Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Thiết kế hệ thống nối lưới nguồn năng lượng mặt trời sử dụng cho căn hộ

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:97

Thêm vào BST

Báo xấu

1
lượt xem 0
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật "Thiết kế hệ thống nối lưới nguồn năng lượng mặt trời sử dụng cho căn hộ" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan về năng lượng mặt trời; Thiết kế hệ thống điện mặt trời nối lưới; Điều khiển hệ thống điện mặt trời nối lưới.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Thiết kế hệ thống nối lưới nguồn năng lượng mặt trời sử dụng cho căn hộ

i
ii LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là Nguyễn Sỹ Ngọc Sinh ngày 07 tháng 06 năm 1981 Học viên lớp cao học khóa 15 – Tự động hóa – Trường đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên Hiện đang công tác tại Điện Lực Phú Bình - Công ty điện lực Thái Nguyên Tôi xin cam đoan những vấn đề được trình bày trong bản luận văn này là những nghiên cứu của riêng cá nhân tôi, có tham khảo một số tài liệu và bài báo của các tác giả trong và ngoài nước đã được xuất bản. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm nếu có sử dụng lại kết quả của người khác.
iii Tác giả Nguyễn Sỹ Ngọc
iv MỞ ĐẦU Thế giới đang đứng trước một lựa chọn khó khăn cho sự phát triển bền vững trong tương lai khi các nguồn năng lượng đang dần cạn kiệt. Ngành công nghiệp điện chủ yếu dựa trên công nghệ nhiệt điện và thủy điện, đã mang đến cho nhân loại nền văn minh điện, nhưng cũng đã bộc lộ mặt trái của nó đối với môi trường, và dần cạn kiệt. Công nghệ điện hạt nhân lại không an toàn và gây ra những hiểm họa phóng xạ để lại tác hại lâu dài cho môi trường. Vì vậy, với chiến lược phát triển bền vững trên toàn cầu, đặc biệt là thời kỳ phát triển ‘ kinh tế xanh’, ‘ năng lượng xanh’ đã bắt đầu chứng kiến những công nghệ mới để sản xuất điện, trong đó việc sản xuất điện từ các nguồn năng lượng tái tạo trong tự nhiên đang là hướng đi mới trong ngành công nghiệp năng lượng, nguồn năng lượng tái tạo khá dồi dào, nó có khả năng thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch, giảm thiểu tác hại tới môi trường, đặc biệt là năng lượng mặt trời. Năng lượng tái tạo là dạng năng lượng mà nguồn nhiêu liệu của nó liên tục được tái sinh từ những quá trình tự nhiên. Năng lượng mặt trời là nguồn gốc của các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, năng lượng sinh khối, năng lượng các dòng sông...và cung cấp năng lượng gần như vô tận cho hành tinh chúng ta. Sức nóng của ánh sáng mặt trời được tập trung lại bằng những thiết bị đặc biệt để đun nước nóng sử dụng trong gia đình hay sản xuất ra điện năng phục vụ cho các nhu cầu thiết yếu khác của con người...Đây là nguồn năng lượng vô tận và gần như hoàn toàn miễn phí cũng như không sản sinh ra chất thải ô nhiễm môi trường.
v Ở Việt Nam, năng lượng mặt trời có tiềm năng rất lớn, với lượng bức xạ trung bình cao khoảng 5kW/m2/ngày với khoảng 2000 giờ nắng/năm. Tuy nhiên việc phát triển và sử dụng nguồn năng lượng mặt trời ở Việt Nam vẫn còn hạn chế, chủ yếu năng lượng mặt trời sử dụng dụng cho các mục đích như: Đun nước nóng, phát điện...Trong những năm gần đây đã có nhiều nghiên cứu, ứng dụng nhằm sản xuất và tích trữ năng lượng mặt trời, tuy nhiên, việc sử dụng nguồn năng lượng này chủ yếu chỉ dừng lại ở mức cục bộ, năng lượng dư thừa chưa hòa được lên lưới điện quốc gia (chủ yếu là nguồn điện pin mặt trời độc lập). Đối với đời sống con người hiện nay nhu cầu sử dụng điện hàng ngày đó là nhu cầu thiết yếu không thể thiếu được để đáp ứng những nhu cầu sử dụng điện. Do vậy chi phí cho sử dụng điện hàng tháng chiếm một tỷ trọng đáng kể trong chi phí sinh hoạt của con người. Bên cạnh đó nguồn năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng tái tạo vô tận. Chính vì vậy mà tôi đã lựa chọn đề tài: ‘Thiết kế hệ thống nối lưới nguồn năng lượng mặt trời sử dụng cho căn hộ’, để hòa vào lưới điện Quốc gia, chủ động được trong việc sử dụng điện khi mất điện lưới, cung cấp năng lượng dư thừa phát lên lưới điện, tiết kiệm được điện năng, ứng dụng rộng rãi trong toàn dân. Luận văn thực hiện theo bố cục gồm 3 chương: Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Chương 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI Chương 3: ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI Sau một thời gian nghiên cứu, đến nay luận văn đã hoàn thành. Tôi xin bày tỏ trân thành lòng biết ơn sâu sắc của mình đối với sự giúp đỡ tận tình của thày giáo PGS.TS. Lại Khắc Lãi. Xin trân thành cảm ơn các thầy, các cô trong
vi Bộ môn Tự động hóa – Trường ĐHKT công nghiệp – Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện giúp đỡ trong suốt quá trình tham gia khóa học. Xin trân thành cảm ơn Phòng sau đại học, bạn bè đồng nghiệp và người thân đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành luân văn này. Do hạn chế về thời gian, trình độ có hạn nên luận văn không thể tránh khỏi sai sót. Rất mong nhận được chỉ dẫn, góp ý của các thầy giáo, cô giáo cũng như các đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn và trân thành cảm ơn!
vii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN................................................................................................................................... ii MỞ ĐẦU............................................................................................................................................... iv MỤC LỤC............................................................................................................................................ vii Ý NGHĨA CÁC TỪ TIẾNG ANH VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT............................................................ xi TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI................................................................................... 1 1.1. NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO.......................................................................................................... 1 1.1.1. Khái niệm năng lượng tái tạo................................................................................................ 1 1.1.2. Phân loại năng lượng tái tạo.................................................................................................. 2 1.2. NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI....................................................................................................... 5 1.2.1. Khái niệm năng lượng Mặt trời............................................................................................. 5 1.2.2. Vai trò và lợi ích của năng lượng mặt trời............................................................................ 6 1.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP KHAI THÁC, SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI.......................7 1.3.1. Các phương pháp khai thác................................................................................................... 7 1.3.2. Các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời.............................................................................. 8 1.4. PHẠM VI, MỤC TIÊU, NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI ........................................15 1.4.1. Phạm vi nghiên cứu............................................................................................................ 15 1.4.2. Mục tiêu của đề tài.............................................................................................................. 16 1.4.3. Nội dung nghiên cứu........................................................................................................... 16 1.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1.......................................................................................................... 18 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI...................................................................... 19 2.1. MÔ TẢ HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI................................................................ 19 2.1.1. Sơ đồ khối hệ thống............................................................................................................ 19 2.1.2. Ý nghĩa của các khối trong sơ đồ........................................................................................ 20 2.2. PIN MẶT TRỜI (PV – Photovoltaic)........................................................................................ 20 2.3. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT............................................................................ 24 2.3.1. Thông số kỹ thuật .............................................................................................................. 24 2.3.2. Sơ đồ nguyên lý chung........................................................................................................ 24 2.3.3. Bộ chuyển đổi DC – DC.................................................................................................... 26 2.3.4. Bộ chuyển đổi DC – AC..................................................................................................... 35 2.4. MẠCH ĐIỀU KHIỂN............................................................................................................... 38 2.4.1. Vi điều khiển MEGA8........................................................................................................ 38
viii 2.4.2. Mạch giao tiếp với máy tính............................................................................................... 39 2.4.3. Các mạch phụ trợ................................................................................................................ 40 2.5. THÔNG SỐ CÁC LINH KIỆN (Bảng 2.5)............................................................................... 45 2.6. PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN...................................................................................................... 46 2.7. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2.......................................................................................................... 46 CHƯƠNG 3.......................................................................................................................................... 48 ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI................................................................. 48 3.1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI ...............48 3.2. ĐỒNG BỘ HÓA LƯỚI............................................................................................................. 48 3.2.1. Hòa đồng bộ hệ thống điện mặt trời với lưới...................................................................... 49 3.2.2. Hiện tượng ốc đảo và cách khắc phục................................................................................. 51 3.3. TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT TỐI ĐA CỦA HỆ THỐNG PV....................................................... 52 3.4. ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI...............................55 3.4.1 Mở đầu ................................................................................................................................ 55 3.4.2. Công suất tác dụng và công suất phản kháng một pha trên hệ qui chiếu ảo 2 trục ..............57 3.4.3. Cấu trúc mạch điều khiển công suất.................................................................................... 59 3.4.4. Kết quả mô phỏng............................................................................................................... 61 3.4.5. Nhận xét và kết luận........................................................................................................... 63 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.............................................................................................................. 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................................................... 65 PHỤ LỤC ............................................................................................................................................ 67 a. Tìm điểm công suất cực đại của hệ thống................................................................................. 67 b. Phần mềm chính hệ thống......................................................................................................... 69
ix DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Pin mặt trời Hình 1.2: Nhà máy nhiệt điện mặt trời Hình 1.3: Hệ thống nước nóng dùng năng lượng mặt trời Hình 1.4: Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời Hình 1.5: Lò sấy dùng năng lượng mặt trời Hình 1.6: Thiết bị chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời Hình 1.7: Động cơ stirling chạy bằng năng lượng mặt trời Hình 1.8: Điều hòa sử dụng năng lượng mặt trời Hình 1.9: Chuột không dây sử dụng năng lượng mặt trời Hình 1.10: Xe đạp điện mặt trời Hình 1.11: Điện mặt trời nối lưới cho hộ gia đình Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới Hình 2.2: Mạch tương đương của modul PV Hình 2.3: Quan hệ I(U) và P(U) của PV Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý chung Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý chuyển đổi DC-DC Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý chuyển đổi DC-AC Hình 2.7: Sơ đồ bộ vi điều khiển ATMEGA Hình 2.8: Mạch giao tiếp với máy tính Hình 2.9: Sơ đồ mạch nguồn nuôi Hình 2.10: Mạch ổn áp Hình 2.11: Mạch hồi tiếp và khóa pha
x Hình 2.12: Mạch đo điện áp vào Hình 2.13 : Mạch hiển thị trạng thái Hình 3.1:Vòng lặp khóa pha cơ bản Hình 3.2 Quan hệ I(U) và P(U) của PV Hình 3.3: Đặc tính V-A của tải và của pin mặt trời Hình 3.4: Lưu đồ thuật toán P&Q. Hình 3.5 : Sơ đồ khối của nghịch lưu nối lưới Hình 3.6: Đồ thị véc tơ điện áp và dòng điện của biến tần Hình 3.7: Vòng điều khiển dòng điện Hình 3.8: Bộ điều khiển công suất Hình 3.9: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển công suất nghịch lưu 1 pha nối lưới Hình 3.10: Công suất tác dụng Hình 3.11: Công suất phản kháng Hình 3.12: Dạng sóng điện áp Hình 3.13: Dạng sóng dòng điện
xi Ý NGHĨA CÁC TỪ TIẾNG ANH VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT Solar Power Năng lượng mặt trời Inverter Biến tấn Grid Lưới điện PV - Photovoltaic Pin mặt trời PLL – Phase Lock Loop Vòng khóa pha SPWM Điều chế độ rộng xung hình sin MPPT - Maximum Power Point Thuật toán dò điểm công suất tối đa Tracking MPP - Maximum Power Point Điểm công suất cực đại P&O – Perturb and Observe Thuật toán xáo trộn và quan sát NLMT Năng lượng mặt trời DC - DC Biến đổi một chiều sang một chiều DC - AC Biến đổi một chiều sang xoay chiều
1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.1. NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 1.1.1. Khái niệm năng lượng tái tạo Năng lượng tái tạo là những nguồn năng lượng hay những phương pháp khai thác năng lượng mà nếu đo bằng các chuẩn mực của con người thì là vô hạn, theo hai nghĩa: Hoặc là năng lượng tồn tại nhiều đến mức mà không thể trở thành cạn kiệt vì sử dụng của con người (Năng lượng mặt trời) hoặc là năng lượng tự tái tạo trong thời gian ngắn và liên tục (năng lượng sinh khối) trong các quy trình còn diễn tiến trong một thời gian dài trên Trái đất. Theo ý nghĩa về vật lý, năng lượng không được tái tạo mà trước tiên là do Mặt trời mang lại và được biến đổi thành các dạng năng lượng hay các vật mang năng lượng khác nhau. Tùy theo trường hợp mà năng lượng này được sử dụng ngay tức khắc hay được dự trữ tạm thời. Việc sử dụng khái niệm “Tái tạo” theo cách nói thông thường là dùng để chỉ đến các chu kỳ tái tạo mà đối với con người là ngắn đi rất nhiều (thí dụ như khí sinh học so với năng lượng hóa thạch). Trong cảm giác về thời gian của con người thì Mặt trời sẽ còn là một nguồn cung cấp năng lượng trong một thời gian gần như là vô tận. Mặt trời cũng là nguồn cung cấp năng lượng liên tục cho nhiều quy trình diễn tiến trong bầu sinh quyển Trái đất. Những quy trình này có thể cung cấp năng lượng cho con người và cũng mang lại những cái gọi là nguyên liệu tái tăng trưởng. Luồng gió thổi, dòng nước chảy và nhiệt lượng của Mặt trời đã được con người sử dụng trong quá khứ. Quan trọng nhất trong thời đại công nghiệp là sức nước nhìn theo phương diện sử dụng kỹ thuật và theo phương diện phí tổn sinh thái. Ngược lại với việc sử dụng các quy trình này là việc khai thác các nguồn năng lượng như than đá hay dầu mỏ, những nguồn năng lượng mà ngày nay 1
2 được tiêu dùng nhanh hơn là được tạo ra rất nhiều. Theo ý nghĩa của định nghĩa tồn tại vô tận thì phản ứng tổng hợp hạt nhân (phản ứng nhiệt hạch), khi có thể thực hiện trên bình diện kỹ thuật và phản ứng rã hạt nhân (phản ứng phân hạch) với các lò phản ứng tái sinh, khi năng lượng hao tốn lúc khai thác uranium hay thorium có thể được giữ ở mức thấp, đều là những nguồn năng lượng tái tạo mặc dù là thường thì chúng không được tính vào loại năng lượng này. 1.1.2. Phân loại năng lượng tái tạo Năng lượng tái tạo bao gồm: Năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng thủy triều (sóng), thủy điện, địa nhiệt, sinh khối, nhiên liệu sinh học. Theo nguồn gốc suất sứ ta phân năng lượng tái tạo thành 3 loại như sau: a) Nguồn gốc từ bức xạ mặt trời Năng lượng Mặt trời thu được trên Trái đất là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ Mặt trời đến Trái đất. Chúng ta sẽ tiếp tục nhận được dòng năng lượng này cho đến khi phản ứng hạt nhân trên Mặt trời hết nhiên liệu, vào khoảng 5 tỷ năm nữa. Có thể trực tiếp thu năng lượng này thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển năng lượng các photon của Mặt trời thành điện năng, như trong pin Mặt trời. Năng lượng của các photon cũng có thể được hấp thụ để làm nóng các vật thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, sử dụng cho bình đun nước bằng mặt trời, hoặc làm sôi nước trong các máy nhiệt điện của tháp Mặt trời, hoặc vận động các hệ thống nhiệt như máy điều hòa Mặt trời. Năng lượng của các photon có thể được hấp thụ và chuyển hóa thành năng lượng trong các liên kết hóa học của các phản ứng quang hóa. Một phản ứng quang hóa tự nhiên là quá trình quang hợp. Quá trình này được cho là đã từng dự trữ năng lượng Mặt trời vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch không tái sinh mà các nền công nghiệp của thế kỷ 19 đến 21 đã và đang tận dụng. Nó cũng là quá trình cung cấp năng lượng cho mọi hoạt động sinh học 2
3 tự nhiên, cho sức kéo gia súc và củi đốt, những nguồn năng lượng sinh học tái tạo truyền thống. Trong tương lai, quá trình này có thể giúp tạo ra nguồn năng lượng tái tạo ở nhiên liệu sinh học, như các nhiên liệu lỏng, khí hay rắn. Năng lượng mặt trời cũng được hấp thụ bởi thủy quển Trái đất và khí quyển Trái đất để sinh ra các hiện tượng khí tượng học chứa các dạng dự trữ năng lượng có thể khai thác được. Trái đất, trong mô hình năng lượng này, gần giống bình đun nước của những động cơ nhiệt đầu tiên, chuyển hóa nhiệt năng hấp thụ từ photon của Mặt trời thành động năng của các dòng chảy của nước, hơi nước và không khí, và thay đổi tính chất hóa học và vật lý của các dòng chảy này. Thế năng của nước mưa có thể được dự trữ tại các đập nước và chạy máy phát điện của các công trình thủy điện. Một dạng tận dụng năng lượng dòng chảy sông suối có trước khi thủy điện ra đời là cối xay nước. Dòng chảy của biển cũng có thể làm chuyển động máy phát của nhà máy điện dùng dòng chảy của biển. Dòng chảy của không khí hay gió có thể sinh ra điện khi làm quay tuốc bin gió. Trước khi máy phát điện dùng năng lượng gió ra đời, cối xay gió đã được ứng dụng để xay ngũ cốc. Năng lượng gió cũng gây ra nhiều chuyển động sóng trên mặt biển. Chuyển động này có thể được tận dụng trong các nhà máy điện dùng sóng biển. Đại dương trên trái đất có nhiệt dung riêng lớn hơn không khí và do đó thay đổi độ chậm hơn không khí khi hấp thụ cùng nhiệt lượng của Mặt trời. Đại dương nóng hơn không khí vào ban đêm và lạnh hơn không khí vào ban ngày. Sự chênh lệch nhiệt độ này có thể được khai thác để chạy các động cơ nhiệt trong các nhà máy dùng nhiệt lượng của biển. Khi nhiệt năng hấp thụ từ photon của Mặt trời làm bốc hơi nước biển, một phần năng lượng đó đã được dự trữ trong việc tách muối ra khỏi nước mặn của 3
4 biển. Nhà máy điện dùng phản ứng nước ngọt - nước mặn thu lại phần năng lượng này khi đưa nước ngọt của dòng sông trở về biển. b) Nguồn gốc từ nhiệt năng của trái đất Nhiệt năng của trái đất, gọi là địa nhiệt, là năng lượng nhiệt mà Trái đất có được thông qua các phản ứng hạt nhân âm ỉ trong lòng. Nhiệt năng này làm nóng chảy các lớp đất đá trong lòng Trái đất, gây ra hiện tượng di dời thềm lục địa và sinh ra núi lửa. Các phản ứng hạt nhân trong lòng trái đất sẽ tắt dần và nhiệt độ lòng Trái đất sẽ nguội dần, nhanh hơn nhiều so với tuổi thọ của Mặt trời. Địa nhiệt có thể là nguồn năng lượng sản xuất công nghiệp quy mô vừa trong các lĩnh vực như: nhà máy điện địa nhiệt, sưởi ấm địa nhiệt c) Nguồn gốc từ động năng hệ Trái đất – Mặt trăng Trường hấp dẫn không đều trên bề mặt trái đất gây ra bởi Mặt trăng, cộng với trường lực quán tính ly tâm không đều tạo nên bề mặt hình elipsoit của thủy quyển Trái đất (và ở mức độ yếu hơn, của khí quyển Trái đất và thạch quyển Trái đất). Hình elipsoit này cố định so với đường nối Mặt trăng và Trái đất, trong khi trái đất tự quay quanh nó, dẫn đến mực nước biển trên một điểm của bề mặt Trái đất dâng lên hạ xuống trong ngày, tạo ra hiện tượng thủy triều. Sự nâng hạ của nước biển có thể làm chuyển động các máy phát điện trong các nhà máy điện thủy triều. Về lâu dài, hiện tượng thủy triều sẽ giảm dần mức độ, do tiêu thụ dần động năng tự quay của trái đất, cho đến lúc Trái đất luôn hướng một mặt về phía Mặt trăng. Thời gian kéo dài của hiện tượng thủy triều cũng nhỏ hơn so với tuổi thọ của Mặt trời. d) Các nguồn năng lượng tái tạo nhỏ Ngoài các nguồn nêu trên dành cho mức độ công nghiệp, còn có các nguồn năng lượng tái tạo nhỏ dùng trong một số vật dụng: 4
5 - Một số đồng hồ đeo tay dự trữ năng lượng lắc lư của tay khi con người hoạt động thành thế năng của lò xo, thông qua sự lúc lắc của một con quay. Năng lượng này được dùng để làm chuyển động kim đồng hồ. - Một số động cơ có dung động lớn được gắn tinh thể áp điện chuyển hóa biến dạng cơ học thành điện năng, làm giảm rung động cho động cơ và tạo nguồn điện phụ. Tinh thể này cũng có thể được gắn vào đế giầy, tận dụng chuyển động tự nhiên của người để phát điện cho các thiết bị cá nhân nhỏ như PDA, điện thoại di động… - Hiệu ứng điện động giúp tạo ra dòng điện từ vòi nước hay các nguồn nước chảy, khi nước đi qua các kênh nhỏ xíu làm bằng vật liệu thích hợp. - Các ăng ten thu dao động điện từ (thường ở phổ radio) trong môi trường sang năng lượng điện xoay chiều hay điện một chiều. Một số đèn nhấp nháy gắn vào điện thoại di động thu năng lượng sóng vi ba phát ra từ điện thoại để phát sáng, hoạt động theo cơ chế này. 1.2. NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.2.1. Khái niệm năng lượng Mặt trời Năng lượng mặt trời là một trong các nguồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất mà thiên nhiên ban tặng cho hành tinh chúng ta. Đồng thời nó cũng là nguồn gốc của các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, năng lượng sinh khối, năng lượng các dòng sông…Năng lượng mặt trời có thể nói là vô tận. Tuy nhiên để khai thác, sử dụng nguồn năng lượng này cần phải biết các đặc trưng và tính chất cơ bản của nó, đặc biệt khi tới bề mặt quả đất. Về mặt vật chất thì mặt trời chứa đến 78,4% khí Hydro(H 2), Heli(He) chiếm 19,8%, các nguyên tố kim loại và các nguyên tố khác chỉ chiếm 1,8%. Năng lượng do mặt trời bức xạ ra vũ trụ là một lượng khổng lồ, mỗi giây nó phát ra 3,865.1026J, tương đương với năng lượng đốt cháy hết 1,3210 16 tấn 5
6 than đá tiêu chuẩn. Nhưng bề mặt quả đất chỉ nhận được một năng lượng rất nhỏ và bằng 17,57.1016J hay tương đương năng lượng đốt cháy của 6.106 tấn than đá. Năng lượng khổng lồ từ mặt trời được xác định là sản phẩm của các phản ứng nhiệt hạt nhân. Theo thuyết tương đối của Anhstanh và qua phản ứng nhiệt nhiệt hạt nhân khối lượng có thể chuyển thành năng lượng. Nhiệt độ mặt ngoài của mặt trời khoảng 60000K, còn ở bên trong mặt trời nhiệt độ có thể lên đến hàng triệu độ. Áp suất bên trong mặt trời cao hơn 340.10 18Mpa. Do nhiệt độ và áp suất bên trong mặt trời cao như vậy nên vật chất đã nhanh chóng bị ion hóa và chuyển động với năng lượng rất lớn. Chúng va chạm vào nhau và gây ra hàng loạt các phản ứng hạt nhân. Người ta đã xác định được nguồn năng lượng của mặt trời chủ yếu do hai loại phản ứng hạt nhân gây ra. Đó là các phản ứng tuần hoàn giữa các hạt nhân cacbon và Nito(C.N) và phản ứng hạt nhân Proton- Proton. Khối lượng mặt trời xấp xỉ 2.1027tấn. Như vậy để mặt trời chuyển hóa hết khối lượng của nó thành năng lượng cần một khoảng thời gian là 15.10 13 năm. Từ đó có thể thấy rằng nguồn năng lượng mặt trời là khổng lồ và lâu dài. 1.2.2. Vai trò và lợi ích của năng lượng mặt trời Năng lượng mặt trời có tiềm năng thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch và năng lượng nguyên tử. Trên lý thuyết, chỉ với một hiệu suất chuyển đổi là 10% và trên một diện tích 700x700km ở sa mạc Sahara thì đã có thể đáp ứng được nhu cầu năng lượng trên toàn thế giới bằng cách sử dụng năng lượng mặt trời. Sử dụng một cách triệt để các thiết bị cung cấp nhiệt từ năng lượng mặt trời cũng có thể đáp ứng nhu cầu nước nóng. Việc sử dụng năng lượng tái tạo đặc biệt là năng lượng mặt trời sẽ mang lại nhiều lợi ích về sinh thái cũng như là lợi ích gián tiếp cho kinh tế. So với các 6
7 nguồn năng lượng khác, năng lượng tái tạo có nhiều ưu điểm hơn vì tránh được các hậu quả có hại đến môi trường. 1.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP KHAI THÁC, SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.3.1. Các phương pháp khai thác Năng lượng mặt trời (Solar Power): cho đến gần đây, sức nóng mặt trời được chú trọng trong việc ứng dụng vào việc chuyển hóa sang nhiệt năng, điện năng phục vụ nhu cầu của cuộc sống. Sức nóng của ánh nắng mặt trời được tập trung lại bằng những thiết bị đặc biệt để đun nước nóng sử dụng trong sinh hoạt hay tạo ra hơi nước để sản xuất điện. Đây là nguồn năng lượng vô tận và gần như hoàn toàn miễn phí cũng như không sản sinh ra chất thải hủy hoại môi trường. Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật người ta đã biết tận dụng và sử dụng nguồn năng lượng mặt trời vô tận này với các thiết bị, hệ thống sử dụng năng lượng mặt trời như : Pin mặt trời, tấm kính mặt trời.. Hiện nay có hai công nghệ nguồn pin mặt trời thông dụng. Đó là hệ thống nguồn điện pin mặt trời nối lưới và hệ nguồn độc lập. Đối với các khu vực không có lưới điện hoặc sử dụng điện với quy mô nhỏ, người ta dùng công nghệ nguồn pin mặt trời độc lập. Trong hệ nguồn pin mặt trời nối lưới, điện năng một chiều từ dàn pin mặt trời được biến đổi thành dòng điện xoay chiều và được hòa vào mạng điện công nghiệp. Đứng đầu trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học công nghệ, sản xuất và ứng dụng các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời là các quốc gia như Mỹ, Nhật bản, Đức, một số nước thuộc EU và Trung quốc. Việt nam là quốc gia đang phát triển, do đó nhu cấu năng lượng ngày càng tăng với tốc độ tăng trưởng khoảng 15-20%. Hiện tại chính sách quốc gia 7
8 của Việt nam về nhu cầu năng lượng dựa vào việc thiết lập hệ thống các nhà thủy điện, nhà máy nhiệt điện tua bin hơi và tua bin khí… Các hệ thống phát năng lượng điện mặt trời ở Việt nam chưa phát triển được thành nhà máy phát điện. Tuy nhiên đã có một số hệ thống phát điện năng lượng mặt trời công suất nhỏ. Việc khai thác nguồn năng lượng mặt trời ở nước ta còn nhiều hạn chế, khai thác và sử dụng năng lượng mặt trời còn đang ở quy mô nhỏ lẻ và tập trung chủ yếu vào việc nghiên cứu, sử dụng trực tiếp năng lượng mặt trời (hệ thống đun nước nóng), các hệ thống pin mặt trời và hòa vào lưới điện hầu như chưa có. Nguồn năng lượng từ mặt trời có thể khai thác được ở nhiều nơi. Có nhiều hướng khai thác năng lượng mặt trời phục vụ cho sinh hoạt con người, trong đó xu hướng biến đổi năng lượng mặt trời thành điện năng chiếm xu thế chủ đạo. Tuy nhiên để đảm bảo phát triển bền vững và đặc biệt cân bằng được năng lượng của quốc gia trong tương lai, Việt nam đã và đang tập trung nghiên cứu phát triển các nguồn năng lượng mới trong đó Năng lượng mặt trời vẫn là một nguồn năng lượng tối ưu trong tương lai cho điều kiện Việt nam đứng về phương diện địa dư và nhu cầu phát triển kinh tế. 1.3.2. Các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời 1.3.2.1. Pin mặt trời Pin mặt trời là phương pháp sản xuất điện trực tiếp từ năng lượng mặt trời qua thiết bị biến đổi quang điện. Pin mặt trời có ưu điểm là gọn nhẹ, có thể lắp bất kì đâu có ánh sáng mặt trời, đặc biệt trong lĩnh vực tầu vũ trụ. Ứng dụng năng lượng mặt trời dưới dạng này được phát triển với tốc độ rất nhanh, nhất là ở các nước phát triển. Tuy nhiên giá thành thiết bị pin mặt trời còn khá cao nên ở những nước đang phát triển, pin mặt trời mới chỉ có khả năng là cung cấp năng lượng điện sử dụng cho các vùng sâu vùng xa mà đường điện quốc gia chưa có. 8
9 Hình 1.1: Pin mặt trời 1.3.2.2. Nhà máy điện sử dụng năng lượng mặt trời 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 máy phát điện. Hình 1.2: Nhà máy nhiệt điện mặt trời Hiện nay, trong các nhà máy nhiệt điện sử dụng NLMT có các loại hệ thống bộ thu chủ yếu sau đây: Hệ thống dùng parabol trụ để tập trung tia bức xạ mặt trời vào một ống môi chất đặt dọc theo đường hội tụ của bộ thu, nhiệt độ có thể đạt tới 4000C. Hệ thống nhận nhiệt trung tâm bằng cách sử dụng các gương 9