kính phẳng có chi phí cao (khoảng 23 USD/m2), tuổi thọ khoảng 30 năm, và loại nắp plastic có chi phí rẻ hơn nhƣng hiệu quả chƣng cất kém hơn.
Ở Việt Nam đã có đề tài nghiên cứu triển khai ứng dụng thiết bị chƣng cất nƣớc NLMT dùng để chƣng cất nƣớc ngọt từ nƣớc biển và cung cấp nƣớc sạch dùng cho sinh hoạt ở những vùng có nguồn nƣớc ô nhiễm với thiết bị chƣng cất nƣớc NLMT có gƣơng phản xạ đạt đƣợc hiệu suất cao tại khoa Công nghệ Nhiệt Điện lạnh-Trƣờng Đại học Bách khoa Đà Nẵng.
2.2.3. Động cơ stirling chạy bằng NLMT
Ứng dụng NLMT để chạy các động cơ nhiệt - động cơ Stirling ngày càng đƣợc nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi dùng để bơm nƣớc sinh hoạt hay tƣới cây ở các nông trại. Ở Việt Nam động cơ Stirling chạy bằng NLMT cũng đã đƣợc nghiên cứu chế tạo để triển khai ứng dụng vào thực tế. Nhƣ động cơ Stirling, bơm nƣớc dùng năng lƣợng mặt trời.
Hình 2. 8: Động cơ stirling chạy bằng NLMT
2.2.4. Bếp nấu dùng NLMT
Bếp nấu dùng NLMT đƣợc ứng dụng rất rộng rãi ở các nƣớc nguồn năng lƣợng mặt trời dồi dào nhƣ các nƣớc Châu Phi.
Hình 2. 9: Bếp nấu dùng NLMT
Ở Việt Nam việc sử dụng bếp NLMT đã bắt đầu từ những năm 2000. Trung tâm nghiên cứu thiết bị áp lực và năng lƣợng mới – Đại học Đà Nẵng đã phối hợp với các tổ chức từ thiện Hà Lan triển khai dự án 30000 USA đƣa bếp NLMT – bếp tiện lợi (BTL) vào sử dụng.
Ở các vùng nông thôn của tỉnh Quảng Nam, Quảng Ngãi dự án phát triển rất tốt và ngày càng đƣợc nhân dân ủng hộ. Trong năm 2002, trung tâm đã một số lƣợng khá lớn BTL vào sử dụng ở các xã huyện Núi Thành và triển khai ứng dụng ở các khu dân cƣ ven biển để họ có thể nấu nƣớc, cơm và thức ăn bằng NLMT khi ra khơi.
2.2.5. Thiết bị đun nƣớc nóng bằng năng lƣợng mặt trời
Hình 2. 10: Bình nước nóng Thái Dương Năng
Ứng dụng đơn giản, phổ biến và hiệu quả nhất hiện nay của NLMT là dùng để đun nƣớc nóng. Các hệ thống nƣớc nóng dùng NLMT đã đƣợc dùng rộng rãi ở nhiều nƣớc
rộng rãi ở các thành phố lớn nhƣ: Hà Nội, Thành phố HCM và Đà Nẵng. Các hệ thống này đã tiết kiệm cho ngƣời sử dụng một lƣợng đáng kể về năng lƣợng, góp phần rất lớn trong việc thực hiện chƣơng trình tiết kiệm năng lƣợng của nƣớc ta và bảo vệ môi trƣờng chung của nhân loại.
Hệ thống cung cấp nƣớc nóng dùng NLMT hiện nay ở Việt nam cũng nhƣ trên thế giới chủ yếu dùng bộ thu cố định kiểu tấm phẳng hoặc dãy ống có cánh nhận nhiệt, với nhiệt độ nƣớc sử dụng 60oC thì hiệu suất của bộ thu khoảng 45%, còn nếu sử dụng ở nhiệt độ cao hơn thì hiệu suất còn thấp.
2.2.6. Thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí dùng NLMT
Hình 2. 11: Thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí dùng NLMT
Trong số những ứng dụng của NLMT thì làm lạnh và điều hoà không khí là ứng dụng hấp dẫn nhất vì nơi nào khí hậu nóng nhất thì nơi đó có nhu cầu về làm lạnh lớn nhất, đặc biệt là ở những vùng xa xôi héo lánh thuộc các nƣớc đang phát triển không có lƣới điện quốc gia và giá nhiên liệu quá đắt so với thu nhập trung bình của ngƣời dân. Với các máy lạnh làm việc trên nguyên lý biến đổi NLMT thành điện năng nhờ pin mặt trời (photovoltaic) là thuận tiện nhất, nhƣng trong giai đoạn hiện nay giá thành pin mặt trời còn quá cao. Ngoài ra các hệ thống lạnh còn đƣợc sử dụng NLMT dƣới dạng nhiệt năng để chạy máy lạnh hấp thụ, loại thiết bị này ngày càng đƣợc ứng dụng nhiều trong thực tế, tuy nhiên hiện nay các hệ thống này vẫn chƣa đƣợc thƣơng mại hóa và sử dụng rộng rãi vì giá thành còn rất cao và hơn nữa các bộ thu dùng trong các hệ thống này chủ yếu là bộ thu phẳng với hiệu suất còn thấp (dƣới 45%) nên diện tích lắp đặt bộ thu cần rất lớn chƣa phù hợp với yêu cầu thực tế.
Ở Việt Nam cũng đã có một số nhà khoa học nghiên cứu tối ƣu hoá bộ thu năng lƣợng mặt trời kiểu hộp phẳng mỏng cố định có gƣơng phản xạ để ứng dụng trong kỹ thuật lạnh, với loại bộ thu này có thể tạo đƣợc nhiệt độ cao để cấp nhiệt cho máy lạnh hấp thụ, nhƣng diện tích mặt bằng cần lắp đặt hệ thống cần phải rộng.
2.2.7. Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lƣợng mặt trời
Tháp năng lƣợng mặt trời Nhà máy điện mặt trời
Hình 2. 12: Nhà máy sử dụng Năng lượng mặt trời
2.3. PIN mặt trời 2.3.1. Khái niệm 2.3.1. Khái niệm
Pin năng lƣợng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện) là thiết bị bán dẫn chứa lƣợng lớn các điôt p-n, duới sự tác động của ánh sáng mặt trời có khả năng tạo ra dòng điện sử dụng đƣợc. Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện. Pin năng lƣợng mặt trời bao gồm nhiều tế bào quang điện đƣợc kết nối thành các modul hay các mảng năng lƣợng mặt trời. Số tế bào quang điện đƣợc sử dụng trong tấm pin tùy theo công suất và điện áp yêu cầu. Hiệu suất pin mặt trời là tỉ số giữa năng lƣợng điện pin mặt trời có thể phát ra và năng lƣợng từ ánh sáng mặt trời tỏa nhiệt trong 1m². hiệu suất của pin mặt trời thay đổi từ 6% - 30% tùy theo loại vật liệu và hình dạng tấm pin. Pin mặt trời đƣợc sản xuất và ứng dụng phổ biến hiện nay là các pin mặt trời đƣợc chế tạo từ vật liệu tinh thể bán dẫn Silicon (Si) có hoá trị 4. Từ tinh thể Si tinh khiết, để có vật liệu tinh thể bán dẫn Si loại n, ngƣời ta pha tạp chất Donor là Photpho (P) có hoá trị 5. Còn để có vật liệu bán dẫn tinh thể loại p thì tạp chất Acceptor đƣợc dùng để pha vào Si là Bo có hoá trị 3. Đối với pin mặt trời từ vật liệu tinh thể Si khi đƣợc chiếu sáng thì hiệu điện thế hở mạch giữa
định hình (a-Si). Pin mặt trời a-Si có ƣu điểm là tiết kiệm đƣợc vật liệu trong sản xuất do đó có thể có giá thành rẻ hơn. Tuy nhiên, so với pin mặt trời tinh thể thì hiệu suất biến đổi quang điện của nó thấp và kém ổn định khi làm việc ngoài trời. Năng lƣợng mặt trời đƣợc tạo ra từ các tế bào quang điện (PV) là một trong những nguồn năng lƣợng tái tạo quan trọng do lợi thế nhƣ không cần chi phí nhiên liệu, bảo trì ít và không có tiếng ồn và mòn do sự vắng mặt của bộ phận chuyển động. Về lý thuyết đây là một nguồn năng lƣợng lý tƣởng. Tuy nhiên, để hệ thống này đƣợc triển khai rộng rãi trong thực tế cần phải tiếp tục giải quyết một số vấn đề nhƣ: Giảm chi phí lắp đặt; tăng hiệu suất chuyển đổi năng lƣợng và các vấn đề liên quan đến sự tƣơng tác với các hệ thống khác.
2.3.2. Mô hình toán và đặc tính làm việc của pin mặt trời
Mô hình toán học của tế bào quang điện đã đƣợc nghiên cứu trong nhiều thập kỷ qua [9]. Mạch điện tƣơng đƣơng của mô hình tế bào quang điện bao gồm: Dòng quang điện, Điôt, điện trở song song (dòng điện dò), điện trở nối tiếp đƣợc chỉ ra trên hình 2.13. Ta có:
(2.5)
Trong đó: Igc là dòng quang điện (A); I0 là dòng bão hòa (A) phụ thuộc vào nhiệt độ tế bào quang điện; q là điện tích của điện tử, q = 1,6.10-19C; k là hằng số Boltzman, k = 1,38.10- 23J/K; F là hệ số phụ thuộc vào công nghệ chế tạo pin, ví dụ công nghệ Simono F = 1,2; công nghệ Si-Poly F = 1,3, …; Tc là nhiệt độ tuyệt đối của tế bào (0 K); Ud là điện áp trên điôt ; Rp là điện trở song song.
Hình 2. 13: Mạch tương đương của modul PV
Dòng quang điện Igc phụ thuộc trực tiếp vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ pin, đƣợc tính theo công thức (2.6)
Với: µsc là hệ số phụ thuộc nhiệt độ của dòng ngắn mạch (A/0 C); Tref là nhiệt độ tham chiếu của tế bào quang điện (0 K); Tc là nhiệt độ làm việc của tế bào quang điện ( 0 K); Isc
là dòng điện ngắn mạch trong điều kiện chuẩn (nhiệt độ 250
C và bức xạ mặt trời 1kW/m2 ); G là bức xạ mặt trời kW/m2
Dòng bão hòa I0 thay đổi theo nhiệt độ của tế bào quang điện theo biểu thức (2.7)
(2.7)
(2.8)
Trong đó I0α là dòng điện bão hòa tại một bức xạ mặt trời và nhiệt độ tham chiếu; Vg là năng lƣợng lỗ trống của chất bán dẫn đƣợc sử dụng làm tế bào; V0c là điện áp hở mạch của tế bào. Từ các biểu thức (2.5), (2,6), (2.7), (2.8) ta xây dựng đƣợc mô hình mô phỏng modul PV trên Matlab. Trong mô hình này các đầu vào là bức xạ mặt trời và nhiệt độ của tế bào quang điện, các đầu ra là điện áp và dòng điện PV. Các thông số của mô hình thƣờng đƣợc lấy từ bảng dữ liệu do nhà sản xuất cung cấp.
Hình 2. 14: Quan hệ I(U) và P(U) của PV
Đặc tính làm việc của pin mặt trời thể hiện qua đƣờng đặc tính I(U) hai thông số là điện áp hở mạch UOC (khi dòng điện ra bằng 0) và Dòng điện ngắn mạch ISC (khi điện áp ra bằng 0). Công suất của pin đƣợc tính theo công thức:
P = U.I (2.9)
Tiến hành mô phỏng ta thu đƣợc họ đặc tính I(U) và đặc tính P(U) của pin mặt trời nhƣ hình 2.15a,b,c,d
Hình 2. 15: Họ đặc tính của PV
Trong đó hình 2.15a,b là đặc tính P(U) và đặc tính I(U) của PV với các mức bức xạ khác nhau; hình 2.15c,d là đặc tính P(U) và đặc tính I(U) của PV với nhiệt độ khác nhau. Từ đó ta có nhận xét sau:
- Dòng ngắn mạch Isc tỉ lệ thuận với cƣờng độ bức xạ mặt trời và ít thay đổi theo nhiệt độ - Điện áp hở mạch tỉ lệ nghịch với nhiệt độ và ít thay đổi theo bức xạ mặt trời - Công suất modul PV thay đổi nhiều theo cả bức xạ mặt trời và nhiệt độ tấm PV. Mỗi đƣờng đặc tính P(U) có một điểm ứng với công suất lớn nhất, gọi là điểm công suất cực đại (MPP - Max Power Point).
2.4. Hệ thống điện mặt trời
2.4.1. Ý nghĩa hệ thống điện mặt trời
Trong thời đại khoa học kỹ thuật phát triển, nhu cầu về năng lƣợng ngày càng tăng. Trong khi đó các nguồn nhiên liệu dự trữ nhƣ than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên và ngay cả thủy điện thì có hạn khiến cho nhân loại đứng trƣớc nguy cơ thiếu hụt năng lƣợng. Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lƣợng mới nhƣ năng lƣợng hạt nhân, năng
lƣợng địa nhiệt, năng lƣợng gió và năng lƣợng mặt trời là một trong những hƣớng quan trọng trong kế hoạch phát triển năng lƣợng, không những đối với những nƣớc phát triển mà ngay cả với những nƣớc đang phát triển.
Năng lƣợng mặt trời (NLMT) - nguồn năng lƣợng sạch và tiềm tàng nhất đang đƣợc loài ngƣời đặc biệt quan tâm. Do đó việc nghiên cứu nâng cao hiệu quả các thiết bị sử dụng năng lƣợng mặt trời và triển khai ứng dụng chúng vào thực tế là vấn đề có tính thời sự.
Việt Nam là nƣớc có tiềm năng về NLMT, nằm trong khu vực có cƣờng độ bức xạ mặt trời tƣơng đối cao, với trị số tổng xạ khá lớn từ 100-175 kcal/cm2.năm (4,2 7,3GJ/m2.năm), do đó việc sử dụng NLMT ở nƣớc ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế lớn. Thiết bị sử dụng năng lƣợng mặt trời ở Việt Nam hiện nay chủ yếu là hệ thống cung cấp điện dùng pin mặt trời, hệ thống nấu cơm có gƣơng phản xạ và đặc biệt là hệ thống cung cấp nƣớc nóng kiểu tấm phẳng hay kiểu ống có cánh nhận nhiệt. Nhƣng nhìn chung các thiết bị này giá thành còn cao, hiệu suất còn thấp nên chƣa đƣợc ngƣời dân sử dụng rộng rãi. Hơn nữa, do đặc điểm phân tán và sự phụ thuộc vào các mùa trong năm của NLMT, ví dụ: mùa đông thì cần nƣớc nóng nhƣng NLMT ít, còn mùa hè không cần nƣớc nóng thì nhiều NLMT do đó các thiết bị sử dụng NLMT chƣa có tính thuyết phục. Sự mâu thuẫn đó đòi hỏi chúng ta cần chuyển hƣớng nghiên cứu dùng NLMT vào các mục đích khác thiết thực hơn nhƣ: chƣng cất nƣớc dùng NLMT, dùng NLMT chạy các động cơ nhiệt (động cơ Stirling), nghiên cứu hệ thống điều hòa không khí dùng NLMT... Hệ thống lạnh hấp thụ sử dụng NLMT là một đề tài hấp dẫn có tính thời sự đã và đang đƣợc nhiều nhà khoa học trong và ngoài nƣớc nghiên cứu, nhƣng vấn đề sử dụng bộ thu NLMT nào cho hiệu quả và thực tế nhất thì vẫn còn là một đề tài cần phải nghiên cứu. Vấn đề sử dụng NLMT đã đƣợc các nhà khoa học trên thế giới và trong nƣớc quan tâm. Mặc dù tiềm năng của NLMT rất lớn, nhƣng tỷ trọng năng lƣợng đƣợc sản xuất từ NLMT trong tổng năng lƣợng tiêu thụ của thế giới vẫn còn khiêm tốn. Nguyên nhân chính chƣa thể thƣơng mại hóa các thiết bị và công nghệ sử dụng NLMT là do còn tồn tại một số hạn chế lớn chƣa đƣợc giải quyết:
Giá thành thiết bị còn cao: vì hầu hết các nƣớc đang phát triển và kém phát triển là những nƣớc có tiềm năng rất lớn về NLMT nhƣng để nghiên cứu và ứng dụng NLMT lại đòi hỏi vốn đầu tƣ rất lớn, nhất là để nghiên cứu các thiết bị làm lạnh và điều hòa không
nhiệt cho máy lạnh hấp thu cần nhiệt độ cao trên 850C thì các bộ thu phẳng đặt cố định bình thƣờng có hiệu suất rất thấp, do đó thiết bị lắp đặt còn cồng kềnh chƣa phù hợp với nhu cầu lắp đặt và về mặt thẩm mỹ. Các bộ thu có gƣơng parabolic hay máng parabolic trụ phản xạ bình thƣờng thì thu đƣợc nhiệt độ cao nhƣng vấn đề định vị hƣớng hứng nắng theo phƣơng mặt trời rất phức tạp nên không thuận lợi cho việc vận hành.
Việc triển khai ứng dụng thực tế còn hạn chế: về mặt lý thuyết, NLMT là một nguồn năng lƣợng sạch, rẻ tiền và tiềm tàng, nếu sử dụng nó hợp lý sẽ mang lại lợi ích kinh tế và môi trƣờng rất lớn. Việc nghiên cứu về lý thuyết đã tƣơng đối hoàn chỉnh. Song trong điều kiện thực tiễn, các thiết bị sử dụng NLMT lại có quá trình làm việc không ổn định và không liên tục, hoàn toàn biến động theo thời tiết, vì vậy rất khó ứng dụng ở quy mô công nghiệp cũng nhƣ sử dụng cho các hộ dân cƣ.
Để khai thác và sử dụng NLMT cần có một hệ thống lƣới điện thông minh. Khi có ánh sang mặt trời sẽ tạo ra năng lƣợng một chiều (DC), nguồn năng lƣợng môt chiều này đƣợc chuyển đổi thành điện năng xoay chiều (AC) bởi bộ nghịch lƣu. Bộ điều khiển có chức năng truyền năng lƣợng này đến phụ tải chính để cung cấp điện cho các thiết bị điện trong gia đình. Đồng thời điện năng dƣ thừa đƣợc bán trở lại lƣới điện qua đồng hồ đo để giảm hóa đơn tiền điện.
Dòng điện sinh ra từ hệ thống pin mặt trời đƣợc sử dụng cho các thiết bị điện trong nhà để thay cho điện lƣới. Nếu công suất điện sinh ra lớn hơn công suất điện tiêu thụ thì lƣợng điện thừa sẽ đƣợc nạp vào hệ thống tồn trữ (ắc quy). Ngƣợc lại, khi lƣợng điện tiêu thụ lớn hơn lƣợng điện mặt trời sinh ra(vào ban đêm, hay lúc trời nhiều mây…) thì dòng điện sẽ đƣợc lấy them từ lƣới điện nhƣ bình thƣờng hoặc từ hệ thống tồn trữ( nếu điện lƣới bị cắt).
2.4.2. Hệ thống điện mặt trời làm việc độc lập
Hệ thống điện năng lƣợng mặt trời độc lập là hệ nguồn không nối với mạng lƣới điện quốc gia hay địa phƣơng. Hệ nguồn này đƣợc ứng dụng ở các khu vực không có lƣới điện nhƣ ngoài đảo xa, khu vực miền núi, những nơi xa xôi, hẻo lánh... Ngoài dàn pin mặt trời, trong một hệ nguồn điện mặt trời còn có các thành phần khác nhau nhƣ trong sơ đồ dƣới đây:
Hình 2. 16: Sơ đồ khối tổng quát của một hệ nguồn điện một chiều