THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BÁM CHO MODULE PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Đồ án Tốt Nghiệp - THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BÁM CHO MODULE PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

LỜI CẢM ƠN

Qua một thời gian nghiên cứu và thưc hiện, đến nay đồ án tốt nghiệp với đềtài: “THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BÁM CHO MODULE PINNĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI” do giảng viên -Thạc sĩ Đoàn Văn Điện hướngdẫn đã được hoàn thiện Trong suốt thời gian nghiên cứu và theo đuổi đề tài,chúng em đã gặp một số vướng mắc nhất định và đã nhận được nhiều sự giúp

đỡ nhiệt thành và quý báu

Trước tiên, cho phép chúng em gửi lời cảm ơn sâu sắc tới giảng viên - Thạc

sĩ Đoàn Văn Điện đã tin tưởng giao đồ án, chỉ đạo và hướng dẫn tận tìnhtrong suốt quá trình thực hiện đề tài

Chúng em xin được bày tỏ lòng cảm ơn chân thành tới các giảng viênNguyễn Thành Long, Nguyễn Ngọc Minh đã tạo điều kiện thuận lợi chochúng em được làm việc tại phòng thí nghiệm đo lường và điều khiển gópphần quan trọng để hoàn thiện đề tài

Chúng em cũng xin được gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo trong khoaĐiện-Điện tử, các anh chị lớp ĐK1, các bạn sinh viên lớp ĐK2 đã động viên,góp ý, tạo điều kiện thuận lợi nhất giúp cho chúng em được hoàn thành đề tàiđúng tiến độ được giao

Đây là một đề tài mới ở Việt Nam trong khi năng lực của nhóm còn hạnchế nên việc tìm thêm nhiều tài liệu làm giàu cho đồ án còn thiếu sót Chúng

em rất mong nhận được nhiều hơn nữa ý kiến phê bình của các thầy cô giáo,

sự chia sẻ tài liệu của các bạn sinh viên để chúng em có thể hoàn thiện hơnkiến thức của mình

Chúng em xin chân thành cảm ơn

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

MỤC LỤC 2

MỞ ĐẦU 5

PHẦN 1 NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 8

1.1 Cấu trúc và nguồn năng lượng Mặt Trời 8

1.1.1 Cấu trúc Mặt Trời 8

1.1.2 Năng lượng Mặt Trời 10

1.1.3 Phổ bức xạ Mặt Trời 11

1.2 Bức xạ của năng lượng Mặt Trời và đo lường bức xạ năng lượng Mặt Trời 14

1.2.1 Phổ bức xạ năng lượng Mặt Trời 14

1.2.2 Đo lường bức xạ năng lượng Mặt Trời 15

PHẦN 2 PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG NGUỒN PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 16

2.1 Mở đầu 16

2.2 Cơ sở pin năng lượng Mặt Trời 17

2.3 Pin Năng lượng Mặt Trời - Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 20

2.3.1 Cấu tạo 20

2.3.2 Nguyên lý hoạt động 21

2.3.3 Sơ đồ tương đương và các đặc trưng quang điện 22

2.4 Hệ thống nguồn pin năng lượng Mặt Trời 23

PHẦN 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BÁM CHO MODUL PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 26

3.1 Đặt vấn đề 26

3.2 Ý tưởng thiết kế và thiết bị hiện có 27

3.2.1 Ý tưởng thiết kế 27

3.2.2 Thiết bị hiện có 28

3.3.1 Giới thiệu vi chíp LM339 30

3.3.2 Thiết kế mạch điều khiển 33

3.4 Thiết kế mạch cấp nguồn hệ thống hoạt động 36

3.5 Bộ tích trữ năng lượng(Ắc quy) 38

3.5.1 Quá trình hoá học trong ắc quy Chì/ Acid 39

3.5.2 Các sự cố thường gặp ở ắcquy và cách khắc phục 39

3.5.3 Bộ điều khiển nạp cho ắc quy 41

3.6 Bộ nghịch lưu điện áp 43

3.6.1 Tính toán và thiết kế mạch lực 44

3.6.2Tính toán và thiết kế mạch điều khiển 46

PHẦN 4 TÌM HIỂU PHÀN MỀM LABVIEW, CARD PCI-1710, ỨNG DỤNG CÔNG CỤ ĐO LƯỜNG ẢO - LABVIEW ĐO BỨC XẠ MẶT TRỜI, ĐO SỨC GIÓ, ĐO ĐỘ ẨM… 50

4.1 Tổng quan hệ thống đo lường ảo Labview 50

4.2 Các thành phần của Labview ứng dụng 52

4.2.1 Bảng giao diện (The Front Panel) 52

4.2.2 Sơ đồ khối (The Block Diagram) 54

4.2.3 Biểu tượng và ô vuông đầu nối 56

4.3 Những công cụ lập trình LabVIEW 56

4.3.1 Tools Palette 56

4.3.2 Bảng điều khiển (Controls Palette) 58

4.3.3 Bảng các hàm chức năng (Function palette) 60

4.4 Giới thiệu Labview 8.5 68

4.4.1 Nền tảng kiểm tra và đo lường tự động 68

4.4.2 LabVIEW 8.5 70

4.5 Giới thiệu Card PCI-1710 71

4.5.1 Khái quát chung 71

4.5.2 Bảng mô tả tín hiệu kết nối vào / ra : 73

4.6 Sử dụng phần mềm Labview phiên bản 8.5 đo bức xạ năng lượng Mặt

Trời tác động lên hệ thống 77

4.6.1 Front Panel – Giao diện 77

4.6.2 Block Diagram – Sơ đồ khối 78

6.6 Đo sức gió 81

6.6.1 Năng lượng gió 81

6.6.2 Thiết kế máy đo sức gió 82

6.7 Đo độ ẩm không khí() 83

PHẦN 5 KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ 83

5.1 Kết luận 83

5.2 Kiến nghị 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO 85

MỞ ĐẦU

Nhân loại đang sống trong thế kỷ thứ 21- kỷ nguyên của sự phát triển vượtbậc về khoa học công nghệ và ứng dụng các thành quả công nghệ mới Đồnghành cùng sự phát triển này là sự tiêu tốn các nguồn năng lượng không tái tạo

là dầu mỏ, than đá, điện năng

Bên cạnh sự phát triển mạnh mẽ đó nhân loại cũng đang phải đối mặt vớinhiều nguy cơ do sự phát triển đó mang lại như hiệu ứng nhà kính, ô nhiễmmôi trường, thiên tai, địch hoạ Theo ước tính của Liên Hợp Quốc thì trongvòng một trăm năm qua nhân loại đã sử dụng khoảng 30% tổng trữ lượng dầu

mỏ mà thế giới có được và dự báo trong vòng 30 năm tiếp theo thì nhu cầunày sẽ tăng lên gấp ba(số liệu tính đến tháng 5 năm 2008), tuy nhiên đối vớimỗi quốc gia và vùng lãnh thổ thì nhu cầu về năng lượng là không thể không

có và nó là điều kiện tiên quyết cho sự phát triển của bản thân quốc gia đó,đặc biệt là đối với các quốc gia đang phát triển Vì thế, ý thức về việc sử dụngnăng lượng hợp lý, tiết kiệm đã dần trở thành nhu cầu ở mỗi quốc gia và đòihỏi các quốc gia phải có những biện pháp tích cực để sử dụng năng lượngđược hợp lý nhất?

Để có thể làm được việc này, thì bên cạnh việc sử dụng và quản lý nhu cầunăng lượng hợp lý thì việc nghiên cứu, phát triển, ứng dụng và sử dụng cácnguồn năng lượng mới như năng lượng hạt nhân, năng lượng gió, năng lượngMặt Trời là vô cùng bức thiết bởi sự dồi dào, sẵn có và đặc biệt là không gây

ô nhiễm môi trường của các nguồn năng lượng này

Đối với năng lượng Mặt Trời nói riêng thì nhân loại đã nghiên cứu và ứngdụng nó từ những năm 40 của thế kỷ trước để chế tạo các Pin Mặt Trời cungcấp năng lượng cho các vệ tinh nhân tạo Tuy nhiên phải đến những năm 70,sau cuộc khủng hoảng dầu lửa đầu tiên trên thế giới thì việc nghiên cứu, pháttriển và ứng dụng Pin năng lượng Mặt Trời mới được quan tâm thực sự và đã

phát triển mạnh mẽ từ đó đến nay Ở các nước phát triển như Đức, Mỹ, NhậtBản thì việc sử dụng năng lượng Mặt Trời thay cho các nguồn năng lượngkhác đã trở nên phổ biến và nhận được nhiều sự ủng hộ Còn với các nướcnghèo hoặc đang phát triển thì việc nghiên cứu, sử dụng các nguồn nănglượng này mới chỉ đạt được các kết quả ban đầu, bởi chi phí ban đầu của một

“HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MỚI” là khá lớn và để có thể thay đổi đượcthói quen sinh hoạt của người dân thì còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố

Riêng ở Việt Nam, các hoạt động nghiên cứu, ứng dụng và sử dụng cácnguồn năng lượng mới và năng lượng tái tạo nói chung cũng như năng lượngMặt Trời nói riêng trong những năm gần đây được triển khai khá mạnh mẽ.Tuy nhiên chưa được sâu rộng và mới chỉ dừng ở quy mô các dự án giành chongười nghèo được chính phủ và các tổ chức nước ngoài tài trợ, còn đối vớiđại đa số người dân thì vẫn không muốn sử dụng nguồn năng lượng này dochưa nhận thức được ích lợi của nó cũng như giá thành chi phí ban đầu là quácao trong khi thu nhập bình quân của người dân lại ở mức thấp? Vì vậy việcnghiên cứu, triển khai cho sinh viên tiếp cận đối với các hệ thống ứng dụngcác nguồn năng lượng mới là việc cần được sớm thực hiện

Mục đích nghiên cứu của đồ án:

Đồ án hoàn thành nhằm thoả mãn ba mục đích chính: Một là thiết kế thànhcông hệ thống điều khiển bám cho Module pin năng lượng Mặt Trời Hai làthiết kế thành công hệ thống đo lường bức xạ năng lượng Mặt Trời, sức gió,

độ ẩm sử dụng công cụ đo lường ảo Labview Ba là tìm hiểu cơ bản về hệthống nguồn năng lượng Mặt Trời, ích lợi mà hệ thống mang lại

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

Đối tượng của đề tài là khá phong phú và có nhiều mảng: đó là Hệ thốngnguồn năng lượng điện Mặt Trời( Bao gồm năng lượng bức xạ Mặt Trời, PinMặt Trời, Bộ tích trữ năng lượng, bộ biến đổi điện áp ) hai là hệ thống điều

để thông qua đó thiết kế hệ thống đo thông lượng bức xạ năng lượng MặtTrời, đo sức gió

Ý nghĩa thực tế của đồ án:

“Hệ thống điều khiển bám cho module pin năng lượng Mặt Trời ” là một hệthống có khả năng tự động điều chỉnh và tạo ra chuyển động tương đối củatấm Pin Mặt Trời so với Mặt Trời, từ đó sẽ cho điện áp ở đầu ra của tấm pin ởmọi thời điểm trong ngày là tương đương nhau, nghĩa là hiệu suất tạo ra điện

áp của hệ thống pin sẽ là cao nhất Bên cạnh đó thì việc thiết kế và đo đạcthành công lượng bức xạ Mặt Trời tác động lên hệ thống, đo độ ẩm, đo sứcgió sẽ là công cụ hữu hiệu để khảo sát thực địa khi lắp đặt hệ thống pin nănglượng Mặt Trời hoặc lấy kết quả để có thể dự báo thời tiết

Nội dung của đồ án:

Để thoả mãn được các mục tiêu nêu trên, đồ án được trình bày trong 5 phầnPhần 1: Năng lượng Mặt Trời

Phần 2: Pin năng lượng Mặt Trời và hệ thống nguồn pin năng

lượng Mặt TrờiPhần 3: Thiết kế hệ thống điều khiển bám cho modul pin năng

lượng Mặt TrờiPhần 4: Tìm hiểu Labview, card PCI-1710, ứng dụng công cụ đo

lường ảo labview đo bức xạ năng lượng Mặt Trời, đo sứcgió, đo độ ẩm

Phần 5: Kết luận – Khuyến nghị

PHẦN 1 NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

1.1 Cấu trúc và nguồn năng lượng Mặt Trời

Năng lượng Mặt Trời là một trong các nguồn năng lượng tái tạo quan trọngnhất mà thiên nhiên ban tặng cho hành tinh chúng ta Đồng thời nó cũng lànguồn gốc của các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, nănglượng các dòng sông… Năng lượng mặt trời có thể nói là vô tận Tuy nhiên

để khai thác, sử dụng nguồn năng lượng này cần phải biết các đặc trưng vàtính chất cơ bản của nó, đặc biệt khi tới bề mặt Trái Đất

1.1.1 Cấu trúc Mặt Trời

Có thể xem mặt trời là một quả cầu khí cách quả đất 1,495.108 km Từ TráiĐất chúng ta nhìn mặt trời dưới một góc mở là 31’59 từ đó có thể tính đượcbán kính của Mặt Trời là R=1,4.106km, tức là bằng 109 lần đường kính TráiĐất và do đó thể tích của Mặt Trời cũng lớn hơn thể tích của Trái Đất khoảng130.104 lần Từ định luật Vạn Vật Hấp Dẫn người ta cũng tính được khốilượng của mặt trời là 1,989.1027 tấn, lớn hơn khối lượng của Trái Đất là33.1014 lần Mật độ trung bình của mặt trời là 1,4 g/cm3, lớn hơn khối lượngriêng của nước khoảng 50% Tuy nhiên mật độ ở các lớp vỏ khác nhau củaMặt Trời rất khác nhau, ở phần lõi do bị nén với áp suất cao nên mật độ có thểlên đến 160g/cm3 nhưng càng xa ra phía ngoài thì mật độ càng giảm và giảmrất nhanh

Một cách khái quát có thể chia mặt trời thành hai phần chính là phần phíatrong và phần khí quyển bên ngoài:

+ Phần khí quyển bên ngoài lại chia thành ba miền khác nhau là Quangcầu, Sắc cầu và Nhật miện

+ Phần bên trong được chia thành ba lớp là tầng đối lưu, tầng trung gian vàlõi Mặt Trời

Từ mặt đất nhìn lên, ta có cảm giác Mặt Trời là một quả cầu lửa ổn định.Thực ra đó là một khối khí khổng lồ, bên trong nó luôn luôn có sự vận độngmạnh mẽ không ngừng, đó là các phản ứng nhiệt hạch vô cùng lớn, sự ẩn hiệncủa các đám đen, sự biến đổi của các quầng sáng và sự bùng phát dữ dội củakhu vực xung quanh các đám đen là các bằng chứng về sự vận động khôngngừng trong lòng Mặt Trời Ngoài ra, bằng kính thiên văn có thể quan sátđược cấu trúc hạt, vật thể hình kim, hiện tượng phụt khói, phát xungsáng luôn luôn thay đổi và rất dữ dội

Về mặt vật chất thì Mặt Trời chứa đến 78,4% khí hydro(H2), Heli(He)chiếm 19,8%, các nguyên tố khác chiếm 1,8 % Năng lượng mặt trời do bức

xạ là khổng lồ, mỗi dây nó phát ra 3,865.1026J tương đương với năng lượngđốt cháy hết 1,32.1016 tấn than đá tiêu chuẩn Tuy vậy nhưng bề mặt của TráiĐất chỉ nhận được một năng lượng rất nhỏ khoảng 17,57.1016J tương đương6.106 tấn than đá.

1.1.2 Năng lượng Mặt Trời

Năng lượng Mặt Trời được sử dụng trên Trái Đất dưới nhiều dạng khácnhau và hình thức khác nhau Thực tế hiện nay, chúng ta sử dụng năng lượngMặt Trời để cấp nhiệt và điện:

+ Năng lượng mặt trời dưới dạng nhiệt: Sinh nhiệt, giữ nhiệt

+ Năng lượng mặt trời dưới dạng điện: Tạo ra Điện năng

Năng lượng Mặt Trời được xác định là sản phẩm của các phản ứng nhiệthạt nhân Theo thuyết tương đối của Einstein và qua phản ứng nhiệt hạch,khối lượng có thể chuyển thành năng lượng Nhiệt độ mặt ngoài của Mặt Trờikhoảng 6000K(độ Kenvin), còn ở bên trong nhiệt độ có thể lên đến hàng triệu

độ áp suất bên trong Mặt Trời lớn hơn 340.108 MPa Do nhiệt độ và áp suấtbên trong Mặt Trời cao như vậy nên vật chất đã nhanh chóng bị ion hoá vàchuyển động với năng lượng rất lớn, chúng va chạm vào nhau và gây ra hàngloạt các phản ứng hạt nhân Người ta đã xác định nguồn năng lượng Mặt Trờichủ yếu do hai loại phản ứng hạt nhân gây ra; đó là các phản ứng tuần hoàngiữa các hạt nhân Cacbon và Nitơ(C-N) và phản ứng hạt nhân proton-proton.Mặt trời là Nguồn năng lượng vô tận mà thiên nhiên ban tặng cho conngười, hiện hữu khắp nơi trên Trái Đất và là người bạn thân thiết của môitrường Vượt trên tất cả các dạng năng lượng khác, hiện nay năng lượng mặttrời đang được chọn là nguồn năng lượng tốt nhất cho tương lai

1.1.3 Phổ bức xạ Mặt Trời

Bức xạ Mặt Trời có bản chất là sóng điện từ, là quá trình chuyển các daođộng điện từ trường trong không gian Trong quá trình truyền sóng, cácvecteur cường độ điện trường và cường độ từ trường luôn vuông góc với nhau

và vuông góc với phương truyền của sóng điện từ Quãng đường mà sóngđiện từ truyền được sau một chu kỳ dao động gọi là bước sóng 

Trong chân không, vận tốc truyền sóng của sóng điện từ đúng bằng tốc độcủa ánh sáng 3.108m/s Còn trong môi trường vật chất, vận tốc truyền củasóng nhỏ hơn và bằng v=c/n, trong đó c là vận tốc ánh sáng, n là chiết suấttuyệt đối của môi trường(n1) Các sóng điện từ có bước sóng trải dài trongmột phạm vi rất rộng từ 10-7nm đến hàng nghìn km

Sóng ngắn

Tia hồng ngoại

Sóng

vô tuyến

Tia nhìn thấy THANG SÓNG ĐIỆN TỪ CỦA BỨC XẠ MẶT TRỜIÁnh sáng nhìn thấy có bước sóng từ 0,4m đến gần 0,8m, chỉ chiếm mộtphần rất nhỏ trong phổ sóng điện từ của bức xạ Mặt Trời Cần chú ý rằng,mặc dù có cùng bản chất là sóng điện từ nhưng các loại sóng điện từ có bướcsóng khác nhau thì gây ra các tác dụng lý, hoá, sinh khác nhau Nói riêngtrong vùng phổ nhìn thấy được, sự khác nhau về bước sóng gây cho ta cảmgiác và màu sắc khác nhau của ánh sáng Khi đi từ bước sóng dài =0,8mđến bước sóng ngắn =0,4m ta nhận thấy màu sắc của ánh sáng thay đổiliên tục từ đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím Mắt người nhạy nhất đối với

ánh sáng màu vàng có bước sóng =580nm Sự phân bố năng lượng đối vớicác bước sóng khác nhau cũng khác nhau

Bảng 1.1.3a sau đây sẽ cho chúng ta thấy quan hệ giữa mật độ năng lượngcủa bức xạ điện từ phụ thuộc vào bước sóng của nó, còn bảng 1.1.3b là mốiquan hệ giữa màu sắc ánh sáng và bước sóng của nó

Bảng 1.1.3a: Phân bố phổ bức xạ Mặt Trời theo bước sóngQuang phổ Bước sóng Mật độ năng lượng

0,28 0,32m

0,32 0,4m

6,978.10-56,978.10-77,864.1062,122.1018,073.101

0,571,555,90

16,3913,3616,68

30,1813,431,93

Sóng vô tuyến

0,1 10,0cm

10,0100,0cm

1,0 20m

Từ bảng trên ta thấy rằng mật độ năng lượng bức xạ Mặt Trời chủ yếu phân

bố trong dải bước sóng từ   0 , 2 m(Tử ngoại C, mật độ 0,57%) đến

1.2.1 Phổ bức xạ năng lượng Mặt Trời

Trái Đất bị bao bọc bởi một tầng khí quyển có chiều dày H khoảng 7991

km, bao gồm các phần tử khí, hơi nước, các hạt bụi, các hạt chất lỏng, chấtrắn và các đám mây, Vì vậy khi bức xạ Mặt Trời xuyên qua lớp khí quyểnđến mặt đất thì năng lượng và phổ của nó bị thay đổi rất nhiều

Ở bên ngoài lớp khí quyển Trái Đất, năng lượng bức xạ Mặt Trời có giá trị

là 1353W/m2( là hằng số) và gọi là hằng số Mặt Trời Phổ của bức xạ MặtTrời là một đường cong liên tục có năng lượng chủ yếu nằm trong vùng cóbước sóng trong khoảng 0,1m đến 0,3m Khi các tia Mặt Trời xuyên vàokhí quyển để đến Trái Đất, gặp các phần tử khí, hơi nước, các hạt bụi, sẽ bịtán xạ, phản xạ và hấp thụ nên một phần năng lượng của nó không tới đượcmặt đất và sự suy giảm năng lượng này do các quá trình vật lý phức tạp gây

ra, đặc biệt là đối với những ngày mây mù, mưa giông thì sự suy giảm còn

xảy ra mạnh hơn nữa Năng lượng bức xạ ở mặt đất nhận được(còn gọi làtổng xạ) gồm hai thành phần: Bức xạ trực tiếp và bức xạ khuyếch tán.

Bức xạ trực tiếp(Trực xạ):Là các tia sáng Mặt Trời đến thẳng mặt đất,

không bị thay đổi hướng khi đi xuyên qua lớp khí quyển Hướng của tia trực

xạ phụ thuộc vào vị trí của Mặt Trời trên bầu trời, tức là phụ thuộc vào thờigian và địa điểm quan sát

Bức xạ khuyếch tán(hay nhiễu xạ): gọi tắt là tán xạ là các thành phần các

tia Mặt Trời bị thay đổi hướng ban đầu do các nguyên nhân như khúc xạ,phản xạ, vì vậy hướng của nhiễu xạ không xác định được

Do các quá trình hấp thụ, tán xạ, phản xạ của tia Mặt Trời xảy ra khi nó điqua lớp khí quyển nên cường độ bức xạ khi tới mặt đất phụ thuộc vào độ dàiđường đi của tia trong lớp khí quyển, độ dài này phụ thuộc vào độ cao củaMặt Trời hay chính xác hơn là khoảng cách từ Mặt Trời đến Trái Đất ở mỗithời điểm trong ngày khác nhau thì cường độ năng lượng bức xạ Mặt Trời làkhác nhau Ví dụ như ở thời điểm 12h trưa, khoảng cách từ Trái Đất đến MặtTrời là ngắn nhất, vì vậy bức xạ năng lượng bị hấp thụ và tán xạ là ít nhất.Còn khi Mặt Trời mọc hoặc lặn thì khoảng cách là xa Trái Đất nhất nên bức

xạ bị hấp thụ và tán xạ là nhiều nhất

1.2.2 Đo lường bức xạ năng lượng Mặt Trời

Ngoài phương pháp xác định cường độ Mặt trời tại một điểm bất kì dựatrên vị trí địa lý (độ cao Mặt trời) trong thực tế người ta đó chế tạo các dụng

cụ đo cường độ bức xạ mặt trời trực tiếp tại điểm cần đo Thiết bị đo bức xạMặt trời thường có 2 loại : đo trực xạ (pyrheliometer, actinometer) và đo tổng

xạ (pyranometer, solarimeter)

Ngày nay người ta dùng các đầu đo hiện đại sử dụng cảm biến hiện đại, cho

độ nhạy và độ chính xác cao hơn rất nhiều

Hình 1.2.2a Trực xạ kế

Hình 1.22b Nhật xạ kế

Hình 1.2.2c Đầu đo bức xạ dùng Sensor

PHẦN 2 PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ

HỆ THỐNG NGUỒN PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

2.1 Mở đầu

Năng lượng mặt trời được coi là nguồn năng lượng sạch và vô tận mà thiênnhiên ban tặng cho chúng ta Một trong những kỹ thuật sử dụng năng lượngMặt Trời là sản xuất điện năng - điện Mặt Trời Để sản xuất điện Mặt Trời

người ta thường sử dụng hai công nghệ: Công nghệ nhiệt Mặt Trời và công nghệ pin Mặt Trời

Trong công nghệ nhiệt Mặt Trời người ta thường sử dụng hệ thống các

gương hộ tụ để thu năng lượng Mặt Trời tạo thành các nguồn nhiệt có mật độnăng lượng cao và do đó có nhiệt lượng rất cao, có thể làm bốc hơi nước ởnhiệt độ và áp suất lớn Hơi sinh ra với áp suất lớn sẽ làm quay các tuabin đểsản xuất điện năng

Trong giới hạn của đề tài chúng em chỉ xin đề cập đến công nghệ pin Mặt Trời Pin Mặt Trời là thiết bị sử dụng biến đổi trực tiếp năng lượng Mặt Trời

thành năng lượng điện nhờ vào các tế bào quang điện Các Panel này còn sảnxuất ra năng lượng chừng nào còn có bức xạ Mặt Trời chiếu tới nó Các hệthống Panel hay Pin Mặt Trời rất đơn giản, không có phần chuyển động,không cần đòi hỏi chăm sóc bảo dưỡng thường xuyên như những hệ thốngkhác, đặc biệt không ô nhiễm môi trường nên đã được quan tâm nghiên cứu,phát triển và ứng dụng ngày càng mạnh mẽ vào khoa học kỹ thuật và cuộcsống Sau đây chúng ta sẽ tìm hiểu đôi chút về cấu tạo, nguyên lý hoạt động

và các đặc trưng cơ bản của Pin Mặt Trời và ứng dụng mạnh mẽ của nó…

2.2 Cơ sở pin năng lượng Mặt Trời

Xét một hệ hai mức năng lượng điện tử E1 và E2 trong đó E1 < E2 .(hình vẽ)Khi chiếu một chùm tia sáng vào mức năng lượng E1, các lượng tử ánhsáng hay còn gọi là Photon có năng lượng là hv( với h là hằng số Planck, và v

là tần số ánh sáng) sẽ bị điện tử hấp thụ và chuyển sang mức năng lượng caohơn là E2. Ta có phương trình cân bằng năng lượng: hv= E2 - E1

Các quá trình lượng tử trong hệ hai mức (a)

và hai vùng năng lượng (b)

a)

b)

Trong các vật rắn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tửvành ngoài nên mức năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng nhỏ

rất sát nhau và tạo thành các vùng năng lượng Vùng năng lượng thấp bị các

điện tử chiếm giữ khi ở trạng thái cân bằng gọi là vùng hoá trị mà bờ trên của

nó có năng lượng Ev Vùng năng lượng ở phía trên tiếp theo hoàn toàn trốnghoặc bị chiếm một phần nhỏ gọi là vùng dẫn, Vùng dưới của vùng có nănglượng Ec Cách ly giữa hai vùng hoá trị và vùng dẫn là một vùng cấm có độrộng năng lượng Eg, trong đó không có mức năng lượng nào cao nhất củađiện tử

Khi chiếu sáng vật rắn có cấu trúc vùng năng lượng nói trên, Photon cónăng lượng hv tới hệ thống và bị điện tử ở vùng hoá trị hấp thụ và nó có thểchuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự do e- , đồng thời để lại ở vùng

hoá trị một lỗ trống có thế coi như “hạt ” điện dương nguyên tố, ký hiệu là h+.

Lỗ trống này có thể di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện

Hiệu ứng lượng tử của quá trình hấp thụ Photon có thể mô tả bằng phươngtrình sau: ev - hvev  e- + h+

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

vùng hoá trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử –lỗ trống là hv= hc/  Eg = Ec

- Ev Từ đó có thể tính được bước sóng giới hạn C của ánh sáng để có thể tạocặp e- - h+

C =

Ev Ec

hc

 = Eg hc =1,24( m)

Eg 

Trong thực tế cá hạt dẫn bị kích thích e- và h+ đều tự tham gia quá trình

“hồi phục”, chuyển động tới bờ của các vùng năng lượng: điện tử e- giảiphóng năng lượng để chuyển tới bờ vùng dẫn Ec , còn lỗ trống tới bờ vùngdẫn Ev Quá trình hồi phục chỉ xẩy ra trong một thời gian rất ngắn, cỡ 10-12 

10-1 giây và gây ra dao động mạng (Photon) Năng lượng bị tổn hao do quátrình hồi phục sẽ là (hv-Eg)

Tóm lại, khi chiếu sáng vật rắn, điện tử ở vùng hoá trị hấp thụ năng lượngphoton hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử-lỗ trống e- - h+ ,tức là đã tạo ra một điện thế Hiện tượng này gọi hiện tượng quang điện trong.Lợi dụng hiện tượng này, người ta đã phát minh ra một loại thiết bị dùng hấpthụ năng lượng Mặt Trời và biến đổi thành năng lượng điện- gọi là Pin MặtTrời! Vậy cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Pin Mặt Trời(Solar cell) nhưthế nào? Ứng dụng của nó ra sao? Và khả năng phát triển của nó như thế nào?Các nội dung sẽ được trình bày lần lượt ở phần dưới

2.3 Pin Năng lượng Mặt Trời - Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

2.3.1 Cấu tạo

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 quang điện trong gọi là Pin MặtTrời(solar cell)

Pin Mặt Trời được sản xuất và ứng dụng phổ biến ngày nay đó là nhờ vàokhả năng tuyệt vời mà nó mang lại cho môi trường khi mà năng lượng điệnđược sản xuất ra bằng chính năng lượng mà tạo hóa đã ban cho con người -năng lượng sạch Mặt Trời

Pin Mặt Trời ngày nay được sản xuất chủ yếu từ vật liệu tinh thể bán dẫnsilicon(Si) có hóa trị 4 Để có vật liệu tinh thể bán dẫn tinh khiết loại n thìngười ta pha vào tinh thể Si tạp chất là Photpho hóa trị 5 gọi là Donor, còn đểtạo ra bán dẫn loại P thì người ta pha vào Si là Bo hóa trị 3 gọi là Acceptor.Đối với pin Mặt Trời làm từ vật liệu tinh thể Si, khi được chiếu sáng thì hiệuđiện thế hở mạch giữa hai bản cực khoảng 0,55V, dòng đoản mạch của nódưới bức xạ Mặt Trời 1000W/m2 khoảng 30mA/cm2.

Ngoài pin làm từ vật liệu tinh thể Si, người ta còn nghiên cứu chế tạo thửnghiệm từ các loại vật liệu khác có nhiều hứa hẹn như hệ bán dẫn hợp chấtnhóm 3-5, như hợp chất đồng-cadimi sunfit(CuCdS), Galium-Arsent(GaAs), tuy nhiên hiện nay việc nghiên cứu và chế tạo các loại pin này mới chỉdừng ở quy mô thí nghiệm

Một hướng khác nhằm nâng cao hiệu suất biến đổi quang điện của pin MặtTrời là thiết kế, chế tạo các pin gồm một số lớp tiếp xúc p-n để tăng cườngkhả năng hấp thụ proton có năng lượng khác nhau trong phổ bức xạ Mặt Trời

2.3.2 Nguyên lý hoạt động

Khi chiếu sáng lớp tiếp xúc p-n, dưới tác dụng của ánh sáng có bước sóngthích hợp và cường độ đủ mạnh, các cặp điện tử - lỗ trống được tạo thành, và

do tác dụng của điện trường tiếp xúc ETX nên các cặp bị tách ra và bị gia tốc

về các phía đối diện tạo ra một suất điện động quang điện Nếu nối các đầubán dẫn p và n bằng một dây dẫn thì trong dây dẫn sẽ xuất hiện một dòng điệngọi là dòng quang điện và cho ở mạch ngoài một công suất hữu ích Suất điệnđộng quang điện xuất hiện trong lớp tiếp xúc pn khi chiếu sáng nó, phụ thuộcvào bản chất vật liệu tạo nên bán dẫn, nhiệt độ lớp tiếp xúc, cường độ bức xạ

và bước sóng của ánh sáng tác động

2.3.3 Sơ đồ tương đương và các đặc trưng quang điện

Như chúng ta đã biết, khi được chiếu sáng, nếu ta nối các bán dẫn p và ncủa một tiếp xúc p-n bằng một dây dẫn, thì pin Mặt Trời phát ra một dòngnăng lượng quang điện Iph Vì thế ta có thể coi pin Mặt Trời tương đương nhưmột nguồn dòng

Lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có tính chỉnh lưu tương đương như một diode, tuynhiên khi phân cực ngược, do điện trở lớp tiếp xúc có giới hạn nên vẫn có mộtdòng điện được gọi là “dòng điện dò” qua nó Để đặc trưng cho “dòng điệndò” qua lớp tiếp xúc p-n người ta đưa vào đại lượng điện trở shun Rsh

Khi dòng quang điện chạy trong mạch, nó phải đi qua các lớp bán dẫn p và

n, các điện cực, các lớp tiếp xúc,… Đặc trưng cho tổng các điện trở của cáclớp đó là một điện trở Rs nối tiếp trong mạch(có thể gọi là điện trở nội củapin Mặt Trời), như vậy một pin Mặt Trời khi được chiếu sáng có sơ đồ tươngđương như sau:

Sơ đồ tương đương của pin Mặt Trời Đường đặc trưng sáng của pin

Từ sơ đồ tương đương trên, áp dụng định luật Kiếchốp I ta có thể viết đượcphương trình đặc trưng sáng Volt-ampe của pin Mặt Trời như sau:

I=I  I D I sh

Trong đó: I: dòng quang điện(A/m2)

2.4 Hệ thống nguồn pin năng lượng Mặt Trời

Hiện nay có hai công nghệ chế tạo nguồn điện pin Mặt Trời thông dụng

Đó là hệ nguồn điện pin Mặt Trời nối lưới và hệ nguồn độc lập Trong hệnguồn pin nối lưới, điện năng một chiều từ dàn pin được biến đổi thành dòngđiện xoay chiều và hoà đồng bộ vào mạng lưới điện công nghiệp, ưu điểm củaloại nguồn này là không phải sử dụng bộ tích trữ năng lượng gây tốn kém và

ô nhiễm môi trường Trong hệ nguồn điện pin Mặt Trời độc lập, người tathường sử dụng cho những vùng không có lưới điện hoặc quy mô hộ gia đình.Công nghệ này phần lớn được ưu tiên sử dụng cho những vùng nông thôn,vùng sâu vùng xa thuộc quốc gia đang phát triển bởi tính gọn nhẹ, công suấtphù hợp và điều khiển, sử dụng dễ dàng Trong giới hạn của đề tài, chúng emchỉ nghiên cứu loại hệ nguồn pin Mặt Trời độc lập

Theo đó, một hệ nguồn pin năng lượng Mặt Trời độc lập được định nghĩa

là một hệ thống các thiết bị bao gồm dàn pin Mặt Trời, bộ tích trữ năng

lượng, bộ biến đổi điện và các tải tiêu thụ(bao gồm tải một chiều và xoaychiều).

Máy phát (tấm

pin) pin Mặt Trời Bộ điều khiển Bộ biến đổi DC - AC Tải AC

AcquyThành phần điều phối năng lượng

Một sơ đồ khối hệ nguồn điện pin Mặt Trời

Tải DC

Dàn pin Mặt Trời gồm một hoặc một số module pin Mặt Trời ghép songsong, nối tiếp hay hỗn hợp với nhau để có công suất điện, hiệu điện thế phùhợp với yêu cầu của các tải tiêu thụ Trong hệ thống nguồn điện pin Mặt Trờithì dàn pin có vai trò chủ đạo và chiếm đến 60% tổng chi phí đầu tư Dàn pinnhận ánh sáng Mặt Trời và biến đổi trực tiếp thành điện năng một chiều, điệnnăng này một phần được sử dụng trực tiếp cho tải tiêu thụ, một phần đượctích trữ năng lượng nhờ bộ tích trữ sau đó được biến đổi thành điện xoaychiều

Bộ tích trữ năng lượng có vai trò quan trọng khi mà các tải tiêu thụ cần cónăng lượng cung cấp một cách liên tục hoặc vào các thời điểm không có nắng.Năng lương mà pin Mặt Trời thu được hay cụ thể là điện áp thu đượckhông ổn định do trời có lúc nắng to, lúc lại âm u, nhiều mây vì thế để có thể

ổn định điện áp hay kiểm soát quá trình nạp điện cho ắcquy thì người ta phảichế tạo bộ điều phối năng lượng Bộ điều phối này có thể tự động nạp choắcquy khi ắc quy thiếu điện và tự động dừng nạp khi ắcquy đã đầy tránh hiệntượng nổ hoặc ảnh hưởng tới tuổi thọ của ăcquy

Các thiết bị sử dụng trong sinh hoạt chủ yếu là các thiết bị điện xoay chiềunhư quạt điện, đèn chiếu sáng, Vì thế để có thể sử dụng chúng từ nguồn điệnmột chiều thu được chúng ta phải sử dụng một thiết bị biến đổi điện năng từmột chiều sang xoay chiều hay còn gọi là bộ nghịch lưu điện áp(inverter).Tất cả các thiết bị điều khiển quá trình phóng-nạp điện cho ắcquy, thiết bịbiến đổi điện…đều có nhiệm vụ chung là phối hợp, điều tiết sự cung cấp vàcân bằng năng lượng trong hệ thống; nên chúng được gọi chung là thành phầncân bằng năng lượng BOS(Balance Of System).

PHẦN 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BÁM CHO MODUL PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Việc định hướng Pin Mặt Trời là công việc cần được quan tâm đặc biệt vì

nó ảnh hưởng trực tiếp đến điện năng do dàn Pin phát ra hàng ngày

Như chúng ta đã biết, Trái Đất phải thực hiện cùng một lúc hai chuyểnđộng, một chuyển động quanh chính trục của nó và một chuyển động xungquanh mặt trời Vì vậy, từ Trái Đất ta có thể coi Mặt Trời “chuyển động”hàng ngày trên bầu trời từ Đông sang Tây và lệch theo hướng Bắc – Nam sovới đường Xích Đạo theo một đường hình sin, đạt vị trí cực bắc ở vĩ độ 23,45vào ngày Hạ Chí(21-6) và đạt vị trí cực nam ở vĩ độ -23,45 vào ngày ĐôngChí(21-12) hàng năm Do vậy phương tới của Mặt Trời đối với một mặt cốđịnh nào đó đặt trên mặt đất biến thiên liên tục và phức tạp

Về mặt lý thuyết, để thu được năng lượng Mặt Trời một cách triệt để, tức làlàm cho lượng bức xạ Mặt Trời chiếu vào dàn Pin là tối đa ở mọi thời điểmtrong ngày thì ta phải làm cho dàn Pin luôn hướng về phía Mặt Trời Muốnvậy dàn Pin phải quay theo hai trục: trục Bắc-Nam để hướng tấm Pin MặtTrời từ Đông sang Tây tương ứng với vị trí hàng ngày của Mặt Trời trên bầutrời; trục Đông-Tây để quay tấm Pin Mặt Trời lên xuống theo hướng Bắc-Nam Hơn thế nữa, khi trời mưa, hệ thống có thể tự nghiêng một góc  để

nước mưa có thể “tự vệ sinh” cho Panel Pin Một hệ thống có thể tự độngđịnh hướng dàn Pin như vậy được gọi là “Hệ thống điều khiển bám chomodul pin năng lượng Mặt Trời”.

3.2 Ý tưởng thiết kế và thiết bị hiện có

3.2.1 Ý tưởng thiết kế

Mục tiêu của hệ thống điều khiển bám cho panel pin năng lượng Mặt Trời

là thiết kế làm sao cho panel này luôn luôn chuyển động tương đối so vớihướng của ánh sáng Mặt Trời, có nghĩa đơn giản là khi Mặt Trời mọc ởhướng Đông vào buổi sáng thì panel phải quay về hướng Đông, khi Mặt Trời

ở đỉnh 12h trưa thì panel cũng phải tự động quay theo sao cho hướng của tiabức xạ là vuông góc với panel pin năng lượng Mặt Trời…nhằm thoả mãnmục tiêu duy nhất là làm sao cho lượng bức xạ thu được ở mọi thời điểmtrong ngày là lớn nhất và cường độ là tương đương nhau

Như vậy, muốn thoả mãn mục đích này, panel trong hệ thống điều khiểnbám này cần có được hai chuyển động: chuyển đông thứ nhất theo trục Bắc-Nam để hướng tấm Pin Mặt Trời từ Đông sang Tây tương ứng với vị trí hàngngày của Mặt Trời trên bầu trời từ sáng đến tối Chuyển động thứ hai làchuyển động theo trục Đông-Tây để quay tấm Pin Mặt Trời lên xuống theohướng Bắc- Nam

Bên cạnh việc thoả mãn yêu cầu về công nghệ, nhóm đồ án đã chú ý thiết

kế đến tính thẩm mĩ, dựa trên việc tham khảo nhiều hình ảnh và đã đưa rahình ảnh ngôi nhà với mái màu xanh lá cây, gợi nên hình ảnh của môi trườngxanh, sạch, biểu tượng của các nguồn năng lượng mới - năng lượng hạt nhân,năng lượng gió và năng lượng Mặt Trời

3.2.2 Thiết bị hiện có

Thiết bị hiện có của nhóm là một panel pin Mặt Trời đa tinh thể Projecta,

có hình dạng tròn, được sản xuất từ các tế bào quang điện đúc bằng silicon,các tế bào này có khả năng phát điện nhiều hơn tế bào của pin Mặt Trời vôđịnh hình trên cùng một diện tích với cùng một cường độ bức xạ ánh sáng.Trên cùng của Panel được phủ một lớp kính gia cường trong suốt giúp bảo vệtấm pin trong mọi thời tiết, đồng thời do có lượng sắt thấp nên cho phép ánhsáng xuyên qua tốt hơn, giảm thiểu lượng ánh sáng phản xạ lại môi trường

Panel hiện có

Thông số kĩ thuật:

Công suất phát 10 WĐiện áp ra Max 18 VĐiện áp ra Min

Đường kính panel 420 mm

3.3 Mạch điều khiển, nguyên tắc hoạt động

3.3.1 Giới thiệu vi chíp LM339

ĐẦU VÀO KHÔNG ĐẢO

Nguồn đơn hoặc kép có dải điện áp rộng.(từ 2V đến 36V với nguồn đơn và

từ ±1V đến ±18V

Dòng cung cấp rất nhỏ (1,1mA) độc lập với điện áp nguồn(1,4mW/một cầu

so sánh ở điện áp 5V)

Dòng vào thuận nhỏ:25nA

Dòng lệch đầu vào thấp:±5nA

Điện áp lệch đầu vào thấp:±1mV

Dải điện áp đầu vào ở chế độ thường bao gồm cả mass(nối đất)

Điện áp bão hòa đầu ra thấp:250mV(I0=4mA).

Điện áp vi phân đầu vào bằng điện áp nguồn

Đầu ra tương thích với các chế độ TTL,DTL, ECL, MOS, CMOS

Những thiết bị này bao gồm 4 bộ so sánh điện áp chính xác với thông sốđiện áp lệch nhỏ, lớn nhất chỉ 2mV với LM339A Tất cả những bộ so sánhnày đều được thiết kế đặc biệt để làm việc được ở nguồn áp đơn với dải điện

áp rộng Chúng cũng có thể hoạt động với nguồn chia áp

Những bộ so sánh này cũng có đặc tính duy nhất, trong đó dải điện áp đầuvào ở chế độ thường bao gồm cả mass mặc dù hoạt động với nguồn áp đơn

3.3.2 Thiết kế mạch điều khiển

Sơ đồ nguyên lý

Sơ đồ mạch đổ đồng board mạch

Sơ đồ bố trí linh kiện

Trước khi cho mạch hoạt đông ta cần điều chỉnh một số thông số sau:

+ Điều chỉnh biến trở VR1 sao cho: khi PC1 và PC2 cùng nhận được lượngánh sáng như nhau thì Led2 bắt đầu tắt(điện áp đầu vào 4 lớn hơn điện áp đầuvào 5 một chút) Như vậy, khi PC1 và PC2 có cùng lượng ánh sáng thì động

cơ sẽ dừng quay

+ Điều chỉnh VR2 sao cho: khi Mặt Trời lặn động cơ sẽ tự động quay vềhướng Đông nhờ RL2 và dừng lại khi gặp công tắc hành trình SW2(Chuẩn bịcho ngày hoạt động mới bắt đầu) Và cũng đảm bảo rằng ban ngày điện ápđầu số 8 lớn hơn đầu số 9 nên Q2 luôn bị khóa Động cơ không thể quay sanghướng Đông mà chỉ có thể quay từ Đông sang Tây

Chú ý: Trong mạch ta thay IC1d bằng một trasistor Q5

Nguyên tắc hoạt động:

- Khi PC1 được chiếu sáng nhiều hơn PC2, điện áp đầu vào 5 lớn hơn đầuvào 4 dẫn đến đầu ra 2 (+) led2 sáng, C3 được nạp từ từ qua R5 R6 và r7được phân cực sao cho đầu 7 lớn hơn đầu 6 đầu 1(+) Q1 dẫn rơle RL1tác động làm động cơ quay chậm từ Đông sang Tây

- Động cơ sẽ dừng quay khi ánh sáng chiếu vào PC1 và PC2 bằng nhauhoặc khi tấm Panel Mặt Trời chạm vào công tắc hành trình SW1 Như vậy đểđảm bảo là Panel sẽ luôn nhận được ánh sáng Mặt Trời một cách trựcdiện(Nghĩa là đã đảm bảo yêu cầu điều khiển bám)

- Khi trời bắt đầu tối hoặc khi trời có mưa, âm u thì điện áp ở chân số 9 lớnhơn chân số 8 nên động cơ sẽ tự động quay về phía Đông chuẩn bị chochuyển động bám của một ngày mới

Các sự cố của hệ thống và cách khắc phục:

- Vì một lý do nào đó mà PC2 có lượng ánh sáng lớn hơn PC1(như mưa cósấm chớp, do đèn chiếu ) thì động cơ vẫn cứ đứng yên vì RL1 và RL2 không

bị tác động

- Vào ban đêm, khi có ánh sáng vào PC1 mà không chiếu vào PC2 thì cũngkhông ảnh hưởng gì(nghĩa là giữ nguyên trạng thái) vì trước đó ta đã điềuchỉnh cho VR2 để Q5 dẫn, dòng điện từ chân 1 sẽ qua Q5 mà không qua Q1

 động cơ không thể quay sang Tây

3.4 Thiết kế mạch cấp nguồn hệ thống hoạt động

Khi đặt ngoài trời, “Hệ thống điều khiển bám” sẽ phải tự cung cấp nănglượng cho mình Muốn vậy thì năng lượng thu được từ pin đặt ngoài trời sẽnạp cho ắc quy Năng lượng được tích trữ này, một phần được cung cấp chomạch điều khiển thông qua mạch cấp nguồn, một phần thì cấp trực tiếp chođộng cơ hoạt động

Sơ đồ mạch nguyên lý

Sơ đồ board mạch:

Sơ đồ bố trí linh kiện:

3.5 Bộ tích trữ năng lượng(Ắc quy)

Trong hệ thống nguồn pin năng lượng Mặt Trời cĩ một thành phần rất quantrọng gĩp phần tạo nên hệ thống nguồn năng lượng Mặt Trời hồn chỉnh đĩ là

bộ tích trữ năng lượng Vào ban ngày, khi cĩ nắng thích hợp, điện năng thuđược từ tấm pin sẽ được tích vào bộ tích trữ này, vào ban đêm hoặc khi trờimưa khơng cĩ ánh nắng(nghĩa là khơng cĩ năng lượng phát ra từ tấm pin)năng lượng này được lấy ra cung cấp cho tải tiêu thụ

Trong hệ thống nguồn pin năng lượng Mặt Trời độc lập phổ biến hiện naythì năng lượng phát ra từ tấm pin chủ yếu được tích trữ vào các bộ ắcquy cĩdung lượng phù hợp Trên thực tế cĩ rất nhiều loại ắcquy khác nhau với cấutạo, chủng loại, mẫu mã đa dạng phù hợp với các hệ thống khác nhau Tuynhiên loại ắc quy hay được sử dụng nhiều nhất là ắc quy Chì/ Acid(ắc quynước)

3.5.1 Quá trình hố học trong ắc quy Chì/ Acid.

Trong một ắcquy cĩ các hệ thống bản cực dương và âm Bản cực dươngđược phủ một lớp bề mặt là PbO2, cịn bản cực âm thì được phủ lớp chì xốpnguyên chất Pb Dung dịch điện phân là axit sunfuric H2SO4

Khi ắcquy làm việc, tức là khi nĩ được nạp hoặc phĩng điện sẽ tạo ra cácphản ứng hĩa học :

2 4 2

4

Ở bản cực dương xảy ra các phản ứng:

O H PbSO e

SO H

PbO 2 nạp phóng điện điện 4 2

4

2  4    2    2

Kết quả chung của các phản ứng trên là

O H PbSO SO

H Pb

PbO2   2 2 4 nạp phóngđiện điện2 4  2 2

3.5.2 Các sự cố thường gặp ở ắcquy và cách khắc phục

- Nạp quá no: Sự nạp điện quá no cho ắcquy gây ra sự ăn mòn cực điện và

sự tạo khí quá mạnh làm bong, rung hoạt chất ở các bản cực Các hoạt chất bịbong ra, rơi xuống đáy bình làm đoản mạch các bản cực Trong quá trình nạp

sẽ gây ra sự tạo khí(H2 và O2 ) vì thế nếu thường xuyên nạp quá no mà không

có thiết bị cảnh báo hoặc tự động dừng thì rất có thể gây cháy, nổ Sự nạp quá

no cũng gây sự tăng nhiệt độ ắcquy làm hư hỏng các bản cực và các tấm cáchđiện và làm hơi nước bị bay hơi nhiều, dẫn đến giảm dung lượng của ắcquy

- Nạp chưa đủ: nếu ắcquy thường xuyên bị nạp chưa đủ no, mà biểu hiệncủa hiện tượng đó là trọng lượng riêng của dung dịch thấp và màu của các bảncực ngày càng sáng hơn , cong vênh, bị sunfat hoá sẽ nhanh chóng làm hỏngắcquy và phải thay thế Vì vậy, khi sử dụng phải chú ý đến quá trình nạp saocho ắcquy đủ điện 100% dung lượng mới dùng hoặc cất dữ

- Các cực và đầu dây nối bị han gỉ, ăn mòn: Hiện tượng này rất hay xảy rađối với các đầu cực của ắcquy nối với các dây dẫn do không được bảo quảncẩn thận Chỗ han gỉ này gây ra các sự cố như không tiếp xúc điện khi nạp vàphóng điện của ắcquy Khi phát hiện sự cố này phải dùng bàn chải sắt đánhsạch sau đó rửa bằng dung dịch amoniac loãng để trung hoà acid sau đó rửalại bằng nước sạch, lau khô, sau đó đấu nối dây và phủ lên nó một lớp dầu mỡcách điện

- Sự mất nước: Trong quá trình nạp điện, đặc biệt là ở giai đoạn cuối, khidung lượng của ắcquy đã đạt gần 100% thì các phản ứng hoá học xảy ra rấtmạnh ở bản cực âm có phản ứng tạo khí H2 thoát ra như sau:

2H+ +2e-  H2 

Còn ở cực dương xảy ra các phản ứng tạo oxy:

SO42- + 2H2O  H2SO4 + 2e- + 1/2 O2 

Kết quả của hai phản ứng trên là: H2O H2  + 1/2 O2 

Như vậy nước bị mất đi trong quá trình nạp điện và ta thấy dung dịch trong

ắc quy cạn dần vì thế trong quá trình sử dụng nên chú ý tra dung dịch định kỳđồng thời trong quá trình nạp ắc quy nên chú ý đến phương pháp nạp điện chophù hợp như nạp bằng hai bước, nạp chậm, thiết kế bộ điều khiển nạp,

3.5.3 Bộ điều khiển nạp cho ắc quy

Như đã nói ở trên, để có thể điều tiết được quá trình nạp điện của ắcquy saocho phù hợp, tăng tuổi thọ của ắc quy thì người ta phải thiết kế một bộ điềukhiển nạp điện Bộ điều khiển này có thể tự động nạp cho ắcquy Khi dunglượng đầy thì tự động ngắt hoặc khi ắc quy phóng điện dưới mức chophép(phóng điện sâu)thì cũng tự động dừng lại

Đối với hệ nguồn điện pin Mặt Trời độc lập thì bộ thiết kế bộ điều khiểnnạp lại càng cần thiết hơn do năng lượng Mặt Trời thu được ở từng thời điểm

là không đồng đều, có lúc rất mạnh có thể đạt công suất nạp cực đại nhưngcũng có lúc lại xuống thấp do có mây mù hoặc mưa giông Vì vậy bộ điềukhiển nạp sẽ điều tiết điện áp sao cho phù hợp với điện áp cần nạp cho ắcquy.Khi thiết kế bộ điều khiển nạp cho ắcquy thì cần quan tâm những thông sốsau:

+ Ngưỡng điện thế cắt trên Vmax: Là giá trị điện thế trên hai cực của ắcquy

đã được nạp điện no, dung lượng đã đạt 100% Khi đó nếu ta tiếp tục nạp điện

mà không có thiết bị cảnh báo hoặc khoá tự động thì ắcquy sẽ bị nạp quá no,dung dịch sẽ bị sôi, bay hơi nước và có khả năng còn bị nổ ắcquy Vì thế khi

có dấu hiệu ăcquy đã được nạp no, hiệu điện thế trên các bản cực đạt giá trịV=Vmax thì bộ điều khiển sẽ tự động cắt hoặc hạn dòng từ dàn pin Mặt Trời,sau đó khi hiệu điện thế của ắcquy giảm xuống dưới ngưỡng Vmax thì bộ điềukhiển lại khép mạch cho phép nạp vào ắcquy

+ Ngưỡng điện thế cắt dưới Vmin: Tương tự như trên với Vmin là giá trị điệnthế trên hai cực của ắcquy khi nó phóng điện đến giá trị cận dưới của dunglượng ắcquy(ví dụ đối với ăcquy chì/acid thì ngưỡng Vmin =30%V)

Thiết kế sơ đồ nguyên lý

Board mạch đổ đồng

Hoạt động:

Khi điện áp ra của ắc quy thấp hơn điện áp định mức(U =12V), Diode