Do an nang luong tai tao

đồ án pin mặt trời điều khiển tấm kim mặt trời tự động bằng cảm biến ánh sáng, tấm pin mặt trời tự quay về nơi có ánh sáng mạnh nhất Đồ án mang tính công nghệ cao, cần lập trình và sử dụng các công cụ, phần mềm, cơ khí chính xác

Trang 1

Lớp: ĐH Điện 1 – K8 1 Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

DANH SÁCH CÁC HÌNH



1.1 Hậu quả nghiêm trọng trong việc sử dụng năng lượng quá mức 7

2.3 Nguyên lý hoạt động cơ bản của pin mặt trời 21

2.6 Pin mặt trời dạng keo nước ( lá nhân tạo ) 26

2.21 Vị trí các cảm biến quang trên mô hình thực tế 38 2.22 Vị trí các moto điều chỉnh hướng quay theo ánh sáng mặt trời 38 2.23 Công tắc hành trình đảm bảo góc quay của tấm pin mặt trời 39

Trang 2

5.8 Xung ra trên 2 chân 11 và 14 của IC SG3525 75

5.10 Sơ đồ tổng thể của mạch chuyển đổi DC-DC kiểu đẩy kéo 76 5.11 Cách xác định tiết diện mặt cắt nhánh trung tâm của lõi ferrite 78

5.14 Sơ đồ khối mạch biến đổi DC-AC sử dụng module EGS002 81

5.18 Sơ đồ nguyên lý mạch biến đổi DC-AC sử dụng module EGS002 84

5.22 Sơ đồ nguyên lý tổng thể của mạch chuyển đổi DC-AC 87

Trang 3

6.4 Mô hình hệ thống điều hướng pin năng lượng mặt trời 92

2 Các loại bình ắc quy và mức điện áp tiêu chuẩn 53

5 Ưu và nhược điểm của 2 phương pháp chuyển đổi điện áp 67

Trang 4

với sự nỗ lực củacả nhóm, sự giúp đỡ tận tình của côTrần Kim Thành cùng sự

giúp đỡ của các thầy cô trong khoa, chúng em đã hoàn thành đề tài tốt nghiệp và thu được một số kết quả nghiên cứu nhấtđịnh

Chúng em xin chân thành cảmơn các thầy cô trong khoa Điện, trườngĐại học Công Nghiệp Hà Nộiđã tạo mọiđiều kiện cho chúng em vừa học tập vừa nghiên cứu tạiđây

Chúng em xin chân thành cảmơn cô giáo Trần Kim Thànhđã nhận hướng

dẫn và giúp đỡ tận tình để chúng em hoàn thành đề tài tốt nghiệp này

Do thời gian có hạn và sự hạn chế về trình độ của bản thân nên chắcchắn bản đồán sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, chúng em mong nhận được sự thông cảm và cả nhữngđóng góp quý báu của quý thầy cô giáo và các bạn

Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 26 tháng 4 năm 2017

Nhóm sinh viên thực hiện

Tạ Văn Ân Phạm Văn Công

Đỗ Tuấn Trường Phạm Tuấn Minh

Trang 5

LỜI NÓI ĐẦU

Việt Nam đang trong quá trình hội nhập và phát triển, trong những năm gần đây, dưới sự lãnh đạo của đảng và nhà nước đã đưa đất nước hội nhập ngày càng sâu rộng với thế giới, mở ra cơ hội phát triển nhanh chóng cho đất nước Để tận dụng tốt cơ hội này, một trong những đòi hỏi là Việt Nam phải có một cơ sở

hạ tầng vững chắc Trong đó, đảm bảo an ninh năng lượng, đưa công nghiệp năng lượng đi trước một bước sự phát triển kinh tế là vấn đề bức bách đang được đảng

và chính phủ đặc biệt quan tâm , và cũng đang gặp rất nhiều khó khăn

Việc tiêu thụ năng lượng tăng lên cùng với sự phát triển kinh tế Trong tình hình hiện tại, đất nước đang phát triển với tốc độ khá nhanh và dự đoán còn nhanh hơn nữa, trong thời gian tới , nhưng ngành điện vẫn chưa đáp ứng đủ nhu cầu năng lượng của đất nước Năng lượng đang là yếu tố thiết yếu cho sự phát triển của xã hội Việc sử dụng năng lượng hóa thạch đang gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng cho môi trường, an ninh năng lượng và sẽ bị cạn kiệt trong tương lai Vì vậy, việc đa dạng hóa các nguồn năng lượng , và việc phát triển những nguồn năng lượng tái tạo là điều tất yếu cần phải làm Điều này cũng đã được thể chế hóa trong các văn bản của đảng và nhà nước

Với mong muốn đóng góp cho sự phát triển của đất nước , được sự giới

thiệu và hướng dẫn tận tình của cô, nhóm em đã thực hiện đề tài “Xây dựng mô hình cung cấp năng lượng tái tạo sử dụng cho các thiết bị tiêu thụ điện trong các hộ gia đình” Với mong muốn góp phần phát triển và sử dụng nguồn năng

lượng tái tạo tại Việt Nam đảm bảo cho sự phát triển bền vững của đất nước và giải quyết vấn đề năng lượng hiện nay

Trang 6

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO

I Năng lượng và vai trò của năng lượng

Từ xa xưa, ngay khi con người bắt đầu sáng tạo ra những công cụ mới để nâng cao năng suất lao động, cải tạo tự nhiên và nâng cao chất lượng cuộc sống, năng lượng đã trở thành một nhu cầu tất yếu, không ngừng gia tăng cả về số lượng và chất lượng của con người Nó là nguồn nguyên liệu, nhiên liệu là động lực chính cho sự phát triển của toàn nhân loại

Mỗi cuộc cách mạng của xã hội loài người đều có nền tảng là một cuộc cách mạng triệt để và rộng khắp về năng lượng Tổ tiên chúng ta đã biết sử dụng lửa từ hàng trăm nghìn năm trước Khi con người còn sống trong hang động, thì lửa được sử dụng để chiếu sáng, sưởi ấm và nấu nướng Sau đó, nhờ sử dụng lửa,

tổ tiên chúng ta đã làm ra được đồ gốm và các công cụ bằng kim loại, với những công cụ đó, con người đã thực hiện được các hoạt động sản xuất như canh tác, trồng trọt và chăn nuôi, qua đó các cộng đồng xã hội được hình thành Có thể nói rằng, lửa chính là xuất phát điểm của nền văn minh nhân loại

Vào cuối thế kỷ 18, ở Anh đã phát minh ra máy hơi nước dùng nhiên liệu than đá Từ đó, cuộc cách mạng về động lực bùng nổ và dẫn đến cuộc cách mạng công nghiệp Hơn nữa, với kỹ thuật của động cơ đốt trong và sử dụng điện ở thế

kỷ 19, nhiều phát minh có tính bước ngoặt đã ra đời, đẩy mạnh sự phát triển của khoa học kỹ thuật, tạo ra một xã hội thịnh vượng và tiện nghi như ngày nay

Trong thế kỉ 20, dầu mỏ trở thành nguồn năng lượng quan trọng nhất Trên hết thảy, nó đóng vai trò là nhiên liệu cho các động cơ đốt trong đã cách mạng hóa ngành giao thông, sản xuất và cuộc sống hàng ngày

Tiêu chuẩn sống ngày càng cao của hàng triệu con người là dựa trên sự tiêu thụ năng lượng đang mạnh dần “Các xã hội năng lượng cao” đã xuất hiện Hiện tại, ở các nước phát triển tiên tiến, tiêu thụ năng lượng bình quân trên đầu người cao hơn 50 lần so với xã hội cổ đại và cao hơn 10 lẩn so với thời điểm trước cuộc cách mạng công nghiệp

Cho đến nay, con người đã sử dụng một lượng rất lớn nhiên liệu hóa thạch như than đá và dầu để đẩy mạnh quá trình phát triển kinh tế và hiện đang phải phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch, chiếm khoảng 80% nguồn cung cấp năng lượng sơ cấp

Trang 7

Tuy nhiên nhiên liệu hóa thạch không phải là vô hạn

- Người ta cho rằng còn có thể khai thác dầu trong 40 năm nữa Số năm có thể khai thác này được tính bằng cách chia trữ lượng đã biết cho sản lượng khai thác hàng năm hiện nay

- Số năm có thể khai thác của khí tự nhiên dự đoán là khoảng 60 năm Tài nguyên khí tự nhiên, so với tài nguyên dầu có ưu điểm là có thể đảm bảo được một lượng nhất định trongkhu vực Đông Nam Á và thời gian khai thác cũng lâu hơn

Việc sử dụng năng lượng hóa thạch gây ra nhiều hậu quả :

+ Mưa axit: SOx, NOx trong không khí thải từ các nhà máy và ô tô của lục địa đã tạo ra các phản ứng hóa học trong không khí, sau đó di chuyển, rồi tạo ra mưa axít làm tiêu trụi các cánh rừng, tiêu diệt các sinh vật trong ao hồ, gây tác hại

to lớn cho sản xuất nông nghiệp

+ Sự nóng lên toàn cầu : Những loại khí như C02, CH4, N20 thải ra trong

quá trình đốt nhiên liệu hóa thạch là nguyên nhân lớn nhất cho vấn đề ấm lên của Trái Đất

+ Đối với con người: các loại khí thải ra trong quá trình đốt nhiên liệu rất độc hại đối với sức khoẻ của người và sinh vật

+ Năng lượng hóa thạch là nguyên nhân dẫn đến các tranh chấp, dẫn đến bất ổn trên toàn thế giới và ảnh hưởng lớn đến hòa bìnhthế giới

+ Ngoài ra, giá cả của những loại nhiên liệu hóa thạch cũng ngày càng tăng

cao do sự gia tăng chóng mặt của nhu cầu năng lượng, sự khan hiếm, khó khai

thác của chúng

Hình 1.1: Hậu quả nghiêm trọng trong việc sử dụng năng lượng quá mức

Trang 8

Chính những lý do trên dẫn đến việc cần phải đi tìm những nguồn năng lượng khác dồi dào hơn, đa dạng hơn, thân thiện hơn để thay thế nguồn năng lượng hóa thạch này và các nguồn năng lượng tái tạo là một lựa chọn hợp lý nhất

II Năng lượng tái tạo

1 Khái niệm năng lượng tái tạo

Trong cách nói thông thường, năng lượng tái tạo được hiểu là những nguồn năng lượng hay những phương pháp khai thác năng lượng mà nếu đo bằng các chuẩn mực của con người thì là vô hạn Vô hạn có hai nghĩa: Hoặc là năng lượng tồn tại nhiều đến mức mà không thể trở thành cạn kiệt vì sự sử dụng của con người (thí dụ như năng lượng Mặt Trời) hoặc là năng lượng tự tái tạo trong thời gian ngắn và liên tục (thí dụ như năng lượng sinh khối) trong các quy trình còn diễn tiến trong một thời gian dài trên Trái Đất

Theo ý nghĩa về vật lý, năng lượng không được tái tạo mà trước tiên là do Mặt Trời mang lại và được biến đổi thành các dạng năng lượng hay các vật mang năng lượng khác nhau Tùy theo trường hợp mà năng lượng này được sử dụng ngay tức khắc hay được tạm thời dự trữ

Việc sử dụng khái niệm "tái tạo" theo cách nói thông thường là dùng để chỉ đến các chu kỳ tái tạo mà đối với con người là ngắn đi rất nhiều (thí dụ như khí sinh học so với năng lượng hóa thạch) Trong cảm giác về thời gian của con người thì Mặt Trời sẽ còn là một nguồn cung cấp năng lượng trong một thời gian gần như là vô tận Mặt Trời cũng là nguồn cung cấp năng lượng liên tục cho nhiều quy trình diễn tiến trong bầu sinh quyển Trái Đất Những quy trình này có thể cung cấp năng lượng cho con người và cũng mang lại những cái gọi là nguyên liệu tái tăng trưởng Luồng gió thổi, dòng nước chảy và nhiệt lượng của Mặt Trời

đã được con người sử dụng trong quá khứ Quan trọng nhất trong thời đại công nghiệp là sức nước nhìn theo phương diện sử dụng kỹ thuật và theo phương diện phí tổn sinh thái

Ngược lại với việc sử dụng các quy trình này là việc khai thác các nguồn năng lượng như than đá hay dầu mỏ, những nguồn năng lượng mà ngày nay được tiêu dùng nhanh hơn là được tạo ra rất nhiều Theo ý nghĩa của định nghĩa tồn tại

"vô tận" thì phản ứng tổng hợp hạt nhân (phản ứng nhiệt hạch), khi có thể thực hiện trên bình diện kỹ thuật, và phản ứng phân rã hạt nhân (phản ứng phân hạch) với các lò phản ứng tái sinh khi năng lượng hao tốn lúc khai thác uranium hay

Trang 9

thorium có thể được giữ ở mức thấp, đều là những nguồn năng lượng tái tạo mặc

dù là thường thì chúng không được tính vào loại năng lượng này

2 Năng lượng Mặt Trời

Năng lượng Mặt Trời thu được trên Trái Đất là năng lượng của dòng bức

xạ điện từ xuất phát từ Mặt Trời đến Trái Đất Chúng ta sẽ tiếp tục nhận được dòng năng lượng này cho đến khi phản ứng hạt nhân trên Mặt Trời hết nhiên liệu, vào khoảng 5 tỷ năm nữa

Có thể trực tiếp thu lấy năng lượng này thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển năng lượng các photon của Mặt Trời thành điện năng, như trong pin Mặt Trời Năng lượng của các photon cũng có thể được hấp thụ để làm nóng các vật thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, sử dụng cho bình đun nước Mặt Trời, hoặc làm sôi nước trong các máy nhiệt điện của tháp Mặt Trời, hoặc vận động các hệ thống nhiệt như máy điều hòa Mặt Trời

Hình 1.2: Các tấm pin năng lượng mặt trời

Năng lượng của các photon có thể được hấp thụ và chuyển hóa thành nănglượng trong các liên kết hóa học của các phản ứng quang hóa

Trang 10

Một phản ứng quang hóa tự nhiên là quá trình quang hợp Quá trình này được cho là đã từng dự trữ năng lượng Mặt Trời vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch không tái sinh mà các nền công nghiệp của thế kỷ 19 đến 21 đã và đang tận dụng Nó cũng là quá trình cung cấp năng lượng cho mọi hoạt động sinh học tự nhiên, cho sức kéo gia súc và củi đốt, những nguồn năng lượng sinh học tái tạo truyền thống Trong tương lai, quá trình này có thể giúp tạo ra nguồn năng lượng tái tạo ở nhiên liệu sinh học, như các nhiên liệu lỏng (diesel sinh học, nhiên liệu

từ dầu thực vật), khí (khí đốt sinh học) hay rắn

Năng lượng Mặt Trời cũng được hấp thụ bởi thủy quyển Trái Đất và khí quyển Trái Đất để sinh ra các hiện tượng khí tượng học chứa các dạng dự trữ năng lượng có thể khai thác được Trái Đất, trong mô hình năng lượng này, gần giống bình đun nước của những động cơ nhiệt đầu tiên, chuyển hóa nhiệt năng hấp thụ từ photon của Mặt Trời, thành động năng của các dòng chảy của nước, hơi nước và không khí, và thay đổi tính chất hóa học và vật lý của các dòng chảy này

Thế năng của nước mưa có thể được dự trữ tại các đập nước và chạy máy phát điện của các công trình thủy điện Một dạng tận dụng năng lượng dòng chảy sông suối có trước khi thủy điện ra đời là cối xay nước Dòng chảy của biển cũng

có thể làm chuyển động máy phát của nhà máy điện dùng dòng chảy của biển

Dòng chảy của không khí, hay gió, có thể sinh ra điện khi làm quay tuốc bin gió Trước khi máy phát điện dùng năng lượng gió ra đời, cối xay gió đã được ứng dụng để xay ngũ cốc Năng lượng gió cũng gây ra chuyển động sóng trên mặt biển Chuyển động này có thể được tận dụng trong các nhà máy điện dùng sóng biển

Đại dương trên Trái Đất có nhiệt dung riêng lớn hơn không khí và do đó thay đổi nhiệt độ chậm hơn không khí khi hấp thụ cùng nhiệt lượng của Mặt Trời Đại dương nóng hơn không khí vào ban đêm và lạnh hơn không khí vào ban ngày Sự chênh lệch nhiệt độ này có thể được khai thác để chạy các động cơ nhiệt trong các nhà máy điện dùng nhiệt lượng của biển

Khi nhiệt năng hấp thụ từ photon của Mặt Trời làm bốc hơi nước biển, một phần năng lượng đó đã được dự trữ trong việc tách muối ra khỏi nước mặn của biển Nhà máy điện dùng phản ứng nước ngọt - nước mặn thu lại phần năng lượng này khi đưa nước ngọt của dòng sông trở về biển

Trang 11

Sử dụng năng lượng mặt trời

Ngành công nghiệp năng lượng mặt trời đang phát triển nhanh chóng do nhu cầu và những tiến bộ kĩ thuật trong việc sử dụng năng lượng mặt trời, sản lượng điện mặt trời tăng 48% một năm kể từ 2002, nghĩa là cứ hai năm lại tăng gấp đôi và đã giúp ngành năng lượng này đạt tốc độ tăng trưởng cao nhất thê giới

Dữ liệu đến hết năm 2007 cho biết toàn thê giới đạt 12400 MW công suất điện mặt trời trong đó khoảng 90% hòa vào mạng lưới điện chung, còn lại được lắp trên tường hay mái của nhiều tòa nhà gọi là hệ thống tích hợp điện mặt trời cho tòa nhà

Tình hình năng lượng mặt trời tại Việt Nam

Việt Nam là nước có tiềm năng về năng lượng mặt trời, trải dài từ vĩ độ 8’’ Bắc đến 23’’ Bắc, 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 năng lượng mặt trời ở nước ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế lớn Giải pháp sử dụng năng lượng mặt trời hiện đang được cho là giải pháp tối ưu nhất Đây là nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường và có trữ lượng vô cùng lớn do tính tái tạo cao Đồng thời, phát triển ngành công nghiệp sản xuất pin mặt trời sẽ góp phần thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch, giảm phát khí thải nhà kính, bảo

vệ môi trường Vì thế, đây được coi là nguồn năng lượng quý giá, có thể thay thế những dạng năng lượng cũ đang ngày càng cạn kiệt Từ lâu, nhiều nơi trên thế giới đã sử dụng năng lượng mặt trời như một giải pháp thay thế những nguồn tài nguyên truyền thống

3 Năng lượng gió

Năng lượng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển Trái Đất Năng lượng gió là một hình thức gián tiếp của năng lượng mặt trời

Trang 12

Bức xạ Mặt Trời chiếu xuống bề mặt Trái Đất không đồng đều làm cho bầu khí quyển, nước và không khí nóng không đều nhau Một nửa bề mặt củaTrái Đất, mặt ban đêm, bị che khuất không nhận được bức xạ của Mặt Trời và thêm vào đó là bức xạ Mặt Trời ở các vùng gần xích đạo nhiều hơn là ở các cực, do đó

có sự khác nhau về nhiệt độ và vì thế là khác nhau về áp suất mà không khí giữa xích đạo và 2 cực cũng như không khí giữa mặt ban ngày và mặt ban đêm của Trái Đất di động tạo thành gió Trái Đất xoay tròn cũng góp phần vào việc làm xoáy không khí và vì trục quay của Trái Đất nghiêng đi (so với mặt phẳng do quỹ đạo Trái Đất tạo thành khi quay quanh Mặt Trời) nên cũng tạo thành các dòng không khí theo mùa

Hình 1.3: Các dòng không khí theo mùa

Do bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Coriolis được tạo thành từ sự quay quanh trục của Trái Đất nên không khí đi từ vùng áp cao đến vùng áp thấp không chuyển động thẳng mà tạo thành các cơn gió xoáy có chiều xoáy khác nhau giữa Bắc bán cầu và Nam bán cầu Nếu nhìn từ vũ trụ thì trên Bắc bán cầu không khí

di chuyển vào một vùng áp thấp ngược với chiều kim đồng hồ và ra khỏi một vùng áp cao theo chiều kim đồng hồ Trên Nam bán cầu thì chiều hướng ngược lại

Ngoài các yếu tố có tính toàn cầu trên gió cũng bị ảnh hưởng bởi địa hình tại từng địa phương Do nước và đất có nhiệt dung khác nhau nên ban ngày đất

Trang 13

nóng lên nhanh hơn nước, tạo nên khác biệt về áp suất và vì thế có gió thổi từ biển hay hồ vào đất liền Vào ban đêm đất liền nguội đi nhanh hơn nước và hiệu ứng này xảy ra theo chiều ngược lại

- Sử dụng năng lượng gió

Năng lượng gió đã được sử dụng từ hằng trăm năm nay Con người đã dùngnăng lượng gió để di chuyển thuyền buồm hay khinh khí cầu, ngoài ra năng lượng gió còn được sử dụng để tạo công cơ học nhờ vào các cối xay gió

Ý tưởng dùng năng lượng gió để sản xuất điện hình thành ngay sau các phát minh ra điện và máy phát điện Lúc đầu nguyên tắc của cối xay gió chỉ được biến đổi nhỏ và thay vì là chuyển đổi động năng của gió thành năng lượng cơ học thì dùng máy phát điện để sản xuất năng lượng điện Khi bộ môn cơ học dòng chảy tiếp tục phát triển thì các thiết bị xây dựng và hình dáng của các cánh quạt cũng được chế tạo đặc biệt hơn Ngày nay người ta gọi đó tuốc bin gió, khái niệm cối xay gió không còn phù hợp nữa vì chúng không còn có thiết bị nghiền Từ sau những cuộc khủng hoảng dầu trong thập niên 1970 việc nghiên cứu sản xuất năng lượng từ các nguồn khác được đẩy mạnh trên toàn thế giới, kể cả việc phát triển các tuốc bin gió hiện đại

Hình 1.4: Cánh đồng Tuabin gió ở Hà Lan

- Sản xuất điện từ năng lượng gió

Vì gió không thổi đều đặn nên năng lượng điện phát sinh từ các tuốc bin gió chỉ có thể được sử dụng kết hợp chung với các nguồn năng lượng khác để

Trang 14

cung cấp năng lượng liên tục Tại châu Âu, các tuốc bin gió được nối mạng toàn châu Âu, nhờ vào đó mà việc sản xuất điện có thể được điều hòa một phần Một khả năng khác là sử dụng các nhà máy phát điện có bơm trữ để bơm nước vào các bồn chứa ở trên cao và dùng nước để vận hành tuốc bin khi không đủ gió Xây dựng các nhà máy điện có bơm trữ này là một tác động lớn vào thiên nhiên vì phải xây chúng trên các đỉnh núi cao

Mặt khác vì có ánh sáng Mặt Trời nên gió thổi vào ban ngày thường mạnh hơn vào đêm và vì vậy mà thích ứng một cách tự nhiên với nhu cầu năng lượng nhiều hơn vào ban ngày Công suất dự trữ phụ thuộc vào độ chính xác của dự báo gió, khả năng điều chỉnh của mạng lưới và nhu cầu dùng điện (Đọc thêm thông tin trong bài tuốc bin gió)

Người ta còn có một công nghệ khác để tích trữ năng lượng gió Cánh quạt gió sẽ được truyền động trực tiếp để quay máy nén khí Động năng của gió được tích lũy vào hệ thống nhiều bình khí nén Hệ thống hàng loạt bình khí nén này sẽ được luân phiên tuần tự phun vào các tuabin để quay máy phát điện Như vậy năng lượng gió được lưu trữ và sử dụng ổn định hơn (dù gió mạnh hay gió yếu thì khí vẫn luôn được nén vào bình, và người ta sẽ dễ dàng điểu khiển cường độ và lưu lượng khí nén từ bình phun ra), hệ thống các bình khí nén sẽ được nạp khí và

xả khí luân phiên để đảm bảo sự liên tục cung cấp năng lượng quay máy phát điện (khi 1 bình đang xả khí quay máy phát điện thì các bình khác sẽ đang được cánh quạt gió nạp khí nén vào)

Nếu cộng tất cả các chi phí bên ngoài (kể cả các tác hại đến môi trường ví

dụ như vì thải các chất độc hại) thì năng lượng gió bên cạnh sức nước là một trong những nguồn năng lượng rẻ tiền nhất

Trang 15

CHƯƠNG II: PIN MẶT TRỜI VÀ THIẾT BỊ NÂNG CAO

HIỆU SUẤT PIN MẶT TRỜI

I Pin năng lượng Mặt trời

1 Khái niệm:

Pin năng lượng Mặt trời hay pin mặt trời hay pin quang điện bao gồm

nhiều tế bào quang điện - là phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là điốt quang, thực hiện biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện Cường độ dòng điện, hiệu điện thế hoặc điện trở của pin mặt trời thay đổi phụ thuộc bởi lượng ánh sáng chiếu lên chúng Tế bào quang

điện được ghép lại thành khối để trở thành pin mặt trời (thông thường 60 hoặc 72

tế bào quang điện trên một tấm pin mặt trời) Tế bào quang điện có khả năng hoạt

động dưới ánh sáng mặt trời hoặc ánh sáng nhân tạo Chúng có thể được dùng như cảm biến ánh sáng (vd cảm biến hồng ngoại), hoặc các phát xạ điện từ gần ngưỡng ánh sáng nhìn thấy hoặc đo cường độ ánh sáng

Sự chuyển đổi này thực hiện theo hiệu ứng quang điện Hoạt động của pin mặt trời được chia làm ba giai đoạn:

 Đầu tiên năng lượng từ các photon ánh sáng được hấp thụ và hình thành các cặp electron- lỗ trống trong chất bán dẫn

 Các cặp electron-lỗ trống sau đó bị phân chia bởi ngăn cách tạo bởi các loại chất bán dẫn khác nhau (p-n junction) Hiệu ứng này tạo nên hiệu điện thế của pin mặt trời

 Pin mặt trời sau đó được nối trực tiếp vào mạch ngoài và tạo nên dòng điện

Các pin năng lượng Mặt trời có nhiều ứng dụng trong thực tế Do giá thành còn đắt, chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng mà điện lưới khó vươn tới như núi cao, ngoài đảo xa, hoặc phục vụ các hoạt động trên không gian; cụ thể như 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 Các Pin năng lượng Mặt trời được thiết kế như những modul thành phần, được ghép lại với nhau tạo thành các tấm năng lượng Mặt trời có diện tích lớn, thường được đặt trên nóc các tòa nhà nơi chúng có thể

có thể đó ánh sáng nhiều nhất, và kết nối với bộ chuyển đổi của mạng lưới điện Các tấm pin Mặt Trời lớn ngày nay được lắp thêm bộ phận tự động điều khiển để

Trang 16

có thể xoay theo hướng ánh sáng, giống như loài hoa hướng dương hướng về ánh sáng Mặt Trời

2 Lịch sử của pin mặt trời

Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật

lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel lúc ông 19 tuổi khi đang làm thí nghiệm tại phòng nghiên cứu của cha Willoughby Smith nhắc đến phát minh này trong một bài báo xuất bản ngày 20 tháng 2 năm 1873 trên tạp chí Nature Tuy nhiên cho đến 1883 một pin năng lượng mới được tạo thành, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối, thiết bị chỉ

có hiệu suất 1% Năm 1888, nhà vật lý học người NgaAleksandr Stoletov tạo ra tấm pin đầu tiên dựa vào hiệu ứng quang điện được phát hiện bởi Heinrich Hertz trước đó vào năm 1887

Albert Einstein đã giải thích được hiệu ứng quang điện vào năm 1905, công trình đã giúp ông giành giải Nobel vật lý năm 1921

Vadim Lashkaryov phát hiện ra phân lớp p-n trong CuO và bạc sul-phát vào năm 1941

Russell Ohl được xem là người tạo ra pin năng lượng Mặt trời đầu tiên năm 1946 Sven Ason Berglund đã có phương pháp liên quan đến việc tăng khả năng cảm nhận ánh sángcủa pin

Pin mặt trời đầu tiên có khả năng ứng dụng được ra mắt vào 25/4/1954 tại Bell Laboratories bởi Daryl Chapin, Calvin Souther Fuller và Gerald Pearson

Pin mặt trời bắt đầu được quan tâm đặc biệt khi kết hợp với vệ tinh Vanguard I năm 1958

3 Nền tảng

Tìm hiểu về pin Mặt trời, thì cần một chút lý thuyết nền tảng về vật lý chất bán dẫn Để đơn giản, miêu tả sau đây chỉ giới hạn hoạt động của một pin năng lượng tinh thể silic

Nguyên tố Silic thuộc nhóm IVA trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học, tức là có 4 electron lớp ngoài cùng Silic nguyên tố không tìm thấy trong tự nhiên mà tồn tại dạng hợp chất phân tử ở thể rắn Cơ bản có 2 loại chất rắn silicon, là đa thù hình (không có trật tự sắp xếp) và tinh thể (các nguyên tử sắp xếp theo thứ tự dãy không gian 3 chiều) Pin năng lượng Mặt trời phổ biến nhất là dạng đa tinh thể silicon

Trang 17

Silic là vật liệu bán dẫn Nghĩa là trong thể rắn của silic, tại một tầng năng lượng nhất định, electron có thể đạt được, và một số tầng năng lượng khác thì không được Đơn giản hiểu là có lúc dẫn điện, có lúc không dẫn điện Lý thuyết này căn cứ theo thuyết cơ học lượng tử

Ở nhiệt độ phòng thí nghiệm (khoảng 28 °C), Silic nguyên chất có tính dẫn điện kém (cơ học lượng tử giải thích mức năng lượng Fermi trong tầng trống)

Trong thực tế, để tạo ra các phân tử silic có tính dẫn điện tốt hơn, chúng được 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 tạo thành một mạng silic (mạng tinh thể) Tuy nhiên các phân tử nhóm III có 3 electron ngoài cùng và nguyên tử nhóm V có 5 electron ngoài cùng, vì thế nên có chỗ trong mạng tinh thể có dư electron còn có chỗ thì thiếu electron Vì thế các electron thừa hay thiếu electron (gọi là 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) Lưu ý rằng cả hai loại n và p có năng lượng trung hòa, tức là chúng có cùng năng lượng dương và

âm, loại bán dẫn n, loại âm có thể di chuyển xung quanh, tương tự ngược lại với loại p

4 Vật liệu và hiệu suất

Đã có nhiều loại vật liệu khác nhau được thử nghiệm chế tạo pin Mặt trời

Có hai tiêu chuẩn đánh giá, là hiệu suất và giá cả

Hiệu suất là tỉ số giữa năng lượng điện từ và năng lượng 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

Có nhiều cách để nói đến giá cả của hệ thống cung cấp điện (chính xác là phát điện), là tính toán cụ thể giá thành sản xuất trên từng kilo Watt giờ điện (kWh) Hiệu năng của pin Mặt trời tạo dòng điện với sự bức xạ của Mặt trời là 1 yếu tố quyết định trong giá thành Nói chung, với toàn hệ thống, là tổ hợp các tấm

Trang 18

pin Mặt trời, thì hiệu suất là rất quan trọng Và để tạo nên ứng dụng thực tế cho pin năng lượng, điện năng tạo nên có thể nối với mạng lưới điện sử dụng dạng chuyển đổi trung gian; trong các phương tiện di chuyển, thường sử dụng hệ thống ắc quy để lưu trữ nguồn năng lượng chưa sử dụng đến Các pin năng lượng thương mại và hệ thống công nghệ cho nó có hiệu suất từ 5% đến 15% Giá của 1 đơn vị điện từ 50 Eurocent/kWh (Trung Âu) giảm xuống tới 25 eurocent/kWh trong vùng có ánh Mặt trời nhiều

Ngày nay thì vật liệu chủ yếu chế tạo pin Mặt trời (và cho các thiết bị bán dẫn) là silic dạng tinh thể Pin Mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại:

 Một tinh thể hay tinh thể đơn (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 silic hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module

 Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc - 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 Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó

 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

Nền tảng chế tạo dựa trên Công nghệ sản suất tấm mỏng, có độ dày

300 μm và xếp lại để tạo nên các module tạo thành các loại pin trên

5 Sự chuyển đổi ánh sáng

Khi một photon chạm vào một mảnh silic, một trong hai điều sau sẽ xảy ra:

1 Photon truyền trực xuyên qua mảnh silic Điều này thường xảy ra khi năng lượng của photon thấp hơn năng lượng đủ để đưa các hạt electron lên mức năng lượng cao hơn

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

Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các hạt electron trong mạng tinh thể Thông thường các electron này lớp ngoài cùng, và thường được kết dính với các nguyên tử lân cận vì thế không thể di chuyển xa

Trang 19

Khi electron được kích thích, trở thành dẫn điện, các electron này có thể tự do di chuyển trong bán dẫn Khi đó nguyên tửsẽ thiếu 1 electron và đó 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

Một photon chỉ cần có năng lượng lớn hơn năng lượng đủ để kích thích electron lớp ngoài cùng dẫn điện Tuy nhiên, tần số của Mặt trời thường tương đương 6000°K, vì thế nên phần lớn năng lượng Mặt trời đều được hấp thụ bởi silic Tuy nhiên hầu hết năng lượng Mặt trời có tác dụng nhiệt nhiều hơn là năng lượng điện sử dụng được

*Phân loại pin năng lượng mặt trời:

Cho tới nay thì vật liệu chủ yếu cho 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 2.1: Vật liệu chủ yếu làm pin mặt trời

* 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 đắttiền

do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module

Trang 20

* Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc-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 Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiềuhơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó

* 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 Các công nghệ trên là sản suất tấm, nói cách khác, các loại trên có độ dày 300 μm tạo thành và xếp lại để tạo nên module

Cấu tạo & hoạt động của Pin Mặt Trời Silic

Vật liệu xuất phát để làm pin Mặt trời silic phải là bán dẫn silic tinh khiết

Ở dạng tinh khiết, còn gọi là bán dẫn ròng số hạt tải (hạt mang điện) là electron

Trang 21

Hình 2.3 : Nguyên lý hoạt động cơ bản của pin mặt trời

Trang 22

Thực tế thì xuất phát từ một phiến bán dẫn tinh khiết tức là chỉ có các nguyên tử Si để tiếp xúc p - n, người ta phải pha thêm vào một ít nguyên tử khác loại, gọi là pha tạp Nguyên tử Si có 4 electron ở vành ngoài, cùng dùng để liên kết với bốn nguyên tử Si gần đó (cấu trúc kiểu như kim cương) Nếu pha tạp vào

Si một ít nguyên tử phôt-pho P có 5 electron ở vành ngoài, electron thừa ra không dùng để liên kết nên dễ chuyển động hơn làm cho bán dẫn pha tạp trở thành có tính dẫn điện electron, tức là bán dẫn loại n (negatif - âm) Ngược lại nếu pha tạp vào Si một ít nguyên tử bo B có 3 electron ở vành ngoài, tức là thiếu một electron mới đủ tạo thành 4 mối liên kết nên có thể nói là tạo thành lỗ trống Vì là thiếu electron nên lỗ trống mạng điện dương, bán dẫn pha tạp trở thành có tính dẫn điện lỗ trống, tức là bán dẫn loại p (positif -dương) Vậy trên cơ sở bán dẫn tinh khiết có thể pha tạp để trở thành có lớp là bán dẫn loại n, có lớp bán dẫn loại p, lớp tiếp giáp giữa hai loại chính là lớp chuyển tiếp p - n Ở chỗ tiếp xúc p - n này một ít electron ở bán dẫn loại n chạy sang bán dẫn loại p lấp vào lỗ trống thiếu electron, ở đó Kết quả là ở lớp tiếp xúc p-n có một vùng thiếu electron cũng thiếu

cả lỗ trống, người ta gọi đó là vùng nghèo Sự dịch chuyển điện tử để lấp vào lỗ trống tạo ra vùng nghèo này cũng tạo nên hiệu thế gọi là hiệu thế ở tiếp xúc p - n, đối với Si vào cỡ 0,6V đến 0,7V Đây là hiệu thế sinh ra ở chỗ tiếp xúc không tạo

để liên kết) lên miền dẫn ở mức cao hơn, có thể chuyển động tự do Càng có nhiều photon chiếu đến càng có nhiều cơ hội để electron nhảy lên miền dẫn

Nếu ở bên ngoài ta dùng một dây dẫn nối bán dẫn loại n với bán dẫn loại p (qua một phụ tải như lèn LED chẳng hạn) thì electron từ miền dẫn của bán dẫn loại n sẽ qua mạch ngoài chuyển đến bán dẫn loại p lấp vào các lỗ trống Đó là dòng điện pin Mặt trời silic sinh ra khi được chiếu sáng Dùng bán dẫn silic tạo

ra tiếp xúc p - n để từ đó làm pin Mặt trời là một tiến bộ lớn trên con đường

Trang 23

trựctiếp biến ánh sáng Mặt trời thành dòng điện để sử dụng Tuy nhiên pin Mặt trời silic có một số hạn chế về kinh tế, kỹ thuật

- Vật liệu xuất phát là silic tinh khiết nên rất đắt Ban đầu là làm từ silic đơn tinh thể dùng trong công nghệ vi điện tử, tuy chỉ là dùng đầu thừa đuôi thẹo nhưng giá vẫn là khá cao Đã có những cách dùng silic đa tinh thể, silic vô định hình tuy hiệu suất thấp hơn nhưng bù lại giá rẻ hơn Nhưng xét cho cùng thì vật liệu silic sử dụng phải là tinh khiết nên giá thành rẻ hơn không nhiều

- Đối với silic, để đưa electron từ miền hoá trị lên miền dẫn phải tốn năng lượng cỡ 1,1 eV Vậy năng lượng của photon đến phải bằng hoặc cao hơn 1,1eV một chút là đủ để kích thích eletron nhảy lên miền dẫn, từ đó tham gia tạo thành dòng điện của pin Mặt trời Photon ứng với năng lượng 1,1 eV có bước sóng cỡ 1

m tức là hồng ngoại Vậy photon có các bước sóng lục, lam, tử ngoại là có năng lượng quá thừa thãi để kích thích điện tử của Si nhảy lên miền dẫn Do đó pin Mặt trời Si sử dụng lãng phí năng lượng Mặt trời để biến ra điện

Một số loại Pin Mặt Trời khác:

1 Pin Mặt trời nhạy cảm chất màu DSC (Dye - sensitized solar cell)

DSC là một loại pin Mặt trời mới, giá rẻ, dễ làm Loại pin này do Michael Gratzel ở trường Báchkhoa Lausane (Thuỵ Sĩ) chế tạo lần đầu vào năm 1991 nên còn có tên là pin Gratzel

Hình 2.4: Pin mặt trời nhạy cảm chất màu DSC

Trang 24

Cấu tạo nguyên thuỷ của pin DSC gồm ba phần chính Trên cùng là một lớp mỏng chất dẫn điện trong suốt, đóng vai trò anôt làm bằng oxit thiếc pha tạp fluo (SnO2: F) Lớp này phủ lên tấm thuỷ tinh trong suốt Tiếp đó là một lớp có diện tích bề mặt rất lớn Lớp dẫn điện SnO2: F và lớp hạt bột oxit titan TiO2 được nhúng vào hỗn hợp chất màu nhạy quang ruthenium -polypyridin và dung môi Sau khi nhúng, một lớp mỏng chất màu nhạy quang bám dính vào các hạt TiO2 bằng liên kết cộng hoá trị Tiếp đó mặt sau được tráng bằng một lớp mỏng chất điện ly iôt và đậy kín bằng tấm điện cực kim loại, thường là platin Toàn bộ được dán kín sao cho dung dịch không bị rò chảy ra

Hình 2.5: Hoạt động của pin DSC

Trang 25

Pin DSC hoạt động như sau: ánh sáng Mặt trời qua tấm kính, qua lớp điện cực trong suốt SnO2:F chiếu vào chất màu nhạy quang dính trên bề mặt các hạt TiO2 Photon kích thích các phân tử chất màu nhạy quang làm cho electron ở đó

bị bứt ra nhảy vào miền dẫn của TiO2 rồi từ đó dễ dàng chuyển động chạy về điện cực trong suốt ở phía trên Khi bị mất electron để nhận thêm cho phân tử không bị phân huỷ Phân tử chất màu nhạy quang bèn lấy electron của iôt ở dung dịch điện phân, biến anion iôt một I- thành anion iôt ba I3- Các anion iôt này khitiếp xúc với điện cực kim loại sẽ lấy lại electron từ điện cực trong suốt qua mạch ngoài chạy về điện cực kim loại Như vậy đã thực hiện cơ chế photon kích thích làm cho electron nhảy lên, đến điện cực trong suốt rồi qua mạch ngoài chạy

về điện cực kim loại tạo ra dòng điện

Vì nhiều lí do, hiệu suất của loại pin này chỉ vào cỡ 11% thấp hơn hiệu suất của pin Mặt trời silic (12 - 15%) Tuy nhiên ưu điểm rõ rệt của loại pin này là:

- Vật liệu chế tạo rẻ, dễ kiếm Đặc biệt TiO2 là chất bột trắng hay dùng để làm sơn trắng rất phổ biến

- Kỹ thuật chế tạo đơn giản, không phải cần máy móc cao cấp đắt tiền như

ở trường hợp pin Mặt trời silic Thậm chí có thể làm pin mặt trời kiểu này theo cách thủ công

- Dễ dàng cải tiến nhiều khâu kỹ thuật, nhất là ứng dụng công nghệ nano để làm bột TiO2 có diện tích mặt ngoài cực lớn Nhược điểm của loại pin này là có chứa chất lỏng phải có các biện pháp chống rò rỉ khi dùng lâu (Loại pin này tuổi thọ là 10 năm, bằng một nửa tuổi thọ của pin Mặt trời silic)

Hiện nay đã có nhiều cải tiến đối với chất màu nhạy quang làm cho ánh sáng thuộc nhiều bước sóng trong phổ ánh sáng Mặt trời đều dễ dàng bị hấp thụ

để kích thích làm thoát điện tử tạo ra dòng điện Nhờ đó, khác với pin Mặt trời silic, loại pin Mặt trời mới này vẫn hoạt động tốt khi nắng yếu, đặc biệt là hoạt động với ánh sáng trong nhà

2 Pin mặt trời dạng keo nước (Lá nhân tạo)

Trang 26

Hình 2.6: Pin mặt trời dạng keo nước ( lá nhân tạo )

Pin mặt trời dạng keo nước còn được gọi là Lá nhân tạo Đây là loại Pin mặt trời có thể uốn cong, có thành phần là keo nước chứa các phân tử nhạy sáng kết hợp với các điện cực phủ chất liệu cacbon, ví dụ như ống nano cacbon hoặc than chì Các phân tử nhạy sáng trở nên “kích động” khi ánh sáng mặt trời chiếu vào và sản sinh ra điện năng; cơ chế này tương tự như cơ chế kích thích tổng hợp đường để sinh trưởng của phân tử thực vật

Hiện tại, việc ứng dụng loại pin này vẫn chưa được công bố do hiệu suất hoạt động của pin vẫn còn thấp

III Hệ thống điều khiển nâng cao hiệu suất pin mặt trời

Thiết bị ứng dụng năng lượng mặt trời cung cấp năng lượng nhiệt và điện phát triển mạnh mẽ trên thế giới trong nhiều năm gần đây Để năng cao hiệu suất thiết bị đã có nhiều nghiên cứu, nhiều sản phẩm cơ cấu định hướng theo vị trí mặt trời lắp cho tấm thu bức xạ mặt trời Cơ cấu định hướng theo vị trí mặt trời được

sử dụng để đưa mặt thu các thiết bị luôn hướng về phía mặt trời nhằm thu nhiều

năng lượng nhất

Trang 27

Các hệ thống có bộ định hướng có thể đạt công suất gần như tối đa suốt thời gian hoạt động vào những ngày nắng, quang mây trong khi hệ thống có mặt thu cố định chỉ đạt công suất tối đa trong một vài giờ trong giữa ngày Hệ thống pin mặt trời có bộ định hướng theo vị trí mặt trời sẽ nhận được nhiều năng lượng hơn so với hệ thống có mặt thu cố định vào các giờ buổi sáng và buổi chiều Điều

đó chỉ ra rằng các dàn pin có bộ định hướng sẽ cần công suất đặt nhỏ hơn so với các dàn pin lắp cố định mà vẫn sản ra cùng mức điện năng

Qua nghiên cứu ta lựa chọn phương pháp định hướng pin mặt trời theo 2 trục: Từ Đông sang Tây và trục từ Bắc Xuống Nam Hệ thống này có thể tăng hiệu suất của pin mặt trời lên 37% so với giữ cố định ở một vị trí Dưới đây là thiết kế của toàn bộ hệ thống:

1 Cơ cấu cơ khí của hệ thống

Pin mặt trời sẽ đạt hiệu suất cao nhất khi tấm pin nằm ở hướng vuông góc với ánh sáng mặt trời Để làm được điều này ta cần một hệ thống điều khiển để cóthể xoay được tấm pin

Hình 2.7: Cơ cấu hệ thống điều hướng pin mặt trời

Như trong hình vẽ trên ta thấy: một hệ thống gồm có 2 động cơ, động cơ thứ nhất sẽ quay tấm pin theo hướng lên xuống, động cơ còn lại quay tấm pin theo hướng trái phải Vậy thì sẽ đáp ứng được điều kiện tấm pin có thể xoay bất cứhướng nào theo mặt trời

Trang 28

Hình 2.8: Cơ cấu hệ thống điều hướng pin mặt trời

2 Hệ thống cảm biến

Để cơ cấu cơ khí có thể hoạt động được thì ta cần một hệ thống cảm biến

để cảm nhận được hướng của ánh sáng mặt trời Cảm biến này sẽ được lắp đặt bên trên tấm pin, khi pin mặt trời xoay thì cảm biến sẽ xoay theo

Cảm biến được sử dụng trong hệ thống là cảm biến quang (Quang trở), được lắp đặt như sau:

Hình 2.9: Vị trị các cảm biến quang

Trang 29

Hình 2.10: Cảm biến điều hướng pin mặt trời

Bốn cảm biến được lắp thành hình vuông và được ngăn cách với nhau bởi các tấm nhựa tối màu để hạn chế tối đa sự phản xạ ánh sáng Tấm đế lắp đặt các cảm biến này sẽ được lắp lên cùng mặt phẳng với tấm pin mặt trời

Ý tưởng hoạt động của các cảm biến như sau: Khi có ánh sáng mặt trời chiếu vào thì điện trở của các cảm biến này sẽ giảm đi Ta sẽ đưa 4 cảm biến này vào 4 mạch phân áp khác nhau

Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý lắp đặt cảm biến

Trang 30

Như trong hình vẽ trên, khi có ánh sáng chiều vào quang trở CDS1 thì điện trở sẽ giảm làm cho điện áp trên đầu ra OUT1 sẽ tăng lên Dựa vào việc so sánh các giá trị này sẽ điều khiển được tấm pin quay đúng hướng mặ trời Quá trình như sau:

- Ta cộng giá trị của cảm biến 1 và 4 rồi chia 2 được giá trị trung bình 1

- Cộng giá trị của cảm biến 2 và 3 rồi chia 2 được giá trị trung bình 2

- So sánh 2 giá trị trung bình này với nhau, cái nào lớn hơn thì điều khiển cho động cơ lên xuống quay về hướng đó

Tương tự như vậy ta có thể điều khiển xoay trái phải

- Ta cộng giá trị của cảm biến 1 và 2 rồi chia 2 được giá trị trung bình 3

- Cộng giá trị của cảm biến 3 và4 rồi chia 2 được giá trị trung bình 4

- So sánh 2 giá trị trung bình này với nhau, cái nào lớn hơn thì điều khiển cho động cơ trái phải quay về hướng đó

3 Mạch điều khiển

Để so sánh được các giá trị trên và điều khiển được các động cơ ta sử dụng

bộ kit arduno để lập trình cho bộ điều khiển

- Giới thiệu sơ lược về arduino:

+ Arduino là một board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương

tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit Những Model hiện tại được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board

mở rộng khác nhau

+ Được giới thiệu vào năm 2005, Những nhà thiết kế của Arduino cố gắng mang đến một phương thức dễ dàng, không tốn kém cho những người yêu thích, sinh viên và giới chuyên nghiệp để tạo ra những thiết bị có khả năng tương tác với môi trường thông qua các cảm biến và các cơ cấu chấp hành Những ví dụ phổ biến cho những người yêu thích mới bắt đầu bao gồm các robot đơn giản, điều khiển nhiệt độ và phát hiện chuyển động Đi cùng với nó là một môi trường phát triển tích hợp (IDE) chạy trên các máy tính cá nhân thông thường và cho phép người dùng viết các chương trình cho Aduino bằng ngôn ngữ C hoặc C++

Trang 31

Hình 2.12: Arduino Uno R3

Với ứng dụng này, vì không cần sử lý quá nhiều nên ta sử dụng Arduino Uno R3 với các thông số kỹ thuật nhƣ sau:

*Bảng 1: Thông số mạch Arduino Uno R3:

Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ đƣợc cấp qua cổng USB)

Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC

Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM)

Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA

Trang 32

Sơ đồ mạch được thiết kế như sau:

Hình 2.13: Sơ đồ nguyên lý mạch điều hướng pin mặt trời

Mạch gồm các khối như sau:

Khối cảm biến

Hình 2.14: Khối cảm biến

Trang 33

4 cảm biến quan sẽ được kết nối với các chân analog từ A0 đến A3 của arduino như trong sơ đồ Các chân analog này sẽ đọc các giá trị từ mạch phân áp của cảm biến

Khối mạch điều khiển động cơ:

Hình 2.15: Khối điều khiển động cơ

Mỗi động cơ sẽ được điều khiển bởi 2 chân của arduino như trong hình trên Trên mỗi mạch điều khiển này sẽ có 2 công tắc hành trình CT1 và CT2, 2 công tắc này sẽ giới hạn điểm dừng của pin mặt trời, tránh trường hợp tấm pin bị quay quá giới hạn dưới hoặc trên sẽ làm hỏng cơ cấu cơ khí hoặc quá tải động cơ

Mạch hoạt động như sau: Khi chân 1 được đưa lên mức cao, chân 2 được đưa xuống mức thấp thì cách ly PC817 U1 sẽ dẫn, U2 ko dẫn Chân B của tranzito Q3 và Q7 sẽ lên mức cao, Q1 và Q5 sẽ được nối mass qua điện trở R2 Lúc này Q3 và Q5 sẽ dẫn, cả 2 công tắc hành trình chưa tác động Động cơ sẽ

Trang 34

quay theo một chiều Arduino sẽ so sánh các cảm biến, nếu đã đúng hướng mặt trời thì sẽ điều khiển cho động cơ dừng lại Trong trường hợp tấm pin quay hết giới hạn mà chưa đúng hướng thì lúc này công tắc hành trình CT1 sẽ được tác động, mở ra, cắt điện vào motor1, động cơ dừng lại Tương tự quá trình với Q1 và Q7 dẫn, động cơ sẽ quay theo hướng ngược lại

Khối nguồn cho arduino:

Trang 35

Hình 2.18: Mạch in mô phỏng 3d

Lắp ráp mạch:

Trang 36

Hình 2.19: Mạch thực tế

Trang 37

5 Mô hình thực nghiệm

Hình 2.20: Mô hình pin năng lượng mặt trời

Trang 38

Hình 2.21: Vị trí các cảm biến quang trên mô hình thực tế

Hình 2.22: Vị trí các moto điều chỉnh hướng quay theo ánh sáng mặt trời

Trang 39

Hình 2.23: Công tắc hành trình đảm bảo góc quay của tấm pin mặt trời

Hình 2.24: Mạch AUNO R3 trên thực tế

Trang 40

CHƯƠNG 3: MÁ PHÁT ĐIỆN NĂNG LƯỢNG GIÓ

I Khái Niệm Tuabin Và Phân Biệt Các Loại Tuabin Gió

1 Khái niệm:

Turbine gió là máy dùng để biến đổi động năng của gió thành cơ năng Máy năng lượng này có thể được dùng trực tiếp như trong trường hợp của cối xay bằng sức gió, hay biến đổi tiếp thành điện năng như trong trường hợp máy phát điện bằng sức gió

Máy phát điện bằng sức gió bao gồm vài thành phần khác nhau Nhưng thành phần quan trọng nhất vẫn là motor điện một chiều; loại dùng nam châm bền và cánh đón lấy gió Còn lại là các bộ phận khác như: đuôi lái gió, trục và cột để dựng máy phát, bộ phận đổi dòng điện để hợp với bình ắc qui và cuối cùng là 1 chiếc máy đổi điện (inverter) để chuyển điện từ ắc quy thành điện xoay chiều thông dụng

Máy phát điện turbine gió thường sử dụng máy phát là loại xoay chiều

có nhiều cặp cực do kết cấu đơn giản và phù hợp đặc điểm tốc độ thấp của turbine gió

Các máy phát điện sử dụng năng lượng gió thường được xây dựng gần nhau và điện năng sản xuất ra được hòa vào mạng điện chung sau đó biến đổi

để có được nguồn điện phù hợp Việc sử dụng ăc quy để lưu giữ nguồn điện phát ra chỉ sử dụng cho máy phát điện đơn lẻ và cung cấp cho hộ tiêu thụ nhỏ (gia đình) Việc lưu điện vào ắc quy và sau đó chuyển đổi lại thường cho hiệu suất thấp hơn và chi phí cao cho bộ lưu điện tuy nhiên có ưu điểm là ổn định đầu ra

Ngoài ra còn có một cách lưu trữ năng lượng gió khác Người ta dùng cánh quạt gió truyền động trực tiếp vào máy nén khí Năng lượng gió sẽ được tích trữ trong hệ thống rất nhiều bình khí nén Khí nén trong bình sau đó sẽ được lần lượt bung ra để xoay động cơ vận hành máy phát điện Quá trình nạp khí và xả khí được luân phiên giữa các bình, bình này đang xả thì các bình khác đang được nạp bởi cánh quạt gió Điện sẽ được ổn định liên tục

Hiện nay có 2 kiểu turbine phổ biến,đó là loại trục ngang và loại trục đứng Trục ngang là loại truyền thống như hình trên, còn trục đứng là loại công nghệ mới, luôn quay ổn định với mọi chiều gió

Định dạng
Số trang	109
Dung lượng	7,43 MB