Xây dựng thuật toán điều khiển bám điểm công suất cực đại trong hệ thống điện mặt trời

1 Trong chương này luận văn tập trung vào các vấn đề chung về điện mặt trời bao gồm: - Nguồn năng lượng mặt trời - Bức xạ mặt trời - Hiệu ứng nhà kính và bộ thu phẳng - Cấu tạo, nguyên l

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

i

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận văn

Đào Thị Vui

ii

LỜI CẢM ƠN Luận văn “Xây dựng thuật toán điều khiển bám điểm công suất cực đại trong hệ thống điện mặt trời” là kết quả của quá trình cố gắng không ngừng của bản thân và

sự giúp đỡ, động viên, khích lệ của các thầy cô và bạn bè đồng nghiệp

Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới thầy TS Phạm Đức Đại đã tận tình hướng dẫn, chia sẻ kinh nghiệm và cung cấp những tài liệu khoa học để tôi hoàn thành được luận văn này

Tôi xin cảm ơn các thầy cô giáo đã giảng dạy, hướng dẫn trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và rèn luyện tại trường Đại học Thủy lợi

Cảm ơn các đồng nghiệp tại trường Cao đẳng nghề Ninh Thuận đã giúp đỡ và đóng góp ý kiến để luận văn được hoàn thành

Xin chân thành cảm ơn!

iii

MỤC LỤC

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU viii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ix

MỞ ĐẦU x

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN MẶT TRỜI 1

1.1 Nguồn năng lượng mặt trời 1

1.2 Bức xạ mặt trời 5

1.2.1 Bức xạ mặt trời đến bên ngoài bầu khí quyển 5

1.2.2 Bức xạ mặt trời đến trên mặt đất 5

1.3 Hiệu ứng nhà kính và bộ thu phẳng 6

1.3.1 Hiệu ứng nhà kính 6

1.3.2 Bộ thu năng lượng mặt trời phẳng 8

1.4 Cấu tạo, nguyên lý, tính chất của pin mặt trời 8

1.4.1 Cấu tạo của pin mặt trời 8

1.4.2 Nguyên lý hoạt động pin năng lượng mặt trời 9

1.5 Nguyên lý tracking và điều khiển 11

1.6 Các thông số năng lượng mặt trời tại Việt Nam 12

1.7 Một số ứng dụng năng lượng mặt trời 15

1.7.1 Phát minh máy bay sử dụng năng lượng mặt trời 15

1.7.2 Điện thoại di động sử dụng năng lượng mặt trời 16

1.7.3 Năng lượng sạch trong sinh hoạt của con người 16

1.7.4 Trạm xe buýt chiếu sáng tự động 17

1.7.5 Những ngôi nhà tí hon ứng dụng công nghệ tích trữ năng lượng mặt trời

17

1.7.6 Siêu ôtô chạy bằng năng lượng mặt trời 18

1.7.7 Ứng dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam 18

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN TỪ NĂNG

LƯỢNG MẶT TRỜI 21

iv

2.1 Mô hình hệ thống PV 21

2.1.1 Sơ đồ tổng quát điều khiển hệ thống 21

2.1.2 Mô hình toán học PV 22

2.1.3 Dòng điện ngắn mạch 24

2.1.4 Điện áp hở mạch 25

2.1.5 Công suất cực đại 26

2.1.6 Hiệu suất của pin mặt trời 27

2.2 Ảnh hưởng của độ bức xạ và nhiệt độ 27

2.2.1 Ảnh hưởng của độ bức xạ 27

2.2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ 27

2.3 Mô hình MATLAB/SIMULINK mô phỏng tấm PV 28

2.3.1 Mô hình chuyển đổi nhiệt độ từ độ C sang độ Kelvin 28

2.3.2 Mô hình ánh sáng tạo ra dòng Iph 29

2.3.3 Mô hình dòng ngược bão hòa của diode 30

2.3.4 Mô hình tính toán dòng bão hòa của mô đun 31

2.3.5 Mô đun tìm NsAkT 32

2.3.6 Mô hình dòng điện đầu ra của PV 33

2.3.7 Mô hình Simulink của mô đun PV 34

2.4 Các phương pháp biến đổi DC/DC 36

2.4.1 Bộ chuyển đổi Buck 36

2.4.2 Bộ chuyển đổi Boost 37

2.4.3 Bộ chuyển đổi Buck - Boost 38

2.4.4 Bộ chuyển đổi Cuk 39

CHƯƠNG 3 GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI (MPPT) .41

3.1 Nhiễu và quan sát P&O 42

3.2 Gia tăng độ dẫn INC 43

3.3 Điều khiển logic mờ 45

CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI MPPT 47

4.1 Nguyên lý MPPT 47 4.2 Xây dựng thuật toán điều khiển bám điểm MPPT bằng phương pháp P&O 51

v

4.3 Mô phỏng và kiểm nghiệm bộ điều khiển bám MPPT bằng

MATLAB/SIMULINK 54

4.3.1 Thực hiện thuật toán trên MATLAB/SIMULINK 54

4.3.2 Kiểm nghiệm thuật toán P&O tìm điểm MPP thông qua mô phỏng 57

4.4 Đánh giá bộ điều khiển bám MPPT 63

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

vi

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Sơ đồ hộp thu NLMT theo nguyên lý hiệu ứng nhà kính 7

Hình 1.2 Cấu tạo của pin mặt trời 9

Hình 1.3 Nguyên lý của pin mặt trời 11

Hình 1.4 Máy bay sử dụng năng lượng mặt trời 15

Hình 1.5 Điện thoại sử dụng năng lượng mặt trời 16

Hình 1.6 Trạm xe buýt sử dụng năng lượng mặt trời 17

Hình 1.7 Trại lều sử dụng năng lượng mặt trời 17

Hình 1.8 Ô tô chạy bằng năng lượng mặt tời 18

Hình 1.9 Pin mặt trời được sử dụng tại Việt Nam 19

Hình 2.1 Sơ đồ tổng quát điều khiển hệ thống 21

Hình 2.2 Sơ đồ tương đương Pin mặt trời 22

Hình 2.3 Mô hình dòng điện ngắn mạch 24

Hình 2.4 Mô hình điện áp hở mạch 25

Hình 2.5 Đồ thị V-A và đồ thị công suất của pin mặt trời 26

Hình 2.6 Hệ thống con 1 28

Hình 2.7 Chuyển đổi nhiệt độ hoạt động từ C sang Kelvin 29

Hình 2.8 Hệ thống con 2 29

Hình 2.9 Từ ánh sáng tạo ra dòng điện của mô đun PV 30

Hình 2.10 Hệ thống con 3 30

Hình 2.11 Mạch điện dòng ngược bão hòa của Diode 31

Hình 2.12 Hệ thống con 4 31

Hình 2.13 Dòng bão hòa của PV 32

Hình 2.14 Hệ thống con 5 32

Hình 2.15 Mạch điện NsAkT 33

Hình 2.16 Hệ thống con 6 33

Hình 2.17 Dòng đầu ra của PV 34

Hình 2.18 Mô hình Simulink của mô đun PV 34

Hình 2.19 Mô hình mô phỏng Simulink 35

Hình 2.20 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ I-V và P-V 36

Hình 2.21 Bộ DC/DC Buck 37

Hình 2.22: Bộ DC/DC Boost 38

Hình 2.23 Bộ chuyển đổi Buck – Boost 39

Hình 2.24 Bộ chuyển đổi Cuk 40

Hình 3.1 Đặc tính làm việc I-V của PV và của tải 41

Hình 3.2 Đường đặc tính P-V với phương pháp P&O 42

Hình 3.3 Đường đặc tính P-V của phương pháp INC 44

vii

Hình 3.4 Đường cong đặc tính dP/dV của dàn Pin điện mặt trời 46

Hình 4.1 Mối quan hệ I-V 48

Hình 4.2 Đặc tính dòng điện – điện áp của PV điển hình 49

Hình 4.3 Đường cong I-V thay đổi độ chiếu xạ thay đổi 50

Hình 4.4 Đặc tính P-V khi nhiệt độ không đổi 50

Hình 4.5 Đặc tính P-V khi độ bức xạ không đổi 51

Hình 4.6 Đặc trưng đường cong công suất 51

Hình 4.7 Lưu đồ thuật toán của phương pháp P&O 52

Hình 4.8 Mối quan hệ giữa công suất và điện áp trong mảng PV 53

Hình 4.9 Minh họa sự thất thường của P & O khi tăng độ chiếu sáng nhanh 54

Hình 4.10 Mô phỏng PV2 trong Simulink 55

Hình 4.11 Sự biên thiên điện áp khi VL = 10V, Gs = 1kW/m2 57

Hình 4.12 Sự biên thiên công suất khi VL = 10V, Gs = 1kW/m2 58

Hình 4.13 Sự biên thiên điện áp khi VL = 20V, Gs = 1kW/m2 58

Hình 4.14 Sự biên thiên công suất khi VL = 20V, Gs = 1kW/m2 59

Hình 4.15 Đặc tính P-V khi Gs = 1kW/m2 59

Hình 4.16 Sự biên thiên điện áp khi VL = 12V, Gs =200 W/m2 60

Hình 4.17 Sự biên thiên công suất khi VL = 12V, Gs = 200 W/m2 61

Hình 4.18 Sự biên thiên điện áp khi VL = 18V, Gs = 200W/m2 61

Hình 4.19 Sự biên thiên công suất khi VL = 18V, Gs = 200W/m2 62

Hình 4.20 Đặc tính P-V khi Gs = 200W/m2 62

viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Giờ tại địa phương ứng với giờ mặt trời là 12 giờ 13Bảng 1.2 Bức xạ mặt trời (W/m2) lên bề mặt Trái đất ứng với giờ mặt trời là 12 giờ 14Bảng 1.3 Bức xạ mặt trời lên dàn pin mặt trời ứng với giờ mặt trời là 12 giờ 14

ix

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

BXMT Bức xạ mặt trời

MPP (Maximum Power Point) Điểm công suất lớn nhất

MPPT (Maximum Power Point Tracking) Dò tìm điểm công suất cực đại

PV (Photovoltaic) Pin quang điện; Pin mặt trời

x

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của Đề tài

Sự tăng trưởng liên tục nhu cầu năng lượng từ khắp nơi trên thế giới kêu gọi xã hội tìm kiếm các nguồn năng lượng thay thế do sự cạn kiệt các nguồn năng lượng thông thường Trong số các nguồn năng lượng thay thế có sẵn, năng lượng pin quang điện (PV-Photovoltaic) là một trong những năng lượng tái tạo hứa hẹn nhất Năng lượng

PV là việc chuyển đổi năng lượng ánh sáng mặt trời thành năng lượng điện Đây là một nguồn năng lượng sạch, bền vững và được coi là nguồn năng lượng tái tạo vô giá, không gây ảnh hưởng đến môi trường Công suất đầu ra của hệ thống năng lượng mặt trời phụ thuộc vào độ bức xạ và nhiệt độ Vấn đề đặt ra là làm thế nào để thu được điện năng với công suất cao nhất là một vấn đề mang tính cấp thiết

2 Mục đích của Đề tài

Với nhiệt độ và độ bức xạ nhất định, cần tính toán điện áp hoặc dòng điện làm việc của PV mà tại đó công suất thu được là lớn nhất Do đặc tính của I-V và P-V là phi tuyến, nên công suất cực đại được tạo ra thay đổi với cả độ bức xạ và nhiệt độ Hơn nữa, hiệu suất của các tấm PV là rất thấp, nên yêu cầu thuật toán điều khiển bám điểm công suất cực đại Thuật toán này tự động điều chỉnh bộ chuyển đổi công suất nhằm thu được công suất đầu ra cực đại dưới sự thay đổi tức thời của cường độ ánh sáng, nhiệt độ và đặc tính của các loại PV Mục đích của đề tài là điều chỉnh điện áp làm việc của tấm PV gần với điện áp ứng với điểm công suất cực đại khi có sự thay đổi của yếu tố môi trường

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là một hệt thống quang điện mặt trời bao gồm nhiều

mô đun trong đó mỗi mô đun bao gồm nhiều tế bào quang điện được kết nối với nhau Phạm vi nghiên cứu là tìm điểm công suất cực đại của hệ thống pin quang điện

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu, mô phỏng bám điểm công suất cực đại của pin quang điện để đảm bảo công suất ngõ ra là lớn nhất

- Chương 1: Tổng quan về điện mặt trời

- Chương 2: Mô hình hệ thống phát điện từ năng lượng mặt trời

- Chương 3: Giới thiệu về phương pháp bám điểm công suất cực đại MPPT

- Chương 4: Xây dựng thuật toán điều khiển bám điểm công suất cực đại

xii

1

Trong chương này luận văn tập trung vào các vấn đề chung về điện mặt trời bao gồm:

- Nguồn năng lượng mặt trời

- Bức xạ mặt trời

- Hiệu ứng nhà kính và bộ thu phẳng

- Cấu tạo, nguyên lý, tính chất của pin mặt trời

- Nguyên lý tracking và điều khiển

- Các thông số năng lượng mặt trời tại Việt Nam

- Một số ứng dụng năng lượng mặt trời

Nội dung cụ thể:

1.1 Nguồn năng lượng mặt trời

Trong thời đại khoa học phát triển, nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng trong khi các nguồn nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ và ngay cả thủy điện cũng có hạn khiến nhân loại đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng trong tương lai không xa Do

đó, vấn đề tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới như năng lượng hạt nhân, năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió và năng lượng mặt trời là một trong những hướng quan trọng trong kế hoạch phát triển năng lượng

Năng lượng mặt trời (Solar Energy) là nguồn năng lượng sạch và tiềm tàng nhất, đang được loài người thật sự quan tâm Do đó việc nghiên cứu và nâng cao hiệu quả các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời và triển khai ứng dụng chúng vào thực tế là vấn

đề mang tính thời sự Các ứng dụng năng lượng mặt trời phổ biến hiện nay bao gồm 2 lĩnh vực chủ yếu:

- Thứ nhất, năng lượng mặt trời được sử dụng ở dạng nhiệt năng, người ta dùng các thiết bị thu bức xạ nhiệt mặt trời và tích trữ nó dưới dạng nhiệt năng dùng vào các mục

2

đích khác nhau như: Nhà máy nhiệt điện, thiết bị sấy khô, bếp nấu, thiết bị chưng cất nước, động cơ Stirling, thiết bị đun nước nóng, thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí…

- Thứ hai, năng lượng mặt trời được biến đổi thành điện năng nhờ các tế bào quang điện bán dẫn, còn gọi là Pin mặt trời (Soalr Cell), các Pin mặt trời sản xuất điện năng một cách liên tục khi có bức xạ mặt trời chiếu tới Pin mặt trời có ưu điểm là gọn nhẹ,

có thể lắp bất kỳ nơi đâu có ánh sáng mặt trời, đặc biệt trong lĩnh vực tàu vũ trụ Ứng dụng năng lượng mặt trời dưới dạng này được phát triển rất nhanh, nhất là ở các nước phát triển Ngày nay con người đã ứng dụng pin mặt trời trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, giao thông (Solar Car) và trong sinh hoạt nhằm thay thế dần nguồn năng lượng truyền thống

* Thế giới sử dụng năng lượng mặt trời:

Khi mà các quốc gia trên thế giới quan tâm đến việc bảo vệ môi trường, ngăn chặn hiệu ứng nhà kính và hiện tượng nóng dần lên của vỏ Trái đất thì các quốc gia bắt đầu nghiên cứu các phương pháp khác nhau để ngăn chặn hiện tượng trên và năng lượng chính là ngành được quan tâm và phát triển Trong đó phải kể đến ngành năng lượng mặt trời, bởi năng lượng mặt trời là khá lớn và không gây ra hiệu ứng nhà kính nên đang được đầu tư và phát triển Do đó, ngành công nghiệp pin mặt trời rất được quan tâm phát triển ở nhiều nước trên thế giới, trong đó có thể kể đến Nhật Bản, Đức, Mỹ, Tây Ban Nha, Hàn Quốc, Trung Quốc là những nước đứng đầu về sản lượng pin (cells) và mô đun (modules)

Pin mặt trời được phát triển trong khá nhiều lĩnh vực: máy tính (thiết bị sạc đa năng sử dụng năng lượng mặt trời có thể dùng để sạc pin cho nhiều loại di động và máy tính khác nhau), đồng hồ (PRW-1500 của Casio…), đồ dùng cá nhân (túi, ba lô có gắn pin mặt trời, điện thoại di động tích hợp bộ sạc pin năng lượng mặt trời…), đồ dùng hàng ngày (LCD cảm ứng tích hợp các tấm pin mặt trời trên bề mặt, thiết bị chiếu sáng sử dụng pin mặt trời…) Pin mặt trời còn được dùng trong một số hệ thống khác ví dụ để chạy ô tô thay thế dần nguồn năng lượng truyền thống, dùng thắp sáng đèn đường, làm nguồn năng lượng cho các vệ tinh hoạt động

3

Trong công nghiệp, người ta cũng bắt đầu lắp đặt các hệ thống điện dùng pin mặt trời với công suất lớn, hiện tại các hệ thống này đang cung cấp 0.5% nhu cầu điện của thế giới và sẽ tăng lên 2.5% vào năm 2025, sau đó tăng vọt lên 16% vào năm 2040

Nhật Bản quốc gia đứng đầu về sản lượng cell và modules pin mặt trời Tính đến năm

2010, Nhật Bản đã sản xuất được 4.82GW điện mặt trời, chiếm 50% thị phần quốc tế Đức, một trong các nước đi tiên phong trong lĩnh vực phát triển nguồn năng lượng sạch, theo đuổi mục tiêu cắt giảm mạnh lượng khí thải CO2 nhằm thực hiện chiến lược bảo vệ khí hậu toàn cầu Kể từ năm 1997, ngành công nghiệp quang điện ở Đức đã giảm 50% chi phí cho các nhà máy điện mặt trời, năm 2006 đã có 2000GW được lắp đặt so với chỉ 76GW trong năm 2001 Dự tính đến năm 2050 có thể cung cấp 15% tổng nhu cầu điện năng của châu Âu

Mỹ, quốc gia đứng thứ ba về sản lượng cells và modules, với tốc độ phát triển cells khá lớn, khoảng 25% mỗi năm Theo dự tính đến năm 2020, điện năng lượng mặt trời

ở Mỹ sẽ đảm bảo 15%

Tây Ban Nha, nước sản xuất năng lượng mặt trời lớn thứ tư thế giới và xuất khẩu 80% điện năng này sang Đức Tây Ban Nha có nhà máy năng lượng mặt trời lớn nhất thế giới, với 1255 chiếc gương phẳng, đạt công suất 20MW Dự tính đến năm 2013 sẽ có nhiều ngọn tháp mặt trời được xây dựng và sẽ tạo ra một “trang trại năng lượng mặt trời” với sản lượng 300MW, đủ điện cung cấp cho 180 nghìn hộ gia đình, hoặc tương đương với toàn bộ dân số quanh vùng Seville

Trung Quốc, quốc gia có sản lượng pin mặt trời hàng đầu thế giới Ở Trung Quốc, có tòa nhà sử dụng năng lượng mặt trời lớn nhất thế giới tọa lạc ở Đức Châu, tỉnh Sơn Đông, Trung Quốc, tòa nhà có tổng diện tích là 75000m2, được dùng cho các buổi triển lãm, khách sạn, họp báo, văn phòng, nghiên cứu khoa học,… Ở Đài Loan (Trung Quốc), sân vận động sử dụng năng lượng mặt trời để sản xuất điện đầu tiên trên thế giới đã ra đời, sân vận động với 8844 tấm pin mặt trời sẽ sản xuất 1.14 triệu kWh điện mỗi năm, đủ để thắp sáng 3300 bóng đèn và hai màn hình tivi khổng lồ trong sân vận động, giảm 660 tấn khí thải CO2 mỗi năm

4

* Tình hình sử dụng pin mặt trời ở Việt Nam:

Đi theo xu hướng phát triển của thế giới thì Việt Nam cũng đã đầu tư và phát triển ngành công nghiệp mặt trời này Đi đầu trong việc phát triển ứng dụng này là ngành bưu chính viễn thông: các trạm pin mặt trời làm nguồn cấp điện cho các thiết bị thu phát sóng, trạm thu phát truyền hình thông qua vệ tinh

Ở ngành hàng hải trạm pin mặt trời sử dụng làm nguồn cấp điện cho các thiết bị chiếu sáng, cột hải đăng, đèn báo sông Trong ngành công nghiệp, các trạm pin mặt trời phát điện sử dụng làm nguồn cấp điện dự phòng cho các thiết bị điều khiển trạm biến áp 500kV, thiết bị máy tính và sử dụng làm nguồn cấp điện nối với điện lưới quốc gia

Ở khu vực phía Nam, các dàn pin mặt trời được đưa vào phục vụ thắp sáng và sinh hoạt văn hóa tại một số vùng nông thôn xa lưới điện: có công suất từ 500÷1000W được lắp đặt ở trung tâm xã, nạp điện vào acquy cho các hộ gia đình sử dụng Các dàn pin mặt trời có công suất từ 250÷500W phục vụ thắp sáng cho các bệnh viện, trạm xá

và các cụm văn hoá xã Pin mặt trời cũng được dùng trong việc thắp sáng đèn đường tại tỉnh Tiền Giang, hệ thống đèn có khả năng tự phát sáng vào ban đêm với thời lượng trung bình 12 giờ, đèn có tuổi thọ đến 50.000 giờ, không cần bảo trì hoặc sửa chữa trong vòng 10 năm

Khu vực miền Trung có bức xạ mặt trời khá tốt và số giờ nắng cao, rất thích hợp cho việc ứng dụng pin mặt trời.Có nhiều dàn pin mặt trời đã được lắp đặt thí điểm ở một số tỉnh như: Gia Lai, Bình Định, Quảng Ngãi và Khánh Hòa, Ninh Thuận, với công suất

40 ÷ 50W ở các hộ gia đình và 200 ÷ 800W ở tại các trung tâm cụm xã và các trạm y

tế

Ở khu vực phía Bắc, việc ứng dụng các dàn pin mặt trời phát triển với tốc độ khá nhanh, phục vụ các hộ gia đình ở các vùng núi cao, hải đảo và cho các trạm biên phòng Công suất của dàn pin tại các hộ gia đình từ 40 ÷ 75W, tại các trạm biên phòng, nơi hải đảo có công suất từ 165 ÷ 300W và tại các trạm xá và các cụm văn hoá thôn, xã là 165 ÷ 525W Một số công trình khác sử dụng pin mặt trời như: trung tâm Hội nghị Quốc gia có hệ thống pin mặt trời công suất 154kW, trạm pin mặt trời nối lưới Viện Năng lượng công suất 1.08kW bao gồm 8 mô đun, trạm pin mặt trời nối lưới

5

lắp đặt trên mái nhà làm việc Bộ Công Thương - Hà Nội có công suất lắp đặt 2.7kW, hai cột đèn năng lượng mặt trời kết hợp năng lượng gió được lắp đặt tại Ban quản lý

dự án Công nghệ cao Hòa Lạc, trị giá 8.000 USD, có thể sử dụng trong 10h mỗi ngày,

có thể thắp sáng 4 ngày liền trong điều kiện không có nắng và gió

1.2 Bức xạ mặt trời

Mặt trời là quả cầu lửa khổng lồ với đường kính trung bình khoảng 1,39 triệu km và ở cách Trái đất khoảng 150 triệu km Nhiệt độ bề mặt của mặt trời vào khoảng 5800K, trong khi đó nhiệt độ ở vùng trung tâm của mặt trời rất lớn, vào khoảng 8.106K đến 40.106K Mặt trời được xem là một lò phản ứng nhiệt hạch hoạt động liên tục

Có 2 loại bức xạ mặt trời (BXMT) là BXMT đến bên ngoài bầu khí quyển và BXMT đến trên mặt đất

1.2.1 Bức xạ mặt trời đến bên ngoài bầu khí quyển

BXMT đến bên ngoài bầu khí quyển có giá trị khá ổn định ứng với một vị trí khảo sát

cụ thể và có phương rất rõ ràng, đó là đường nối từ mặt trời đến vị trí khảo sát Các khảo sát thực tế cho thấy - về mặt giá trị - BXMT đến bên ngoài bầu khí quyển cũng

có những biến đổi nhẹ Có 2 lý do gây ra sự biến đổi này: sự biến đổi lượng bức xạ xuất phát từ mặt trời do các hiện tượng diễn ra trong nội bộ mặt trời và sự biến đổi của khoảng cách từ mặt trời đến Trái đất Đối với các bài toán kỹ thuật, có thể xem cường

độ bức xạ phát ra từ mặt trời là ổn định và BXMT đến bên ngoài bầu khí quyển là BXMT đến trên mặt đất nhưng không tính đến ảnh hưởng của bầu khí quyển

1.2.2 Bức xạ mặt trời đến trên mặt đất

Khi các tia BXMT đi vào bầu khí quyển, do ảnh hưởng của bầu khí quyển và các vật thể li ti có trong bầu khí quyển cho nên các tia BXMT sẽ phải chịu hiện tượng hấp thụ

và phản xạ Về cơ bản, hiện tượng hấp thụ các tia BXMT là do ôzôn và hơi nước, mức

độ hấp thụ khác nhau tùy theo bước sóng Ứng với các tia cực tím có bước sóng nhỏ hơn 0,29m thì khả năng hấp thụ các tia bức xạ của ôzôn rất mạnh, ứng với các tia có bước sóng lớn hơn 0,29m thì khả năng hấp thụ của ôzôn giảm xuống đáng kể, khi bước sóng vượt quá 0,35m thì ôzôn không còn khả năng hấp thụ các tia bức xạ được nữa Trong khi đó, hơi nước có khả năng hấp thụ mạnh các tia hồng ngoại Đặc biệt, ở

6

trong vùng lân cận các bước sóng 1m, 1,4m và 1,8m thì khả năng hấp thụ các tia hồng ngoại của hơi nước rất mạnh Chính hiện tượng hấp thụ làm giảm cường độ của các tia bức xạ và làm cho quang phổ của các tia bức xạ đến mặt đất thu hẹp lại, có thể nói các tia bức xạ có bước sóng lớn hơn 2,3m rất khó đến được bề mặt Trái đất Cùng với hiện tượng hấp thụ, hiện tượng phản xạ làm một bộ phận của tia bức xạ bị đổi phương, do đó phương của thành phần bị phản xạ không rõ ràng Kết quả của các hiện tượng vừa nêu là, càng tiến đến gần bề mặt đất, cường độ của các tia bức xạ tổng càng giảm

BXMT tới mặt đất gồm hai thành phần được gọi là trực xạ và nhiễu xạ:

- Trực xạ là thành phần tia mặt trời đi thẳng từ mặt trời tới điểm quan sát trên mặt đất không bị thay đổi phương truyền Nó phụ thuộc vào vị trí mặt trời và thời tiết

- Nhiễu xạ là các thành phần gồm các tia sáng đến điểm quan sát từ mọi hướng do các tia mặt trời khi qua lớp khí quyển của quả đất bị tán xạ, nhiễu xạ trên các phần tử khí, hơi nước, các hạt bụi…Thành phần nhiễu xạ cũng phụ thuộc vào vị trí mặt trời và thời tiết

Tổng của các thành phần trực xạ và nhiễu xạ gọi là tổng xạ

Các đại lượng trực xạ, nhiễu xạ, tổng xạ được đo trong cả ngày và theo đơn vị MJ/m2.ngày hay KW/m2.ngày

Thông thường ở các trạm khí tượng thủy văn người ta đo trực xạ, nhiễu xạ và tổng xạ trên mặt nằm ngang Trong khi đó các bộ thu năng lượng mặt trời lại có bề mặt đặt nghiêng một góc nào đó nên cần phải có các hiệu chỉnh chuyển đổi từ cường độ bức xạ mặt trời đo được trên mặt nằm ngang sang mặt nghiêng Tuy nhiên, số hiệu chỉnh này không lớn nên chúng ta có thể bỏ qua

1.3 Hiệu ứng nhà kính và bộ thu phẳng

1.3.1 Hiệu ứng nhà kính

Bộ thu phẳng được chế tạo dựa trên nguyên lý “hiệu ứng nhà kính”

7

Nguyên lý hoạt động như sau: Các loại kính xây dựng cho các tia BXMT có bước sóng   0,7m truyền qua một cách dễ dàng, trong khi đó các bức xạ có  > 0,7m thì bị kính phản xạ trở lại

Trước hết ta khảo sát một hộp thu nhiệt mặt trời như hình vẽ Mặt trên hộp được đậy bằng tấm kính (1) Thành xung quanh và đáy hộp có lớp vật liệu cách nhiệt dày (2) Đáy trong của hộp được làm bằng tấm kim loại dẫn nhiệt tốt, mặt trên của nó phủ một lớp sơn đen, hấp thụ nhiệt tốt và được gọi là tấm hấp thụ (3)

Hình 1.1 Sơ đồ hộp thu NLMT theo nguyên lý hiệu ứng nhà kính

Như đã nói ở trên, các tia BXMT có bước sóng   0,7m tới mặt hộp thu, đi qua tấm kính phủ phía trên (1), tới bề mặt tấm hấp thu (3) Tấm này hấp thụ năng lượng BXMT

và chuyển hóa thành nhiệt làm cho tấm hấp thụ nóng lên, khi đó nó trở thành nguồn phát xạ thứ cấp phát ra các tia bức xạ nhiệt có bước sóng   0.7m, hướng về mọi phía Các tia đi lên phía trên bị tấm kính ngăn lại, không ra ngoài được Nhờ vậy hộp thu liên tục nhận BXMT nên tấm hấp thụ được nung nóng dần lên và có thể đạt đến nhiệt độ hàng trăm độ Như vậy năng lượng nhiệt mặt trời bị “giam” trong hộp, giống như một cái bẫy nhiệt - năng lượng vào được nhưng không thể ra được Đó là nguyên

lý “hiệu ứng nhà kính” Nhiệt độ của tấm hấp thụ càng cao , phát xạ nhiệt từ mặt hấp thụ càng lớn, cho đến khi năng lượng mà tấm hấp thụ nhận được từ BXMT cân bằng với năng lượng mất mát cho môi trường xung quanh thì trạng thái cân bằng nhiệt được thiết lập

Bộ thu phẳng có cấu tạo dựa trên nguyên lý hiệu ứng nhà kính như đã mô tả trên, nhưng tùy thuộc vào mục đích sử dụng nhiệt khác nhau phần thu nhiệt có thể có các dạng kết cấu khác nhau

8

1.3.2 Bộ thu năng lượng mặt trời phẳng

Bộ thu năng lượng mặt trời phẳng có dạng mà tấm hấp thu là tấm phẳng

Bộ thu phẳng có hình khối hộp chữ nhật, trên cùng được đậy bằng một hay vài lớp kính trong suốt Cũng có thể thay lớp kính này bằng các tấm trong suốt khác như thủy tinh hữu cơ, polyester Tấm hấp thu là một tấm kim loại dẫn nhiệt tốt, mặt trên có phủ một lớp sơn hấp thụ ánh sáng màu đen Lớp hấp thụ cần có hệ số hấp thụ càng cao càng tốt, ví dụ > 85% thì hiệu suất bộ thu sẽ có thể có giá trị cao Ngoài ra , tấm hấp thụ bằng vật kim loại còn để việc hàn các thành phần khác (ví dụ ống nước bằng kim loại nếu bộ thu dùng để đun nước nóng) được dễ dàng hơn

Thành hộp xung quanh và đáy hộp là một lớp vật liệu cách nhiệt khá dày để giảm hao phí nhiệt từ tấm hấp thụ ra xung quanh Vật liệu cách nhiệt thường dùng là “xốp bọt biển” (polystyrene) màu trắng rất nhẹ được sản xuất dưới dạng hoặc hạt, cũng có thể dùng vật liệu khác như bông thủy tinh, mút, gỗ khô, mùn cưa…Nếu cách nhiệt tốt thì trong những ngày nắng, nhiệt độ tấm hấp thu có thể đạt đến 100  1150C hoặc cao hơn

Tùy theo mục đích sử dụng mà người ta thiết kế bộ thu có thêm các phần phụ khác và tấm hấp thu có hình dạng khác nhau

Hiệu suất của các bộ thu thông thường trong khoảng 35  45%

1.4 Cấu tạo, nguyên lý, tính chất của pin mặt trời

Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện) là thiết bị bán dẫn chứa một lượng lớn các diode p-n, có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng BXMT thành điện năng sử dụng được nhờ vào hiệu ứng quang điện trong

1.4.1 Cấu tạo của pin mặt trời

Pin mặt trời có cấu tạo của một diode bán dẫn với diện tích bề mặt tương đối rộng và một lớp n cực mỏng để ánh sáng có thể truyền qua

9

Hình 1.2 Cấu tạo của pin mặt trời

Pin mặt trời được sản xuất và ứng dụng phổ biến nhất hiện nay là các pin mặt trời được chế tạo từ vật liệu tinh thể bán dẫn Silic có hóa trị 4

Từ tinh thể Silic tinh khiết, để có vật liệu tinh thể bán dẫn Silic loại n, người ta pha tạp chất donor là Photpho có hóa trị 5, P có 5 điện tử ở lớp ngoài cùng do đó khi liên kết trong tinh thể Silic sẽ dư ra 1 điện tử, điện tử này trong điều kiện bị kích thích nhiệt có thể bứt ra khỏi liên kết với hạt nhân P để khuếch tán trong mạng tinh thể Còn để có vật liệu bán dẫn tinh thể loại p, thì tạp chất acceptor được dùng để pha vào Silic là Bo

có hóa trị III, Bo có 3 điện tử ở lớp ngoài cùng do đo tính chất dẫn điện của bán dẫn tinh thể Silic loại p chủ yếu bằng các lỗ trống

Bên cạnh Silic tinh thể, vật liệu Silic vô định hình (a-Si) cũng đã được sử dụng để chế tạo pin mặt trời So với pin mặt trời tinh thể Silic thì pin mặt trời a-Si có giá thành rẻ hơn nhưng hiệu suất thấp hơn

Ngoài vật liệu truyền thống là Silic, người ta còn sử dụng các vật liệu khác như CuCdS, GaAs…để chế tạo pin mặt trời Đặc biệt, các nhà khoa học đã kết hợp các vật liệu có khe vùng khác nhau để tạo ra một vật liệu mới có cấu trúc chuyển tiếp đa tầng (multi-junction) từ đó cải thiện đáng kể hiệu suất của pin

1.4.2 Nguyên lý hoạt động pin năng lượng mặt trời

Pin mặt trời được mô tả là như là một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n Chúng ta tìm hiểu cơ chế điện tử thay đổi khi ta cho 2 loại bán dẫn trên tiếp xúc với nhau Khi đó, các điện

10

tử tự do ở gần mặt tiếp xúc trong bán dẫn loại n sẽ khuếch tán từ bán dẫn loại n sang bán dẫn loại p và lấp các lỗ trống trong phần bán dẫn loại p này Khi các điện tử di chuyển như vậy nó làm cho bán dẫn n mất điện tử và tích điện dương, ngược lại bán dẫn p tích điện âm Như vậy, ở bề mặt tiếp xúc của 2 chất bán dẫn bây giờ tích điện trái ngược và một điện trường hướng từ bán dẫn p sang bán dẫn n xuất hiện ngăn cản dòng điện tử chạy từ bán dẫn n sang p, nó chỉ cho phép dòng điện tử chạy theo 1 chiều duy nhất từ p sang n

Khi bức xạ của ánh sáng mặt trời chạm vào bề mặt của pin năng lượng mặt trời, một phần sẽ bị phản xạ trở lại không gian (và vì vậy trên bề mặt của pin quang điện luôn có một lớp chống phản quang) và một phần bị hấp thụ khi truyền qua lớp n Chỉ có một phần ánh sáng đến được lớp chuyển tiếp, nơi có các cặp electron và lỗ trống nằm trong điện trường của bề mặt giới hạn p-n Với các bước sóng thích hợp, sẽ truyền cho electron một năng lượng đủ lớn để bật khỏi liên kết trở thành các electron tự do, đồng thời dịch chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn

Dưới tác dụng của điện trường tiếp xúc p-n, các electron tự do ở vùng dẫn của bán dẫn loại p bị kéo về phía bán dẫn loại n Nguyên tử bán dẫn loại p bị thiếu điện tử và lập tức được lấp đầy bởi các electron tự do từ bán dẫn loại n Khi có ánh sáng truyền tới, các electron tự do này lại bị kéo về bán dẫn loại n, cứ như vậy tạo thành một vòng luân chuyển các điện tử tự do giữa hai lớp bán dẫn p và n

Kết quả là nếu ta nối hai cực vào 2 phần bán dẫn loại n và p sẽ đo được một hiệu điện thế Giá trị hiệu điện thế này phụ thuộc vào bản chất của chất làm bán dẫn và tạp chất được hấp thụ

11

Hình 1.3 Nguyên lý của pin mặt trời

1.5 Nguyên lý tracking và điều khiển

Solar tracking là thuật ngữ dùng để chỉ những thiết bị mang các trọng tải hướng về phía mặt trời Các trọng tải có thể là tấm pin mặt trời, tấm kính phản xạ, thấu kính hay các dụng cụ quang học khác Hệ Solar tracking được dùng để làm giảm thiểu góc tới giữa tia nắng và pháp tuyến của tấm pin Điều này làm tăng khả năng chuyển đổi quang - điện hơn so với tấm pin đặt cố định

Solar tracking được phân thành nhiều loại Có thể được phân loại theo số trục, phân loại theo cấu trúc, phân loại theo ứng dụng

Có hai phương pháp tracking:

- Phương pháp thuật toán điều khiển cố định (Fixed control algorithm method)

- Phương pháp động (Dynamic method)

Điểm khác biệt của hai phương pháp này là cách xác định vị trí mặt trời Phương pháp điều khiển cố định sử dụng hệ thống các công thức để tính toán vị trí mặt trời theo

12

những khoảng thời gian nhất định Phương pháp này không xác định được vị trí cụ thể của mặt trời tại một thời điểm nhất định, mà chỉ tính toán với các dữ liệu cho sẵn, đó là thời gian, ngày, tháng, năm Còn phương pháp động là một hệ thống thực sự xác định được vị trí mặt trời dựa vào các cảm biến ánh sáng Khi mặt trời chuyển động, dữ liệu

từ các cảm biến thay đổi được xử lý để xác định vị trí mặt trời một cách chính xác

1.6 Các thông số năng lượng mặt trời tại Việt Nam

Việt Nam với lợi thế là một trong những nước nằm trong giải phân bố ánh nắng mặt trời nhiều nhất trong năm trên bản đồ bức xạ mặt trời của thế giới Riêng tại vùng Nam bộ: là vùng gần xích đạo, nắng nhiều quanh năm Tổng bức xạ khoảng 130 đến 150(Kcal/cm2/năm), số giờ nắng trung bình từ 2.200 đến 2.500(giờ/năm) Đây là điều kiện thuận lợi để Việt Nam phát triển ngành năng lượng mặt trời

Đặc biệt, Ninh Thuận là địa phương có cường độ chiếu xạ mặt trời lớn, thời gian chiếu sáng dài và đồng đều nên có điều kiện tiếp nhận hàng năm một lượng bức xạ mặt trời rất lớn: trên 230 kcal/cm2; tháng ít nhất cũng 14 kcal/cm2 Số giờ nắng trung bình cả năm trong khoảng 2.600-2.800 giờ, tổng nhiệt độ trong năm khoảng 10.000 độ C, phân

bố tương đối điều hòa quanh năm Trừ những ngày có mưa rào, có thể nói hơn 90% số ngày trong năm có thể sử dụng được năng lượng mặt trời Số tháng nắng trong năm: 9 tháng/năm, tương đương 200 ngày nắng/năm Vì vậy, Ninh Thuận là một trong những tỉnh có tiềm năng năng lượng mặt trời rất lớn Hiện nay, với nguồn năng lượng hoá thạch, dầu mỏ đang cạn dần đồng thời vấn đề ô nhiễm môi trường do việc đốt nhiên liệu gây ra Các nước có xu hướng tìm nguồn năng lượng sạch để thay thế Cùng với nguồn năng lượng gió, năng lượng mặt trời được sử dụng sẽ đóng vai trò quan trọng trong hệ thống phát điện trong tương lai với những lợi ích: bảo vệ môi trường, giảm khí thải, tạo nhiều cơ hội việc làm mới và tăng cường an ninh năng lượng quốc gia Do vậy, đây là lĩnh vực tiềm năng của Ninh Thuận và hiện có rất nhiều nhà đầu tư quan tâm, đăng ký đầu tư phát triển năng lượng mặt trời

Các kết quả khảo sát:

Các tham số mặt trời được khảo sát tại 4 địa điểm:

 Tại TP.HCM

Đà Nẵng (108 O 12')

Hà Nội (105 O 54')

Đà Nẵng (16O03')

Hà Nội (21O03')

Đà Nẵng (16 O 03')

Hà Nội (21 O 03')

15

So sánh và nhận xét:

Giờ thiên đỉnh (là giờ mặt trời ở đúng đỉnh đầu lúc 12 giờ trưa) trong cùng một ngày tại các địa phương nằm ở các đường kinh tuyến khác nhau là rất khác nhau Giờ thiên đỉnh ở tại một địa phương cũng khác nhau trong các ngày trong năm Địa phương nằm gần kinh tuyến gốc hơn thì có độ lệch thời gian giữa giờ chuẩn và giờ địa phương ít hơn

Cường độ bức xạ mặt trời tại các địa phương trong cùng một ngày có sự sai khác, cường độ bức xạ mặt trời ở một địa phương trong các ngày trong năm cũng có sự sai biệt Thường thì các địa phương nằm gần xích đạo hơn sẽ nhận được lượng ánh sáng mặt trời nhiều hơn

1.7 Một số ứng dụng năng lượng mặt trời

Trong cuộc chạy đua tìm kiếm những nguồn năng lượng mới nhằm thay thế cho nguồn năng lượng đang dần cạn kiệt trên trái đất, giới khoa học đã tìm mọi cách tận dụng nguồn năng lượng vô tận từ vũ trụ Nguồn năng lượng đó đã giúp các nhà khoa học ứng dụng và vận hành thành công nhiều phát minh khoa học độc đáo, đồng thời mở ra những cơ hội khai thác năng lượng mới cho toàn nhân loại

Trong tương lai, đây có thể sẽ là nguồn năng lượng của nhiều thiết bị di động chẳng hạn như: máy tính xách tay, điện thoại di động, camera, ipod hay thậm chí cả người máy Những thiết bị này có thể được đem đi khắp nơi mà người sử dụng không cần phải lo lắng đến việc chúng bị hết pin hay phải tìm cách sạc năng lượng thường xuyên

để duy trì hoạt động, bởi năng lượng mặt trời luôn được tìm thấy ở khắp mọi nơi

1.7.1 Phát minh máy bay sử dụng năng lượng mặt trời

Hình 1.4 Máy bay sử dụng năng lượng mặt trời

16

Máy bay sử dụng năng lượng mặt trời từ lâu đã được một số quốc gia như Anh, Mỹ, Nhật Bản tìm cách phát triển và đã thu được thành công lớn Chiếc máy bay chạy bằng năng lượng mặt trời hiện đại nhất hiện nay của Mỹ là loại máy bay với sải cánh dài 70 m, trọng lượng khoảng 1,6 tấn đã thực hiện thành công nhiều chuyến bay không cần đến bất kỳ một nhiên liệu nào khác

1.7.2 Điện thoại di động sử dụng năng lượng mặt trời

Hình 1.5 Điện thoại sử dụng năng lượng mặt trời

Thành công đầu tiên trong ứng dụng năng lượng mặt trời vào việc cung cấp năng lượng cho điện thoại di động thuộc về nhà cung cấp điện thoại di động Samsung, sau khi hãng này cho ra đời loại điện thoại di động thân thiện với môi trường được chế tạo

từ nhựa tái chế, và đặc biệt là có thể gọi, hoặc nghe liên tục mà không cần sạc pin Thay vào đó, người sử dụng chỉ việc để mặt sau chiếc điện thoại tiếp xúc với ánh sáng mặt trời, và nó sẽ tự nạp năng lượng thông qua pin năng lượng mặt trời Chiếc điện thoại này của Samsung được đánh giá là điểm nhấn của khoa học công nghệ trong thế

kỷ XXI

1.7.3 Năng lượng sạch trong sinh hoạt của con người

Tại một số nơi trên thế giới, năng lượng mặt trời đã bắt đầu được sử dụng để cung cấp điện năng cho các khu dân cư sinh sống Ở Mỹ, Anh và Pháp người ta đã lắp đặt những tấm pin thu năng lượng mặt trời trên những diện tích rộng hàng trăm hécta và

17

chính "những cánh đồng pin" năng lượng mặt trời này đã cung cấp đủ năng lượng cho sinh hoạt của hơn 78.000 hộ gia đình Mô hình này hiện đã phát huy hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu và đang được nhân rộng trên khắp thế giới

1.7.4 Trạm xe buýt chiếu sáng tự động

Hình 1.6 Trạm xe buýt sử dụng năng lượng mặt trời

Ý tưởng này bắt đầu được đưa ra thực hiện tại Florence - Italia Vào ban đêm, những trạm xe buýt này trở thành những công trình chiếu sáng công cộng hết sức thu hút và sang trọng Ngoài ra, trong trạm xe buýt, còn cài đặt thêm hệ thống cho phép người đợi xe kết nối wifi và sử dụng điện thoại truy cập Internet miễn phí trong lúc chờ đợi

1.7.5 Những ngôi nhà tí hon ứng dụng công nghệ tích trữ năng lượng mặt trời

Hình 1.7 Trại lều sử dụng năng lượng mặt trời

Thực chất đó là những chiếc lều phục vụ những người đi picnic với hình dáng giống như quả cam Đây là sản phẩm của Tập đoàn Kaleidoscope - Mỹ, được dùng cho những người yêu thích hoạt động du lịch và cắm trại Khi đó, những chiếc lều với thiết

bị chiếu sáng và thiết bị sưởi ấm sử dụng năng lượng mặt trời này sẽ là nơi để các vị khách du lịch dừng chân nghỉ ngơi Ngoài ra, căn lều còn được trang bị nhiều tiện nghi độc đáo khác

Trong hội trại đêm hè diễn ra nhân dịp Festival âm nhạc được tổ chức tại Mỹ, người chủ sở hữu căn lều này không thể tìm được trại của mình trong đám đông, ông đã tận

18

dụng tính năng vô cùng độc đáo của chiếc lều ứng dụng năng lượng mặt trời, đó là gửi một tin nhắn kích hoạt bằng điện thoại di động đến số điện thoại gắn trong lều để bật

hệ thống đèn chiếu sáng tự động của căn lều Nhờ đó, người chủ này đã dễ dàng tìm ra

vị trí căn lều đặc biệt của mình trước sự ngạc nhiên của những người chứng kiến

1.7.6 Siêu ôtô chạy bằng năng lượng mặt trời

Hình 1.8 Ô tô chạy bằng năng lượng mặt tời

Là sản phẩm của các nhà sản xuất ôtô Thụy Sĩ từng được trưng bày trong triển lãm xe ôtô tại Geneva Chiếc ôtô này được phủ bởi một lớp film quang điện mỏng cho phép hấp thụ năng lượng từ mặt trời và có thể giúp nó vận hành liên tục trong 20 phút Tuy chỉ có thể tích trữ và cung cấp năng lượng trong một thời gian ngắn, song loại xe được đánh giá là thân thiện với môi trường này đang được các nhà khoa học tại nhiều quốc gia trên thế giới nghiên cứu phát triển

1.7.7 Ứng dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam

Vị trí địa lý đã ưu ái cho Việt Nam một nguồn năng lượng tái tạo vô cùng lớn, đặc biệt

là năng lượng mặt trời Trải dài từ vĩ độ 23023’ Bắc đến 8027’ Bắc, Việt Nam nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao Trong đó, nhiều nhất phải

kể đến thành phố Hồ Chí Minh, tiếp đến là các vùng Tây Bắc (Lai Châu, Sơn La, Lào Cai) và vùng Bắc Trung Bộ (Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh)…

19

Hình 1.9 Pin mặt trời được sử dụng tại Việt Nam

Tại Việt Nam, theo các nhà khoa học, nếu phát triển tốt điện mặt trời sẽ góp phần đẩy nhanh Chương trình điện khí hóa nông thôn (Dự kiến đến năm 2020, cung cấp điện cho toàn bộ 100% hộ dân nông thôn, miền núi, hải đảo…)

Từ những năm 1990, khi nhiều thôn xóm ngoại thành chưa có lưới điện quốc gia, Phân viện Vật lý TP Hồ Chí Minh đã triển khai các sản phẩm từ điện mặt trời Tại một số huyện như: Bình Chánh, Cần Giờ, Củ Chi, điện mặt trời được sử dụng khá nhiều trong một số nhà văn hoá, bệnh viện… Đặc biệt, công trình điện mặt trời trên đảo Thiềng Liềng, xã Cán Gáo, huyện Cần Giờ cung cấp điện cho 50% số hộ dân sống trên đảo 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 Gần đây, dự án phát điện ghép giữa pin mặt trời và thuỷ điện nhỏ, công suất 125 kW được lắp đặt tại xã Trang, huyện Mang Yang, tỉnh Gia Lai, và dự án phát điện lai ghép giữa pin mặt trời và động

cơ gió với công suất 9 kW đặt tại làng Kongu 2, huyện Đăk Hà, tỉnh Kon Tum, do Viện Năng lượng (EVN) thực hiện, góp phần cung cấp điện cho khu vực đồng bào dân tộc thiểu số

Ngoài chiếu sáng, năng lượng mặt trời còn có thể ứng dụng trong lĩnh vực nhiệt, đun nấu Từ năm 2000 – 2005, Trung tâm Nghiên cứu thiết bị áp lực và năng lượng mới

20

(Đại học Đà Nẵng), phối hợp với Tổ chức phục vụ năng lượng mặt trời triển khai Dự

án “Bếp năng lượng mặt trời” cho các hộ dân tại làng Bình Kỳ 2, Phường Hòa Quý, Quận Ngũ Hành Sơn (Đà Nẵng) Bên cạnh đó, Trung tâm nghiên cứu năng lượng mới cũng nghiên cứu năng lượng mặt trời để đun nước nóng và đưa loại bình đun nước nóng này vào ứng dụng tại một số tỉnh: Hải Phòng, Quảng Ninh, Nam Định, Thanh Hóa, Sơn La

Kết luận:

Với những nội dung đã trình bày, NLMT bước đầu đã có những ứng dụng nhất định trong đời sống xã hội ngày nay Đây là một năng lượng có sẵn, dồi dào; nhiệm vụ của con người là tìm hiểu để khai thác sao cho đạt hiệu quả nhất Các đặc tính của pin mặt trời sẽ được mô tả cụ thể trong chương 2 của luận văn

21

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN TỪ NĂNG

LƯỢNG MẶT TRỜI

Trong chương này luận văn tập trung vào xây dựng mô hình hệ thống PV và mô phỏng

mô hình bằng MATLAB/SIMULINK Ngoài ra còn trình bày một số phương pháp biến đổi DC/DC

Nôi dung chi tiết bao gồm:

2.1 Mô hình hệ thống PV

2.1.1 Sơ đồ tổng quát điều khiển hệ thống

Năng lượng từ Pin mặt trời hay Pin điện quang (photovoltaic: PV) đưa ra dưới dạng điện thấp và là áp một chiều Như vậy để hòa lưới một hệ thống điện thì cần phải có 2

bộ chuyển đổi:

- Bộ chuyển đổi điện áp DC thấp lên điện áp DC cao (DC/DC)

- Bộ chuyển đổi từ điện áp DC qua điện áp AC (DC/AC)

Hình 2.1 Sơ đồ tổng quát điều khiển hệ thống

Điều khiển MPPT

Điều khiển MPPT

22

MPPT Controller là bộ điều khiển công suất cực đại từ dàn Pin mặt trời Bộ này có tác dụng điều khiển cho năng lượng từ dàn pin mặt trời luôn MAX trong mọi điều kiện không ổn định về thời tiết, khí hậu, thời gian sáng tối, cường độ bức xạ… Tín hiệu đầu

ra của bộ điều khiển MPPT trực tiếp điều khiển đóng mở van của bộ DC – DC Điện

từ dàn pin mặt trời được biến đổi thành dòng xoay chiều có hiệu điện thế và tần số phù hợp nhờ các bộ biến đổi điện (Inverter) và được hòa vào mạng lưới điện công nghiệp

2.1.2 Mô hình toán học PV

Pin điện quang (PV) là công nghệ sản xuất ra điện năng từ các chất bán dẫn dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời Khi ánh sáng chiếu tới các tế bào quang điện, nó sẽ sản sinh ra điện năng Khi không có ánh sáng, các tế bào này ngưng sản xuất điện Quá

trình chuyển đổi này còn được gọi là hiệu ứng quang điện

Pin PV có mạch điện tương đương như một diode mắc song song với một nguồn điện quang sinh Ở cường độ ánh sáng ổn định, pin PV có một trạng thái làm việc nhất định, dòng điện quang sinh không thay đổi theo trạng thái làm việc Do đó, trong mạch điện tương đương có thể xem như là một nguồn dòng ổn định Iph Lớp tiếp xúc bán dẫn P-N có tính chỉnh lưu tương đương như một diode Tuy nhiên, khi phân cực ngược, do điện trở lớp tiếp xúc có giới hạn, nên vẫn có một dòng điện được gọi là dòng rò qua

nó Đặt trưng cho dòng rò qua lớp tiếp xúc P-N người ta đưa vào đại lượng điện trở Shunt Rsh Dòng quang điện chạy trong mạch phải đi qua các lớp bán dẫn P và N, các điện cực, các tiếp xúc,…đặc trưng cho tổng các điện trở của các lớp đó là một điện trở

RS nối tiếp với tải (có thể coi là nội trở của pin mặt trời) Như vậy, mạch điện tương đương của pin PV được thể hiện trên hình vẽ 2.2

Hình 2.2 Sơ đồ tương đương Pin mặt trời

D s

Trong đó: ID là dòng điện qua diode (A);

Is là dòng điện bão hòa của diode (A) (thường lấy Is = 8.10-4A);

q là điện tích của electron (1,602.10 - 19C);

K là hằng số Boltzman (1,381.10-23J /K); (đại lượng chuyển đổi cơ bản giữa nhiệt độ và năng lượng)

T là nhiệt độ hoạt động trong Kelvin;

n là hệ số lý tưởng của Diode;

Ish là dòng điện qua điện trở Shunt (A);

IS là dòng điện qua điện trở Rs (A);

IPV là dòng điện ra của PV (A)

- Theo định luật Kirchhoff về điện thế

Từ các phương trình (2.1), (2.2), (2.3), (2.4) suy ra phương trình đặc tính I-V của một

tế bào quang điện:

(2.3)

(2.4)

24

PV PV S

PV PV S nKT

Do điện trở Rsh là rất lớn, điện trở Rs rất nhỏ vì vậy có thể bỏ qua số hạng cuối trong biểu thức, do đó phương trình mô phỏng trên có dạng [1], [4]

PV PV S

q V I R nKT

oc

I nKT V