin trong đó bị hở mạch, và không sinh ra điện năng gây nên tổn thất cho hệ thống Để khắc phục sự cố này, bypass diode được gắn thêm vào tấm pin Trong trường hợp một dãy cell bị sự cố, dòng điện sẽ đi trực tiếp qua diode này, bỏ qua dãy cell bị lỗi, điều này giúp cho phần còn lại của tấm pin sẽ tiếp tục sản sinh ra điện, hệ thống vẫn hoạt động bình thường[16]

Thông thường trong các tấm pin mặt trời thường có từ 2 đến 3 dãy các cell nối tiếp, đồng nghĩa với việc sẽ có từ 2 đến 3 bypass diode được gắn vào để đảm bảo tận dụng tối

đa lượng điện mà tấm pin có thể tạo ra và giúp hệ thống hoạt động hiệu quả nhất

Blocking diode chống ngược chỉ cho dòng điện từ tấm pin mặt trời sang thiết bị lưu trữ và ngăn cản dòng ngược trở lại từ thiết bị lưu trữ quay lại tấm pin, giúp ngăn dòng xả

từ ắc quy sang tấm pin và giúp lưu trữ năng lượng tốt hơn Khi có nhiều dãy pin nối song

song, nó cũng có tác dụng ngăn cản dòng điện chạy ngược từ nhiều dãy vào một dãy pin khi một dãy xảy ra lỗi ngắn mạch hay rò điện Nếu không có diode này, dòng điện quá lớn

có thể làm hỏng các tấm trong dãy pin bị lỗi do quá dòng điện chịu được của tấm pin đồng thời hiệu suất của hệ thống sẽ không đạt cao nhất[16]

Tùy theo hãng sản xuất mà các thông số trên là khác nhau mặc dù tấm pin có công suất như nhau Một điều ảnh hưởng đến các thông số trên là điều kiện thử nghiệm, bao gồm: tổng bức xạ, nhiệt độ, giờ, vị trí đặt tấm pin thực nghiệm Thông thường các nhà sản xuất tấm pin năng lượng mặt trời sẽ tiến hành thực nghiệm với điều kiện tổng bức xạ

E = 1000W/m2 ( tại thời điểm 12h trưa), nhiệt độ thực nghiệm dao động từ 250C đến 330C

Có thể thấy với 2 điều kiện thực nghiệm khác nhau, thông số của tấm pin đã thay đổi Vì có sự sai số do điều kiện bên ngoài nên các nhà sản xuất thường đưa ra điều kiện vận hành để đảm bảo về hiệu suất lẫn tuổi thọ tấm pin

Ngoài những thông số trên, còn những thông số phụ khác (tùy vào hãng sản xuất

có công bố trên sản phẩm của mình hay không), bao gồm:

Thông số về điện và môi trường làm việc:

 Độ lệch công suất (+/- Wp )

 Điện áp cực đại đặt lên tấm pin (khả năng chịu quá áp)

 Dòng điện cực đại qua tấm pin (khả năng chịu quá dòng)

 Số lượng bypass diode, blocking diode

 Ngưỡng nhiệt độ làm việc

Thông số về thành phần cấu tạo:

 Số cell tạo thành 1 module

 Loại bán dẫn sử dụng cho 1 solar cell

 Kích thước solar cell

 Thành phần che chắn mặt trước/mặt sau của solar cell

 Tiêu chuẩn chống bụi, nước

Hình 3-12: Các thông số của một số tấm pin mặt trời[17]

3.2 Hệ thống điều hướng pin mặt trời

3.2.1 Nguyên tắc điều hướng

Tấm pin năng lượng mặt trời đạt hiệu suất cao nhất khi phương của tia sáng mặt trời vuông góc với mặt phẳng của nó

β

Hình 3-13: Mô tả góc tới tia ánh sáng mặt trời đối với đối với mặt phẳng tấm pin

Nguyên tắc xoay của mô hình là luôn luôn hướng pin vào mặt trời sao cho ánh sáng luôn chiếu 1 góc 90 độ vào mặt phẳng tấm pin, ngoài ra có thể kết hợp với bộ điều khiển MPPT để bám được điểm MPP Nguyên tắc này là cơ sở để thiết kế kiểu xoay của hệ thống pin mặt trời

3.2.2 Các hệ thống điều hướng pin mặt trời

Trên thế giới hiện nay có hai loại hệ thống năng lượng mặt trời định hướng, đó là

hệ thống định hướng theo trục đơn và hệ thống định hướng theo trục kép Hệ thống điều hướng theo trục đơn sẽ điều hướng tấm pin theo vị trí Mặt Trời mọc từ Đông sang Tây trên một trục đặt theo hướng Bắc Nam Hệ thống điều hướng theo trục kép sẽ điều hướng tấm pin theo hướng Đông sang phía Tây và Bắc đến phía Nam

Hình 3-14: Các hệ thống với các kiểu xoay tấm pin khác nhau[4]

3.2.2.1 Hệ thống điều hướng theo một trục

Đặc điểm của hệ thống định hướng theo 1 trục[4, 5]:

 Định hướng theo vị trí mặt mrời từ Đông sang Tây bằng cách sử dụng một trục xoay

 Tăng hiệu suất thu năng lượng mặt trời tới 34% so với dàn pin cố định

 Thiết kế đơn giản, dễ lắp ráp, vận hành và bảo dưỡng phù hợp ở những vị trí có vĩ

Trong loại điều hướng chỉ theo một trục duy nhất này, tấm pin được lắp trên một dàn được gắn liền trên trục, dàn được đặt một góc nghiêng định trước (hình 3-6) Ưu điểm chính của hệ thống này là góc quay của dàn lớn, chế tạo đơn giản, dễ lắp ráp, vận hành và bảo trì phù hợp đặt ở những vị trí lắp đặt có cao độ lớn

Tuy nhiên, kiểu dàn này không có tính ổn định cao và cần đặt vị trí ban đầu trước khi vận hành

3.2.2.2 Hệ thống điều hướng theo hai trục

Đặc điểm của hệ thống điều hướng dàn pin năng lượng theo 2 trục[4]:

 Điều hướng xoay tấm pin theo vị trí Mặt Trời từ Đông sang Tây, và phía Bắc đến phía Nam bằng cách sử dụng hai trục quay

 Có thể tăng hiệu suất thu năng lượng mặt trời 37% so với dàn cố định (Tùy điều kiện thời tiết, giả thiết đưa ra với điều kiện thuận lợi nhất)

 Thi công hệ thống phức tạp về mặt cơ khí lẫn điều khiển động cơ xoay

 Chi phí đầu tư gấp đôi so với hệ thống điều hướng chỉ theo một trục

 Bảo trì, bảo dưỡng phức tạp hơn hệ thống cố định và điều hướng theo một trục

 Các bộ phận nhiều hơn so với hệ thống cố định,tăng khả năng hư hỏng

Hinh 3-16: Một mô hình pin mặt trời xoay theo hai trục

Tấm pin hai trục xoay, một trục thẳng đứng xoay và một trục nằm ngang xoay (hình 3-16) Trong loại điều hướng theo 2 trục này, tấm pin được lắp trên một dàn riêng Ưu điểm chính của hệ thống này là góc quay của dàn lớn, đến 3600, qua đó sẽ thu được ánh sáng mặt trời nhiều hơn, đạt hiệu suất cao

Tuy nhiên, kiểu dàn này không có tính ổn định cao và cần đặt vị trí ban đầu trước khi vận hành, cần nhiều kết cấu, lắp ráp, vận hành phức tạp

3.2.3 Lựa chọn phương án kiểu xoay mô hình

Hình 3-18 biểu diễn công suất của hệ thống dàn pin một trục xoay và hệ thống dàn pin cố định

Hình 3-17: Biểu đồ năng lượng thu được của hệ thống xoay một trục và hệ thống cố

định[2]

Ở đồ thị hình 3-18 cho ta thấy, tại thời điểm 12 giờ trưa, ánh sáng mặt trời chiếu vuông góc với mặt phẳng tấm pin thì cả hai hệ thống đều đạt mức công suất tối đa Tuy nhiên, với những thời điểm vào buổi sáng hay chiều, hướng mặt trời thay đổi, trong khi đó

ở hệ thống dàn pin cố định, mặt phẳng tấm pin luôn ở 1 vị trí và góc cố định ban đầu, hệ thống cố định lại có mức năng lượng thấp hơn rất nhiều so với hệ thống có một trục xoay Đường biểu diễn năng lượng của hệ thống có một trục xoay bao phủ luôn cả đường biểu diễn năng lượng của hệ thống dàn pin cố định

Thậm chí, theo tính toán của các nhà nghiên cứu, hiệu suất của hệ thống dàn có một trục xoay có thể tăng lên đến 40% so với hệ thống dàn cố định[26]

Hình 3-19 biểu thị công suất mà pin mặt trời có được ở dàn hai trục xoay so với dàn

cố định

Hình 3-18: Biểu đồ so sánh công suất của hệ thống hai trục xoay và cố định[27]

Nhìn vào biểu đồ ta thấy đường công suất pin mặt trời của hệ thống dàn xoay hai trục bao phủ luôn cả đường công suất của hệ thống dàn cố định, diện tích cũng lớn hơn rất nhiều Đường công suất của hai hệ thống dàn pin cũng không có một điểm nào trùng nhau

cả, thậm chí vào lúc có cường độ bức xạ mặt trời cao nhất là 12h trưa, điểm công suất của tấm pin ở hệ thống dàn hai trục xoay cũng cao hơn nhiều so với điểm công suất của tấm pin được gắn trên hệ thống dàn cố định Thí nghiệm của biểu đồ hình 3-18 cho kết quả hiệu suất đầu ra của hệ thống dàn pin hai trục xoay cao hơn hệ thống dàn cố định đến 41,3%[27]

Ngoài ưu điểm tạo ra công suất vượt trội so với hệ thống dàn cố định, thì hệ thống dàn hai trục cũng cho hiệu suất đầu ra của tấm pin cao hơn hệ thống dàn một trục xoay Một thí nghiệm chỉ ra rằng, hệ thống dàn hai trục xoay có hiệu suất năng lượng cao hơn 10% so với hệ thống dàn xoay quanh một trục Bắc – Nam và cao hơn 3% so với hệ thống dàn xoay quanh một trục nghiêng một góc đã lắp đặt trước[28]

Tuy là năng lượng thu được ở hệ thống hai trục xoay cao hơn hệ thống một trục xoay, nhưng năng lượng tiêu tốn ở hệ thống dàn hai trục xoay lại cao hơn nhiều so với hệ thống dàn một trục xoay, do đó thì hiệu suất có được tính ra cũng không cao hơn bao nhiêu Mặc khác, đối với một hệ thống lớn, kích cỡ dàn pin nặng thì việc tiêu tốn điện năng cho phần động cơ là rất đáng kể, và với một hệ thống điều hướng theo hai trục thì việc vận hành khá phức tạp, yêu cầu cao về bảo dưỡng, không gian làm việc của hệ thống

Vì thế, người thiết kế cần phải cân nhắc kĩ giữa việc lựa chọn hệ thống điều hướng theo 1 trục hay 2 trục tùy theo số vốn đầu tư, yêu cầu về hiệu năng của hệ thống dàn pin năng lượng mặt trời Bởi số tiền đầu tư cho hệ thống điều hướng 2 trục là lớn so với các

loại như dàn cố định hay điều hướng 1 trục, nếu khu vực lắp đặt có số giờ nắng trong năm thấp, cao độ thấp thì số tiền đầu tư cho hệ thống này sẽ không đảm bảo việc tăng hiệu năng

mà dàn pin mang lại, gây lãng phí về chi phí đầu tư lẫn vận hành

Từ những phân tích nêu trên, ta có thể tổng hợp lại thành bảng sau:

Bảng 3.1: Ưu, nhược điểm của hai hệ thống điều hướng pin mặt trời

Ưu

điểm

- Tăng hiệu suất thu năng lượng mặt

trời so với dàn pin cố định

- Đơn giản, dễ thi công hệ thống

- Giảm số lượng tấm pin trong hệ thống nhưng có thể cho lượng điện năng tương đương so với dàn cố định

Nhược

điểm

- Với điều kiện vận hành (thời tiết,

độ cao lắp đặt, vị trí địa phương )

không thuận lợi thì hiệu suất không

nâng cao đáng kể so với dàn cố

định

- Phải đặt góc nghiêng ban đầu (vì

hệ thống chỉ xoay được theo 1 trục)

- Thi công hệ thống phức tạp về mặt

cơ khí lẫn điều khiển động cơ xoay

- Chi phí đầu tư và vận hành lớn hơn

hệ thống điều hướng chỉ theo một trục

- Bảo trì, bảo dưỡng phức tạp

- Khả năng hư hỏng cao hơn so với các hệ thống khác

Kết luận: Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài này, chọn kiểu điều hướng hai trục

xoay cho tấm pin mặt trời Tấm pin thử nghiệm công suất nhỏ, trọng lượng không đáng

kể, hệ thống trục đỡ nhỏ gọn Vì vậy động cơ xoay trục cho hệ thống này chỉ là động cơ công suất nhỏ, tổn hao điện năng vận hành là không đáng kể Mặt khác, để đạt mục đích nâng cao hiệu suất pin năng lượng mặt trời tại mọi thời điểm và nhiều vị trí nên lựa chọn kiểu dàn xoay hai trục này sẽ đáp ứng yêu cầu tốt nhất