Nhan đề : Nghiên cứu chế tạo đèn LED tích điện kết hợp pin mặt trời ứng dụng cho vùng sâu và biển đảo Tác giả : Đoàn Quang Trung Người hướng dẫn: Mai Hữu Thuấn Từ khoá : Đèn LED tích điện; Pin mặt trời Năm xuất bản : 2020 Nhà xuất bản : Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Tóm tắt : Tổng quan về chiếu sáng LED, pin mặt trời, tiềm năng năng lượng mặt trời, tình hình biển đảo Việt Nam; nghiên cứu hệ thống chiếu sáng bằng đèn led tích điện kết hợp pin mặt trời; kết quả.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu chế tạo đèn LED tích điện kết hợp pin mặt trời ứng dụng cho vùng sâu biển đảo ĐOÀN QUANG TRUNG trung.dqca190271@sis.hust.edu.vn Ngành Vật lý kỹ thuật Giảng viên hướng dẫn: TS Mai Hữu Thuấn Viện: Vật lý Kỹ thuật HÀ NỘI, 8/2020 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu chế tạo đèn LED tích điện kết hợp pin mặt trời ứng dụng cho vùng sâu biển đảo ĐOÀN QUANG TRUNG trung.dqca190271@sis.hust.edu.vn Ngành Vật lý kỹ thuật Giảng viên hướng dẫn: TS Mai Hữu Thuấn Chữ ký GVHD Viện: Vật lý Kỹ thuật HÀ NỘI, 8/2020 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn : Đoàn Quang Trung Đề tài luận văn: Nghiên cứu chế tạo đèn LED tích điện kết hợp pin mặt trời ứng dụng cho vùng sâu biển đảo Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật Mã số HV: CA190271 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 28/8/2020 với nội dung sau: - Trong phần tổng quan bổ sung thơng tin tình hình nghiên cứu đề tài; thị trường đèn LED nhu cầu sử dụng đèn LED - Bố cục lại số phần mục chương cho hợp lý - Chỉnh sửa kết luận - Sắp xếp thứ tự tài liệu trích dẫn theo xuất luận văn - Chỉnh sửa lỗi tả, lỗi văn bản; Việt hóa thích hình vẽ có giải tiếng Anh Ngày 15 tháng năm 2020 Giảng viên hướng dẫn Tác giả luận văn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu chế tạo đèn LED tích điện kết hợp pin mặt trời ứng dụng cho vùng sâu biển đảo” cơng trình nghiên cứu tơi hướng dẫn TS Mai Hữu Thuấn Các số liệu kết nghiên cứu đạt luận án trung thực, khách quan chưa tác giả khác công bố cơng trình khoa học Hà Nội, ngày 18 tháng năm 2020 Giảng viên hướng dẫn Tác giả TS Mai Hữu Thuấn Đoàn Quang Trung i Lời cảm ơn Quãng thời gian năm sinh viên vật lý mái trường Bách khoa đầy ý nghĩa, đầy cảm xúc, giúp tơi có kiến thức kỹ để với nhiệt huyết tuổi trẻ cống hiến cho cộng đồng xã hội Với mong muốn tích lũy thêm kiến thức khoa học vật lý, phương pháp làm việc, tiếp xúc, học hỏi trao đổi với cán bộ, giảng viên ngành vật lý hàng đầu nước chọn theo học bậc cao học Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Tôi xin trân trọng cảm ơn TS Mai Hữu Thuấn ln tận tình giảng dạy hướng dẫn suốt thời gian học tập, nghiên cứu hồn thành luận văn Tơi xin trân trọng cảm ơn Viện Vật lý Kỹ thuật, Phòng Đào tạo, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, thầy cô, nhà khoa học giảng dạy, hướng dẫn tạo điều kiện thuận lợi cho q trình học tập, nghiên cứu Tơi xin cảm ơn quan tâm, động viên giúp đỡ gia đình, người thân bạn bè thời gian học tập hồn thành luận văn Tóm tắt nội dung luận văn Công nghệ chiếu sáng thiết bị chiếu sáng ngày cải tiến để đáp ứng nhu cầu sống, phát triển kinh tế - xã hội đảm bảo an ninh quốc phòng Việt Nam quốc gia có 4.550 km đường biên giới đất liền, khoảng triệu km2 diện tích biển với 3.000 hịn đảo lớn, nhỏ Vì vậy, thiết kế, sản xuất đèn LED để đưa vào sử dụng khu vực vùng sâu biển đảo, đặc biệt khu vực chưa quan tâm phát triển kinh tế - xã hội mang tính khoa học thực tiễn cao Trên sở sản phẩm có thị trường, nhóm nghiên cứu thực thiết kế chế tạo thơng qua tính tốn mô phỏng, đánh giá thử nghiệm thực tế thành cơng đèn LED tích điện kết hợp hệ pin mặt trời có ưu điểm tự cung, tự cấp lượng, dễ dàng lắp đặt, tuổi thọ cao, kiểu dáng đa dạng HỌC VIÊN Ký ghi rõ họ tên ii MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài 1.2 Chiếu sáng LED 1.2.1 Khái quát chung 1.2.2 Thị trường LED Việt Nam 1.3 Tiềm năng lượng mặt trời 1.4 Pin mặt trời 1.4.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 10 1.4.2 Các đặc trưng điện 10 1.4.3 Các đặc trưng khác 15 1.4.4 Phân loại 18 1.4.5 Các dạng hệ thống điện mặt trời 19 1.5 Sử dụng LED chiếu sáng lượng mặt trời 20 1.6 Khái quát tình hình biển, đảo Việt Nam 21 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG BẰNG ĐÈN LED TÍCH ĐIỆN KẾT HỢP PIN MẶT TRỜI 24 2.1 Căn kết thiết kế chế tạo đèn LED tích điện 24 2.2 Sơ đồ khối 25 2.3 Mạch điều khiển sạc 26 2.3.1 Lựa chọn kiểu mạch điều khiển sạc 26 2.3.2 So sánh mạch điều khiển sạc PWM MPPT 28 2.3.3 Mạch điều khiển sạc pin mặt trời theo dõi điểm công suất tối đa (MPPT) 31 2.4 2.5 Mơ hình hóa mơ Matlab-Simulink 35 2.4.1 Nghiên cứu mô pin mặt trời 38 2.4.2 Nghiên cứu mô hệ thống sạc 44 Các dự án triển khai thực tế 45 2.5.1 Dự án huyện đảo Phú Quý, tỉnh Bình Thuận 45 2.5.2 Dự án huyện Trần Đề, tỉnh Sóc Trăng 52 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 59 3.1 Kết chế tạo sản phẩm mẫu 59 iii 3.2 3.1.1 Khảo sát thông số kỹ thuật 62 3.1.2 Kế hoạch triển khai thực tế 63 Kết khảo sát dự án .65 3.2.1 Dự án huyện đảo Phú Quý, tỉnh Bình Thuận 65 3.2.2 Dự án huyện Trần Đề, tỉnh Sóc Trăng 66 KẾT LUẬN 69 Hướng phát triển nghiên cứu tương lai 69 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Tên tiếng Anh Từ viết tắt Ý nghĩa LED Light Emitting Diode Điốt phát quang CFL Compact Fluorescent Lamp Đèn huỳnh quang compact ODM Original Design Manufacturing Sản xuất theo “thiết kế” gốc EVN Vietnam Electricity Tập đồn Điện lực Việt Nam AC Alternating Current Dịng điện xoay chiều DC Direct Current Dịng điện khơng đổi PV Photovoltaic Quang điện opt Optimal Tối ưu STC Standard Test Conditions Normal Operating Cell Temperature Điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn Nhiệt độ hoạt động thông thường pin AM Air Mass Tỷ trọng khí c-Si Monocrystalline silicon) Silic đơn tinh thể p-Si Polycrystalline silicon Silic đa tinh thể a-Si Amorphous silicon Silic vơ định hình MPPT Maximum Power Point Tracking Xác định điểm công suất cực đại PWM Pulse Width Modulated Điều chỉnh độ rộng xung LDO Low-dropout regulator CVT Constant Voltage Tracking algorithm P&O Perturb and Observe algorithm InC Incremental Conductance Thuật toán điện dẫn gia tăng PMT Solar cell Pin Mặt trời NOCT Mạch điều chỉnh điện áp thấp Thuật tốn điện áp khơng đổi Thuật toán nhiễu loạn quan sát v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 So sánh hiệu chiếu sáng đèn LED với phương thức sử dụng từ thời xưa đến kỷ 21 Hình 1.2 Phân bố nhu cầu sử dụng LED dựa theo ứng dụng thị trường Việt Nam Hình 1.3 Sự hấp thụ tán xạ tia mặt trời qua lớp khí trái đất Hình 1.4 Các đường cong ghi thành phần tổng xạ nhiễu xạ ngày trời sáng quang mây Hình 1.5 Sơ đồ cấu trúc pin mặt trời Si điển hình 10 Hình 1.6 Sơ đồ tương đương (a) đường đặc trưng Von-Ampe (b) pin mặt trời 11 Hình 1.7 Đường cong đặc tính V-A (nét đậm) công suất – điện áp (nét mảnh) pin mặt trời với cường độ sáng khác (Pin mặt trời 225 W SHARP) 12 Hình 1.8 Điểm làm việc điểm cơng suất cực đại pin mặt trời 13 Hình 1.9 Các đường đặc trưng V-A cường độ sáng thay đổi (I = f(V); T = 250 C; AM = 1,5) đường đặc trưng tải điển hình: (1) Đường cơng suất cực đại; (2) Bơm li tâm; (3) Bơm píttơng; (4) Điện trở thuần; (5) Ắc quy điện hóa 14 Hình 1.10 Bản đồ tiềm năng lượng quang điện Việt Nam .16 Hình 1.11 Ảnh hưởng nhiệt độ cell đến dịng đoản mạch, hở mạch công suất cực đại pin PV 17 Hình 1.12 Hình ảnh minh họa khái niệm tỷ trọng khí 18 Hình 1.13 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống điện mặt trời độc lập 20 Hình 1.14 Hệ thống lớp đảo quần đảo Việt Nam .22 Hình 1.15 Dịng điện vượt trùng khơi đến với xã đảo Tiên Hải (thành phố Hà Tiên, tỉnh Kiên Giang) 23 Hình 2.1 Sơ đồ khối mạch đèn tuýp LED tích điện .24 Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý đèn tuýp LED tích điện 24 Hình 2.3 Hình ảnh bóng đèn nhóm chế tạo sử dụng điện lưới VAC 220V/50Hz (trái) sử dụng pin tích hợp với khoảng 70% cơng suất (phải) 25 Hình 2.4 Sơ đồ khối mạch đèn .26 Hình 2.5 Xác định điểm cơng suất cực đại (MPP) biểu đồ đường cong VA V-W hãng sản xuất pin lượng mặt trời công bố: Pin poly 72cell 335 Wp Risen Solar 29 Hình 2.6 Sơ đồ minh họa nguyên lý hoạt động phương pháp sạc PWM .29 vi mẫu theo diện tài trợ phục vụ Chương trình Sinh viên với biển, đảo Tổ quốc Trung ương Hội Sinh viên Việt nam tổ chức): - Công nghệ cell: Poly-Si 60 cell - Công suất cực đại (±3%): 280 Wp - Điện áp MPP: 31,61 V - Dòng MPP: 8,86 A - Điện áp hở mạch: 39,15 V - Dòng ngắn mạch: 9,40 A - Hiệu suất: 17,25 % - Kích thước: 1640x990x35 mm - Khối lượng: 19,0 kg - Nhiệt độ hoạt động: -400 C ~ 850 C Như vậy, theo tính tốn lý thuyết, pin lượng ngày năm cho sản lượng điện trung bình 1,70 kWh/ngày Hồn tồn đáp ứng yêu cầu cung cấp lượng 24/24 cho toàn mạch đèn Mạch sạc sử dụng phương pháp MPPT, mạch khảo sát có thơng số: - Điện áp đầu vào tối đa: 50 VDC - Điện áp đầu ra: 12 VDC - Dòng điện tối đa: 10 A - Thời gian sạc đầy pin: 3~4h - Nhiệt độ bảo quản: -35°C ~ 60°C - Nhiệt độ làm việc: -25°C ~ 60°C 61 Hình 3.4 Hệ thống chạy thử nghiệm khảo sát với thiết bị mô phổ xạ mặt trời 3.1.1 Khảo sát thông số kỹ thuật Khảo sát thực Phịng thí nghiệm Pin mặt trời (C2-101), Viện Vật lý Kỹ thuật, Trường ĐHBK Hà Nội Đề tài tiến hành khảo sát độ rọi đèn mẫu lux kế Testo 0500 thu kết Bảng 3.2 Hình 3.5 Hình ảnh thực tế lux kế dùng để khảo sát đèn mẫu Bảng 3.2 Kết khảo sát độ rọi vị trí tương ứng thân đèn (đơn vị: lux) Khoảng cách 0m l = 30 cm l = 30 cm l = 30 cm l = 30 cm Vị trí Vị trí Vị trí Vị trí Vị trí 11400 12110 12700 12390 12100 62 Khoảng cách l = 30 cm l = 30 cm l = 30 cm l = 30 cm Vị trí Vị trí Vị trí Vị trí Vị trí 0,5 m 401,0 438,8 440,2 410,1 380,5 1m 169,6 207,8 182,9 177,1 175,3 2m 48,2 49,9 50,5 47,2 48,3 3m 28,3 29,1 29,4 29,0 29,3 Hình 3.6 So sánh với lưới độ rọi đèn tuýp LED Rạng Đông 1m2 T8 18W (a) sử dụng điện lưới 220 VAC/60Hz bóng đèn mẫu 1m2 đề tài (b) sử dụng pin dự trữ sạc đầy Từ hình ảnh lưới độ rọi nhận thấy, đèn mẫu thiết kế thử nghiệm phịng thí nghiệm sử dụng nguồn sáng pin dự phòng đạt độ rọi 60 - 70% so với đèn bán thị trường Số hồn tồn cải thiện theo chiều tích cực sản xuất theo quy trình cơng nghiệp Mặt khác, thơng số quan trọng chiếu sáng gia đình, chiếu sáng xây dựng Tiêu chuẩn quy định, vùng nơng thơn khó khăn, vùng sâu, biển đảo chưa có nhiều quan tâm, dừng lại yêu cầu có ánh sáng sử dụng tiết kiệm điện 3.1.2 Kế hoạch triển khai thực tế Đề tài mang nhiều ý nghĩa mặt phát triển kinh tế, xã hội, nâng cao đời sống dân quân sinh sống, bảo vệ khu vực khó khăn, vất vả Tổ quốc Tuy ngày nay, Nhà nước có nhiều sách EVN Việt Nam tâm đưa điện lưới toàn nhân dân, rõ ràng nhiều yếu tố khó khăn kể q trình xây lắp bảo trì, bảo dưỡng (Như Hình 3.7 nói cố gần tuyến đường dây vượt biển đưa điện lưới cho đảo cho đồng bào, sửa chữa cố đến hàng năm) nên việc thực điện hóa đất nước 100% cần có nhiều thời gian, nên trước mắt phát triển đề tài hoàn toàn khả thi phù hợp nhu cầu 63 Hình 3.7 Trụ điện số 25 tuyến đường 22kV cấp điện cho huyện đảo Kiên Hải, tỉnh Kiên Giang bị cố phương tiện lưu thông biển đâm phải cố ngày 15/8/2020 (Ảnh: https://vov.vn/) Theo kế hoạch, đèn mẫu dự kiến lắp đặt nhà trực khu vực cột cờ niên thuộc đảo Thổ Chu, huyện đảo Phú Quốc, tỉnh Kiên Giang chương trình Sinh viên với biển, đảo Tổ quốc năm 2020 dịp khánh thành cột cờ Tuy nhiên, ảnh hưởng dịch bệnh Covid-19 nên chưa thể tiến hành lắp đặt đèn giới thiệu kết khn khổ luận văn Hình 3.8 Lễ động thổ xây dựng cột cờ Tổ quốc đảo Thổ Chu, tỉnh Kiên Giang ngày 08/5/2019 64 3.2 Kết khảo sát dự án 3.2.1 Dự án huyện đảo Phú Quý, tỉnh Bình Thuận Hình 3.9 Một số hình ảnh thực tế lắp đặt hệ thống Hòn Tranh, Phú Quý Sau lắp đặt, kết phản hồi cán bộ, chiến sĩ đảo, đề tài tổng kết số liệu Bảng 3.3 Bảng 3.3 Kết điện thu trung bình theo ngày tháng pin Tháng E (kWh/ngày) Tháng E (kWh/ngày) I 1,16 VII 2,07 II 1,48 VIII 1,93 III 1,55 IX 1,70 IV 1,97 X 1,30 V 2,11 XI 1,02 VI 2,16 XII 0,97 Trung bình ngày năm, pin thử nghiệm sản xuất 1,68 số điện Hệ thống thử nghiệm đáp ứng đủ nhu cầu sinh hoạt cán bộ, chiến sĩ nghĩa vụ Hòn Tranh, gồm: quạt (2 chiếc), bóng đèn búp trịn (4 bóng), sạc điện thoại Đối với yếu tố thời tiết, ngoại cảnh tác động lên hệ thống, đảo nhỏ nên gió biển nhiều mặn, yêu cầu hệ thống phải gia cố chắn, vật liệu khung giá có khả chống chịu rỉ sét Quanh năm, nắng theo ngày, khơng bị tình trạng mưa dầm hay thời tiết xấu liên tục, thường mưa xảy vào sáng sớm chiều tối Vào đợt bão áp thấp nhiệt đới, mưa lớn, đảo biển nên thời gian không kéo dài nên hệ thống đảm bảo có nguồn vào theo ngày 65 Hình 3.10 Hệ pin thử nghiệm sau 02 năm (ngày 23/6/2019) đảm bảo độ bền công suất Như vậy, kết thực tế hoàn toàn phù hợp với yếu tố khí hậu, đặc biệt địa lý thơng số kỹ thuật nêu trên, kết dự án quan trọng để hoàn thiện sản phẩm sau 3.2.2 Dự án huyện Trần Đề, tỉnh Sóc Trăng Hệ thống với 02 nhân công 01 kỹ sư/kỹ thuật viên giám sát thực thời gian 03 ngày Hình 3.11 Một số hình ảnh lắp đặt dự án Quang Đại (huyện Trần Đề, tỉnh Sóc Trăng) 66 Hình 3.12 Hình ảnh inverter SMA Sunny Boy 5kW sau lắp đặt thực tế dự án Quang Đại (huyện Trần Đề, tỉnh Sóc Trăng) Hệ thống hồn thành đóng điện chiều ngày 16/11/2019, theo biểu đồ Hình 3.13, Hình 3.14 tháng sử dụng sản lượng điện trung bình ngày 24,57 kWh/ngày vào tháng 11 22,45 kWh/ngày vào tháng 12, số liệu phù hợp Bảng 2.5 tính tốn theo lý thuyết Hình 3.13 Biểu đồ sản lượng điện theo ngày tháng 11/2019 hệ thống dự án điện mặt trời Quang Đại Hình 3.14 Biểu đồ sản lượng điện theo ngày tháng 12/2019 hệ thống dự án điện mặt trời Quang Đại 67 Hình 3.15 Biểu đồ sản lượng điện theo ngày tháng 3, 4, 5, năm 2020 hệ thống dự án điện mặt trời Quang Đại Theo biểu đồ Hình 3.15, tháng 3, 4, 5, năm 2020, sản lượng điện trung bình thu hệ thống tính đạt 87,0% so với trung bình kỳ đạt 96,4% so với trung bình năm tính theo lý thuyết Ngun nhân sản lượng điện so với lý thuyết kết thu giảm mạnh tháng 4/2020 thời tiết khơng ổn định mưa nhiều vào cuối tháng Nhìn chung lại, với tiềm điện lượng mặt trời nước ta, triển khai ứng dụng thực tế hoàn toàn đáp ứng yêu cầu chất lượng cho người dùng việc nghiên cứu, phát triển đề tài hoàn toàn đắn 68 KẾT LUẬN Đề tài “thiết kế chế tạo đèn LED tích điện sử dụng hệ pin mặt trời ứng dụng cho vùng sâu biển đảo” bước đầu hướng đến hệ thống đảo nhỏ (diện tích