xây dựng bộ điều khiển nối lưới nguồn năng lượng mặt trời

Trong những năm gần đây đã có nhiều nghiên cứu, ứng dụng nhằm sản xuất và tích trữ năng lượng mặt trời [1], [2], [3], [4], tuy nhiên, việc sử dụng nguồn năng lượng này, chủ yếu vẫn chỉ d

Trang 1

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

- o0o -

PHẠM THỊ HỒNG ANH

XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN NỐI LƯỚI NGUỒN

NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN 2011

Trang 2

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

- o0o -

PHẠM THỊ HỒNG ANH

XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN NỐI LƯỚI NGUỒN

NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Chuyên ngành: TỰ ĐỘNG HÓA

Mã số: 605260

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS LẠI KHẮC LÃI

THÁI NGUYÊN - 2011

Trang 3

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: Phạm Thị Hồng Anh

Nơi sinh: Thành phố Thái Nguyên – Tỉnh Thái Nguyên

Nơi công tác: Trường ĐH Công nghệ thông tin và truyền thông

Cơ sở đào tạo: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Chuyên ngành: Tự động hóa

Khoá học: 2009 - 2011

TÊN ĐỀ TÀI:

XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN NỐI LƯỚI NGUỒN NĂNG LƯỢNG

MẶT TRỜI

Người hướng dẫn khoa học: PGS - TS Lại Khắc Lãi

Trường ĐH Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên

Trang 4

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những vấn đề được trình bày trong bản luận văn này là những nghiên cứu của riêng cá nhân tôi, có tham khảo một số tài liệu và bài báo của các tác giả trong và ngoài nước đã được xuất bản Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm nếu có sử dụng lại kết quả của người khác

Tác giả

Phạm Thị Hồng Anh

Trang 5

MỤC LỤC

Lời cam đoan

Danh mục các hình vẽ 5

Mở đầu 7

Chương 1 Năng lượng mặt trời và các phương pháp khai thác, sử dụng 11

1.1 Nguồn năng lượng mặt trời 11

1.1.1 Cấu trúc mặt trời 11

1.1.2 Năng lượng mặt trời 12

1.1.3 Phổ bức xạ mặt trời 13

1.1.4 Đặc điểm bức xạ mặt trời trên bề mặt quả đất 15

1.2 Các phương pháp khai thác, sử dụng năng lượng mặt trời 21

1.2.1 Tổng quan về thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời 22

1.2.2 Hướng nghiên cứu về thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời 26

1.3 Kết luận chương 1 29

Chương 2 Thiết kế mạch động lực hệ thống mặt trời nối lưới 30

2.1 Sơ đồ hệ thống năng lượng pin mặt trời 46

2.1.1 Bộ đóng cắt mềm 30

2.1.2 Bộ nghịch lưu 31

2.1.3 Bộ Boost converter 31

2.1.4.Thiết bị điều khiển 32

2.1.5 Pin mặt trời 33

2.2 Lý thuyết về hòa hệ thống điện mặt trời với lưới 52

2.2.1 Các điều kiện hòa đồng bộ 52

Trang 6

2.2.2 Đồng vị pha trong hai hệ thống nối lưới 52

2.3 Thiết kế mạch động lực hệ thống điện mặt trời 57

2.3.1 Sơ đồ khối mạch động lực 36

2.3.2 Các thông số kỹ thuật 37

2.3.3 Bộ chuyển đổi DC-DC 37

2.3.4 Thiết kế bộ chuyển đổi DC-DC 45

2.3.5 Thiết kế bộ chuyển đổi DC-AC 50

2.3.6 Mô tả sơ đồ 53

2.4 Kết luận chương 2 56

Chương 3 Mạch điều khiển hệ thống điện mặt trời nối lưới 57

3.1 Mở đầu 57

3.2 Mạch tạo tín hiệu điều khiển các van của biến tần 59

3.3 Mạch điều khiển công suất 84

3.4 Trình độ hoạt động của hệ thống 64

3.5 Kết quả mô phỏng ……… 65

3.6 Ảnh hưởng của sóng điều chế đến điện áp ra và sóng hài ……… 67

3.7 Kết luận chương 3 ……… 69

Kết luận chung về luận văn ……… 70

Tài liệu tham khảo……… 72

Trang 7

DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT

NLMT: Năng lượng mặt trời

PWMS: Điều chế độ rộng xung hình sin

USPWM: Điều chế độ rộng xung hình sin đơn cực

PR: Cộng hưởng tỉ lệ

PLL: Khung đồng bộ tham chiếu

BTL: Bếp tiện lợi

VN: Việt Nam

Trang 8

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Phân bố phổ bức xạ mặt trời theo bước sóng

Bảng 1.2: Màu sắc và bước sóng của ánh sáng mặt trời

Bảng 2.1: Đặc điểm kỹ thuật của hệ thống

Bảng 2.2: Các thông số của Tranzitor trường

Bảng 2.3: Các thông số của điốt chỉnh lưu

Bảng 2.4: Đặc điểm bộ chuyển đổi HF

Trang 9

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Cấu trúc mặt trời

Hình 1.2: Thang sóng điện từ của bức xạ mặt trời

Hình 1.3: Định nghĩa các vĩ tuyến (a) và kinh tuyến (b)

Hình1.4 : Phổ bức xạ mặt trời bên trong và ngoài bầu khí quyển

Hình 1.10: Thiết bị chưng cất nước dùng NLMT

Hình 1.11: Động cơ stirling chạy bằng NLMT

Hình 1.12: Thái dương năng

Hình 2.1: Sơ đồ điều khiển hệ thống nối lưới NLMT

Hình 2.2: Sơ đồ khối mạch động lực

Hình 2.3: Bộ chuyển đổi DC-DC và DC-AC

Hình 2.4: Điều chế đảo pha

Hình 2.5: Mạch cân bằng bộ chuyển đổi DC-DC

Hình 2.6: Dòng điện chạy trong chế độ 1

Hình 2.9: Dạng sóng điều khiển bộ chuyển đổi DC-DC

Hình 2.10: Hàm chuyển đổi công suất đối với các điện áp vào khác nhau Hình 2.11: Sự thay đổi của tham số “d” cùng với điện áp vào với n =1.2 Hình 2.12: Hệ thống chuyển đổi cùng với bộ chuyển đổi DC-AC

Trang 10

Hình 3.1: Mạch động lực biến tần

Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý khối tạo xung điều khiển

Hình 3.3: Sóng sin tham chiếu đã chỉnh lưu

Hình 3.4: Sóng tam giác tần số cao

Hình 3.5: Sóng vuông

Hình 3.6: Sóng điều chế và sóng vuông

Hình 3.7: Lưu đồ thuật toán lập trình cho vi điều khiển

Hình 3.8: Công suất tác dụng phát vào lưới theo góc lệch pha 

Hình 3.9: Sơ đồ mô phỏng khối tạo xung điều khiển

Hình 3.10: Điện áp đầu ra của biến tần chưa qua lọc

Hình 3.11: Điện áp ra của biến tần đã qua lọc

Hình 3.12: Sóng điều chế độ rộng xung hình sin ứng với MA khác nhau

Trang 11

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, các nguồn năng lượng trên trái đất như dầu mỏ, than đá… đang dần cạn kiệt, không còn để khai thác được nữa Ngoài ra, những nguồn năng lượng này là nguyên nhân chính gây ra sự ô nhiễm không khí làm ảnh hưởng đến đời sống con người

Trong khi đó, nguồn năng lượng tái tạo khá dồi dào, có khả năng thay thế nguồn năng lượng hóa thạch, giảm thiểu tác động tới môi trường Vì vậy, tập trung nghiên cứu ứng dụng năng lượng tái tạo đang là hướng đi mới trong năng lượng công nghiệp, nhất là trong thời đại ngày nay vấn đề tiết kiệm năng lượng đang đặt lên hàng đầu Việc khai thác năng lượng tái tạo có ý nghĩa quan trọng cả về kinh tế,

xã hội, an ninh năng lượng và phát triển bền vững

Năng lượng mặt trời là một trong các nguồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất

mà thiên nhiên ban tặng cho hành tinh chúng ta Đồng thời, nó cũng là nguồn gốc của các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, năng lượng sinh khối, năng lượng các dòng sông,… Đó là loại hình năng lượng có khả năng áp dụng hơn

cả tại các khu vực đô thị và các vùng mà điện lưới không vươn đến được (vùng núi, vùng hải đảo hay các công trình ngoài khơi, …) Năng lượng mặt trời có thể nói là

vô tận, để khai thác, sử dụng nguồn năng lượng này cần phải biết các đặc trưng và tính chất cơ bản của nó, đặc biệt khi tới bề mặt quả đất

Ở Việt Nam, năng lượng mặt trời có tiềm năng rất lớn, với lượng bức xạ trung bình 5kw/m²/ngày với khoảng 2000 giờ nắng/năm Một số liệu của Trung tâm Thông tin Khoa học Công nghệ Quốc gia cho biết năm 2008 ở Việt Nam mới chỉ có khoảng 60 hệ thống đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời cho tập thể và hơn 5.000 hệ thống cho gia đình Trên tổng thể, điện mặt trời chiếm 0,009% tổng lượng điện toàn quốc Mặc dù, đã có những chính sách khuyến khích, nhưng vì nhiều lý

do, việc phát triển năng lượng mặt trời, vốn đòi hỏi đầu tư ban đầu lớn hơn các dạng năng lượng truyền thống nên việc sử dụng vẫn còn hạn chế

Trang 12

Trong những năm gần đây đã có nhiều nghiên cứu, ứng dụng nhằm sản xuất và tích trữ năng lượng mặt trời [1], [2], [3], [4], tuy nhiên, việc sử dụng nguồn năng lượng này, chủ yếu vẫn chỉ dừng lại ở mức cục bộ ( tức là khai thác và sử dụng tại chỗ ), năng lượng dư thừa chưa hòa được lên lưới điện quốc gia (bán trở lại cho lưới điện thông qua đồng hồ đo để giảm thiểu hóa đơn tiền điện )

Vì vậy, việc nghiên cứu, xây dựng bộ điều khiển thông minh để khai thác năng lượng mặt trời, cung cấp điện cho phụ tải đồng thời hòa tối ưu nguồn năng lượng này lên lưới điện quốc gia đang là một vấn đề cấp thiết

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

2.1 Ý nghĩa khoa học

Khi có ánh sáng mặt trời sẽ tạo ra năng lượng một chiều (DC), Nguồn năng lượng một chiều này được chuyển đổi thành điện năng xoay chiều (AC) bởi bộ nghịch lưu Bộ điều khiển có chức năng truyền năng lượng này đến phụ tải chính để cung cấp điện cho các thiết bị điện trong gia đình Đồng thời điện năng dư thừa được bán trở lại lưới điện qua đồng hồ đo để giảm thiểu hóa đơn tiền điện

2.2 Ý nghĩa thực tiễn

Đề tài hoàn thành sẽ là một tài liệu quan trọng để thiết kế hoàn chỉnh hệ thống lưới điện thông minh (Smart Grid System) Đem lại hiệu quả to lớn trong việc khai thác và sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng sạch; Ứng dụng tại các nhà máy, xí nghiệp, khu dân cư sử dụng nguồn năng lượng mặt trời

Quá trình nghiên cứu sẽ góp phần tăng nguồn tư liệu phục vụ cho công tác học tập và giảng dạy tại cơ quan nơi học viên công tác

Trang 13

- Nghiên cứu nguồn năng lượng mặt trời: Phương pháp sản xuất, sử dụng và hòa lưới

- Nghiên cứu xây dựng bộ điều khiển hòa lưới điện nguồn năng lượng mặt trời: Tổng hợp dòng, áp Đo công suất (P, Q) của lưới, tải nhằm sử dụng và phát năng lượng dư thừa lên lưới

5 Phương pháp nghiên cứu

5 1 Lý thuyết:

- Tìm hiểu và đánh giá một vài phương pháp hoà lưới điện phổ biến hiện nay

- Nghiên cứu lý thuyết và xây dựng mô hình mạch động lực, mạch điều khiển

hệ thống điện mặt trời nối lưới

Luận văn thực hiện theo bố cục nội dung như sau:

Chương 1: Năng lượng mặt trời và các phương pháp khai thác, sử dụng Chương 2: Thiết kế mạch động lực hệ thống mặt trời nối lưới

Chương 3: Mạch điều khiển hệ thống điện mặt trời nối lưới

Kết luận

Sau một thời gian nghiên cứu, đến nay luận văn đã hoàn thành Tác giả xin bày

tỏ lòng biết ơn sâu sắc của mình đối với sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo PGS.TS

Lại Khắc Lãi Xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong Bộ môn Tự động

hóa - trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện giúp đỡ trong suốt quá trình tham gia khóa học Xin chân thành cảm ơn Khoa

Trang 14

sau đại học, bạn bè đồng nghiệp và người thân đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

Do hạn chế về thời gian, trình độ nên luận văn không thể tránh khỏi sai sót Tác giả rất mong nhận được những chỉ dẫn, góp ý của các thầy giáo, cô giáo cũng như các đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn và chân thành cảm ơn!

Trang 15

CHƯƠNG 1 NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP KHAI THÁC, SỬ DỤNG

1.1 NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Năng lượng mặt trời là một trong các nguồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất

mà thiên nhiên ban tặng cho hành tinh chúng ta Đồng thời nó cũng là nguồn gốc của các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, năng lượng sinh khối, năng lượng các dòng sông,… Năng lượng mặt trời có thể nói là vô tận Tuy nhiên,

để khai thác, sử dụng nguồn năng lượng này cần phải biết các đặc trưng và tính chất cơ bản của nó, đặc biệt khi tới bề mặt quả đất

1.1.1 Cấu trúc của mặt trời

Có thể xem mặt trời là một quả cầu khí ở cách quả đất 1,49.108

km Từ trái đất chúng ta nhìn mặt trời dưới một góc mở là 31’59 Từ đó có thể tính được đường kính của mặt trời là R = 1,4.106

km, tức là bằng 109 lần đường kính quả đất và do

đó thể tích của mặt trời lớn hơn thể tích quả đất 130.104

lần Từ định luật hấp dẫn người ta cũng tính được khối lượng của mặt trời là 1,989.1027

tấn, lớn hơn khối lượng quả đất 33.104

lần Mật độ trung bình của mặt trời là 1,4g/cm3, lớn hơn khối lượng riêng của nước (1g/cm3) khoảng 50% Tuy nhiên mật độ ở các lớp vỏ khác nhau của mặt trời rất khác nhau Ở phần lõi của mặt trời, do bị nén với áp suất rất cao nên mật độ lên tới 160 g/cm3, nhưng càng ra phía ngoài mật độ càng giảm và giảm rất nhanh

Một cách khái quát có thể chia mặt trời thành hai phần chính: phần phía trong

và phần khí quyển bên ngoài (hình 1.1) Phần khí quyển bên ngoài lại gồm 3 miền

và được gọi là quang cầu, sắc cầu và nhật miện Còn phần bên trong của nó cũng có thể chia thành 3 lớp và gọi là tầng đối lưu, tầng trung gian và lõi mặt trời Một số

thông số của các lớp của mặt trời được cho trên hình 1.1

Trang 16

Từ mặt đất nhìn lên ta có cảm giác mặt trời là một quả cầu lửa ổn định Thực ra bên trong mặt trời luôn luôn có sự vận động mạnh mẽ không ngừng Sự ẩn hiện của các đám đen, sự biến đổi của quầng sáng và sự bùng phát dữ dội của khu vực xung quanh các đám đen là bằng chứng về sự vận động không ngừng trong lòng mặt trời Ngoài ra, bằng kính thiên văn có thể quan sát được cấu trúc hạt, vật thể hình kim, hiện tượng phụt khói, phát xung sáng, luôn luôn thay đổi và rất dữ dội

tấn than đá

Năng lượng khổng lồ từ mặt trời được xác định là sản phẩm của các phản ứng nhiệt hạt nhân Theo thuyết tương đối của Anhstanh và qua phản ứng nhiệt nhiệt hạt nhân khối lượng có thể chuyển thành năng lượng Nhiệt độ mặt ngoài của mặt trời khoảng 60000K, còn ở bên trong mặt trời nhiệt độ có thể lên đến hàng triệu độ Áp

Hình 1.1 Cấu trúc mặt trời

Trang 17

suất bên trong mặt trời cao hơn 340.108

MPa Do nhiệt độ và áp suất bên trong mặt trời cao như vậy nên vật chất đã nhanh chóng bị ion hoá và chuyển động với năng lượng rất lớn Chúng va chạm vào nhau và gây ra hàng loạt các phản ứng hạt nhân Người ta đã xác định được nguồn năng lượng của mặt trời chủ yếu do hai loại phản ứng hạt nhân gây ra Đó là các phản ứng tuần hoàn giữa các hạt nhân Cacbon và Nitơ (C.N) và phản ứng hạt nhân Proton.Proton

Khối lượng của mặt trời xấp xỉ 2.1027

tấn Như vậy để mặt trời chuyến hoá hết khối lượng của nó thành năng lượng cần một khoảng thời gian là 15.1013

Trong chân không vận tốc truyền của sóng điện từ gần đúng bằng c = 3.108

m/s Còn trong môi trường vật chất, vận tốc truyền của sóng nhỏ hơn và bằng v = c/n, trong đó n được gọi là chiết suất tuyệt đối của môi trường, với n  1 Các sóng điện

từ có bước sóng trải dài trong một phạm vi rất rộng từ 10.7nm (nano met) đến hàng nghìn km Hình 1.2 trình bày thang sóng điện từ của bức xạ mặt trời

Tia hồng ngoại

Sóng ngắn Sóng vô tuyến

điện

 (  m )

Tia



Hình 1.2 Thang sóng điện từ của bức xạ mặt trời

Trang 18

Ánh sáng nhìn thấy có bước sóng từ 0,4m đến gần 0,8m, chỉ chiếm một phần rất nhỏ của phổ sóng điện từ của bức xạ mặt trời Mặc dù có cùng bản chất là sóng điện từ nhưng các loại sóng điện từ có bước sóng  khác nhau thì gây ra các tác dụng lý học, hoá học và sinh học rất khác nhau Nói riêng trong vùng phổ nhìn thấy được, sự khác nhau về bước sóng gây cho ta cảm giác màu sắc khác nhau của ánh sáng Khi đi từ bước sóng dài  = 0,8m đến giới hạn sóng ngắn  = 0,4m ta nhận thấy màu sắc của ánh sáng thay đổi liên tục từ đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím Mắt người nhạy nhất đối với ánh sáng màu vàng có bước sóng  = 580m Sự phân

bố năng lượng đối với các bước sóng khác nhau cũng khác nhau Bảng 1.1 cho thấy quan hệ giữa mật độ năng lượng của bức xạ điện từ phụ thuộc vào bước sóng của

nó, còn bảng 1.2 là quan hệ giữa màu sắc của ánh sáng và bước sóng của nó Từ bảng 1.1 ta thấy rằng mật độ năng lượng bức xạ mặt trời chủ yếu phân bố trong giải bước sóng từ  = 0,2 m (tử ngoại C, tỷ lệ mật độ năng lượng 0,57%) đến  = 3.0

m (hồng ngoại, tỷ lệ mật độ năng lượng 1,93%), còn ngoài vùng đó mật độ năng lượng không đáng kể

Khi bức xạ mặt trời đi qua tầng khí quyển bao quanh quả đất, nó bị các phân tử khí, các hạt bụi, hấp thụ hoặc bị làm tán xạ, nên phổ và năng lượng mặt trời khi

đến bề mặt quả đất bị thay đổi rất đáng kể

Bảng 1.1 : Phân bố phổ bức xạ mặt trời theo bước sóng

6,978.10.5 6,978.10.7

Trang 19

Qủa đất bị bao bọc xung quanh bởi một tầng khí quyển có chiều dày H khoảng

7991 km bao gồm các phân tử khí, hơi nước, các hạt bụi, các hạt chất lỏng, chất rắn

Trang 20

và các đám mây, Vì vậy, khi bức xạ mặt trời xuyên qua lớp khí quyển đó để đến được mặt đất thì năng lượng và phổ của nó bị thay đổi đáng kể

(a) (b)

Ở bên ngoài lớp khí quyển quả đất, năng lượng bức xạ mặt trời là hằng số và có giá trị là 1353 W/m2

Gía trị này được gọi là hằng số mặt trời Phổ của bức xạ mặt trời

là một đường cong liên tục có năng lượng chủ yếu nằm trong vùng bước sóng từ 0,1m đến ngoài 3 m (hình 1.3) Đường phân bố phổ này gần giống đường phân bố phổ bức xạ của một vật đen tuyệt đối ở nhiệt độ 5726 K Cực đại của phổ bức xạ mặt trời nằm ở bước sóng 0,48m và ứng với mật độ năng lượng 2 074W/m2

Khi các tia mặt trời xuyên vào lớp khí quyển quả đất, gặp các phân tử khí, hơi nước, các hạt bụi, các hạt chất lỏng, … bị tán xạ, phản xạ và hấp thụ nên một phần năng lượng của nó không tới được mặt đất Đối với những ngày trong sáng thì sự suy giảm năng lượng của các tia bức xạ mặt trời do ba quá trình vật lý sau đây xảy

ra một cách đồng thời:

Sự hấp thụ chọn lọc do các phân tử hơi nước H2O, O2, O3 và CO2

Sự tán xạ Rayleith trên các phân tử khí, các hạt bụi,…

Tán xạ Mie

Kinh tuyÕn gèc (qua GreenWich)

Hình 1.3 Định nghĩa các vĩ tuyến (a) và kinh tuyến (b)

Trang 21

Hình1.4 Phổ bức xạ mặt trời bên trong và ngoài bầu khí quyển

Tán xạ Rayleith là sự tán xạ của tia mặt trời lên các phân tử khí hay các hạt bụi

có kích thước rất nhỏ so với bước sóng  của bức xạ Theo lý thuyết Rayleith thì hệ

số tán xạ trong quá trình này tỷ lệ với .4 Một cách gần đúng, có thể đánh giá rằng, 50% năng lượng của các tia bức xạ tán xạ bị mất đi khi qua lớp khí quyển trái đất,

chỉ còn 50% đến được quả đất theo các hướng khác nhau, và được gọi là bức xạ nhiễu xạ hay bức xạ tán xạ Sự tán xạ xảy ra trên các hạt bụi nói chung có kích

thước lớn hơn nhiều so với kích thước các phân tử khí nên việc tính toán trở nên rất khó khăn Vì kích thước và mật độ của chúng biến đổi từ vùng này sang vùng khác,

và còn phụ thuộc cả vào độ cao và thời gian

Tán xạ Mie là tán xạ xảy ra khi kích thước của các hạt bụi lớn hơn bước sóng

của bức xạ, khi đó sự suy giảm cường độ bức xạ do hai nguyên nhân: do sự tán xạ thực sự (phân bố lại năng lượng tới) và do sự hấp thụ bức xạ bởi các hạt bụi Trong nguyên nhân thứ 2, một phần năng lượng của bức xạ biến thành nhiệt Phần bức xạ còn lại sau tán xạ Mie, hướng đến quả đất nên cũng được gọi là bức xạ nhiễu xạ

quyển nên vùng bước sóng tử ngoại  < 0,29m trong phổ mặt trời đã bị biến mất khi đến mặt đất Trong vùng hồng ngoại, sự hấp thụ xảy ra chủ yếu do hơi nước

H2O và CO2 Kết quả của các quá trình nói trên làm cho cường độ bức xạ mặt trời

Bước sóng 

(  m)

m=0, E 0 =1353W/m2Vật đen bức xạ ở T=5726K, chuẩn về E 0 =1353W/m2 m=2, E=691,2W/m2 m=2, không bị hấp thụ phân tử

Trang 22

tới mặt đất yếu đi rất nhiều so với ở ngoài vũ trụ và đường cong phân bố phổ của

nó ở mặt đất không còn được liên tục như ở ngoài khí quyển quả đất, mà bị “xẻ” thành nhiều “rãnh” hoặc các “vùng rãnh” như đã chỉ ra trên hình 1.3

Trong các ngày mây mù, sự suy giảm bức xạ mặt trời xảy ra còn mạnh hơn Một phần đáng kể bức xạ mặt trời bị phản xạ trở lại vũ trụ từ các đám mây, một

phần khác bị các đám mây hấp thụ, phần còn lại truyền đến quả đất như là bức xạ nhiễu xạ Tổng các bức xạ mặt trời bị phản xạ trở lại vũ trụ do phản xạ và tán xạ từ

các đám mây, từ các phân tử khí, từ các hạt bụi và phản xạ từ mặt đất (bao gồm các

vật cản như nhà cửa, cây cối, ) được gọi là Albedo của hệ khí quyển quả đất, và có

giá trị vào khoảng 30%

Tóm lại ở mặt đất nhận được hai thành phần bức xạ:

Bức xạ trực tiếp (còn gọi là Trực xạ) là các tia sáng mặt trời đi thẳng từ mặt

trời đến mặt đất, không bị thay đổi hướng khi qua lớp khí quyển

Bức xạ Nhiễu xạ hay bức xạ khuếch tán gọi tắt là tán xạ là thành phần các tia

mặt trời bị thay đổi hướng ban đầu do các nguyên nhân như tán xạ, phản xạ, Hướng của tia trực xạ phụ thuộc vào vị trí của mặt trời trên bầu trời, tức là phụ thuộc vào thời gian và địa điểm quan sát Trong khi đó đối với bức xạ nhiễu xạ không có hướng xác định mà đến điểm quan sát từ mọi điểm trên bầu trời

Tổng hai thành phần bức xạ này được gọi là tổng xạ, nó chiếm khoảng 70%

toàn bộ bức xạ mặt trời hướng về quả đất

1.1.4.2 Sự giảm năng lượng mặt trời phụ thuộc vào độ dài đường đi của tia sáng qua lớp khí quyển (air mass)

Do các quá trình hấp thụ, tán xạ, phản xạ của tia mặt trời xảy ra khi nó đi qua lớp khí quyển nên cường độ bức xạ khi tới mặt đất phụ thuộc vào độ dài đường đi của tia trong lớp khí quyển Độ dài này laị phụ thuộc vào độ cao của mặt trời Ví

dụ, khi mặt trời ở điểm Zenith ( ở đỉnh đầu) thì các tia bức xạ mặt trời khi xuyên qua lớp khí quyển bị tán xạ và hấp thụ là ít nhất, vì đường đi ngắn nhất Còn ở các điểm “chân trời”, lúc mặt trời mọc hoặc lặn thì đường đi của tia bức xạ mặt trời qua

Trang 23

lớp khí quyển là dài nhất, nên bức xạ bị tán xạ và hấp thụ nhiều nhất Để đặc trưng cho sự mất mát năng lượng phụ thuộc độ dài đường đi của tia bức xạ mặt trời qua

lớp khí quyển người ta đưa vào một đại lượng được gọi là “Air mass”, ký hiệu m

(hay AM) và được định nghĩa như sau:

Độ dài của tia trực xạ xuyên qua lớp khí quyển theo phương quan sát

Độ dày của lớp khí quyển theo phương vuông góc với mặt biển

Từ hình 1.4 ta thấy, nếu tia mặt trời đến điểm A trên mặt đất theo hướng BA, thì airmass đối với vị trí đó của mặt trời và đối với điểm điểm A trên mặt đất có thể được xác định bởi công thức sau :

R H

R CA

BA

2 2

- Ở ngoài khí quyển quả đất : m = 0, E = 1 353W/m2

- Khi mặt trời ở điểm Zenith (đỉnh đầu) : m =1, E = 924,9 W/m2

Hình 1.5 Định nghiã và cách xác định airmas

Trang 24

1.1.4.3 Cường độ bức xạ mặt trời biến đổi theo thời gian

Mô hình lý thuyết để tính toán cường độ bức xạ mặt trời trực tiếp gọi tắt là trực xạ được xây dựng dựa trên các tài liệu đo đạc khí tượng trong nhiều năm Mô

hình này dựa trên giả thiết cho rằng mặc dù các thông số khí quyển thay đổi từ miền này đến miền khác và từ thời gian này đến thời gian khác, nhưng hệ số truyền qua hiệu dụng của bầu trời thay đổi không nhiều Vì khi lượng nước có thể ngưng

tụ trong khí quyển giảm, thì lượng bụi lại tăng lên và ngược lại

Theo định nghĩa “khí quyển chuẩn” (đối với ngày trong tháng) là khí quyển mà

lượng hơi nước có thể ngưng tụ là 15 mm, lượng Ozon là 2,5 mm, bụi có mật độ

Một công thức khác tổng quát hơn cho cường độ trực xạ khi tia tới vuông góc với mặt phẳng nằm ngang đã được Majumdar và cộng sự đưa ra là:

  0 , 25

1000 ( 0 , 8507 ) )

8644 , 0 (

Các công thức trên (1.2) và (1.3) chỉ áp dụng được cho các ngày trong sáng

1.1.4.4 Cường độ bức xạ mặt trời biến đổi theo không gian

Như đã phân tích, bức xạ nhiễu xạ tới mặt đất từ tất cả mọi phía của vòm bầu trời và là do sự tán xạ, phản xạ của tia bức xạ mặt trời trong khí quyển quả đất Ngay cả những ngày trời đẹp nhất, khi bầu trời rất trong sáng, vẫn có bức xạ nhiễu

xạ phụ thuộc vào lượng bụi, Ozon và hơi nước trong khí quyển Trong những ngày mây mù, lúc ta không nhìn thấy mặt trời, thì toàn bộ bức xạ đến được quả đất chỉ là bức xạ nhiễu xạ Việc tính toán bức xạ nhiễu xạ là rất khó khăn do thiếu các số liệu

về bầu khí quyển Ngoài ra, do sự biến đổi của thời tiết nên sự phân bố bức xạ

Trang 25

nhiễu xạ cũng biến đổi ngẫu nhiên theo không gian và thời gian Những công thức tính toán lý thuyết thành phần này của bức xạ mặt trời đều phải dựa trên một số giả thiết để làm đơn giản bài toán Theo lý thuyết của Buckuist và King thì hệ số truyền qua ụS, đặc trưng cho bức xạ nhiễu xạ tới một mặt phẳng nằm ngang ở trên mặt đất được xác định bởi biểu thức:

1

exp ) 2 1 ( 2 1 2 634 , 0

0 1

0 0

L

S

K K

K a

K

(1.4)

Trong đó: 0 = 1/m , m = airmass; KL độ dày quang học (quang lộ) của lớp khí quyển; a1= tham số tán xạ dị hướng

Mô hình lý thuyết này chỉ có giá trị đối với bầu trời không có mây mù

1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP KHAI THÁC, SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Việt Nam là một quốc gia đang phát triển, do đó nhu cầu năng lượng ngày càng

tăng với tốc độ tăng trưởng khoảng (15-20)% Hiện tại chính sách quốc gia của

Việt Nam về nhu cầu năng lượng dựa vào việc thiết lập hệ thống các nhà thủy điện, nhà máy nhiệt điện tua bin hơi và tua bin khí, một số nhà máy điện nguyên tử…

Tuy nhiên, để đảm bảo phát triển bền vững và đặc biệt cân bằng được năng lượng của quốc gia trong tương lai, Việt Nam đã và đang tập trung nghiên cứu phát triển các nguồn năng lượng mới trong đó Năng lượng mặt trời vẫn là một nguồn

năng lượng tối ưu trong tương lai cho điều kiện Việt Nam đứng về phương diện địa

dư và nhu cầu phát triển kinh tế Nguồn năng lượng này sẽ góp phần vào:

+ Hạn chế hiệu ứng nhà kính và sự hâm nóng toàn cầu

+ Giải quyết ô nhiễm môi trường do việc gia tăng dân số và phát triển xã hội của quốc gia trên thế giới

+ Bổ túc vào sự thiếu hụt năng lượng trong tương lai khi nguồn năng lượng trong thiên nhiên sắp bị cạn kiệt

Trang 26

Vị trí địa lý đã ưu ái cho Việt Nam nguồn năng lượng tái tạo vô cùng lớn, đặc biệt là năng lượng mặt trời Việt Nam nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao, trong đó nhiều nhất phải kể đến TPHCM, tiếp đến là các vùng Tây Bắc (Lai Châu, Sơn La, Lào Cai)… Tuy nhiên, để khai thác nguồn năng lượng này, đòi hỏi rất nhiều nỗ lực Những chuyển biến gần đây cho thấy, ứng dụng, khai thác năng lượng mặt trời đã có những bước tiến mới

1.2.1 Tổng quan về thiết bị sử dụng năng lƣợng mặt trời

Năng lượng mặt trời (NLMT) là nguồn năng lượng mà con người biết sử dụng từ rất sớm , nhưng ứng dụng NLMT vào các công nghệ sản xuất và trên quy mô rộng thì mới chỉ thực sự vào cuối thế kỉ 18 và cũng chủ yếu ở những nước nhiều NLMT, những vùng sa mạc Từ sau các cuộc khủng hoảng năng lượng thế giới năm

1968 và 1973, NLMT càng được đặc biệt quan tâm Các nước công nghiệp phát triển đã đi tiên phong trong việc nghiên cứu ứng dụng NLMT Các ứng dụng NLMT phổ biến hiện nay bao gồm cá c lĩnh vực

chủ yếu sau:

1.2.1.1 Pin mặt trời

Pin mặt trời là phương pháp sản xuất điện trực

tiếp từ NLMT qua thiết bị biến đổi quang điện

Pin mặt trời có ưu điểm là gọn nhẹ , có thể lắp

bất kì ở đâu có ánh sáng mặt t rời, đặc biệt trong

lĩnh vực tàu vũ trụ Ứng dụng NLMT dưới dạng

này được phát triển với tốc độ rất nhanh, nhất là ở các nước phát triển

Ngày nay, con người đã ứng dụng pin NLMT để chạy xe , thay thế dần nguồn năng lượng truyền thống Tuy nhiện , giá thành thiết bị pin mặt trời còn khá cao nên ở những nước đang phát triển pin mặt trời hiện mới chỉ có khả năng duy nhất là cung cấp năng lượng điện sử dụng cho các vùng sâu, xa nơi mà đường điện quốc gia chưa

có

Ở Việt Nam, với sự hỗ trợ của một số tổ chức quốc tế đac thực hiệnt hành công việc xây dựng các trạm pin mặt trời có công suất khác nhau phục vụ nhu cầu sinh

Hình 1.6 Pin mặt trời

Trang 27

hoạt và văn hóa của các địa phương vù ng sâu, vùng xa, nhất là đồng bằng sông Cửu Long và Tây Nguyên Tuy nhiên, hiện nay pin mặt trời vẫn đang còn là món hàng

xa xỉ đối với các nước nghèo như chúng ta

1.2.1.2 Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời

Điện năng còn có thể tạo ra từ NLMT dựa trên nguyên tắc tạo nhiệt độ cao bằng một hệ thống gương phản chiếu và hội tụ để gia nhiệt cho môi chất làm việc truyền động cho máy phát điện

Hiện nay, trong các nhà máy nhiệt điện sử dụng NLMT có các loại hệ thống bộ thu chủ yếu sau đây: Hệ thống dùng parabol trụ để tập trung tia bức xạ mặt trời vào một ống môi chất đặt dọc theo đường hội tụ của bộ thu , nhiệt độ có thể đạt tới

4000C Hệ thống nhận nhiệt trung tâm bằng cách sử dụng các gương phản xạ có định vị theo phương mặt trời để tập trung NLMT vào một bộ thu đặt ở tiêu điểm của gương, nhiệt độ có thể đạt trên 15000

C Hiện nay người ta còn dùng năng lượng mặt trời để phát điện theo kiểu “ tháp năng lượng mặt trời – Solar power tower ”

Tháp năng lượng mặt trời Nhà máy điện mặt trời

Hình 1.7 Nhà máy sử dụng Năng lượng mặt trời

Trang 28

1.2.1.3 Thiết bị sấy khô dùng NLMT

Hiện nay NLMT được ứng dụng khá

phổ biến trong các lĩnh vực nông nghiếp

để sấy các sản phẩm như ngũ cốc , thực

phẩm… nhằm giảm tỷ lệ hao hụt và tăng

chất lượng sản p hẩm Ngoài mục đích để

sấy các loại nông sản , NLMT còn được

dùng để sấy các loại vật liệu như gỗ

Hình1.8 Lò sấy sử dụng hệ thống NLMT 1.2.1.4 Bếp nấu dùng NLMT

Bếp năng lượng mặt trời được ứng dụng rất rộng rãi ở các nước nhiều NLMT

như các nước châu Phi

Hình 1.9 Bếp nấu dùng NLMT

Ở Việt Nam việc bếp năng lượng mặt trời cũng đã được sử dụng từ những năm

2000 Trung tâm nghiên cứu thiết bị áp lực và năng lượng mới – Đạihọc Đà Nẵng

đã phối hợp với các tổ chức từ thiện Hà Lan triển khai dự án (30000 USD) đưa bếp

năng lượng mặt trời - bếp tiện lợi (BTL) vào sử dụng

ở các vùng nông thôn của tỉnh Quảng Nam, Quảng Ngãi, dự án phát triển rất tốt và

ngày càng được đông đảo nhân dân ủng hộ Trong năm 2002, trung tâm dự kiến sẽ được

được 750 BNL vào sử dụng ở các xã huyện Núi thành và triển khai ứng dụng ở các khu

dân cư ven biển để họ có thể nấu nước, cơm và thức ăn khi ra khơi bằng NLMT

Trang 29

1.2.1.5 Thiết bị chưng cất nước dùng NLMT

Thiết bị chưng cất nước thường có hai loại : Loại nắp kính phẳng có chi phí cao

khoảng 23USD/m2, tuổi thọ khoảng 30

năm, và loại nắm plastic có chi phí rẻ hơn

nhưng hiệu quả chưng cất kém hơn

Ở Việt Nam đã có đề tài sử dụng thiết

bị chưng cất nước NLMT dùng để chư ng

cất nước ngọt từ nước biển và cung cấp

nước sạch dùng cho sinh hoạt ở những

vùng có nguồn nước ô nhiễm với thiết bị

chưng cất NLMT có gương phản xạ đạt

được hiệu suất cao tại khoa Công nghệ nhiệt điện lạnh – Trường đại học Bách khoa Đà Nẵng

1.2.1.6 Động cơ stirling chạy bằng NLMT

Ứng dụng NLMT để chạy các động cơ

Stirling ngày càng được nghiên cứu và ứng

dụng rộng rãi dùng để bơm nước sinh hoạt hay

tưới cây ở các vùng nông trại Ở VN loại động

cơ chạy bằng NLMT này cũng đã được nghiên

cứu chế tạo để triển khai, ứng dụng vào thực tế

Hình 1.11 Động cơ stirling chạy bằng NLMT 1.2.1.7 Thiết bị đun nước nóng bằng NLMT

Ứng dụng đơn giản , phổ biến và hiệu quả

nhất hiện nay của NLMT là dùng để đun nước

nóng Các hệ thống nước nóng dùng NLMT đã

được dùng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới

Ở Việt Nam , hệ thống cung cáp nước nóng

bằng NLMT đã và đang được ứng dụng rộng rãi

ở Hà Nội, tp Hồ Chí Minh và Đà Nẵng Các hệ

Hình 1.10 Thiết bị chưng cất nước dùng NLMT

Hình 1.12 Thái dương năng

Trang 30

thống này đã tiết kiệm cho người sử dụng một lượng đáng kể năng lượng , gópphần rất lớn trong việc thực hiện chương trình t iết kiệm năng lượng của nước ta bảo vệ môi trường chung của nhân loại

Hệ thống cung cấp nước nóng dùng NLMT hiện nay ở Việt Nam cũng như trên thế giới chủ yếu dùng bộ thu cố định kiểu tấm phẳng hoặc dãy ống có cánh nhậ n nhiệt độ nước sử dụng 60oC thì hiệu suất của bộ thu khoảng 45%, còn nếu sử dụng

ở nhiệt độ cao hơn thì hiệu suất còn thấp

1.2.1.8 Thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí dùng NLMT

Trong số những ứng dụng của NLMT thì làm lạnh và điều hòa không khí là ứng dụng hấp dẫn nhất vì nơi nào khí hậu nóng nhát thì nơi đó có nhu cầu về làm lạnh lớn nhất, đặc biệt là ở những vùng xa xôi hẻo lạnh thuộc các nước đang phát triển không có lưới điện quốc gia và giá nhiên liệu quá đắt so với thu nhập trung bình của người dân Với các máy lạnh làm việc trên nguyên lý biến đổi NLMT thânhf điện năng nhờ pin mặt trời (photovoltaic) là thuận tiện nhất , nhưng trong giai đoạ n hiện nay giá thành pin mặt trời còn quá cao Ngoài ra các hệ thống lạnh còn được sử dụng NLMT dưới dạng nhiệt năng để chạy máy lạnh hấp thụ , loại thiết bị này ngày càng được ứng dụng nhiều trong thực tế , tuy nhiên hiện nay các hệ thống này vẫn chưa được thương mại hóa và sử dụng rộng rãi vì giá thành còn rất cao và hơn nữa các bộ thu dùng trong các hệ thống này chủ yếu là bộ thu phẳng với hiệu suất còn thấp (dưới 45%) nên diện tích lắp đặt bộ thu cần rất lớn , chưa phù hợp với thực tế

Ở VN cũng đã có một số nhà khoa học nghiên cứu tối ưu hóa bộ thu năng lượng mặt trời kiểu hộp phẳng mỏng cố định có gương phản xạ để ứng dụng trong kỹ thuật lạnh, với loại bộ thu này có thể tạo được nhiệt độ cao để cấp nhiệt cho máy lạnh hấp thụ nhưng diện tích bề mặt cần lắp đặt phải rộng

1.2.2 Hướng nghiên cứu về thiết bị sử dụng NLMT

Trong thời đại khoa học kỹ thuật p hát triển, nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng Trong khi đó các nguồn nhiên liệu dự trữ như than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên

và ngay cả thủy điện thì có hạn khiến cho nhân loại đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới như năng lượng

Trang 31

hạt nhân, năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió và năng lượng mặt trời là một trong những hướng quan trọng trong kế hoạch phát triển năng lượng , không những đối với những nước phát triển mà ngay cả với những nước đang phát triển

Năng lượng mặt trời (NLMT) – nguồn năng lượng sạch và tiềm tàng nhất đang được loài người thực sự đặc biệt quan tâm Do đó việc nghiên cứu nâng cao hiệu quả các thiết bị sử dụng NLMT và triển khai ứng dụng chúng vào thực tế là vấn đề có tính thời sự

Việt Nam là nước có tiềm năng về NLMT , nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao , với trị số tổng xạ khá lớn từ 100 – 175 kcal/cm2

,năm

do đó việc sử dụng NLMT ở nước ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế lớn Thiết bị sử dụng năng lượng này ở VN hiện nay chủ yếu là hệ thống cung cấp nước nóng kiểu tấm phẳng hay kiểu ống có c ánh nhận nhiệt Nhưng nhìn chung các thiết bị này giá thành còn cao , hiệu suất còn thấp nên chưa được người dân sử dụng rộng rãi Hơn nữa, do đặc điểm phân tán và sự phụ thuộc vào các mùa trong năm của NLMT , ví

dụ mùa đông thì cần nước nóng nhưng NLMT ít , còn mùa hè không cần nước nóng thì nhiều NLMT do đó các thiết bị sử dụng NLMT chưa có tính thuyết phục Sự mâu thuẫn đó đòi hỏi chúng ta cầ chuyển hướng nghiên cứu dùng NLMT vào các mục đích khác thiết thực hơn như : Chưng cất nước dùng NLMT, dùng NLMT chạy các động cơ nhiệt , nghiên cứu hệ thống điều hòa không khí dùng NLMT… Hệ thống lạnh hấp thụ NLMT là một đề tài hấp dẫn có tính thời sự và đang đượ c nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước nghiên cứu , nhưng vấn đề sử dụng bộ thu NLMT nào cho hiệu quả và thực tế nhất thì vẫn còn là một đề tài cần phải nghiên cứu Vấn đề sử dụng NLMT đã được các nhà khoa học trên th ế giới và trong nước quan tâm Mặc dù tiềm năng của NLMT rất lớn nhưng tỷ trọng năng lượng được sản xuất từ NLMT trong tổng năng lượng tiêu thụ của thế giới vẫn còn khiêm tốn Nguyên nhân chính chưa thể thương mại hóa các thi ết bị và công nghệ sử dụng NLMT trong tổng năng lượng mặt trời là do còn tổn tại một số hạn chế lớn chưa được giải quyết:

Trang 32

- Giá thành thiết bị còn cao : vì hầu hết các nước đang phát triển và kém phát triển là những nư ớc có tiềm năng rất lớn về NLMT nhưng để nghiên cứu và ứng dụng NLMT lại đòi hỏi vốn đầu tư rất lớn , nhất là để nghiên cứu các thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí bằng NLMT cần chi phí cao so với thu nhập của người dân ở các nước nghèo

- Hiệu suất thiết bị còn thấp : Nhất là các bộ thu năng lượng mặt trời dùng để cấp nhiệt cho máy lạnh hấp thụ cần nhiệt độ cao trên 85oC thì các bộ thu phẳng đặt cố định bình thường có hiệu suất rất thấp, do đó thiết bị lắp đặt còn cồng kềnh chưa phù hợp với nhu cầu lắp đặt về mặt thẩm mỹ Các bộ thu có gương parabolic phản

xạ thì thu được nhiệt độ cao tuy nhiên vấn đề định hướng nắng theo phương mặt trời rất phức tạp nên không thuận lợi cho việc vận hành

- Việc triển khai ứng dụng thực tế còn hạn chế : về mặt lý thuyết, NLMT là một nguồn năng lượng sạch , rẻ tiền và tiềm tàng , nếu sử dụng nó hợp lý sẽ mang lại lợi ích kinh tế và môi trường rất lớn Việc nghiên cứu về lý thuyết đã tương đối hoàn chỉnh Song, trong điều kiện thực tiễn , các thiết bị sử dụng NLMT lại có quá trình làm việc không ổn định và không liên tục, hoàn toàn biến động theo thời tiết, vì vậy rất khó ứng dụng quy mô công nghiệp cũng như sử dụng cho các khu dân cư

Để khai thác và sử dụng NLMT một cách hiệu quả cần có một hệ thống lưới điện thông minh Khi có ánh sáng mặt trời sẽ tạo ra năng lượng một chiều (DC), Nguồn năng lượng một chiều này được chuyển đổi thành điện năng xoay chiều (AC) bởi bộ nghịch lưu Bộ điều khiển có chức năng truyền năng lượng này đến phụ tải chính để cung cấp điện cho các thiết bị điện trong gia đình Đồng thời, điện năng dư thừa được bán trở lại lưới điện qua đồng hồ đo để giảm thiểu hóa đơn tiền điện

Dòng điện sinh ra từ hệ thống pin mặt trời được sử dụng cho các thiết bị điện trong nhà để thay cho điện lưới Nếu công suất điện sinh ra lớn hơn công suất điện tiêu thụ thì lượng điện thừa sẽ được nạp vào hệ thống tồn trữ (ắc quy) Ngược lại, khi lượng điện tiêu thụ lớn hơn lượng điện mặt trời sinh ra (vào ban đêm, hay lúc

Trang 33

trời nhiều mây…) thì dòng điện sẽ được lấy thêm từ lưới điện như bình thường, hoặc từ hệ thống tồn trữ (nếu điện lưới bị cắt)

1.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Năng lượng mặt trời là một dạng năng lượng tái tạo vô tận với trữ lượng lớn

Đó là một trong các nguồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất mà thiên nhiên ban tặng cho hành tinh chúng ta Đồng thời nó cũng là nguồn gốc của các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, năng lượng sinh khối, năng lượng các dòng sông,… Năng lượng mặt trời có thể nói là vô tận Tuy nhiên, để khai thác, sử dụng nguồn năng lượng này cần phải biết các đặc trưng và tính chất cơ bản của nó, đặc biệt khi tới bề mặt quả đất

Chương 1 đã giới thiệu được các vấn đề:

- Cấu trúc của mặt trời và đặc điểm của nguồn năng lượng mặt trời

- Các phương pháp khai thác, sử dụng năng lượng mặt trời hiện nay

Xuất phát từ những vấn đề lý thuyết đã nêu,chương 2, chương 3 giới thiệu một trong những ứng dụng quan trọng của nguồn năng lượng này, đó là thiết kế mạch động lực và mạch điều khiển cho hệ thống nối lưới nguồn năng lượng mặt trời

Trang 34

CHƯƠNG 2

THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC HỆ THỐNG MẶT TRỜI NỐI LƯỚI

2.1 SƠ ĐỒ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG PIN MẶT TRỜI

Một hệ thống năng lượng pin mặt trời được định nghĩa là một tổ hợp của các thành phần sau đây:

- Dàn pin hay máy phát pin mặt trời

- Bộ tích trữ điện năng

- Các thiết bị điều khiển, biến đổi điện, tạo cân bằng năng lượng trong hệ thống

- Các tải (thiết bị) tiêu thụ điện

Ta có sơ đồ điều khiển nối lưới năng lượng mặt trời như sau:

2.1.1 Bộ đóng cắt mềm

- Nhiệm vụ: Đóng cắt mạch điện để cho một thiết bị được kết nối hoặc không

- Cấu tạo: mỗi pha gồm 2 Thyristor mắc song song ngược

Hình 2.1 Sơ đồ điều khiển hệ thống nối lưới NLMT

Ăc quy

Trang 35

Đặc điểm: Cho phép đóng cắt với thời gian ngắn; thông qua thuật toán điều khiển, cho phép điều khiển được công suất cấp cho tải và hướng truyền công suất

2.1.2 Bộ nghịch lưu

Bộ Biến đổi điện (Inverter) có chức năng biến đổi dòng điện một chiều (DC) từ dàn pin mặt trời hoặc từ Bộ ác qui thành dòng điện xoay chiều (AC) Các thông số kỹ thuật chính cần quan tâm bao gồm:

- Thế vào Vin một chiều

- Thế ra Vout xoay chiều

- Tần số và dạng dao động điện (hình sin hay vuông góc, )

- Công suất yêu cầu cũng được xác định như đối với Bộ điều khiển, nhưng ở đây chỉ tính các tải của riêng Bộ biến đổi điện

- Hiệu suất biến đổi  phải đạt yêu cầu  85% đối với trường hợp sóng điện xoay chiều có dạng vuông góc hay biến điệu và   75% đối với Bộ biến đổi có sóng điện ra hình sin Việc dùng Bộ biến đổi điện có tín hiệu ra dạng xung vuông, biến điệu hay hình sin lại phụ thuộc vào tải tiêu thụ Nếu tải chỉ là tivi, radio, tăng âm, thì chỉ cần dùng loại sóng ra dạng xung vuông hay biến điệu Nhưng nếu tải

là các động cơ điện, quạt điện, tức là những thiết bị có cuộn cảm thì phải dừng các

bộ biến đổi có sóng ra dạng sin

Vì hiệu điện thế trong hệ nguồn điện pin mặt trời thay đổi theo cường độ bức xạ

và trạng thái nạp của ác qui, nên các điện thế vào và ra của BĐK cũng như Bộ biến đổi điện phải được thiết kế trong một khoảng dao động khá rộng nào đó Ví dụ đối với hệ nguồn làm việc với điện thế V = 12V thì BĐK và Bộ đổi điện phải làm việc được trong giải điện thế từ Vmin = 10V đến Vmax = 15V

2.1.3 Bộ Boost converter

Nhiệm vụ: Tăng trị số điện áp một chiều phù hợp với điện áp một chiều đặt vào

bộ nghịch lưu của hệ thống năng lượng mặt trời, đồng thời thông qua bộ Boost converter này để thực hiện điều khiển bám công suất cực đại cho hệ thống

Trang 36

2.1.4 Thiết bị điều khiển

Là bộ điều khiển trung tâm của cả hệ thống thực hiện chức năng điều phối công suất giữa hệ thống pin mặt trời với lưới nhằm điều khiển phát công suất phản kháng lên lưới và phát công suất tác dụng cực đại lên lưới, điều phối tải (tải cục bộ), điều khiển máy phát bám lưới khi có lỗi lưới

Bộ điều khiển (controller or regulator) là một thiết bị điện tử có chức năng kiểm soát tự động các quá trình nạp và phóng điện của bộ ác qui Bộ điều khiển (BĐK) theo dõi trạng thái của ác qui thông qua hiệu điện thế trên các điện cực của nó

Các thông số kỹ thuật chính cần phải được quan tâm

- Ngưỡng điện thế cắt trên Vmax:

Ngưỡng điện thế cắt trên Vmax là gía trị hiệu điện thế trên hai cực của Bộ ác qui đã được nạp điện no, dung lượng đạt 100% Khi đó nếu tiếp tục nạp điện cho Bộ

ác qui thì ác qui sẽ bị quá no, dung dịch ác qui sẽ bị sôi dẫn đến sự bay hơi nước và làm hư hỏng các bản cực Vì vậy khi có dấu hiệu ác qui đã được nạp no, hiệu điện thế trên các cực Bộ ác qui đạt đến V = Vmax, thì BĐK sẽ tự động cắt hoặc hạn chế dòng nạp điện từ dàn pin mặt trời (PMT) Sau đó khi hiệu điện thế Bộ ác qui giảm xuống dưới giá trị ngưỡng, BĐK lại tự động đóng mạch nạp lại

- Ngưỡng cắt dưới Vmin:

Ngưỡng cắt dưới Vmin là giá trị hiệu điện thế trên hai cực Bộ ác qui khi ác qui

đã phóng điện đến giá trị cận dưới của dung lượng ác qui (ví dụ, đối với ác qui chì- axit, khi trong ác qui chỉ còn lại 30% dung lượng) Nếu tiếp tục sử dụng ác qui thì

nó sẽ bị phóng điện quá kiệt, dẫn đến hư hỏng ác qui Vì vậy, khi BĐK nhận thấy hiệu điện thế Bộ ác qui V  Vmin thì nó sẽ tự động cắt mạch tải tiêu thụ Sau đó nếu hiệu điện thế Bộ ác qui tăng lên trên giá trị ngưỡng, BĐK lại tự động đóng mạch nạp lại

Đối với ác qui chì- axit, hiệu điện thế chuẩn trên các cực của một bình là V = 12V, thì thông thường người ta chọn Vmax = (14,0 -14,5) V, còn Vmin = (10,5 - 11,0) V

Trang 37

- Điện thế trễ V: là giá trị khoảng hiệu điện thế là hiệu số của các giá trị điện

thế cắt trên hay cắt dưới và điện thế đóng mạch lại của BĐK, tức là:

V = Vmax - Vđ hay V = Vmin - Vđ, với Vđ là giá trị điện thế đóng mạch trở lại của BĐK Thông thường V khoảng 1 - 2 V

- Công suất P của BĐK: thông thường nằm trong giải:

1,3 PL P  2 PL

Trong đó: PL là tổng công suất các tải có trong hệ nguồn, PL = Pi, i = 1, 2

- Hiệu suất của BĐK phải càng cao càng tốt, ít nhất cũng phải đạt giá trị lớn hơn

85%

2.1.5 Pin mặt trời

Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện), là thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các diod p-n, duới sự hiện diện của ánh sáng mặt trời có khả

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

Các pin năng lượng mặt trời có nhiều ứng dụng Chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng mà điện năng trong mạng lưới chưa vươn tới, các vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo trái đất, máy tính cầm tay, các máy điện thoại cầm tay từ xa, thiết bị bơm nước Pin năng lượng mặt trời (tạo thành các module hay các tấm năng lượng mặt trời) xuất hiện trên nóc các tòa nhà nơi chúng có thể kết nối với bộ chuyển đổi của mạng lưới điện

Hiệu suất là tỉ số của năng lượng điện từ ánh sáng mặt trời Vào buổi trưa một ngày trời trong, ánh mặt trời tỏa nhiệt khoảng 1000 W/m² trong đó 10% hiệu suất của 1 module 1 m² cung cấp năng lượng khoảng 100 W hiệu suất của pin mặt trời thay đổi từ 6% từ pin mặt trời làm từ silic không thù hình, và có thể lên đến 30%

hay cao hơn nữa

Pin mặt trời được sản xuất và ứng dụng phổ biến hiện nay là các pin mặt trời được chế tạo từ vật liệu tinh thể bán dẫn Silicon (Si) có hoá trị 4 Từ tinh thể Si tinh khiết, để

có vật liệu tinh thể bán dẫn Si loại n, người ta pha tạp chất Donor là Photpho (P) có hoá

Trang 38

trị 5 Còn để có vật liệu bán dẫn tinh thể loại p thì tạp chất Acceptor được dùng để pha vào Si là Bo có hoá trị 3 Đối với pin mặt trời từ vật liệu tinh thể Si khi được chiếu sáng thì hiệu điện thế hở mạch giữa hai cực vào khoảng 0,55V, còn dòng ngắn mạch của nó dưới bức xạ mặt trời 1000W/m2 vào khoảng (2530) mA/cm3 Hiện nay cũng đã có các pin mặt trời bằng vật liệu Si vô định hình (a-Si) Pin mặt trời a-Si có ưu điểm là tiết kiệm được vật liệu trong sản xuất do đó có thể có giá thành rẻ hơn Tuy nhiên, so với pin mặt trời tinh thể thì hiệu suất biến đổi quang điện của nó thấp và kém ổn định khi làm việc ngoài trời

2.2 LÝ THUYẾT VỀ HÒA HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI VỚI LƯỚI

Hòa đồng bộ là một trong các điều kiện để nguồn điện (từ máy phát , pin mặt trời…) có thể hoạt động ở chế độ làm việc song song hoặc cùng nối chung vào một

mạng lưới điện

Các nguồn điện khi hoạt động ở chế độ làm việc song song với một nguồn khác, hoặc nhiều nguồn cùng nối chung vào một mạng lưới điện luôn đòi hỏi một số điều kiện Một trong các điều kiện đó là các nguồn điện phải hoạt động đồng bộ với nhau

2.2.1 Các điều kiện hòa đồng bộ

- Điều kiện về tần số : Hai nguồn phải bằng tần số với nhau , hoặc tần số nguồn điệnphải bằng tần số lưới

- Điều kiện về điện áp : Hai nguồn phải cùng điện áp với nhau , hoặc điện áp nguồn phải bằng điện áp lưới

- Điều kiện về pha : Hai nguồn phải cùng thứ tự pha nếu số pha lớn hơn 1, và góc pha phải trùng nhau

Ta thấy điều kiện 1 và điều kiện 3 có vẻ như mâu thuẫn với nhau vì nếu muốn cho góc pha của 2 phía trùng nhau thì phải điều chỉnh tần số , mà đã điều chỉnh tần số thì tần số không thể bằng nhau Còn nếu muốn giữ nguyên cho 2 tần số bằng nhau thì khó có thể điều chỉnh được góc pha Do đó, điều kiện thực tế là:

Định dạng
Số trang	76
Dung lượng	2,32 MB