Nghiên cứu ứng dụng điện mặt trời cung cấp cho phòng máy chủ trường đại học nha trang

Từ những tình hình thực tế trên việc thay thế nguồn điện lưới đang sử dụng bằng điện Mặt Trời sẽ góp phần tiết kiệm tiền điện cho nhà trường, tạo môi trường học tập cho sinh viên, đồng t

MỞ ĐẦU

 GIỚI THIỆU CHUNG

Việt Nam là một quốc gia có tiềm năng rất lớn về năng lượng Mặt Trời, đặc biệt ở miền Trung và miền Nam của đất nước, với cường độ bức xạ Mặt Trời trung bình khoảng 5 kWh/m2, ở các vùng phía Bắc cường độ bức xạ Mặt Trời thấp hơn, ước tính khoảng 4 kWh/m2 do điều kiện thời tiết với trời nhiều mây và mưa phùn vào mùa đông và mùa xuân

Ở Việt nam, bức xạ Mặt Trời trung bình 150 kcal/m2 chiếm khoảng 2.000 – 5.000 giờ/năm Năng lượng Mặt Trời có sẵn quanh năm, khá ổn định và phân bố rộng rãi trên các vùng miền khác nhau của đất nước Đặc biệt, số ngày nắng trung bình trên các tỉnh của miền Trung và miền Nam là khoảng 300 ngày/năm Năng lượng Mặt Trời được khai thác để sản xuất điện và cung cấp nhiệt

 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Việc tiếp cận để tận dụng nguồn năng lượng mới này không chỉ góp phần cung ứng kịp thời nhu cầu năng lượng của xã hội mà còn giúp tiết kiệm điện năng và giảm thiểu ô nhiễm môi trường

Trường Đại học Nha Trang bao gồm nhiều khu giảng đường, ký túc xá, thư viện và nhiều khu thí nghiệm, hành chính khác nên nhu cầu sử dụng điện là rất lớn Mặt khác, cơ sở vật chất của trường ngày càng được mở rộng Cụ thể là việc xây thêm các khu ký túc xá, nhà đa năng và các phòng thí nghiệm khiến cho nhu cầu sử dụng điện ngày càng cao với phụ tải lớn

Từ những tình hình thực tế trên việc thay thế nguồn điện lưới đang sử dụng bằng điện Mặt Trời sẽ góp phần tiết kiệm tiền điện cho nhà trường, tạo môi trường học tập cho sinh viên, đồng thời có tác dụng giáo dục sinh viên học sinh trong vấn đề tiết kiệm năng lượng và sử dụng nguồn năng lượng sạch, mới Hưởng ứng và chấp hành chủ trương, chính sách của Nhà nước về tiết kiệm điện năng, sử dụng nguồn năng lượng sạch, chủ động ứng phó với biến đổi khí hậu Chủ động nắm bắt và ứng dụng những thành tựu công nghệ của nhân loại vào phục vụ cuộc sống và công việc của chúng ta

 NHIỆM VỤ VÀ PHẠM VI CỦA ĐỀ TÀI

 Nhiệm vụ

“Nghiên cứu ứng dụng điện Mặt Trời cung cấp cho Phòng Máy chủ Trường Đại học Nha Trang”

 Phạm vi

Đề tài thực hiện trong phạm vi trường Đại học Nha Trang

 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Biến năng lượng Mặt Trời thành năng lượng điện là một dạng năng lượng sạch, thân thiện với môi trường không ảnh hưởng đến sức khỏe của con người, cũng như không làm thay đổi hệ sinh thái trong khu vực, điều này đang phù hợp với xu thế phát triển nguồn năng lượng của quốc gia và thế giới

Dự án sử dụng điện Mặt Trời hòa lưới điện với mục đích làm phổ biến hơn

việc sử dụng năng lượng sạch, cung cấp môi trường hiện đại, thuận lợi cho quá trình làm việc của cán bộ nhân viên và học tập nghiên cứu của sinh viên khoa Điện-Điện

tử Đề tài được nghiên cứu và ứng dụng ngay tại trường Đại học Nha Trang

Dự án “Nghiên cứu ứng dụng điện Mặt Trời cung cấp cho Phòng Máy chủ

Trường Đại học Nha Trang” mang nhiều ý nghĩa ứng dụng và giáo dục về tiết kiệm

năng lượng, sử dụng nguồn năng lượng sạch cho mọi người Là cơ sở để không chỉ ở phòng Máy Chủ của Trường Đại học Nha Trang mà còn mở rộng ra nhiều khu vực khác nữa

Góp phần mở rộng phạm vi ứng dụng của các đề tài nghiên cứu khoa học gắn liền với nhu cầu thực tế từ các cơ sở sản xuất ở địa phương có tiềm năng về điện Mặt Trời trong cả nước

 LỜI CÁM ƠN

Em xin gửi lời cám ơn sâu sắc nhất đến Thầy TS Trần Tiến Phức đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo trong suốt quá trình thực hiện đồ án Tốt Nghiệp, để em có thể hoàn thành đồ án một cách tốt nhất với hiệu quả cao nhất Xin gửi lời cám ơn sâu sắc

Xin cám ơn các bác, các chú, các anh trong Tổ bảo vệ và Tổ điện và Trung tâm Máy tính Trường Đại học Nha Trang đã nhiệt tình giúp đỡ nhiều vấn đề liên quan đến đồ án, tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành tốt đồ án của mình Xin cám ơn toàn thể các bạn trong lớp 53DDT đã góp ý, chia sẻ một phần công việc của đồ án

Do quá trình thực hiện đồ án có nhiều vấn đề nằm ngoài kiến thức chuyên ngành, phải vừa làm vừa tìm hiểu nghiên cứu, nên chắc chắn sẽ có nhiều thiếu sót Rất mong sự góp ý nhiệt tình từ thầy cô và các bạn trong khoa để đồ án được hoàn thiện hơn nữa

Nha Trang, ngày tháng năm 2015

Sinh viên

CAO VĂN THỊNH

Mục tiêu của đề tài là khảo sát thực trạng hệ thống điện tại phòng máy chủ, lấy số liệu đo dòng điện, điện áp, công suất Từ những số liệu đó, tiến hành thiết kế

hệ thống điện Mặt Trời hòa lưới Sau đó xây dựng một hệ thống thực tế quy mô nhỏ nằm trong phạm vi dự án Tuy nhiên, trong quá trình thực hiện cũng gặp những vấn

đề liên quan cần giải quyết, những kiến thức liên ngành ở những khía cạnh và lĩnh vực khác nhau Vì vậy, việc hoàn thành đồ án chỉ dừng lại ở mức thành công nhất định, đòi hỏi mở rộng và hoàn chỉnh hơn sau này

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU i

TÓM TẮT iv

MỤC LỤC v

DANH SÁCH BẢNG viii

DANH MỤC HÌNH ix

TỔNG QUAN 1

CHƯƠNG 1: CỞ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI 3

1.1 PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 3

1.1.1 Cấu tạo 3

1.1.1.1 Vật liệu 3

1.1.1.2 Nguyên lý cấu tạo 4

1.1.2 Nguyên lý hoạt động 5

1.1.3 Ứng dụng 10

1.1.3.1 Sản xuất điện năng từ Pin Năng lượng Mặt Trời 11

1.1.3.2 Ứng dụng Pin Năng lượng Mặt Trời vào phương tiện giao thông 12

1.2 THIẾT BỊ LƯU TRỮ ĐIỆN NĂNG AC-QUY (ACU) 14

1.2.1 Tổng quan về ACU 14

1.2.2.1 Cấu tạo 14

1.2.2.2 Dung lượng ACU 16

1.2.2 Phóng nạp ACU 17

1.2.2.1 Phóng điện ACU 17

1.2.2.2 Nạp điện ACU 18

1.2.3 Chế độ vận hành ACU 19

1.2.4 Bộ điều khiển sạc ACU 20

1.3 HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI 22

1.3.1 Phân loại hệ thống điện Mặt Trời 22

1.3.1.1 Hệ thống điện Mặt Trời độc lập (off grid solar system) 22

1.3.1.2 Hệ thống điện Mặt Trời nối lưới (on grid solar system) 23

1.3.1.3 Hệ thống điện Mặt Trời hòa lưới có lưu trữ 24

1.3.2 Một số hệ thống điện Mặt Trời đã đưa vào hoạt động trên thế giới 24

1.3.2.1 Hệ thống điện Mặt Trời hộ gia đình hòa lưới tại Nhật 24

1.3.2.2 Hệ thống điện Mặt Trời hộ gia đình tại Đức 25

1.3.2.3 Mô hình điện Mặt Trời tại Việt Nam 26

CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI CUNG CẤP CHO PHÒNG MÁY CHỦ TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG 29

2.1.1 Lựa chọn sơ đồ khối 29

2.1.2 Tính toán phụ tải điện yêu cầu 30

2.1.3 Tính toán lựa chọn PNLMT 30

2.1.4 Tính toán lựa chọn Inverter 32

2.1.5 Tính toán lựa chọn ACU 34

2.1.6 Tính toán lựa chọn bộ điều khiển sạc ACU (Solar charge controller) 35 2.1.7 Vị trí lắp đặt 35

2.2 Khảo sát hệ thống điện tại phòng máy chủ 37

2.3 Thiết kế hệ thống điện mặt cung cấp cho Phòng Máy chủ 41

2.3.1 Lựa chọn mô hình cung cấp điện 41

2.3.2 Tính tổng điện năng tiêu thụ của tất cả các thiết bị mà hệ thống Solar phải cung cấp 43

2.3.3 Tính số Watt-hour các tấm pin Mặt Trời phải cung cấp cho toàn tải mỗi ngày 44

2.3.4 Tính toán chọn Inverter 44

2.3.5 Tính toán ắc quy (ACU) 45

2.3.6 Tính toán bộ điều khiển nạp ACU 45

2.3.7 Tính toán bộ hòa lưới 45

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN HỆ THỐNG BẰNG PHẦN MỀM 46

3.1 Tính toán bằng phần mềm PVGIS 46

3.2 Tính toán bằng phần mềm PV Calculator 48

CHƯƠNG 4: KHẢO SÁT HIỆU SUẤT INVERTER CỦA BỘ BACK-UPS PRO 1400 50

4.1 BACK-UPS PRO 1400 50

4.2 Nguyên lý hoạt động 50

4.3.2 Tiến hành đo mẫu 2 53

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

PHỤ LỤC 57

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 1.3: Kết quả đo lần 1 ngày 5 tháng 2 năm 2015 38

Bảng 1.4: Kết quả đo lần 2 ngày 24 tháng 4 năm 2015 38

Bảng 1.5: Kết quả đo lần 3 ngày 25 tháng 4 năm 2015 39

Bảng 1.6: Kết quả đo lần 4 ngày 26 tháng 4 năm 2015 40

Bảng 1.7: Kết quả so sánh điện năng tạo ra và bức xạ của hệ thống 48

DANH MỤC HÌNH

Trang

Hình 1 1: Các loại cấu trúc tinh thể của PNLMT 4

Hình 1.3: Trạng thái hai mức năng lượng của Electron 6

Hình 1 4: Các vùng năng lượng trong phân tử bán dẫn 7

Hình 1 5: Hiện tượng biến đổi quang điện trong phân tử bán dẫn khi có ánh sáng

Hình 1 6: Nguyên lý hoạt động của Pin năng lượng Mặt Trời 8

Hình 1.7: Pin quang điện được ghép từ nhiều lớp 9

Hình 1.8: Pin quang điện nhiều lớp hấp thụ cả dãi phổ của ánh sáng Mặt Trời 10

Hình 1.9: Sân vân động sử dụng năng lượng Mặt Trời tại Ý 11

Hình 1.10: Sản xuất điện năng lượng Mặt Trời tại Việt Nam 12

Hình 1.11: Ứng dụng Pin Năng lượng Mặt Trời vào phương tiện giao thông 13

Hình 1.13: Sự biến đổi thông số bình ACU qua quá trình phóng nạp 16

Hình 1.18: Mô hình điện Mặt Trời hộ gia đình tại Nhật Bản 25

Hình 1.20: Phát triển điện Mặt Trời tại Việt Nam 28

Hình 2.1: Hướng lắp đặt hệ thống với góc nghiêng β 36

Hình 2.2: Thiết bị đo công suất kiểu kẹp HIOKI 3286-20 37

Hình 2.3: Sơ đồ khối mô hình điện Mặt Trời hòa lưới có lưu trữ 41

Hình 2.4: Mô hình điện Mặt Trời hòa lưới có lưu trữ 42

Hình 3.1: Vị trí lắp đặt hệ thống trên Google Map 46

Hình: 3.3: Kết quả tính toán sử dụng phần mềm PV Calculator 49

Hình 4.4: Lắp đặt đồng hồ đo dòng điện DC vào Back-UPS Pro 1400 52

Hình 4.5: Điện áp và dòng điện AC sau khi qua bộ Inverter 52

TỔNG QUAN

Từ khi được đưa vào ứng dụng, điện Mặt Trời đã nhanh chóng khẳng định được tầm ảnh hưởng to lớn của nó Hiện nay khi các nguồn năng lượng hóa thạch trên thế giới ngành càng cạn kiệt thì năng lượng Mặt Trời là một hướng phát triển đầy hứa hẹn cho tương lai

Việt Nam với lợi thế là một trong những quốc gia nằm trong giải phân bố ánh nắng Mặt Trời nhiều nhất trong năm trên bản đồ bức xạ thế giới, năng lượng Mặt Trời

ở Việt Nam có sẵn quanh năm, khá ổn định và phân bố rộng rãi trên các vùng miền Đặc biệt, số ngày nắng trung bình ở các tỉnh miền Trung, miền Nam là khoảng 300 ngày/năm

Đã có rất nhiều hệ thống Mặt Trời được đưa vào hoạt động phục vụ cuộc sống con người, và lợi ích từ các công trình này mang lại là không thể phủ nhận

- Năm 1995, hơn 180 nhà dân và một số công trình công cộng tại Buôn Chăm,

xã Eahsol, huyện Eahleo tỉnh Đắk Lắk đã sử dụng điện Mặt Trời, nơi mà điện lưới chưa thể vươn tới

- Viện năng lượng (ENV) và trung tâm năng lượng mới (Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội) triển khai ứng dụng dàn pin Mặt Trời nhằm cung cấp điện cho một

số hộ gia đình và các trạn biên phòng ở Cô Tô (Quảng Ninh) tháng 11/2002

- Dự án tổng thể năng lượng sách và chiếu sáng quâng đảo Trường Sa và Nhà dàn DK lắp đặt: 5.700 tấm Pin năng lượng Mặt Trời, hơn 120 quạt gió, 1.000 bộ đèn LED sử dụng năng lượng Mặt Trời do Tập đoàn Dầu khí Việt Nam (Petro Vietnam) và SolarBK lắp đặt, vận hành vào tháng 6/2012

- Hệ thống điện mặt trời tại trên sân thượng tòa nhà Intel Việt Nam được làm từ

1092 tấm năng lượng mặt trời cùng 21 bộ biến điện được kết nối với nhau bởi hơn 10.000 m dây cáp Dự án có sự tham gia của hơn 30 kĩ sư chuyên về năng lượng mặt trời cùng 5.000 giờ cả thiết kế và lắp đặt Dự án hiện có khả năng phát được 321.000 KWh điện và hạn chế tới 221.300 kg lượng khí CO2 thải ra hàng năm

- Dự án xây dựng hệ thống pin năng lượng mặt trời trên nóc nhà Bộ Công thương

do Đức tài trợ sản xuất khoảng 16000 kWh điện/năm được khánh thành vào ngày

19 tháng 11 năm 2010

Như vậy đã có rất nhiều công trình ứng dụng điện Mặt Trời vào cuộc sống Cho đến nay, tầm ảnh hưởng của điện Mặt Trời đối với cuộc sống hiện nay là không thể phủ nhận Đây là một hướng giải quyết vấn đề về năng lượng đầy hứa hẹn cho tương lai

Nha Trang là một trong những địa điểm có tổng số giờ nắng trong năm cao của

cả nước, hơn nữa đại học Nha Trang tọa lạc ở vị trí khá thuận lợi, gần biển, thoáng đãng, cao và lượng nắng trong năm cũng đáng kể, phù hợp cho việc phát triển điện Mặt Trời Việc phát triển các hệ thông điện Mặt Trời ở nơi đây có nhiều thuận lợi Vì vậy cần phát triển nhiều hơn nữa các hệ thông điện mặ trời phục vụ cuộc sống

Đồ án tốt nghiệp “ Nghiên cứu ứng dụng điện Mặt Trời cung cấp cho phòng Máy chủ Trường Đại học Nha Trang” là một dự án ứng dụng điện Mặt Trời vào cuộc sống hằng ngày, chấp hành chủ trương của nhà nước về tiết kiệm năng lượng, sử dụng nguồn năng lượng sạch, chống phát thải, tạo môi trường sạch, đẹp, hiện đại cho nhà Trường

CHƯƠNG 1

CỞ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI

1.1 PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Pin năng lượng Mặt Trời (PNLMT)[7] (hay pin quang điện, tế bào quang điện),

là thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các diode p - n Duới sự hiện diện của ánh sáng Mặt Trời, PNLMT có khả năng tạo ra dòng điện sử dụng được Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện

Ở nhiệt độ phòng, silic nguyên chất có tính dẫn điện kém Để tạo ra Silic có tính dẫn điện tốt hơn, có thể thêm vào một lượng nhỏ các nguyên tử nhóm III hay V trong bảng tuần hoàn hóa học Các nguyên tử này chiếm vị trí của nguyên tử silic trong mạng tinh thể, và liên kết với các nguyên tử silic bên cạnh tương tự như là một silic Tuy nhiên các phân tử nhóm III có 3 electron ngoài cùng và nguyên tử nhóm V có 5 electron ngoài cùng, nên có chỗ trong mạng tinh thể thì dư electron còn có chỗ thì thiếu electron Vì thế các electron thừa hay thiếu electron (lỗ trống) không tham gia vào các kết nối mạng tinh thể Chúng có thể tự do di chuyển trong khối tinh thể Silic kết hợp với nguyên tử nhóm III (Nhôm hay Gali) được gọi là loại bán dẫn p bởi vì năng lượng chủ yếu mang điện tích dương (positive), trong khi phần kết hợp với các nguyên tử nhóm V (Phốt pho, Asen) gọi là bán dẫn n vì mang năng lượng âm (negative)

Cho tới hiện nay thì vật liệu chủ yếu dùng cho sản xuất pin Mặt Trời (và cho

các thiết bị bán dẫn) là các Silic tinh thể Pin Mặt Trời từ tinh thể silic chia ra thành

3 loại Hình 1.1 Trình bày cấu trúc tinh thể của PNLMT

Hình 1 1: Các loại cấu trúc tinh thể của PNLMT

- Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16% Chúng thường rất đắt tiền do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn tinh thể này có các mặt trống

ở góc nối các module

- Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc, được đúc từ silic nung chảy cẩn thận, được làm nguội và làm rắn Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn

- Dải Silic tạo từ các miếng phim mỏng, từ Silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi Silicon

1.1.1.2 Nguyên lý cấu tạo

Các tấm tinh thể mỏng được đánh bóng để loại bỏ các khuyết tật trong quá trình cắt Chất kích thích được dùng để tăng sư hấp thụ ánh sáng Các tấm kim loại dẫn truyền đặt vào một mặt, thêm một lưới mỏng trên bề mặt chiếu ánh sáng Mặt

Trời, và một mặt phẳng trên mặt còn lại, xem hình Hình 1.2

Tấm năng lượng Mặt Trời tạo thành từ các pin như vậy cắt theo hình dạng thích hợp, được bảo vệ khỏi tia bức xạ và hư hại trên mặt trước bằng các miếng gương

nóng lên khi hấp thụ năng lượng hồng ngoại vốn không thể chuyển hóa thành năng lượng Một khi các pin bị nóng thì giảm hiệu suất hoạt động vì thế nên phải làm giảm thiểu nhiệt năng

Tấm năng lượng Mặt Trời tạo thành từ nhiều pin Mặt Trời Mặc dù mỗi pin chỉ cung cấp một lượng nhỏ năng lượng, nhưng nhiều pin trải dài trên một diện tích lớn

tạo nên nguồn năng lượng đủ dùng Để đạt được hiệu năng tốt nhất, tấm năng lượng phải hướng trực tiếp đến Mặt Trời

1.1.2 Nguyên lý hoạt động

Hệ thống hai mức năng lượng:

Bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp E2 Khi chiếu sáng hệ thống, lượng tử ánh sáng (photon) mang năng lượng hv (h là hằng số Plank và v là tần số ánh sáng) bị điện tử hấp thụ và chuyển lên mức E1

Phương trình cân bằng năng lượng:

Hình 1 2: Cấu tạo Pin năng lượng Mặt Trời

Hình 1.3: Trạng thái hai mức năng lượng của Electron

Trong các vật rắn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vành ngoài, nên các năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng con rất sát nhau

và tạo thành vùng năng lượng Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi ở trạng thái cân bằng gọi là vùng hoá trị mà bên trên của nó có năng lượng EV Vùng năng lượng phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn, bên dưới của vùng có năng lượng là EC Phần cách ly giữa vùng hóa trị và vùng dẫn đó gọi là một vùng cấm có độ rộng năng lượng là Eg, tại đó không có mức năng lượng cho phép nào của điện tử

Khi ánh sáng chiếu đến vật rắn có vùng năng lượng nói trên, photon có năng lượng hv chiếu tới hệ thống Bị điện tử của vùng hoá trị hấp thụ và nó có thể chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự do e-, lúc này vùng hoá trị sẽ có một lỗ trống có thể di chuyển như “hạt“ mang điện tích dương (kí hiệu h+) Lỗ trống này có thể di

chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện Hình 1.4 trình bày các vùng năng lượng

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

Vậy khi chiếu sáng vào vật rắn, điện tử ở vùng hoá trị hấp thụ năng lượng photon hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử – lỗ trống e- - h+, tức

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

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

trên lớp tiếp xúc p-n Hình 1.5 trình bày hiện tượng biến đổi năng lượng khi ánh

sáng chiếu vào lớp bán dẫn

Sự chuyển đổi ánh sáng:

Khi một photon chạm vào mảnh silic, một trong hai trường hợp sẽ xảy ra:

- 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

- 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

Hình 1 4: Các vùng năng lượng trong phân tử bán dẫn

Hình 1 5: Hiện tượng biến đổi quang điện trong phân tử bán dẫn khi

có ánh sáng chiếu vào lớp tiếp xúc p - n

Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các hạt electron trong màng tinh thể Thông thường các electron này ở lớp ngoài cùng, và thường được kết dính với các nguyên tử lân cận vì thế không thể di chuyển xa Khi electron được kích thích, trở thành dẫn điện, các electron này có thể tự do di chuyển trong bán dẫn Khi đó nguyên tử sẽ thiếu 1 electron gọi là "lỗ trống" Lỗ trống này tạo điều kiện cho các electron của nguyên tử bên cạnh di chuyển đến điền vào "lỗ trống", và điều này tạo ra lỗ trống cho nguyên tử lân cận có "lỗ trống" Cứ tiếp tục

như vậy "lỗ trống" di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn tạo nên dòng điện Hình 1.6

trình bày nguyên lý hoạt động của PNLMT

Hình 1 6: Nguyên lý hoạt động của Pin năng lượng Mặt Trời

Hay nói một cách đơn giản thì khi chiếu ánh sáng có bức sóng ngắn hơn giới hạn quang điện vào tiếp giáp p-n thì sẽ xuất hiện nhiều electron và lỗ trống, quá trình khuếch tán lớn dần làm cho hiệu điện thế của lớp tiếp giáp tăng lên

Suất điện động của mỗi tế bào pin quang điện (tức là một lớp tiếp xúc p-n n) là

từ 0,5 V đến 0,8 V Đo đó, người ta phải ghép rất nhiều tế bào pin quang điện với nhau thành bộ vừa song song vừa nối tiếp để có hiệu điện thế và cường độ dòng điện

đủ lớn, đáp ứng nhu cầu sử dụng

Với công nghệ Nano ngày nay, người ta có thế ghép nhiều lớp bán dẫn trên từ nhiều nguyên tố hóa học khác nhau và đặt chúng trên cùng một tấm pin quang điện,

để tăng hiệu suất chuyển đổi ánh sáng thành điện năng Hình 1.7

Khi ánh sáng (gồm nhiếu sóng ánh sáng ghép lại) được chiếu vào một tấm pin quang điện, các nguyên tố sẽ hấp thụ ánh sáng có bức sóng tương thích

Hình 1.7: Pin quang điện được ghép từ nhiều lớp

Có thể ghép nhiều lớp để hấp thụ hết dải phổ của ánh sáng Mặt Trời vừa tăng hiệu suất (hơn 42%) vừa tiếp tục nâng cao điện thế trên mỗi tế bào (cell)

1.1.3 Ứng dụng

Năng lượng Mặt Trời là nguồn năng lượng mà con người biết khai thác và sử dụng từ rất sớm.Nhưng việc ứng dụng vào sản xuất trên quy mô lớn, cũng như cuộc sống hàng ngày thì mới chỉ thực sự bắt đầu vào cuối thế kỷ 18, và tập trung chủ yếu

ở các nước có tiềm năng lớn năng lượng Mặt Trời Từ các cuộc khủng hoảng năng lượng thế giới năm 1968 và 1973, Năng lượng mặt trời càng được quan tâm hơn

Hình 1.8: Pin quang điện nhiều lớp hấp thụ cả dãi phổ của ánh sáng Mặt Trời

1.1.3.1 Sản xuất điện năng từ Pin Năng lượng Mặt Trời

Sân vận động Verona’s Bentegoldi là khu phức hợp thể thao lớn nhất nước Ý

có lắp đặt hệ thống quang năng Hơn 13.000 tấm quang năng được lắp đặt tại sân vận động này đã cung cấp trên 1 MegaWatt/năm cho nhu cầu sử dụng điện của sân

vận động, ước tính làm giảm phát thải CO2 trên 550 tấn/năm

Hình 1.9: Sân vân động sử dụng năng lượng Mặt Trời tại Ý

Tại Việt Nam các dự án về sản xuất điện từ PNLMT liên tục được các nhà đầu

tư nước ngoài kết hợp triển khai, Hình 1.10 a) là hệ thống cung cấp điện năng lượng

Mặt trời được lắp đặt trên nóc nhà Bộ Công Thương với công suất 120 kW do CHLB

Đức tài trợ và Hình 1.10 b) là hệ thống sản xuất điện năng lượng Mặt Trời do chính

Intel lắp đặt trên tòa nhà trụ sở của mình tại Việt Nam Ngoài ra, còn rất nhiều dự án khác được tài trợ từ các công ty, tập Đoàn năng lượng sạch của nước ngoài được thực hiện tại Việt Nam

1.1.3.2 Ứng dụng Pin Năng lượng Mặt Trời vào phương tiện giao thông

Sử dụng năng lượng Mặt Trời làm nguồn năng lượng vận hành các phương tiện giao thông là một hướng phát triển trong lĩnh vực tìm kiếm và sử dụng năng lượng sạch Trong tương lai, chắc chắn các phương tiện di chuyển đi lại hay vận chuyển hàng hóa sử dụng PNLMT sẽ không còn xa lạ đối với chúng ta, vì đây là

hướng phát triển bền vững của tương lai mà Thế Giới đang hương đến Hình 1.11 là

những ví dụ điển hình cho việc các phương tiện sử dụng PNLMT sẽ đi vào đời sống một cách phổ biến trong tương lai không xa

Hình 1.10: Sản xuất điện năng lượng Mặt Trời tại Việt Nam a) Hệ thống điện năng lượng Mặt Trời nối lưới trên nóc nhà

Bộ Công Thương b) Hệ thống sản xuất điện từ năng lượng Mặt Trời trên sân thượng Intel Việt Nam

a) b)

c)

Hình 1.11: Ứng dụng Pin Năng lượng Mặt Trời vào phương tiện giao thông

a) Xe chạy bằng năng lượng Mặt Trời b) Máy bay sử dụng năng lượng Mặt Trời c) Vệ tinh hoạt động bằng năng lượng Mặt Trời

1.2 THIẾT BỊ LƯU TRỮ ĐIỆN NĂNG AC-QUY (ACU)

Điện năng là một loại hàng hóa đặc biệt trong đó sản xuất và tiêu dùng đi đôi với nhau, để lưu trữ/dự trữ được điện năng người ta đã chế tạo ra ăc-quy (ACU) – thiết bị có khả năng tích trữ điện trong thời gian lâu dài; ACU là một thiết bị rất cơ động, người ta có thể mang nó đi đến bất kỳ vị trí nào để sử dụng như một “nhà máy phát điện mini”, miễn là trước đó người ta đã dự trữ đủ điện ứng với dung lượng của

nó

Cũng giống như điện năng được sản xuất từ thủy điện hay nhiệt điện,… điện năng sản xuất ra từ PNLMT cũng cần được dự trữ lại để sử dụng cho những lúc trời không nắng hay không có đủ ánh sáng Măt Trời Ở mục này ta sẽ tìm hiểu về ACU, cách lựa chọn ACU, nạp điện và sử dụng ACU cũng như cách bảo quản, bảo vệ ACUnhư thế nào để lưu trữ điện năng một cách hiệu quả nhất và tuổi thọ ACU là cao nhất

1.2.1 Tổng quan về ACU

Bình ACU là thiết bị lưu trữ điện[7] - một dạng nguồn điện hóa học, dùng để lưu trữ điện năng dưới dạng hóa năng Khi có phụ tải nối vào, hóa năng được giải phóng dưới dạng điện năng

Hiện nay có rất nhiều loại accu với những chất lượng, tính năng và giá thành rất khác nhau (axit chì, kín khí, chì khô, cadium, niken, Lithium….) Nhưng xét tổng thể thì có hai loại ACU chính là ACU chì- acid và ACU sắt- kiềm Trong khuôn khổ đồ án này ta tập trung nghiên cứu ACU chì – acid sản xuất theo công nghệ kín khí, đây là loại ACU không cần bảo dưỡng

dương, bản cực âm nối với bản cực âm

Thông thường, các bản cực âm được đặt ở bên ngoài, do đó số lượng các bản cực âm nhiều hơn bản cực dương Các bản cực âm ngoài cùng thường mỏng hơn, vì chúng sử dụng diện tích tiếp xúc ít hơn

Chất lỏng dùng trong bình accu này là dung dịch acid Sulfuric Nồng độ của

dung dịch biểu trưng bằng tỷ trọng đo được, tuỳ thuộc vào loại bình accu, và tình trạng phóng nạp của bình

Trị số tỷ trọng của bình accu khi được nạp đầy được quy ra ở 25⁰C (77⁰F)

được cho ở Bảng 1.1

Bảng 1.1:Tỷ trọng bình ACU ở 25 0 C

phân Bình accu làm việc ở chế độ tải nặng, thí dụ các xe tải điện

công nghiệp

1,275

Bình accu dùng cho tải không nặng lắm: thí dụ như chiếu

sáng , hoặc khởi động các động cơ lớn…

1,245 Bình accu tĩnh, hoặc dùng cho các ứng dụng dự phòng 1,215

Hình 1.12: Cấu tạo ACU chì - acid

1.2.2.2 Dung lượng ACU

Dung lượng của accu là lượng điện (điện tích) mà ACU đó sau khi đã được nạp đầy sẽ phát ra được trước khi hiệu điện thế giảm xuống đến mức ngừng Mức ngừng là mức mà không nên bắt accu phát điện tiếp, nếu cứ để accu phát điện ở dưới mức ngừng thì sẽ giảm tuổi thọ của accu, thậm chí có thể làm accu chết ngay lập tức

Đó là trường hợp dùng nhiều accu mắc nối tiếp nhau khi 1 accu đã phát hết điện mà những cái khác chưa hết điện và ta tiếp tục dùng thì cái hết điện trước sẽ bị đảo cực

và hỏng hoàn toàn Với accu chì thông thường thì mức ngừng là 1,67V cho mỗi ngăn; hay là 10V cho cả 6 ngăn

Dung lượng của bình accu thường được tính bằng Ampe giờ (Ah) Ah là tích

số giữa dòng điện phóng với thời gian phóng điện Dung lượng này thay đổi tùy theo nhiều điều kiện như dòng điện phóng, nhiệt độ chất điện phân, tỷ trọng của dung dịch, và điện thế cuối cùng sau khi phóng Nhà sản xuất thường đặt số dung lượng trong ký hiệu của accu

Các biến đổi của thông số của bình accu được cho trên các biểu đồ hình 1.13

Trước khi dùng làm nguồn điện ta phải nạp điện cho ACU Lúc này ACU

Hình 1.13: Sự biến đổi thông số bình ACU qua quá trình phóng nạp

ACU người ta cho dòng điện một chiều đi vào ACU Dung dịch Axit Sunfuric bị điện phân, làm xuất hiện Hiđrô và Ôxit ở hai bản chì Ở bản nối với cực âm (-) của nguồn điện Chì đi-ôxit (PbO2) khử mất ôxi và thành chì Pb, bản này sẽ thành cực âm (-) của ACU Còn ở bản nối với cực dương (+) của nguồn điện thì có ôxit bám vào, ôxi hóa Pb3O4 thành Chì đi-ôxit (PbO2), bản này sẽ trở thành cực dương (+) của ACU Khi hai cực đã trở thành Pb và PbO2 thì giữa chúng có một hiệu điện thế, ACU trở thành nguồn điện và bây giờ tự nó có thể phát ra dòng điện

Nếu ta nối hai cực của ACU đã được nạp điện bằng một dây dẫn thì dòng điện chạy trong dây sẽ có chiều ngược với dòng điện lúc nạp vào ACU Dòng điện này

sẽ gây ra quá trình hóa học ngược lại, dung dịch axit lại bị điện phân nhưng lần này các ion chuyển dời ngược chiều với lúc đầu, Hiđrô sẽ chạy về bản PbO2 và khử ôxi, làm cho bản này chở thành chì ôxit PbO Cho đến khi hai cực đã hoàn toàn giống nhau thì dòng điện tắt Bây giờ muốn ACU lại phát điện, ta phải nạp điện cho nó để hai cực trở thành Pb và PbO2

Phóng điện có thể tiến hành vào bất kỳ thời điểm nào và bất kỳ dòng điện nào nhỏ hơn trị số ghi trong bảng chỉ dẫn của nhà chế tạo

Khi phóng điện bằng chế độ 3 giờ hoặc dài hơn, có thể phóng liên tục cho đến khi điện thế ở mỗi ngăn giảm xuống đến 1,8V

Khi phóng với chế độ 1,2 giờ, thì ngừng phóng khi điện thế ở mỗi ngăn xuống đến 1,75V

Khi phóng với dòng điện nhỏ thì không xác định việc kết thúc phóng theo điện thế Trong trường hợp này, việc kết thúc phóng được xác định theo tỷ trọng chất điện phân Việc phóng được kết thúc khi tỷ trọng giảm đi từ 0,03 đến 0,06 g/cm3

so với tỷ trọng ban đầu (nhưng cũng không được để điện thế mỗi ngăn giảm xuống thấp hơn 1,75V)

1.2.2.2 Nạp điện ACU

Tuỳ theo phương pháp vận hành accu, thiết bị nạp và thời gian cho phép nạp, phương pháp nạp, việc nạp có thể được thực hiện theo các cách như sau:

 Nạp với dòng điện không đổi

 Nạp với dòng điện giảm dần

 Nạp với điện thế không đổi

 Nạp thay đổi với điện thế không đổi

Khi nạp điện dòng đi từ cực (–) sang cực (+):

Để bảo đảm chất lượng ACU, trước khi đưa vào chế độ phụ nạp thường xuyên phải phóng nạp tập dợt 4 lần Trong quá trình vận hành ACU ở chế độ phụ nạp thường xuyên ACU không cần phóng tập dợt cũng như nạp lại Trường hợp sau một thời gian dài làm việc ở chế độ phụ nạp thường xuyên mà thấy chất lượng ACU bị giảm thì phải thực hiện việc phóng nạp đột xuất

Ở chế độ phụ nạp thường xuyên cần duy trì điện thế trên mỗi ACU là

Hình 1.15: Quá trình nạp điện cho ACU

2,2±0,5V để bù trừ sự tự phóng và duy trì ACU ở trạng thái luôn được nạp đầy Dòng điện phụ nạp thông thường được duy trì từ 50-100 mA cho mỗi 100Ah dung

lượng Ở chế độ phụ nạp này, điện thế trên ACU phải được duy trì tự động trong khoảng ± 2%

 Chế độ phóng nạp xen kẽ:

ACU làm việc ở chế độ phóng nạp xen kẽ là ACU thường xuyên cấp vào phụ tải sau khi đã ngưng nạp Sau khi phóng đến một giá trị nào đó thì phải nạp trở lại Trường hợp sử dụng ACU không nhiều thì mỗi tháng phải tiến hành phụ nạp với dòng điện không đổi là 0,1 x C Việc nạp lại này nhằm loại trừ việc Sunfat hóa ở các bản cực

1.2.4 Bộ điều khiển sạc ACU

Để có thể tích trữ điện năng vào ACU một cách an toàn và tránh làm hư hại ACU người ta sử dụng bộ điều khiển sạc[2] Trước đây, khi chưa có khái niệm về PNLMT người ta chủ yếu trữ điện vào ACU bằng bộ điều khiển sạc AC – DC (220VAC - 12VDC/24VDC/48VDC) Và kể từ khi PNLMT ra đời, bộ sạc ACU được thiết kế thêm cho phù hợp với việc nạp trực tiếp điện năng tạo ra từ PNLMT mà không cần chuyển đổi AC – DC nữa (PNLMT tạo ra nguồn điện DC < = 24V) Bộ điều khiển sạc sẽ đảm nhận nhiệm vụ chuyển toàn bộ năng lượng mà PNLMT tạo ra nạp đầy vào ACU theo đúng dung lượng và điện áp của ACU, tự động ngắt khi ACU đến ngưỡng đầy (UMax) và tự động nạp lại khi điện áp ACU đến ngưỡng nạp (UMin) Như vậy, ACU sẽ được nạp và phóng một cách an toàn để kéo dài tuổi thọ

Các thông số kỹ thuật cần được quan tâm:

 Ngưỡng điện thế cắt VMax:

Ngưỡng điện thế cắt Vmax là giá trị hiệu điện thế trên hai cực của bộ ACU đã được nạp điện đầy, dụng lượng đạt 100%, khi đó nếu tiếp tục nạp điện cho acquy thì ACU sẽ bị quá đầy, dung dịch ACU sẽ bị sôi dẫn đến sự bay hơi dung dịch dẫn

hoặc hạn chế dòng nạp điện từ dàn pin Mặt Trời Sau đó khi hiệu điện thế bộ accu giảm xuống dưới giá trị ngưỡng, bộ điều khiển lại tự động đóng mạch nạp lại

 Ngưỡng điện thế cắt - nạp VMin:

Ngưỡng điện thế nạp Vmin là giá trị hiệu điện thế trên hai cực bộ ACU, khi ACU đã phóng điện đến giá trị cận dưới của dung lượng accu (ví dụ: đối với ACU Chì – axit, khi trong ACU chỉ còn lại 30% dung lượng) Nếu tiếp tục sử dụng thì ACU sẽ bị phóng điện quá kiệt dẫn đến hư hỏng AC U Vì vậy, Khi bộ điều khiển nhận thấy hiệu điện thế bộ ACU V ≤ Vmin thì nó sẽ tự động cắt mạch tải tiêu thụ

và tiến hành nạp điện vào ACU Sau đó nếu hiệu điện thế bộ ACU tăng lên trên giá trị ngưỡng trên (đầy), bộ điều khiển lại tự động cắt nạp

Đối với ACU C hì – axit, hiệu điện thế chuẩn trên các cực của một bình là V=12V, thì thông thường người ta chọn Vmax= 14,0÷14,5V, còn Vmin = 10,5÷11,0V

1.3 HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI

1.3.1 Phân loại hệ thống điện Mặt Trời

Hệ thống điện Mặt Trời đa dạng được chia theo mục đích sử dụng, một số hệ

thống điện Mặt Trời cơ bản:

1.3.1.1 Hệ thống điện Mặt Trời độc lập (off grid solar system)

Hình 1.16: Hệ thống điện Mặt Trời độc lập

Nguyên lý hoạt động: Hệ thống pin năng lượng Mặt Trời sẽ nhận bức xạ Mặt Trời và chuyển hóa thành nguồn điện một chiều (DC) Nguồn điện DC này sẽ được nạp vào bình ắc quy (để lưu trữ điện) thông qua bộ điều khiển sạc (có chức năng bảo

vệ ắc quy là tấm pin) Sau đó điện từ ắc quy sẽ được nghịc lưu lên điện xoay chiều (AC) thông qua bộ kích điện cung cấp cho các thiết bị tiêu thụ điện

Ưu điểm:

+ Phù hợp với những vùng chưa có điện lưới

+ Độc lập với điện lưới, nên có thể sử dụng cho các ứng dụng lưu động

+ Hiệu suất chuyển điện đổi thấp

Ứng dụng:

+ Sử dụng cho vùng không có điện lưới hoặc có điện lưới nhưng không ổn định

1.3.1.2 Hệ thống điện Mặt Trời nối lưới (on grid solar system)

Hình 1.17: Hệ thống điện Mặt Trời hòa lưới

Nguyên lý hoạt động: Điện (DC) từ pin Mặt Trời sẽ được chuyển đổi nhờ bộ

kích điện hòa lưới, cùng pha cùng tần số với điện lưới rồi được hòa vào điện lưới Khi năng lượng Mặt Trời đủ lớn thì tải sẽ được ưu tiên cung cáp điện năng từ pin, khi điện

từ các tấm không đủ thì một phần năng lượng từ điện lưới sẽ được bù vào

Ưu điểm:

+ Phù hợp với vùng có điện lưới không ổn định

+ Hiệu suất chuyển đổi cao hơn so với hệ thống điện Mặt Trời độc lập

Nhược điểm:

+ Chỉ hoạt động khi có điện lưới, nếu mất điện lưới hệ thống sẽ ngừng hoạt

động