Nghiên cứu ứng dụng điện mặt trời cung cấp cho phòng máy chủ 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 lượngsạch, thân thiện với môi trường không ảnh hưởng đến sức khỏe của con ngườ

MỞ ĐẦU

 GIỚI THIỆU CHUNG

Việt Nam là một quốc gia có tiềm năng rất lớn về năng lượng Mặt Trời, đặcbiệt ở miền Trung và miền Nam của đất nước, với cường độ bức xạ Mặt Trời trungbình 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 phùnvào 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 bốrộng rãi trên các vùng miền khác nhau của đất nước Đặc biệt, số ngày nắng trungbình trên các tỉnh của miền Trung và miền Nam là khoảng 300 ngày/năm Nănglượng 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 phầncung 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, thưviện 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 xâythêm các khu ký túc xá, nhà đa năng và các phòng thí nghiệm khiến cho nhu cầu sửdụng điện ngày càng cao với phụ tải lớn

Từ những tình hình thực tế trên việc thay thế nguồn điện lưới đang sử dụngbằng điện Mặt Trời sẽ góp phần tiết kiệm tiền điện cho nhà trường, tạo môi trườnghọc 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 vàchấp hành chủ trương, chính sách của Nhà nước về tiết kiệm điện năng, sử dụngnguồn 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 vàcông 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 lượngsạch, thân thiện với môi trường không ảnh hưởng đến sức khỏe của con người, cũngnhư không làm thay đổi hệ sinh thái trong khu vực, điều này đang phù hợp với xuthế 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 hơnviệc sử dụng năng lượng sạch, cung cấp môi trường hiện đại, thuận lợi cho quá trìnhlàm 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 khuvực khác nữa

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

 LỜI CÁM ƠN

Em xin gửi lời cám ơn sâu sắc nhất đến Thầy TS Trần Tiến Phức đã tận tìnhhướng dẫn, chỉ bảo trong suốt quá trình thực hiện đồ án Tốt Nghiệp, để em có thểhoàn thành đồ án một cách tốt nhất với hiệu quả cao nhất Xin gửi lời cám ơn sâusắc đến các thầy cô đã truyền đạt kiến thức cho em suốt 4 năm đại học, để em đủkiến thức để hoàn thành đồ án

Xin cám ơn các bác, các chú, các anh trong Tổ bảo vệ và Tổ điện và Trungtâm Máy tính Trường Đại học Nha Trang đã nhiệt tình giúp đỡ nhiều vấn đề liênquan đến đồ án, tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành tốt đồ án của mình Xincám 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 chuyênngành, 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 hoànthiện hơn nữa

Nha Trang, ngày tháng năm 2015

Sinh viên

CAO VĂN THỊNH

Xây dựng hệ thống điện Mặt Trời hòa lưới điện cung cấp phòng máy chủTrường Đại học Nha Trang là một đồ án thực tiễn, giáo dục ý thức của sinh viên vàcán bộ viên chức nhà trường về bảo vệ môi trường, hạn chế sử dụng nguồn nănglượng hóa thạch, hạn chế chất thải, tận dụng và ứng dụng rộng rãi các nguồn nănglượng sạch như năng lượng Mặt Trời, năng lượng Gió Hưởng ứng chủ trương vàchính 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 thànhtựu về khoa học – công nghệ vào cuộc sống hằng ngày.

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 nhỏnằm 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 lĩnhvực khác nhau Vì vậy, việc hoàn thành đồ án chỉ dừng lại ở mức thành công nhấtđịnh, 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 Khảo sát hiệu suất ủa bộ Inverter 51

4.3.1 Tiến hành đo mẫu 1 52

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 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 1.8: 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 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: 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 địnhđược tầm ảnh hưởng to lớn của nó Hiện nay khi các nguồn năng lượng hóa thạchtrên thế giới ngành càng cạn kiệt thì năng lượng Mặt Trời là một hướng phát triểnđầy hứa hẹn cho tương lai

Việt Nam với lợi thế là một trong những quốc gia nằm trong giải phân bốánh nắng Mặt Trời nhiều nhất trong năm trên bản đồ bức xạ thế giới, năng lượngMặt Trời ở Việt Nam có sẵn quanh năm, khá ổn định và phân bố rộng rãi trên cácvùng miền Đặc biệt, số ngày nắng trung bình ở các tỉnh miền Trung, miền Nam làkhoảng 300 ngày/năm

Đã có rất nhiều hệ thống Mặt Trời được đưa vào hoạt động phục vụ cuộcsống 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 điệnlưới chưa thể vươn tới

- Viện năng lượng (ENV) và trung tâm năng lượng mới (Trường Đại học BáchKhoa 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 Nhàdàn DK lắp đặt: 5.700 tấm Pin năng lượng Mặt Trời, hơn 120 quạt gió, 1.000 bộđèn LED sử dụng năng lượng Mặt Trời do Tập đoàn Dầu khí Việt Nam (PetroVietnam) 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 bởihơn 10.000 m dây cáp Dự án có sự tham gia của hơn 30 kĩ sư chuyên về nănglượng mặt trời cùng 5.000 giờ cả thiết kế và lắp đặt Dự án hiện có khả năng phátđược 321.000 KWh điện và hạn chế tới 221.300 kg lượng khí CO2 thải ra hàngnăm

- Dự án xây dựng hệ thống pin năng lượng mặt trời trên nóc nhà Bộ Côngthương do Đức tài trợ sản xuất khoảng 16000 kWh điện/năm được khánh thànhvào 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 khôngthể phủ nhận Đây là một hướng giải quyết vấn đề về năng lượng đầy hứa hẹn chotương lai

Nha Trang là một trong những địa điểm có tổng số giờ nắng trong năm caocủa 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 pháttriển điện Mặt Trời Việc phát triển các hệ thông điện Mặt Trời ở nơi đây có nhiềuthuận lợi Vì vậy cần phát triển nhiều hơn nữa các hệ thông điện mặ trời phục vụcuộc sống

Đồ án tốt nghiệp “ Nghiên cứu ứng dụng điện Mặt Trời cung cấp cho phòngMáy chủ Trường Đại học Nha Trang” là một dự án ứng dụng điện Mặt Trời vàocuộc 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 đạicho 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 quangđiện), là thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các diode p - n Duới sự hiện diện củaánh sáng Mặt Trời, PNLMT có khả năng tạo ra dòng điện sử dụng được Sựchuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện

1.1.1 Cấu tạo

1.1.1.1 Vật liệu

Trước khi tìm hiểu về pin Mặt Trời chúng ta hãy tìm hiểu về vật lý chất bándẫn Để đơn giản, ta tìm hiểu pin năng lượng tinh thể silic Silic thuộc nhóm IV,tức là có 4 electron lớp ngoài cùng Silic có thể kết hợp với Silicon khác để tạonên chất rắn Cơ bản có 2 loại chất rắn Silicon: vô định hình (không có trật tự sắpxếp) và đa tinh thể (các nguyên tử sắp xếp theo thứ tự dãy không gian 3 chiều).PNLMT phổ biến nhất là dùng đa tinh thể silicon, tuy nhiên ngày nay người ta đãtìm ra nhiều vật liệu khác có thể thay thế như sự kết hợp của Vonfram và gốm

Ở nhiệt độ phòng, silic nguyên chất có tính dẫn điện kém Để tạo ra Silic cótính 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 tửsilic trong mạng tinh thể, và liên kết với các nguyên tử silic bên cạnh tương tựnhư là một silic Tuy nhiên các phân tử nhóm III có 3 electron ngoài cùng vànguyên 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 thiếuelectron (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 hayGali) 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 trìnhCzochralski Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16% Chúng thường rất đắttiền do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn tinh thể này có các mặttrống ở góc nối các module

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

- Dải Silic tạo từ các miếng phim mỏng, từ Silic nóng chảy và có cấu trúc đatinh thể Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhất trongcác 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 quátrình cắt Chất kích thích được dùng để tăng sư hấp thụ ánh sáng Các tấm kim loạidẫn 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 dạngthích hợp, được bảo vệ khỏi tia bức xạ và hư hại trên mặt trước bằng các miếnggương dán vào chất nền Sự liền mạch được tạo nên thành các dãy song song đểquyết định năng lượng tạo ra Chất keo và chất nền phải có tính dẫn nhiệt, vì khi

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

Tấm năng lượng Mặt Trời tạo thành từ nhiều pin Mặt Trời Mặc dù mỗi pinchỉ 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 nănglượng 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 1.3: Trạng thái hai mức năng lượng của Electron

Trong các vật rắn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vànhngoài, 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 phầngọi là vùng dẫn, bên dưới của vùng có năng lượng là EC Phần cách ly giữa vùnghóa trị và vùng dẫn đó gọi là một vùng cấm có độ rộng năng lượng là Eg, tại đókhông 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 nănglượng hv chiếu tới hệ thống Bị điện tử của vùng hoá trị hấp thụ và nó có thểchuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự do e-, lúc này vùng hoá trị sẽ có một lỗtrống 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

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 nănglượng của photon thấp hơn năng lượng đủ để đưa các hạt electron lên mứcnăng lượng cao hơn

- Năng lượng của photon được hấp thụ bởi silic Điều này thường xảy ra khinăng lượng của photon lớn hơn năng lượng để đưa electron lên mức năng lượng

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

cao hơn.

Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các hạtelectron trong màng tinh thể Thông thường các electron này ở lớp ngoài cùng, vàthường được kết dính với các nguyên tử lân cận vì thế không thể di chuyển xa Khielectron được kích thích, trở thành dẫn điện, các electron này có thể tự do di chuyểntrong bán dẫn Khi đó nguyên tử sẽ thiếu 1 electron gọi là "lỗ trống" Lỗ trống nàytạo điều kiện cho các electron của nguyên tử bên cạnh di chuyển đến điền vào "lỗtrống", 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 giớihạn quang điện vào tiếp giáp p-n thì sẽ xuất hiện nhiều electron và lỗ trống, quátrình 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 vớinhau thành bộ vừa song song vừa nối tiếp để có hiệu điện thế và cường độ dòngđiện đủ lớn, đáp ứng nhu cầu sử dụng

Với công nghệ Nano ngày nay, người ta có thế ghép nhiều lớp bán dẫn trên từnhiều 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 pinquang 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 sửdụng từ rất sớm.Nhưng việc ứng dụng vào sản xuất trên quy mô lớn, cũng nhưcuộc sống hàng ngày thì mới chỉ thực sự bắt đầu vào cuối thế kỷ 18, và tập trungchủ yếu ở các nước có tiềm năng lớn năng lượng Mặt Trời Từ các cuộc khủnghoảng năng lượng thế giới năm 1968 và 1973, Năng lượng mặt trời càng đượcquan 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, cònrất nhiều dự án khác được tài trợ từ các công ty, tập Đoàn năng lượng sạch của nướcngoài được thực hiện tại Việt Nam

GVHD: Ts Trần Tiến Phức

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 sốngmột 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

b)a)

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 đôivới 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 cơđộng, người ta có thể mang nó đi đến bất kỳ vị trí nào để sử dụng như một “nhàmáy phát điện mini”, miễn là trước đó người ta đã dự trữ đủ điện ứng với dunglượng của nó

Cũng giống như điện năng được sản xuất từ thủy điện hay nhiệt điện,… điệnnăng sản xuất ra từ PNLMT cũng cần được dự trữ lại để sử dụng cho những lúc trờikhông 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 vệACUnhư thế nào để lưu trữ điện năng một cách hiệu quả nhất và tuổi thọ ACU làcao nhất

1.2.1 Tổng quan về ACU

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

Hiện nay có rất nhiều loại accu với những chất lượng, tính năng và giá thànhrất khác nhau (axit chì, kín khí, chì khô, cadium, niken, Lithium….) Nhưng xéttổng thể thì có hai loại ACU chính là ACU chì- acid và ACU sắt- kiềm Trongkhuôn khổ đồ án này ta tập trung nghiên cứu ACU chì – acid sản xuất theo côngnghệ 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 bảncực âm nhiều hơn bản cực dương Các bản cực âm ngoài cùng thường mỏng hơn, vìchúng 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 tìnhtrạng 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

Bình accu làm việc ở chế độ tải nặng, thí dụ các xe tải điện 1,275

Bình accu dùng cho tải không nặng lắm: thí dụ như chiếu 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 đượcnạp đầy sẽ phát ra được trước khi hiệu điện thế giảm xuống đến mức ngừng Mứcngừng là mức mà không nên bắt accu phát điện tiếp, nếu cứ để accu phát điện ởdưới mức ngừng thì sẽ giảm tuổi thọ của accu, thậm chí có thể làm accu chết ngaylập tức Đó là trường hợp dùng nhiều accu mắc nối tiếp nhau khi 1 accu đã pháthết 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 là1,67V 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 đổitùy theo nhiều điều kiện như dòng điện phóng, nhiệt độ chất điện phân, tỷ trọngcủa dung dịch, và điện thế cuối cùng sau khi phóng Nhà sản xuất thường đặt sốdung 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 ACUđóng vai trò một máy thu, tích trữ điện năng dưới dạng hóa năng Khi nạp điện cho

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 bịđiện 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 sẽthành 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 cựcdương (+) của ACU Khi hai cực đã trở thành Pb và PbO2 thì giữa chúng có mộthiệu 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 dòngđiện chạy trong dây sẽ có chiều ngược với dòng điện lúc nạp vào ACU Dòng điệnnày sẽ gây ra quá trình hóa học ngược lại, dung dịch axit lại bị điện phân nhưng lầnnày các ion chuyển dời ngược chiều với lúc đầu, Hiđrô sẽ chạy về bản PbO2 vàkhử ôxi, làm cho bản này chở thành chì ôxit PbO Cho đến khi hai cực đã hoàntoàn giống nhau thì dòng điện tắt Bây giờ muốn ACU lại phát điện, ta phải nạpđiện 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 điệnnào 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 chođến 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 ngănxuống đến 1,75V

Khi phóng với dòng điện nhỏ thì không xác định việc kết thúc phóng theođiện thế Trong trường hợp này, việc kết thúc phóng được xác định theo tỷtrọng chất điện phân Việc phóng được kết thúc khi tỷ trọng giảm đi từ 0,03đến 0,06 g/cm3 so với tỷ trọng ban đầu (nhưng cũng không được để điện thế mỗingăn 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 thườngxuyên phải phóng nạp tập dợt 4 lần Trong quá trình vận hành ACU ở chế độphụ nạp thường xuyên ACU không cần phóng tập dợt cũng như nạp lại Trườnghợp sau một thời gian dài làm việc ở chế độ phụ nạp thường xuyên mà thấy chấtlượng 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 là2,2±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 100Ahdung

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

 Chế độ phóng nạp xen kẽ:

ACU làm việc ở chế độ phóng nạp xen kẽ là ACU thường xuyên cấp vào phụtải 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 nạpvới 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 hạiACU người ta sử dụng bộ điều khiển sạc[2] Trước đây, khi chưa có khái niệm vềPNLMT 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 ACUđược 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 PNLMTtạo ra nạp đầy vào ACU theo đúng dung lượng và điện áp của ACU, tự động ngắtkhi ACU đến ngưỡng đầy (UMax) và tự động nạp lại khi điện áp ACU đến ngưỡngnạp (UMin) Như vậy, ACU sẽ được nạp và phóng một cách an toàn để kéo dài tuổithọ

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 choacquy thì ACU sẽ bị quá đầy, dung dịch ACU sẽ bị sôi dẫn đến sự bay hơi dungdịch dẫn điện và làm hư hỏng các bản cực Vì vậy khi có dấu hiệu accu đã đượcnạp đầy, hiệu điện thế trên các cực bộ ACU đạt đến V=Vmax, thì bộ điều khiển sẽ

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

 Ngưỡng điện thế cắt - nạp VMin:

Ngưỡng điện thế nạp Vmin là giá trị hiệu điện thế trên hai cực bộ ACU, khiACU đã phóng điện đến giá trị cận dưới của dung lượng accu (ví dụ: đối với ACUChì – axit, khi trong ACU chỉ còn lại 30% dung lượng) Nếu tiếp tục sử dụng thìACU sẽ bị phóng điện quá kiệt dẫn đến hư hỏng ACU Vì vậy, Khi bộ điều

khiển nhận thấy hiệu điện thế bộ ACU V ≤ Vmin thì nó sẽ tự động cắt mạch tảitiêu thụ và tiến hành nạp điện vào ACU Sau đó nếu hiệu điện thế bộ ACU tăng lêntrên giá trị ngưỡng trên (đầy), bộ điều khiển lại tự động cắt nạp.

Đối với ACU Chì – axit, hiệu điện thế chuẩn trên các cực của một bình

là V=12V, thì thông thường người ta chọn Vmax= 14,0÷14,5V, 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 hệthống 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 MặtTrời và chuyển hóa thành nguồn điện một chiều (DC) Nguồn điện DC này sẽ đượcnạp vào bình ắc quy (để lưu trữ điện) thông qua bộ điều khiển sạc (có chức năngbảo vệ ắc quy là tấm pin) Sau đó điện từ ắc quy sẽ được nghịc lưu lên điện xoaychiều (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

Nhược điểm:

+ Chi phí đầ tư ban đầu cao.

+ 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