1.5. Một số ứng dụng năng lượng mặt trời
1.5.4.2.Bếp mặt trời hội tụ
Một kiểu bếp mặt trời khỏc cũng khỏ phổ biến là bếp hội tụ. Phần chớnh của bếp là một gương cầu lừm hay gương parapol trũn xoay, đường kớnh 1000 1200 mm.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 28 Chuyờn ngành tự động húa 4 1 2 3 5 6
Các tia mặt trời tới
Các tia mặt trời phản xạ từ gương Gương phản xạ hình cầu hay parabol 1 2 3 Nồi nấu Khung giữ bếp có thể điều chỉnh cho gương cầu hướng về mặt trời 4
5 6
Hỡnh 1.14: Bếp NLMT hội tụ
Cỏc tia mặt trời khi gặp gương sẽ hội tụ tại tiờu điểm, nhiệt độ cú thể lờn đến 200 250oC. Tại tiờu điểm này người ta đặt nồi thức ăn cần nấu.
Ưu điểm của loại thiết bị này là cho nhiệt độ rất cao nờn nấu nhanh và nấu được nhiều loại thức ăn.
Nhược điểm là chỉ sử dụng cỏc tia mặt trời trực xạ, nờn phải thường xuyờn điều chỉnh sao cho cỏc tia mặt trời vuụng gúc với tiết diện của gương. Ngoài ra người nấu phải đứng dưới nắng nhiều hơn.
1.5.5. Sƣởi ấm nhà cửa, chuồng trại
NLMT cũng thường được sử dụng để sưởi ấm nhà cửa, chuồng trại chăn
nuụi trong mựa đụng.
Hỡnh 1.15 là một hệ thống sưởi ấm nhà cửa, chuồng trại nhờ khụng khớ
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 29 Chuyờn ngành tự động húa 1 1 2 3 3 4 5
Bộ thu năng lượng mặt trời Bình tích nhiệt
Bơm hay quạt
1 2 3 Nguồn đốt dự phòng Hệ thống ốngếsưởi 4 5
Hỡnh 1.15: Hệ thống sưởi ấm nhà cửa hay chuồng trại sử dụng NLMT
Cỏc bộ thu (1) được lắp đặt trờn mỏi nhà sẽ đốt núng khụng khớ qua nú nhờ quạt thổi (3). Chu trỡnh thu nhiệt đối lưu cưỡng bức tớch nhiệt vào bỡnh tớch trữ nhiệt (2), trong đú người ta đổ đầy đỏ cuội hay sỏi. Khụng khớ lạnh khi đi qua bỡnh (2) hấp thụ nhiệt của trong bỡnh, đi ra và được quạt thổi vào nhà hay chuồng trại. Để dự phũng cho những ngày thời tiết xấu, khụng cú nắng, người ta cú thể lắp thờm bộ phận đốt dự phũng bằng điện hay gas (4).
Một thiết bị khỏc được trỡnh bày trong sơ đồ hỡnh 1.16, trong đú để thu nhiệt và dự trữ nhiệt mặt trời người ta dựng nước.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 30 Chuyờn ngành tự động húa
Nước nóng từ bộ thu đến
Nước lạnh được bơm trở về bộ thu Bơm
1
2
3
Bình tích nhiệt
Buồng trao đổi nhiệt
4 5 1 2 3 3 4 5 Khí nóng Khí lạnh
Hỡnh 1.16: Hệ thống sưởi NLMT sử dụng nước làm chất thu và tải nhiệt
Nước núng sẽ trao đổi nhiệt ở buồng trao đổi nhiệt (5) để cung cấp khụng khớ núng sưởi ấm cho nhà ở hay chuồng trại. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
1.5.6. Pin mặt trời
Hiện nay cú hai cụng nghệ để sản xuất điện bằng NLMT. Đú là cụng nghệ Pin mặt trời (hay Quang- Điện) và cụng nghệ Nhiệt điện mặt trời. Đối với cụng nghệ nhiệt điện mặt trời người ta thấy chỉ cú hiệu quả khi nhà mỏy cú qui mụ cụng nghiệp, tức là cú cụng suất từ hàng chục đến hàng trăm MW. Vỡ vậy dưới đõy chỳng ta chỉ nghiờn cứu cụng nghệ Pin mặt trời (PMT).
1.5.6.1. Cấu tạo và nguyờn lý hoạt động
Hỡnh 1.17 là sơ đồ cấu tạo một pin mặt trời tỡnh thể Silicon (Si). Phần chớnh của nú là một lớp tiếp xỳc bỏn dẫn pn (4) giữa lớp vật liệu Si loại n (lớp (3) và lớp vật liệu Si loại p lớp (5). Lớp bỏn dẫn loại n (3) khỏ mỏng, độ dày khoảng vài chục m (m = 1 phần triệu một) để cho ỏnh sỏng cú thể xuyờn vào sõu trong cỏc lớp chất bỏn dẫn.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 31 Chuyờn ngành tự động húa 4 3 5 6 1 2 ánh sáng mặt trời 7 Lớp chất chống phản xạ ánh sáng
Điện cực lưới mặt trên Lớp bán dẫn n_Si 1 2 3 Lớp tiếp xúc bán dẫn p_n Lớp bán dẫn p_Si Điện cực dưới Bóng đèn 4 5 6 7
Hỡnh 1.17 : Sơ đồ cấu tạo một pin mặt trời tinh thể Si
Để đảm bảo độ bền cơ học cho PMT người ta phải chế tạo lớp bỏn dẫn p (5) khỏ dày, 300 500m. Điện cực mặt trờn (2) làm bằng kim loại và cú dạng lưới để ỏnh sỏng cú thể lọt qua và vào được lớp (4). Điện cực mặt dưới cũng bằng kim loại (6). Trờn cựng là một màng chống phản xạ ỏnh sỏng (1) để giảm sự phản xạ ỏnh sỏng trờn bề mặt trờn của Pin.
Hoạt động của pin mặt trời như sau:
Khi chiếu ỏnh sỏng mặt trời vào mặt trờn của pin, ỏnh sỏng sẽ tạo ra trong cỏc lớp bỏn dẫn lõn cận lớp tiếp xỳc pn (4) cỏc cặp điện tử – lỗ trống. Cỏc cặp này là cỏc hạt dẫn điện mang điện tớch õm (điện tử) và điện tớch dương (lỗ trống). Do tớnh chất đặc biệt của lớp tiếp xỳc bỏn dẫn, nờn tại lớp tiếp xỳc (4) đó cú sẵn một điện trường tiếp xỳc Etx. Điện trường này lập tức tỏch điện tử và lỗ trống trong cỏc cặp điện tử, lỗ trống vừa được ỏnh sỏng tạo ra và bắt chỳng chuyển động theo cỏc chiều ngược nhau để tạo thành dũng điện. Vỡ vậy nếu nối cỏc điện cực trờn và dưới bằng một dõy dẫn cú búng đốn (7) thỡ sẽ cú một dũng điện qua búng đốn và đốn sỏng.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 32 Chuyờn ngành tự động húa
Hiện tượng chiếu ỏnh sỏng vào lớp tiếp xỳc bỏn dẫn pn ta thu được dũng điện ở mạch ngoài được gọi là hiệu ứng Quang - Điện. Như vậy PMT hoạt động dựa trờn hiệu ứng quang- điện để sản xuất điện.
Hơn 90% PMT được sản xuất và ứng dụng hiện nay là PMT làm bằng chất bỏn dẫn tinh thể Si. Đối với PMT loại này, thỡ khi chiếu ỏnh sỏng mặt trời với cường độ Eo=1000 2
m W
và ở nhiệt độ To= 250C thỡ hiệu điện thế giữa 2
cực của pin là khoảng 0,55V và cường độ dũng điện cực đại đạt được 25
30mA/cm2.
Vỡ hiệu điện thế và dũng điện nhỏ như vậy, nờn để ứng dụng PMT, trong thực tế người ta phải nối nối tiếp hay song song nhiều pin lại với nhau tạo thành modun PMT. Ngoài ra việc chế tạo modun cũn nhằm bảo vệ PMT khỏi sự phỏ hoại của mụi trường. Việc vận chuyển và lắp đặt cỏc hệ thống PMT cũng thuận lợi và an toàn hơn.
Hỡnh 1.18 là cấu tạo của một modun PMT.
Hỡnh 1.18 : Sơ đồ cấu tạo PMT Si Hỡnh 1.19 : Một mụ đun PMT hoàn thiện (nhỡn từ mặt trờn) Tấm kính phía trên Tấm keo EVA Lớp các pin mặt trời đã hàn ghép điện Tấm keo EVA Tấm đáy
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 33 Chuyờn ngành tự động húa
Cỏc PMT sau khi đó được nối điện xong (3) được đặt vào giữa 2 tấm keo EVA (Ethylene Vinyl Acetate) trong suốt (2). Trờn cựng người ta đặt tấm kớnh (1) và dưới đỏy người ta đặt tấm đế (5) bằng kớnh, chất dẻo hoặc vật liệu khụng thấm nước vào đú. Người ta nung trong buồng chõn khụng cả hệ thống trờn đến 1001100C thỡ cỏc tấm keo EVA bị núng chảy. Sau đú người ta ộp khi làm nguội cả hệ thống, cỏc lớp keo EVA sẽ đụng cứng và kết dớnh tất cả cỏc lớp và cỏc tấm thành một khối vững chắc. Cỏc PMT do đú được cỏch ly hoàn toàn với mụi trường và được bảo vệ trước mọi va đập cơ học. Hỡnh 1.19 là hỡnh ảnh một mụ đun PMT đó hoàn thiện.
Cho đến nay nước ta chưa sản xuất được PMT thương mại mà phải nhập của nước ngoài, giỏ khoảng 4USD/Wp.
Cụng suất của modun PMT được đo bằng Oỏt- đỉnh (peak Watt- viết tắt là Wp) là cụng suất điện mà modun PMT phỏt ra được khi ỏnh sỏng mặt trời
cú cường độ 1000W/m2
chiếu vào mặt modun và ở nhiệt độ 250 C.
Vớ dụ 1 modun PMT 75Wp cú nghĩa là khi đặt tấm PMT dưới ỏnh sỏng
mặt trời cú cường độ 1000W/m2
(nắng lỳc giữa trưa vào mựa hố) thỡ modun đú phỏt ra 75W điện năng. Vào cỏc thời gian nắng kộm hơn, vớ dụ buổi sỏng hay buổi chiều, mựa đụng,v.v.... modun khụng phỏt ra đủ 75W. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
1.5.6.2. Hệ thống nguồn điện PMT
PMT được ứng dụng để sản xuất điện. Hiện nay cú 2 phương phỏp sử dụng điện mặt trời. Đú là cỏc phương phỏp nguồn điện PMT nối lưới và nguồn điện PMT độc lập.
* Nguồn điện PMT nối lưới
Hỡnh 1.20 là sơ đồ một hệ thống nguồn điện mặt trời nối lưới. Dàn PMT gồm nhiều modun PMT được ghộp nối lại với nhau (nối nối tiếp, song song hay hỗn hợp) và lắp đặt trờn mỏi nhà hay nơi cú nắng suốt ngày. Khi cú nắng
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 34 Chuyờn ngành tự động húa
đổi điện IN để biến đổi thành dũng điện xoay chiều (vớ dụ dũng điện 220V, 50Hz) và qua cụng tơ điện CT1 đưa vào lưới điện quốc gia (hay địa phương). Khi sử dụng người ta lấy điện trực tiếp từ lưới điện qua cụng tơ điện CT2 cấp điện cho cỏc thiết bị tiờu thụ điện như Tivi, tủ lạnh, quạt, đốn,v.v... Như vậy cụng tơ điện CT1 sẽ ghi số điện năng dàn PMT phỏt lờn lưới, cũn cụng tơ điện CT2 ghi số điện năng mà hộ sử dụng. Căn cứ vào chỉ số CT1 và CT2 mà hộ cú hệ thống điện PMT được trả hoặc phải nộp thờm tiền điện. Trong phương phỏp này mạng lưới điện quốc gia hay địa phương đúng vai trũ như một hệ thống tớch trữ điện năng (hay một nhà băng điện năng). Phương phỏp trờn rất kinh tế và an toàn, nờn cỏc nước phỏt triển như Nhật, Mỹ, Phỏp, Đức,... đều sử dụng cụng nghệ này. Tuy nhiờn phương phỏp này chỉ ứng dụng được những khu vực cú lưới điện.
K IN CT1 CT2 PMT TL TV Đ Q Lưới điện PMT: dàn pin mặt trời CT1,CT2 : công tơ điện 1 và 2 IN : Bộ biến đổi điện K : công tắc điện
TL: tủ lạnh TV: Tivi Q : quạt Đ : đèn
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 35 Chuyờn ngành tự động húa
Ở cỏc khu vực miền nỳi, hải đảo,... nơi khụng cú lưới điện hay khi sử dụng với cụng suất nhỏ thỡ người ta phải dựng phương phỏp hay cụng nghệ nguồn điện PMT độc lập.
* Nguồn điện PMT độc lập
Hỡnh 1.21 là sơ đồ khối của một hệ nguồn điện PMT độc lập. Nú bao
gồm một số thành phần như Dàn PMT, Bộ điều khiển (BĐK), Bộ ỏc qui, Bộ biến đổi điện (BDD) và cỏc thiết bị tiờu thụ điện (tải).
Dàn PMT Bộ điều
khiển
Bộ ác qui Bộ biến đổi
điện
Tải DC
Tải AC
Hỡnh 1.21 : Sơ đồ khối hệ nguồn điện mặt trời độc lập
Dàn PMT gồm một hay một số modun PMT nối ghộp lại. Hàng ngày lỳc cú ỏnh sỏng mặt trời, dàn PMT hấp thụ năng lượng ỏnh sỏng mặt trời và biến đổi thành điện năng của dũng điện một chiều.
BĐK là một thiết bị điện tử, nú cú nhiệm vụ kiểm soỏt tự động cỏc quỏ trỡnh nạp và phúng điện của ỏc quy, bảo vệ ỏc quy và bảo vệ cỏc thiết bị tiờu thụ điện (gọi chung là tải). Khi ỏc quy đó được nạp điện no, dung lượng của ỏc quy đạt 100%, thỡ BĐK sẽ tự động cắt hoặc giảm dũng nạp điện cho ỏc quy từ dàn PMT. Nhờ vậy ỏc quy trỏnh được trạng thỏi “quỏ no” giảm tuổi thọ của nú. Ngược lại, khi ỏc quy bị đúi quỏ, vớ dụ dung lượng của nú chỉ cũn
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 36 Chuyờn ngành tự động húa
lại 30% thỡ BĐK cũng tự động cắt hay giảm dũng điện cấp cho cỏc tải, nhờ vậy ỏc quy khụng bị phúng điện quỏ kiệt, dẫn đến hư hỏng ỏc quy.
Bộ ắc quy là thành phần dự trữ điện năng. Vỡ dàn PMT chỉ phỏt điện lỳc cú nắng, trong khi đú cỏc thiết bị điện lại cú thể phải dựng vào cỏc thời gian khụng cú nắng (như búng đốn chỉ dựng vào ban đờm, xem chương trỡnh Tivi ban đờm, v.v...).
Thụng thường ắc quy được sử dụng là ỏc quy chỡ- axit, giỏ khụng quỏ cao, cú bỏn ở mọi địa phương. Nhược điểm của ỏc quy loại này là tuổi thọ khụng cao (trung bỡnh chỉ được 2 – 3 năm nếu được chăm súc, bảo dưỡng tốt), yờu cầu phải chăm súc và bảo dưỡng thường xuyờn. Cỏc loại ắc quy khỏc như ac quy kiềm, Cat-mi, v.v... tốt hơn nhưng lại rất đắt.
Thụng số quan trọng của một bộ ỏc quy là hiệu điện thế và dung lượng
của nú. Hiệu điện thế tớnh bằng V, cũn dung lượng được tớnh bằng Am-pe-giờ
(Ah) hay oỏt-giờ (Wh). Vớ dụ cỏc loại ỏc quy 12V-100Ah, 24V-400Ah, 48V-
600Ah,v.v...Hiệu điện thế và dung lượng của bộ ắc quy phải được tớnh toỏn phự hợp với cỏc tải tiờu thụ và cụng suất dàn PMT. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Trong trường hợp cỏc thiết bị tiờu thụ điện một chiều 12V, 24V, 48V.... thỡ người ta cú thể sử dụng điện ngay sau BĐK. Cũn nếu cú cỏc thiết bị tiờu thụ điện dựng dũng điện xoay chiều, vớ dụ 220V, 50Hz, như tivi màu quạt, bơm nước, tủ lạnh, v.v... thỡ trong hệ nguồn cần cú thờm một BDD.
Cụng suất và cỏc đặc trưng điện của BĐK và BDD (như hiệu điện thế vào, hiệu điện thế ra, giải hiệu điện thế làm việc,v.v...) phải được tớnh toỏn cho phự hợp với hệ thống.
1.6. Kết luận.
Trong thời đại khoa học kỹ thuật phỏt triển, nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng. Trong khi đú cỏc nguồn nhiờn liệu dự trữ như than đỏ, dầu mỏ, khớ thiờn nhiờn và ngay cả thủy điện thỡ cú hạn khiến cho nhõn loại đứng trước
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 37 Chuyờn ngành tự động húa
nguy cơ thiếu hụt năng lượng. Việc tỡm kiếm và khai thỏc cỏc nguồn năng lượng mới như năng lượng hạt nhõn, năng lượng địa nhiệt, năng lượng giú và năng lượng mặt trời là một trong những hướng quan trọng trong kế hoạch phỏt triển năng lượng, khụng những đối với những nước phỏt triển mà ngay cả với những nước đang phỏt triển.
Năng lượng mặt trời - nguồn năng lượng sạch và tiềm tàng nhất đang được loài người thực sự đặc biệt quan tõm. Do đú việc nghiờn cứu nõng cao hiệu quả cỏc thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời và triển khai ứng dụng chỳng vào thực tế là vấn đề cú tớnh thời sự.
Việt Nam là nước cú tiềm năng về NLMT, trải dài từ vĩ độ 8” Bắc đến 23” Bắc, nằm trong khu vực cú cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao, với trị số tổng xạ khỏ lớn từ 100-175 kcal/cm2
.năm (4,2-7,3GJ/m2
.năm) do đú việc sử dụng NLMT ở nước ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế lớn.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 38 Chuyờn ngành tự động húa
CHƢƠNG 2
TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI 2.1. Vai trũ của hệ thống pin mặt trời
Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng mà con người biết sử dụng từ rất sớm, nhưng ứng dụng NLMT vào cỏc cụng nghệ sản xuất và trờn quy mụ rộng thỡ thực sự là một vấn đề rất mới và hiện đang là mối quan tõm hàng đầu của cỏc nhà khoa học. Do đú việc nghiờn cứu nõng cao hiệu quả cỏc thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời và triển khai ứng dụng chỳng vào thực tế là vấn đề cú tớnh thời sự. Cỏc ứng dụng NLMT phổ biến hiện nay bao gồm cỏc lĩnh vực chủ yếu sau: Pin mặt trời, nhà mỏy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời, thiết bị sấy khụ dựng năng lượng mặt trời, thiết bị làm lạnh và điều hoà khụng khớ dựng NLMT..
Thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam hiện nay chủ yếu là hệ thống cung cấp điện dựng pin mặt trời, hệ thống nấu cơm cú gương phản xạ và đặc biệt là hệ thống cung cấp nước núng kiểu tấm phẳng hay kiểu ống cú cỏnh nhận nhiệt. Nhưng nhỡn chung cỏc thiết bị này giỏ thành cũn cao, hiệu suất cũn thấp nờn chưa được người dõn sử dụng rộng rói.
Mặc dự tiềm năng của NLMT rất lớn, nhưng tỷ trọng năng lượng được sản xuất từ NLMT trong tổng năng lượng tiờu thụ của thế giới vẫn cũn khiờm tốn. Nguyờn nhõn chớnh chưa thể thương mại húa cỏc thiết bị và cụng nghệ sử dụng NLMT là do cũn tồn tại một số hạn chế lớn chưa được giải quyết :
* Giỏ thành thiết bị cũn cao: vỡ hầu hết cỏc nước đang phỏt triển và kộm