THIẾT kế CHIẾU SÁNG đèn ĐƯỜNG tự ĐỘNG DÙNG hệ PIN mặt TRỜI có dự TRỮ

Bảng 1.1 Dữ liệu về bức xạ năng lượng mặt trời ở Việt NamNguồn Tổng cục Khí tượng thủy văn trong năm Bức xạkcal/cm2/năm 1.4 Công nghệ sử dụng năng lượng mặt trời Việc sử dụng năng lượng

TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ BÁCH KHOA HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN VÀ BDCN

====o0o====

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CAO ĐẲNG NGHỀ

Đề tài: THIẾT KẾ CHIẾU SÁNG ĐÈN ĐƯỜNG TỰ ĐỘNG DÙNG

HỆ PIN MẶT TRỜI CÓ DỰ TRỮ

Hà Bùi Thành Hoàng Văn Thắng

Hà Nội, 06-2016

BỘ LAO ĐỘNG TB & XÃ HỘI CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG CĐN BÁCH KHOA HÀ NỘI Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: ……….………….…… Mã số sinh viên: ………

Khoá:……….Khoa: ………Nghề: ………

1 Tên đồ án: ……… ………

……….

……… ………

2 Các số liệu và dữ liệu ban đầu: ……… ………

… …… ……….

………

……….… ………

………

……….

3 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: ………

……… ….……….

………

… ….

………

……… ….

………

4 Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ): ………

……… ….

………

……… ……….

………

……….

5 Họ tên giảng viên hướng dẫn: ……….

6 Ngày giao nhiệm vụ đồ án:

7 Ngày hoàn thành đồ án: ……….…

Ngày tháng năm

Chủ nhiệm khoa Giảng viên hướng dẫn

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, chúng em xin chân thành cảm ơn đến Ths Nguyễn Việt Hiếu – Cục Tiêu chuẩn Đo lường chất lượng – Bộ Quốc Phòng đã tận tình hường dẫn giúp

đỡ chúng em trong suốt quá trình thực hiện đồ án này

Chúng em cũng xin gửi lời cảm ơn đến toàn thể các thầy cô trong khoa Điện

đã tận tình giảng dạy, chỉ bảo, truyền đạt nguồn kiên thức sâu rộng và những kinhnghiệm quý báu cho chúng em trong suốt quá trình học tập tại trường

Xin cảm ơn đến tất cả bạn bè, những người đã giúp đỡ chúng tôi trong suốtthời gian học tập cũng như thực hiện đồ án

Và cuối cùng chúng em xin cảm ơn đến gia đình đã giúp đỡ, ủng hộ và tạođiều kiện cho chúng em thực hiện hoàn thành đồ án

Mặc dù đã cố gắng nỗ lực hết mình, nhưng do khả năng, kiến thức và thờigian có hạn nên không thể tránh được những sai sót trong lúc thực hiện đồ án,chúng em kính mong thầy quý cô chỉ dẫn để chúng em có thể hoàn thiện kiên thức

để tự tin bước vào cuộc sống với vốn kiến thức đã học được

Nhóm Sinh Viện Thực Hiện

MỤC LỤC

………

LỜI NÓI ĐẦU

Trong quá trình phát triển của loài người , việc sử dụng năng lượng là đánhdấu cột mốc rất quan trọng Từ đó đến nay, loài người sử dụng năng lượng ngàycàng nhiều, nhất là trong vài thế kỷ gần đây Trong cơ cấu năng lượng hiện nay,chiếm phần chủ yếu là năng lượng tàn dư sinh học than đá, dầu mỏ, khí tự nhiên Kế

là năng lượng nước thủy điện, năng lượng hạt nhân, năng lượng sinh khối ( biogas…), năng lượng mặt trời , năng lượng gió chỉ chiếm một phần nhỏ khiêm tốn

Xã hội loài người sẽ không phát triển nếu không có năng lượng

Ngày nay, năng lượng tàn dư sinh học, năng luọng không tái sinh đang ngàycàng cạn kiệt, giá dầu mỏ tăng từng ngày, ảnh hưởng xấu đên sự phát triển của kinh

tế xã hội và môi trường sống Tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế là nhiệm vụ cấpbách của các nhà khoa học, kinh tế, chính trị gia… và mỗi con người chúng ta.Nguồn năng lượng thay thế đó phải sạch, thân thiện với môi trường, chi phí thấp,không cạn kiệt mà còn là năng lượng hiện đại Vì lẽ đó, năng lượng mặt trời đang lànguồn năng lượng được đặc biệt quan tâm nghiên cứu

Chính vì vậy, chúng em đã chọn đề tài : “Thiết kế chiếu sáng đèn đường

tự động dùng pin mặt trời” làm đề tài tốt nghiệp của mình.

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI OFF – GRID

1.1 Năng lượng mặt trời

Mặt trời là quả cầu lửa khổng lồ, trong lòng nó diễn ra phản ứng nhiệt hạch vớinhiệt độ rất cao lên tới hàng trăm triệu 0C Năng lượng mặt trời gần như vô tận, bức

xạ ra không gian xung quanh với mật độ công suất là 1353 W/m2 và là nguồn gốccủa mọi sự sống trên trái đất Khi xuyên qua lớp khí quyển một phần năng lượngmặt trời bị không khí hấp thụ Kết quả là năng lượng mặt trời phân bố trên bề mặttrái đất với mật độ năng lượng trung bình cứ mỗi mét vuông hàng năm nhận đượcnăng lượng từ mặt trời tương đương với khoảng 1,5 thùng dầu

1.2 Tiềm năng về năng lượng mặt trời trên thế giới

Tiềm năng về năng lượng mặt trời của các nước trên thế giới không đều,

mạnh nhất ở vùng xích đạo và những khu vực khô hạn, giảm dần về phía địa cực

Tiềm năng kinh tế của việc sử dụng năng lượng mặt trời phụ thuộc vào vị tríđịa điểm trên trái đất, phụ thuộc vào đặc điểm khí hậu, thời tiết cụ thể của vùngmiền Theo số liệu thống kê, bức xạ trung bình của một địa điểm trên thế giới vàokhoảng 2000kWh/m2/năm

1.3 Tiềm năng về năng lượng mặt trời ở Việt Nam

Năng lượng mặt trời phân bố không đều trên toàn lãnh thổ Việt Nam do đặcđiểm địa hình, khí hậu khác nhau giữa hai miền từ vĩ tuyến 17 trở ra Bắc và trở vàoNam

Bảng 1.1 Dữ liệu về bức xạ năng lượng mặt trời ở Việt Nam

Nguồn Tổng cục Khí tượng thủy văn

trong năm

Bức xạkcal/cm2/năm

1.4 Công nghệ sử dụng năng lượng mặt trời

Việc sử dụng năng lượng mặt trời được chia thành hai nhóm chính:

 Biến đổi trực tiếp ánh sáng mặt trời thành điện năng bằng cách sử dụng hiệuứng quang điện trong pin mặt trời (pin quang điện, PhotoVoltaics - PV)

 Sử dụng nhiệt năng của mặt trời thông qua các bình đun nước nóng, lò sấysưởi, bếp mặt trời

1.5 Pin mặt trời (PV)

Hiện tượng biến đổi trực tiếp ánh sáng thành điện năng đã được nhà khoahọc Pháp Alexandre Edmond Becquerel phát minh từ năm 1831, tuy nhiên nhữngứng dụng thực tế của nó mới chỉ bắt đầu khi những linh kiện bán dẫn silic được sảnxuất hàng loạt vào năm 1954

Ứng dụng đầu tiên của pin mặt trời là trong lĩnh vực vệ tinh nhân tạo Dànpin mặt trời lắp trên vệ tinh, tầu vũ trụ đảm bảo năng lượng cho các hoạt động củachúng Từ những năm 1970 Hoa Kỳ, Châu Âu và Nhật Bản đã nghiên cứu, triểnkhai ứng dụng thương mại của pin mặt trời trong mọi lĩnh vực Ngày nay, Pin mặttrời đã được khai thác và ứng dụng tại nhiều nước trên thế giới Ngoài ứng dụng

trong khoa học vũ trụ, thông tin liên lạc, đảm bảo tín hiệu hàng hải, pin mặt trời đặcbiệt thích hợp trong việc cung cấp điện cho các khu vực dân cư miền sâu, miền xa,hải đảo, ở những vùng xa lưới điện có yêu cầu điện năng tiêu thụ dưới 100 kWh/tháng Bên cạnh đó, dàn pin mặt trời còn được sử dụng lắp trên cột đèn đường nạpcho ăcquy để chiếu sáng cho các tuyến đường không yêu cầu cao về chiếu sáng

Năm 2007 tổng công suất của các dàn pin mặt trời toàn thế giới là 12.400

MW, trong đó 8 nước ứng dụng nhiều nhất là:

Nhật Bản Đức Hoa Kỳ Ấn Độ Australia Hà Lan Tây Ban

Cấu tạo cơ bản của pin mặt trời là hai lớp bán dẫn: lớp silic kích tạp Phốt pho(bán dẫn loại n) và lớp bán dẫn silic kích tạp Bo (bán dẫn loại p) được ghép vớinhau và tạo nên lớp chuyển tiếp p-n với chiều dày khoảng 0,2-0,3 mm Khi ánhsáng chiếu vào bề mặt lớp chuyển tiếp p-n tạo nên các điện tử bị kích thích bởi ánhsáng, vượt qua hàng rào chuyển tiếp và tạo nên dòng điện chạy qua tải như hình 1.1

Hình 1.1 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trờiDòng quang điện tỷ lệ thuân với quang thông chiếu vào pin mặt trời vào bảnchất của vật liệu bán dẫn, diện tích bề mặt và nhiệt độ một trường và có giá trị từ(20-40) mA đối với mỗi cm2 bản cực Điện áp một chiều do chuyển tiếp bán dẫnsilic p-n tạo nên của một mô đun nguyên tố vào khoảng 0,5-0,6 V khi hở mạch Đểtạo nên điện áp lớn hơn cần mắc nối tiếp nhiều pin nguyên tố Để tăng dòng điệncần nối song song các môđun pin nguyên tố tạo thành dàn pin mặt trời (hình 1.2)

Hình 1.2 Dàn pin mặt trời

Công suất của dàn pin mặt trời phụ thuộc vào số lượng các môđun nguyên

tố Công nghệ pin mặt trời ngày nay trung bình diện tích pin quang điện 120 cm2 tạonên công suất cực đại 2W Khi cường độ ánh sáng vào khoảng 40% cường độ cựcđại sẽ tạo nên công suất khoảng 0,8W Dàn pin mặt trời hình 1.2 gồm nhiều mô đunghép nối tiếp và song song Dàn pin được phủ một lớp chống ẩm trong suốt, hoạtđộng tin cậy, chắc chắn, tuổi thọ trung bình từ 20-30 năm Nếu có thêm hệ thống

hội tụ ánh sáng cho phép giảm diện tích các mô đun mà vẫn đảm bảo công suất sovới hệ thống thông thường và cho phép giảm 10 % chi phí Tuy nhiên hệ thống nàyđòi hỏi thiết bị định hướng dàn pin Điều kiện làm việc tiêu chuẩn của các dàn pinmặt trời ứng với mật độ năng lượng 1 kWh/m2/1năm, nhiệt độ môi trường 25 0C.Dàn pin công suất 50W đi kèm ăcquy và bộ nghịch lưu có kích thước 40x100 cm cóthể dùng cho 3 đèn huỳnh quang compact, 1 TV nhỏ có giá 700 USD.

Ở Việt Nam các dàn pin mặt trời đã được lắp đặt từ đầu năm 1990 Đi đầutrong lĩnh vực này là ngành bưu chính viễn thông và ngành hàng hải Tính đến năm

2004 tổng công suất lắp đặt của các dàn pin mặt trời là 800 kW Khu vực phía Nam

đã triển khai sớm nhất dàn pin mặt trời cho khu vực dân cư Tháng 11 năm 2000 đãlắp đặt 7 kW pin mặt trời cho làng Kongu 2, tỉnh Kon tum cung cấp điện cho bảndân tộc thiểu số với 42 gia đình Đến 2004 có khoảng 800 dàn công suất dưới 50 W

đã được lắp đặt Tính đến năm 2005 có 1150 kW dàn pin mặt trời đã lắp đặt Tạitrung tâm hội nghị quốc gia đã lắp đặt dàn pin mặt trời với công suất đặt 150 kW

Bảng 1.2 Thông số kỹ thuật của một số dàn pin mặt trời thông dụng

Dàn pin mặt trời Điện áp hở

mạch (V)

Dòng điện ngắnmạch (A)

Công suất(W)

Công nghệ chế tạo các pin mặt trời có hiệu quả nhất dựa trên công nghệmàng mỏng Thế hệ pin mặt trời thứ nhất dựa trên Silic đơn tinh thể Thế hệ thứ haibắt đầu từ năm 1970 với màng mỏng GaAs do nhà vật lý Nga Zhore Alferov chếtạo Có ba loại công nghệ màng mỏng có triển vọng là: Silic vô định hình (a-Si),Hợp chất CIS, Hợp chất CeTd Hiệu suất chuyển đổi năng lượng của chúng vàokhoảng 10% và sẽ đạt tới 13-15% trong tương lai gần Thế hệ thứ ba liên quan đếncông nghệ nano và hi vọng sẽ đạt được hiệu suất biến đổi năng lượng 36% Đặc tính

kỹ thuật của một số pin mặt trời theo công nghệ màng mỏng được cho trong bảng1.3

Bảng 1.3 Đặc tính kỹ thuật của PV theo công nghệ màng mỏng

Công ty chế tạo Vật liệu Hiệu suất

(%)

Công suất(W)

Kích cỡ(cm2)

Một số vấn đề lưu ý khi lắp đặt dàn pin mặt trời: Đối với các dàn công suấtnhỏ lắp cố định không có bộ tự động điều chỉnh hướng cần định hướng dàn pin mặttrời về phía mặt trời theo hướng Đông-Tây tại vị trí không bị mái nhà và cây cối chekhuất

1.6 Hệ thống điện mặt trời OFF – GRID

1.6.1 Hệ thống điện mặt trời có dự trữ nạp cho ắc quy

Ứng dụng: Hộ gia đình, trang trại, trạm y tế, trạm kiểm lâm, trường học, nhà nghỉ,

resort sinh thái những nơi chưa có điện lưới kéo tới hoặc điện lưới bị chập chờn,hay bị cúp điện Công suất từ : 100Wp tới 5KWp

Sơ đồ nguyên lý (hình 1.3):

Hình 1.3 Nguyên lý hoạt động của hệ thống điện mặt trời OFF-GRID có dự trữ nạp

cho ắc quy Nguyên lý hoạt động:

Từ giàn pin mặt trời (solar cells), ánh sáng được biến đổi thành điện năng,tạo ra dòng điện một chiều (DC Power) Dòng điện này được dẫn tới bộ điều khiển(charge controller) là một thiết bị có chức năng tự động điều hòa dòng điện từ pinmặt trời và dòng điện nạp cho acquy (Battery) Thông qua bộ đổi điện DC/AC(Inverter) tạo ra dòng điện xoay chiều chuẩn 220V/50Hz để chạy các thiết bị tronggia đình như đèn chiếu sáng, quạt, tivi, máy tính, tủ lạnh, máy bơm

1.6.2 Hệ thống điện mặt trời hòa lưới

Ứng dụng: Văn phòng, doanh nghiệp, nhà xưởng sản xuất, trường học…những nơi

hoạt động chủ yếu vào ban ngày từ 7h – 17h30” Công suất từ 2Kwp - 10MWp

Hình 1.4 Nguyên lý hoạt động của hệ thống điện mặt trời OFF-GRID hòa lưới

Mô tả họat động:

- Khi không có mặt trời: (Buổi tối hoặc trời mưa) Các tấm pin mặt trời SolarPanel sẽ không sản sinh ra điện nên các phụ tải sẽ sử dụng điện từ lưới một cáchbình thường

- Khi trời có nắng: Các solar panel sẽ có điện và lúc này hệ thống sẽ biến đổiđiện năng DC từ các solar panel trên thành điện AC có tần số, pha và điện áp trùngvới điện lưới Điện năng từ mặt trời sẽ được hòa với điện lưới qua chỉ số của đồnghồ

- Khi mất điện lưới, hệ thống ngưng họat động đảm bảo sự an toàn cho lướiđiện

Hệ thống này có các ưu điểm sau:

- Không sử dụng bình acquy: giảm được đáng kể chi phí đầu tư và bảodưỡng cho hệ thống acquy

- Khai thác điện năng hiệu quả nhất từ nguồn năng lượng mặt trời do có cơcấu nổi bật là thu nhận, biến đổi và bổ xung trực tiếp ngay vào lưới điện không bịtổn hao trên acquy dự trữ

- Bền vững, lâu dài : Do máy luôn được vận hành song song với lưới điệnnên mọi đột biến của tải hay điện áp trên đường dây và nguồn điện đều không thểtác động trực tiếp vào máy Tuổi thọ của hệ thống là tuổi thọ của các linh kiện điện

tử cao cấp, có thể lên tới 25 năm

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

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

1.6.3 Hệ thống điện mặt trời hòa lưới có dự trữ

Ứng dụng: Hộ gia đình, trang trại, trạm y tế, cơ sở sản xuất kinh doanh, nhà máy,khu công nghiệp

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

- Hệ thống off - grid (hệ thống độc lập): Lưu trữ điện năng từ các tấm pinmặt trời (Solar Panel) vào Acquy để sẵn sàng biến đổi thành điện 220VAC /50Hz

để cung cấp cho tải khi không có điện lưới

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

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

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

1.7 Những khó khăn chính trong quá trình triển khai ứng dụng:

1.7.2 Về kinh tế

Trước mắt, PMT chỉ ứng dụng ở các vùng sâu, vùng cao và hải đảo, nơi khôngthể đưa lưới điện quốc gia đến được Song phần lớn thu nhập của người dân vùngnày thấp, trong khi giá thành đầu tư ban đầu của pin mặt trời hiện tại còn rất cao

Giá thành lắp đặt dàn pin mặt trời bình quân chung trong cả nước vàokhoảng 12 - 14 USD/Wp (áp dụng cho hộ gia đình và dàn tập thể) Giá thành trênkhông bao gồm chi phí vận chuyển Chi phí vận chuyển vào khoảng 5 - 7% giá trịthiết bị

1.8 Kinh nghiệm triển khai ứng dụng:

Để việc triển khai ứng dụng đạt được hiệu quả tốt, cần tiến hành những bướcsau:

- Các sở khoa học công nghệ hoặc các sở công nghiệp của các tỉnh nên mởcác lớp tập huấn và tuyên truyền, quảng cáo về phương pháp lắp đặt, vận hành, bảodưỡng và sửa chữa nhỏ

- Sau khi lắp đặt, cần hướng dẫn cặn kẽ cho các hộ sử dụng về qui định vậnhành, bảo quản và bảo dưỡng thiết bị

- Trên cơ sở kết quả ứng dụng thí điểm, nghiên cứu thiết kế kỹ thuật lắp đặtphù hợp với trình độ dân trí và hợp lý về qui mô công suất để đáp ứng nhu cầu vàkhả năng kinh tế của dân địa phương

Kết luận: Sau khi phân tích các lý thuyết liên quan đến hệ thống pin năng lượng

mặt trời nhận thấy phương án thích hợp sử dụng cho đề tài là sử dụng Pin mặt trờisạc bình ắc quy để chiếu sang đèn đường

Với giải pháp này, năng lượng dự trữ trong bình ắc quy sẽ được biến đổi thànhđiện AC nhờ vào Inverter để cung cấp cho tải sử dụng

- Công suất được thiết kế tùy theo nhu cầu cụ thể

- Chất lượng điện áp ngõ ra sin chuẩn, 220VAC, 1 pha, 50Hz (Có thể tùy chọn thông số khác)

- Thiết kế theo dạng module, nên dễ dàng nâng cấp công suất sau này

- Cấu hình điện áp hệ ắc quy có thể là: 12V, 24V, 36V, 48V hay 60V