Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ứng dụng điện năng cho máy bơm nước từ pin năng lượng mặt trời

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

----------------------

NGUYỄN GIA HOÀNG ĐĂNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐIỆN NĂNG

CHO MÁY BƠM NƯỚC TỪ PIN

NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành : Kỹ thuật điện

Mã số ngành : 60 52 02 02

TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2015

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

----------------------

NGUYỄN GIA HOÀNG ĐĂNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐIỆN NĂNG

CHO MÁY BƠM NƯỚC TỪ PIN

NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành : Kỹ thuật điện

Mã số ngành : 60 52 02 02

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS.TRƯƠNG VIỆT ANH

TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2015

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CỘNG NGHỆ TP.HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS. TRƯƠNG VIỆT ANH

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP.HCM ngày tháng

năm 2015

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm :

Stt Họ và tên Chức danh hội đồng

1

2

3

4

5

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Khoa quản lý chuyên ngành

sau khi luận văn được sửa chữa (nếu có)

Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn Khoa quản lý chuyên ngành

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP.HCM

Độc lập – Tự Do – Hạnh Phúc PHÒNG QLKH – ĐTSĐH

TP.HCM, ngày ... tháng ... năm 2015

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: Nguyễn Gia Hoàng Đăng

Ngày, tháng, năm sinh: 01 – 01 – 1986

Giới tính: Nam

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Nơi sinh: Tỉnh Long an

MSHV: 134 183 000 2

I-TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐIỆN NĂNG CHO MÁY BƠM NƯỚC TỪ PIN

NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

II-NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

- Nghiên cứu hệ thống pin năng lượng mặt trời.

- Mô hình ứng dụng điện năng cho máy bơm nước từ pin năng lượng mặt trời.

III-NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 18 – 08 – 2014

IV-NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 21 – 03 - 2015

V-CÁN BÔ HƯỚNG DẨN : PGS.TS. TRƯƠNG VIỆT ANH

CÁN BỘ HƯỚNG DẨN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

PGS.TS. TRƯƠNG VIỆT ANH

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết

quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ

công trình nào khác.

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã

được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được ghi rõ nguồn góc.

Học viên thực hiện Luận văn

Nguyễn Gia Hoàng Đăng

ii

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian học tập và rèn luyện tại Trường Đại học Công nghệ

TP.HCM. Xin chân thành cảm ơn tập thể quý Thầy Cô giáo đã giảng dạy, truyền đạt

trí thức giúp em học tập và nghiên cứu trong quá trình học cao học tại Trường Đại

học Công Nghệ TP.HCM.

Tôi chân thành cảm ơn thầy hướng dẩn PGS.TS. Trương Việt Anh đã nhiệt

tình hướng dẫn, chỉ bảo, truyền đạt kiến thức chuyên môn và kinh nghiệm để em

thực hiện luận văn này. Với sự nhiệt tình hướng dẫn của Quý Thầy đã làm động lực

cho em có tinh thần cố gắng, nỗ lực trong tìm tòi, nghiêng cứu để hoàn thành Luận

văn này.

Em cũng xin lời cảm ơn đến Ban giám hiệu Trường Đại học Công Nghệ TP.HCM, Phòng Quản lý Khoa học và Đào tạo Sau Đại học đã hổ trợ và giúp đỡ

em trong quá trình học tập.

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè đã động viên, giúp đỡ

và tạo cho em niềm tin và nỗ lực cố gắng để hoàn thành luận văn này.

Xin chân thành cảm ơn !

Tp.Hồ Chí Minh, ngày....tháng....năm 2015

Người thực hiện

Nguyễn Gia Hoàng Đăng

iii

TÓM TẮT

Hiện nay, nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng cao để đáp ứng nhu cầu

sinh hoạt và sản xuất của con người, trong đó nhu cầu sử dụng điện năng trong sinh

hoạt và sản xuất là không thể thiếu đối với con người. Nhưng hiện nay việc sản xuất

năng lượng điện vẫn chưa thể đáp ứng cho tất cả mọi người vì nhiều lý do khác

nhau như: nhu cầu sử dụng năng lượng điện quá lớn hoặc những vùng sâu vùng xa

chưa thể đưa nguồn điện đến được .v.v. Việc nghiên cứu sử dụng các nguồn năng

lượng tự nhiên để tạo ra nguồn điện là thật sự cần thiết để đáp ứng các nhu cầu sử

dụng, các nguồn năng lượng tự nhiên như: năng lượng gió, nhiệt điện, năng lượng

mặt trời,… là các nguồn năng lượng có thể đáp ứng được các nhu cầu đó. Đề tài

“Nghiên Cứu Ứng Dụng Điện Năng Cho Máy Bơm Nước Từ Pin Năng Lượng Mặt

Trời” là một phần trong việc sử dụng các nguồn năng lượng tự nhiên đó vào trong

sản xuất.

Đề tài “Nghiên Cứu Ứng Dụng Điện Năng Cho Máy Bơm Nước Từ Pin

Năng Lượng Mặt Trời” là đề tài tìm hiểu và tính toán một ứng dụng thực tế về việc

sử dụng năng lượng Mặt Trời cho các nhu cầu về sinh hoạt và sản xuất của con

người. Đề tài sẽ giúp cho những người muốn tìm hiểu và mới tìm hiểu về nhu cầu

sử dụng Năng Lượng Mặt Trời, để đưa nguồn năng lương mới phát triển rộng rãi và

giúp một phần vào việc giải quyết bài toán năng lượng hiện nay.

iv

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN.........................................................................................................i

LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................ii

TÓM TẮT ................................................................................................................. iii

MỤC LỤC ..................................................................................................................iv

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................vi

DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................vii DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, HÌNH ẢNH ............................................ viii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ........................................................................................1

1.1. Đặt vấn đề .............................................................................................1

1.1.1. Sự tiêu thụ năng lượng hiện tại và trong tương lai.[10].[11]................1

1.1.2. Năng lượng tái tạo..................................................................................5

1.1.3. Năng lượng mặt trời ...............................................................................7

1.1.4. Hệ thống bơm nước sử dụng năng lượng mặt trời ...............................12

1.2 Các đề tài nghiên cứu đã thực hiện .........................................................13

1.3 Định hướng của đề tài .............................................................................14

1.4 Nhiệm vụ của đề tài..................................................................................14

1.5 Kết quả mong muốn ................................................................................15

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG PIN

MẶT TRỜI.....................................................................................................16

2.1 Mặt Trời và nguồn bức xạ Mặt Trời ........................................................16

2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Pin Mặt Trời ..................................19

2.2.1 Cấu tạo pin Mặt Trời .............................................................................20

2.3 Hệ thống pin mặt trời ...............................................................................26

2.3.1 Hệ thống pin mặt trời thường sử dụng hiện nay ...................................26

2.3.2 Các loại pin Mặt Trời mới.....................................................................27

2.4 Ứng dụng của pin mặt trời. [2].................................................................30

CHƯƠNG 3 GIỚI THIỆU BỘ DÒ CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI VÀ MẠCH TĂNG

ÁP...................................................................................................................34

3.1 Vai trò của việc dò công suất cực đại. [8]................................................34

3.2 Các phương pháp dò công suất cực đại- MPPT.......................................35

v

3.4 Tính toán và thi công mạch DC/DC converter.........................................39

3.4.1 Cơ sở tính toán ......................................................................................39 CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH BƠM NƯỚC TỪ PIN NĂNG

LƯỢNG MẶT TRỜI .....................................................................................45

4.1 Xây dựng mô hình bơm nước sử dụng năng lượng mặt trời....................45

4.1.1 Thiết kế mô hình bơm nước sử dụng năng lượng mặt trời ...................45

4.1.1.1 Yêu cầu mô hình ................................................................................45

4.1.1.2 Sơ đồ nguyên lý mạch tăng áp và điều khiển.....................................45

4.1.2 Thi công mạch tăng áp và dò công suất cực đại ...................................46

4.1.2.1 Vật tư thi công mạch tăng áp và dò công suất cực đại.......................46

4.1.2.2 Yêu cầu của mô hình..........................................................................46

4.1.2.3 Kết quả thi công mạch........................................................................47

4.1.3 Giới thiệu động cơ bơm nước và tính toán trên cơ sở lý thuyết ...........47

4.1.3.1 Cấu tạo máy bơm ly tâm [10].............................................................47

4.1.3.2 Nguyên lý hoạt động của bơm ly tâm ................................................48

4.1.3.3 Các đặc điểm của bơm ly tâm.[4].[10].[11]. ......................................49

4.1.4 Nguồn lưu trữ năng lượng acquy ..........................................................54

4.1.5 Sơ đồ điện hệ thống ...............................................................................55

4.1.6 Kết quả thi công mô hình và giá trị khảo sát thực tế.............................56

4.1.7 Kết quả nghiên cứu đạt được và đánh giá kết quả ................................58

4.2 Bài toán thực tế ........................................................................................58

4.2.1 Tính toán công suất máy bơm ...............................................................59

4.2.2 Tính toán chọn công suất pin mặt trời...................................................60

4.2.3 Tính kích cỡ tấm pin mặt trời [10] ........................................................60

4.2.4 Tính solar charge controller [10] ........................................................61

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ...................63

5.1. Kết luận của đề tài...................................................................................63

TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................64

vi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

PV : PhotoVotaic : Pin quang điện (pin mặt trời)

PPT (Maximum power point): Điểm làm việc mà tại đó công suất thu được cực

đại

MPPT : Maximum Power Point Tracking : Dò tìm điểm cực đại

DC (Direct current) : Điện một chiều

AM (Air Mass ratio) : Tỷ số khối khí Phổ bức xạ

DSC (dye-Sensitized solar Cell): chất màu (một loại Pin mặt trời giá rẻ)

NLTT : Năng Lượng Tái Tạo.

NLMT : Năng Lượng Mặt Trời

vii

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Mức dự trữ các nguồn năng lượng hóa thạch ..............................................1

Bảng 1.2 Dự đoán lượng tiêu thụ sơ cấp trên thế giới (đơn vị: triệu tấn dầu) ............2

Bảng 1.3 Trữ lượng các mỏ than Quảng Ninh (ĐVT: Ngàn tấn) ...............................4

Bảng 1.4 Thống kê về than Việt Nam của EIA (ĐVT: Ngàn tấn) ..............................4

Bảng 1.5 Tỷ lệ sản xuất điện năng của thế giới năm 2010 .........................................6

viii

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Mức tiêu thụ các nguồn năng lượng trên thế giới 1990 – 2035 ...................3

Hình 1.2 Dự báo nhu cầu năng lượng Việt Nam ........................................................4

Hình 1.3 Mức tiêu thụ điện của Việt Nam ..................................................................5

Hình 1.4 Công suất phát điện xây dựng năm 2010 (không kể thủy điện nhỏ) (ĐVT:

GW).............................................................................................................................7

Hình 1.5 Lượng năng lượng mặt trời cung cấp cho Trái Đất .....................................8

Hình 1.6 Hệ thống nước nóng đun bằng năng lượng Mặt Trời ..................................9

Hình 1.7 Công nghệ nhiệt Mặt Trời sử dụng máng hội tụ Parabol ...........................10

Hình 1.8 Một Cell Pin Mặt Trời................................................................................11

Hình 1.9 Tổng công suất lắp đặt Pin Mặt Trời trên thế giới từ năm 2005 -2010 ......11

Hình 1.10 Hệ thống bơm nước sử dụng năng lượng Mặt Trời .................................13

Hình 2.1 Cấu trúc Mặt Trời.[11]. ..............................................................................16

Hình 2.2 Dãy bức xạ điện từ .[7]. .............................................................................17

Hình 2.3 Góc nhìn Mặt Trời......................................................................................18

Hình 2.3 Một cell pin Mặt Trời.[2]. ..........................................................................19

Hình 2.4 Cấu tạo pin Mặt Trời.[10].[6]. ...................................................................20

Hình 2.5 Các loại cấu trúc tinh thể của pin Mặt Trời. [11]. ......................................20

Hình 2.6 Một số loại panel pin Mặt Trời. [10].[11]. .................................................22

Hình 2.7 Quá trình tạo một panel pin Mặt Trời.[6] ..................................................23

Hình 2.8 Nguyên lý hoạt động của pin Mặt Trời ......................................................23

Hình 2.9 Hệ thống 2 mức năng lượng trong đó E2>E1 .[6].[7]. ...............................24

Hình 2.10 Các vùng năng lượng .[6]. ........................................................................24

Hình 2.11 Nguyên lý hoạt động của hiện tượng quang điện ....................................25

Hình 2.12 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời .[6]. ..............................................26

Hình 2.13 Sơ đồ khối hệ thống pin Mặt Trời độc lập. [7]. .......................................27 Hình 2.14 Pin nhạy cảm với chất màu DSC .............................................................29 Hình 2.15 Pin Mặt Trời dạng keo nước.[11]. ............................................................29

Hình 2.16 Các tuabin gió phát điện nhờ sức gió và thủy triều, tận thu một cách gián

tiếp năng lượng Mặt Trời .[7]. ..................................................................................31

Hình 2.17 Nhà máy điện mặt trời.[7]. .......................................................................31

Hình 2.18 Trạm vũ trụ ISS . [11]. .............................................................................33

ix

Hình 2.19 Pin mặt trời được ứng dụng trong nông nghiệp và trong các hộ gia đình

[11]. ...........................................................................................................................33

Hình 3.1 Đặc tính I-V ứng với bức xạ thay đổi và quỹ đạo của các điểm công suất

C .........................................................................34

cực đại khi nhiệt độ của pin ở Hình 3.2 Đặc tính I-V ứng với bức xạ thay đổi và quỹ đạo của các điểm công suất 25 C .........................................................................35 cực đại khi nhiệt độ của pin ở

Hình 3.3 Phương pháp dò công suất cực đại của thuật toán P&O. [8]. ....................36 50

Hình 3.4 Lưu đồ giải thuật của thuật toán P&O .......................................................36

Hình 3.5 Phản ứng của giải thuật P&O trong điều kiện bức xạ tăng dần. [8]. .........37

Hình 3.6 Sơ đồ mạch Boost ......................................................................................39

Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý mạch Boost .....................................................................40

Hình 3.8 Mạch điện khi đóng S ................................................................................40 Hình 3.9 Dạng sóng điện áp và dòng điện trên cuộn dây khi dóng S .......................41

Hình 3.10 Mạch điện khi S mở .................................................................................41

Hình 3.11 Dạng sóng điện áp và dòng điện khi S mở ...............................................42 Hình 3.12 Dạng sóng điện áp và dòng điện trên cuộn dây L. [8]. ............................43 Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý mạch tăng áp và điều khiển .............................................46

Hình 4.2 Bo mạch tăng áp và dò điểm MPPT được hoàn thành ...............................47 Hình 4.3 Màn hình LCD hiển thị các giá trị cần theo dõi .........................................47

Hình 4.4 Động cơ bơm nước.[11]. ............................................................................49

Hình 4.5 Cấu tạo máy bơm ly tâm. [11] ...................................................................50

Hình 4.6 Các dạng bánh xe công tác của bơm ly tâm. [4]. .......................................50

Hình 4.7 Điểm làm việc của máy bơm [4] ................................................................51

Hình 4.8 Đồ thị thể hiện độ nhớt của nước theo nhiệt độ [4] ...................................53

Hình 4.9 sơ đồ điện hệ thống ....................................................................................55

Hình 4.9 Mô hình sau khi thi công hoàn thành .........................................................56

Hình 4.10 Mô hình tấm pin mặt trời .........................................................................56

Hình 4.11 Bộ chuyển đổi DC/DC và động cơ bơm nước .........................................56

Hình 4.12 Đài phun nước [11] ..................................................................................57

Hình 4.13 Thiết lập phần mềm Hyper Terminal .......................................................57 Hình 4.14 Kết quả khảo sát ngõ ra thu được .............................................................58

1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1. Đặt vấn đề

Ngày nay, nhu cầu năng lượng của con người trong thời đại khoa học kỹ

thuật phát triển ngày càng tăng. Trong khi đó, các nguồn nhiên liệu dự trữ như than

đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên và thậm chí là thủy điện đều có giới hạn, điều đó làm

cho nhân loại đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng. Việc tìm kiếm và sử dụng

các nguồn năng lượng mới như năng lượng hạt nhân, năng lượng địa nhiệt, năng

lượng gió và năng lượng mặt trời… là hướng đi quan trọng trong phát triển năng

lượng.

1.1.1. Sự tiêu thụ năng lượng hiện tại và trong tương lai.[10].[11]

Theo thống kê mức độ tiêu thụ năng lượng của con người trên hành tinh

trong năm 2004 là khoảng 15 terawatt (TW), bao gồm tất cả mọi thứ. Hầu hết năng

lượng này (87%) bắt nguồn từ năng lượng hóa thạch. Sự phát triển liên tục trong

quá trình công nghiệp hóa- hiện đại hóa ở các nước đang phát triển, sự phát triển

dân số và tăng phúc lợi của con người nói chung sẽ làm tăng nhu cầu năng lượng

của con người tăng mạnh trong tương lai. Đến năm 2050, dự báo mức tiêu thụ năng

lượng của con người là 28 - 35 TW, đó là một thách thức lớn đối với chúng ta hiện

nay khi các nguồn năng lượng có sẵn không thể đáp ứng được nhu cầu hiện tại.

Bảng 1.1 Mức dự trữ các nguồn năng lượng hóa thạch Khí tự nhiên Dầu thô Than đá (Mt) Uranium (Kt) Năng lượng

(Mt) (Gm3)

176 462 2 834 62 159 644 3 898 41 847 488 5 901 144 3 297 (*) 42 79

413 19 22 365 4 91 150 35 4 5 (*) ? ?

Thế giới Trữ lượng Khai thác Số năm khai thác Việt Nam còn lại Trữ lượng Khai thác Số năm khai thác (*) Với giá thị trường 130 USD/kg còn lại Tại diễn đàn chính sách an ninh năng lượng Châu Á – Thái Bình Dương

(ASEM) lần thứ nhất được tổ chức tại Việt Nam tháng 4 năm 2008 với sự tham gia

của 45 nước thành viên của ASEM. Vấn đề nóng bỏng được các đại biểu đặt ra đó

là: “ làm thế nào để đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng của con người

2

trong thời gian tới”. Hiện nay, sự giới hạn của nguồn năng lượng tỷ lệ nghịch với

nhu cầu sử dụng ngày càng tăng của các khu vực và trên thế giới.

Vấn đề an ninh năng lượng của Thế gới đang trở nên bức bách hơn bao giờ

hết.việc sử dụng năng lượng hiện nay đang tập trung ở nguồn năng lượng hóa thạch

Theo dự báo của Cơ quan năng lượng quốc tế, lượng năng lượng tiêu thụ trên

thế giới vẫn tăng đều đặn, trong đó nguồn năng lượng hóa thạch vẫn chiếm ưu thế

cho đến năm 2030.

Bảng 1.2 Dự đoán lượng tiêu thụ sơ cấp trên thế giới (đơn vị: triệu tấn dầu)

Nhu cầu năng lượng của từng nước, từng khu vực cũng không giống nhau.

Sự tăng trưởng về nhu cầu năng lượng tập trung vào các nước đang phát triển. Dự

kiến ở các nước này nhu cầu năng lượng sẽ đạt 50% nhu cầu năng lượng của thế

giới vào năm 2030. Các dạng năng lượng truyền thống như than, dầu mỏ, khí đốt

v.v…đang ngày càng cạn kiệt. Nhiều nước trong khu vực ASEM có nguồn dầu khí,

trong đó Brunei, Inđônêsia thuộc nhóm các nước xuất khẩu dầu. Nhưng với nhu cầu

năng lượng của khu vực như hiện nay sẽ dẫn đến nguy cơ phải chịu sự phụ thuộc

vào nhập khẩu năng lượng. Theo nghiên cứu dự báo của giám đốc Trung tâm năng

lượng ASEM, mức độ phụ thuộc này có thể đạt khoảng 49% đến 58%.

3 3 3

Hình 1.1 Mức tiêu thụ các nguồn năng lượng trên thế giới 1990 – 2035 Hình 1.1 Mức tiêu thụ các nguồn năng lượng trên thế giới 1990 – 2035 Hình 1.1 Mức tiêu thụ các nguồn năng lượng trên thế giới 1990 – 2035

Ở Việt Nam là một nước hiện đang xuất khẩu than. Theo Tập đoàn Công Ở Việt Nam là một nước hiện đang xuất khẩu than. Theo Tập đoàn Công Ở Việt Nam là một nước hiện đang xuất khẩu than. Theo Tập đoàn Công

nghiệp Than Khoáng sản Việt Nam – VINACOMIN, trữ lượng than Việt Nam rất nghiệp Than Khoáng sản Việt Nam – VINACOMIN, trữ lượng than Việt Nam rất nghiệp Than Khoáng sản Việt Nam – VINACOMIN, trữ lượng than Việt Nam rất

lớn: Quảng Ninh khoảng 10,5 tỷ tấn trong đó đã tìm kiếm thăm dò 3,5 tỉ tấn, chủ lớn: Quảng Ninh khoảng 10,5 tỷ tấn trong đó đã tìm kiếm thăm dò 3,5 tỉ tấn, chủ lớn: Quảng Ninh khoảng 10,5 tỷ tấn trong đó đã tìm kiếm thăm dò 3,5 tỉ tấn, chủ

yếu là than antraxit. Đồng bằng sông Hồng dự báo tổng trữ lượng 210 tỉ tấn than yếu là than antraxit. Đồng bằng sông Hồng dự báo tổng trữ lượng 210 tỉ tấn than yếu là than antraxit. Đồng bằng sông Hồng dự báo tổng trữ lượng 210 tỉ tấn than

Abitum, các mỏ than ở các tỉnh khác khoảng 400 triệu tấn và riêng than bùn phân Abitum, các mỏ than ở các tỉnh khác khoảng 400 triệu tấn và riêng than bùn phân Abitum, các mỏ than ở các tỉnh khác khoảng 400 triệu tấn và riêng than bùn phân bố hầu hết ở 3 miền khoảng 7 tỉ m3, chủ yếu tập trung ở miền Nam Việt Nam. Tuy bố hầu hết ở 3 miền khoảng 7 tỉ m3, chủ yếu tập trung ở miền Nam Việt Nam. Tuy bố hầu hết ở 3 miền khoảng 7 tỉ m3, chủ yếu tập trung ở miền Nam Việt Nam. Tuy

nhiên việc khai thác và xuất khẩu của chúng ta chưa có chiến lược hợp lý, chưa đảm nhiên việc khai thác và xuất khẩu của chúng ta chưa có chiến lược hợp lý, chưa đảm nhiên việc khai thác và xuất khẩu của chúng ta chưa có chiến lược hợp lý, chưa đảm

bảo tính bền vững. Theo chiến lược phát triển ngành điện, xi măng, phân bón, hóa bảo tính bền vững. Theo chiến lược phát triển ngành điện, xi măng, phân bón, hóa bảo tính bền vững. Theo chiến lược phát triển ngành điện, xi măng, phân bón, hóa

chất… đến năm 2015 khả năng tiêu thụ than trong nước có thể vượt hơn 90 triệu chất… đến năm 2015 khả năng tiêu thụ than trong nước có thể vượt hơn 90 triệu chất… đến năm 2015 khả năng tiêu thụ than trong nước có thể vượt hơn 90 triệu

tấn. Điều đó cảnh báo cho biết, nếu chúng ta không có chiến lược khai thác than tấn. Điều đó cảnh báo cho biết, nếu chúng ta không có chiến lược khai thác than tấn. Điều đó cảnh báo cho biết, nếu chúng ta không có chiến lược khai thác than

hợp lí thì trong tương lai, chúng ta sẽ là một nước nhập khẩu than hoặc phải đóng hợp lí thì trong tương lai, chúng ta sẽ là một nước nhập khẩu than hoặc phải đóng hợp lí thì trong tương lai, chúng ta sẽ là một nước nhập khẩu than hoặc phải đóng

cửa một số nhà máy. cửa một số nhà máy. cửa một số nhà máy.

4 4 4

Bảng 1.3 Trữ lượng các mỏ than Quảng Ninh (ĐVT: Ngàn tấn) Bảng 1.3 Trữ lượng các mỏ than Quảng Ninh (ĐVT: Ngàn tấn) Bảng 1.3 Trữ lượng các mỏ than Quảng Ninh (ĐVT: Ngàn tấn)

Tổng trữ Tổng trữ Tổng trữ Trữ lượng khai Trữ lượng khai Trữ lượng khai Trữ lượng khai Trữ lượng khai Trữ lượng khai Trữ lượng khai Trữ lượng khai Trữ lượng khai

lượng lượng lượng thác lộ thiên thác lộ thiên thác lộ thiên thác lò bằng thác lò bằng thác lò bằng thác giếng đứng thác giếng đứng thác giếng đứng

Trữ lượng đã Trữ lượng đã Trữ lượng đã 3.523.640 3.523.640 3.523.640 215.476 215.476 215.476 470.356 470.356 470.356 2.837.808 2.837.808 2.837.808

thăm dò thăm dò thăm dò Trữ lượng mỏ Trữ lượng mỏ Trữ lượng mỏ 1.422.362 1.422.362 1.422.362 192.442 192.442 192.442 150.793 150.793 150.793 1.079.127 1.079.127 1.079.127

đang khai thác đang khai thác đang khai thác Trữ lượng các Trữ lượng các Trữ lượng các

333.536 333.536 333.536 12.410 12.410 12.410 113.746 113.746 113.746 207.407 207.407 207.407 mỏ chuẩn bị khai mỏ chuẩn bị khai mỏ chuẩn bị khai

thác thác thác Bảng 1.4 Thống kê về than Việt Nam của EIA (ĐVT: Ngàn tấn) Bảng 1.4 Thống kê về than Việt Nam của EIA (ĐVT: Ngàn tấn) Bảng 1.4 Thống kê về than Việt Nam của EIA (ĐVT: Ngàn tấn)

2003 2003 2003 18.409 18.409 18.409 11.464 11.464 11.464 0 0 0 6.945 6.945 6.945 2004 2004 2004 28.109 28.109 28.109 16.424 16.424 16.424 0 0 0 11.685 11.685 11.685 2005 2005 2005 35.710 35.710 35.710 15.995 15.995 15.995 111 111 111 19.827 19.827 19.827 2006 2006 2006 41.776 41.776 41.776 17.336 17.336 17.336 326 326 326 24.767 24.767 24.767 2007 2007 2007 49.141 49.141 49.141 16.995 16.995 16.995 493 493 493 32.638 32.638 32.638 Sản lượng Sản lượng Sản lượng Tiêu thụ Tiêu thụ Tiêu thụ Nhập khẩu Nhập khẩu Nhập khẩu Xuất khẩu Xuất khẩu Xuất khẩu

Theo số liệu từ Viện Năng lượng (Bộ Công nghiệp), nếu không có đột biến Theo số liệu từ Viện Năng lượng (Bộ Công nghiệp), nếu không có đột biến Theo số liệu từ Viện Năng lượng (Bộ Công nghiệp), nếu không có đột biến

lớn về khả năng khai thác từ sau năm 2010 thì nguồn tài nguyên trong nước sẽ lớn về khả năng khai thác từ sau năm 2010 thì nguồn tài nguyên trong nước sẽ lớn về khả năng khai thác từ sau năm 2010 thì nguồn tài nguyên trong nước sẽ

không còn đáp ứng được nhu cầu năng lượng. không còn đáp ứng được nhu cầu năng lượng. không còn đáp ứng được nhu cầu năng lượng.

Hình 1.2 Dự báo nhu cầu năng lượng Việt Nam Hình 1.2 Dự báo nhu cầu năng lượng Việt Nam Hình 1.2 Dự báo nhu cầu năng lượng Việt Nam

Việc khai thác nguồn năng lượng hóa thạch này làm cho chúng ngày càng bị Việc khai thác nguồn năng lượng hóa thạch này làm cho chúng ngày càng bị Việc khai thác nguồn năng lượng hóa thạch này làm cho chúng ngày càng bị

kạn kiệt và tác động rất lớn đến môi trường, như ô nhiễm môi trường, rừng bị tàn kạn kiệt và tác động rất lớn đến môi trường, như ô nhiễm môi trường, rừng bị tàn kạn kiệt và tác động rất lớn đến môi trường, như ô nhiễm môi trường, rừng bị tàn

phá đất bị xói mòn, tăng hiệu ứng nhà kính, băng tan, biến đổi khí hậu .v.v. Theo phá đất bị xói mòn, tăng hiệu ứng nhà kính, băng tan, biến đổi khí hậu .v.v. Theo phá đất bị xói mòn, tăng hiệu ứng nhà kính, băng tan, biến đổi khí hậu .v.v. Theo

5 5 5

nghiên cứu thống kê của các tổ chức năng lượng, lượng khí CO2 thải bình quân trên nghiên cứu thống kê của các tổ chức năng lượng, lượng khí CO2 thải bình quân trên nghiên cứu thống kê của các tổ chức năng lượng, lượng khí CO2 thải bình quân trên

đầu người ở các nước công nghiệp như Mỹ là 21tấn/năm (năm 1990), Singapore là đầu người ở các nước công nghiệp như Mỹ là 21tấn/năm (năm 1990), Singapore là đầu người ở các nước công nghiệp như Mỹ là 21tấn/năm (năm 1990), Singapore là

10 tấn/năm, Việt Nam là 0,8 tấn/năm (năm 2003). 10 tấn/năm, Việt Nam là 0,8 tấn/năm (năm 2003). 10 tấn/năm, Việt Nam là 0,8 tấn/năm (năm 2003).

Hình 1.3 Mức tiêu thụ điện của Việt Nam Hình 1.3 Mức tiêu thụ điện của Việt Nam Hình 1.3 Mức tiêu thụ điện của Việt Nam

Trước tình hình nguồn năng lượng truyền thống ngày càng cạn kiệt, nhu cầu Trước tình hình nguồn năng lượng truyền thống ngày càng cạn kiệt, nhu cầu Trước tình hình nguồn năng lượng truyền thống ngày càng cạn kiệt, nhu cầu

sử dụng ngày càng tăng và các vấn đề về môi trường đang là vấn đề thách thức đối sử dụng ngày càng tăng và các vấn đề về môi trường đang là vấn đề thách thức đối sử dụng ngày càng tăng và các vấn đề về môi trường đang là vấn đề thách thức đối

với toàn cầu. Điều đó đã dẫn đến việc tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế và năng với toàn cầu. Điều đó đã dẫn đến việc tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế và năng với toàn cầu. Điều đó đã dẫn đến việc tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế và năng

lượng tái tạo là một sự lựa chọn tối ưu. lượng tái tạo là một sự lựa chọn tối ưu. lượng tái tạo là một sự lựa chọn tối ưu.

1.1.2. Năng lượng tái tạo 1.1.2. Năng lượng tái tạo 1.1.2. Năng lượng tái tạo

Năng lượng tái tạo là các loại năng lượng có từ các nguồn năng lượng không Năng lượng tái tạo là các loại năng lượng có từ các nguồn năng lượng không Năng lượng tái tạo là các loại năng lượng có từ các nguồn năng lượng không

bị cạn kiệt khi sử dụng hay không cần phải tái tạo trong thời gian ngắn. Đó là các bị cạn kiệt khi sử dụng hay không cần phải tái tạo trong thời gian ngắn. Đó là các bị cạn kiệt khi sử dụng hay không cần phải tái tạo trong thời gian ngắn. Đó là các

nguồn năng lượng có tiềm năng lâu dài như: thủy điện, gió, bức xạ mặt trời, địa nguồn năng lượng có tiềm năng lâu dài như: thủy điện, gió, bức xạ mặt trời, địa nguồn năng lượng có tiềm năng lâu dài như: thủy điện, gió, bức xạ mặt trời, địa

nhiệt, thủy triều. Một loại năng lượng tái tạo khác có được từ các khối lượng tĩnh nhiệt, thủy triều. Một loại năng lượng tái tạo khác có được từ các khối lượng tĩnh nhiệt, thủy triều. Một loại năng lượng tái tạo khác có được từ các khối lượng tĩnh

(khác với năng lượng động) như khí sinh học (biogas), ethanol sinh học, gỗ và sinh (khác với năng lượng động) như khí sinh học (biogas), ethanol sinh học, gỗ và sinh (khác với năng lượng động) như khí sinh học (biogas), ethanol sinh học, gỗ và sinh

khối. Sinh khối có được từ nguyên vật liệu hữu cơ tiếp tục sinh sôi theo thời gian khối. Sinh khối có được từ nguyên vật liệu hữu cơ tiếp tục sinh sôi theo thời gian khối. Sinh khối có được từ nguyên vật liệu hữu cơ tiếp tục sinh sôi theo thời gian

bằng hiệu ứng quang hợp như cây cối (rơm, trấu, lá cây...) và cả các vật liệu hữu cơ bằng hiệu ứng quang hợp như cây cối (rơm, trấu, lá cây...) và cả các vật liệu hữu cơ bằng hiệu ứng quang hợp như cây cối (rơm, trấu, lá cây...) và cả các vật liệu hữu cơ

bắt nguồn từ đấy như thú vật, vi sinh… bắt nguồn từ đấy như thú vật, vi sinh… bắt nguồn từ đấy như thú vật, vi sinh…

Việc sử dụng năng lượng tái tạo mang lại nhiều ưu điểm tich cực về mặt môi Việc sử dụng năng lượng tái tạo mang lại nhiều ưu điểm tich cực về mặt môi Việc sử dụng năng lượng tái tạo mang lại nhiều ưu điểm tich cực về mặt môi

trường. Tuy nhiên việc lựa chọn sử dụng và phát triển mô hình năng lượng nào thì trường. Tuy nhiên việc lựa chọn sử dụng và phát triển mô hình năng lượng nào thì trường. Tuy nhiên việc lựa chọn sử dụng và phát triển mô hình năng lượng nào thì

phụ thuộc vào từng quốc gia, một số quốc gia tìm đến nguồn năng lượng nguyên tử, phụ thuộc vào từng quốc gia, một số quốc gia tìm đến nguồn năng lượng nguyên tử, phụ thuộc vào từng quốc gia, một số quốc gia tìm đến nguồn năng lượng nguyên tử,

một số nước tìm đến nguồn năng lượng có nguồn gốc từ mặt trời, gió, nước, thủy một số nước tìm đến nguồn năng lượng có nguồn gốc từ mặt trời, gió, nước, thủy một số nước tìm đến nguồn năng lượng có nguồn gốc từ mặt trời, gió, nước, thủy

6

triều, năng lượng địa nhiệt, sinh khối vv…Việc lựa chọn tùy thuộc vào điều kiện địa

lý, nhu cầu và chính sách năng lượng của quốc gia đó.

Mặc dù thế giới đang trải qua giai đoạn khủng hoảng kinh tế nặng nề nhưng

thị trường năng lượng tái tạo vẫn phát triển mạnh mẽ, liên tục trong những năm qua. Đây cũng là một xu hướng tất yếu mang tính toàn cầu để giải quyết vấn đề năng

lượng và bảo vệ môi trường trong thế kỷ 21.

Trong giai đoạn 2005 - 2010, tổng công suất NLTT gồm điện mặt trời, điện

gió, nhiệt điện, nước nóng NLMT và nhiên liệu sinh học…tăng với tốc độ trung

bình từ khoảng 15% đến gần 50% hàng năm. Đặc biệt điện mặt trời đã tăng với tốc

độ nhanh nhất trong giai đoạn trên. Tiếp theo là nhiên liệu sinh học và điện gió.

Thủy điện nhỏ, điện và nhiệt sinh khối (SK), điện và địa nhiệt tăng với tốc độ trung

bình trong khoảng 3 -9%/ năm. Năm 2009, NLTT đã cung cấp trên 16% tổng tiêu

thụ NL cuối cùng trên thế giới.

Nói riêng về thị trường điện NLTT trong năm 2010, tổng công suất phát điện

NLTT được xây dựng mới trên thế giới là 194 GW, chiếm khoảng 50% tổng công

suất phát điện được xây dựng thêm trong năm. Tỷ lệ điện năng sản xuất từ các

nguồn sơ cấp khác nhau được cho trong Bảng 1.5.

Bảng 1.5 Tỷ lệ sản xuất điện năng của thế giới năm 2010

Tỷ lệ (%) 67,6 13,0 19,4 Nguồn sơ cấp Nhiên liệu hóa thạch Nhiên liệu hạt nhân Năng lượng tái tạo

TT 1 2 3 Trong đó: Thủy điện nhỏ 16,1 và NLTT khác 3,3%

Tổng công suất phát điện NLTT trên thế giới đến năm 2010 là 4.950 GW,

chiếm khoảng 25% tổng công suất phát điện và cung cấp gần 20% điện năng trên

toàn cầu, trong đó thủy điện nhỏ chiếm một tỷ lệ rất lớn (16,1%, Bảng 1.5). Nếu

không kể thủy điện nhỏ thì tổng công suất phát điện NLTT là 312 GW, tăng 25% so

với 2009 (250 GW), trong đó phát điện NL gió tăng nhanh nhất, với công suất lắp

thêm năm 2010 là 39 GW, tiếp theo điện mặt trời tăng 17 GW. Các nước dẫn đầu về

công suất phát điện NLTT đến cuối năm 2010 (không kể thủy điện nhỏ) là Trung

Quốc, Mỹ, Canada, Brazin, Ấn độ và Đức (Hình 1.4).

7 7 7

Hình 1.4 Công suất phát điện xây dựng năm 2010 (không kể thủy điện nhỏ) (ĐVT: Hình 1.4 Công suất phát điện xây dựng năm 2010 (không kể thủy điện nhỏ) (ĐVT: Hình 1.4 Công suất phát điện xây dựng năm 2010 (không kể thủy điện nhỏ) (ĐVT:

GW) GW) GW)

Phát điện năng lượng tái tạo (NLTT) có vai trò rất quan trọng ở khu vực châu Phát điện năng lượng tái tạo (NLTT) có vai trò rất quan trọng ở khu vực châu Phát điện năng lượng tái tạo (NLTT) có vai trò rất quan trọng ở khu vực châu

Âu (EU). Năm 2010, công suất NLTT được xây dựng thêm là 22,6 GW, chiếm Âu (EU). Năm 2010, công suất NLTT được xây dựng thêm là 22,6 GW, chiếm Âu (EU). Năm 2010, công suất NLTT được xây dựng thêm là 22,6 GW, chiếm

khoảng 41% tổng công suất phát điện xây dựng mới. Đặc biệt với cường độ bức xạ khoảng 41% tổng công suất phát điện xây dựng mới. Đặc biệt với cường độ bức xạ khoảng 41% tổng công suất phát điện xây dựng mới. Đặc biệt với cường độ bức xạ

mặt trời không cao và giá đầu tư còn cao nhưng điện mặt trời đã phát triển rất mạnh, mặt trời không cao và giá đầu tư còn cao nhưng điện mặt trời đã phát triển rất mạnh, mặt trời không cao và giá đầu tư còn cao nhưng điện mặt trời đã phát triển rất mạnh,

chiếm hơn 50% tổng công suất NLTT lắp thêm năm 2010. chiếm hơn 50% tổng công suất NLTT lắp thêm năm 2010. chiếm hơn 50% tổng công suất NLTT lắp thêm năm 2010.

Như vậy có thể thấy trong lĩnh vực NLTT công nghệ phát triển nhất trong Như vậy có thể thấy trong lĩnh vực NLTT công nghệ phát triển nhất trong Như vậy có thể thấy trong lĩnh vực NLTT công nghệ phát triển nhất trong

các nguồn năng lượng tái tạo đó là năng lượng mặt trời. các nguồn năng lượng tái tạo đó là năng lượng mặt trời. các nguồn năng lượng tái tạo đó là năng lượng mặt trời.

1.1.3. Năng lượng mặt trời 1.1.3. Năng lượng mặt trời 1.1.3. Năng lượng mặt trời

Ánh sáng mặt trời là một nguồn năng lượng dồi dào, trong 10 phút truyền xạ, Ánh sáng mặt trời là một nguồn năng lượng dồi dào, trong 10 phút truyền xạ, Ánh sáng mặt trời là một nguồn năng lượng dồi dào, trong 10 phút truyền xạ,

Trái Đất nhận một năng lượng khoảng 5x1020 J (500 tỷ tỷ Joule), tương đương với Trái Đất nhận một năng lượng khoảng 5x1020 J (500 tỷ tỷ Joule), tương đương với Trái Đất nhận một năng lượng khoảng 5x1020 J (500 tỷ tỷ Joule), tương đương với

lượng tiêu thụ của toàn thể nhân loại trong vòng một năm. Trong 36 giờ truyền xạ, lượng tiêu thụ của toàn thể nhân loại trong vòng một năm. Trong 36 giờ truyền xạ, lượng tiêu thụ của toàn thể nhân loại trong vòng một năm. Trong 36 giờ truyền xạ,

mặt trời cho chúng ta một năng lượng bằng tất cả những giếng dầu của quả đất. mặt trời cho chúng ta một năng lượng bằng tất cả những giếng dầu của quả đất. mặt trời cho chúng ta một năng lượng bằng tất cả những giếng dầu của quả đất.

Năng lượng mặt trời vì vậy gần như vô tận. Hơn nữa, nó không phát sinh các loại Năng lượng mặt trời vì vậy gần như vô tận. Hơn nữa, nó không phát sinh các loại Năng lượng mặt trời vì vậy gần như vô tận. Hơn nữa, nó không phát sinh các loại

khí nhà kính và khí gây ô nhiễm môi trường. khí nhà kính và khí gây ô nhiễm môi trường. khí nhà kính và khí gây ô nhiễm môi trường.

8 8 8

Hình 1.5 Lượng năng lượng mặt trời cung cấp cho Trái Đất Hình 1.5 Lượng năng lượng mặt trời cung cấp cho Trái Đất Hình 1.5 Lượng năng lượng mặt trời cung cấp cho Trái Đất

Hiện tại năng lượng mặt trời được sử dụng dưới hai dạng chính: Hiện tại năng lượng mặt trời được sử dụng dưới hai dạng chính: Hiện tại năng lượng mặt trời được sử dụng dưới hai dạng chính:

Nhiệt mặt trời (sử dụng dưới dạng nhiệt năng) Nhiệt mặt trời (sử dụng dưới dạng nhiệt năng) Nhiệt mặt trời (sử dụng dưới dạng nhiệt năng)

Công nghệ nhiệt mặt trời có thể được sử dụng cho đun nước nóng, sưởi ấm Công nghệ nhiệt mặt trời có thể được sử dụng cho đun nước nóng, sưởi ấm Công nghệ nhiệt mặt trời có thể được sử dụng cho đun nước nóng, sưởi ấm

không gian, làm mát không gian và quá trình sinh nhiệt. Có thể kể đến một số ứng không gian, làm mát không gian và quá trình sinh nhiệt. Có thể kể đến một số ứng không gian, làm mát không gian và quá trình sinh nhiệt. Có thể kể đến một số ứng

dụng cụ thể dưới dạng này như : dụng cụ thể dưới dạng này như : dụng cụ thể dưới dạng này như :

- Hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời sử dụng ánh sáng mặt trời để làm - Hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời sử dụng ánh sáng mặt trời để làm - Hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời sử dụng ánh sáng mặt trời để làm

nóng nước. Hệ thống này thường được sử dụng ở các khu vực trong vĩ độ địa lý nóng nước. Hệ thống này thường được sử dụng ở các khu vực trong vĩ độ địa lý nóng nước. Hệ thống này thường được sử dụng ở các khu vực trong vĩ độ địa lý

thấp (dưới 40°C) nhiệt độ của nước qua hệ thống có thể lên đến 60°C. thấp (dưới 40°C) nhiệt độ của nước qua hệ thống có thể lên đến 60°C. thấp (dưới 40°C) nhiệt độ của nước qua hệ thống có thể lên đến 60°C.

- Hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời sử dụng ánh sáng mặt trời để làm - Hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời sử dụng ánh sáng mặt trời để làm - Hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời sử dụng ánh sáng mặt trời để làm

nóng nước. Hệ thống này thường được sử dụng ở các khu vực trong vĩ độ địa lý nóng nước. Hệ thống này thường được sử dụng ở các khu vực trong vĩ độ địa lý nóng nước. Hệ thống này thường được sử dụng ở các khu vực trong vĩ độ địa lý

thấp (dưới 40°C) nhiệt độ của nước qua hệ thống có thể lên đến 60°C. thấp (dưới 40°C) nhiệt độ của nước qua hệ thống có thể lên đến 60°C. thấp (dưới 40°C) nhiệt độ của nước qua hệ thống có thể lên đến 60°C.

9 9 9

Hình 1.6 Hệ thống nước nóng đun bằng năng lượng Mặt Trời Hình 1.6 Hệ thống nước nóng đun bằng năng lượng Mặt Trời Hình 1.6 Hệ thống nước nóng đun bằng năng lượng Mặt Trời

- Tại Mỹ, hệ thống sưởi ấm, thông gió và điều hòa không khí (HVAC), - Tại Mỹ, hệ thống sưởi ấm, thông gió và điều hòa không khí (HVAC), - Tại Mỹ, hệ thống sưởi ấm, thông gió và điều hòa không khí (HVAC),

chiếm 30% (4,65 EJ) năng lượng được sử dụng trong các tòa nhà thương mại chiếm 30% (4,65 EJ) năng lượng được sử dụng trong các tòa nhà thương mại chiếm 30% (4,65 EJ) năng lượng được sử dụng trong các tòa nhà thương mại

và gần 50% (10,1 EJ) năng lượng sử dụng trong các tòa nhà dân cư. và gần 50% (10,1 EJ) năng lượng sử dụng trong các tòa nhà dân cư. và gần 50% (10,1 EJ) năng lượng sử dụng trong các tòa nhà dân cư.

- Khử trùng nước bằng năng lượng mặt trời (SODIS): phương pháp này dùng các - Khử trùng nước bằng năng lượng mặt trời (SODIS): phương pháp này dùng các - Khử trùng nước bằng năng lượng mặt trời (SODIS): phương pháp này dùng các

chai nhựa polyethylene terephthalate (PET) đổ đầy nước và phơi chúng dưới ánh chai nhựa polyethylene terephthalate (PET) đổ đầy nước và phơi chúng dưới ánh chai nhựa polyethylene terephthalate (PET) đổ đầy nước và phơi chúng dưới ánh

sáng mặt trời trong vài giờ. Thời gian phơi sáng khác nhau tùy thuộc vào thời tiết và sáng mặt trời trong vài giờ. Thời gian phơi sáng khác nhau tùy thuộc vào thời tiết và sáng mặt trời trong vài giờ. Thời gian phơi sáng khác nhau tùy thuộc vào thời tiết và

khí hậu (tối thiểu là sáu giờ đến hai ngày trong điều kiện hoàn toàn u ám). Hơn hai khí hậu (tối thiểu là sáu giờ đến hai ngày trong điều kiện hoàn toàn u ám). Hơn hai khí hậu (tối thiểu là sáu giờ đến hai ngày trong điều kiện hoàn toàn u ám). Hơn hai

triệu người ở các nước đang phát triển sử dụng phương pháp này đối với nước uống triệu người ở các nước đang phát triển sử dụng phương pháp này đối với nước uống triệu người ở các nước đang phát triển sử dụng phương pháp này đối với nước uống

hàng ngày của họ. hàng ngày của họ. hàng ngày của họ.

- Bếp năng lượng mặt trời sử dụng ánh sáng mặt trời để nấu nướng, làm khô và khử - Bếp năng lượng mặt trời sử dụng ánh sáng mặt trời để nấu nướng, làm khô và khử - Bếp năng lượng mặt trời sử dụng ánh sáng mặt trời để nấu nướng, làm khô và khử

trùng. Chúng có thể được nhóm lại thành ba loại lớn: bếp hộp, bếp tấm và bếp phản trùng. Chúng có thể được nhóm lại thành ba loại lớn: bếp hộp, bếp tấm và bếp phản trùng. Chúng có thể được nhóm lại thành ba loại lớn: bếp hộp, bếp tấm và bếp phản

xạ. xạ. xạ.

Điện mặt trời Điện mặt trời Điện mặt trời

Sử dụng thông qua sự chuyển hoá năng lượng mặt trời thành điện năng: việc Sử dụng thông qua sự chuyển hoá năng lượng mặt trời thành điện năng: việc Sử dụng thông qua sự chuyển hoá năng lượng mặt trời thành điện năng: việc

chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện có thể thực hiện trực tiếp bằng cách sử chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện có thể thực hiện trực tiếp bằng cách sử chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện có thể thực hiện trực tiếp bằng cách sử

dụng quang điện (PV), hoặc gián tiếp bằng cách sử dụng điện mặt trời tập dụng quang điện (PV), hoặc gián tiếp bằng cách sử dụng điện mặt trời tập dụng quang điện (PV), hoặc gián tiếp bằng cách sử dụng điện mặt trời tập

trung(CSP). trung(CSP). trung(CSP).

Các hệ thống điện mặt trời tập trung (CSP) sử dụng ống kính, gương và các Các hệ thống điện mặt trời tập trung (CSP) sử dụng ống kính, gương và các Các hệ thống điện mặt trời tập trung (CSP) sử dụng ống kính, gương và các

hệ thống theo dõi để tập trung một khu vực rộng lớn của ánh sáng mặt trời vào một hệ thống theo dõi để tập trung một khu vực rộng lớn của ánh sáng mặt trời vào một hệ thống theo dõi để tập trung một khu vực rộng lớn của ánh sáng mặt trời vào một

10 10 10

chùm nhỏ (Hình 1.7). Nhiệt tập trung sau đó được sử dụng như một nguồn năng chùm nhỏ (Hình 1.7). Nhiệt tập trung sau đó được sử dụng như một nguồn năng chùm nhỏ (Hình 1.7). Nhiệt tập trung sau đó được sử dụng như một nguồn năng

lượng cho một nhà máy điện thông thường. Các nhà máy CSP thương mại được lượng cho một nhà máy điện thông thường. Các nhà máy CSP thương mại được lượng cho một nhà máy điện thông thường. Các nhà máy CSP thương mại được

phát triển đầu tiên vào những năm 1980, nhà máy CSP SEGS 354 MW là nhà máy phát triển đầu tiên vào những năm 1980, nhà máy CSP SEGS 354 MW là nhà máy phát triển đầu tiên vào những năm 1980, nhà máy CSP SEGS 354 MW là nhà máy

điện mặt trời lớn nhất trên Thế giới và nằm ở sa mạc Mojave của California. Các điện mặt trời lớn nhất trên Thế giới và nằm ở sa mạc Mojave của California. Các điện mặt trời lớn nhất trên Thế giới và nằm ở sa mạc Mojave của California. Các

nhà máy CSP lớn khác bao gồm Nhà máy điện mặt trời Solnova (150 MW) và Nhà nhà máy CSP lớn khác bao gồm Nhà máy điện mặt trời Solnova (150 MW) và Nhà nhà máy CSP lớn khác bao gồm Nhà máy điện mặt trời Solnova (150 MW) và Nhà

máy điện mặt trời Andasol (100 MW) ở Tây Ban Nha. máy điện mặt trời Andasol (100 MW) ở Tây Ban Nha. máy điện mặt trời Andasol (100 MW) ở Tây Ban Nha.

Hình 1.7 Công nghệ nhiệt Mặt Trời sử dụng máng hội tụ Parabol Hình 1.7 Công nghệ nhiệt Mặt Trời sử dụng máng hội tụ Parabol Hình 1.7 Công nghệ nhiệt Mặt Trời sử dụng máng hội tụ Parabol

Pin quang điện (PV): chuyển đổi ánh sáng thành dòng điện bằng cách sử Pin quang điện (PV): chuyển đổi ánh sáng thành dòng điện bằng cách sử Pin quang điện (PV): chuyển đổi ánh sáng thành dòng điện bằng cách sử

dụng hiệu ứng quang điện. Hệ thống pin mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang dụng hiệu ứng quang điện. Hệ thống pin mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang dụng hiệu ứng quang điện. Hệ thống pin mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang

điện), là những thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các diot p-n, duới sự hiện diện của điện), là những thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các diot p-n, duới sự hiện diện của điện), là những thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các diot p-n, duới sự hiện diện của

ánh sáng mặt trời có khả năng tạo ra dòng điện sử dụng được. Sự chuyển đổi này ánh sáng mặt trời có khả năng tạo ra dòng điện sử dụng được. Sự chuyển đổi này ánh sáng mặt trời có khả năng tạo ra dòng điện sử dụng được. Sự chuyển đổi này

gọi là hiệu ứng quang điện. Các pin năng lượng mặt trời có nhiều ứng dụng. Chúng gọi là hiệu ứng quang điện. Các pin năng lượng mặt trời có nhiều ứng dụng. Chúng gọi là hiệu ứng quang điện. Các pin năng lượng mặt trời có nhiều ứng dụng. Chúng

đặc biệt thích hợp cho các vùng mà điện năng trong mạng lưới chưa vươn tới, các đặc biệt thích hợp cho các vùng mà điện năng trong mạng lưới chưa vươn tới, các đặc biệt thích hợp cho các vùng mà điện năng trong mạng lưới chưa vươn tới, các

vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo trái đất, máy tính cầm tay, các máy điện thoại cầm vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo trái đất, máy tính cầm tay, các máy điện thoại cầm vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo trái đất, máy tính cầm tay, các máy điện thoại cầm

tay từ xa... tay từ xa... tay từ xa...

11 11 11

Hình 1.8 Một Cell Pin Mặt Trời Hình 1.8 Một Cell Pin Mặt Trời Hình 1.8 Một Cell Pin Mặt Trời

Trong những năm gần đây, tình hình phát triển năng lượng tái tạo rất khả quan. Đặc Trong những năm gần đây, tình hình phát triển năng lượng tái tạo rất khả quan. Đặc Trong những năm gần đây, tình hình phát triển năng lượng tái tạo rất khả quan. Đặc

biệt là sự phát triển mạnh mẽ của năng lượng gió, tuy nhiên năng lượng mặt trời vẫn biệt là sự phát triển mạnh mẽ của năng lượng gió, tuy nhiên năng lượng mặt trời vẫn biệt là sự phát triển mạnh mẽ của năng lượng gió, tuy nhiên năng lượng mặt trời vẫn

đóng vai trò chủ đạo. Tình hình phát triển năng lượng mặt trời trên thế giới có thể đóng vai trò chủ đạo. Tình hình phát triển năng lượng mặt trời trên thế giới có thể đóng vai trò chủ đạo. Tình hình phát triển năng lượng mặt trời trên thế giới có thể

tổng kết như sau: tổng kết như sau: tổng kết như sau:

   16.6 GW 16.6 GW 16.6 GW Lắp đặt mới năm 2010, toàn thế giới: Lắp đặt mới năm 2010, toàn thế giới: Lắp đặt mới năm 2010, toàn thế giới:

   39.5 GW 39.5 GW 39.5 GW Tổng lắp đặt tính đến cuối năm 2010: Tổng lắp đặt tính đến cuối năm 2010: Tổng lắp đặt tính đến cuối năm 2010:

   47 000 GWh 47 000 GWh 47 000 GWh Điện sản xuất từ pin MT2 năm 2010, toàn thế giới: Điện sản xuất từ pin MT2 năm 2010, toàn thế giới: Điện sản xuất từ pin MT2 năm 2010, toàn thế giới:

   617 000 GWh 617 000 GWh 617 000 GWh Lượng phát điện ròng ở Đức năm 2009: Lượng phát điện ròng ở Đức năm 2009: Lượng phát điện ròng ở Đức năm 2009:

   86 000 GWh 86 000 GWh 86 000 GWh Sản lượng điện thương mại Việt Nam 2010: Sản lượng điện thương mại Việt Nam 2010: Sản lượng điện thương mại Việt Nam 2010:

Hình 1.9 Tổng công suất lắp đặt Pin Mặt Trời trên thế giới từ năm 2005-2010 Hình 1.9 Tổng công suất lắp đặt Pin Mặt Trời trên thế giới từ năm 2005-2010 Hình 1.9 Tổng công suất lắp đặt Pin Mặt Trời trên thế giới từ năm 2005-2010

Hiện nay, trên thế giới và trong nước đã có nhiều công trình nghiên cứu về Hiện nay, trên thế giới và trong nước đã có nhiều công trình nghiên cứu về Hiện nay, trên thế giới và trong nước đã có nhiều công trình nghiên cứu về

12

hệ thống Pin mặt trời với mục đích nâng cao hiệu suất và giảm giá thành sản xuất

của Pin mặt trời.

1.1.4. Hệ thống bơm nước sử dụng năng lượng mặt trời

Đây là một ứng dụng của pin mặt trời trong thực tế, rất phù hợp với nước ta

trong tình hình năng lượng điện thiếu hụt như hiện nay. Máy bơm năng lượng mặt

trời mang tính khả thi về kinh tế cho hệ thống thủy lợi, chẳng hạn như tưới nhỏ giọt,

trong đó lượng nước sử dụng ít nước hơn các loại khác. Hệ thống bơm năng lượng

mặt trời hoạt động bằng cách chuyển đổi năng lượng bức xạ mặt trời thành điện

năng thông qua việc sử dụng tế bào quang điện (PV). Các tế bào quang điện đươc

đấu nối với nhau để tạo ra một module năng lượng mặt trời. Điện được sản xuất bởi

các tế bào PV được sử dụng trực tiếp đến máy bơm nước chìm. Các máy bơm nước

được sử dụng để bơm nước ra khỏi nguồn nước giếng hoặc nguồn nước mặt chẳng

hạn như một ao hồ.. để bơm vào một bể chứa nước chăn nuôi hoặc bể giữ nước trên

cao. Nước từ bể chứa trên cao có thể được cung cấp cho vật nuôi hoặc bể chứa nước

sử dụng khác khi cần thiết. Các máy bơm có thể có một phao để dừng bơm khi bể

nước được cấp nước đầy.

Hệ thống này rất phù hợp cho những khu vực không có điện lưới, hoặc khi

nguồn điện lưới có sẵn không cung cấp đủ năng lượng. Để có thể sử dụng nguồn

điện từ pin PV, bơm chìm trong hệ thống này có thể là bơm DC, hoặc có thể là bơm

AC kết hợp với bộ biến đổi DC - AC. Tuy nhiên đối với các ứng dụng vừa và nhỏ,

việc sử dụng hệ thống bơm DC mang lại những hiệu quả cao hơn về mặt kinh tế -

kỹ thuật : thứ nhất, máy bơm DC sử dụng ít năng lượng hơn so với máy bơm AC

cùng công suất, thứ hai hệ thống bơm DC không đòi hỏi phải sử dụng bộ biến đổi

như AC, thứ ba, mô men máy bơm DC tạo ra lớn. Vì vậy khi sử dụng hệ thống bơm

trực tiếp DC, hiệu suất bơm của hệ thống được cải thiện, ngoài ra hệ thống bơm DC

sử dụng ít năng lượng hơn, và không bù tổn hao ở bộ điều khiển nên sẽ giảm được

công suất đầu vào từ tấm pin, làm cho kích thước hệ thống giảm và chi phí đầu tư

giảm đi.

13 13 13

Hình 1.10 Hệ thống bơm nước sử dụng năng lượng Mặt Trời Hình 1.10 Hệ thống bơm nước sử dụng năng lượng Mặt Trời Hình 1.10 Hệ thống bơm nước sử dụng năng lượng Mặt Trời

1.2 Các đề tài nghiên cứu đã thực hiện 1.2 Các đề tài nghiên cứu đã thực hiện 1.2 Các đề tài nghiên cứu đã thực hiện Hiện nay trong nước và trên thế giới cũng đã có nhi ều đề tài nghiên cứu liên quan Hiện nay trong nước và trên thế giới cũng đã có nhi ều đề tài nghiên cứu liên quan Hiện nay trong nước và trên thế giới cũng đã có nhiều đề tài nghiên cứu liên quan

đến hệ thống này như : đến hệ thống này như : đến hệ thống này như :

Kyocera Solar Inc, Solar Water Pump Applications Guide, 2001. Kyocera Solar Inc, Solar Water Pump Applications Guide, 2001. Kyocera Solar Inc, Solar Water Pump Applications Guide, 2001. • • •

B. Eker, Solar Powered Water Pumping Systems, Trakia Journal of Sciences, B. Eker, Solar Powered Water Pumping Systems, Trakia Journal of Sciences, B. Eker, Solar Powered Water Pumping Systems, Trakia Journal of Sciences, • • •

Vol. 3, No. 7, pp 7-11, 2005. Vol. 3, No. 7, pp 7-11, 2005. Vol. 3, No. 7, pp 7-11, 2005.

Akihiro Oi, Design and simulation of photovoltaic water pumping system, Akihiro Oi, Design and simulation of photovoltaic water pumping system, Akihiro Oi, Design and simulation of photovoltaic water pumping system, • • •

26th September, 2005. 26th September, 2005. 26th September, 2005.

Mukesh Kumar Gupta, Rohit Jain, "MPPT Simulation with DC Submersible Mukesh Kumar Gupta, Rohit Jain, "MPPT Simulation with DC Submersible Mukesh Kumar Gupta, Rohit Jain, "MPPT Simulation with DC Submersible • • •

Solar Pump using Output Sensing Direct Control Method and Cuk Converter", Solar Pump using Output Sensing Direct Control Method and Cuk Converter", Solar Pump using Output Sensing Direct Control Method and Cuk Converter",

14

International journal of renewable energy research, Vol.3, No.1, 2013.

TS. Vũ Ngọc Hải, Nghiên cứu chế tạo trạm bơm nước thủy lợi sử dụng năng •

lượng Mặt Trời kết hợp năng lượng gió, Đại học Nguyễn Tất Thành.

Ngô Minh An, Luận văn : “Mô phỏng, thi công hệ thống pin mặt trời nuôi tải •

DC. Tìm hiểu vận hành hệ thống pin mặt trời độc lập”, Đại học Bách Khoa

TP.HCM, 06/2008.

Tuy nhiên các đề tài trên chỉ tập trung tìm hiểu, thiết kế hệ thống bơm thỏa mãn

công suất tải yêu cầu mà chưa đi sâu nghiên cứu cải thiện hiệu suất hệ thống, hạ giá

thành sản xuất.

1.3 Định hướng của đề tài

Đề tài tập trung nghiên cứu: •

o Nghiên cứu cấu trúc, nguyên lý hoạt động của Pin Mặt Trời.

o Nghiên cứu cách thức nâng cao hiệu suất hệ thống.

Xây dựng mô hình : •

o Xây dựng mô phỏng hệ thống dưới các điều kiện độ rọi và nhiệt độ khác nhau.

o Xây dựng mô hình hệ thống thực tế.

o Xây dựng thuật toán bám điểm công suất cực đại cho Pin Mặt Trời.

1.4 Nhiệm vụ của đề tài

Nghiên cứu tổng quan hệ thống bơm nước tưới tiêu sử dụng trực tiếp nguồn •

điện từ pin Mặt Trời.

Nghiên cứu nâng cao hiệu suất hệ thống bằng các phương pháp dò tìm công •

suất cực đại.

Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ điều khiển tối ưu công suất, giám sát, đo •

lường điện năng cho hệ thống.

Xây dựng mô hình pin Mặt Trời có xét đến ảnh hưởng của bóng che, phân •

tích các đặc tuyến I-V, P-V của pin Mặt Trời, sự phụ thuộc các đặc tính của pin Mặt

Trời dưới các điều kiện môi trường.

Đề xuất phương pháp dò tìm công suất cực đại, xét đến ảnh hưởng của bóng •

che.

Thi công phần cứng dò tìm điểm cực đại khi bị bóng che. •

Xây dựng, chế tạo mô hình phục vụ nghiên cứu. •

15

Khảo sát, đánh giá ảnh hưởng của các thông số liên quan đến quá trình chế •

tạo hệ thống bơm nước dùng trực tiếp nguồn điện mặt trời.

Vận hành thử nghiệm và hiệu chỉnh thông số cho hệ thống. •

Kiểm tra, đánh giá hiệu quả kinh tế của hệ thống. •

Triển khai kết quả nghiên cứu trong thực tế. •

1.5 Kết quả mong muốn

Xây dựng được chương trình mô phỏng thuật toán MPPT có xét đến bóng •

che.

Xây dựng thành công mô hình bơm nước sử dụng trực tiếp nguồn năng •

lượng Mặt Trời, hiệu suất cao, giá thành thấp.

Đưa mô hình triển khai vào thực tế. •

16 16 16

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG

PIN MẶT TRỜI PIN MẶT TRỜI PIN MẶT TRỜI

2.1 Mặt Trời và nguồn bức xạ Mặt Trời 2.1 Mặt Trời và nguồn bức xạ Mặt Trời 2.1 Mặt Trời và nguồn bức xạ Mặt Trời

Hình 2.1 Cấu trúc Mặt Trời.[11]. Hình 2.1 Cấu trúc Mặt Trời.[11]. Hình 2.1 Cấu trúc Mặt Trời.[11].

Ánh sáng nói riêng, hay bức xạ điện từ nói chung, từ bề mặt của Mặt Trời Ánh sáng nói riêng, hay bức xạ điện từ nói chung, từ bề mặt của Mặt Trời Ánh sáng nói riêng, hay bức xạ điện từ nói chung, từ bề mặt của Mặt Trời

được xem là nguồn năng lượng chính cho Trái Đất. Hằng số năng lượng Mặt Trời được xem là nguồn năng lượng chính cho Trái Đất. Hằng số năng lượng Mặt Trời được xem là nguồn năng lượng chính cho Trái Đất. Hằng số năng lượng Mặt Trời

được tính bằng công suất của lượng bức xạ trực tiếp chiếu trên một đơn vị diện tích được tính bằng công suất của lượng bức xạ trực tiếp chiếu trên một đơn vị diện tích được tính bằng công suất của lượng bức xạ trực tiếp chiếu trên một đơn vị diện tích bề mặt Trái Đất, bằng khoảng 1370W/m2. Ánh sáng Mặt Trời bị hấp thụ một phần bề mặt Trái Đất, bằng khoảng 1370W/m2. Ánh sáng Mặt Trời bị hấp thụ một phần bề mặt Trái Đất, bằng khoảng 1370W/m2. Ánh sáng Mặt Trời bị hấp thụ một phần

trên bầu khí quyển Trái Đất, nên một phần nhỏ hơn tới được bề mặt Trái Đất, gần trên bầu khí quyển Trái Đất, nên một phần nhỏ hơn tới được bề mặt Trái Đất, gần trên bầu khí quyển Trái Đất, nên một phần nhỏ hơn tới được bề mặt Trái Đất, gần 1000W/m2 năng lượng Mặt Trời tới Trái Đất trong điều kiện trời quang đãng. Năng 1000W/m2 năng lượng Mặt Trời tới Trái Đất trong điều kiện trời quang đãng. Năng 1000W/m2 năng lượng Mặt Trời tới Trái Đất trong điều kiện trời quang đãng. Năng lượng này có thể dùng vào các quá trình tự nhiên hay nhân tạo. Quá trình quang hợp lượng này có thể dùng vào các quá trình tự nhiên hay nhân tạo. Quá trình quang hợp lượng này có thể dùng vào các quá trình tự nhiên hay nhân tạo. Quá trình quang hợp

trong cây sử dụng ánh sáng Mặt Trời và chuyển đổi CO2 thành ôxy và hợp chất hữu trong cây sử dụng ánh sáng Mặt Trời và chuyển đổi CO2 thành ôxy và hợp chất hữu trong cây sử dụng ánh sáng Mặt Trời và chuyển đổi CO2 thành ôxy và hợp chất hữu

cơ, trong khi nguồn nhiệt trực tiếp là làm nóng các bình đun nước dùng năng lượng cơ, trong khi nguồn nhiệt trực tiếp là làm nóng các bình đun nước dùng năng lượng cơ, trong khi nguồn nhiệt trực tiếp là làm nóng các bình đun nước dùng năng lượng

Mặt Trời, hay chuyển thành điện năng bằng các pin năng lượng Mặt Trời. Năng Mặt Trời, hay chuyển thành điện năng bằng các pin năng lượng Mặt Trời. Năng Mặt Trời, hay chuyển thành điện năng bằng các pin năng lượng Mặt Trời. Năng

lượng dự trữ trong dầu mỏ được giả định rằng là nguồn năng lượng của Mặt Trời lượng dự trữ trong dầu mỏ được giả định rằng là nguồn năng lượng của Mặt Trời lượng dự trữ trong dầu mỏ được giả định rằng là nguồn năng lượng của Mặt Trời

được chuyển đổi từ xa xưa trong quá trình quang hợp và phản ứng hóa sinh của sinh được chuyển đổi từ xa xưa trong quá trình quang hợp và phản ứng hóa sinh của sinh được chuyển đổi từ xa xưa trong quá trình quang hợp và phản ứng hóa sinh của sinh

vật cổ. vật cổ. vật cổ.

Trong toàn bộ bức xạ của Mặt Trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các phản Trong toàn bộ bức xạ của Mặt Trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các phản Trong toàn bộ bức xạ của Mặt Trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các phản

17

ứng hạt nhân xảy ra trong Mặt Trời không quá 3%. Bức xạ γ ban đầu khi đi qua

5.105km chiều dầy của lớp vật chất Mặt Trời sẽ biến đổi rất mạnh. Tất cả các dạng

của bức xạ điện từ đều có bản chất sóng và chúng khác nhau ở bước sóng. Bức xạ γ

là sóng ngắn nhất trong các sóng đó, từ tâm Mặt Trời đi ra cho sự va chạm hoặc tán

xạ mà năng lượng của chúng giảm đi và bây giờ chúng ứng với bức xạ có bước

sóng dài. Như vậy bức xạ chuyển thành bức xạ Rơnghen có bước sóng dài hơn. Gần

đến bề mặt Mặt Trời nơi có nhiệt độ đủ thấp để có thể tồn tại vật chất trong trạng

thái nguyên tử và các cơ chế khác bắt đầu xảy ra.

Hình 2.2 Dãy bức xạ điện từ .[7].

Đặc trưng của bức xạ Mặt Trời truyền trong không gian bên ngoài Mặt trời là

một phổ rộng và hầu như một nửa tổng năng lượng Mặt Trời tập trung trong khoảng

bước sóng 0,38 - 0,78 µm đó là vùng nhìn thấy của phổ.

Chùm tia truyền thẳng từ Mặt Trời gọi là bức xạ trực xạ. Tổng hợp các tia

trực xạ và tán xạ gọi là tổng xạ. Mật độ dòng bức xạ trực xạ ở ngoài lớp khí quyển, tính đối với với 1m2 bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ, được tính theo công thức:

q = (T / (2.1)

_

Trong đó :

_ . =

_

- Hệ số góc bức xạ giữa Trái Đất và Mặt Trời. 100 ) / 4 (2.2)

như Hình 2.2.

: góc nhìn Mặt Trời và /4 =5.67W/m2.K4- Hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối. ≈ 32

18 18 18

T T T K- Nhiệt độ bề mặt Mặt Trời ( xem giống như vật K- Nhiệt độ bề mặt Mặt Trời ( xem giống như vật K- Nhiệt độ bề mặt Mặt Trời ( xem giống như vật

đen tuyệt đối ). đen tuyệt đối ). đen tuyệt đối ).

Hình 2.3 Góc nhìn Mặt Trời Hình 2.3 Góc nhìn Mặt Trời Hình 2.3 Góc nhìn Mặt Trời

Vậy: Vậy: Vậy:

q = q = q = 5.67 5.67 5.67 1353 w / 1353 w / 1353 w /

Do khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trời thay đổi theo mùa trong năm nên Do khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trời thay đổi theo mùa trong năm nên Do khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trời thay đổi theo mùa trong năm nên

β cũng thay đổi, do đó q cũng thay đổi nhưng độ thay đổi không lớn lắm nên có thể β cũng thay đổi, do đó q cũng thay đổi nhưng độ thay đổi không lớn lắm nên có thể β cũng thay đổi, do đó q cũng thay đổi nhưng độ thay đổi không lớn lắm nên có thể

xem q là không đổi và được gọi là hằng số Mặt Trời. xem q là không đổi và được gọi là hằng số Mặt Trời. xem q là không đổi và được gọi là hằng số Mặt Trời.

Khi truyền qua lớp khí quyển bao bọc quanh Trái Đất, các chùm tia bức xạ bị Khi truyền qua lớp khí quyển bao bọc quanh Trái Đất, các chùm tia bức xạ bị Khi truyền qua lớp khí quyển bao bọc quanh Trái Đất, các chùm tia bức xạ bị

hấp thụ và tán xạ ở tầng ozon, hơi nước và bụi trong khí quyển, chỉ một phần năng hấp thụ và tán xạ ở tầng ozon, hơi nước và bụi trong khí quyển, chỉ một phần năng hấp thụ và tán xạ ở tầng ozon, hơi nước và bụi trong khí quyển, chỉ một phần năng

lượng được truyền trực tiếp đến Trái Đất. Toàn bộ bức xạ tử ngoại được sử dụng để lượng được truyền trực tiếp đến Trái Đất. Toàn bộ bức xạ tử ngoại được sử dụng để lượng được truyền trực tiếp đến Trái Đất. Toàn bộ bức xạ tử ngoại được sử dụng để

duy trì quá trình phân ly và hợp nhất của O, O2 và O3 đó là quá trình ổn định. Do duy trì quá trình phân ly và hợp nhất của O, O2 và O3 đó là quá trình ổn định. Do duy trì quá trình phân ly và hợp nhất của O, O2 và O3 đó là quá trình ổn định. Do

quá trình này khi đi qua khí quyển bức xạ tử ngoại biến đổi thành bức xạ với năng quá trình này khi đi qua khí quyển bức xạ tử ngoại biến đổi thành bức xạ với năng quá trình này khi đi qua khí quyển bức xạ tử ngoại biến đổi thành bức xạ với năng

lượng nhỏ hơn. lượng nhỏ hơn. lượng nhỏ hơn.

Các bức xạ với bước sóng ứng với các vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoại Các bức xạ với bước sóng ứng với các vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoại Các bức xạ với bước sóng ứng với các vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoại

của phổ tương tác với các phân tử khí và các hạt bụi của không khí nhưng không của phổ tương tác với các phân tử khí và các hạt bụi của không khí nhưng không của phổ tương tác với các phân tử khí và các hạt bụi của không khí nhưng không

phá vỡ các liên kết của chúng, khi đó các photon được tán xạ khá đều theo mọi phá vỡ các liên kết của chúng, khi đó các photon được tán xạ khá đều theo mọi phá vỡ các liên kết của chúng, khi đó các photon được tán xạ khá đều theo mọi

hướng và một số photon quay trở lại không gian vũ trụ. Bức xạ chịu dạng tán xạ đó hướng và một số photon quay trở lại không gian vũ trụ. Bức xạ chịu dạng tán xạ đó hướng và một số photon quay trở lại không gian vũ trụ. Bức xạ chịu dạng tán xạ đó

chủ yếu là bức xạ có bước sóng ngắn nhất. Sau khi phản xạ từ các phần khác nhau chủ yếu là bức xạ có bước sóng ngắn nhất. Sau khi phản xạ từ các phần khác nhau chủ yếu là bức xạ có bước sóng ngắn nhất. Sau khi phản xạ từ các phần khác nhau

của khí quyển bức xạ tán xạ đi đến chúng ta mang theo màu xanh lam của bầu trời của khí quyển bức xạ tán xạ đi đến chúng ta mang theo màu xanh lam của bầu trời của khí quyển bức xạ tán xạ đi đến chúng ta mang theo màu xanh lam của bầu trời

trong sáng và có thể quan sát được ở những độ cao không lớn. Các giọt nước cũng trong sáng và có thể quan sát được ở những độ cao không lớn. Các giọt nước cũng trong sáng và có thể quan sát được ở những độ cao không lớn. Các giọt nước cũng

tán xạ rất mạnh bức xạ Mặt Trời. Bức xạ Mặt Trời khi đi qua khí quyển còn gặp tán xạ rất mạnh bức xạ Mặt Trời. Bức xạ Mặt Trời khi đi qua khí quyển còn gặp tán xạ rất mạnh bức xạ Mặt Trời. Bức xạ Mặt Trời khi đi qua khí quyển còn gặp

một trở ngại đáng kể nữa đó là do sự hấp thụ của các phần tử hơi nước, khí một trở ngại đáng kể nữa đó là do sự hấp thụ của các phần tử hơi nước, khí một trở ngại đáng kể nữa đó là do sự hấp thụ của các phần tử hơi nước, khí

19 19 19

cacbônic và các hợp chất khác, mức độ của sự hấp thụ này phụ thuộc vào bước cacbônic và các hợp chất khác, mức độ của sự hấp thụ này phụ thuộc vào bước cacbônic và các hợp chất khác, mức độ của sự hấp thụ này phụ thuộc vào bước

sóng, mạnh nhất ở khoảng giữa vùng hồng ngoại của phổ. sóng, mạnh nhất ở khoảng giữa vùng hồng ngoại của phổ. sóng, mạnh nhất ở khoảng giữa vùng hồng ngoại của phổ.

Phần năng lượng bức xạ Mặt Trời truyền tới bề mặt Trái Đất trong những Phần năng lượng bức xạ Mặt Trời truyền tới bề mặt Trái Đất trong những Phần năng lượng bức xạ Mặt Trời truyền tới bề mặt Trái Đất trong những

ngày quang đãng (không có mây) ở thời điểm cao nhất vào khoảng 1000W/m2. ngày quang đãng (không có mây) ở thời điểm cao nhất vào khoảng 1000W/m2. ngày quang đãng (không có mây) ở thời điểm cao nhất vào khoảng 1000W/m2.

2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Pin Mặt Trời 2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Pin Mặt Trời 2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Pin Mặt Trời

Pin năng lượng Mặt Trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện), là thiết bị Pin năng lượng Mặt Trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện), là thiết bị Pin năng lượng Mặt Trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện), là thiết bị

bán dẫn chứa lượng lớn các diod p-n, dưới sự hiện diện của ánh sáng Mặt Trời có bán dẫn chứa lượng lớn các diod p-n, dưới sự hiện diện của ánh sáng Mặt Trời có bán dẫn chứa lượng lớn các diod p-n, dưới sự hiện diện của ánh sáng Mặt Trời có

khả năng tạo ra dòng điện sử dụng được. Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang khả năng tạo ra dòng điện sử dụng được. Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang khả năng tạo ra dòng điện sử dụng được. Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang

điện. điện. điện.

Các pin năng lượng Mặt Trời có nhiều ứng dụng. Chúng đặc biệt thích hợp Các pin năng lượng Mặt Trời có nhiều ứng dụng. Chúng đặc biệt thích hợp Các pin năng lượng Mặt Trời có nhiều ứng dụng. Chúng đặc biệt thích hợp

cho các vùng mà điện năng trong mạng lưới chưa vươn tới, các vệ tinh quay xung cho các vùng mà điện năng trong mạng lưới chưa vươn tới, các vệ tinh quay xung cho các vùng mà điện năng trong mạng lưới chưa vươn tới, các vệ tinh quay xung

quanh quỹ đạo Trái Đất, máy tính cầm tay, thiết bị bơm nước... Pin năng lượng Mặt quanh quỹ đạo Trái Đất, máy tính cầm tay, thiết bị bơm nước... Pin năng lượng Mặt quanh quỹ đạo Trái Đất, máy tính cầm tay, thiết bị bơm nước... Pin năng lượng Mặt

Trời (tạo thành các module hay các tấm năng lượng Mặt Trời) xuất hiện trên nóc Trời (tạo thành các module hay các tấm năng lượng Mặt Trời) xuất hiện trên nóc Trời (tạo thành các module hay các tấm năng lượng Mặt Trời) xuất hiện trên nóc

các tòa nhà nơi chúng có thể kết nối với bộ chuyển đổi của mạng lưới điện. các tòa nhà nơi chúng có thể kết nối với bộ chuyển đổi của mạng lưới điện. các tòa nhà nơi chúng có thể kết nối với bộ chuyển đổi của mạng lưới điện.

Hình 2.3 Một cell pin Mặt Trời.[2]. Hình 2.3 Một cell pin Mặt Trời.[2]. Hình 2.3 Một cell pin Mặt Trời.[2].

Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý pháp Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý pháp Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý pháp

Alexandre Edmond Becquerel. Tuy nhiên cho đến 1883 một pin năng lượng mới Alexandre Edmond Becquerel. Tuy nhiên cho đến 1883 một pin năng lượng mới Alexandre Edmond Becquerel. Tuy nhiên cho đến 1883 một pin năng lượng mới

được chế tạo thành công, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một được chế tạo thành công, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một được chế tạo thành công, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một

lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối. Russell Ohl được xem là người tạo ra pin lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối. Russell Ohl được xem là người tạo ra pin lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối. Russell Ohl được xem là người tạo ra pin

năng lượng Mặt Trời đầu tiên năm 1946, tuy nhiên nó chỉ có hiệu suất 1%. Pin Mặt năng lượng Mặt Trời đầu tiên năm 1946, tuy nhiên nó chỉ có hiệu suất 1%. Pin Mặt năng lượng Mặt Trời đầu tiên năm 1946, tuy nhiên nó chỉ có hiệu suất 1%. Pin Mặt

Trời lần đầu tiên được ứng dụng là trên vệ tinh Vangaurd 1 của Mỹ, được phóng Trời lần đầu tiên được ứng dụng là trên vệ tinh Vangaurd 1 của Mỹ, được phóng Trời lần đầu tiên được ứng dụng là trên vệ tinh Vangaurd 1 của Mỹ, được phóng

năm 1958. Ngày nay pin Mặt Trời được sản xuất trên toàn thế giới đặc biệt là ở các năm 1958. Ngày nay pin Mặt Trời được sản xuất trên toàn thế giới đặc biệt là ở các năm 1958. Ngày nay pin Mặt Trời được sản xuất trên toàn thế giới đặc biệt là ở các

nước tiên tiến như Mỹ, Đức, Tây Ban Nha… nước tiên tiến như Mỹ, Đức, Tây Ban Nha… nước tiên tiến như Mỹ, Đức, Tây Ban Nha…

20 20 20

2.2.1 Cấu tạo pin Mặt Trời 2.2.1 Cấu tạo pin Mặt Trời 2.2.1 Cấu tạo pin Mặt Trời

Cấu tạo của pin Mặt Trời là một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng Cấu tạo của pin Mặt Trời là một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng Cấu tạo của pin Mặt Trời là một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng

biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ Mặt Trời thành điện năng nhờ hiệu ứng biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ Mặt Trời thành điện năng nhờ hiệu ứng biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ Mặt Trời thành điện năng nhờ hiệu ứng

quang điện bên trong. quang điện bên trong. quang điện bên trong.

Hình 2.4 Cấu tạo pin Mặt Trời.[10].[6]. Hình 2.4 Cấu tạo pin Mặt Trời.[10].[6]. Hình 2.4 Cấu tạo pin Mặt Trời.[10].[6].

Cho tới hiện tại thì vật liệu chủ yếu cho pin Mặt Trời (và cho các thiết bị bán Cho tới hiện tại thì vật liệu chủ yếu cho pin Mặt Trời (và cho các thiết bị bán Cho tới hiện tại thì vật liệu chủ yếu cho pin Mặt Trời (và cho các thiết bị bán

dẫn) là các silic tinh thể. Pin Mặt Trời từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại: dẫn) là các silic tinh thể. Pin Mặt Trời từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại: dẫn) là các silic tinh thể. Pin Mặt Trời từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại:

- Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski. Pin - Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski. Pin - Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski. Pin

Mặt Trời đơn tinh thể có thể đạt hiệu suất từ 11%-16%. Chúng thường rất đắt tiền Mặt Trời đơn tinh thể có thể đạt hiệu suất từ 11%-16%. Chúng thường rất đắt tiền Mặt Trời đơn tinh thể có thể đạt hiệu suất từ 11%-16%. Chúng thường rất đắt tiền

do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối

các module. các module. các module.

- Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc từ Silic nung chảy cẩn thận được làm nguội và làm - Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc từ Silic nung chảy cẩn thận được làm nguội và làm - Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc từ Silic nung chảy cẩn thận được làm nguội và làm

rắn. Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn, từ rắn. Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn, từ rắn. Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn, từ

8%-11%. Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều 8%-11%. Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều 8%-11%. Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều

hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó. hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó. hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó.

- Dải Silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể. - Dải Silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể. - Dải Silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể.

Loại này có hiệu suất thấp nhất, từ 3-6%, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại vì Loại này có hiệu suất thấp nhất, từ 3-6%, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại vì Loại này có hiệu suất thấp nhất, từ 3-6%, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại vì

không cần phải cắt từ thỏi silicon. không cần phải cắt từ thỏi silicon. không cần phải cắt từ thỏi silicon.

Hình 2.5 Các loại cấu trúc tinh thể của pin Mặt Trời. [11]. Hình 2.5 Các loại cấu trúc tinh thể của pin Mặt Trời. [11]. Hình 2.5 Các loại cấu trúc tinh thể của pin Mặt Trời. [11].

21

Silic thuộc nhóm IV, tức là có 4 electron lớp ngoài cùng. Silic có thể kết hợp

với silicon khác để tạo nên chất rắn. Cơ bản có 2 loại chất rắn silicon, đa thù hình

(không có trật tự sắp xếp) và tinh thể (các nguyên tử sắp xếp theo thứ tự dãy không

gian 3 chiều). Pin năng lượng Mặt Trời phổ biến nhất dùng đa tinh thể silicon.

Silic là chất bán dẫn. Tức là thể rắn silic, tại một tầng năng lượng nhất định,

electron có thể đạt được, và một số tầng năng lượng khác thì không được. Các tầng

năng lượng không được phép này xem là tầng trống. Lý thuyết này căn cứ theo

thuyết cơ học lượng tử.

Ở nhiệt độ phòng, silic nguyên chất có tính dẫn điện kém. Trong cơ học

lượng tử, giải thích thực tế tại mức năng lượng Fermi trong tầng trống. Để tạo ra

silic có tính dẫn điện tốt hơn, có thể thêm vào một lượng nhỏ các nguyên tử nhóm

III hay V trong bảng tuần hoàn hóa học. Các nguyên tử này chiếm vị trí của nguyên

tử silic trong mạng tinh thể, và liên kết với các nguyên tử silic bên cạnh tương tự

như là một silic. Tuy nhiên các phân tử nhóm III có 3 electron ngoài cùng và

nguyên tử nhóm V có 5electron ngoài cùng, vì thế nên có chỗ trong mạng tinh thể

có dư electron còn có chỗ thì thiếu electron. Vì thế các electron thừa hay thiếu

electron (gọi là lỗ trống) không tham gia vào các kết nối mạng tinh thể. Chúng có

thể tự do di chuyển trong khối tinh thể. Silic kết hợp với nguyên tử nhóm III (nhôm

hay gali) được gọi là loại bán dẫn p bởi vì năng lượng chủ yếu mang điện tích

dương (positive), trong khi phần kết hợp với các nguyên tử nhóm V (phốt pho,

asen) gọi là bán dẫn n vì mang năng lượng âm (negative). Lưu ý rằng cả hai loại n

và p có năng lượng trung hòa, tức là chúng có cùng năng lượng dương và âm, loại

bán dẫn n, loại âm có thể di chuyển xung quanh, tương tự ngược lại với loại p.

Các tinh thể silic (Si) hay gali asenua (GaAs) là các vật liệu được sử dụng

làm pin mặt trời. Gali asenua đặc biệt tạo nên để dùng cho pin Mặt Trời, tuy nhiên

thỏi tinh thể silic cũng có thể dùng được với giá thành thấp hơn, sản xuất chủ yếu để

tiêu thụ trong công nghiệp vi điện tử. Đa tinh thể silic có hiệu quả kém hơn nhưng

giá tiền cũng thấp hơn.

22 22 22

Hình 2.6 Một số loại panel pin Mặt Trời. [10].[11]. Hình 2.6 Một số loại panel pin Mặt Trời. [10].[11]. Hình 2.6 Một số loại panel pin Mặt Trời. [10].[11].

Khi để trực tiếp dưới ánh sáng Mặt Trời, một pin silic có đường kính 6 cm Khi để trực tiếp dưới ánh sáng Mặt Trời, một pin silic có đường kính 6 cm Khi để trực tiếp dưới ánh sáng Mặt Trời, một pin silic có đường kính 6 cm

có thể sản xuất dòng điện khoảng 0,5 ampe ở 0,5 volt. có thể sản xuất dòng điện khoảng 0,5 ampe ở 0,5 volt. có thể sản xuất dòng điện khoảng 0,5 ampe ở 0,5 volt.

Các tấm tinh thể mỏng hình đĩa, được đánh bóng để loại bỏ các khuyết tật Các tấm tinh thể mỏng hình đĩa, đư ợc đánh bóng để loại bỏ các khuyết tật Các tấm tinh thể mỏng hình đĩa, được đánh bóng để loại bỏ các khuyết tật

trong quá trình cắt, chất kích thích được dùng cho các pin, và các tấm kim loại dẫn trong quá trình cắt, chất kích thích được dùng cho các pin, và các tấm kim loại dẫn trong quá trình cắt, chất kích thích được dùng cho các pin, và các tấm kim loại dẫn

truyền đặt vào một mặt: một lưới mỏng trên bề mặt chiếu ánh sáng Mặt Trời, và mặt truyền đặt vào một mặt: một lưới mỏng trên bề mặt chiếu ánh sáng Mặt Trời, và mặt truyền đặt vào một mặt: một lưới mỏng trên bề mặt chiếu ánh sáng Mặt Trời, và mặt

phẳng trên mặt còn lại. Tấm năng lượng Mặt Trời tạo thành từ các pin như vậy cắt phẳng trên mặt còn lại. Tấm năng lượng Mặt Trời tạo thành từ các pin như vậy cắt phẳng trên mặt còn lại. Tấm năng lượng Mặt Trời tạo thành từ các pin như vậy cắt

theo hình dạng thích hợp, được bảo vệ khỏi tia bức xạ và hư hại trên mặt trước bằng theo hình dạng thích hợp, được bảo vệ khỏi tia bức xạ và hư hại trên mặt trước bằng theo hình dạng thích hợp, được bảo vệ khỏi tia bức xạ và hư hại trên mặt trước bằng

các miếng gương, dán vào chất nền. Sự liền mạch được tạo nên thành các dãy song các miếng gương, dán vào chất nền. Sự liền mạch được tạo nên thành các dãy song các miếng gương, dán vào chất nền. Sự liền mạch được tạo nên thành các dãy song

song để quyết định năng lượng tạo ra. Chất keo và chất nền phải có tính dẫn nhiệt, song để quyết định năng lượng tạo ra. Chất keo và chất nền phải có tính dẫn nhiệt, song để quyết định năng lượng tạo ra. Chất keo và chất nền phải có tính dẫn nhiệt,

vì khi các pin được làm nóng khi hấp thụ năng lượng hồng ngoại, vốn không thể vì khi các pin được làm nóng khi hấp thụ năng lượng hồng ngoại, vốn không thể vì khi các pin được làm nóng khi hấp thụ năng lượng hồng ngoại, vốn không thể

chuyển hóa thành năng lượng. Một khi các pin bị làm nóng thì giảm hiệu suất hoạt chuyển hóa thành năng lượng. Một khi các pin bị làm nóng thì giảm hiệu suất hoạt chuyển hóa thành năng lượng. Một khi các pin bị làm nóng thì giảm hiệu suất hoạt

động vì thế nên phải làm giảm thiểu nhiệt năng. động vì thế nên phải làm giảm thiểu nhiệt năng. động vì thế nên phải làm giảm thiểu nhiệt năng.

23 23 23

Hình 2.7 Quá trình tạo một panel pin Mặt Trời.[6] Hình 2.7 Quá trình tạo một panel pin Mặt Trời.[6] Hình 2.7 Quá trình tạo một panel pin Mặt Trời.[6]

2.2.2 Nguyên lý hoạt động pin Mặt Trời 2.2.2 Nguyên lý hoạt động pin Mặt Trời 2.2.2 Nguyên lý hoạt động pin Mặt Trời

Bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E1. Khi chiếu sáng hệ Bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E1. Khi chiếu sáng hệ Bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E1. Khi chiếu sáng hệ

thống, lượng tử ánh sáng (photon) mang năng lượng hv (h là hằng số Plank và v là thống, lượng tử ánh sáng (photon) mang năng lượng hv (h là hằng số Plank và v là thống, lượng tử ánh sáng (photon) mang năng lượng hv (h là hằng số Plank và v là

tần số ánh sáng) bị điện tử hấp thụ và chuyển lên mức E2. tần số ánh sáng) bị điện tử hấp thụ và chuyển lên mức E2. tần số ánh sáng) bị điện tử hấp thụ và chuyển lên mức E2.

Hình 2.8 Nguyên lý hoạt động của pin Mặt Trời Hình 2.8 Nguyên lý hoạt động của pin Mặt Trời Hình 2.8 Nguyên lý hoạt động của pin Mặt Trời

24 24 24

Hình 2.9 Hệ thống 2 mức năng lượng trong đó E2>E1 .[6].[7]. Hình 2.9 Hệ thống 2 mức năng lượng trong đó E2>E1 .[6].[7]. Hình 2.9 Hệ thống 2 mức năng lượng trong đó E2>E1 .[6].[7].

Phương trình cân bằng năng lượng: Phương trình cân bằng năng lượng: Phương trình cân bằng năng lượng:

hv = E2 - E1 (2.3) hv = E2 - E1 (2.3) hv = E2 - E1 (2.3)

Trong các vật rắn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vành Trong các vật rắn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vành Trong các vật rắn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vành

ngoài, nên các năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng con rất sát nhau ngoài, nên các năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng con rất sát nhau ngoài, nên các năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng con rất sát nhau

và tạo thành vùng năng lượng. Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi ở và tạo thành vùng năng lượng. Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi ở và tạo thành vùng năng lượng. Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi ở

trạng thái cân bằng gọi là vùng hoá trị mà bên trên của nó có năng lượng Ev. Vùng trạng thái cân bằng gọi là vùng hoá trị mà bên trên của nó có năng lượng Ev. Vùng trạng thái cân bằng gọi là vùng hoá trị mà bên trên của nó có năng lượng Ev. Vùng

năng lượng phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là năng lượng phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là năng lượng phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là

vùng dẫn, bên dưới của vùng có năng lượng là Ec, cách ly giữa vùng hóa trị và vùng vùng dẫn, bên dưới của vùng có năng lượng là Ec, cách ly giữa vùng hóa trị và vùng vùng dẫn, bên dưới của vùng có năng lượng là Ec, cách ly giữa vùng hóa trị và vùng

dẫn đó gọi là một vùng cấm có độ rộng năng lượng là Eg, trong đó không có mức dẫn đó gọi là một vùng cấm có độ rộng năng lượng là Eg, trong đó không có mức dẫn đó gọi là một vùng cấm có độ rộng năng lượng là Eg, trong đó không có mức

năng lượng cho phép nào của điện tử. năng lượng cho phép nào của điện tử. năng lượng cho phép nào của điện tử.

Khi ánh sáng chiếu đến vật rắn có vùng năng lượng nói trên, photon có năng Khi ánh sáng chiếu đến vật rắn có vùng năng lượng nói trên, photon có năng Khi ánh sáng chiếu đến vật rắn có vùng năng lượng nói trên, photon có năng

lượng hv tới hệ thống, bị điện tử của vùng hoá trị hấp thụ và nó có thể chuyển lên lượng hv tới hệ thống, bị điện tử của vùng hoá trị hấp thụ và nó có thể chuyển lên lượng hv tới hệ thống, bị điện tử của vùng hoá trị hấp thụ và nó có thể chuyển lên

vùng dẫn để trở thành điện tử tự do e-, lúc này vùng hoá trị sẽ có một lỗ trống có thể vùng dẫn để trở thành điện tử tự do e-, lúc này vùng hoá trị sẽ có một lỗ trống có thể vùng dẫn để trở thành điện tử tự do e-, lúc này vùng hoá trị sẽ có một lỗ trống có thể

di chuyển như “hạt“ mang điện tích dương nguyên tố (kí hiệu h+). Lỗ trống này có di chuyển như “hạt“ mang điện tích dương nguyên tố (kí hiệu h+). Lỗ trống này có di chuyển như “hạt“ mang điện tích dương nguyên tố (kí hiệu h+). Lỗ trống này có

thể di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện. thể di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện. thể di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện.

Hình 2.10 Các vùng năng lượng .[6]. Hình 2.10 Các vùng năng lượng .[6]. Hình 2.10 Các vùng năng lượng .[6].

Phương trình hiệu ứng lượng tử: Phương trình hiệu ứng lượng tử: Phương trình hiệu ứng lượng tử:

Ev + hv → e- + h+ (2.4) Ev + hv → e- + h+ (2.4) Ev + hv → e- + h+ (2.4)

Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lượng của photon và chuyển từ Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lượng của photon và chuyển từ Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lượng của photon và chuyển từ

vùng hoá trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử–lỗ trống là: vùng hoá trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử–lỗ trống là: vùng hoá trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử–lỗ trống là:

25 25 25

hv > Eg = Ec – Ev (2.5) hv > Eg = Ec – Ev (2.5) hv > Eg = Ec – Ev (2.5)

Suy ra bước sóng tới hạn λC của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e- - h+ Suy ra bước sóng tới hạn λC của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e- - h+ Suy ra bước sóng tới hạn λC của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e- - h+

là: là: là:

(2.6) (2.6) (2.6) λC = hc/(Ec – Ev) λC = hc/(Ec – Ev) λC = hc/(Ec – Ev)

Vậy khi chiếu sáng vào vật rắn, điện tử ở vùng hoá trị hấp thụ năng lượng Vậy khi chiếu sáng vào vật rắn, điện tử ở vùng hoá trị hấp thụ năng lượng Vậy khi chiếu sáng vào vật rắn, điện tử ở vùng hoá trị hấp thụ năng lượng

photon hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử– lỗ trống e-h+, tức là photon hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử– lỗ trống e-h+, tức là photon hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử– lỗ trống e-h+, tức là

tạo ra một điện thế. Hiện tượng đó gọi là hiện tượng quang điện bên trong. tạo ra một điện thế. Hiện tượng đó gọi là hiện tượng quang điện bên trong. tạo ra một điện thế. Hiện tượng đó gọi là hiện tượng quang điện bên trong.

Nguyên lý hoạt động của pin Mặt Trời chính là hiện tượng quang điện xảy ra Nguyên lý hoạt động của pin Mặt Trời chính là hiện tượng quang điện xảy ra Nguyên lý hoạt động của pin Mặt Trời chính là hiện tượng quang điện xảy ra

trên lớp tiếp xúc p-n. trên lớp tiếp xúc p-n. trên lớp tiếp xúc p-n.

Hình 2.11 Nguyên lý hoạt động của hiện tượng quang điện Hình 2.11 Nguyên lý hoạt động của hiện tượng quang điện Hình 2.11 Nguyên lý hoạt động của hiện tượng quang điện

Khi một photon chạm vào mảnh silic, một trong hai điều sau sẽ xảy ra: Khi một photon chạm vào mảnh silic, một trong hai điều sau sẽ xảy ra: Khi một photon chạm vào mảnh silic, một trong hai điều sau sẽ xảy ra:

- - - Photon truyền trực xuyên qua mảnh silic. Điều này thường xảy ra khi năng Photon truyền trực xuyên qua mảnh silic. Điều này thường xảy ra khi năng Photon truyền trực xuyên qua mảnh silic. Điều này thường xảy ra khi năng

lượng của photon thấp hơn năng lượng đủ để đưa các hạt electron lên mức năng lượng của photon thấp hơn năng lượng đủ để đưa các hạt electron lên mức năng lượng của photon thấp hơn năng lượng đủ để đưa các hạt electron lên mức năng

lượng cao hơn. lượng cao hơn. lượng cao hơn.

- - - Năng lượng của photon được hấp thụ bởi silic. Điều này thường xảy ra khi Năng lượng của photon được hấp thụ bởi silic. Điều này thường xảy ra khi Năng lượng của photon được hấp thụ bởi silic. Điều này thường xảy ra khi

năng lượng của photon lớn hơn năng lượng để đưa electron lên mức năng lượng cao năng lượng của photon lớn hơn năng lượng để đưa electron lên mức năng lượng cao năng lượng của photon lớn hơn năng lượng để đưa electron lên mức năng lượng cao

hơn. hơn. hơn.

Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các hạt Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các hạt Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các hạt

electron trong màng tinh thể. Thông thường các electron này lớp ngoài cùng, và electron trong màng tinh thể. Thông thường các electron này lớp ngoài cùng, và electron trong màng tinh thể. Thông thường các electron này lớp ngoài cùng, và

thường được kết dính với các nguyên tử lân cận vì thế không thể di chuyển xa. Khi thường được kết dính với các nguyên tử lân cận vì thế không thể di chuyển xa. Khi thường được kết dính với các nguyên tử lân cận vì thế không thể di chuyển xa. Khi

electron được kích thích, trở thành dẫn điện, các electron này có thể tự do di chuyển electron được kích thích, trở thành dẫn điện, các electron này có thể tự do di chuyển electron được kích thích, trở thành dẫn điện, các electron này có thể tự do di chuyển

trong bán dẫn. Khi đó nguyên tử sẽ thiếu 1 electron và đó gọi là lỗ trống. Lỗ trống trong bán dẫn. Khi đó nguyên tử sẽ thiếu 1 electron và đó gọi là lỗ trống. Lỗ trống trong bán dẫn. Khi đó nguyên tử sẽ thiếu 1 electron và đó gọi là lỗ trống. Lỗ trống

này tạo điều kiện cho các electron của nguyên tử bên cạnh di chuyển đến điền vào này tạo điều kiện cho các electron của nguyên tử bên cạnh di chuyển đến điền vào này tạo điều kiện cho các electron của nguyên tử bên cạnh di chuyển đến điền vào

lỗ trống, và điều này tạo ra lỗ trống cho nguyên tử lân cận có "lỗt rống". Cứ tiếp tục lỗ trống, và điều này tạo ra lỗ trống cho nguyên tử lân cận có "lỗt rống". Cứ tiếp tục lỗ trống, và điều này tạo ra lỗ trống cho nguyên tử lân cận có "lỗt rống". Cứ tiếp tục

26 26 26

như vậy lỗ trống di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn. như vậy lỗ trống di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn. như vậy lỗ trống di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn.

Một photon chỉ cần có năng lượng lớn hơn năng luợng đủ để kích thích Một photon chỉ cần có năng lượng lớn hơn năng luợng đủ để kích thích Một photon chỉ cần có năng lượng lớn hơn năng luợng đủ để kích thích

electron lớp ngoài cùng dẫn điện. Tuy nhiên, tần số của Mặt Trời thường tương electron lớp ngoài cùng dẫn điện. Tuy nhiên, tần số của Mặt Trời thường tương electron lớp ngoài cùng dẫn điện. Tuy nhiên, tần số của Mặt Trời thường tương đương 6000°K, vì thế nên phần lớn năng lượng Mặt Trời đều được hấp thụ bởi silic. đương 6000°K, vì thế nên phần lớn năng lượng Mặt Trời đều được hấp thụ bởi silic. đương 6000°K, vì thế nên phần lớn năng lượng Mặt Trời đều được hấp thụ bởi silic.

Tuy nhiên hầu hết năng lượng Mặt Trời chuyển đổi thành năng lượng nhiệt nhiều Tuy nhiên hầu hết năng lượng Mặt Trời chuyển đổi thành năng lượng nhiệt nhiều Tuy nhiên hầu hết năng lượng Mặt Trời chuyển đổi thành năng lượng nhiệt nhiều

hơn là năng lượng điện sử dụng được. hơn là năng lượng điện sử dụng được. hơn là năng lượng điện sử dụng được.

Hình 2.12 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời .[6]. Hình 2.12 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời .[6]. Hình 2.12 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời .[6].

2.3 Hệ thống pin mặt trời 2.3 Hệ thống pin mặt trời 2.3 Hệ thống pin mặt trời

2.3.1 Hệ thống pin mặt trời thường sử dụng hiện nay 2.3.1 Hệ thống pin mặt trời thường sử dụng hiện nay 2.3.1 Hệ thống pin mặt trời thường sử dụng hiện nay

Hệ thống pin Mặt Trời là một hệ thống bao gồm một số các thành phần như: Hệ thống pin Mặt Trời là một hệ thống bao gồm một số các thành phần như: Hệ thống pin Mặt Trời là một hệ thống bao gồm một số các thành phần như:

các tấm pin Mặt Trời, các tải tiêu thụ điện, các thiết bị lưu trữ điện năng (acquy) và các tấm pin Mặt Trời, các tải tiêu thụ điện, các thiết bị lưu trữ điện năng (acquy) và các tấm pin Mặt Trời, các tải tiêu thụ điện, các thiết bị lưu trữ điện năng (acquy) và

các thiết bị điều phối điện năng… các thiết bị điều phối điện năng… các thiết bị điều phối điện năng…

27 27 27

Hình 2.13 Sơ đồ khối hệ thống pin Mặt Trời độc lập. [7]. Hình 2.13 Sơ đồ khối hệ thống pin Mặt Trời độc lập. [7]. Hình 2.13 Sơ đồ khối hệ thống pin Mặt Trời độc lập. [7].

2.3.2 Các loại pin Mặt Trời mới 2.3.2 Các loại pin Mặt Trời mới 2.3.2 Các loại pin Mặt Trời mới

Ngoài pin Mặt Trời từ tinh thể silic là loại pin Mặt Trời phổ biến nhất hiện nay thì Ngoài pin Mặt Trời từ tinh thể silic là loại pin Mặt Trời phổ biến nhất hiện nay thì Ngoài pin Mặt Trời từ tinh thể silic là loại pin Mặt Trời phổ biến nhất hiện nay thì

đã có những phát minh để tạo ra các loại pin Mặt Trời mới như: đã có những phát minh để tạo ra các loại pin Mặt Trời mới như: đã có những phát minh để tạo ra các loại pin Mặt Trời mới như:

 Pin mặt trời nhạy cảm với chất màu DSC (Dye – Sensitized solar Cell)  Pin mặt trời nhạy cảm với chất màu DSC (Dye – Sensitized solar Cell)  Pin mặt trời nhạy cảm với chất màu DSC (Dye – Sensitized solar Cell)

DSC là một loại pin Mặt Trời mới có giá rẻ, dể làm. Pin này do Michael DSC là một loại pin Mặt Trời mới có giá rẻ, dể làm. Pin này do Michael DSC là một loại pin Mặt Trời mới có giá rẻ, dể làm. Pin này do Michael

Gratzel ở trường Bách khoa Lausane (Thụy Sĩ) chế tạo lần đầu vào năm 1991 nên Gratzel ở trường Bách khoa Lausane (Thụy Sĩ) chế tạo lần đầu vào năm 1991 nên Gratzel ở trường Bách khoa Lausane (Thụy Sĩ) chế tạo lần đầu vào năm 1991 nên

pin còn có tên gọi khác là pin Gratzel. pin còn có tên gọi khác là pin Gratzel. pin còn có tên gọi khác là pin Gratzel.

Cấu tạo nguyên thủy của pin DSC gồm 3 phần chính. Trên cùng là lớp mỏng Cấu tạo nguyên thủy của pin DSC gồm 3 phần chính. Trên cùng là lớp mỏng Cấu tạo nguyên thủy của pin DSC gồm 3 phần chính. Trên cùng là lớp mỏng

chất dẫn điện trong suốt, đóng vai trò Anot làm bằng oxit thiếc pha tạp flo (SnO2:F). chất dẫn điện trong suốt, đóng vai trò Anot làm bằng oxit thiếc pha tạp flo (SnO2:F). chất dẫn điện trong suốt, đóng vai trò Anot làm bằng oxit thiếc pha tạp flo (SnO2:F).

Lớp này phủ lên tấm thủy tinh trong suốt. Tiếp đó là một lớp có diện tích bề mặt Lớp này phủ lên tấm thủy tinh trong suốt. Tiếp đó là một lớp có diện tích bề mặt Lớp này phủ lên tấm thủy tinh trong suốt. Tiếp đó là một lớp có diện tích bề mặt

lớn. Lớp dẫn điện SnO2:F và lớp hạt bột oxit Titan TiO2 được nhúng vào hỗn hợp lớn. Lớp dẫn điện SnO2:F và lớp hạt bột oxit Titan TiO2 được nhúng vào hỗn hợp lớn. Lớp dẫn điện SnO2:F và lớp hạt bột oxit Titan TiO2 được nhúng vào hỗn hợp

chất màu nhạy quang ruthenium-polyridin và dung môi. Sau khi nhúng, một lớp chất màu nhạy quang ruthenium-polyridin và dung môi. Sau khi nhúng, một lớp chất màu nhạy quang ruthenium-polyridin và dung môi. Sau khi nhúng, một lớp

mỏng chất màu nhạy quang bám vào các hạt TiO2 bằng liên kết cộng hóa trị. Tiếp mỏng chất màu nhạy quang bám vào các hạt TiO2 bằng liên kết cộng hóa trị. Tiếp mỏng chất màu nhạy quang bám vào các hạt TiO2 bằng liên kết cộng hóa trị. Tiếp

đó mặt sau được tráng bằng một lớp mỏng chất điện ly iot và đậy kín bằng tấm điện đó mặt sau được tráng bằng một lớp mỏng chất điện ly iot và đậy kín bằng tấm điện đó mặt sau được tráng bằng một lớp mỏng chất điện ly iot và đậy kín bằng tấm điện

cực kim loại (thường là platin). Toàn bộ được dán kín sao cho dung dịch không bị cực kim loại (thường là platin). Toàn bộ được dán kín sao cho dung dịch không bị cực kim loại (thường là platin). Toàn bộ được dán kín sao cho dung dịch không bị

rò chảy ra. rò chảy ra. rò chảy ra.

Pin DSC hoạt động như sau: ánh sáng Mặt trời qua tấm kính, qua lớp điện Pin DSC hoạt động như sau: ánh sáng Mặt trời qua tấm kính, qua lớp điện Pin DSC hoạt động như sau: ánh sáng Mặt trời qua tấm kính, qua lớp điện

28

cực trong suốt SnO2:F chiếu vào chất màu nhạy quang dính trên bề mặt các hạt

TiO2. photon kích thích các phân tử chất màu nhạy quang làm cho electron ở đó bị

bứt ra nhảy vào miền dẫn của TiO2 rồi từ đó dễ dàng chuyển động chạy về điện cực

trong suốt ở phía trên. Khi bị mất electron để nhận thêm cho phân tử không bị phân

huỷ. Phân tử chất màu nhạy quang bèn lấy electron của iôt ở dung dịch điện phân,

biến anion iot một I- thành anion iot ba-I3 . Các anion iot này khi tiếp xúc với điện

cực kim loại sẽ lấy lại electron từ điện cực trong suốt qua mạch ngoài chạy về điện

cực kim loại. Như vậy đã thực hiện cơ chế photon kích thích làm cho electron nhảy

lên, đến điện cực trong suốt rồi qua mạch ngoài chạy về điện cực kim loại tạo ra

dòng điện.

Vì nhiều lí do, hiệu suất của loại pin này chỉ vào cỡ 11% thấp hơn hiệu suất

của pin Mặt Trời silic (12 - 15%). Tuy nhiên ưu điểm rõ rệt của loại pin này là:

- Vật liệu chế tạo rẻ, dễ kiếm. Đặc biệt TiO2 là chất bột trắng hay dùng để làm sơn

trắng rất phổ biến.

- Kỹ thuật chế tạo đơn giản, không phải cần máy móc cao cấp đắt tiền như ở trường

hợp pin Mặt Trời silic. Thậm chí có thể làm pin mặt trời kiểu này theo cách thủ

công.

- Dễ dàng cải tiến nhiều khâu kỹ thuật, nhất là ứng dụng công nghệ nano để làm bột

TiO2 có diện tích mặt ngoài cực lớn. Nhược điểm của loại pin này là có chứa chất

lỏng phải có các biện pháp chống rò rỉ khi dùng lâu. Loại pin này tuổi thọ là 10

năm, bằng một nửa tuổi thọ của pin Mặt trời silic.

Hiện nay đã có nhiều cải tiến đối với chất màu nhạy quang làm cho ánh sáng

thuộc nhiều bước sóng trong phổ ánh sáng Mặt trời đều dễ dàng bị hấp thụ để kích

thích làm thoát điện tử tạo ra dòng điện. Nhờ đó, khác với pin Mặt trời silic, loại pin

Mặt trời mới này vẫn hoạt động tốt khi nắng yếu, đặc biệt là hoạt động với ánh sáng

trong nhà.

29 29 29

Hình 2.14 Pin nhạy cảm với chất màu DSC Hình 2.14 Pin nhạy cảm với chất màu DSC Hình 2.14 Pin nhạy cảm với chất màu DSC

 Pin mặt trời dạng keo nước (Lá nhân tạo)  Pin mặt trời dạng keo nước (Lá nhân tạo)  Pin mặt trời dạng keo nước (Lá nhân tạo)

Pin mặt trời dạng keo nước còn được gọi là Lá nhân tạo. Đây là loại Pin mặt Pin mặt trời dạng keo nước còn được gọi là Lá nhân tạo. Đây là loại Pin mặt Pin mặt trời dạng keo nước còn được gọi là Lá nhân tạo. Đây là loại Pin mặt

trời có thể uốn cong, có thành phần là keo nước chứa các phân tử nhạy sáng kết hợp trời có thể uốn cong, có thành phần là keo nước chứa các phân tử nhạy sáng kết hợp trời có thể uốn cong, có thành phần là keo nước chứa các phân tử nhạy sáng kết hợp

với các điện cực phủ chất liệu cacbon, ví dụ như ống nano cacbon hoặc than chì. với các điện cực phủ chất liệu cacbon, ví dụ như ống nano cacbon hoặc than chì. với các điện cực phủ chất liệu cacbon, ví dụ như ống nano cacbon hoặc than chì.

Các phân tử nhạy sáng trở nên “kích động” khi ánh sáng mặt trời chiếu vào và sản Các phân tử nhạy sáng trở nên “kích động” khi ánh sáng mặt trời chiếu vào và sản Các phân tử nhạy sáng trở nên “kích động” khi ánh sáng mặt trời chiếu vào và sản

sinh ra điện năng; cơ chế này tương tự như cơ chế kích thích tổng hợp đường để sinh ra điện năng; cơ chế này tương tự như cơ chế kích thích tổng hợp đường để sinh ra điện năng; cơ chế này tương tự như cơ chế kích thích tổng hợp đường để

sinh trưởng của phân tử thực vật. Hiện tại, việc ứng dụng loại pin này vẫn chưa sinh trưởng của phân tử thực vật. Hiện tại, việc ứng dụng loại pin này vẫn chưa sinh trưởng của phân tử thực vật. Hiện tại, việc ứng dụng loại pin này vẫn chưa

được công bố do hiệu suất hoạt động của pin vẫn còn thấp. được công bố do hiệu suất hoạt động của pin vẫn còn thấp. được công bố do hiệu suất hoạt động của pin vẫn còn thấp.

Hình 2.15 Pin Mặt Trời dạng keo nước.[11]. Hình 2.15 Pin Mặt Trời dạng keo nước.[11]. Hình 2.15 Pin Mặt Trời dạng keo nước.[11].

30

2.4 Ứng dụng của pin mặt trời. [2].

Đối với cuộc sống của loài người, năng lượng Mặt Trời là một nguồn năng

lượng tái tạo quý báu.

Có thể trực tiếp thu lấy 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 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 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 (diesel sinh học, nhiên liệu từ dầu thực vật),

khí (khí đốt sinh học) hay rắn.

Năng lượng Mặt Trời cũng được hấp thụ bởi thủy quyển 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.

31 31 31

Hình 2.16 Các tuabin gió phát điện nhờ sức gió và thủy triều, tận thu một cách gián Hình 2.16 Các tuabin gió phát điện nhờ sức gió và thủy triều, tận thu một cách gián Hình 2.16 Các tuabin gió phát điện nhờ sức gió và thủy triều, tận thu một cách gián

tiếp năng lượng Mặt Trời .[7]. tiếp năng lượng Mặt Trời .[7]. tiếp năng lượng Mặt Trời .[7].

Dòng chảy của không khí, hay gió có thể sinh ra điện khi làm quay tuốc bin Dòng chảy của không khí, hay gió có thể sinh ra điện khi làm quay tuốc bin 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 xoay gió đã được ứng gió. Trước khi máy phát điện dùng năng lượng gió ra đời, cối xoay gió đã được ứng gió. Trước khi máy phát điện dùng năng lượng gió ra đời, cối xoay gió đã được ứng

dụng để xay ngũ cốc. Năng lượng gió cũng gây ra chuyển động sóng trên mặt biển. dụng để xay ngũ cốc. Năng lượng gió cũng gây ra chuyển động sóng trên mặt biển. dụng để xay ngũ cốc. Năng lượng gió cũng gây ra chuyển động sóng trên mặt biển.

Chuyển động này có thể được tận dụng trong các nhà máy điện dùng sóng biển. Chuyển động này có thể được tận dụng trong các nhà máy điện dùng sóng 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 Đại dương trên Trái Đất có nhiệt dung riêng lớn hơn không khí và do đó thay đổi Đại dương trên Trái Đất có nhiệt dung riêng lớn hơn không khí và do đó thay đổi

nhiệt độ chậm hơn không khí khi hấp thụ cùng nhiệt lượng của Mặt Trời. Đại dương nhiệt độ chậm hơn không khí khi hấp thụ cùng nhiệt lượng của Mặt Trời. Đại dương nhiệt 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 nóng hơn không khí vào ban đêm và lạnh hơn không khí vào ban ngày. Sự chênh 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 lệch nhiệt độ này có thể được khai thác để chạy các động cơ nhiệt trong các nhà lệch nhiệt độ này có thể được khai thác để chạy các động cơ nhiệt trong các nhà

máy điện dùng nhiệt lượng của biển. máy điện dùng nhiệt lượng của biển. máy điện dùng nhiệt lượng của biển.

Hình 2.17 Nhà máy điện mặt trời.[7]. Hình 2.17 Nhà máy điện mặt trời.[7]. Hình 2.17 Nhà máy điện mặt trời.[7].

Khi nhiệt năng hấp thụ từ photon của mặt trời làm bốc hơi nước biển, một Khi nhiệt năng hấp thụ từ photon của mặt trời làm bốc hơi nước biển, một 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 biển. phần năng lượng đó đã được dự trữ trong việc tách muối ra khỏi nước mặn của biển. phần năng lượng đó đã được dự trữ trong việc tách muối ra khỏi nước mặn của biển.

32

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.

Điện năng còn có thể tạo ra từ năng lượng mặt trời 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.

Hiện nay trong các nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời 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 phản xạ có

định vị theo phương mặt trời để tập trung năng lượng mặt trời đến bộ thu đặt trên đỉnh tháp cao, nhiệt độ có thể đạt tới trên 15000C.

Trong thời đại khoa học kỹ thuật phát triển, nhu cầu về năng lượng ngày

càng tăng. Trong khi đó các nguồn nhiên liệu dự trữ như than đá, dầu mỏ, khí thiên

nhiên và ngay cả thủy điện thì có hạn khiến cho nhân loại đứng trước nguy cơ thiếu

hụt năng lượng. Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới như năng

lượng hạt nhân, năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió và năng lượng mặt trời là một

trong những hướng quan trọng trong kế hoạch phát triển năng lượng, không những

đối với những nước phát triển mà ngay cả với những nước đang phát triển.

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch và tiềm tàng nhất đang được

loài người thực sự đặc biệt quan tâm. Do đó việc nghiên cứu nâng cao hiệu quả các

thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời và triển khai ứng dụng chúng vào thực tế là vấn

đề có tính thời sự.

Việt Nam là nước có tiềm năng về năng lượng mặt trời, trải dài từ vĩ độ 8”

Bắc đến 23” Bắc, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao, với trị số tổng xạ khá lớn từ 100-175kcal/cm2.năm (4,2-7,3GJ/m2.năm) do đó việc

sử dụng năng lượng mặt trời ở nước ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế rất lớn.

Pin mặt trời có ưu điểm là gọn nhẹ có thể lắp bất kì đâu có ánh sáng mặt trời,

đặc biệt là trong lĩnh vực hàng không vũ trụ. Ứng dụng của pin mặt trời phát triển

rất nhanh, nhất là ở các nước phát triển. Ngày nay pin mặt trời được ứng dụng trong

nhiều dụng cụ cá nhân như máy tính, đồng hồ và các đồ dùng hằng ngày. Pin mặt

33 33 33

trời còn được dùng để chạy xe ôtô thay thế dần các nguồn năng lượng truyền thống, trời còn được dùng để chạy xe ôtô thay thế dần các nguồn năng lượng truyền thống, trời còn được dùng để chạy xe ôtô thay thế dần các nguồn năng lượng truyền thống,

dùng thắp sáng đèn đường, đèn sân vườn và sử dụng trong từng hộ gia đình. dùng thắp sáng đèn đường, đèn sân vườn và sử dụng trong từng hộ gia đình. dùng thắp sáng đèn đường, đèn sân vườn và sử dụng trong từng hộ gia đình.

Hình 2.18 Trạm vũ trụ ISS . [11]. Hình 2.18 Trạm vũ trụ ISS . [11]. Hình 2.18 Trạm vũ trụ ISS . [11].

Hiện giá thành thiết bị của pin mặt trời còn khá cao, trung bình hiện nay Hiện giá thành thiết bị của pin mặt trời còn khá cao, trung bình hiện nay Hiện giá thành thiết bị của pin mặt trời còn khá cao, trung bình hiện nay

khoảng 5USD/Wp, nên ở các nước đang phát triển pin mặt trời hiện mới chỉ có khả khoảng 5USD/Wp, nên ở các nước đang phát triển pin mặt trời hiện mới chỉ có khả khoảng 5USD/Wp, nên ở các nước đang phát triển pin mặt trời hiện mới chỉ có khả

năng duy nhất là cung cấp năng lượng điện sử dụng cho các vùng sâu, vùng xa mà năng duy nhất là cung cấp năng lượng điện sử dụng cho các vùng sâu, vùng xa mà năng duy nhất là cung cấp năng lượng điện sử dụng cho các vùng sâu, vùng xa mà

đường điện quốc gia chưa có. đường điện quốc gia chưa có. đường điện quốc gia chưa có.

Ở Việt Nam, với sự hỗ trợ của một số tổ chức quốc tế đã thực hiện xây dựng Ở Việt Nam, với sự hỗ trợ của một số tổ chức quốc tế đã thực hiện xây dựng Ở Việt Nam, với sự hỗ trợ của một số tổ chức quốc tế đã thực hiện xây dựng

các trạm điện dùng pin Mặt Trời phục vụ nhu cầu sinh hoạt và văn hóa của các địa các trạm điện dùng pin Mặt Trời phục vụ nhu cầu sinh hoạt và văn hóa của các địa các trạm điện dùng pin Mặt Trời phục vụ nhu cầu sinh hoạt và văn hóa của các địa

phương vùng sâu, vùng xa nhất là đồng bằng sông Cửu Long và Tây Nguyên. Tuy phương vùng sâu, vùng xa nhất là đồng bằng sông Cửu Long và Tây Nguyên. Tuy phương vùng sâu, vùng xa nhất là đồng bằng sông Cửu Long và Tây Nguyên. Tuy

nhiên giá thành của pin mặt trời còn quá cao so với thu nhập của người dân. nhiên giá thành của pin mặt trời còn quá cao so với thu nhập của người dân. nhiên giá thành của pin mặt trời còn quá cao so với thu nhập của người dân.

Hình 2.19 Pin mặt trời được ứng dụng trong nông nghiệp và trong các hộ gia đình Hình 2.19 Pin mặt trời được ứng dụng trong nông nghiệp và trong các hộ gia đình Hình 2.19 Pin mặt trời được ứng dụng trong nông nghiệp và trong các hộ gia đình

[11]. [11]. [11].

34 34 34

CHƯƠNG 3 GIỚI THIỆU BỘ DÒ CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI VÀ CHƯƠNG 3 GIỚI THIỆU BỘ DÒ CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI VÀ CHƯƠNG 3 GIỚI THIỆU BỘ DÒ CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI VÀ

MẠCH TĂNG ÁP MẠCH TĂNG ÁP MẠCH TĂNG ÁP

3.1 Vai trò của việc dò công suất cực đại. [8]. 3.1 Vai trò của việc dò công suất cực đại. [8]. 3.1 Vai trò của việc dò công suất cực đại. [8].

Tại những thời điểm khác nhau trong ngày, với điều kiện thời tiết và nhiệt độ Tại những thời điểm khác nhau trong ngày, với điều kiện thời tiết và nhiệt độ Tại những thời điểm khác nhau trong ngày, với điều kiện thời tiết và nhiệt độ

khác nhau, ta không thể biết trước được điểm công suất cực đại của pin quang điện khác nhau, ta không thể biết trước được điểm công suất cực đại của pin quang điện khác nhau, ta không thể biết trước được điểm công suất cực đại của pin quang điện

dựa trên đồ thị đặc tính I-V vì nó luôn thay đổi. Chẳng hạn, Hình 3.1 mô tả đặc tính dựa trên đồ thị đặc tính I-V vì nó luôn thay đổi. Chẳng hạn, Hình 3.1 mô tả đặc tính dựa trên đồ thị đặc tính I-V vì nó luôn thay đổi. Chẳng hạn, Hình 3.1 mô tả đặc tính

C, trong khi C, trong khi C, trong khi I-V của pin ứng với các mức bức xạ tăng dần ở nhiệt độ không đổi I-V của pin ứng với các mức bức xạ tăng dần ở nhiệt độ không đổi I-V của pin ứng với các mức bức xạ tăng dần ở nhiệt độ không đổi

Hình 3.2 mô tả đặc tính I-V của pin ứng với các mức bức xạ tăng dần ở nhiệt độ Hình 3.2 mô tả đặc tính I-V của pin ứng với các mức bức xạ tăng dần ở nhiệt độ Hình 3.2 mô tả đặc tính I-V của pin ứng với các mức bức xạ tăng dần ở nhiệt độ

không đổi không đổi không đổi C, ta thấy điểm công suất cực đại trên hai đặc tính này là hoàn toàn C, ta thấy điểm công suất cực đại trên hai đặc tính này là hoàn toàn C, ta thấy điểm công suất cực đại trên hai đặc tính này là hoàn toàn

khác nhau. Do đó, cần phải dò điểm công suất cực đại bằng các thuật toán dò tìm, khác nhau. Do đó, cần phải dò điểm công suất cực đại bằng các thuật toán dò tìm, khác nhau. Do đó, cần phải dò điểm công suất cực đại bằng các thuật toán dò tìm,

đây cũng là nhiệm vụ quan trọng nhất của bộ dò công suất cực đại. đây cũng là nhiệm vụ quan trọng nhất của bộ dò công suất cực đại. đây cũng là nhiệm vụ quan trọng nhất của bộ dò công suất cực đại.

Hình 3.1 Đặc tính I-V ứng với bức xạ thay đổi và quỹ đạo của các điểm công suất Hình 3.1 Đặc tính I-V ứng với bức xạ thay đổi và quỹ đạo của các điểm công suất Hình 3.1 Đặc tính I-V ứng với bức xạ thay đổi và quỹ đạo của các điểm công suất

C C C cực đại khi nhiệt độ của pin ở cực đại khi nhiệt độ của pin ở cực đại khi nhiệt độ của pin ở

35 35 35

Hình 3.2 Đặc tính I-V ứng với bức xạ thay đổi và quỹ đạo của các điểm công suất Hình 3.2 Đặc tính I-V ứng với bức xạ thay đổi và quỹ đạo của các điểm công suất Hình 3.2 Đặc tính I-V ứng với bức xạ thay đổi và quỹ đạo của các điểm công suất

C C C cực đại khi nhiệt độ của pin ở cực đại khi nhiệt độ của pin ở cực đại khi nhiệt độ của pin ở

3.2 Các phương pháp dò công suất cực đại- MPPT 3.2 Các phương pháp dò công suất cực đại- MPPT 3.2 Các phương pháp dò công suất cực đại- MPPT

Nhìn chung có rất nhiều thuật toán MPPT đã đư ợc nghiên cứu và ứng dụng Nhìn chung có rất nhiều thuật toán MPPT đã đư ợc nghiên cứu và ứng dụng Nhìn chung có rất nhiều thuật toán MPPT đã đư ợc nghiên cứu và ứng dụng

trên nhiều hệ thống. Một phương pháp đo điện áp hở mạch Voc của các pin Mặt trên nhiều hệ thống. Một phương pháp đo điện áp hở mạch Voc của các pin Mặt trên nhiều hệ thống. Một phương pháp đo điện áp hở mạch Voc của các pin Mặt

Trời, cứ 30 giây một lần bằng cách tách pin ra khỏi mạch trong một khoảng thời Trời, cứ 30 giây một lần bằng cách tách pin ra khỏi mạch trong một khoảng thời Trời, cứ 30 giây một lần bằng cách tách pin ra khỏi mạch trong một khoảng thời

gian ngắn. Sau khi nối mạch trở lại, điện áp pin được điều chỉnh lên 76% của Voc. gian ngắn. Sau khi nối mạch trở lại, điện áp pin được điều chỉnh lên 76% của Voc. gian ngắn. Sau khi nối mạch trở lại, điện áp pin được điều chỉnh lên 76% của Voc.

Tỷ lệ % này phụ thuộc vào các loại pin Mặt Trời sử dụng. Việc thực hiện phương Tỷ lệ % này phụ thuộc vào các loại pin Mặt Trời sử dụng. Việc thực hiện phương Tỷ lệ % này phụ thuộc vào các loại pin Mặt Trời sử dụng. Việc thực hiện phương

pháp điều khiển mạch hở này đơn giản và ít chi phí mặc nhưng hiệu quả MPPT là pháp điều khiển mạch hở này đơn giản và ít chi phí mặc nhưng hiệu quả MPPT là pháp điều khiển mạch hở này đơn giản và ít chi phí mặc nhưng hiệu quả MPPT là

thấp (73-91%). Phương pháp tính toán cũng có thể dự đoán được vị trí của điểm thấp (73-91%). Phương pháp tính toán cũng có thể dự đoán được vị trí của điểm thấp (73-91%). Phương pháp tính toán cũng có thể dự đoán được vị trí của điểm

MPP, tuy nhiên trong thực tế, phương pháp này làm việc không hiệu quả vì nó MPP, tuy nhiên trong thực tế, phương pháp này làm việc không hiệu quả vì nó MPP, tuy nhiên trong thực tế, phương pháp này làm việc không hiệu quả vì nó

không theo được những thay đổi vật lý, tuổi thọ của tấm pin và các ảnh hưởng bên không theo được những thay đổi vật lý, tuổi thọ của tấm pin và các ảnh hưởng bên không theo được những thay đổi vật lý, tuổi thọ của tấm pin và các ảnh hưởng bên

ngoài như bóng của các vật cản…phương pháp này sử dụng một thiết bị đo cường ngoài như bóng của các vật cản…phương pháp này sử dụng một thiết bị đo cường ngoài như bóng của các vật cản…phương pháp này sử dụng một thiết bị đo cường

độ bức xạ để tính toán và thiết bị này có giá thành rất đắt. độ bức xạ để tính toán và thiết bị này có giá thành rất đắt. độ bức xạ để tính toán và thiết bị này có giá thành rất đắt.

Các thuật toán sử dụng phương pháp điều khiển kín mạch có thể cho hiệu Các thuật toán sử dụng phương pháp điều khiển kín mạch có thể cho hiệu Các thuật toán sử dụng phương pháp điều khiển kín mạch có thể cho hiệu

quả cao hơn, nên các thuật toán này được sử dụng phổ biến hơn cho MPPT. Phương quả cao hơn, nên các thuật toán này được sử dụng phổ biến hơn cho MPPT. Phương quả cao hơn, nên các thuật toán này được sử dụng phổ biến hơn cho MPPT. Phương

pháp điều khiển kín mạch có hai thuật toán phổ biến và quen thuộc là phương pháp pháp điều khiển kín mạch có hai thuật toán phổ biến và quen thuộc là phương pháp pháp điều khiển kín mạch có hai thuật toán phổ biến và quen thuộc là phương pháp

nhiễu loạn và quan sát P&O và phương pháp điện dẫn gia tăng INC. nhiễu loạn và quan sát P&O và phương pháp điện dẫn gia tăng INC. nhiễu loạn và quan sát P&O và phương pháp điện dẫn gia tăng INC.

3.3 Phương pháp nhiễu loạn và quan sát P&O [10] 3.3 Phương pháp nhiễu loạn và quan sát P&O [10] 3.3 Phương pháp nhiễu loạn và quan sát P&O [10]

Đây là một phương pháp đơn giản và được sử dụng thông dụng nhất nhờ sự Đây là một phương pháp đơn giản và được sử dụng thông dụng nhất nhờ sự Đây là một phương pháp đơn giản và được sử dụng thông dụng nhất nhờ sự

đơn giản trong thuật toán và việc thực hiện dễ dàng. Với giả thiết ban đầu điểm đơn giản trong thuật toán và việc thực hiện dễ dàng. Với giả thiết ban đầu điểm đơn giản trong thuật toán và việc thực hiện dễ dàng. Với giả thiết ban đầu điểm

36 36 36

công suất của bộ pin đang ở cách xa điểm công suất cực đại. Theo giải thuật này, công suất của bộ pin đang ở cách xa điểm công suất cực đại. Theo giải thuật này, công suất của bộ pin đang ở cách xa điểm công suất cực đại. Theo giải thuật này,

ban đầu điện áp sẽ được tăng một lượng nhỏ rồi quan sát sự thay đổi của công suất. ban đầu điện áp sẽ được tăng một lượng nhỏ rồi quan sát sự thay đổi của công suất. ban đầu điện áp sẽ được tăng một lượng nhỏ rồi quan sát sự thay đổi của công suất.

Nếu công suất tăng thêm tức là điểm công suất hiện tại đang tiến gần đến điểm công Nếu công suất tăng thêm tức là điểm công suất hiện tại đang tiến gần đến điểm công Nếu công suất tăng thêm tức là điểm công suất hiện tại đang tiến gần đến điểm công

suất cực đại. Lúc này, ta tiếp tục tăng điện áp để tiếp cận điểm công suất cực đại. suất cực đại. Lúc này, ta tiếp tục tăng điện áp để tiếp cận điểm công suất cực đại. suất cực đại. Lúc này, ta tiếp tục tăng điện áp để tiếp cận điểm công suất cực đại.

Cho đến khi thấy công suất bắt đầu giảm, tức là điểm công suất đã vọt lố qua khỏi Cho đến khi thấy công suất bắt đầu giảm, tức là điểm công suất đã vọt lố qua khỏi Cho đến khi thấy công suất bắt đầu giảm, tức là điểm công suất đã vọt lố qua khỏi

điểm công suất cực đại, ta phải giảm độ rộng xung để dịch chuyển điểm công suất điểm công suất cực đại, ta phải giảm độ rộng xung để dịch chuyển điểm công suất điểm công suất cực đại, ta phải giảm độ rộng xung để dịch chuyển điểm công suất

theo hướng ngược lại trở về điểm công suất cực đại. Lưu đồ minh họa của giảng theo hướng ngược lại trở về điểm công suất cực đại. Lưu đồ minh họa của giảng theo hướng ngược lại trở về điểm công suất cực đại. Lưu đồ minh họa của giảng

thuật P&O được thể hiện ở hình 3.4. thuật P&O được thể hiện ở hình 3.4. thuật P&O được thể hiện ở hình 3.4.

Hình 3.3 Phương pháp dò công suất cực đại của thuật toán P&O. [8]. Hình 3.3 Phương pháp dò công suất cực đại của thuật toán P&O. [8]. Hình 3.3 Phương pháp dò công suất cực đại của thuật toán P&O. [8].

Hình 3.4 Lưu đồ giải thuật của thuật toán P&O Hình 3.4 Lưu đồ giải thuật của thuật toán P&O Hình 3.4 Lưu đồ giải thuật của thuật toán P&O

37 37 37

Tuy nhiên giải thuật P&O vẫn còn một số hạn chế như sau: Tuy nhiên giải thuật P&O vẫn còn một số hạn chế như sau: Tuy nhiên giải thuật P&O vẫn còn một số hạn chế như sau:

- - - Giải thuật này không thể xác định chính xác điểm có công suất cực đại, mà Giải thuật này không thể xác định chính xác điểm có công suất cực đại, mà Giải thuật này không thể xác định chính xác điểm có công suất cực đại, mà

điểm công suất cứ dao động xung quanh điểm công suất cực đại với tốc độ dao điểm công suất cứ dao động xung quanh điểm công suất cực đại với tốc độ dao điểm công suất cứ dao động xung quanh điểm công suất cực đại với tốc độ dao

động giảm dần. Điều này làm giảm hiệu suất của pin quang điện trong điều kiện bức động giảm dần. Điều này làm giảm hiệu suất của pin quang điện trong điều kiện bức động giảm dần. Điều này làm giảm hiệu suất của pin quang điện trong điều kiện bức

xạ không thay đổi. xạ không thay đổi. xạ không thay đổi.

- - -

Trong điều kiện thời tiết không ổn định, như trong những ngày có mây, giải Trong điều kiện thời tiết không ổn định, như trong những ngày có mây, giải Trong điều kiện thời tiết không ổn định, như trong những ngày có mây, giải thuật này cũng bộc lộ sự hạn chế. Để hiểu rõ hơn, ta hãy phân tích đặc tính P-V thuật này cũng bộc lộ sự hạn chế. Để hiểu rõ hơn, ta hãy phân tích đặc tính P-V thuật này cũng bộc lộ sự hạn chế. Để hiểu rõ hơn, ta hãy phân tích đặc tính P-V

trong điều kiện bức xạ thay đổi như Hình 3.5. trong điều kiện bức xạ thay đổi như Hình 3.5. trong điều kiện bức xạ thay đổi như Hình 3.5.

Hình 3.5 Phản ứng của giải thuật P&O trong điều kiện bức xạ tăng dần. [8]. Hình 3.5 Phản ứng của giải thuật P&O trong điều kiện bức xạ tăng dần. [8]. Hình 3.5 Phản ứng của giải thuật P&O trong điều kiện bức xạ tăng dần. [8].

Giả sử ban đầu điểm công suất đang dao động xung quanh điểm công suất Giả sử ban đầu điểm công suất đang dao động xung quanh điểm công suất Giả sử ban đầu điểm công suất đang dao động xung quanh điểm công suất cực đại A tại thời điểm có độ rọi 250W/m2. Nếu bức xạ tăng lên 500W/m2, công cực đại A tại thời điểm có độ rọi 250W/m2. Nếu bức xạ tăng lên 500W/m2, công cực đại A tại thời điểm có độ rọi 250W/m2. Nếu bức xạ tăng lên 500W/m2, công

suất thu được sẽ tăng lên một lượng ΔP>0. Nếu điểm công suất này chạy từ bên suất thu được sẽ tăng lên một lượng ΔP>0. Nếu điểm công suất này chạy từ bên suất thu được sẽ tăng lên một lượng ΔP>0. Nếu điểm công suất này chạy từ bên

phải sang bên trái của điểm công suất cực đại, lúc này giải thuật P&O vẫn cho rằng phải sang bên trái của điểm công suất cực đại, lúc này giải thuật P&O vẫn cho rằng phải sang bên trái của điểm công suất cực đại, lúc này giải thuật P&O vẫn cho rằng

nó đang đi đúng đường và đang tiến đến điểm công suất cực đại vì ΔP>0, trong khi nó đang đi đúng đường và đang tiến đến điểm công suất cực đại vì ΔP>0, trong khi nó đang đi đúng đường và đang tiến đến điểm công suất cực đại vì ΔP>0, trong khi

thực tế nó đang tiến đến điểm E thay vì điểm B như mong đợi. Đây chính là điểm thực tế nó đang tiến đến điểm E thay vì điểm B như mong đợi. Đây chính là điểm thực tế nó đang tiến đến điểm E thay vì điểm B như mong đợi. Đây chính là điểm

yếu của giải thuật này, vì nó không phân biệt được lượng công suất tăng lên ΔP>0 yếu của giải thuật này, vì nó không phân biệt được lượng công suất tăng lên ΔP>0 yếu của giải thuật này, vì nó không phân biệt được lượng công suất tăng lên ΔP>0

là kết quả của việc gia tăng lượng bức xạ mặt trời. Tương tự, nếu bức xạ vẫn tiếp là kết quả của việc gia tăng lượng bức xạ mặt trời. Tương tự, nếu bức xạ vẫn tiếp là kết quả của việc gia tăng lượng bức xạ mặt trời. Tương tự, nếu bức xạ vẫn tiếp

tục tăng lên, giải thuật lại thấy công suất tăng lên một lượng ΔP>0, và lại cho rằng tục tăng lên, giải thuật lại thấy công suất tăng lên một lượng ΔP>0, và lại cho rằng tục tăng lên, giải thuật lại thấy công suất tăng lên một lượng ΔP>0, và lại cho rằng

nó đang di chuyển đúng đường đến điểm công suất cực đại, tiếp tục di chuyển sang nó đang di chuyển đúng đường đến điểm công suất cực đại, tiếp tục di chuyển sang nó đang di chuyển đúng đường đến điểm công suất cực đại, tiếp tục di chuyển sang

38

trái. Kết quả, điểm công suất cứ di chuyển một cách lệch lạc qua các điểm A, E, F

và G cho đến khi bức xạ mặt trời thay đổi chậm dần và ổn định. Tình trạng này

thường xảy ra vào các ngày trời có nhiều mây, giải thuật P&O tỏ ra không hiệu quả

vì điểm công suất cực đại không cố định mà liên tục thay đổi vị trí.

Ngày nay, công nghệ điều khiển số phát triển một cách nhanh chóng tạo điều

kiện thuận lợi cho việc thực thi các giải thuật một cách dễ dàng. Vấn đề hạn chế sự

dao động xung quanh điểm công suất cực đại có thể được thực hiện bằng cách tạo

một vòng nối tắt nhằm hạn chế sự dịch chuyển của điểm công suất trong trường hợp

lượng công suất thay đổi ΔP rất nhỏ (khi dao động gần điểm công suất cực đại). Ta

cũng có thể đưa thêm vào giải thuật một hàm “đợi” sẵn sàng cản trở sự dao động

này khi phát hiện hướng di chuyển của điểm công suất đảo chiều nhiều lần trong

một thời gian ngắn (dao động quanh điểm công suất cực đại). Cách này hoạt động

tốt trong điều kiện bức xạ là hằng số, tuy nhiên trong điều kiện môi trường thay đổi

sẽ làm cho tốc độ đáp ứng bị chậm đi. Một cách khác nữa là dùng các bước nhảy

thay đổi, với biến số là độ dốc của hàm công suất.

(3.1) Vref,new = Vref + C.ΔP/ΔV

Tương tự, cách này chỉ hoạt động tốt trong điều kiện bức xạ không thay đổi,

còn trong những ngày trời nhiều mây, sự thay đổi đột ngột của bức xạ mặt trời

khiến cho công suất thay đổi nhanh chóng tạo ra bước nhảy quá lớn nên tốc độ đáp

ứng chậm và hiệu suất không cao. Cách giải quyết tốt nhất cho giải thuật này có lẽ

là việc đo công suất của pin hai lần tại cùng một mức điện áp, cách này giúp phân

biệt được khi nào công suất thay đổi do nguyên nhân thay đổi bức xạ mặt trời, khi

nào công suất thay đổi do điểm công suất đang đi đúng hướng tiến đến điểm công

suất cực đại. Vấn đề còn lại là khi số lượng mẫu quá lớn sẽ làm giảm thời gian đáp

ứng cũng như tăng tính phức tạp của thuật toán.

39 39 39

3.4 Tính toán và thi công mạch DC/DC converter 3.4 Tính toán và thi công mạch DC/DC converter 3.4 Tính toán và thi công mạch DC/DC converter

Hình 3.6 Sơ đồ mạch Boost Hình 3.6 Sơ đồ mạch Boost Hình 3.6 Sơ đồ mạch Boost

3.4.1 Cơ sở tính toán 3.4.1 Cơ sở tính toán 3.4.1 Cơ sở tính toán

Tổng trở ngõ vào của bộ chuyển đổi DC/DC được điều chỉnh bằng với tổng Tổng trở ngõ vào của bộ chuyển đổi DC/DC được điều chỉnh bằng với tổng Tổng trở ngõ vào của bộ chuyển đổi DC/DC được điều chỉnh bằng với tổng

trở tối ưu của pin mặt trời, thể hiện ở công thức (3.2). trở tối ưu của pin mặt trời, thể hiện ở công thức (3.2). trở tối ưu của pin mặt trời, thể hiện ở công thức (3.2).

= = = = = = . . . (3.2) (3.2) (3.2)

Trong đó: Trong đó: Trong đó:

: là điện áp pin tại điểm công suất cực đại. : là điện áp pin tại điểm công suất cực đại. : là điện áp pin tại điểm công suất cực đại.

: là dòng điện pin tại điểm công suất cực đại. : là dòng điện pin tại điểm công suất cực đại. : là dòng điện pin tại điểm công suất cực đại.

Mối quan hệ giữa tổng trở tải và hệ số D được biểu diễn như sau: Mối quan hệ giữa tổng trở tải và hệ số D được biểu diễn như sau: Mối quan hệ giữa tổng trở tải và hệ số D được biểu diễn như sau:

D = 1 + D = 1 + D = 1 + (3.3) (3.3) (3.3)

Trong đó: Trong đó: Trong đó:

Rin: tổng trở ngõ vào của bộ chuyển đổi. Rin: tổng trở ngõ vào của bộ chuyển đổi. Rin: tổng trở ngõ vào của bộ chuyển đổi.

Rout = Rload : điện trở tải. Rout = Rload : điện trở tải. Rout = Rload : điện trở tải.

Điện áp ngõ ra của bộ chuyển đổi là: Điện áp ngõ ra của bộ chuyển đổi là: Điện áp ngõ ra của bộ chuyển đổi là:

= = = (3.4) (3.4) (3.4)

Dòng điện ngõ ra của bộ chuyển đổi là: Dòng điện ngõ ra của bộ chuyển đổi là: Dòng điện ngõ ra của bộ chuyển đổi là:

Iout = Iin*(1-D) Iout = Iin*(1-D) Iout = Iin*(1-D) (3.5) (3.5) (3.5)

3.4.2 Bộ chuyển đổi DC/DC boost converter. [8]. 3.4.2 Bộ chuyển đổi DC/DC boost converter. [8]. 3.4.2 Bộ chuyển đổi DC/DC boost converter. [8].

Bộ biến đổi DC/DC được sử dụng rộng rãi trong nguồn điện 1 chiều với mục Bộ biến đổi DC/DC được sử dụng rộng rãi trong nguồn điện 1 chiều với mục Bộ biến đổi DC/DC được sử dụng rộng rãi trong nguồn điện 1 chiều với mục

40 40 40

đích chuyển đổi nguồn một chiều không ổn định thành nguồn điện một chiều có thể đích chuyển đổi nguồn một chiều không ổn định thành nguồn điện một chiều có thể đích chuyển đổi nguồn một chiều không ổn định thành nguồn điện một chiều có thể

điều khiển được. Trong hệ thống pin mặt trời, bộ biến đổi DC/DC được kết hợp điều khiển được. Trong hệ thống pin mặt trời, bộ biến đổi DC/DC được kết hợp điều khiển được. Trong hệ thống pin mặt trời, bộ biến đổi DC/DC được kết hợp

chặt chẽ với MPPT. MPPT sử dụng bộ biến đổi DC/DC để điều chỉnh nguồn điện chặt chẽ với MPPT. MPPT sử dụng bộ biến đổi DC/DC để điều chỉnh nguồn điện chặt chẽ với MPPT. MPPT sử dụng bộ biến đổi DC/DC để điều chỉnh nguồn điện

áp vào lấy từ nguồn pin mặt trời, chuyển đổi và cung cấp điện áp lớn nhất phù hợp áp vào lấy từ nguồn pin mặt trời, chuyển đổi và cung cấp điện áp lớn nhất phù hợp áp vào lấy từ nguồn pin mặt trời, chuyển đổi và cung cấp điện áp lớn nhất phù hợp

với tải. với tải. với tải.

Mạch boost converter hay còn được gọi là mạch tăng áp. Bộ biến đổi này Mạch boost converter hay còn được gọi là mạch tăng áp. Bộ biến đổi này Mạch boost converter hay còn được gọi là mạch tăng áp. Bộ biến đổi này

phù hợp với các ứng dụng có điện áp yêu cầu lớn hơn điện áp đầu vào. Nguyên lý phù hợp với các ứng dụng có điện áp yêu cầu lớn hơn điện áp đầu vào. Nguyên lý phù hợp với các ứng dụng có điện áp yêu cầu lớn hơn điện áp đầu vào. Nguyên lý

hoạt động của bộ biến đổi này dựa vào đặc tính lưu trữ và tích phóng năng lượng hoạt động của bộ biến đổi này dựa vào đặc tính lưu trữ và tích phóng năng lượng hoạt động của bộ biến đổi này dựa vào đặc tính lưu trữ và tích phóng năng lượng

của cuộn dây. của cuộn dây. của cuộn dây.

Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý mạch Boost Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý mạch Boost Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý mạch Boost

Khi S đóng cho dòng qua (TON) dòng điện từ nguồn chạy qua cuộn dây, Khi S đóng cho dòng qua (TON) dòng điện từ nguồn chạy qua cuộn dây, Khi S đóng cho dòng qua (TON) dòng điện từ nguồn chạy qua cuộn dây,

năng lượng từ trường được tích lũy trong cuộn dây. Không có dòng điện chạy qua năng lượng từ trường được tích lũy trong cuộn dây. Không có dòng điện chạy qua năng lượng từ trường được tích lũy trong cuộn dây. Không có dòng điện chạy qua

điốt D và dòng tải được cung cấp bởi tụ điện C. điốt D và dòng tải được cung cấp bởi tụ điện C. điốt D và dòng tải được cung cấp bởi tụ điện C.

Hình 3.8 Mạch điện khi đóng S Hình 3.8 Mạch điện khi đóng S Hình 3.8 Mạch điện khi đóng S

41 41 41

Hình 3.9 Dạng sóng điện áp và dòng điện trên cuộn dây khi dóng S Hình 3.9 Dạng sóng điện áp và dòng điện trên cuộn dây khi dóng S Hình 3.9 Dạng sóng điện áp và dòng điện trên cuộn dây khi dóng S

Khi đó: Khi đó: Khi đó:

= = = = L = L = L (3.6) (3.6) (3.6)

Suy ra : Suy ra : Suy ra :

= = = (3.7) (3.7) (3.7)

= = = = = = (3.8) (3.8) (3.8) Mặt khác : Mặt khác : Mặt khác :

= = = (3.9) (3.9) (3.9)

Hình 3.10 Mạch điện khi S mở Hình 3.10 Mạch điện khi S mở Hình 3.10 Mạch điện khi S mở

42 42 42

Hình 3.11 Dạng sóng điện áp và dòng điện khi S mở Hình 3.11 Dạng sóng điện áp và dòng điện khi S mở Hình 3.11 Dạng sóng điện áp và dòng điện khi S mở

Khi S đóng ( Khi S đóng ( Khi S đóng ( ), dòng điện cảm ứng chạy vào tải qua diode cũng như nạp lại cho ), dòng điện cảm ứng chạy vào tải qua diode cũng như nạp lại cho ), dòng điện cảm ứng chạy vào tải qua diode cũng như nạp lại cho

tụ điện C. tụ điện C. tụ điện C.

= = = - - - = L = L = L (3.10) (3.10) (3.10)

Suy ra: Suy ra: Suy ra: = = = (3.11) (3.11) (3.11)

= = = = = = (3.12) (3.12) (3.12)

= = = (3.13) (3.13) (3.13)

Năng lượng dự trữ trong cuộn dây bằng 0 khi kết thúc chu kỳ: Năng lượng dự trữ trong cuộn dây bằng 0 khi kết thúc chu kỳ: Năng lượng dự trữ trong cuộn dây bằng 0 khi kết thúc chu kỳ:

+ + + = 0 = 0 = 0 (3.14) (3.14) (3.14)

+ + + = 0 = 0 = 0 (3.15) (3.15) (3.15)

Từ (3.17), ta có: Từ (3.17), ta có: Từ (3.17), ta có:

= = = (3.16) (3.16) (3.16)

3.4.3 Tính toán chọn linh kiện mạch tăng áp 3.4.3 Tính toán chọn linh kiện mạch tăng áp 3.4.3 Tính toán chọn linh kiện mạch tăng áp

Giá trị của cuộn dây L: Giá trị của cuộn dây L: Giá trị của cuộn dây L:

Ta có: Ta có: Ta có: = = = (3.17) (3.17) (3.17)

43 43 43

Hình 3.12 Dạng sóng điện áp và dòng điện trên cuộn dây L. [8]. Hình 3.12 Dạng sóng điện áp và dòng điện trên cuộn dây L. [8]. Hình 3.12 Dạng sóng điện áp và dòng điện trên cuộn dây L. [8].

Bỏ qua tổn hao trên các linh kiện, ta có: Bỏ qua tổn hao trên các linh kiện, ta có: Bỏ qua tổn hao trên các linh kiện, ta có:

(3.18) (3.18) (3.18)

= = = = = = = = = (3.19) (3.19) (3.19)

: : : Giá trị trung bình của Giá trị trung bình của Giá trị trung bình của

(3.20) (3.20) (3.20)

= = = + + + = = = + + + (3.21) (3.21) (3.21)

= = = - - - = = = - - - (3.22) (3.22) (3.22)

Ở chế độ liên tục: Ở chế độ liên tục: Ở chế độ liên tục:

= 0 <=> = 0 <=> = 0 <=> - - - 0 0 0 (3.23) (3.23) (3.23)

= = = (3.24) (3.24) (3.24)

Suy ra : Suy ra : Suy ra :

44

=

=

(

)

(

)

(3.25)

Với f là tần số của xung kích.

Giá trị tụ điện C:

(3.26) Q = DT = C.

∆ (3.27) ∆ Q = DT =

Suy ra:

(3.28) C =

Với r là độ giao động điện áp

Thông số mạch mô phỏng. ta tính toán lau75 chọn theo điều kiện sau :

* Mạch cung cấp cho tải R = 45 .

* Tần số xung f = 2kHz.

* Chọn độ giao động điện áp ra r = 1%

Khi cho pin mặt trời làm việc tại điểm cực đại ta có = 17,46V, ta giới hạn điện

=  D = 1 -

= 0,2725

= 1 –

,

áp = 24V, khi đó độ rộng xung tương ứng là:

Gía trị của cuộn dây:

(

)

(

,

,

) .

= = = H

.

1,623.10 R: điện trở tải.

= 100Mh. Chọn

Gía trị của tụ điện C :

,

.

C = = F

Chọn C = 470 F. 3,02.10 . %

45

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH BƠM

NƯỚC TỪ PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

4.1 Xây dựng mô hình bơm nước sử dụng năng lượng mặt trời

4.1.1 Thiết kế mô hình bơm nước sử dụng năng lượng mặt trời

Những chương trước chúng ta đã tìm hiểu tổng quan về hệ thống pin mặt

trời. Từ những cơ sở lý thuyết đó, chúng ta xây dựng mô hình của đề tài với ý tưởng

thiết kế là sử dụng pin năng lượng mặt trời để bơm nước sinh hoạt, có dò điểm công

suất cực đại.

4.1.1.1 Yêu cầu mô hình

a) Yêu cầu về kỹ thuật

- Mô hình phải đạt hiệu quả nhưng phải tiết kiệm và thân thiện với môi trường.

- Chịu được các điều kiện khắc nghiệt của thời tiết, bền vững với thời gian.

- Đơn giản trong vận hành và bảo trì.

- Linh động và thẩm mỹ.

b) Yêu cầu về kinh tế

- Đơn giản nhất trong thiết kế để hạ giá thành.

- Sử dụng vật tư và thiết bi thông dụng với giá thành thấp.

- Những chi tiết không quan trọng của mô hình có thể tận dung vật tư có sẵn

để hạ giá thành sản phẩm.

4.1.1.2 Sơ đồ nguyên lý mạch tăng áp và điều khiển Trên sơ đồ hình 4.1 gồm bộ điều khiển, bộ chuyển đổi DC - DC, bộ tăng điện áp đầu

ra,...

46 46 46

Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý mạch tăng áp và điều khiển Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý mạch tăng áp và điều khiển Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý mạch tăng áp và điều khiển

4.1.2 Thi công mạch tăng áp và dò công suất cực đại 4.1.2 Thi công mạch tăng áp và dò công suất cực đại 4.1.2 Thi công mạch tăng áp và dò công suất cực đại

4.1.2.1 Vật tư thi công mạch tăng áp và dò công suất cực đại 4.1.2.1 Vật tư thi công mạch tăng áp và dò công suất cực đại 4.1.2.1 Vật tư thi công mạch tăng áp và dò công suất cực đại

Bo mạch gồm: vi điều khiển PIC 16F877, điện trở, biến trở, cuộn cảm, tụ điện, đèn Bo mạch gồm: vi điều khiển PIC 16F877, điện trở, biến trở, cuộn cảm, tụ điện, đèn Bo mạch gồm: vi điều khiển PIC 16F877, điện trở, biến trở, cuộn cảm, tụ điện, đèn

led báo tín hiệu, FGA25N120, PC817, diode, màn hình LCD 2 lines…. led báo tín hiệu, FGA25N120, PC817, diode, màn hình LCD 2 lines…. led báo tín hiệu, FGA25N120, PC817, diode, màn hình LCD 2 lines….

4.1.2.2 Yêu cầu của mô hình 4.1.2.2 Yêu cầu của mô hình 4.1.2.2 Yêu cầu của mô hình

- - - Cấp điện trực tiếp cho động cơ bơm nước sau khi qua mạch tăng áp. Cấp điện trực tiếp cho động cơ bơm nước sau khi qua mạch tăng áp. Cấp điện trực tiếp cho động cơ bơm nước sau khi qua mạch tăng áp.

- - - Màn hình LCD hiển thị các giá trị: điện áp, dòng điện và công suất của hệ Màn hình LCD hiển thị các giá trị: điện áp, dòng điện và công suất của hệ Màn hình LCD hiển thị các giá trị: điện áp, dòng điện và công suất của hệ

thống. thống. thống.

47 47 47

4.1.2.3 Kết quả thi công mạch 4.1.2.3 Kết quả thi công mạch 4.1.2.3 Kết quả thi công mạch

Hình 4.2 Bo mạch tăng áp và dò điểm MPPT được hoàn thành Hình 4.2 Bo mạch tăng áp và dò điểm MPPT được hoàn thành Hình 4.2 Bo mạch tăng áp và dò điểm MPPT được hoàn thành

Hình 4.3 Màn hình LCD hiển thị các giá trị cần theo dõi Hình 4.3 Màn hình LCD hiển thị các giá trị cần theo dõi Hình 4.3 Màn hình LCD hiển thị các giá trị cần theo dõi

4.1.3 Giới thiệu động cơ bơm nước và tính toán trên cơ sở lý thuyết 4.1.3 Giới thiệu động cơ bơm nước và tính toán trên cơ sở lý thuyết 4.1.3 Giới thiệu động cơ bơm nước và tính toán trên cơ sở lý thuyết

4.1.3.1 Cấu tạo máy bơm ly tâm [10] 4.1.3.1 Cấu tạo máy bơm ly tâm [10] 4.1.3.1 Cấu tạo máy bơm ly tâm [10]

Bánh công tác: kết cấu có 3 dạng chính là cánh mở hoàn toàn, mở một phần Bánh công tác: kết cấu có 3 dạng chính là cánh mở hoàn toàn, mở một phần Bánh công tác: kết cấu có 3 dạng chính là cánh mở hoàn toàn, mở một phần

48

và cánh kín. Bánh công tác được lắp trên trục của bơm cùng với các chi tiết khác cố

định với trục tạo nên phần quay của bơm gọi là rotor. Bánh công tác được đúc bằng

gang hoặc thép theo phương pháp đúc chính xác. Các bề mặt cánh dẫn và đĩa bánh

công tác yêu cầu có độ nhẵn tương đối cao (tam giác 3 đến 6) để giảm tổn thất. Bánh công tác và rotor của máy bơm nước đều phải được cân bằng tĩnh và cân bằng

động để khi làm máy bơm nước, việc bánh công tác không cọ xát vào thân bơm.

Trục bơm: thường được chế tạo bằng thép hợp kim và được lắp với bánh công tác

thông qua mối ghép then.

Bộ phận dẫn hướng vào: hai bộ phận này thuộc thân máy bơm thường.

Bộ phận dẫn hướng ra: (buồng xoắn ốc) đúc bằng gang có hình dạng tương

đối phức tạp.

4.1.3.2 Nguyên lý hoạt động của bơm ly tâm

Một vật khi quay quanh trục phải chịu một lực có hướng kéo vật ra xa trục

quay và có phương lực đi qua tâm quay. Đó là lực ly tâm.

Hạt nước khi nằm trên một đĩa tròn phẳng đang quay sẽ chịu tác dụng của

lực ly tâm và dịch chuyển dần từ tâm quay ra phía ngoài.

Bơm ly tâm là loại bơm theo nguyên lý lực ly tâm. Nước được dẫn vào tâm

quay của cánh bơm. Nhờ lực ly tâm, nước bị đẩy văng ra mép cánh bơm. Năng

lượng bên ngoài thông qua cánh bơm đã được truyền cho dòng nước, một phần tạo

nên áp năng, một phần tạo thành động năng khiến nước chuyển động.

Trước khi máy bơm làm việc, cần phải làm cho thân bơm (trong đó có bánh

công tác) và ống hút được điền đầy chất lỏng, thường gọi là mồi bơm.

Khi máy bơm làm việc, bánh công tác quay, các phần tử chất lỏng ở trong

bánh công tác dưới ảnh hưởng của lực ly tâm bị văng từ trong ra ngoài, chuyển

động theo các máng dẫn và đi vào ống đẩy với áp suất cao hơn, đó là quá trình đẩy

của bơm. Đồng thời, ở lối vào của bánh công tác tạo nên vùng có chân không và

dưới tác dụng của áp suất trong bể chứa lớn hơn áp suất ở lối vào của máy bơm

nước, chất lỏng ở bể hút liên tục bị đẩy vào bơm theo ống hút, đó là quá trình hút

của bơm.

Quá trình hút và đẩy của bơm là quá trình liên tục, tạo nên dòng chảy liên tục

qua bơm.

49

Bộ phận dẫn hướng ra (thường có dạng xoắn ốc nên còn gọi là buồng xoắn

ốc) để dẫn chất lỏng từ bánh công tác ra ống đẩy được điều hòa, ổn định và còn có

tác dụng biến một phần động năng của dòng chảy thành áp năng cần thiết.

Nhận dạng: máy bơm nước ly tâm có ống hút đưa nước vào tâm của cánh bơm và

ống đẩy nằm trên mép cánh.

Hình 4.4 Động cơ bơm nước.[11].

4.1.3.3 Các đặc điểm của bơm ly tâm.[4].[10].[11].

Khi lực nước bị lực ly tâm đẩy từ tâm cánh bơm ra phí mép bơm, sẽ xuất

hiện khoảng trống máy bơm nước tại tâm cánh bơm. Áp suất tại kho ảng trống này

có thể nhỏ hơn áp suất khí trời và thậm chí có lúc đạt gần tới độ chân không tuyệt

đối. Bơm ly tâm lý thuyết có thể hút nước ở độ sâu tối đa 10m so với tâm cánh bơm.

Thực tế bơm ly tâm hút được nước ở độ sâu từ 3 – 8 m, tùy loại bơm.

Lực ly tâm tỉ lệ thuận với trọng lượng của vật. Vì không khí nhẹ hơn 1000 lần so với nước nên nếu khí lọt vào tâm cánh quạt bơm, lực ly tâm sẻ nhỏ hơn 1000

lần và không đủ sức kéo khối khí đó ra khỏi máy bơm, tạo chân không cho lượng chất lỏng kế tiếp tràn vào. C ánh bơm vẫn quay mà nước thì không bơm được. Đậy

là hiện tượng lọt khí vào ống hút đang hoạt động. thực tế thường gọi là “bơm bị e

(air).& Rdquo”. Vì lý do của bơm ly tâm lúc nào cũng phải đẩy nước.

50 50 50

Hình 4.5 Cấu tạo máy bơm ly tâm. [11] Hình 4.5 Cấu tạo máy bơm ly tâm. [11] Hình 4.5 Cấu tạo máy bơm ly tâm. [11]

Bánh xe công tác (rotor, impeller): Bánh xe công tác (rotor, impeller): Bánh xe công tác (rotor, impeller):

- - - Là bộ phận quay chính cung cấp lực li tâm cho lưu chất. Là bộ phận quay chính cung cấp lực li tâm cho lưu chất. Là bộ phận quay chính cung cấp lực li tâm cho lưu chất.

- - - Có thể có 1 hoặc nhiều bánh xe công tác tùy theo yêu cầu cột áp. Có thể có 1 hoặc nhiều bánh xe công tác tùy theo yêu cầu cột áp. Có thể có 1 hoặc nhiều bánh xe công tác tùy theo yêu cầu cột áp.

- - - Bánh xe công tác có 3 loại: dang hở, dạng nửa hở và dạng nửa đóng. Bánh xe công tác có 3 loại: dang hở, dạng nửa hở và dạng nửa đóng. Bánh xe công tác có 3 loại: dang hở, dạng nửa hở và dạng nửa đóng.

Hình 4.6 Các dạng bánh xe công tác của bơm ly tâm. [4]. Hình 4.6 Các dạng bánh xe công tác của bơm ly tâm. [4]. Hình 4.6 Các dạng bánh xe công tác của bơm ly tâm. [4].

Khi thiết kế trạm bơm và phân tích hiệu quả kinh tế sự làm việc của máy Khi thiết kế trạm bơm và phân tích hiệu quả kinh tế sự làm việc của máy Khi thiết kế trạm bơm và phân tích hiệu quả kinh tế sự làm việc của máy

bơm nước trong trạm bơm phải xác định được điểm làm việc của nó. Muốn vậy bơm nước trong trạm bơm phải xác định được điểm làm việc của nó. Muốn vậy bơm nước trong trạm bơm phải xác định được điểm làm việc của nó. Muốn vậy

trước hết phải dựng được đặc tính đường ống ứng với điều kiện làm việc của máy trước hết phải dựng được đặc tính đường ống ứng với điều kiện làm việc của máy trước hết phải dựng được đặc tính đường ống ứng với điều kiện làm việc của máy

bơm. bơm. bơm.

51 51 51

Hình 4.7 Điểm làm việc của máy bơm [4] Hình 4.7 Điểm làm việc của máy bơm [4] Hình 4.7 Điểm làm việc của máy bơm [4]

Khảo sát bơm ly tâm có đường đặc tính Q – H làm việc trong hệ thống bơm Khảo sát bơm ly tâm có đường đặc tính Q – H làm việc trong hệ thống bơm Khảo sát bơm ly tâm có đường đặc tính Q – H làm việc trong hệ thống bơm

nước từ bể chứa lên bể chứa áp lực. Muốn vận chuyển qua hệ thống đường ống một nước từ bể chứa lên bể chứa áp lực. Muốn vận chuyển qua hệ thống đường ống một nước từ bể chứa lên bể chứa áp lực. Muốn vận chuyển qua hệ thống đường ống một

lưu lượng Q cần cung cấp cho hệ thống một năng lượng đủ để khắc phục chiều cao lưu lượng Q cần cung cấp cho hệ thống một năng lượng đủ để khắc phục chiều cao lưu lượng Q cần cung cấp cho hệ thống một năng lượng đủ để khắc phục chiều cao

bơm nước hình học và tổn thất áp lực trên ống hút, ống đẩy. Năng lượng đó được bơm nước hình học và tổn thất áp lực trên ống hút, ống đẩy. Năng lượng đó được bơm nước hình học và tổn thất áp lực trên ống hút, ống đẩy. Năng lượng đó được

xác định theo công thức: xác định theo công thức: xác định theo công thức:

H = Hhh + hh + hđ (m) H = Hhh + hh + hđ (m) H = Hhh + hh + hđ (m)

(m) (m) (m) H = Hhh + ∑h H = Hhh + ∑h H = Hhh + ∑h

Trong đó: Trong đó: Trong đó:

H - là áp lực yêu cầu của hệ thống (m). H - là áp lực yêu cầu của hệ thống (m). H - là áp lực yêu cầu của hệ thống (m).

Hh - là tổng tổn thất áp lực trên ống hút (m). Hh - là tổng tổn thất áp lực trên ống hút (m). Hh - là tổng tổn thất áp lực trên ống hút (m).

Hđ - là tổng tổn thất áp lực trên ống đẩy (m). Hđ - là tổng tổn thất áp lực trên ống đẩy (m). Hđ - là tổng tổn thất áp lực trên ống đẩy (m).

∑h - là tổng tổn thất áp lực trên đường ống. ∑h - là tổng tổn thất áp lực trên đường ống. ∑h - là tổng tổn thất áp lực trên đường ống.

∑h = S.Q2 ∑h = S.Q2 ∑h = S.Q2

Hhh - chiều cao bơm nước hình học, xác định bằng khoảng cách theo chiều thẳng Hhh - chiều cao bơm nước hình học, xác định bằng khoảng cách theo chiều thẳng Hhh - chiều cao bơm nước hình học, xác định bằng khoảng cách theo chiều thẳng

đứng tính từ mực nước trong bể hút đến bể chứa. đứng tính từ mực nước trong bể hút đến bể chứa. đứng tính từ mực nước trong bể hút đến bể chứa.

S - sức cản toàn phần trong hệ thống ống. S - sức cản toàn phần trong hệ thống ống. S - sức cản toàn phần trong hệ thống ống.

S = λ + ζbp S = λ + ζbp S = λ + ζbp

λ - sức cản dọc đường. λ - sức cản dọc đường. λ - sức cản dọc đường.

ζbp - sức cản cục bộ. ζbp - sức cản cục bộ. ζbp - sức cản cục bộ. Q - lưu lượng chất lỏng di chuyển qua hệ thống (m3) Q - lưu lượng chất lỏng di chuyển qua hệ thống (m3) Q - lưu lượng chất lỏng di chuyển qua hệ thống (m3)

Do đó : Do đó : Do đó :

H = Hhh + S.Q2 H = Hhh + S.Q2 H = Hhh + S.Q2

52

Phương trình này là phương trình đặc tính đường ống biểu diễn dưới dạng đồ

thị gọi là đặc tính đường ống .

Đường đặc tính Q – H của máy bơm biểu diễn năng lượng H mà bơm có thể

cấp được cho chất lỏng khi bơm với một lưu lượng là Q nào đó.

Điều kiện làm việc ổn định của hệ thống là giữa bơm và hệ thống phải có sự

cân bằng năng lượng. Điều đó có nghĩa là năng lượn H mà bơm cấp vào hệ thống

phải bằng năng lượng H mà hệ thống yêu cầu. Đó là giao điểm của đặc tính Q – H

của máy bơm nước và đặc tính đường ống của hệ thống ( điểm A).

 Tính toán ống hút của máy bơm:

= h +

+

= h +

(1+

+ λ ).

∑

ℎ

∑ ℎ

= h +

(1+

+ λ ).

∑

Trị số chân không trên trục máy bơm

Trong đó : ℎ

h - độ cao của trục máy bơm so với mặt thoáng nước ( độ cao hút).

v và Q - vận tốc trung bình và lưu lượng trong ống.

d: Ø 21 = 0,021m

h =25cm = 0,25m

l và d - chiều dài và đườn kính ống hút. Trong bài toán khảo xác ta có số liệu: λ và ζ - hệ số sức cản dọc đường và cục bộ. l = 50cm = 0,5m

 :

∑

lưu lượng lớn nhất Qmax =

- Xác định hệ số cản dọc đường (hệ số trở kháng ma sát). Trong đó hckcp là trị số chân không cho phép, lớn nhất ứng với kết cấu bơm. Khi dòng chảy tầng Re ≤ 2.

10λ =

53 53 53

Khi dòng chảy rối Re > 104 Khi dòng chảy rối Re > 104 Khi dòng chảy rối Re > 104

1 1 1 log Re 1.64)2 log Re 1.64)2 log Re 1.64)2

(1.82  (1.82  (1.82 

           

Với Re là hệ số Reynol Với Re là hệ số Reynol Với Re là hệ số Reynol

Re = Re = Re =

Trong đó Trong đó Trong đó

- độ nhớt động học của nước m2/s. - độ nhớt động học của nước m2/s. - độ nhớt động học của nước m2/s.

- tốc độ nước m/s. - tốc độ nước m/s. - tốc độ nước m/s.

Hình 4.8 Đồ thị thể hiện độ nhớt của nước theo nhiệt độ [4] Hình 4.8 Đồ thị thể hiện độ nhớt của nước theo nhiệt độ [4] Hình 4.8 Đồ thị thể hiện độ nhớt của nước theo nhiệt độ [4]

 Theo điều kiện thông thường nhiệt độ của nước khoảng 300C  Theo điều kiện thông thường nhiệt độ của nước khoảng 300C  Theo điều kiện thông thường nhiệt độ của nước khoảng 300C

  

=> => => 0,8.10-6m2/s 0,8.10-6m2/s 0,8.10-6m2/s

 1,2  0.014   1,2  0.014   1,2  0.014 

2,1 10 4 2,1 10 4 2,1 10 4

0.8 10  6 0.8 10  6 0.8 10  6

   Độ nhớt Độ nhớt Độ nhớt  d   d   d                    => Re  => Re  => Re    

1 1 1

Re= 2,1 10 4 >104=> Re= 2,1 10 4 >104=> Re= 2,1 10 4 >104=>

1 1 1 dòng chảy rối. dòng chảy rối. dòng chảy rối.

log Re 1.64) 2 log Re 1.64) 2 log Re 1.64) 2

(1.82  (1.82  (1.82 

                         0.02  0.02  0.02 (1.82  (1.82  (1.82  log 2,1 10 4  1.64) 2 log 2,1 10 4  1.64) 2 log 2,1 10 4  1.64) 2

hckcp = 7.5m và ∑ζ = 0,3 hckcp = 7.5m và ∑ζ = 0,3 hckcp = 7.5m và ∑ζ = 0,3

Suy ra: Suy ra: Suy ra:      

Lưu lượng lớn có thể tính gần đúng Lưu lượng lớn có thể tính gần đúng Lưu lượng lớn có thể tính gần đúng Khảo sát thực tế ta được Khảo sát thực tế ta được Khảo sát thực tế ta được

= = = 1,92. 1,92. 1,92. 2,3 2,3 2,3 /h /h /h

54

Chiều cao phun nước lên của dòng nước thẳng đứng :

=

=

(1- ζdt)

ℎ

 Tính toán vòi phun nước:

Trong đó : ℎ v và Q - là vận tốc trung bình và lưu lượng ống đẩy cung cấp.

hw - cột nước bị tổn thất do sức cản không khí gây nên.

d - đường kính tiết diện ra.

Ζdt - hệ số sức cản của dòng tia.

Theo Liuge:

ζdt=

H: cột nước toàn phần ở miệng lổ ra : H =

.

K: hệ số bằng ; K = ; với d là đường kính lổ ra (m).

,

= 3,772 m

=

ζdt=

×

,

.

,

,

×

.

,

,

Chiều cao dâng nước :

= H ( 1 – ζdt ) = 4(1-0.057) = 3,772 m

Tổn thất : 4 – 3,772 = 0,228 m ℎ 4.1.4 Nguồn lưu trữ năng lượng acquy

Ta không dùng acquy làm nguồn lưu trữ năng lượng điện cho máy bơm.

- Để tiết kiệm chi phí đầu tư.

- Mục tiêu của đề tài là dùng nước để phục vụ tưới tiêu cho nông – lâm nghiệp

vì vậy khi trời nắng Pin mặt trời sẻ tạo ra mức năng lượng điện cần thiết cung cấp

nguồn điện cho máy bơm để bơm nước lên bồn.

- Để tránh trời nắng gắt điện áp có thể tăng vọt gây hư hại cho máy bơm khi ta

chọn động cơ DC không chổi than - BLDC (Brushles Dc motor) [11] là một dạng

động cơ đồng bộ tuy nhiên động cơ BLDC kích từ bằng một loại nam châm vĩnh

cửu dán trên rotor. Động cơ đồng bộ là dộng cơ có tốc độ quay của rotor bằng tốc

độ quay của từ trường, tốc độ quay cảu rotor được xác định bằng công thức

55 55 55

là tốc độ của rotor , là tốc độ của rotor , là tốc độ của rotor , là tần số Hz) và là tần số Hz) và là tần số Hz) và là số cực từ là số cực từ là số cực từ Với: Với: Với:

+ + + Do máy được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nên giảm tổn hao đồng và sắt Do máy được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nên giảm tổn hao đồng và sắt Do máy được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nên giảm tổn hao đồng và sắt

trên rotor hiệu suất động cơ cao hơn. trên rotor hiệu suất động cơ cao hơn. trên rotor hiệu suất động cơ cao hơn.

+ + +

Động cơ kích từ nam châm vĩnh cửu không cần chổi than và vành trượt nên Động cơ kích từ nam châm vĩnh cửu không cần chổi than và vành trượt nên Động cơ kích từ nam châm vĩnh cửu không cần chổi than và vành trượt nên không tốn chi phí bảo trì chổi than. Ta cũng có thể thay đổi đặc tính động cơ bằng không tốn chi phí bảo trì chổi than. Ta cũng có thể thay đổi đặc tính động cơ bằng không tốn chi phí bảo trì chổi than. Ta cũng có thể thay đổi đặc tính động cơ bằng

cách thay đổi đặc tính của nam châm kích từ và cách bố trí nam châm trên rotor. cách thay đổi đặc tính của nam châm kích từ và cách bố trí n am châm trên rotor. cách thay đổi đặc tính của nam châm kích từ và cách bố trí nam châm trên rotor.

+ + + Một số đặc tính nổi bật của động cơ BLDC khi hoạt động: Một số đặc tính nổi bật của động cơ BLDC khi hoạt động: Một số đặc tính nổi bật của động cơ BLDC khi hoạt động:

Mật độ từ thông khe hở không khí lớn. Mật độ từ thông khe hở không khí lớn. Mật độ từ thông khe hở không khí lớn.

Tỷ lệ công suất/khối lượng máy điện cao. Tỷ lệ công suất/khối lượng máy điện cao. Tỷ lệ công suất/khối lượng máy điện cao.

Tỷ lệ momen/quán tính lớn (có thể tăng tốc nhanh). Tỷ lệ momen/quán tính lớn (có thể tăng tốc nhanh). Tỷ lệ momen/quán tính lớn (có thể tăng tốc nhanh). Vận hành nhẹ nhàng (dao động của momen nhỏ) thậm chí ở tốc độ thấp (để đạt Vận hành nhẹ nhàng (dao động của momen nhỏ) thậm chí ở tốc độ thấp (để đạt Vận hành nhẹ nhàng (dao động của momen nhỏ) thậm chí ở tốc độ thấp (để đạt

được điều khiển vị trí một cách chính xác). được điều khiển vị trí một cách chính xác). được điều khiển vị trí một cách chính xác). Mômen điều khiển được ở vị trí bằng không.Vận hành ở tốc độ cao. Mômen điều khiển được ở vị trí bằng không. Vận hành ở tốc độ cao. Mômen điều khiển được ở vị trí bằng không.Vận hành ở tốc độ cao.

4.1.5 Sơ đồ điện hệ thống 4.1.5 Sơ đồ điện hệ thống 4.1.5 Sơ đồ điện hệ thống

Hình 4.9 giới thiệu tổng quan về hệ thống Hình 4.9 giới thiệu tổng quan về hệ thống Hình 4.9 giới thiệu tổng quan về hệ thống

Pin mặt trời được lắp sao cho hứng nguồn ánh sáng nhất của mặt trời Pin mặt Pin mặt trời được lắp sao cho hứng nguồn ánh sáng nhất của mặt trời Pin mặt Pin mặt trời được lắp sao cho hứng nguồn ánh sáng nhất của mặt trời Pin mặt

trời sinh ra điện áp theo dây dẩn qua qua bộ điều khiển tại đây làm tăng điện áp ra trời sinh ra điện áp theo dây dẩn qua qua bộ điều khiển tại đây làm tăng điện áp ra trời sinh ra điện áp theo dây dẩn qua qua bộ điều khiển tại đây làm tăng điện áp ra

và ổn định diện áp ra, bộ điều khiển được tích hợp điểm dò công suất cực đại gọi là và ổn định diện áp ra, bộ điều khiển được tích hợp điểm dò công suất cực đại gọi là và ổn định diện áp ra, bộ điều khiển được tích hợp điểm dò công suất cực đại gọi là

điểm MPP, điểm MPP được dò bằng giải thuật P&O, điện áp tăng khi qua bộ điều điểm MPP, điểm MPP được dò bằng giải thuật P&O, điện áp tăng khi qua bộ điều điểm MPP, điểm MPP được dò bằng giải thuật P&O, điện áp tăng khi qua bộ điều

khiển để cung cấp điện áp cho máy bơm nước hoạt động. khiển để cung cấp điện áp cho máy bơm nước hoạt động. khiển để cung cấp điện áp cho máy bơm nước hoạt động.

Hình 4.9 sơ đồ điện hệ thống Hình 4.9 sơ đồ điện hệ thống Hình 4.9 sơ đồ điện hệ thống

56 56 56

4.1.6 Kết quả thi công mô hình và giá trị khảo sát thực tế 4.1.6 Kết quả thi công mô hình và giá trị khảo sát thực tế 4.1.6 Kết quả thi công mô hình và giá trị khảo sát thực tế

Hình 4.9 Mô hình sau khi thi công hoàn thành Hình 4.9 Mô hình sau khi thi công hoàn thành Hình 4.9 Mô hình sau khi thi công hoàn thành

Hình 4.10 Mô hình tấm pin mặt trời Hình 4.10 Mô hình tấm pin mặt trời Hình 4.10 Mô hình tấm pin mặt trời

Hình 4.11 Bộ chuyển đổi DC/DC và động cơ bơm nước Hình 4.11 Bộ chuyển đổi DC/DC và động cơ bơm nước Hình 4.11 Bộ chuyển đổi DC/DC và động cơ bơm nước

57 57 57

Hình 4.12 Đài phun nước [11] Hình 4.12 Đài phun nước [11] Hình 4.12 Đài phun nước [11]

Trong quá trình bơm nước ta dùng phần mềm Hyper Terminal để theo dõi Trong quá trình bơm nước ta dùng phần mềm Hyper Terminal để theo dõi Trong quá trình bơm nước ta dùng phần mềm Hyper Terminal để theo dõi

các thông số ngõ ra của mạch DC/DC thông qua cổng RS 232. các thông số ngõ ra của mạch DC/DC thông qua cổng RS 232. các thông số ngõ ra của mạch DC/DC thông qua cổng RS 232.

Hình 4.13 Thiết lập phần mềm Hyper Terminal Hình 4.13 Thiết lập phần mềm Hyper Terminal Hình 4.13 Thiết lập phần mềm Hyper Terminal

58

Hình 4.14 Kết quả khảo sát ngõ ra thu được

4.1.7 Kết quả nghiên cứu đạt được và đánh giá kết quả

 Kết quả đạt được: chế tạo thành công mô hình bơm nước sinh hoạt bằng

năng lượng Mặt Trời có MPPT.

 Đánh giá kết quả:

Mô hình mạch ổn định điện áp cho bơm nước sinh hoạt bằng năng lượng mặt

trời có tính linh động cao, kết quả đo đạt phù hợp với tính toán.

Mô hình mạch ổn định điện áp cho bơm nước bằng năng lượng Mặt trời có độ tin

cậy cao, mạch chạy ổn định.

Với việc chế tạo thành công mô hình này sẻ góp phần góp sức cho đất nước

ta khai thác tốt hơn về nguồn năng lượng siêu sạch và vô tận này.

4.2 Bài toán thực tế

Ở những khu vực vùng sâu vùng xa, đặc biệt là vùng đồi núi thì để kéo

nguồn điện từ lưới điện quốc gia đến những nơi này để phục vụ cho nhu cầu sản

xuất là rất khó khăn. Sử dụng những nguồn năng lượng tự nhiên như năng lượng

mặt trời là một giải pháp hữu hiệu để giải quyết vấn đề năng lượng đó. Nhu cầu

nguồn nước để sử dụng cho việc tưới tiêu các loại cây trồng vào mùa khô ở vùng

đồi núi là rất khó khăn. Để giải quyết bài toán này, ta chọn giải pháp khoan giếng và

59

sử dụng năng lượng mặt trời để cấp nguồn cho máy bơm.

Theo quy định thì việc khai thác nguồn nước ngầm chỉ được phép khai thác

/ngày. thác tối đa 20

Bài toán cụ thể: nhu cầu bơm nước sinh hoạt chỉ hoạt động 5h/ngày, chiều

sâu khoan giếng là 70m, từ vị trí khoan đến nơi tiêu thụ là 50m, chiều cao đặt bồn

chứa là 10m.

4.2.1 Tính toán công suất máy bơm

 Lưu lượng:

Q = 20 /5h  Q = 4 /h = 1,12 (l/s)

 Vận tốc : v = 1,2 m/s

D =

=

= 0,35 dm = 35mm

.

,

,

.

 Đường kính ống :

. . Cột áp :



H = z +

+

(4.1)

∑ ℎ

Trong đó :

+ z: chiều cao cột áp (1m đứng, 5m ngang)

+

+ : áp suất tại bồn chứa

+ : áp suất tại vị trí hút.

+ = 1 ) : hệ số hiệu chỉnh động năng ( chọn

+ v: vận tốc chảy của dòng nước

+ : trọng lượng riêng.

+ g = 9,81 m/ .

= + (4.2)

= ∑ ℎ ℎ đ ℎ

ℎ đ + = 0 (sử dụng bơm hỏa tiển).

Trong đó :

ℎ : hệ số trở kháng ma sát.

l: chiều dài đường ống (m).

d: đường kính ống (mm).

60

.ξ: tổn thất qua các thiết bị (lưới chắn rác, co, van,...)

= 5,3.1 > .

=

=

,

,

.

.

,

.

0 10 C. Với là độ nhớt của nước ở

 Dòng chảy rối: 30

=

=

= 0,02

)

)

( ,

.

,

( ,

.

,

.

,

Suy ra:

,

,

.

,

= . = 5,8 m

Suy ra : ℎ đ 4,75 + 0,02.

,

H = 90 + + 5,8 96 (m nước)

.

,

 ≈ Công suất máy bơm:

N =

Với η là hiệu suất bơm nước.

,

.

,

.

.

,

 N = = 1507 W 1,5 kW

≈ 4.2.2 Tính toán chọn công suất pin mặt trời

Số wh (watt-hour) sử dụng mỗi ngày của bơm là: Pt = 1507.5=7530 wh.

Tuy nhiên do tổn hao trong hệ thống nên công suất của pin mặt trời phải cao

hơn tổng số watt-hour của tải, thực nghiệm cho thấy cao hơn khoảng 1,3 lần.

→ PPV = 1,3.Pt = 1,3.7530 = 9789 Wh

4.2.3 Tính kích cỡ tấm pin mặt trời [10]

Để tính toán lựa chọn kích cỡ của các tấm pin mặt trời cần sử dụng, ta tính

Watt-peak (Wp) cần có của tấm pin mặt trời. Lượng Wp mà pin mặt trời tạo ra lại

tùy thuộc vào khí hậu của từng vùng trên thế giới. Cùng một tấm pin mặt trời nhưng

đặt ở nơi này thì mức độ hấp thu năng lượng sẽ khác với khi đặt nó nơi khác. Để

thiết kế chính xác, người ta phải đo đạc khảo sát độ hấp thụ bức xạ mặt trời ở từng

vùng các tháng trong năm và đưa ra một hệ số trung bình gọi là "panel generation

factor" gọi là hệ số hấp thu bức xạ của pin mặt trời. Hệ số này là tích số của hiệu

suất hấp thu (collection efficiency) và độ bức xạ năng lượng mặt trời (solar

61

radiation), đơn vị tính của nó là (kWh/m2/ngày).

Mức hấp thu năng lượng mặt trời của nước Việt Nam ta là 4,58 kWh/m2/ngày, ta lấy tổng số Watt-hour các tấm pin mặt trời chia cho 4,58 ta sẽ có tổng số Wp của tấm pin mặt trời.

Mỗi tâm pin mặt trời đều có thông số Wp của nó, lấy tổng số Wp cần có của

tấm pin mặt trời chia cho thông số Wp của nó ta sẽ có được số lượng tấm pin mặt

trời cần dùng.

 Tổng số Wp của tấm pin mặt trời

Wp = = 2137 W.

.

 Chọn thông số của mỗi PV module là:

PV : Pm = 110 Wp

Điện thế làm việc : Vm = 16.7 Vdc

Dòng điện làm việc tối ưu: Im = 6.6 A

Điện áp hở mạch: Voc = 20.7 A

Dòng điện ngắn mạch : Isc = 7.5 A

 Số lượng tấm pin mặt trời

PV = = 19,43 (tấm)

Vậy số lượng Pin mặt trời cần dùng là 20 tấm

Với cách tính trên chỉ cho ta biết số lượng tối thiểu số lượng tấm pin mặt trời

cần dùng. Càng có nhiều pin mặt trời, hệ thống sẽ làm việc tốt hơn. Nếu có ít pin

mặt trời, hệ thống sẽ thiếu điện trong những ngày râm mát. Nếu thiết kế nhiều pin

mặt trời thì làm giá thành hệ thống cao, vượt quá ngân sách cho phép, đôi khi không

cần thiết. Vấn đề sử dụng pin loại nào là tối ưu, là thích hợp vì mỗi vùng địa lý đều

có thời tiết khác nhau cũng cần được quan tâm. Tất cả đòi hỏi thiết kế phải do các

chuyên gia có kinh nghiệm thiết kế nhiều năm cho các hệ solar trong vùng.

Khi ta đã có tổng số tấm pin mặt trời thì không nhất thiết phải ghép nối tiếp

tất cả các tấm này lại với nhau mà có thể ghép chúng thành các tổ hợp kết hợp nối

tiếp và song song, do một hay nhiều solar controller đảm trách.

4.2.4 Tính solar charge controller [10]

Solar charge controller có điện thế vào phù hợp với điện thế của pin mặt trời

62

và điện thế ra tương ứng với điện thế của battery. Vì solar charge controller có

nhiều loại cho nên ta cần chọn loại solar charge controller nào phù hợp. Đối với các

hệ pin mặt trời lớn, nó được thiết kế thành nhiều dãy song song và mỗi dãy sẽ do

một solar charge controller phụ trách. Công suất của solar charge controller phải đủ

lớn để nhận điện năng từ PV.

Thông thường ta chọn Solar charge controller có dòng Imax = 1.3 x dòng

ngắn mạch của PV

Như vậy solar charge = ( 20 tấm PV * 7.5 A ) * 1.3 = 195A

Chọn solar charge controller có dòng 200A hoặc lớn hơn.

63

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI

5.1. Kết luận của đề tài

Đề tài được thực hiện với mục tiêu đề ra ban đầu là tập trung vào các điểm

chính:

- Trình bài phần lý thuyết về nguồn năng lượng tái tạo năng lượng mới một

cách khái quát và cô đọng.

- Thiết kế thành công mô hình bơm nước sinh hoạt bằng năng lượng Mặt Trời

có MPPT.

- Trình bài được các nội dung như mục tiêu đề ra, đã làm nổi bật được tầm

quan trọng của năng lượng tái tạo và năng lương Mặt Trời.

- Có sự đầu tư về mặt mỹ thuật: bố cục toàn văn của tài liệu được trình bài khá

gọn gàng, hình ảnh và các dữ liệu cần thiết liên quan khá phong phú, chú thích bằng

tiếng việt. Cách trình bài phù hợp với tiêu chuẩn yêu cầu của một Luận văn.

- Mặc dù đã có nhiều cố gắng với kiến thức còn hạn chế và sự giúp đỡ của quý

Thầy Cô cùng các bạn học viên, song do điều kiện thời gian không cho phép nên

nội dung đề tài nghiên cứu vẫn còn nhiều thiếu sót.

5.2. Hướng phát triển của đề tài

- Thiết kế mạch sao cho công suất cao hơn để ứng dụng cho những hệ thống có

công suất lớn hơn.

- Nghiên cứu ứng dụng sâu rộng trong nền Nông – Lâm nghiệp.

- Thi công mô hình lọc nước biển thành nước ngọt để cấp cho khu vực cùng

sâu, vùng xa, hải đảo, tàu cá, nhà giàn những nơi rất cần nước ngọt để sinh hoạt và

trồng trọt.

64

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Thầy Nguyễn Đình Phú, “Thực hành Vi xử lý- Vi điều khiển PIC”, Giáo Trình,

Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, 2014.

[2] TS. Hoàng Dương Hùng, “Năng lượng mặt trời - Lý thuyết và Ứng dụng”, NXB

Khoa Học và Kỹ Thuật, Hà Nội, 2007.

[3] Ngô Diên Tập, “Vi điều khiển với lập trình C”, NXB Khoa học và Kỹ thuật.

[4] Phạm Thị Thanh Tâm, “ Thủy khí kỹ thuật và máy bơm”, Giáo Trình, Trường

Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM.

[5] Bùi Nhật Phương - Đặng Đức Tuấn, “Ứng dụng pin năng lượng mặt trời trong

xe điện”, Đồ án tốt nghiệp, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, 2011.

[6] Lê Trọng Thành, “Nghiên Cứu Triển Khai Pin Năng Lượng Mặt Trời Nước Ta”,

Tiểu Luận Hóa Học 1, Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM.

[7] Ngô Minh An, “ Mô phỏng, thi công hệ thống pin mặt trời nuôi tải DC”, Luận

văn tốt nghiệp, Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM, 2008.

[8] Tạ Minh Cường, “ Tối Ưu Công Suất Trong Hệ Thống Pin Mặt Trời”, Luận Văn

Tốt Nghiệp, Trường Đại Học Công Nghệ TP.HCM, 2012.

[9] PGS.TS. Đặng Đình Thống – Pin mặt trời và ứng dụng - Nhà xuất bản khoa học

và kỹ thuật.

[10] http://www.tailieu.vn.

[11] http:// vi.wikipedia.org.

[12] K.H.Hssein, I. Muta, T. Hoshino, M. Osakada – Maximum photovoltaic power

Tracking: an algorithm for rapidly changing atmosphcric conditions.

[13] Mukund R.Patel, Ph.D.,P.E – Wind and solar Power Systems.

[14] Kyocera Solar Inc. Solar Water Pump Applications Guide 2001.

[15] Jeyraj Selvaraj and Nasrudin A. Rahim’Multilevel Inverter For Grid-

Connected PV System Employing Digital PI Controller’ IEEE TRANSACTIONS

ON INDUSTRIAL LECTRONICS, VOL. 56, NO. 1, JANUARY 2009 .

[16] Syafrudin Masri, Pui-Weng Chan ‘Development of a microcontroller – based

boost converter for photovoltaic system’ ISSN 1450-216X Vol.41 No.1 (2010).

[17] H.Stephen Stoker, Spencer L. Seager, Robert L.Capener.

[18] Martin Mc Phillips: The solar age, Everest House Publishers, New Press, 1979.

65

[19] H.P. Garg:Trease on Solar energy, Vol. 1, Fundamentals of solar energy, John

Wiley and Sons, New York 1982.

[20] Hart, Daniel W.Introduction to Power Electronics Prentive Hall In. 1996.