V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : ThS NGUYỄN ĐÌNH PHÚ
2.7.3 Phương pháp thiết kế
Mặt trời di chuyển từ hướng Đông sang hướng Tây. Để thu nhận được sản lượng điện tối đa từ tấm pin năng lượng mặt trời ta phải tập trung tối đa cường độ ánh sáng chiếu trên bề mặt tấm pin năng lượng. Việc hấp thụ ánh sáng của một tấm pin năng lượng mặt trời phụ thuộc vào vị trí góc của nó so với ánh nắng mặt trời.
Một tấm pin năng lượng phải vuông góc với ánh nắng mặt trời rọi để nhận được mức năng lượng tối đa được thực hiện bằng cách sử dụng một hệ thống theo dõi. Có nhiều phương pháp để thiết kế hệ thống theo dõi đang tồn tại nhưng khác nhau về độ tin cậy của hệ thống, chi phí và độ chính xác. Một hệ thống theo dõi thông minh cần phải được lựa chọn khôn khéo để đảm bảo rằng phương pháp lựa chọn là làm tăng sản lượng điện nhận được thay vì giảm nó. Có vài loại hệ thống điều khiển theo hướng năng lượng mặt trời, nhưng mỗi loại sử dụng những cơ chế chuyển động theo hướng khác nhau:
+ Hình thức định hướng bị động: Những hệ thống định hướng này không sử dụng động cơ, thay vào đó lựa chọn cho hệ thống này có thể sử dụng hệ thống hóa học hay cơ khí. Một ý tưởng cổ điển hiện nay ít được sử dụng là áp dụng nguyên lý giản nở nhiệt của vật liệu như là một phương pháp để định hướng. Một tấm hợp kim sẽ được đặt hai bên của hệ thống, khi ánh sáng mặt trời chiếu vào vuông góc với tấm pin năng lượng thì 2 bên của tấm hợp kim sẽ cân bằng. Khi mặt trời di chuyển, một trong hai bên của vật liệu sẽ được làm nóng và gây ra giản nở về mặt cơ khí. Hệ thống sẽ xoay sao cho ánh sáng cân bằng trên 2 tấm hợp kim. Ngoài ra có thể dùng phương pháp mất cân bằng áp suất khí nén bên trong bình chất lỏng làm nghiêng bảng điều khiển từ bên này sang bên kia dựa vào sức nóng của mặt trời. Những hệ thống định hướng bị động này thông thường sử dụng ít năng lượng hoạt động hơn. Chi phí thiết kế ít tốn kém, yêu cầu bảo trì bảo dưỡng ít hơn và hiệu suất hoạt động cũng tương đối.
+ Hình thức theo dõi chủ động: Có hai loại chính cho hệ thống theo dõi là hệ thống quang điện và hệ thống bộ vi điều khiển hay hệ thống máy tính.
− Hệ thống quang điện cũng là một hệ thống tương đối đơn giản thường là hai loại photoresistors hay tế bào PV được sử dụng như cảm biến cho hệ thống trục. Những cảm biến này được đặt gần nhau và có một khoảng cách được đặt trong một mặt nghiêng ở góc độ tính toán hoặc trong một ống để tạo sự chênh lệch dòng điện hay điện áp giữa hai cảm biến. Những thiết lập được mô tả qua hình 2.16.
Hình 2.16: Phương pháp đặt cảm biến nhận biết góc ánh sáng.
− Hệ thống vi điều khiển hay hệ thống máy tính là một sự kết hợp của điện trở, tụ điện, bộ khuếch đại, cổng logic, diode và bóng bán dẫn được sử dụng để tạo thành một mạch so sánh và mạch điều khiển. Ngõ ra của mạch so sánh sẽ được đưa vào mạch điều khiển để mở nguồn cấp cho động cơ quay và thay đổi hướng sao cho nhận được nhiều ánh sáng nhất làm cho bảng điều khiển tấm pin năng lượng được vuông góc với mặt trời. Bộ vi điều khiển và hệ thống máy tính là một dạng cuối của cùng của hệ thống, đối khi nó được phân loại thành hai nhóm khác nhau nhưng về cơ bản nó là tương tự nhau. Chính sự khác biệt của hệ thống đầu tiên được đề cập là bộ vi điều khiển hay hệ thống máy tính sử dụng các thuật toán để xác định vị trí của mặt trời thay vì sử dụng các bộ cảm biến.
+ Hình thức theo dõi thời gian: Hình thức theo dõi độc đáo này hoạt động theo hướng mặt trời nhưng không được chính xác hoàn toàn. Bộ theo dõi này chứa một bộ đếm thời gian và một động cơ tương tự như bộ theo dõi chủ động bằng cách lập trình sẵn khoảng thời gian trong ngày, góc quay và các yếu tố khác. Với hệ thống này, hoạt động chưa thật sự tối ưu khi mà khoảng thời gian theo từng mùa trong năm và các năm không giống nhau chính vì vậy việc tính toán các khoảng thời gian để điều khiển góc quay sẽ thêm phức tạp và độ chính xác chưa cao. Những bộ theo dõi này thường chi phí thấp, hoạt động một cách máy móc đã được định sẵn và cần phải được kiểm tra định kì vào các mùa mỗi năm.
Hình thức chung cho cả hai dạng định hướng chủ động và bị động được điều khiển bằng một dàn xoay được gắn động cơ hay trục nâng bằng khí nén. Có 2 dạng dàn xoay chính:
+ Dàn xoay 1 trục
+ Dàn xoay 2 trục
Với hệ thống dàn xoay 1 trục thường được áp dụng đối với những vùng nằm trong đường xích đạo của trái đất. Tức là mặt trời di chuyển từ hướng Đông sang hướng Tây thẳng đứng so với mặt đất, vì vậy các tấm pin năng lượng được đặt sẽ được chiếu vuông góc đạt hiệu quả tối đa hơn. Việc bố trí những dàn xoay này cần phải xem xét để tránh những dàn xoay khác bị khuất bóng giảm hiệu suất làm tổn thất năng lượng thất thoát và không gian mặt đất bố trí tránh bị lãng phí.
Hệ thống dàn xoay 2 trục thường được áp dụng đối với những vùng nằm ở gần phía 2 cực của trái đất. Như vậy góc quay của mặt trời sẽ không thẳng đứng nữa mà sẽ di chuyển theo một hình vòng cung. Hệ thống dàn xoay 2 trục với hai bậc tự do hoạt động như trục quay. Trên trục được cố định đối với mặt đất coi như là trục chính, trục được tham chiếu với trục chính được gọi là trục thứ cấp. Bố trí thường phải xem xét góc che để tránh tổn thất không cần thiết và tiết kiệm không gian bố trí mặt đất.
Về mặt cơ học, dàn xoay 2 trục phức tạp hơn dàn xoay 1 trục, tuy nhiên hội tụ điểm lại có hệ số hội tụ cao hơn, do đó chi phí cho tế bào quang điện thấp hơn.
Hình 2.17: (a): Dàn xoay 1 trục, (b): Dàn xoay 2 trục
Có hai phương pháp để thiết kế hệ thống điều khiển dàn năng lượng mặt trời, nhưng việc lựa chọn phương pháp phụ thuộc vào điều kiện thời tiết vùng miền. Vì vậy, trong đồ án này chỉ thực hiện phương pháp đơn giản đó là dàn xoay 1 trục với
góc quay nhằm đơn giản hóa hệ thống, chi phí thiết kế được giảm đáng kể nhưng vẫn đáp ứng được hiệu suất hoạt động tối ưu nhất.