THIẾT KẾ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI CẤP ĐIỆN PHỤC VỤ CHO KHU TỰ HỌC B10 Ở ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HCM VÀ BỘ GIẢI NHIỆT BẰNG NƯỚC CHO PIN MẶT TRỜI NHẰM TĂNG HIỆU SUẤT TẤM PIN

HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ BỘ MÔN KỸ THUẬT NHIỆT LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI CẤP ĐIỆN PHỤC VỤ CHO KHU TỰ HỌC B10 Ở ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HCM VÀ BỘ GIẢI N

TĂNG HIỆU SUẤT TẤM PIN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ

BỘ MÔN KỸ THUẬT NHIỆT

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI CẤP ĐIỆN PHỤC VỤ CHO KHU TỰ HỌC B10

Ở ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HCM VÀ BỘ GIẢI NHIỆT BẰNG NƯỚC CHO PIN MẶT TRỜI NHẰM TĂNG HIỆU SUẤT TẤM PIN

GVHD: PGS.TS Nguyễn Thế Bảo SINH VIÊN: Trương Anh Tuấn MSSV: 1713812

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 05 NĂM 2022

NHIỆT BẰNG NƯỚC CHO PIN MẶT TRỜI NHẰM

TĂNG HIỆU SUẤT TẤM PIN

phúc ĐẠI HỌC QUỐC GIA TPHCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP KHOA: CƠ KHÍ

BỘ MÔN: CÔNG NGHỆ NHIỆT LẠNH

1 Đầu đề luận văn: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI CẤPĐIỆN CHO KHU TỰ HỌC B10 – ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HCM VÀ BỘ GIẢINHIỆT BẰNG NƯỚC CHO PIN MẶT TRỜI NHẰM TĂNG HIỆU SUẤT PIN(DESIGNING A SOLAR PANEL SYSTEM FOR B10 SELF-STUDY AREA ATHCM UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND A COOLING SYSTEM FORSOLAR POWER PANEL TO INCREASE THE ELECTRICITY PRODUCTION

OF THE PANEL)

2 Nhiệm vụ:

- Nghiên cứu, tìm hiểu cấu trúc, nguyên lý hoạt động của hệ thống pin mặt trời

- Tính toán thiết kế hệ thống pin mặt trời

- Tính toán và thiết kế bộ giải nhiệt bằng nước cho pin mặt trời

- Tính toán bài toàn kinh tế, hiệu quả của việc sử dụng pin cũng như việc giảinhiệt cho pin

3 Ngày giao nhiệm vụ luận văn: 21/01/2022

4 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 20/05/2022

Nội dung và yêu cầu LVTN đã được thông qua Bộ môn

Ngày……Tháng…….Năm 20…

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH

PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN:

Người duyệt (chấm sơ bộ):………

TĂNG HIỆU SUẤT TẤM PIN

Đơn vị:………

Ngày bảo vệ:………

Điểm tổng kết:………

NHIỆT BẰNG NƯỚC CHO PIN MẶT TRỜI NHẰM

TĂNG HIỆU SUẤT TẤM PIN

Nơi lưu trữ luận văn:………

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự do – Hạnh phúc Khoa: Cơ Khí Tp HCM, ngày …… tháng …… năm 20… Bộ môn: Công Nghệ Nhiệt Lạnh PHIẾU CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP (Dành cho giáo viên hướng dẫn) 1 Họ Và Tên: TRƯƠNG ANH TUẤN MSSV: 1713812 Ngành: Kỹ thuật Nhiệt Lớp: CK17NH1 6 Đề tài luận văn: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI CẤP ĐIỆN CHO KHU TỰ HỌC B10 – ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HCM VÀ BỘ GIẢI NHIỆT BẰNG NƯỚC CHO PIN MẶT TRỜI NHẰM TĂNG HIỆU SUẤT PIN (DESIGNING A SOLAR PANEL SYSTEM FOR B10 SELF-STUDY AREA AT HCM UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND A COOLING SYSTEM FOR SOLAR POWER PANEL TO INCREASE THE ELECTRICITY PRODUCTION OF THE PANEL) 2 Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS NGUYỄN THẾ BẢO 3 Tổng quát về bản thuyết minh: Số trang: 80 Số chương: 5 Số tài liệu tham khảo: 10 Số hình vẽ: 4 Nhận xét của giáo viên hướng dẫn: ………

………

………

………

………

………

………

………

5 Đề nghị:

TĂNG HIỆU SUẤT TẤM PIN

6 Đánh giá chung (bằng chữ: Giỏi, Khá, Trung Bình):…… Điểm:… /10

Ký tên (Ghi rõ họ và tên)

NHIỆT BẰNG NƯỚC CHO PIN MẶT TRỜI NHẰM TĂNG HIỆU SUẤT TẤM PIN

TĂNG HIỆU SUẤT TẤM PIN

NHIỆT BẰNG NƯỚC CHO PIN MẶT TRỜI NHẰM

TĂNG HIỆU SUẤT TẤM PIN

20… Bộ môn: Công Nghệ Nhiệt Lạnh

PHIẾU CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

(Dành cho giáo viên phản biện)

2 Đề tài luận văn: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI CẤP ĐIỆN CHO KHU TỰ HỌC B10 – ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HCM VÀ BỘ GIẢI NHIỆT BẰNG NƯỚC CHO PIN MẶT TRỜI NHẰM TĂNG HIỆU SUẤT PIN (DESIGNING A SOLAR PANEL SYSTEM FOR B10 SELF-STUDY AREA AT HCM UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND A COOLING SYSTEM FOR SOLAR POWER PANEL TO INCREASE THE ELECTRICITY PRODUCTION

OF THE PANEL)

3 Giáo viên phản biện:………

4 Tổng quát về bản thuyết minh: Số trang: 80 Số chương: 5 Số tài liệu tham khảo: 10 Số hình vẽ: 5 Nhận xét của giáo viên phản biện: ………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

TĂNG HIỆU SUẤT TẤM PIN

………

………

………

NHIỆT BẰNG NƯỚC CHO PIN MẶT TRỜI NHẰM

TĂNG HIỆU SUẤT TẤM PIN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

6 Đề nghị: Được bảo vệ: Bổ sung thêm để bảo vệ: Không được bảo vệ 7 Đánh giá chung (bằng chữ: Giỏi, Khá, Trung Bình):…… Điểm:… /10

Ký tên (Ghi rõ họ và tên)

TĂNG HIỆU SUẤT TẤM PIN

LỜI NÓI ĐẦU

Trong tiến trình phát triển của loài người, việc sử dụng năng lượng mặt trời làđánh dấu một cột mốc rất quan trọng từ đó đến nay, loài người sử dụng năng lượngngày càng nhiều, nhất là trong vài thế kỷ gần đây Trong cơ cấu năng lượng hiện nay,chiếm phần chủ yếu là năng lương tàn dư sinh học than đá, dầu mỏ, khí tự hiên Kế lànăng lượng nước thủy điện, năng lượng hạt nhân, năng lượng sinh khối (bio, gas… )năng lượng mặt trời, năng lượng gió chỉ chiếm một phần khiêm tốn Xã hội loài ngườiphát triển nếu không có năng lượng

Ngày nay, năng lượng tàn dư sinh học, năng lượng không tái sinh, ngày càng cạn kiệt,giá dầu mỏ ngày càng tăng, ảnh hưởng xấu đến sự phát triển kinh tế xã hội và môitrường sống Tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế là nhiệm vụ cấp bách của nănglượng thay thế đó phải sạch, thân thiện với môi trường, chi phí thấp, không cạn kiệt(tái sinh), và dễ sử dụng Từ lâu, loài người đã mơ ước sử dụng năng lượng mặt trời.nguồn năng lượng hầu như vô tận, đáp ứng hầu hết các tiêu chí nêu trên Nhiều côngtrình nghiên cứu đã đực thực hiện, năng lượng mặt trời không chỉ là năng lượng củatương lai mà còn là năng lượng của hiện tại

Hiện nay năng lượng mặt trời đã được khai thác và đưa vào ứng dụng trong cuộc sốngcũng như trong công nghiệp dưới nhiều dạng và hình thức khác nhau, thông thường

để cấp nhiệt và điện Một hệ pin mặt trời sử dụng năng lượng mặt trời cơ bản gồm 2loại: hệ pin mặt trời làm việc độc lập và hệ pin mặt trời làm việc với lưới Tuy nhiênnội dung chủ yếu được giới thiệu trong bài báo cáo này chỉ nghiên cứu các thành phầntrong hệ mặt trời làm việc độc lập

Luận văn tốt nghiệp trình bày bao quát cả một hệ thống pin mặt trời làm việc độc lậpvới đầy đủ các thành phần cần thiết trong hệ Sau đó luận tập trung nghiên cứu sâu hơn

về bộ giải nhiệt nước nhằm để hệ pin mặt trời được làm việc tối ưu nhất

Trong quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp, em đã cũng cố được những kiến thức đãđược học và tiếp thu thêm được một số kiến thức và kinh nghiêm mới về pin mặt trời,quá trình làm luận văn thực sự có ích cho em về nhiều mặt

Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy PGS.TS NGUYỄN THẾ BẢO, người trực tiếp hướng dẫn Luận văn tốt nghiệp cho em trong

suốt thời gian qua Thầy đã luôn tận tâm chỉ bảo, hướng dẫn em giải quyết từ nhữngvấn đề đơn giản đến phức tạp, giúp em hoàn thành Luận văn tốt nghiệp này Xin chúcthầy luôn sức khỏe dồi dào, tinh thần hăng hái để tiếp tục làm tốt công việc giảng dạy

và nghiên cứu của mình

Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến tập thể thầy cô trường Đại học Bách Khoa

TP.HCM nói chung, các thầy cô trong bộ môn Công nghệ Nhiệt Lạnh nói riêng đã

truyền dạy cho em nhiều kiến thức bổ ích trong suốt thời gian em học tập tại trườngcũng như góp phần hỗ trợ em làm thực nghiệm Những kiến thức này chắc chắn sẽtheo em đến tận cuộc đời, làm hành trang cho em xây dựng tương lai Xin chúc sứckhỏe toàn thể quý thầy cô

Đặc biệt hơn, em xin chân thành cảm ơn anh HỒ ĐĂNG HUY đã giúp đỡ em trong

suốt quá trình làm thực nghiệm Tuy thời gian ngắn ngủi, chỉ vỏn vẹn 1 tháng, nhưng

em học được rất nhiều điều từ anh Xin chúc anh hoàn thành tốt quá trình học tập cònlại tại trường cũng như thành công trong công việc sau này

Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè của em, những người

đã bên cạnh, quan tâm em trong quãng thời gian này, đây chính là sự hỗ trợ, nguồnđộng lực to lớn cho em, để em có thể hoàn thành được Luận văn một cách tốt nhất cóthể Xin chúc mọi người luôn đạt được những thành tựu tốt trên con đường sự nghiệpcủa mỗi người

Tuy đã hoàn thành quyển Luận văn tốt nghiệp này nhưng do hạn chế về mặtkiến thức, kinh nghiệm cũng như là thời gian nên sẽ còn một số khuyết điểm trongviệc trình bày, tính toán và nội dung có thể chưa được hoàn thiện, chính vì vậy emmong nhận được sự nhận xét, góp ý của quý thầy cô để giúp em tiếp tục hoàn thiệnkiến thức của mình

Em xin chân thành cảm ơn!

Tp.HCM, ngày….tháng….năm 2022

Sinh viên thực hiện

Trương Anh Tuấn

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn “TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI CẤP ĐIỆNCHO KHU TỰ HỌC B10 – ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HCM VÀ BỘ GIẢI NHIỆTBẰNG NƯỚC CHO PIN MẶT TRỜI NHẰM TĂNG HIỆU SUẤT PIN” bao gồmnhững

công việc sau:

- Tìm hiểu các thông tin liên quan về khu tự học B10: vị trí khu tự học, các thiết

bị điện có trong khu tự học

- Phân tích lựa chọn phương án thiết kế hệ thống pin

- Tính toán, thiết kế hệ thống pin mặt trời và bài toán hiệu quả kinh tế của hệthống này

- Tính toàn, thiết kế hệ thống giải nhiệt pin mặt trời và bài toán hiệu quả kinh tếcủa hệ thống này

Nội dung luận văn:

● Chương 1: Giới thiệu tổng quan về pin mặt trời

● Chương 2: Tính toán, thiết kế hệ thống pin mặt trời cho khu tự học B10

● Chương 3: Tính toán, thiết kế hệ thống giải nhiệt bằng nước cho pin mặt

trời

● Chương 4: Tổng kết và hướng phát triển của đề tài

Mục lục

1.6.3 Hệ thống nối với lưới sử dụng nhiều vi bộ biến tần 30

2.1 Thuật toán đơn xác định kích thước hệ thống điện mặt trời dung

2.2.2 Xác định bức xạ mặt trời trên giàn pin mặt trời 43

2.2.5 Xác định kích thước bộ chuyển đổi điện năng 45

2.2 Tính toán thiết kế hệ thống điện mặt trời cho khu tự học B10 47

2.2.2 Thực hiện tính toán 50

2.2.3 Khảo sát khu vực lắp đặt hệ thống điện mặt trời 55

2.2.4 Bài toán kinh tế về hệ thống pin mặt trời cho khu tự học B10 .56

Chương 3: Thiết kế hệ thống giải nhiệt bằng nước cho pin mặt trời 59

3.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống giải nhiệt 60

3.3.2 Tính toán số lượng béc phun và lựa chọn bơm 63

3.3.3 Xây dựng công thức tính toán nhiệt độ, công suất và thời gian 65

Chương 4: Tổng kết và hướng phát triển đề tài 76

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Một tế bào quang điện làm từ tinh thể silicon 17Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điện mặt trời độc lập 19Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điện mặt trời nối với lưới điện 21Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điện mặt trời nối lưới điện và dự phòng 23

Hình 1.7: Sơ đồ kết nối các bộ phận trong hệ thống điện mặt trời độc lập 29Hình 1.8: Sơ đồ kết nối các bộ phận trong hệ thống điện mặt trời nối lưới 30

Hình 1.11: Balo sử dụng pin mặt trời để tạo sạc điện thoại 32Hình 1.12: Một số hình ảnh về ứng dụng pin mặt trời trong các hoạt động 32

Hình 1.14: So sánh giữa nhiệt độ môi trường xung quanh và nhiệt độ trung bìnhcủa modul PV khi có và không có bộ tản nhiệt

34

Hình 1.15: Hiệu suất điện dựa theo nhiệt độ modul PV 34Hình 1.16: Nhiệt độ modul PV dựa theo bức xạ mặt trời 35Hình 1.17: Mặt cắt ngang của các mô hình bộ thu PVT/AIR Hướng dòng chảyvuông góc với trang

được nghiên cứu trong các điều kiện môi trường tương tự

37

Hình 1.21: So sánh giữa các hiệu suất phun nước tác động tới nhiệt độ modul38Hình 1.22: Hiệu suất lưu lượng nước dựa trên hiệu suất điện của tấm pin mặt trời39

Hình 1.23: Sự thay đổi hiệu suất chuyển đổi cho tấm pin mặt trời với làm mát

40

Hình 1.26: So sánh nhiệt độ pin mặt trời khi có và không có làm mát Fins 41Hình 1.27: So sánh công suất đầu ra pin mặt trời khi có và không có làm mátFins

41

Hình 2.1: Biểu đồ nhiệt độ trung bình theo tháng (dự báo) trong năm 2022 47Hình 2.2: Biểu đồ bức xạ trung bình theo tháng (dự báo) trong năm 2022 48

Hình 2.7: bộ inverter hoà lưới 1 kW Goodwe GW1000-NS 51

Hình 3.1: Đặc tính P-V như một hàm của nhiệt độ Tmcủa PMT [2] 59Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống giải nhiệt PMT 61Hình 3.3: Quá trình biến đổi nhiệt của hệ thống giải nhiệt PMT 62

Hình 3.5: Sơ đồ bố trí béc phun 65Hình 3.6: Bức xạ mặt trời và nhiệt độ tấm pin ghi nhận được vào ngày

Hình 3.10: Máy đo nhiệt độ EXTECH SDL200 72

Hình 3.13: Kết quả đo: a nhiệt độ; b Công suất hai tấm pin; c Công suất bơm 74

Bảng 3.2: Giá trị các thông số tính toán ứng với các nhiệt độ bật bơm khácnhau

61

Chương 1 Tổng quan về pin mặt trời

1.1 Giới thiệu hệ thống cung cấp điện

Hệ thống năng lượng là tập hợp các nhà máy điện, lưới điện và lưới nhiệt đượcnối với nhau liên tục trong quá trình sản xuất, chúng có liên hệ mật thiết với nhau

Hệ thống điện là hệ thống năng lượng không có lưới nhiệt Hay nói cách khác, hệthống điện là hệ thống bao gồm các khâu sản xuất, truyền tải, phân phối và cungcấp điện đến các hộ tiêu thụ

Điện năng là một dạng năng lượng rất phổ biến và quan trọng đối với cuộcsống,điện năng được sản xuất từ các nhà máy được truyền tải và cung cấp cho các

hộ tiêu thụ Trong việc truyền tải tới các hộ tiêu thụ việc thiết kế cung cấp điện làmột khâu rất quan trọng Với thời đại hiện nay,nền kinh tế nước ta đang phát triềnmạnh mẽ theo sự hội nhập của thế giới,đời sống xã hội của người dân được nângcao nên những tiện nghi trong cuộc sống đòi hỏi mức tiêu thụ về điện năng tăngcao, do đó việc thiết kế cung cấp điện không thể thiếu trong xu thế hiện nay

Việc thiết kế cung cấp điện cần phải đáp ứng được các yêu cầu sau:

✔ Độ tin cậy cấp điện: mức độ tin cậy cung cấp điện phụ thuộc vào yêu cầu phụtải với công trình quan trọng cấp quốc gia phải đảm bảo liên tục câp điện ởmức cao nhất, những đối tượng như nhà máy, xí nghiệp, tòa nhà cao tầng…tốtnhất là dùng máy phát điện dự phòng khi mất điện sẽ dùng máy phát

✔ Chất lượng điện: được đánh giá qua hai tiêu chí tần số và điện áp, điện áp trung

và hạ chỉ cho phép khoảng ±5% do thiết kế đảm nhiệm, còn chỉ tiêu tần số do

cơ quan điện lực quốc gia điều hành

✔ An toàn điện: công trình cấp điện phải có tính an toàn cao cho người vận hành,người sử dụng thiết bị và cho toàn bộ công trình

✔ Kinh tế: trong quá trình thiết kế ta phải đưa ra nhiều phương án rồi chọn lọctrong các phương án đó có hiệu quả kinh tế cao

1.2 Giới thiệu năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời, bức xạ ánh sáng và nhiệt từ mặt trời, đã được khai thác bởicon người từ thời cổ đại bằng cách sử dụng một loạt các công nghệ phát triển hơnbao giờ hết Bức xạ mặt trời, cùng với tài nguyên thứ cấp của năng lượng mặt trờinhư sức gió và sức sóng, sức nước và sinh khối, tạo thành hầu hết năng lượng tái

tạo có sẵn trên trái đất Tuy nhiên, chỉ có một phần rất nhỏ của năng lượng mặttrời có sẵn được sử dụng.

Sử dụng năng lượng mặt trời chỉ bị giới hạn bởi sự khéo léo của con người Mộtphần danh sách các ứng dụng năng lượng mặt trời sưởi ấm không gian và làm mát

thông qua kiến trúc năng lượng mặt trời, qua chưng cất nước uống và khử trùng,chiếu sáng bằng ánh sáng ban ngày, nước nóng năng lượng mặt trời, nấu ăn nănglượng mặt trời Điện mặt trời là một ý tưởng lấy năng lượng từ mặt trời và chuyểnthành điện năng cung cấp cho các trang thiết bị phát điện Để thu năng lượng mặttrời, cách phổ biến nhất là sử dụng tấm pin năng lượng mặt trời, ánh sáng mặt trờichiếu vào các tấm pin mặt trời tạo ra nguồn điện 1 chiều DC qua các bộ biến tầnchỉnh thành các nguồn điện xoay chiều AC cung cấp cho các thiết bị điện.

Pin mặt trời, tấm năng lượng mặt trời hay tấm quang điện (Solar panel) bao gồmnhiều tế bào quang điện (solar cells) - là phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một

số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là điốt quang, thực hiện biến đổi năng lượngánh sáng thành năng lượng điện Cường độ dòng điện, hiệu điện thế hoặc điện trởcủa pin mặt trời thay đổi phụ thuộc bởi lượng ánh sáng chiếu lên chúng Tế bàoquang điện được ghép lại thành khối để trở thành pin mặt trời (thông thường 60hoặc 72 tế bào quang điện trên một tấm pin mặt trời) Tế bào quang điện có khảnăng hoạt động dưới ánh sáng mặt trời hoặc ánh sáng nhân tạo Chúng có thểđược dùng như cảm biến ánh sáng (ví dụ cảm biến hồng ngoại), hoặc các phát xạđiện từ gần ngưỡng ánh sáng nhìn thấy hoặc đo cường độ ánh sáng

Hình 1.1: Một tế bào quang điện làm từ tinh thể silicon

Trên bề mặt pin được phủ các đường dẫn bằng kim loại với các nhánh nhỏ hơntoả ra trên bề mặt pin để thu thập electron sinh ra bởi hiệu ứng quang điện

Sự chuyển đổi này thực hiện theo hiệu ứng quang điện Hoạt động của pin mặttrời được chia làm ba giai đoạn:

Đầu tiên năng lượng từ các photon ánh sáng được hấp thụ và hình thành cáccặp electron-hole trong chất bán dẫn.

Các cặp electron-hole sau đó bị phân chia bởi ngăn cách tạo bởi các loại chấtbán dẫn khác nhau (p-n junction) Hiệu ứng này tạo nên hiệu điện thế của pinmặt trời

Pin mặt trời sau đó được nối trực tiếp vào mạch ngoài và tạo nên dòng điện

Các pin mặt trời có nhiều ứng dụng trong thực tế Do giá thành chưa được tối ưu,chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng mà điện lưới khó vươn tới như núi cao,ngoài đảo xa, hoặc phục vụ các hoạt động trên không gian; cụ thể như các vệ tinhquay xung quanh quỹ đạo Trái Đất, máy tính cầm tay, các máy điện thoại cầm tay

từ xa, thiết bị bơm nước Các pin mặt trời được thiết kế như những modul thànhphần, được ghép lại với nhau tạo thành các mảng pin năng lượng mặt trời có diệntích lớn, kết hợp vừa song song và nối tiếp Nối tiếp thì tăng hiệu suất của pin,mắc song song thì tăng áp cung cấp cho phụ tải Thường được đặt trên nóc các tòanhà nơi chúng có thể có ánh sáng nhiều nhất, và kết nối với bộ chuyển đổi củamạng lưới điện Các tấm pin mặt trời lớn ngày nay được lắp thêm bộ phận tự độngđiều khiển để có thể xoay theo hướng ánh sáng, giống như loài hoa hướng dươnghướng về ánh sáng mặt trời

1.3 Sự phát triển về năng lượng mặt trời

Sự phát triển nhanh về công nghệ và liên tục cải tiến của các nhà thiết kế nên giáthành có giảm liên tục từ đầu năm 2009 tạo nên tiến bộ rõ rệt trong lĩnh vực côngnghệ năng lượng sạch Trước những năm 2007 thì việc ứng dụng nguồn nănglượng mặt trời là điều coi là không thực tế Ngày nay thì nó có tính khả thi cao.Thậm chí còn hiệu quả về cả kinh tế và công nghệ Các tấm pin ngày càng nhỏgọn hơn và đa dạng hơn về định mức công suất, chi phí ngày càng thấp hơn Đốinhiều ứng dụng, năng lượng mặt trời dang trở thành phương cách cung cấp điệnnăng có hiệu quả kinh tế cao hơn nhiều phương pháp khác

Với tiến độ phát triển của nghành công nghệ điện hiện nay thì dự đoán đến năm

2030 thì năng lượng mặt trời sẽ thành nguồn điện rẽ nhất, rẽ hơn các năng lượngđược sản xuất trong các nhà máy: nhiệt năng, thủy năng Chúng ta sẽ chứng kiếnnăng lượng mặt trời tích hợp vào các vật dụng, máy móc hằng ngày Năng lượngmặt trởi là thiết bị cấp điện dễ sử dụng, thải cacbon thấp Năng lượng này sẽ cungcấp được những nơi như: sa mạc, các vùng sâu vùng xa Dần thay thế các nguồn

1.4 Cấu hình hệ thống điện mặt trời

1.4.1 Hệ thống độc lập, ngoài lưới điện

Trạm điện mặt trời độc lập là kiểu hệ thống điện mặt trời thông dụng nhất trênphạm vi toàn cầu Mục đích chính là cung cấp điện cho những nơi chưa có lướiđiện kéo tới hay không có nguồn năng lượng khác Hệ thống điện độc lậpthường rất nhỏ, công suất đỉnh không quá 1kw Hệ thống điện độc lập muốn có

kế hoạch về hệ thống điện lớn hơn và quan trọng hơn thì người thiết kế cần cókiến thức cơ bản và kinh nghiệm trong thiết kế nguồn năng lượng mặt trời, nêncần bắt đầu với thiết kế nhỏ và đơn giản

Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điện mặt trời độc lập

Nguyên lý hoạt động:

❖ Từ giàn pin mặt trời (solar cells), ánh sáng được biến đổi thành điện năng,tạo ra dòng điện một chiều (DC Power) Dòng điện này được dẫn tới bộđiều khiển (charge controller) là một thiết bị có chức năng có chức năng tựđộng điều hòa dòng điện từ pin mặt trời và dòng điện nạp cho acquy

(charge controller) sẽ ngưng sạc hoạt sạc ở chế độ duy trì Khi acquy(Battery) cạn thì tự động vào chế độ nạp lại Thông qua bộ đổi điện DC/AC

(Inverter) tạo ra dòng điện xoay chiều chuẩn 220V/50Hz để chạy các thiết

bị trong gia đình như đèn chiếu sáng, quạt, tivi, máy tính, tủ lạnh, máy bơm

Hệ thống này phải cung cấp điện năng hơn công suất phụ tải mà nó cung cấp

để có điện dự trữ xài vào ban đêm khi mà các dãy pannel không thể tạo ra điệnnăng (chỉ tạo ra 1 ít điện năng khi ánh trăng tròn) Mà yếu tố quyết định chính

là các photon trong ánh nắng mặt trời, photon sẽ tăng khi cường độ chiếu sángtăng Để khắc phục sự phụ thuộc này ta cần tính toán kỹ lưỡng thiết kế nănglượng mặt trời của hệ thống này Như địa điểm lắp đặt các dãy pannel mặt trời,hướng của các dãy pannel, điểu chỉnh góc đặt dãy pannel, dự đoán tránh bóngche Công suất của dãy pannel cung cấp phải lớn hơn công suất phụ tải hệthống, để còn điện năng dư đưa vào bình acquy để có điện năng sử dụng vàoban đêm

1.4.2 Hệ thống điện mặt trời nối với lưới điện

Hệ thống này thường được thông dụng ở châu Âu và Hoa Kỳ, do lợi ích rõ rệt

về giảm chi phí lắp đặt và có thêm thu nhập nhờ bán điện lại cho công ty điệnlực Hệ thống điện này thường hoạt động ở các khu có hệ thống lưới điện ổnđịnh Đặc biệt có hiệu quả nhất ở nơi có khí hậu nóng, nhiều ánh nắng, nơi nhucầu điện năng cao điểm trùng với những giờ nắng nóng

Nguyên lý hoạt động:

Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điện mặt trời nối với lưới điện

Mô tả hoạt động: chuyển mạch SW ở vị trí OB

❖ Khi không có mặt trời (buổi tối hoặc khi bị mây che): Các solar panel sẽkhông sản sinh ra điện nên các phụ tải sẽ sử dụng điện từ lưới một cáchbình thường Lúc này chỉ số của W0 sẽ thể hiện đúng chỉ số tiêu thụ

điện năng của phụ tải mà bạn đang sử dụng (W2):

❖ Khi mất điện lưới, hệ thống GTSIA ngưng hoạt động đảm bảo sự an toàncho lưới điện.

Chuyển mạch SW ở vị trí OA: Được sử dụng khi nhà nước chấp nhận mua điện

từ các hộ gia đình có hệ thống điện mặt trời nối lưới

Ưu điểm:

❖ Hệ thống nối với lưới điện, bạn có thể sử dụng điện mặt trời vào ban ngày,điện dư thì dẫn vào lưới điện bán cho công ty điện lực Buổi chiều hoặc tốithì bạn lại sử dụng điện từ công ty điện lực cung cấp vì vậy hệ thống nàythường ít phụ thuộc vào công ty điện lực, giảm được điện mà nhà máy sảnxuất bằng các phương thức gây ô nhiễm môi trường

❖ Không sử dụng bình acquy: giảm đáng kể chi phí đầu tư và bảo dưỡng cho

hệ thống acquy

❖ Khai thác điện năng hiệu quả nhất: từ nguồn năng lượng mặt trời (hoặc gió)

do có cơ cấu nổi bật là thu nhận, biến đổi và bổ xung trực tiếp ngay vàolưới điện không bị tổn hao trên accu dự trữ

❖ Bền vững, lâu dài: Do máy luôn được vận hành song song với lưới điện nênmọi đột biến của tải hay điện áp trên đường dây và nguồn điện đều khôngthể tác động trực tiếp vào máy Tuổi thọ của hệ thống là tuổi thọ của cáclinh kiện điện tử cao cấp có thể lên tới 25 năm

❖ Ứng dụng rộng rãi cho mọi nơi như: các hộ dân, cơ quan, đơn vị đang cóđiện lưới quốc gia

❖ Việc lắp đặt và sử dụng đơn giản, chi phí bảo trì bảo dưỡng thấp, gần nhưbằng không, nên thời gian thu hồi vốn được rút ngắn tối đa và chắc chắntheo dự tính đầu tư ban đầu

Nhược điểm:

❖ Hệ thống này nếu điện lưới bị cắt thì điện năng từ các tấm pin mặt trời cũng

bị cắt, để đảm bảo an toàn cho lưới điện Vì hệ thống này khi kết nối nguồnnăng lượng điện sản xuất từ năng lượng điện từ các dãy pannel mặt trời vớilưới điện quốc gia thì nó giống như hệ thống máy phát nối với lưới điện.Khi đưa công suất điện lên lưới cần phải trung hòa điện và tần sồ để trùngvới lưới điện

Hệ thống này có thể áp dụng tại Việt Nam, những vẫn chưa được phổ biến ởViệt Nam và do hệ thống quản lý điện lực nước ta vẫn chưa chấp nhận muađiện từ nguồn năng lượng mặt trời và năng lượng gió Còn về đồng hồ điện

năng thì vẫn chưa được cho phép quay ngược nên dù có đẩy công suất ngượclên lưới thì vẫn là công ‘phí uổng’.

Nguồn năng lượng mặt trời vẫn đang trong vòng nghiên cứu của Viện Vật Lý

TP Hồ Chí Minh Các chuyên gia năng lượng điện mặt trời của Viện NghiênVật Lý TP Hồ Chí Minh đang kỳ vọng về một dự án năng lượng điện mặt trờitrong tương lai gần theo công nghệ nối lưới điện thông minh SIPV với siêu

công suất - khoảng 250 MWp (bằng nửa công suất của Nhà máy thủy điện TrịAn).

Công nghệ SIPV ưu tiên dùng điện mặt trời, chỉ khi điện mặt trời không đủ,mới cần sự trợ giúp từ điện lưới quốc gia (thiếu bao nhiêu cấp bấy nhiêu,không thiếu không cấp) Ý nghĩa khác của công nghệ là khả năng hỗ trợ phụ tảicho điện lưới quốc gia và hỗ trợ người tiêu dùng có thể mua điện của EVN vàogiờ thấp điểm với giá rẻ Tất cả các chức năng của hệ thống đều được bộ điềukhiển thông minh số hóa và điều hành không cần đến sự can thiệp của conngười Buổi sáng khi mặt trời lên, hệ thống chuyển sang chế độ dùng điện mặttrời và ngắt điện từ EVN Khi có sự cố đường dây của EVN, lập tức hệ thốngchuyển sang dùng mạng điện mặt trời dự phòng từ giàn ắc-quy Từ 22 giờ đêm,

hệ thống điều khiển thông minh ra lệnh cho bộ sạc lưới mua điện giá rẻ củaEVN Khi điện sản xuất từ giàn pin mặt trời dư không dùng hết, phần điện dưthừa lập tức được đưa về dự trữ vào hệ thống tồn trữ năng lượng của tòa nhà

1.4.3 Hệ thống nối với lưới điện và dự phòng

Hệ thống mặt trời nối với lưới điện và đề phòng sự cố- còn gọi là hệ thốngtương tác lưới-kết hợp với hệ thống mặt trời nối với lưới điện và dãy các acquy.Cũng như hệ thống nối với lưới điện, bạn sử dụng điện năng từ các tấm pin mặttrời khi trời nắng và bán điện dư cho công ty điện lực Nhưng khác với hệthống nối với lưới điện, dãy các acquy sẽ cung cấp điện ngay khi lưới điện bịcắt đột ngột, do đó hệ thống của bạn sẽ liên tục có điện

Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điện mặt trời nối lưới điện và dự phòng

Nguyên lý hoạt động:

❖ Đây là sự tích hợp của hai hệ thống thành một hệ thống liên hoàn bao gồm:

Hệ thống on - grid (hệ thống nối lưới): Sản xuất điện năng từ các tấmpin mặt trời (Solar Panel) thành điện 220V AC /50Hz để hòa vào điệnlưới

Hệ thống off - grid (hệ thống độc lập): Lưu trữ điện năng từ các tấm pinmặt trời (Solar Panel) vào Acquy để sẵn sàng biến đổi thành điện220VAC /50Hz để cung cấp cho tải khi không có điện lưới

❖ Khi khởi động hệ thống, Acquy (battery) luôn được ưu tiên nạp điện từ mặttrời cho đến khi đầy Lúc này hệ thống On Grid chưa làm việc

❖ Khi acquy đầy, hệ thống sẽ tự động biến đổi điện DC từ Solar Panel thànhđiện AC 220V để hòa với điện lưới (Điện áp ra của hệ thống có tần số, phatrùng với điện lưới có thể là 1 pha hoặc 3 pha)

❖ Khi mất điện lưới, hệ thống sẽ tự động lấy điện DC từ Acquy và Solar đểbiến đổi thành điện AC 220V cung cấp cho tải ưu tiên

1.4.4 Hệ thống bổ sung lưới điện

Nguyên lý hoạt động:

❖ Bổ sung điện lưới còn gọi là hệ thống điện mặt trời gia dụng cở nhỏ Với hệthống bổ sung điện lưới các tấm pin mặt trời tạo ra điện năng và nạp điệncho ắc quy năng lượng lấy từ các ăc quy sẽ đi qua bộ chuyển đổi (bộ biến

tần) để cung cấp điện cho một hoặc nhiều mạch điện từ bản điện phân phốitrong ngôi nhà khi điện lượng ắc quy xuống đến ngưỡng tới hạn, hệ thống

tự chuyển sang điện lưới khi tấm pin điện mặt trời nạp vào các acquy thì hệthống tự chuyển sang điện mặt trời,

Ưu điểm:

❖ Hệ thống bổ sung điện lưới có hầu hết các ưu điểm của hệ thống nối vớilưới điện dự phòng Hệ thống này sử dụng phổ biến ở những nơi chưa cóchính sách trợ cấp hoặc ưu đãi dành cho trạm điện mặt trời hay hầu nhưkhông có lợi khi bán điện cho công ty điện lực

Nhược điểm:

❖ Hệ thống này bạn không thể bán điện cho công ty điện lực

❖ Cấu tạo phức tạp và xây dựng khó khăn

Nếu hệ thống của bạn có khả năng phát hiện với công suất lớn hơn 1 kW điệntrong 1 giờ, thì hệ thống nối với lưới điện sẽ kinh tế hơn Nếu hệ thống chỉ phátđiện với công suất dưới 1 kW điện trong 1 giờ thì hệ thống bổ sung lưới điện sẽkinh tế hơn Khi công suất phát điện dưới 1 kW thì việc phát lên lưới điện sẽ cótổn hao trên đường dây nhiều hơn là ta có thể phát điện lớn hơn 1kW Thay vì

để tôn hao trên dây dẫn ta tích trữ điện vào các dãy acquy Khi ta có hệ thốngtrên 1kW thì có thể đầu tư quá nhiều vào các dãy acquy để tích trữ đủ nănglượng nên ta có thể gửi bán cho công ty điện lực (nếu có chính sách khuyếnkhích) rồi dùng lúc các dãy pin cung cấp không đủ ta có thể mua lại từ điệnlực

1.5 Các bộ phận trong hệ thống điện mặt trời

1.5.1 Tấm pin mặt trời

Tấm pin mặt trời là phần là phần cốt lõi của hệ thống điện mặt trời Tấm pinmặt trời chính xác là tấm pin quang điện mặt trời, nó tạo ra năng lượng từ ánhsáng mặt trời Năng lượng mặt trời càng mạnh thì công suất nhận được càngcao Hầu hết các tấm pin mặt trời đều gồm các tế bào pin mặt trời ghép lại vớinhau Pin mặt trời thông dụng hiện nay chỉ tạo ra điện áp khoảng 0.5V, do đóphải mắc ghép chúng lại với nhau bên trong tấm pin dể tạo ra điện áp hữudụng Nếu ta dùng đồng hồ đo không tải của tấm pin mặt trời thì ta thấy điện áplên đến 26V, nhưng khi nối với các phụ tải thì nó sụt áp xuống còn lại 14-18V.Nối các pin với nhau có thể tạo ra 1 mảng pin mặt trời Nối nhiều pin như vậyvới nhau giúp bạn tạo ra dòng điện cường độ cao hơn hoặc điện áp cao hơn.Mắc nối tiếp các tấm pin cho phép mảng pin tạo ra điện áp lớn hơn: khoảng 24-28V trong hệ thống độc lập, hoặc vài trăm volt trong hệ thống nối với điệnlưới

Hình 1.5: Sơ đồ các tấm pin mặt trời mắc nối tiếp

❖ Khi nối tiếp nhiều pin với nhau, công suất của toàn hệ thống sẽ tăng, bất

kể mắc nối tiếp hay song song hoặc kết hợp cả hai

❖ Trong mảng pin mắc nối tiếp, ta cộng điện áp của từng pin với nhau vàcộng công suất (watt) của chúng để tính điện áp và công suất cực đạimảng pin đó có thể tạo ra

Mắc song song các pin cho phép mảng pin cung cấp công suất lớn trong khivẫn giữ nguyên giá trị điện áp của từng tấm pin