Với lợi thế là một trong những quốc gia có nhiều sa mạc nhất trên thế giới, nước này đang đầu tư phát triển các công trình phát điện từ năng lượng mặt trời trên sa mạc... Hình 1.4: Nhà
GIỚI THIỆU
Tình hình chung của thế giới về việc sử dụng pin mặt trời
Sản lượng điện mặt trời đã đạt mức kỷ lục 270TWh vào năm 2022, tăng 26% so với năm trước, tổng cộng gần 1300TWh Đây là mức tăng trưởng sản lượng điện lớn nhất trong các công nghệ tái tạo, lần đầu tiên vượt qua năng lượng gió Tốc độ tăng trưởng này phù hợp với dự báo cho giai đoạn 2023 đến 2030, trong bối cảnh hướng tới mục tiêu không phát thải ròng đến năm 2050.
Sự tăng trưởng liên tục về sức hấp dẫn kinh tế của năng lượng mặt trời (Photovoltaic - PV) cùng với sự phát triển mạnh mẽ trong chuỗi cung ứng và hỗ trợ chính sách gia tăng, đặc biệt tại Trung Quốc, Hoa Kỳ, Liên minh Châu Âu và Ấn Độ, dự kiến sẽ thúc đẩy tốc độ tăng trưởng công suất trong những năm tới Do đó, công nghệ điều hướng của điện mặt trời đã được nâng cấp vào năm 2023, chuyển từ mục tiêu “cần nhiều nỗ lực hơn” sang “đi đúng hướng”.
Để duy trì tốc độ tăng trưởng sản lượng điện theo Kịch bản Net Zero, cần đạt mức bổ sung công suất hàng năm cao gấp ba lần so với giai đoạn 2022 đến năm 2030 Điều này đòi hỏi sự nỗ lực và tham vọng chính sách liên tục từ cả khu vực công và tư nhân, đặc biệt trong việc tích hợp lưới điện và giải quyết các thách thức về chính sách, quy định và tài chính.
Hình 1.1: Tỷ trọng công suất điện tích lũy theo các loại công nghệ từ 2010-2027
Dự báo rằng vào năm 2027, công suất lắp đặt điện mặt trời sẽ vượt qua công suất của than đá, trở thành lĩnh vực năng lượng lớn nhất toàn cầu Sự gia tăng này phản ánh xu hướng chuyển dịch sang năng lượng tái tạo và sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ điện mặt trời.
Dự báo cho thấy lũy kế công suất điện mặt trời sẽ tăng gần gấp ba lần, đạt gần 1.500 GW trong giai đoạn tới Nguồn năng lượng này dự kiến sẽ vượt qua khí đốt tự nhiên vào năm 2026 và than vào năm 2027 Công suất điện mặt trời bổ sung hàng năm sẽ tiếp tục gia tăng trong 5 năm tới.
Mặc dù chi phí đầu tư cho quang điện mặt trời hiện nay cao hơn do giá hàng hóa tăng, nhưng đây vẫn là lựa chọn tiết kiệm nhất cho sản xuất điện mới ở nhiều quốc gia Năng lượng mặt trời phân tán, như năng lượng mặt trời mái nhà, dự kiến sẽ phát triển nhanh chóng nhờ vào giá điện bán lẻ cao và các chính sách hỗ trợ ngày càng gia tăng, giúp người tiêu dùng tiết kiệm chi phí hóa đơn năng lượng.
Hình 1.2: Công suất điện mặt trời của một số quốc giá trên thế giới theo đơn vị TWh
Trung Quốc hiện là quốc gia dẫn đầu thế giới về sản xuất điện mặt trời, với công suất đạt 8.430 MW và sản lượng điện lên tới 10 tỷ kWh tại sa mạc Tala.
Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), vào năm 2018, Trung Quốc đã lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời chiếm tới một nửa tổng công suất mới toàn cầu Quốc gia này cũng trở thành nước đầu tiên đạt hơn 100 GW công suất năng lượng mặt trời, tương đương với sản lượng điện của 75 nhà máy năng lượng hạt nhân.
Đến đầu năm 2019, Trung Quốc chiếm 6 trong 10 công ty sản xuất năng lượng mặt trời lớn nhất thế giới Sự thành công trong phát triển các dự án điện mặt trời tại đây phần lớn nhờ vào việc Trung Quốc là nhà sản xuất tấm pin năng lượng mặt trời hàng đầu toàn cầu Hiện nay, sản lượng pin mặt trời của Trung Quốc đã vượt qua mục tiêu lắp đặt năng lượng mặt trời của chính phủ.
Theo báo cáo năm 2021, Trung Quốc đã tiêu thụ năng lượng tái tạo tương đương 750 triệu tấn than, giảm phát thải khoảng 1,95 tỷ tấn CO2 Đến cuối năm 2021, sản lượng điện từ năng lượng tái tạo đạt 2.480 tỷ kWh, chiếm 29,7% tổng sản lượng điện quốc gia, trong đó công suất điện mặt trời đạt 306 triệu kW và sản lượng điện mặt trời là 327 tỷ kWh Năm 2022, Trung Quốc bổ sung hơn 51 GW điện mặt trời quy mô nhỏ, với khoảng 40% tổng công suất đến từ mái nhà và sân vườn, khiến công suất điện mặt trời quy mô nhỏ lắp đặt mới ở Trung Quốc vượt qua tổng công suất điện sạch của bất kỳ quốc gia nào khác.
Cứ 5 tấm pin mặt trời được lắp trên toàn cầu vào 2022, lại có một tấm nằm trên mái nhà người dân hoặc doanh nghiệp Trung Quốc
Trung Quốc sở hữu khoảng 1,2 triệu km² sa mạc, chủ yếu tập trung ở khu vực miền tây với khí hậu khô và hơn 80% số ngày trong năm có thời tiết nắng Với cường độ bức xạ mặt trời cao, Trung Quốc đang đầu tư mạnh mẽ vào các dự án phát điện từ năng lượng mặt trời trên sa mạc, tận dụng lợi thế của mình là một trong những quốc gia có nhiều sa mạc nhất thế giới.
Hình 1.3: Trung Quốc xây nhà máy điện mặt trời khổng lồ trên sa mạc b) Nhật Bản
Nhật Bản khuyến khích người dân tự sản xuất điện mặt trời tại nhà, nhận thức rõ vai trò của năng lượng sạch trong phát triển kinh tế - xã hội Với nền tảng khoa học - công nghệ tiên tiến, nước này đã ban hành Luật Trợ giá (FIT) vào tháng 8/2011 để thúc đẩy điện mặt trời Luật này không chỉ khuyến khích hộ gia đình sản xuất điện mặt trời mà còn hỗ trợ giá điện cho các doanh nghiệp tư nhân đầu tư vào năng lượng tái tạo, từ đó xây dựng các trung tâm điện mặt trời lớn và tập trung.
Năm 2016, Chính phủ Nhật Bản đã đầu tư khoảng 2.300 tỷ yên để hỗ trợ việc mua lại điện mặt trời theo cơ chế FIT với giá cao hơn thị trường, đồng thời giảm giá bán các tấm pin năng lượng mặt trời nhằm khuyến khích người dân tự sản xuất điện tại nhà Điều này cũng thúc đẩy các chính quyền địa phương tham gia, dẫn đến việc xây dựng các trung tâm điện mặt trời lớn và tập trung hơn.
Vào tháng 7/2018, Nhật Bản đã thông qua kế hoạch chiến lược phát triển năng lượng lần thứ 5 với tầm nhìn đến năm 2050, nhằm giảm 26% lượng khí thải vào năm 2030 và đạt mức trung hòa carbon vào năm 2050 Kế hoạch này nhấn mạnh việc duy trì mục tiêu sử dụng đa dạng các nguồn năng lượng.
5 năm 2030, trong cơ cấu nguồn điện, năng lượng tái tạo chiếm từ 22-24%, nhiên liệu hóa thạch 56% và năng lượng hạt nhân từ 20-22%
Cuối năm ngoái, Nhật Bản đã ban hành quy định bắt buộc lắp đặt pin năng lượng Mặt Trời cho các công trình xây dựng quy mô lớn tại Kyoto và Guma Thủ đô Tokyo cũng là thành phố tiên phong trong việc yêu cầu lắp đặt pin năng lượng Mặt Trời cho các công trình nhà ở mới, với mục tiêu giảm một nửa lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính vào năm 2030.
Hình 1.4: Nhà máy điện mặt trời nổi Yukamura tại Nhật Bản
Tình hình chung của việc sử dụng pin năng lượng mặt trời tại Việt Nam
Mặc dù Việt Nam vẫn phụ thuộc nhiều vào nhiên liệu hóa thạch để đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng gia tăng, nhưng trong hai năm qua, quốc gia này đã bắt đầu chuyển hướng sang năng lượng tái tạo (NLTT).
Năng lượng mặt trời là loại năng lượng tái tạo (NLTT) được quan tâm nhiều nhất tại Việt Nam, đặc biệt sau khi chính phủ công bố giá điện hỗ trợ (FIT) vào năm 2017 Từ năm 2018, công suất năng lượng mặt trời đã tăng mạnh từ 105 MW lên hơn 16.500 MW vào tháng 12/2020, biến Việt Nam thành thị trường năng lượng mặt trời lớn nhất Đông Nam Á Hiện tại, Việt Nam đã có 88 dự án điện mặt trời với tổng công suất gần 6.000 MW hòa vào lưới điện quốc gia, chiếm khoảng 10% tổng sản lượng điện của cả nước, vượt xa quy hoạch dự kiến cho năm 2020 là 850 MW và năm 2025 là 4.000 MW.
MW Trong đó, dự án quy mô nối lưới đạt khoảng 4.500 MW, điện mặt trời mái nhà trên 31.570 dự án với tổng công suất là 657,88 MWp
Hình 1.7: Dự án điện mặt trời nổi lớn nhất Đa Mi tại Việt Nam
Nhà máy điện mặt trời Đa Mi được xây dựng trên diện tích 56,65 ha, trong đó 50 ha là mặt nước được sử dụng để lắp đặt các tấm quang điện mặt trời.
Diện tích lắp đặt tấm quang điện tại hồ Đa Mi chỉ chiếm chưa đến 10% tổng diện tích mặt hồ, với khoảng 143.940 tấm pin Poly được sử dụng.
Hệ thống năng lượng mặt trời bao gồm 330 Wp/tấm được lắp đặt trên phao nổi tại nhà máy và 6,65 ha đất liền để xây dựng hệ thống nghịch lưu (inverter), trạm biến áp nâng áp 22/110 kV, cùng với đường dây 110 kV kết nối vào lưới điện quốc gia và các hạng mục phụ trợ khác.
Cuộc đua năng lượng sạch trên thế giới
Với nhiều lợi ích mang lại, ngày càng có nhiều quốc gia trên thế giới đã quan tâm và tham gia cuộc đua điện mặt trời
Singapore là một quốc gia tiên phong trong phát triển năng lượng sạch, đặc biệt chú trọng vào điện mặt trời và điện gió Năm 2016, quốc gia này đã công bố khoản tài trợ hơn 700 triệu USD cho nghiên cứu và phát triển trong khu vực công trong vòng 5 năm để tìm kiếm giải pháp cho sự phát triển bền vững đô thị Để thúc đẩy các dự án điện mặt trời, Singapore cung cấp mức thuế cạnh tranh và phát triển thị trường buôn bán điện, cho phép người tiêu dùng tự do lựa chọn nhà cung cấp điện của mình.
Hình 1.8: Giá điện một số quốc gia trên thế giới năm 2022
Các nhà máy điện mặt trời áp dụng công nghệ Solar Tracking trên thế giới và Việt Nam
Nhà máy điện mặt trời Trung Nam là một trong những dự án điện mặt trời lớn nhất tại Việt Nam, được xây dựng và lắp đặt tại xã Lợi Hải và xã Bắc Phong, huyện Thuận Bắc, tỉnh Ninh Thuận.
- Công suất của hệ thống: 204 MW AC
- Sản lượng điện sản xuất tối đa: khoảng 450 triệu kWh/năm
- Số lượng tấm pin năng lượng mặt trời: hơn 700.000 tấm
- Hệ thống giá đỡ xoay 120 độ, có khả năng tự động xoay và điều chỉnh hướng đón bức xạ mặt trời
Hình 1.9: Nhà máy năng lượng mặt trời Trung Nam tại Ninh Thuận
Dự án Nhà máy Điện Mặt trời Hồng Phong 4 có công suất lắp đặt 48 MWp (40 MW AC), tọa lạc trên diện tích 57,6 ha tại xã Hồng Phong, huyện Bắc Bình, tỉnh Bình Thuận Đây là một trong những dự án tiên tiến nhất, áp dụng công nghệ trục xoay một chiều – tracking system của Ideematec (Đức), giúp tăng sản lượng điện lên đến 25% so với công nghệ giá đỡ cố định Dự kiến, nhà máy sẽ cung cấp khoảng 92 triệu kWh điện mỗi năm.
Hình 1.10: Nhà máy điện mặt trời Hồng Phong 4 tại Bình Thuận b) Thế giới
Nhà máy điện mặt trời Longyangxia, với công suất 850 megawatt, tọa lạc bên sông Hoàng Hà, sử dụng hệ thống tracking mặt trời hai trục Nhà máy này có khả năng cung cấp điện cho 200 nghìn hộ dân.
Hình 1.11: Nhà máy điện mặt trời sử dụng Tracking hai trục tại Trung Quốc
Dự án năng lượng mặt trời Antelope, California: Nhà máy điện 1000 megawatt này sử dụng hệ thống tracking môt trục
Hình 1.12: Nhà máy điện mặt trời sử dụng Tracking một trục tại California
Về luận văn
1.5.1 Mục đích chọn đề tài
Việt Nam, nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa với bức xạ trung bình năm cao và vị trí địa lý thuận lợi, đã phát triển mạnh mẽ trong lĩnh vực năng lượng tái tạo, đặc biệt là điện mặt trời, nhờ vào chính sách khuyến khích của Chính Phủ Đến cuối tháng 12 năm 2021, tổng công suất lắp đặt điện mặt trời tại Việt Nam đạt gần 16.544 MWp, vượt qua một số quốc gia châu Âu và đứng đầu Đông Nam Á Hiện tại, Việt Nam xếp thứ 8 trong top 10 quốc gia có công suất lắp đặt năng lượng mặt trời, chiếm 2,3% toàn cầu.
Một vấn đề lớn trong các hệ thống điện mặt trời tại nhà máy và trang trại hiện nay là việc sử dụng phương pháp cố định theo góc chiếu của tia nắng mặt trời Tuy nhiên, mặt trời di chuyển từ Đông sang Tây hàng ngày và thay đổi góc độ cao trong suốt cả năm, dẫn đến góc chiếu của tia bức xạ mặt trời không ổn định.
tới một mặt phẳng nằm nghiêng được tính theo công thức trong tài liệu [2]:
Trong đó: θ: góc tới của tia bức xạ mặt trời tới mặt phẳng (độ) β: góc nghiêng của tấm pin mặt trời (độ) δ: độ xích vĩ (độ)
L: vĩ độ (độ); tại Thành phố Hồ Chí Minh thì: L = 10,8° h: góc giờ (độ)
𝑍 c : góc phương vị của tấm pin mặt trời (độ)
Từ công thức trên, thấy góc của tia tới sẽ thay đổi 8760 giá trị khác nhau ứng với
Trong một năm có 8760 giờ, việc điều chỉnh hướng tấm pin mặt trời theo tia sáng mặt trời là rất quan trọng Khi tia sáng chiếu thẳng vào bề mặt tấm pin, hiệu suất điện năng sản xuất sẽ được nâng cao đáng kể Mục tiêu chính của nghiên cứu này là phát triển và thử nghiệm hệ thống xoay tấm pin mặt trời nhằm tối ưu hóa công suất phát điện Bài luận văn này sẽ trình bày chi tiết về quá trình và kết quả của nghiên cứu này.
1.5.2 Một số bài báo khoa học trên thế giới
Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc cải thiện cơ cấu điều hướng tấm pin mặt trời có thể tăng công suất phát điện Hussain Mohammad Fahad và các cộng sự đã mô phỏng hiệu quả của hệ thống điều hướng một trục và hai trục tại Bangladesh, cho thấy hệ xoay hai trục hiệu quả hơn 3,96% và 3,44% so với hệ xoay một trục, cả khi có và không xét đến hệ số quang mây Cả hai hệ thống này đều vượt trội hơn so với tấm pin đứng yên, với hiệu suất lần lượt là 36,8% và 32,2% Tương tự, Yongqiang Zhu và nhóm nghiên cứu đã mô phỏng năng lượng bức xạ trên mặt phẳng khi điều hướng theo một trục với nhiều hướng khác nhau, cho thấy hiệu suất hấp thu năng lượng bức xạ mặt trời đạt từ 78,56% đến 96,4%, trong khi mặt phẳng cố định chỉ nhận được 63,46% tổng năng lượng.
Hầu hết các bài báo nghiên cứu trên thế giới chủ yếu chỉ tập trung vào việc mô phỏng và tính toán dựa trên các công thức phụ thuộc vào giá trị góc và phương hướng đã được thiết lập.
Bài luận văn này nghiên cứu và so sánh hiệu quả của ba mô hình hệ thống điều hướng tấm pin mặt trời, bao gồm điều hướng hai trục bằng cảm biến ánh sáng, điều hướng theo dữ liệu tính toán và sử dụng động cơ bước Các nhóm tác giả quốc tế đã thực hiện mô phỏng cho hệ thống tấm pin, nhưng nghiên cứu trong nước vẫn chưa tiến hành đo đạc để so sánh hiệu quả Hầu hết các nghiên cứu trước chỉ thực hiện mô phỏng mà chưa thử nghiệm thực tế với mô hình điều hướng theo góc giờ Bài luận cũng trình bày mô hình thuật toán mô phỏng bằng Simulink trong Matlab để xác thực tính chính xác và độ tin cậy của mô hình thực nghiệm Mục tiêu là nghiên cứu các vị trí lắp đặt tấm pin mặt trời tại Thành phố Hồ Chí Minh và khai thác hiệu quả nguồn năng lượng tái tạo cho các tỉnh thành khác.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Các góc mặt trời – trái đất
Trái đất quay quanh trục của nó trong 24 giờ và hoàn thành một chu kỳ quanh mặt trời trong khoảng 365,25 ngày Quỹ đạo này có hình dạng ellipse với mặt trời là tâm, độ lệch tâm e rất nhỏ, chỉ bằng 0,01673, cho thấy quỹ đạo của trái đất gần như hình tròn Khoảng cách giữa mặt trời và trái đất cũng là yếu tố quan trọng trong sự chuyển động này.
R, tại điểm cận nhật (trái đất gần tâm quỹ đạo nhất) là vào ngày 3 tháng 1 và điểm viễn nhật (trái đất xa tâm quỹ đạo nhất) là vào ngày 4 tháng 7 được chứng minh bởi Grag (1928):
Với a = khoảng cách trung bình giữa mặt trời-trái đất = 149,5985×10 6 km
Trong phương trình (2.1), dấu (+) được áp dụng khi Trái Đất ở vị trí viễn nhật, tức là phần nửa quỹ đạo có bán kính lớn nhất, trong khi dấu (–) được dùng khi Trái Đất ở vị trí cận nhật, nơi có bán kính nhỏ nhất Kết quả từ phương trình này cho thấy khoảng cách tối đa giữa Mặt Trời và Trái Đất là 152,1 triệu km và khoảng cách tối thiểu là 147,1 triệu km, với sự chênh lệch giữa hai giá trị chỉ khoảng 3,3%, như thể hiện trong Hình 2.1.
Hình 2.1: Sự di chuyển theo chu kỳ của trái đất quanh mặt trời hàng năm
Vị trí của mặt trời trên bầu trời thay đổi hàng ngày và theo từng giờ, với sự khác biệt rõ rệt giữa các mùa Trong mùa hè, mặt trời thường ở vị trí cao hơn so với các mùa khác.
Sự chuyển động của mặt trời và trái đất theo quỹ đạo hình ellipse tạo ra sự thay đổi mùa trong năm Trái đất quay quanh mặt trời và tự quay quanh trục của nó mỗi 24 giờ, với trục nghiêng 23,45 độ Mặt trời di chuyển trên bầu trời theo một đường vòng cung, đạt đỉnh vào giữa trưa Tại Bắc Bán Cầu, vào ngày 21 tháng 6, mặt trời ở vị trí cao nhất, tạo ra ngày dài nhất trong năm, trong khi ngày 21 tháng 12 là ngày đông chí với mặt trời ở gần phía nam nhất Vào các ngày xuân phân và thu phân (21 tháng 3 và 21 tháng 9), độ dài ngày và đêm đều là 12 giờ Ở Nam Bán Cầu, ngày hạ chí và đông chí diễn ra vào ngày 21 tháng 12 và 21 tháng 6, tương ứng.
Để nhận năng lượng mặt trời hiệu quả, việc dự đoán chính xác vị trí của mặt trời so với người quan sát trên mặt đất là rất quan trọng Theo góc nhìn của Claudius Ptolemaeus, nhà địa lý, toán học và thiên văn học người Hy Lạp, nếu xem Trái Đất đứng yên và mặt trời xoay quanh nó, sự di chuyển của mặt trời sẽ được hiểu rõ hơn từ quan điểm của người quan sát.
Tại bất kỳ vị trí nào trên Trái Đất, góc độ cao mặt trời (𝛼) và góc phương vị mặt trời (z) sẽ xác định vị trí của mặt trời Để tính toán α và z, cần biết hai thông số quan trọng: độ xích vĩ mặt trời (δ) và góc giờ (h) Độ xích vĩ mặt trời (Declination) là một yếu tố quan trọng trong việc xác định vị trí mặt trời trên bầu trời.
Trái đất có trục xoay nghiêng 23,45 độ so với mặt phẳng quỹ đạo, điều này ảnh hưởng đến độ xích vĩ của mặt trời, thể hiện khoảng cách giữa các tia mặt trời và hình chiếu của chúng lên mặt phẳng xích đạo Độ xích vĩ bắc được đánh dấu dương, trong khi độ xích vĩ nam được đánh dấu âm Sự thay đổi của độ xích vĩ trong năm dao động từ 0 độ đến +23,45 độ tại hạ chí và từ 0 độ đến -23,45 độ tại đông chí.
Hình 2.3: Xác định góc cao, góc giờ và độ xích vĩ mặt trời
Độ xích vĩ mặt trời, ký hiệu δ, là góc thay đổi hàng ngày trong suốt năm, và được xác định bằng công thức với N là thứ tự ngày trong năm Sự biến thiên độ xích vĩ hàng năm thể hiện sự thay đổi này.
365(284 + N)] (2.2) và sự biến thiên của nó được thể hiện qua đồ thị ở Hình 2.5
Hình 2.5: Góc xích vĩ mặt trời Bảng 2.1: Thứ tự ngày trong năm
Tháng Thứ tự ngày Ngày trung bình của tháng
Góc giờ được định nghĩa là góc mà trái đất quay, sao cho đỉnh đầu của quan sát viên tại vị trí đang xét nằm ngay bên dưới mặt trời Hình 2.3 minh họa góc giờ với điểm P đại diện cho quan sát viên, được xác định bởi góc tạo bởi hình chiếu tia OP và hình chiếu của đường nối tâm mặt trời và trái đất trên đường xích đạo Tại 12 giờ trưa, góc ω = 0°, mỗi giờ sau đó góc giờ sẽ giảm 15° vào buổi sáng và tăng 15° vào buổi chiều.
Góc độ cao mặt trời (Solar altitude angle), 𝛂
Góc độ cao của mặt trời là góc giữa tia sáng mặt trời và mặt phẳng ngang, phản ánh độ cao của mặt trời so với mặt đất, như thể hiện trong Hình 2.6 Góc độ cao và góc thiên đỉnh Φ có mối quan hệ phụ thuộc, với công thức α + Φ = 90° Để tính toán góc độ cao tại một vị trí có vĩ độ L, công thức được sử dụng là: sin(α) = cos(Φ) = cos(L) cos(h) cos(δ) + sin(L) sin(δ).
Hình 2.6: Đường đi của mặt trời trên bầu trời
Góc phương vị mặt trời (Solar azimuth angle), 𝐳
Góc phương vị, ký hiệu là z, được định nghĩa là góc giữa tia sáng mặt trời chiếu lên mặt phẳng ngang, tính từ hướng nam trên Bán Cầu Bắc hoặc từ hướng bắc trên Bán Cầu Nam, với hướng tây được coi là dương Công thức tính toán góc phương vị được thể hiện rõ ràng trong bài viết.
Phương trình chỉ đúng khi cos(h) lớn hơn tan(δ) chia cho tan(L) Nếu không, mặt trời sẽ xuất hiện sau đường Đông-Tây, ở nửa mặt phẳng hướng Nam Do đó, góc phương vị vào buổi sáng sẽ có giá trị xác định.
−π + |z| và vào buổi chiều thì sẽ là π − |z| Tất nhiên, vào giữa trưa (12h), mặt trời ở thiên đỉnh nên z = 0°
Giờ mặt trời mọc và lặn và độ dài ngày
Không cần tính toán tất cả các giá trị góc trong 24 giờ, mà chỉ cần xác định các góc tại thời điểm mặt trời mọc (h sr) và lặn (h ss) cùng với độ dài ngày (D).
Vị trí mà mặt trời mọc và lặn trong một ngày sẽ ứng với giá trị góc độ cao α bằng
0 Vì thế, góc mặt trời lặn h ss có thể tìm được bằng cách giải phương trình (2.3) khi α 0° và có giá trị dương tại thời điểm mặt trời lặn sin(0) = cos(L) cos(h) cos(δ) + sin(L) sin(δ) (2.5) Hay cos(h ss ) = − tan(L) tan(δ) (2.6) Bởi vì góc giờ ω tại thời điểm giữa trưa là 0° và mỗi 15° tương đương với 1 giờ, thời gian mặt trời mọc (Hsr) và lặn (Hss) sẽ là:
15cos −1 [− tan(L) tan(δ)] (giờ) (2.7) Tương tự, có thể tính được độ dài ngày là gấp đôi thời gian mọc hoặc lặn của mặt trời
Đặc điểm khí hậu một số nơi trên thế giới và Việt Nam
2.2.1 Thế giới a) Nam Mỹ Chile
Sa mạc Atacama ở Chile được coi là một trong những địa điểm hàng đầu thế giới cho sản xuất điện mặt trời nhờ vào cường độ bức xạ mặt trời cao và bầu trời quang đãng Với trung bình 300 ngày nắng mỗi năm và ít mây che phủ, khu vực này rất lý tưởng cho cả công nghệ quang điện (PV) và năng lượng mặt trời tập trung (CSP).
Hình 2.8: Sa mạc Atacama, Chile
Sa mạc Atacama là địa điểm lý tưởng cho năng lượng mặt trời nhờ vào sự kết hợp của nhiều yếu tố Nằm gần xích đạo (28 độ Nam), Atacama có mật độ năng lượng cao Quan trọng hơn, nơi đây cực kỳ khô cằn, được xem là nơi khô hạn nhất trên Trái đất, với một số trạm thời tiết không ghi nhận bất kỳ giọt mưa nào.
Khu vực cao nguyên Atacama, với độ cao trung bình khoảng 2400 mét (8000 feet) so với mực nước biển, không có mây che phủ, chiếm khoảng 20% lượng hấp thụ khí quyển, dẫn đến mức độ bức xạ mặt trời tăng cao Điều này kết hợp với sự vắng mặt của con người, giảm thiểu ô nhiễm công nghiệp và đô thị, giúp hạn chế mức độ sol khí trong không khí, tạo ra một môi trường lý tưởng cho bức xạ mặt trời.
Sa mạc Atacama, với những điều kiện thuận lợi, đang trở thành trung tâm phát triển các nhà máy điện mặt trời Năm 2022, Chile đã lắp đặt hơn 4.150 MW công suất điện mặt trời, trở thành quốc gia dẫn đầu về năng lượng mặt trời tại Mỹ Latinh Đặc biệt, sa mạc Atacama chiếm hơn 90% tổng công suất điện mặt trời lắp đặt của Chile.
Nhà máy điện mặt trời tập trung Cerro Dominador có công suất 110 MW, cho phép lưu trữ năng lượng mặt trời lên đến 17,5 giờ.
Hình 2.9: Nhà máy điện mặt trời Cerro Dominador ở Maria Elena, Chile
Việc phát triển năng lượng mặt trời ở sa mạc Atacama mang lại một số lợi ích, bao gồm:
Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo và sạch, không phát thải khí nhà kính, giúp Chile giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và giảm thiểu tác động của biến đổi khí hậu.
- Phát triển kinh tế: Ngành công nghiệp năng lượng mặt trời đã tạo ra việc làm và thúc đẩy phát triển kinh tế ở sa mạc Atacama
Năng lượng mặt trời đang đóng vai trò quan trọng trong việc đa dạng hóa cơ cấu năng lượng của Chile, giúp giảm sự phụ thuộc vào nhập khẩu nhiên liệu hóa thạch Điều này không chỉ cải thiện an ninh năng lượng của quốc gia mà còn giảm thiểu rủi ro trước biến động giá năng lượng toàn cầu.
Việc phát triển năng lượng mặt trời tại sa mạc Atacama sẽ tiếp tục gia tăng trong những năm tới, với mục tiêu của Chile là tạo ra 20% điện năng từ các nguồn tái tạo vào năm 2025 Năng lượng mặt trời dự kiến sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc đạt được mục tiêu này.
Trung Quốc sở hữu nguồn tài nguyên bức xạ mặt trời phong phú, với năng lượng trung bình từ 2.250 kWh đến 2.750 kWh trên mỗi mét vuông hàng năm ở hầu hết các khu vực Điều này biến đất nước thành một địa điểm lý tưởng cho việc sản xuất điện từ năng lượng mặt trời.
Năng lượng bức xạ mặt trời trung bình hàng năm ở Trung Quốc đạt 1.700 kWh/m²/năm, cao hơn đáng kể so với mức trung bình toàn cầu Điều này cho thấy rằng các tấm pin mặt trời tại Trung Quốc có khả năng sản xuất điện hiệu quả hơn trên mỗi đơn vị diện tích so với hầu hết các khu vực khác trên thế giới.
Hình 2.10: Mức phân bố bức xạ mặt trời phân bổ theo các tỉnh tại Trung Quốc
Bức xạ mặt trời ở Trung Quốc phân bố đồng đều suốt cả năm, với cường độ cao nhất vào mùa hè Điều này cho phép sản xuất năng lượng mặt trời liên tục, bao gồm cả trong các tháng mùa đông.
Sự phong phú của bức xạ mặt trời ở Trung Quốc là do một số yếu tố, bao gồm:
Trung Quốc, với diện tích lớn thứ ba trên thế giới, nằm giữa vĩ độ 20 và 50 độ bắc, tạo điều kiện lý tưởng để tiếp nhận bức xạ mặt trời.
Trung Quốc sở hữu địa hình đa dạng bao gồm núi, sa mạc và đồng bằng, điều này không chỉ tạo nên vẻ đẹp tự nhiên mà còn làm tăng khả năng phản xạ và tán xạ ánh sáng mặt trời, từ đó gia tăng lượng bức xạ mặt trời đến mặt đất.
Trung Quốc có khí hậu khô, với độ ẩm và độ che phủ mây thấp, tạo điều kiện cho ánh sáng mặt trời dễ dàng xuyên qua bầu khí quyển và đến mặt đất.
Lượng bức xạ mặt trời dồi dào ở Trung Quốc là một nguồn tài nguyên quý giá cho năng lượng sạch và tái tạo Chính phủ Trung Quốc đã tích cực thúc đẩy phát triển năng lượng mặt trời, giúp đất nước trở thành nhà sản xuất tấm pin mặt trời lớn nhất thế giới Nhờ sự hỗ trợ mạnh mẽ từ chính phủ và điều kiện bức xạ mặt trời phong phú, Trung Quốc đang trên đà trở thành một trong những quốc gia dẫn đầu toàn cầu trong lĩnh vực năng lượng mặt trời.
Tấm pin năng lượng mặt trời
2.3.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tấm pin năng lượng mặt trời
Hình 2.13: Cấu tạo của tấm pin năng lượng mặt trời
Một tấm pin mặt trời cơ bản có cấu tạo bao gồm:
1 Khung nhôm: có chức năng tạo ra một kết cấu đủ cứng cáp để tích hợp solar cell và các bộ phận khác lên Với thiết kế cứng cáp nhưng vẫn đảm bảo trọng lượng đủ nhẹ, khung nhôm có thể bảo vệ và cố định các thành phần bên trong trước tải trọng gió lớn và ngoại lực tác động bên ngoài Một số hãng ví dụ như Canadian Solar, thậm chí khung nhôm còn được anode hóa và gia cố thanh ngang để tăng độ cứng cáp cho tấm pin Màu sắc phổ biến của khung nhôm là bạc
2 Kính cường lực: giúp bảo vệ solar cell khỏi các tác động của thời tiết như nhiệt độ, mưa, tuyết, bụi, mưa đá (đường kính 2,5cm trở xuống) và các tác động va đập khác từ bên ngoài Kính cường lực được thiết kế có độ dày từ 2-4mm (đa số là khoảng 3,2-3,3mm) để đảm bảo vừa đủ khả năng bảo vệ và duy trì được độ trong suốt cho tấm pin mặt trời (ánh sáng ít bị phản xạ, khả năng hấp thụ tốt)
3 Lớp Solar cell (tế bào quang điện): pin mặt trời được cấu tạo từ nhiều đơn vị nhỏ hơn là solar cell Những loại pin năng lượng mặt trời thông dụng như mono và poly được làm từ silic, một loại chất bán dẫn phổ biến Trong một cell, tinh thể silic bị kẹp giữa hai lớp dẫn điện (finger và các thanh busbar) Một tế bào quang điện sử dụng hai lớp silic khác nhau, loại N và loại P
4 Lớp màng EVA (ethylene vinyl acetate): còn được được gọi là chất kết dính, là 2 lớp màng polymer trong suốt được đặt trên và dưới lớp solar cell có tác dụng kết dính solar cell với lớp kính cường lực phía trên và tấm nền phía dưới Lớp này còn có tác dụng hấp thụ và bảo vệ solar cell khỏi sự rung động, tránh bám bụi và hơi ẩm Vật liệu EVA có khả năng chịu đựng nhiệt độ khắc nghiệt và có độ bền cực kỳ cao
5 Tấm nền pin (mặt lưng): có chức năng cách điện, bảo vệ cơ học và chống ẩm
Vật liệu chế tạo tấm nền bao gồm polymer, nhựa PP, PVF và PET, với độ dày khác nhau tùy thuộc vào từng hãng sản xuất Hầu hết các tấm nền đều có màu trắng.
6 Hộp đấu dây (junction box): nằm ở phía sau cùng, là nơi tập hợp và chuyển năng lượng điện được sinh ra từ tấm pin năng lượng mặt trời ra ngoài Vì đây là điểm trung tâm nên được thiết kế bảo vệ khá chắc chắn
Các tấm pin mặt trời chuyển đổi quang năng thành dòng điện một chiều (DC), sau đó được biến đổi thành dòng điện xoay chiều (AC) thông qua inverter với thuật toán MPPT (Maximum Power Point Tracking) Nguồn điện AC từ hệ thống pin năng lượng mặt trời được kết nối với tủ điện chính, hòa đồng bộ vào lưới điện hiện có, cung cấp điện song song với nguồn điện lưới Hệ thống ưu tiên sử dụng điện mặt trời, tự động lấy điện từ lưới khi thiếu và phát ngược lên lưới khi thừa, giúp giảm điện năng tiêu thụ từ lưới điện, thể hiện nguyên lý hòa lưới điện mặt trời.
Khi xảy ra mất điện lưới, inverter trong hệ thống năng lượng mặt trời sẽ tự động ngắt kết nối với lưới điện Hành động này đảm bảo rằng hệ thống pin năng lượng mặt trời không phát điện lên lưới, từ đó bảo vệ an toàn cho nhân viên sửa chữa lưới điện.
Hình 2.14: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của tế bào quang điện mặt trời
Khi một photon chạm vào mảnh silic, một trong hai điều sau sẽ xảy ra:
1 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 cao hơn
2 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 hơn
Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó truyền đến các electron trong màng tinh thể, thường là các electron ở lớp ngoài cùng Các electron này thường bị ràng buộc với nguyên tử lân cận, nên không thể di chuyển xa Khi bị kích thích, electron trở thành dẫn điện và có khả năng di chuyển tự do trong lớp bán dẫn Sự kích thích này tạo ra "lỗ trống" do nguyên tử thiếu một electron Lỗ trống này cho phép các electron từ nguyên tử bên cạnh di chuyển để lấp đầy, tạo ra thêm lỗ trống cho các nguyên tử lân cận Quá trình này tiếp tục, khiến "lỗ trống" di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn.
Một photon cần có năng lượng lớn hơn năng lượng kích thích electron lớp ngoài cùng của nguyên tử Với nhiệt độ của mặt trời khoảng 6000°K, silic hấp thụ phần lớn năng lượng mặt trời, dẫn đến việc năng lượng mặt trời chủ yếu chuyển đổi thành năng lượng nhiệt thay vì năng lượng điện có thể sử dụng.
Pin mặt trời, hay còn gọi là tấm năng lượng mặt trời, bao gồm nhiều tế bào quang điện, là các phần tử bán dẫn chứa cảm biến ánh sáng, giúp chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành điện năng Cường độ dòng điện, hiệu điện thế và điện trở của pin mặt trời thay đổi tùy thuộc vào lượng ánh sáng chiếu lên chúng Tế bào quang điện được ghép lại thành khối, thường có 60 hoặc 72 tế bào trên mỗi tấm pin Chúng hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng mặt trời hoặc ánh sáng nhân tạo và có thể được sử dụng như cảm biến ánh sáng, chẳng hạn như cảm biến hồng ngoại.
Hình 2.15: Tế bào quang điện (solar cell)
Hình 2.15 minh họa một tế bào quang điện phổ biến được chế tạo từ tinh thể silicon Bề mặt của pin được trang bị các đường dẫn kim loại cùng với các nhánh nhỏ hơn, nhằm thu thập electron được sinh ra thông qua hiệu ứng quang điện.
Sự chuyển đổi này thực hiện theo hiệu ứng quang điện Hoạt động của pin mặt trời được chia làm ba giai đoạn:
1 Đầu tiên năng lượng từ các photon ánh sáng được hấp thụ và hình thành các cặp electron-hole trong chất bán dẫn
2 Các cặp electron-hole sau đó bị phân chia bởi ngăn cách tạo bởi các loại chất bán dẫn khác nhau (p-n junction) Hiệu ứng này tạo nên hiệu điện thế của pin mặt trời
3 Pin mặt trời sau đó được nối trực tiếp vào mạch ngoài và tạo nên dòng điện
2.3.2 Công nghệ tấm pin hiện nay
MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU HƯỚNG PIN MẶT TRỜI
Điều hướng toàn phần
Cơ chế điều hướng hai trục giúp duy trì tấm pin luôn vuông góc với tia mặt trời, đảm bảo góc tới luôn bằng 0° tại mọi thời điểm.
Để tối ưu hóa hiệu suất của tấm pin mặt trời, cần nâng tấm pin từ vị trí nằm ngang lên một góc nghiêng (𝛽) tương ứng với góc thiên đỉnh (Φ) Bên cạnh đó, góc phương vị của tấm pin (Z s ) cũng cần phải phù hợp với góc phương vị của mặt trời (z).
3.2 Trục nghiêng theo hướng Bắc-Nam với độ nghiêng được điều chỉnh theo ngày Đối với một tấm pin đặt nằm nghiêng và bề mặt hướng về phía Bắc hoặc Nam thì sẽ được điều chỉnh góc nghiêng mỗi ngày sao cho pháp tuyến của nó luôn trùng với chùm tia mặt trời vào lúc giữa trưa Khi đó, phương trình cho góc tới sẽ là: cos(θ) = sin 2 (δ) + cos 2 (δ) cos(h) (3.2) Nếu sử dụng chế độ điều hướng này, ta có thể chấp nhận việc đường pháp tuyến của tấm pin và tia tới mặt trời vào giữa trưa có thể bị lệch đi 4 o bởi vì hệ số góc lúc này rất nhỏ, cos(4°) = 0,988 ≈ 1 Hình 3.2 cho thấy mặt trời hầu hết duy trì khoảng sai lệch không quá 4° vào giữa trưa, trong suốt nhiều ngày liên tục Với gần 70 ngày liên tiếp, tại khoảng thời gian xuân phân hoặc thu phân, độ sai số luôn được giữ trong khoảng chấp nhận liên tục trong 10 ngày Vào thời điểm đông chí và hạ chí sẽ có sự thay đổi nhưng nhìn chung, độ nghiêng của tấm pin mặt trời có thể điều chỉnh với chu kỳ dài, khoảng vài ngày một lần
Hình 3.2: Độ lệch góc trong nhiều ngày liên tiếp tại các thời điểm xuân và thu phân
Trục hướng Bắc-Nam điều hướng theo hướng Đông-Tây
Với một mặt phẳng xoay có trục song song với đường Bắc-Nam và được điều chỉnh liên tục Phương trình cho góc tới là: cos(θ) = cos(δ) (3.3)
Chế độ điều hướng của tấm pin được mô tả trong Hình 3.1(b), với trục tấm pin nghiêng so với trục cực theo góc độ cao Điều này giúp tia mặt trời vuông góc với bề mặt tấm pin tại các thời điểm phân (𝛿 = 0°) Góc nghiêng của tấm pin được tính theo phương trình: tan(β) = tan(L) cos(Z s ) (3.4).
Góc phương vị của tấm pin lúc này:
Z s = tan −1 sin(Φ) sin(z) cos(θ ′ ) sin(L)+ 180C 1 C 2 (3.5) với: cos(θ ′ ) = cos(Φ) cos(L) + sin(Φ) sin(L) cos(z)
C 1 = {0 nếu A = (tan −1 sin(Φ) sin(z) cos(θ ′ ) sin(L)) z ≥ 0
Trục Đông-Tây nằm ngang và điều hướng theo phương Bắc-Nam
Đối với mặt phẳng có trục trùng với đường Đông-Tây nằm ngang, góc tới 𝜃 luôn đạt giá trị tối thiểu, được xác định bởi công thức: cos(θ) = √(1 − cos²(δ) sin²(h)) hoặc cos(θ) = √(sin²(δ) + cos²(δ) cos²(h)) Cách thức hoạt động của mô hình này được minh họa trong Hình 3.1(c).
𝛽, có thể được xác định bởi công thức: tan(β) = tan(Φ) |cos(z)| (3.8)
Góc nghiêng bề mặt tấm pin trong chế độ điều hướng có thể điều chỉnh từ 0° đến 180° Đối với cả hai bán cầu, nếu góc phương vị của mặt trời vượt quá ±90°, điều này cần được lưu ý.
Trục Bắc-Nam nằm ngang và điều hướng theo phương Đông-Tây
Đối với mặt phẳng có trục trùng với đường Bắc-Nam nằm ngang, góc tới 𝜃 luôn được điều chỉnh để đạt giá trị tối thiểu Giá trị này được xác định bởi công thức: cos(θ) = √sin²(α) + cos²(δ) cos²(h) hoặc từ phương trình cos(θ) = cos(Φ) cos(h) + cos(δ) sin²(h).
Cơ chế hoạt động của hệ thống điều hướng được minh họa trong Hình 2.10(d) Góc nghiêng của tấm pin được tính theo công thức: tan(β) = tan(Φ) |cos(Z s − z)| (3.11) Đối với góc phương vị, tấm pin có thể có góc là 90° hoặc -90° tùy thuộc vào giá trị của góc phương vị: nếu z > 0°, Z s sẽ là 90°; nếu z < 0°, Z s sẽ là -90°.
MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM
Mô hình điều hướng tấm pin bằng cảm biến ánh sáng
4.1.1 Cấu tạo a) Phần Cơ khí
Hệ thống sử dụng hai động cơ DC 24V/15W để điều khiển tấm pin theo hai trục thẳng đứng và nằm ngang Khung trên được thiết kế dạng U với bạc đạn hai bên và hai giá đỡ để cố định tấm pin Một trục kết nối với bộ giảm tốc trục vít nhằm tăng momen xoắn và giữ tấm pin ổn định khi ngừng cấp điện Khung dưới có dạng tròn, tăng độ chính xác cho biên độ xoay và sử dụng bộ truyền động dây xích bánh răng để hỗ trợ xoay ngang Bánh răng ăn khớp với dây xích giúp mô hình xoay quanh trục thẳng đứng khi động cơ hoạt động, trong khi lò xo giữ bánh răng luôn khớp với dây xích để đảm bảo hiệu quả hoạt động.
Hình 4.1: Động cơ DC hỗ trợ quay theo trục thẳng đứng
Hình 4.2: Động cơ DC hỗ trợ quay theo trục nằm ngang
Hình 4.3: Mô hình điều hướng tấm pin Mặt Trời bằng cảm biến ánh sánh hoàn chỉnh
Mô hình được điều khiển bằng việc lập trình trên bo mạch Arduino và các linh kiện điện tử được liệt kê ở bảng dưới
Bảng 4.2: Các thiết bị điện sử dụng cho mô hình điều hướng tấm pin Mặt Trời bằng cảm biến ánh sáng
Cảm biến ánh sáng bằng các tấm pin mặt trời nhỏ được hoạt động dựa trên sự chệnh lệch giá trị điện áp giữa các tấm pin
Hình 4.4: Cảm biến ánh sáng bằng tấm pin Mặt Trời
Sự chênh lệch điện trở dựa trên thuật toán đã được thiết lập trên mạch Arduino UNO R3 Mạch
Arduino UNO R3 tiếp nhận và xử lý thông tin từ cảm biến ánh sáng qua tấm pin Mặt Trời, sau đó truyền tín hiệu để điều khiển 2 động cơ DC ở trục trên và dưới.
Hình 4.5: Mạch Arduino UNO R3
Mạch điều khiển động cơ DC L298 V2 điều khiển động cơ quay theo trục nằm ngang
Mạch điều khiển có điện áp đầu ra là 12V nhận tín hiệu từ Arduino UNO R3 để điều khiển động cơ ở phần khung phía trên
Hình 4.6: Mạch điều khiển động cơ DC quay theo trục nằm ngang
Mạch điều khiển động cơ DC BTS7960 43A điều khiển động cơ quay theo trục đứng
Vì mục đích gia tăng độ chính xác góc xoay nên biên độ góc phải lớn để có thể đón hướng nắng từ
Mặt Trời một cách chính xác Vì thế ta phải sử dụng một mạch boost để cấp dòng lớn hơn cho động cơ
DC để có thể bắt kịp và điều hướng chính xác đồng thời với trục còn lại
Hình 4.7: Mạch điều khiển động cơ DC quay theo trục đứng
Mặc dù việc sử dụng mạch tăng áp có thể làm giảm tuổi thọ thiết bị, nhưng điều này vẫn được chấp nhận, vì mục đích chính của mô hình này là đo đạc số liệu và thời gian vận hành, mà thường diễn ra không nhiều.
Hình 4.8: Mạch tăng áp sử dụng cho động cơ quay theo trục thẳng đứng
Bộ điều khiển sạc NLMT xung MPPT
Bộ điều khiển sạc MPPT giúp tối ưu hóa hiệu suất nạp điện cho pin năng lượng mặt trời, đồng thời ngăn chặn hiện tượng dòng điện từ ắc quy chảy ngược Việc sử dụng bộ điều khiển này là cần thiết để đảm bảo hiệu quả và an toàn trong hệ thống năng lượng mặt trời.
Hình 4.9: Bộ điều khiển sạc NLMT xung
Bộ inverter biến tần có khả năng chuyển đổi dòng điện từ DC sang AC, cho phép sử dụng điện dân dụng hiệu quả Mô hình này hoạt động với thông số 12VDC, mang lại sự tiện lợi trong việc cung cấp điện cho các thiết bị gia đình.
220VAC-500W Hình 4.10: Bộ chuyển đổi inverter từ dòng điện DC thành AC
Các số 0, 1, 2, 3 đại diện cho vị trí các tấm pin mặt trời nhỏ, với [0], [1], [2], [3] là giá trị điện áp tương ứng tại thời điểm xem xét K và N được xác định là khoảng chênh lệch thiết lập trước, từ đó chúng ta có thể thiết lập các công thức như đã trình bày trong Bảng 4.3.
Bảng 4.3: Công thức xác định độ chênh lệch điện áp của các tấm pin nhỏ
Hệ thống được điều khiển bởi mạch điện tử chính là Arduino Uno R3, với ngôn ngữ lập trình sử dụng phần mềm Arduino IDE Arduino kết nối với bốn tấm pin mặt trời nhỏ làm cảm biến ánh sáng, được phân cách bởi tấm chắn hình dấu cộng Tín hiệu từ cảm biến được xử lý theo quy tắc xác định trong Bảng 4.3: nếu X > K, cường độ ánh sáng trên hai tấm pin bên trái lớn hơn, Arduino sẽ điều khiển động cơ quay sang trái cho đến khi X < K Ngược lại, nếu hai tấm pin bên phải nhận lượng bức xạ lớn hơn, động cơ sẽ quay sang phải cho đến khi X > -K Đối với động cơ quay theo trục nằm ngang, nếu giá trị Y nằm ngoài khoảng [-N, N], động cơ sẽ hoạt động cho đến khi chênh lệch điện áp thấp hơn N K và N thể hiện độ nhạy của hệ thống, với giá trị càng nhỏ thì mô hình càng nhạy Hình 4.11 mô tả sơ đồ hoạt động của hệ thống.
Hình 4.11: Sơ đồ quá trình hoạt động của hệ thống
Mô hình điều hướng bằng động cơ bước
4.2.1 Cấu tạo a) Phần Cơ Khí
Mô hình này sử dụng động cơ bước 2 pha (0,25°/bước, DC 2.8V, 2A) để điều chỉnh góc quay chính xác theo số liệu tính toán Khung trên được thiết kế ôm sát tấm pin để giữ cố định, trong khi hai bên gắn ổ đỡ dọc trục giúp tấm pin xoay theo trục ngang Phần còn lại của ổ đỡ dọc trục được trang bị pulley 3M-60T và pulley 3M-16T, cố định vào trục động cơ, và hệ truyền động được liên kết bằng dây curoa 3M-351.
Hệ thống hoạt động với 64 hoạt động, phần khung dưới được thiết kế dạng trụ đứng, kết nối giữa hai phần khung được lắp ổ bị nhào để hỗ trợ cho phần xoay theo trục thẳng đứng Để tối ưu hóa việc thu năng lượng mặt trời, cần xác định chính xác vị trí của Mặt Trời so với người quan sát trên mặt đất Theo Claudius Ptolemaeus, nếu xem Trái Đất đứng yên, sự di chuyển của Mặt Trời sẽ bị ràng buộc bởi hai giá trị góc: góc độ cao α và góc phương vị mặt trời γ Để giải phương trình của α và γ, cần xác định độ xích vĩ mặt trời δ và góc giờ ω Các hình ảnh minh họa như Hình 4.12, Hình 4.13, Hình 4.14 và Hình 4.15 trình bày cơ cấu truyền động và mô hình một trục cũng như hai trục hoàn chỉnh.
Hình 4.12: Cơ cấu truyền động phía trên xoay theo trục nằm ngang
Hình 4.13: Cơ cấu truyền động phía dưới xoay theo trục thẳng đứng
Hình 4.14: Mô hình điều hướng tấm pin theo một trục bằng động cơ bước
Hình 4.15: Mô hình điều hướng tấm pin theo hai trục bằng động cơ bước
Mô hình cũng được điều khiển bằng việc lập trình trên bo mạch Arduino và các linh kiện điện tử như được liệt kê ở bảng dưới
Bảng 4.4: Các thiết bị điện sử dụng cho mô hình điều hướng tấm pin mặt trời bằng động cơ bước
Driver điều khiển động cơ bước 3.5A 40VDC
Mô hình sử dụng hai driver có cùng chức năng để điều khiển động cơ
Hình 4.16: Driver điều khiển động cơ bước 3.5A 40VDC
Mạch Arduino Mega 2560 CH340 là bo mạch chính dùng để điều khiển các bo mạch khác thông qua lập trình Sau khi tính toán các góc theo giờ và ngày, dữ liệu sẽ được nhập vào Arduino.
Hình 4.17: Mạch Arduino Mega 2560
Module thời gian thực DS1302 và module hạ áp
Module thời gian thực được sử dụng nhằm mục đích xác định thời gian đúng theo ngày và giờ thực tế
Module hạ áp dùng để giảm điện áp từ ắc quy 12V xuống còn tầm 5V để phù hợp với điện áp hiệu dụng của một số bo mạch
Hình 4.18: Module thời gian thực DS1302 và module hạ áp
4.2.2 Nguyên lý hoạt động a) Mô tả công thức tính toán điều hướng tấm pin theo hai trục và một trục
Mô hình này khác với mô hình trước đó ở chỗ không sử dụng cảm biến để xác định vị trí của tấm pin so với bức xạ Thay vào đó, nó dựa vào một bảng số liệu được thu thập từ các nguồn khác.
Để xác định hai góc α và z, có 66 công thức tính toán được trình bày từ (4.1) đến (4.8) Bước đầu tiên là tính độ xích vĩ mặt trời δ dựa trên giá trị n, trong đó n đại diện cho thứ tự ngày trong năm (n = 1 tương ứng với ngày 01/01 và n = 365 tương ứng với ngày 31/12) Công thức tính δ được thể hiện là δ = #,45sin(360284 + n).
Góc giờ ω tại một vị trí được xác định là góc khiến Trái Đất quay để đỉnh đầu của quan sát viên nằm ngay dưới mặt trời Cụ thể, vào 12 giờ trưa, góc giờ ω là 0°, mỗi giờ sau đó góc này giảm 15° vào buổi sáng và tăng 15° vào buổi chiều.
Góc độ cao α là chỉ số thể hiện cao độ của mặt trời so với mặt phẳng nằm ngang và có mối quan hệ với góc thiên đỉnh Φ, theo công thức α + Φ = 90° Công thức tính góc độ cao được biểu diễn bằng sin(α) = cos(Φ) cos(ω) cos(δ) + sin(Φ) sin(δ) Để tối ưu hóa hiệu suất của tấm pin mặt trời, bề mặt của nó cần luôn vuông góc với tia mặt trời, yêu cầu tấm pin nghiêng một góc β bằng góc thiên đỉnh Φ Điều này dẫn đến việc tấm pin được đặt trên mặt phẳng ngang với vĩ độ nhân tạo (L − β) Trong trường hợp mặt phẳng nằm ngang, θ = Φ, và công thức điều chỉnh là cos(θ) = cos(L − β) cos(ω) cos(δ) + sin(L − β) sin(δ) Tuy nhiên, chỉ với β không đủ để duy trì θ = 0° liên tục, vì mặt trời di chuyển theo quỹ đạo vòng cung từ đông sang tây Do đó, cần thêm góc phương vị mặt trời z, đo từ trục phương nam đến hình chiếu của tia mặt trời trên mặt phẳng ngang, và góc phương vị tấm pin z c cũng phải tương ứng với z Hướng tây được tính là dương và ngược lại là âm.
67 sin(γ) = sin(γ 𝑐 ) =cos(δ) sin(ω) cos(α) (4.4)
Không cần tính toán tất cả các giá trị góc trong 24 giờ, mà chỉ cần xác định các góc tại thời điểm mặt trời mọc (ω sr) và lặn (ω ss) cùng với độ dài ngày (D).
Vị trí Mặt Trời mọc và lặn trong một ngày tương ứng với góc độ cao α bằng 0 Góc mặt trời lặn ω ss có thể được xác định qua phương trình (4.2) khi α = 0° Tại thời điểm Mặt Trời lặn, ω ss có giá trị dương, và được tính bằng công thức sin(0) = cos(Φ) cos(ω ss) cos(δ) + sin(Φ) sin(δ) Từ đó, ta có cos(ω ss) = − tan(Φ) tan(δ) Ở thời điểm giữa trưa, góc giờ ω là 0°, với mỗi 15° tương đương 1 giờ, thời gian Mặt Trời mọc (Hsr) và lặn (Hss) được xác định dựa trên tài liệu [2].
15cos −1 [− tan(Φ) tan(δ)] (giờ) (4.7) Tương tự, có thể tính được độ dài ngày là gấp đôi thời gian mọc hoặc lặn của Mặt Trời
Dữ liệu hai góc β và γ sẽ được lưu trữ trong bộ nhớ của mạch Arduino Mega 2560 CH340 dưới dạng bảng Nhờ vào module thời gian thực, mạch Arduino có thể truy cập dữ liệu thời gian thực, từ đó xác định thứ tự ngày trong năm và mốc thời gian trong ngày để lấy chính xác hai góc β và γ cần thiết Sau đó, mạch sẽ gửi tín hiệu lệnh cho động cơ bước điều khiển tấm pin Động cơ bước, với độ chính xác 0,25 độ mỗi vi bước, sẽ điều hướng tấm pin đến vị trí góc đã tính toán Động cơ trên sẽ điều khiển tấm pin theo góc β, trong khi động cơ dưới sẽ điều khiển theo góc γ Hình 4.19 trong tài liệu [2] sẽ minh họa rõ ràng mối tương quan hình học giữa tấm pin và các tia mặt trời.
Hình 4.19: Mối quan hệ hình học giữa tia mặt trời và tấm pin trên mặt đất
Dựa vào các công thức đã nêu, chúng ta có thể tính toán các góc giờ trong một ngày của một tháng, và từ đó tiếp tục tính toán cho cả năm thông qua bảng tính Excel đã được thiết lập Kết quả tính toán trên Excel sẽ được sử dụng để nhập dữ liệu vào phần mềm Arduino IDE, nơi mà chúng ta sẽ cập nhật các thông tin ngày, tháng, năm vào mạch Arduino Qua đó, chúng ta có thể nhận biết dữ liệu góc giờ theo ngày, tháng, năm một cách chính xác Bên cạnh đó, việc tạo bảng số liệu và các giá trị ban đầu trong phần mềm Arduino cũng rất quan trọng để đảm bảo quá trình hoạt động hiệu quả.
Dữ liệu góc giờ cho từng tháng được tính toán liên tục cho đến khi đủ 12 tháng Sau đó, chúng tôi sẽ tạo bảng hệ thống số liệu trên phần mềm Arduino, và các thông tin về góc sẽ được sử dụng trong quá trình lập trình.
Hình 4.20: Một góc bảng số liệu góc mỗi giờ trong tháng 1 trên phần mềm Arduino IDE
Hình 4.21: Thiết lập các giá trị ban đầu trên phần mềm Arduino IDE
Công thức mô phỏng
So với cường độ bức xạ trên mặt phẳng tấm pin của mô hình xoay hai trục, cường độ bức xạ trên mặt phẳng nằm ngang được tính theo công thức (4.9) Đối với mô hình xoay một trục, không có thành phần góc phương vị z, được thể hiện qua công thức (4.10).
Nhiệt độ của tấm pin mặt trời có thể được tính toán dựa trên cường độ bức xạ ánh sáng chiếu lên tấm pin, theo công thức (4.7) [1] Trong đó, Tcell đại diện cho nhiệt độ của tấm pin, Ta là nhiệt độ môi trường, NOCT là nhiệt độ hoạt động danh nghĩa của tấm pin, Tr là nhiệt độ tiêu chuẩn của tấm pin (25°C), và E là giá trị cường độ bức xạ đo được trên tấm pin.
Lượng điện năng mà tấm pin mặt trời sản xuất được tính toán dựa trên bức xạ mặt trời, theo công thức (4.12) [5] Trong đó, P đại diện cho điện năng sinh ra, η r là hiệu suất của tấm pin, và Br là hệ số sai số do nhiệt độ ảnh hưởng đến công suất tối đa (Temperature coefficient of Pmax), thông tin này do nhà sản xuất cung cấp.
QUÁ TRÌNH THỰC NGHIỆM
Vị trí thực hiện quá trình thực nghiệm
Cả ba mô hình được lắp đặt ngoài trời, đảm bảo nhận đủ bức xạ trong suốt quá trình đo mà không bị ảnh hưởng bởi yếu tố bên ngoài như bóng râm hay con người Địa điểm thực hiện thí nghiệm là khuôn viên Đại học Quốc Gia – Trường Đại học Bách Khoa cơ sở 1 tại thành phố Hồ Chí Minh, ngay trước Bộ môn Công Nghệ Nhiệt Lạnh tòa nhà B5.
Hình 5.1: Vị trí thực hiện quá trình thực nghiệm
Quá trình đo đạc thực nghiệm được thực hiện vào tháng 8 năm 2023, tháng có độ dài ngày lớn nhất trong năm với 12 giờ ánh sáng Thời gian đo đạc diễn ra từ 7 giờ sáng đến 17 giờ chiều Trong suốt quá trình này, hai trường hợp thời tiết thường gặp là ngày nắng nhiều và ngày ít nắng, nhiều mây, dẫn đến sự biến động khác nhau trong các số liệu thu được từ các mô hình.
Dụng cụ và thiết bị hỗ trợ trong quá trình đo đạc
Để thực hiện quá trình đo ta sẽ sử dụng hai nhóm thiết bị khác nhau: Thiết bị đo và thiết bị tiêu thụ tải a) Thiết bị đo
Chúng tôi sử dụng hai thiết bị chính để đo lường: Đồng hồ đo dòng áp công suất mức năng lượng AC 20A và máy đo năng lượng bức xạ mặt trời PCE PCE-SPM1 Đồng hồ đo dòng áp công suất 20A giúp theo dõi mức tiêu thụ điện năng, trong khi máy đo năng lượng bức xạ mặt trời PCE PCE-SPM1 cung cấp thông tin chính xác về năng lượng mặt trời.
Đồng hồ đo dòng áp công suất năng lượng AC đa năng 20A là thiết bị lý tưởng để theo dõi các thông số điện năng AC như điện áp, dòng tiêu thụ, công suất và năng lượng tiêu thụ Với thiết kế nhỏ gọn và dễ lắp đặt, sản phẩm này nổi bật với độ bền cao và màn hình LCD chuyên nghiệp, cho phép người dùng tùy chọn bật hoặc tắt đèn nền theo ý muốn.
Hình 5.2: Đồng hồ đo dòng áp công suất mức năng lượng AC 20A
Thông số kỹ thuật máy đo dòng áp công suất mức năng lượng AC 20A:
- Điện áp đo và hoạt động: 80 ~ 260VAC / 50 – 60Hz, sai số 0,01
- Dòng điện đo và hoạt động: 0 ~ 20A, sai số 0.01
- Công suất đo và hoạt động: 0 ~ 26000W
- Năng lượng đo và hoạt động: 0 ~ 9999kWh
- Màn hình hiển thị: LCD, đèn nền xanh dương, có thể bật tắt đèn nền
- Kích thước màn hình: 30 x 51mm
- Kích thước sản phẩm: 84,6 x 49,6 x 24,4mm
Máy đo năng lượng bức xạ mặt trời PCE PCE-SPM1
Trong quá trình thực nghiệm, để thu thập dữ liệu về năng lượng bức xạ trong một ngày đo, nhằm tính toán công suất lý thuyết của tấm pin, cần sử dụng máy đo năng lượng bức xạ mặt trời PCE PCE-SPM1.
Hình 5.3: Máy đo năng lượng bức xạ mặt trời PCE PCE-SPM1
Thông số kỹ thuật máy đo năng lượng bức xạ mặt trời PCE PCE-SPM1:
- Độ chính xác: ±10 W/m2 hoặc ±5 % cho giá trị đo cao nhất
- Độ rộng phổ: 400 đến 1100 nm
- Điều kiện hoạt động: Từ 0 đến +50 °C, Độ ẩm < 80 % RH
- Thời gian hoạt động (pin): 100 h liên tục
- Trọng lượng: 165g b) Thiết bị dự trữ và tiêu thụ tải
Khi tấm pin hấp thụ năng lượng bức xạ mặt trời để tạo ra điện năng, cần có nguồn tải để dự trữ hoặc tiêu thụ điện Chúng tôi sử dụng bình ắc quy Đồng Nai N50 (12V-50Ah) và các đèn với tổng công suất 200W để lưu trữ năng lượng.
Bình ắc quy Đồng Nai N50 (12V-50Ah)
Bình ắc quy Đồng Nai N50 (12V-50Ah) là sản phẩm của Công ty Cổ Phần Pin Ắc Quy Miền Nam PINACO, một thương hiệu quốc gia hàng đầu trong lĩnh vực sản xuất và kinh doanh ắc quy tại Việt Nam.
Bình ắc quy Đồng Nai N50 (12V-50Ah) được sản xuất bằng công nghệ Châu Âu trên dây chuyền hiện đại từ các công ty hàng đầu thế giới, đảm bảo chất lượng vượt trội với dung lượng chuẩn 50Ah, tuổi thọ lâu bền và ít hao nước Sản phẩm đáp ứng các tiêu chuẩn JIS D5301 - D5302 của Nhật Bản, nhờ quy trình kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt.
Thông số kỹ thuật bình ắc quy Đồng Nai N50 (12V-50Ah):
- Loại ắc quy: Ắc quy nước châm axit
- Kích thước: Dài 259 x Rộng 171 x Cao 199 x Tổng cao 223 (mm)
Hình 5.4: bình ắc quy Đồng Nai N50 (12V-50Ah)
KẾT QUẢ ĐO ĐẠC VÀ ĐÁNH GIÁ SỐ LIỆU
Trong phần thảo luận thực nghiệm này sử dụng kí hiệu tóm tắt của ba hệ thống (A), (B), (C) sẽ được mô tả tên gọi trong Bảng 6.4 ở cuối chương
Bảng 6.1: Số liệu lượng điện năng ngày 24/08/2023
Vào ngày 24/08/2023, số liệu trong Bảng 6.1 cho thấy sự chênh lệch hiệu quả năng lượng sạc giữa các mô hình không cao, với (A) chỉ hiệu quả hơn (B) 3,34% và hơn (C) 1,65% Mỗi mô hình có mức tiêu thụ tải khác nhau; (A) hoạt động đơn giản hơn với động cơ DC, chỉ khi có sự chênh lệch lớn về cường độ bức xạ, dẫn đến thời gian hoạt động không đáng kể Ngược lại, (B) và (C) sử dụng động cơ bước, cần tiêu thụ điện liên tục để giữ tấm pin ở vị trí cố định Sau khi trừ đi năng lượng hao phí, (A) vẫn hiệu quả hơn 20% so với (B) và 22% so với (C) Để xác minh độ tin cậy của số liệu trong Bảng 6.1, dụng cụ đo bức xạ PCE SPM đã được sử dụng để đo cường độ bức xạ.
Trong nghiên cứu này, số liệu đo bức xạ được thu thập mỗi phút trong suốt 10 giờ, với đơn vị đo là W/m² Bảng 6.2 trình bày các số liệu tính toán lý thuyết từ dữ liệu đo được, bao gồm tổng và trung bình cộng của 60 giá trị đo trong 1 giờ, cùng với các kết quả chuyển đổi đơn vị và tính toán theo công thức (4.11) và (4.12) Sai số giữa số liệu tính toán trong Bảng 6.2 và số liệu thực nghiệm trong Bảng 6.1 là khoảng 7%, trong khi con số này là 10,2% đối với số liệu của (C) Các số liệu tính toán của (C) có thể được xác định dựa trên công thức (4.9) và (4.11) để tìm mối quan hệ góc với góc γ cho mỗi giờ Kết luận cho thấy rằng các số liệu thực nghiệm trong Bảng 6.1 là đáng tin cậy với sai số trong giới hạn chấp nhận được.
Bảng 6.2: Kết quả tính toán công suất phát điện của (B) dựa trên số liệu bức xạ đo được
Cường độ bức xạ trung bình (W/m 2 )
Năng lượng bức xạ (Wh)
Hình 6.1 so sánh độ tăng năng lượng sạc giữa thực nghiệm và kết quả tính toán dựa trên số liệu bức xạ đo được Mặc dù hai đường trên đồ thị thể hiện sự sai số đáng kể tại một số thời điểm, chúng vẫn có xu hướng tăng giảm tương tự Nguyên nhân gây ra sai số này có thể bao gồm ảnh hưởng từ môi trường xung quanh như nhiệt độ, tốc độ gió, hiệu suất thực tế của tấm pin, cũng như các sai số trong các bước tính toán trung gian.
Hình 6.1: So sánh độ tăng năng lượng sạc được qua mỗi giờ của (B)
Hình 6.2 cho thấy xu hướng tăng năng lượng hữu ích theo giờ đo, với mô hình (A) thể hiện hiệu quả vượt trội so với hai mô hình còn lại, luôn sản sinh nhiều hơn khoảng 10Wh mỗi giờ Về năng lượng sạc, sự chênh lệch giữa (A) và (C) là đáng kể, mặc dù lý thuyết cho rằng cả hai nên có hiệu suất sạc tương đương khi nhận được bức xạ tối đa Sự khác biệt này có thể do thông số đầu vào và công thức không chính xác, cùng với ảnh hưởng của địa hình Trong tháng 8, năng lượng giữa (A), (B) và (C) không chênh lệch nhiều vì Mặt Trời ở vị trí cao (góc α lớn), nhưng vào đầu hoặc cuối năm, sự khác biệt sẽ rõ rệt hơn do Mặt Trời ở vị trí thấp (góc α bé) và (A) cùng (C) nghiêng thêm góc β theo hướng Bắc – Nam để tối ưu hóa việc thu nhận ánh sáng mặt trời, trong khi (B) chỉ nghiêng để xoay theo hướng.
Đồ thị độ tăng năng lượng hữu ích ngày 24/08/2023 cho thấy sự khác biệt về lượng bức xạ nhận được qua các năm Để làm rõ điều này, phần mềm Matlab với chức năng Simulink đã được sử dụng để mô phỏng lượng bức xạ trong suốt một năm, dựa trên số liệu bức xạ và nhiệt độ được ghi nhận từ tháng 10 năm 2017 đến tháng 9 năm 2018 Hình 6.2 minh họa sơ đồ chuyển đổi công suất tấm pin dựa trên mối quan hệ hình học, trong khi Hình 6.4 mô phỏng bức xạ thu được trên các mô hình trong cả năm, và Hình 6.5 thể hiện công suất phát điện theo từng quý.
Trong nghiên cứu này, quá trình mô phỏng công suất phát điện được thực hiện trong các quý 2, 3 và 4, với ba loại điều hướng là FIX, SINGLE và DUAL, được ký hiệu trong Bảng 6.4 Sơ đồ chuyển đổi công suất tấm pin, như thể hiện trong Hình 6.2, dựa trên mối quan hệ tương quan hình học Để thực hiện mô phỏng, bốn khối biến giá trị đầu vào gồm E, T cell, β và z được tạo ra thông qua chức năng simulink Từ các khối giá trị đầu vào này, công suất phát điện tương ứng với ba loại điều hướng được tính toán dựa trên các công thức từ (4.9) đến (4.12).
Hình 6.3: Sơ đồ chuyển đổi công suất điện tấm pin dựa trên mối quan hệ hình học
Hình 6.4: Công suất phát điện từ tháng 1 đến tháng 12
Dựa vào đồ thị ở Hình 6.4, công suất phát điện sẽ đạt giá trị cao nhất vào những tháng cuối năm và đầu năm Từ tháng 4 đến tháng 9, công suất phát điện giữa hai loại điều hướng SINGLE và DUAL khá tương đồng.
Trong những tháng còn lại, rõ ràng có sự chênh lệch công suất phát điện giữa hai loại điều hướng, chủ yếu do ảnh hưởng của góc độ cao α So với hệ thống FIX, cả hai loại điều hướng đều cho thấy công suất hiệu quả vượt trội hơn tại mọi thời điểm Đặc biệt, trong quý 1 và quý 2, sự chênh lệch năng lượng bức xạ giữa DUAL và SINGLE là rất lớn Tuy nhiên, vào cuối quý 2, tình hình có thể thay đổi.
3 thì khoảng cách ngày càng hẹp dần và dường như số liệu của hai hệ thống điều hướng
Trong quý 4, khoảng cách giữa 80 tấm pin sẽ giãn ra do góc lớn, khởi đầu một vòng lặp mới Đáng lưu ý, lượng bức xạ nhận được từ hệ thống FIX luôn thấp hơn so với các tấm pin được điều hướng trong suốt cả năm.
Hình 6.5: Công suất phát điện theo các quý trong năm
Sơ đồ cột trong hình 6.5 mô phỏng công suất phát điện theo các quý tại Thành Phố Hồ Chí Minh, cho thấy sự chênh lệch rõ ràng giữa công suất phát điện của hệ thống điều hướng DUAL và FIX trong quý 1 và quý 4, do góc độ cao của Mặt Trời nhỏ Đặc biệt, quý 4 ghi nhận khoảng chênh lệch lớn nhất do bức xạ không thẳng góc và khoảng cách giữa Mặt Trời và Trái Đất nhỏ nhất vào tháng 12, dẫn đến lượng bức xạ cao Trong khi đó, quý 2 và quý 3 không có sự chênh lệch lớn giữa các loại điều hướng, vì Mặt Trời ở vị trí cao, khiến hướng đón nắng của DUAL và FIX gần như giống nhau Đặc biệt, trong tháng 6 của quý 2, mặc dù các tia bức xạ thẳng góc nhưng lượng bức xạ lại thấp hơn quý 4, dẫn đến sự chênh lệch công suất phát không rõ ràng.
Mùa mưa ở Việt Nam kéo dài khoảng 3 tháng, ảnh hưởng lớn đến công suất phát điện Đặc biệt, công suất của các tấm pin năng lượng mặt trời cố định trên bề mặt nghiêng thường thấp hơn so với các loại tấm pin có khả năng điều hướng.
Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng trong tháng 8, hiệu quả giữa các mô hình không được thể hiện rõ ràng, và các mô phỏng cũng cho ra kết quả tương tự.
Trong tháng 8, tổng năng lượng bức xạ mà DUAL nhận được cao hơn SINGLE 3,4%, với mức chênh lệch cao nhất ghi nhận là 5,2% và thấp nhất là hơn 1%, cho thấy sự tương đồng với kết quả thực nghiệm Tình hình này tiếp tục kéo dài sang quý 3, bao gồm tháng 8.
DUAL nhận được lượng bức xạ cao hơn 5,6% so với SINGLE và 39,1% so với FIX Sự chênh lệch này rõ ràng hơn vào đầu và cuối năm do vị trí thấp của Mặt Trời tại thiên đỉnh so với quý 3 Trong tháng 1, DUAL nhận được lượng bức xạ cao hơn 46% so với SINGLE khi α nằm trong khoảng 56,2 < α < 61,4 Bảng 6.3 cung cấp chi tiết so sánh năng lượng bức xạ cho các loại điều hướng theo tháng và theo quý.
Bảng 6.3: So sánh theo ngày và quý lượng bức xạ trên tấm pin với sự điều hướng khác nhau
Tháng Góc độ cao lúc
Chênh lệch công suất phát điện giữa các loại điều hướng DUAL với FIX
Bảng 6.4: Danh mục viết tắt
Mô hình điều hướng tấm pin mặt trời bằng cảm biến ánh sáng
Mô hình điều hướng tấm pin mặt trời bằng động cơ bước một trục
Mô hình điều hướng tấm pin mặt trời bằng động cơ bước hai trục Năng lượng mà tấm pin sản sinh ra
Năng lượng cấp cho việc vận hành mô hình
Năng lượng được lưu trữ trong ắc quy
Tấm pin đặt cố định và nằm nghiêng một góc 15°, hướng về phía Nam
Tấm pin được điều hướng xoay quanh một trục
Tấm pin được điều hướng xoay quanh hai trục
