TÍNH TOÁN THIẾT KẾ, XÂY DỰNG MÔ HÌNH NHÀ KÍNH THÔNG MINH SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI. LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN THỊ KHÁNH HOÀNG TÍNH TOÁN THIẾT KẾ, XÂY DỰNG MÔ HÌNH NHÀ KÍNH THÔNG MINH SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN THỊ KHÁNH HOÀNG

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ, XÂY DỰNG MÔ HÌNH NHÀ KÍNH THÔNG MINH

SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2017

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN THỊ KHÁNH HOÀNG

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ, XÂY DỰNG MÔ HÌNH NHÀ KÍNH

THÔNG MINH SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số : 60 52 02 02

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: TS LƯU NGỌC AN

Đà Nẵng - Năm 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực và chưa từng được

ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Trần Thị Khánh Hoàng

TRANG TÓM TẮT THÔNG TIN TIẾNG ANH

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ, XÂY DỰNG MÔ HÌNH NHÀ KÍNH THÔNG MINH

SỬ DỤNG HỆ THỐNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI

Học viên: Trần Thị Khánh Hoàng Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số: 60520202 Khóa: K33 tại Nha Trang Trường Đại học Bách khoa-ĐHĐN

Tóm tắt - Hiện nay nhu cầu s dụng n ng lượng của con người ng y c ng t ng

nhất l n ng lượng điện Con người cần n ng lượng điện đ phục vụ cho nhu cầu đời

sống sinh hoạt sản xuất T nh ng nhu cầu đ n giản như chiếu s ng sinh hoạt cho

đến c c d y chuyền sản xuất hiện đại Trong khi đ c c nguồn nhi n liệu truyền

thống đứng trước nguy c thiếu hụt n ng lượng Ngo i ra c c dạng n ng lượng n y

g y ra nhi m m i trường xung quanh v l m t ng hiệu ứng nh k nh N ng lượng

tái tạo trong đ c n ng lượng mặt trời đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi

trong nhiều lĩnh vực đem lại nh ng lợi ích vô cùng to lớn

Xu hướng sản xuất nông nghiệp công nghệ cao và sạch trong nước và thế giới

đang tr n đ ph t tri n mạnh Thiết kế, xây dựng mô hình nhà kính thông minh là giải

ph p t ng cường n ng cao đa dạng hóa các mô hình hệ thống dây chuyền sản xuất

nông nghiệp công nghệ cao và sạch phục vụ quá trình học tập của học sinh – sinh viên

trong c c trường dạy nghề với các môn học PLC c bản PLC n ng cao Điều khi n tự

động và Tự động hóa, Công nghệ sinh học, Kỹ thuật trồng rau hoa công nghệ cao,

Với nh ng lợi ích to lớn, đề tài này nhằm thiết kế, xây dựng mô hình nhà kính

thông minh với hệ thống điều khi n giám sát và thu thập d liệu SCADA cho dây

chuyền sản xuất nông nghiệp công nghệ cao và sạch s dụng n ng lượng mặt trời theo

xu hướng hiện đại hóa phù hợp h n với thực ti n ngày nay

Từ khóa – Nh k nh th ng minh; Hệ thống n ng lượng mặt trời; N ng lượng t i

tạo; Lưu tr trong pin

CALCULATING THE DESIGN AND BUILDING SMART HOUSE MODEL

USING THE SUN ENERGY SYSTEM

Summary - Currently the demand for human energy is increasing electrical

energy People need electric energy to serve the needs of livelihood, production From

the simple needs such as lighting work until the modern production line Meanwhile

the traditional fuel sources stood before the risk of energy shortage Besides this form

of energy pollute the surrounding environment and increase greenhouse Renewable

energy including solar energy is being studied and widely used in many areas that

bring the benefits enormous

Trends in agricultural production and clean tech in the country and the world

is on track to thrive Design, modeling greenhouse intelligent solution to strengthen, enhance and diversify the system model production line agricultural high technology and clean serving the learning process of students - students Teachers of vocational schools with the basic PLC courses, Advanced PLC, Automatic Control and Automation, Biotechnology, Engineering high-tech growing vegetables and flowers, With these great benefits, subject to design, build models of greenhouse intelligent control system monitoring and data acquisition SCADA for production lines of agricultural high technology and clean energy use solar modernization trend more in line

with today's reality

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

TRANG TÓM TẮT THÔNG TIN TIẾNG ANH 2

MỤC LỤC 1

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC CÁC BẢNG 6

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 7

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phư ng ph p nghi n cứu 3

5 Ý nghĩa khoa học và thực ti n của đề tài 3

6 Bố cục đề tài 3

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NHÀ KÍNH THÔNG MINH VÀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 4

1.1 Tổng quan về hệ thống nhà kính thông minh 4

1.1.1 Kết cấu cơ khí – điện – nước của nhà kính 4

1.1.2 Hệ thống điều khiển của nhà kính thông minh 4

1.2 Tổng quan về n ng lượng mặt trời và các ứng dụng của n ng lượng mặt trời 5

1.2.1 Nguồn năng lượng mặt trời 5

1.2.1.1 Bức xạ mặt trời 5

1.2.1.2 Nguồn gốc n ng lượng mặt trời 5

1.2.2 Tổng quan các công nghệ khai thác và sử dụng năng lượng mặt trời 7

1.2.2.1 Qu tr nh ph t tri n v tri n khai ứng dụng n ng lượng mặt trời 7

1.2.2.2 Tình hình ứng dụng n ng lượng mặt trời trên thế giới 8

CHƯƠNG 2 - HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ GIỚI THIỆU TỔNG QUAN MÔ HÌNH NHÀ KÍNH THÔNG MINH KẾT HỢP VỚI HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 13

2.1 Hệ thống pin n ng lượng mặt trời 13

2.1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 13

2.1.1.1 Cấu tạo của pin mặt trời 13

2.1.1.2 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 14

2.1.1.3 Đặc tính làm việc của pin mặt trời 16

2.1.1.4 Dàn pin mặt trời 19

2.1.2 Ắc quy (Hệ thống dự trữ điện năng) 22

2.1.2.1 Cấu tạo của ắc quy 22

2.1.2.2 C c phư ng ph p ph ng v nạp ắc quy 23

2.1.2.3 Các chế độ vận hành ắc quy 23

2.1.3 Hệ thống điều phối điện mặt trời 24

2.1.3.1 Bộ điều khi n sạc 24

2.1.3.2 Bộ nghịch lưu 25

2.1.4 Các mô hình cơ bản của hệ thống pin mặt trời 26

2.1.4.1 Vận h nh độc lập với lưới (Off Grid) 26

2.1.4.2 Vận hành ki u lai (Hybrid) 26

2.1.4.3 Vận hành kết nối với lưới điện (grid tie) 26

2.2 Giới thiệu tổng quan mô hình nhà kính thông minh kết hợp với n ng lượng mặt trời 27

2.2.1 Thiết kế, lắp đặt phần cứng cho mô hình nhà kính 28

2.2.1.1 Khung b n đ mô hình 28

2.2.1.2 Khung mô hình nhà kính thông minh 28

2.2.1.3.Mô hình nhà kính thông minh 29

2.2.2 Mô tả yêu cầu công nghệ 29

2.3 Kết luận 30

CHƯƠNG 3 – TÍNH TOÁN THIẾT KẾ, XÂY DỰNG MÔ HÌNH NHÀ KÍNH THÔNG MINH SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 31

3.1 Tính toán, lựa chọn đặc tính kỹ thuật của thiết bị trong mô hình nhà kính thông minh, khảo sát tiềm n ng điện mặt trời tại Khánh Hòa và xây dựng hệ thống pin mặt trời cấp điện cho mô hình nhà kính 31

3.1.1 Thiết bị trong mô hình nhà kính thông minh: 31

3.1.1.1 Tủ điều khi n 31

3.1.1.2 Các cảm biến v c cấu chấp hành 32

3.1.1.3 Hệ thống n ng lượng mặt trời 36

3.1.2 Tiềm năng điện mặt trời tại Khánh Hòa 37

3.1.3 Xây dựng hệ thống pin mặt trời cấp điện cho mô hình nhà kính 40

3.1.3.1 C sở tính toán các thông số của nhà kính 40

3.1.3.2 Chọn loại pin mặt trời và lựa chọn các thông số cụ th của hệ thống pin n ng lượng mặt trời 42

3.2 Xây dựng thuật toán – Lập trình PLC cho mô hình 45

3.2.1 Xây dựng thuật toán 45

3.2.2 Lập trình PLC 50

3.2.2.1 Quy ước c c địa chỉ vào/ ra và các module của PLC 50

3.2.2.2 Viết chư ng tr nh điều khi n hệ thống 52

3.3 Xây dựng giao diện scada và kết nối với máy tính – điện thoại thông minh 52

3.3.1 Yêu cầu công nghệ 52

3.3.2 Thiết lập thuộc tính cho các đối tượng 52

3.3.3 Kết nối máy tính – điện thoại thông minh 55

3.4 Lập trình phần mềm thu thập – điều khi n và giám sát mô hình nhà kính thông minh s dụng n ng lượng mặt trời tr n m y t nh v điện thoại thông minh (smartphone) 57

3.4.1 Thiết lập cho HMI và PC Access 57

3.4.1.1 Thiết lập các màn hình cho HMI 57

3.4.1.2 Thiết lập PC Access 61

3.4.2 Lập trình cho PLC 61

3.4.3 Lập trình cho WinCC 61

3.4.4 Lập trình cho Smart Phone 61

3.5 Kết luận 61

Chư ng 4 - KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 62

4.1 Các vấn đề đã thực hiện trong luận v n 62

4.2 Hướng mở rộng của đề tài 62

4.3 Kiến nghị 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 PHỤ LỤC

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (BẢN SAO)

BẢN SAO CÁC KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG CHẤM, NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

MES Manufacturing Execution System

DANH MỤC CÁC BẢNG

Số

1.1 C c nước c nh m y điện t pin mặt trời cỡ lớn (c ng suất

1.2 C c số liệu về hệ thống cung cấp nước n ng bằng n ng lượng

3.1 Bảng số liệu về bức xạ mặt trời tại c c tỉnh th nh ở Việt Nam 39

2.5 Ghép nối tiếp hai module pin mặt trời (a v đường đặc trưng

2.6 Ghép song song hai module pin mặt trời (a v đường đặc

Số

3.19

Bảng cường độ bức xạ b nh qu n trong ng y tại c c tỉnh th nh

ở Việt Nam (Nguồn: bản đồ n ng lượng bức xạ mặt trời tại

Việt Nam

38

3.22 S đồ c ng nghệ điều khi n hệ thống t ng - giảm độ ẩm

1

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Thứ nhất: Hiện nay ngành nông nghiệp vẫn là chủ lực trong nền kinh tế nước

ta nhưng vẫn mang tính chất lao động tay chân thuần tuý, chất lượng sản xuất thấp trong khi thực tế đã c nh ng công ty hoặc nông hộ áp dụng công nghệ mới vào hoạt động sản xuất nông nghiệp v đã đạt được hiệu quả kinh tế rõ rệt Tuy nhi n đ đ p ứng về số lượng th chưa đủ Hiện tại chỉ một phần rất bé diện t ch đất nông nghiệp áp dụng công nghệ cao Do đ việc ứng dụng công nghệ cao vào hoạt động sản xuất gặp nhiều kh kh n như:

- Cần một số lượng lớn nh ng thiết kế nhà kính công nghệ cao s dụng n ng lượng tái tạo, hoạt động ổn định

- Hiện tại nh ng nhà kính công nghệ cao nếu có s dụng n ng lượng mặt trời đều được lắp ráp theo công nghệ của nước ngoài V a đắt tiền, lại khó bảo trì s a ch a nhưng c ng nghệ của ta vẫn chưa c được ưu thế nhất định nên việc ứng dụng rộng rãi thật sự gặp kh kh n

- Chưa đủ đội ngũ c ng nh n kỹ thuật đạt tiêu chuẩn điều khi n, giám sát hoạt động sản xuất đ đưa ra p dụng rộng rãi

Thứ hai: Các mô hình do các nhà sản xuất thiết bị dạy học cung cấp thường ít

chú trọng đến yêu cầu sư phạm và giáo viên s dụng c c m h nh thường gặp khó

kh n ban đầu do chưa l m chủ được công nghệ (Kh kh n trong việc tri n khai giảng dạy, bảo trì và s a ch a)

Thứ ba: N ng lượng truyền thống ngày càng cạn kiệt v c c ưu đi m khi tri n khai

xây dựng th nh c ng được Mô hình nhà kính thông minh s dụng n ng lượng mặt trời

- Thuận tiện trong việc thí nghiệm

- Gi th nh đầu tư thấp

- Thuận tiện trong việc tri n khai hàng loạt các thiết bị

- D dàng tháo lắp nên thuận lợi cho việc thay thế nhiều thiết bị trên cùng một

mô hình

- Thuận tiện trong việc bảo trì, và s a ch a

- Có th chứng tỏ được sự ổn định của hệ thống đ t ng độ tin cậy và khả n ng đầu tư của các nông hộ

- Thiết bị ứng dụng giảng dạy được cả ngành Công nghệ sinh học v Điện công nghiệp nằm trong chư ng tr nh giảng dạy của c c trường dạy nghề (các môn Công

2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

- Mục tiêu: Xây dựng Mô hình phục vụ đ o tạo nghề Điện công nghiệp và Công nghệ Sinh học tại c c trường dạy nghề, là giải ph p t ng cường, nâng cao chất lượng giảng dạy của giáo viên, phục vụ quá trình học tập của Học sinh – sinh viên (Công nghệ sinh học, Bảo vệ thực vật, Kỹ thuật rau hoa công nghệ cao PLC c bản, PLC nâng cao) với chi phí thấp nhưng vẫn đ p ứng yêu cầu kỹ thuật, công nghệ v sư phạm

- Nhiệm vụ nghiên cứu:

+ Nghiên cứu, xây dựng, lắp ráp và hoàn thiện mô hình nhà kính thông minh s dụng n ng lượng mặt trời dùng PLC của Siemens nhằm đa dạng hóa các mô hình áp dụng trong việc đ o tạo môn học PLC Điều khi n tự động ng nh điện công nghiệp, sản xuất nông nghiệp công nghệ cao tại c c trường đ o tạo nghề

+ Nghiên cứu tìm hi u mô hình nhà kính thông minh s dụng n ng lượng mặt trời + Nghiên cứu bộ điều khi n PLC của SIMATIC S7 – 200, các màn hình HMI trong hệ SCADA, nghiên cứu phần mềm WinCC, nghiên cứu Hệ thống điều khi n giám sát và thu thập d liệu SCADA

+ Tìm hi u được công nghệ điều khi n tự động và khả n ng p dụng đ phát tri n chất lượng chuyên môn

3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghi n cứu l hệ thống n ng lượng mặt trời cung cấp cho nhà kính thông minh và nghiên cứu thực hiện hệ thống tự động điều khi n và giám sát cho cây trồng trong mô hình nhà kính

- Phạm vi nghi n cứu:

+ Đặc tính làm việc của hệ thống pin n ng lượng mặt trời

+ Các thông số c bản của hệ thống pin n ng lượng mặt trời

+ Hệ SCADA tự động thu thập d liệu điều khi n và giám sát nhà kính

4 Phương pháp nghiên cứu

Đ giải quyết các mục tiêu nêu trên, luận v n đưa ra phư ng ph p nghi n cứu như sau:

- Nghiên cứu lý thuyết: các lý thuyết về n ng lượng mặt trời, cấu tạo, nguyên lý làm việc của hệ thống pin mặt trời Các lý thuyết về PLC, các phần mềm điều khi n (Step7 MicroWin, PC Access, WinCC, ) và hệ thống thu thập d liệu điều khi n và giám sát (SCADA)

- Xây dựng hệ thống pin n ng lượng mặt trời cung cấp cho một mô hình nhà kính thông minh cụ th

- Lập trình cho mô hình nhà kính thông minh thu thập d liệu điều khi n và

gi m s t tr n M y t nh (PC v điện thoại thông minh (Smartphone)

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học: Ứng dụng được công nghệ mới vào sản xuất nông nghiệp công nghệ cao, góp phần phát triền n ng lượng mặt trời, là nguồn n ng lượng tái tạo, sạch v được nh nước khuyến kh ch đầu tư Thiết kế, tính toán, mô phỏng được sự hoạt động của hệ thống pin n ng lượng mặt trời và hoạt động của nhà kính, t đ c c sở

đ nh gi t nh hiệu quả về mặt kinh tế và kỹ thuật của hệ thống trước khi đầu tư x y dựng Tính thực ti n: Góp phần phát tri n mô hình nhà kính s dụng n ng lượng mặt trời, ứng dụng vào thực tế cuộc sống Ứng dụng công nghệ mới vào hoạt động sản xuất nông nghiệp, góp phần nâng cao chất lượng sản xuất và chất lượng chuyên môn của bản thân

6 Bố cục đề tài

Mở đầu

Chư ng 1: Tổng quan về n ng lượng mặt trời và hệ thống nhà kính thông minh Chư ng 2: C c c ng nghệ đi n hình hiện nay s dụng trong nhà kính và hệ thống pin n ng lượng mặt trời

Chư ng 3: T nh to n thiết kế, xây dựng mô hình nhà kính thông minh s dụng

n ng lượng mặt trời

Chư ng 4: Kết luận v kiến nghị

4

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NHÀ KÍNH THÔNG MINH

VÀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

1.1 Tổng quan về hệ thống nhà kính thông minh

Các nhà kính hiện đại thường ứng dụng công nghệ tự động hóa trong việc quản

lý các yếu tố về nhiệt độ độ ẩm nh s ng tưới nhỏ giọt tưới phun sư ng kết hợp dinh dưỡng Nh k nh th ng minh c khả n ng tư cung cấp chất dinh dưỡng cho c y theo chu k thời gian tư động điều khi n c c yếu tố nhiệt độ độ ẩm nh s ng do h thống c trang bị c c cảm biến nhi t đ đ ẩm nh s ng hệ thống tưới nhỏ giọt h thống phun

sư ng quạt v được điều khi n thông qua máy tính cá nhân và Tablet, Smart Phone

1.1.1 Kết cấu cơ khí – điện – nước của nhà kính

Th ng thường khung nh k nh được lắp ráp bằng các vật liệu như sắt, thép và vách nhựa hoặc bạt ni l ng ng n nắng kết hợp với các thiết bị điện nước theo yêu cầu

cụ th Th ng thường thì Kết cấu c kh – điện – nước của nhà kính bao gồm các thành phần c bản sau:

Hình 1.1: Các thành phần cơ bản của nhà kính thông minh 1.1.2 Hệ thống điều khiển của nhà kính thông minh

Hệ thống điều khi n của nh k nh th ng minh th ng thường bao gồm các thiết

bị điện thông minh tích hợp, hoặc s dụng các bộ điều khi n logic có th lập trình được như PLC vi điều khi n đ điều khi n – thu thập d liệu và giám sát

Tùy theo yêu cầu v điều kiện cụ th tại n i lắp đặt mà ta chọn mô hình vận hành của hệ thống điện pin mặt trời thích hợp đ t đ t nh to n v thiết kế hệ thống

5

1.2 Tổng quan về năng lƣợng mặt trời và các ứng dụng của năng lƣợng mặt trời

1.2.1 Nguồn năng lượng mặt trời

1.2.1.1 Bức xạ mặt trời

Mặt trời là quả cầu l a khổng lồ với đường kính trung bình khoảng 1,36 triệu km

và ở c ch Tr i đất khoảng 150 triệu km Theo các số liệu hiện có, nhiệt độ bề mặt của mặt trời vào khoảng 6.000K trong khi đ 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 Do luôn luôn bức xạ n ng lượng v o trong vũ trụ nên khối lượng của mặt trời sẽ giảm dần Điều này dẫn đến kết quả l đến một ng y n o đ mặt trời sẽ thôi không tồn tại n a Tuy nhiên, do khối lượng của mặt trời vô cùng lớn, , nên thời gian đ mặt trời còn tồn tại cũng v cùng lớn Bên cạnh sự biến đổi nhiệt độ rất

đ ng k theo hướng kính, một đi m đặc biệt khác của mặt trời là sự phân bố khối lượng rất kh ng đồng đều Ví dụ, khối lượng riêng ở vị trí gần tâm mặt trời vào khoảng 100g/cm3 trong khi đ khối lượng riêng trung bình của mặt trời chỉ vào khoảng 1,41g/cm3

Các kết quả nghiên cứu cho thấy, khoảng cách t mặt trời đến Tr i đất không hoàn toàn ổn định m dao động trong khoảng ±1,7% xoay quanh giá trị trung b nh đã trình bày ở trên Trong kỹ thuật NLMT người ta rất chú ý đến khái niệm hằng số mặt trời (Solar Constant) Về mặt định nghĩa hằng số mặt trời được hi u l lượng bức xạ mặt trời (BXMT) nhận được trên bề mặt có diện tích 1m2 đặt bên ngoài bầu khí quy n

và thẳng góc với tia tới Tùy theo nguồn tài liệu mà hằng số mặt trời sẽ có một giá trị

cụ th n o đ c c gi trị này có th khác nhau tuy nhiên sự sai biệt không nhiều Trong tài liệu này ta thống nhất lấy giá trị hằng số mặt trời là 1353W/m2

Có 2 loại bức xạ mặt trời: BXMT đến bên ngoài bầu khí quy n v BXMT đến trên mặt đất Trong mục này ta cần phân biệt ý nghĩa của các ký hiệu được dùng đ

bi u di n giá trị của lượng bức xạ khảo s t l G I v H Đ n vị của G l W/m2 đ n vị của I và H là J/m2, trong đ thời gian tư ng ứng với các ký hiệu I và H lần lượt là giờ

và ngày Khái niệm ngày trong kỹ thuật NLMT được hi u là khoảng thời gian t lúc mặt trời mọc cho đến lúc mặt trời lặn

1.2.1.2 Nguồn gốc năng lượng mặt trời

NLMT có vai trò quan trọng đối với sự tồn tại và tồn tại và phát tri n của các yến

tố sự sống tr n tr i đất

Trước hết, NLMT là nguồn n ng lượng khổng lồ c t nh t i sinh NLMT được sinh ra do các phản ứng nhiệt hạt nhân tổng hợp các hạt nh n đồng vị Hydro (H đ tạo ra các hạt nhân Heli (He) liên tục xảy ra trên mặt trời Công suất bức xạ của mặt

6 trời l 3 865.1026W tư ng đư ng với n ng lượng đốt cháy hết 1,32.1016 tấn than đ tiêu chuẩn Nhưng phần NLMT đến bề mặt tr i đất chỉ l 17 57.1016J/s hay tư ng ứng với n ng lượng đốt cháy hết 6.106 tấn than đ

Ngoài khí quy n tr i đất (hay còn gọi l ngo i vũ trụ) mật độ NLMT là 1.353W/m2 Nhưng khi tới mặt đất các tia mặt trời phải đi qua lớp khí quy n tr i đất (chiều dày khoảng 16km) nên bị mất mát khoảng 30% do các hiện tượng hấp thụ, tán

xạ bởi các phân t kh h i nước của lớp khí quy n Vì vậy trên bề mặt tr i đất, mật

độ bức xạ mặt trời chỉ còn khoảng 1.000W/m2 Mặc dù ở c c vĩ độ khác nhau thì NLMT kh c nhau nhưng nh n chung NLMT ph n bố khắp trên bề mặt tr i đất Ở đ u cũng c th khai thác và ứng dụng nguồn n ng lượng này

Bản chất của BXMT l s ng điện t có phổ bước sóng trải t 10-10m đến

1014m trong đ mắt người có th nhận biết được giải s ng c bước sóng t 0 4 đến 0,7m v được gọi là áng sáng nhìn thấy (vùng khả kiến) Vùng bức xạ điện t có bước sóng nhỏ h n 0 4m được gọi là vùng sóng t ngoại Còn vùng c bước sóng lớn

h n 0 7m được gọi là vùng hồng ngoại Do bản chất của s ng điện t nên NLMT là nguồn n ng lượng không có phát thải, không gây ô nhi m m i trường hay được gọi là nguồn n ng lượng sạch

Các thành phần của BXMT trên mặt đất:

Ngo i lớp kh quy n tr i đất bức xạ mặt trời chỉ c một th nh phần Đ l c c tia mặt trời đi thẳng ph t ra t mặt trời Nhưng khi tới mặt đất do c c hiện tượng t n xạ trong lớp kh quy n quả đất bức xạ mặt trời bị biến đổi v gồm 3 th nh phần:

- Th nh phần trực xạ gồm c c tia mặt trời đi thẳng t mặt trời đến mặt đất Nhờ

c c tia trực xạ n y m ta c th nh n thấy mặt trời;

- Th nh phần nhi u hay t n xạ gồm c c tia mặt trời tới mặt đất t mọi phư ng

tr n bầu trời do hiện tường t n xạ của tia mặt trời tr n c c ph n t kh h i nước c c hạt bụi Nhờ c c tia t n xạ n y m chúng ta vẫn c nh s ng ngay cả nh ng ng y

m y mù kh ng th nh n thấy mặt trời ở trong nh dưới b ng c y ;

Tổng hai th nh phần tr n được gọi l tổng xạ của bức xạ mặt trời ở mặt đất C c Trạm Kh tượng thường đo c c th nh phần n y nhiều lần trong một ng y v li n tục trong nhiều n m đ c số liệu đ nh gi tiềm n ng NLMT

T lệ của c c th nh phần trực xạ v t n xạ trong tổng xạ phụ thuộc v o điều kiện

tự nhi n v trạng th i thời tiết của địa đi m v thời đi m quan s t hay đo đạc V dụ ở nước ta trong c c th ng mùa Hè t th ng 5 đến th ng 8 th th nh phần trực xạ chiếm

ưu thế (tr n 50 còn trong mùa Đ ng t th ng 12 đến th ng 2 n m sau th nh phần

t n xạ lại chiếm ưu thế

7

Th nh phần phản xạ t mặt nền ở n i quan s t hay n i đặt bộ thu NLMT n phụ thuộc v o hệ số phản xạ của mặt nền v tổng xạ tới Th nh phần n y chỉ được ph n biệt khi thiết kế t nh to n c c bộ thu NLMT Trong trường hợp chung n l một phần rất nhỏ trong th nh phần bức xạ t n xạ

1.2.2 Tổng quan các công nghệ khai thác và sử dụng năng lượng mặt trời

1.2.2.1 Quá trình phát triển và triển khai ứng dụng năng lượng mặt trời

NLMT trung b nh tr n bề mặt quả đất nằm trong khoảng 150 đến 300W/m2 hay

NLMT c th s dụng dưới dạng nhiệt hay biến đổi th nh điện Điện t mặt trời

l dạng điện n ng được tạo ra khi biến đổi NLMT th nh điện n ng nhờ hiệu ứng quang điện (photovoltaic effect viết tắt PV một c ch trực tiếp hoặc nhờ c c hệ thống nhiệt điện th ng qua hiệu ứng hội tụ tia mặt trời (concentrated solar power CSP một c ch

gi n tiếp C c hệ thống CSP s dụng c c thấu k nh hay c c gư ng hội tụ v hệ thống

d i theo mặt trời (solar tracking systems đ hội tụ một diện t ch lớn c c tia mặt trời

v o một diện t ch nhỏ h n (gọi l đi m hay đường hội tụ Nguồn nhiệt hội tụ n y sau

đ được s dụng đ ph t điện C c hệ thống n y gọi l hệ nhiệt điện mặt trời Còn c c

hệ thống PV biến đổi nh s ng th nh điện n ng khi dùng hiệu ứng quang điện được gọi l hệ thống điện PV

Ứng dụng quan trọng đầu ti n của pin mặt trời l nguồn dự phòng (back-up cho

về tinh nh n tạo Vanguard I v o n m 1958 n đã cho phép truyền t n hiệu về quả đất

h n một n m sau khi nguồn ắc qui điện h a đã bị kiệt Sự hoạt động th nh c ng n y của pin mặt trời tr n vệ tinh đã được lặp lại trong nhiều về tinh kh c của Li n X v

Mỹ V o cuối nh ng n m 1960 PV đã trở th nh nguồn n ng lượng được được s dụng ri ng cho về tinh PV đã c một vai trò rất quan trọng c ng nghệ vệ tinh thư ng mại v n vẫn gi vị tr đ đối với hạ tầng vi n thong ng y nay

Nhờ sự ph t tri n của khoa học c ng nghệ n n hiện nay con người đã biết khai

th c NLMT một c ch hiệu quả v chủ động h n nhờ c c c ng nghệ hiện đại

Nh m y nhiệt điện mặt trời thư ng mại đầu ti n được x y dựng trong nh ng

n m 1980 Nh m y c c ng suất lớn nhất l 354MW x y dựng tại Sa mạc Mojave ở California (Mỹ C c nh m y lớn kh c như nh m y Solnova (150MW v Andasol (100MW cả hai đều ở T y Ban Nha 4

Gi a c c n m 1970 v 1983 c c lắp đặt PV t ng rất nhanh nhưng đầu nh ng

n m 1980 do gi dầu giảm n n l m giảm nhịp độ ph t tri n của PV t 1984 đến 1996

T 1997 sự ph t tri n của PV lại được gia tốc do c c vấn đề kh kh n về cung cấp dầu v kh do sự n ng l n của quả đất v sự cải thiện của c ng nghệ sản xuất PV dẫn đến t nh t nh tế của PV trở n n tốt h n Sản xuất PV t ng trung b nh 40 /n m t n m

2000 v c ng suất lắp đặt đã đạt đến 10 6GW v o cuối n m 2007 v 14 73GW v o

n m 2008 N m 2010 c c nh m y điện PV lớn nhất tr n thế giới l Sania Power plant

ở Canada

1.2.2.2 Tình hình ứng dụng năng lượng mặt trời trên thế giới

Tới nay, rất nhiều quốc gia đã nghi n cứu v đang ứng dụng thành công nguồn NLMT trong nhiều lĩnh vực của đời sống Tại Hoa Kì, các hoạt động quảng bá NLMT

di n ra rất sôi nổi H ng n m c c ti u bang ở miền đ ng đều mở hội nghị về n ng lượng xanh với mục đ ch giới thiệu công nghệ mới về các thiết bị áp dụng NLMT cho các hộ gia đ nh v c sở kinh doanh nhỏ

Ở Pháp, t nh ng n m của thập niên 60 thế kỉ trước, họ đã rất chú trọng tới việc giải quyết thiếu hụt n ng lượng cho quốc gia phát tri n Họ đã th nh c ng trong việc thiết kế và lắp đặt các hệ thống biến NLMT th nh điện n ng cung ứng cho các làng xã

có quy mô 1.000 hộ Nhờ đ một số quốc gia vùng Trung Mỹ đã th a hưởng thành tựu này vì d lắp r p v chi ph tư ng đối rẻ

Đan Mạch được cho là quốc gia s dụng n ng lượng hiệu quả nhất thế giới Ở Đan Mạch ước tính có tới 30% các hộ s dụng tấm thu NLMT Đan Mạch l nước đầu tiên tri n khai c chế buộc c c nh m y điện lớn phải mua điện xanh t c c địa phư ng với giá cao (Feed - in tariff - FIT) Với c chế n y c c địa phư ng h o hứng

9 sản xuất điện xanh M h nh đã được 30 nước áp dụng như: Đức, Tây Ba Nha, Nhật Bản Đức trở th nh nước dẫn đầu thị trường PV thế giới (chiến 45 k t khi điều chỉnh lại hệ thống gi điện (Feed-in tariff như l một phần của Chư ng tr nh H nh động nguồn n ng lượng t i tạo (Renewable Energy Sources Act C ng suất lắp đặt

Bảng 1.1 Các nước có nhà máy điện từ pin mặt trời cỡ lớn

(công suất trên 1MW p )

10

Ở Trung Quốc, sự hưởng ứng mang tính tự phát của người dân trong việc lắp đặt các tấm thu NLMT cũng đang đưa nước n y vượt qua Đức trở thành thị trường tấm thu NLMT lớn nhất thế giới Trung Quốc cũng đã ban h nh luật n ng lượng tái tạo (n m 2005 tạo c sở cho các hoạt động về dạng n ng lượng này trở nên sôi nổi h n Cho tới cuối n m 2005 tổng công suất lắp đặt các hệ thống cung cấp nước nóng bằng NLMT trên toàn thế giới vào khoảng 88GWth trong đ phần lớn được lắp đặt ở Trung Quốc v c c nước thuộc khối EU Đặc biệt trong nh ng n m gần đ y, tốc độ lắp đặt các hệ thống nước nóng NLMT ở c c nước đứng đầu trong bảng 1.4 dưới đ y gia

t ng rất đ ng k (1m2 collector có th được qui đổi thành 0,7kWth)

Bảng 1.2 Các số liệu về hệ thống cung cấp nước nóng bằng năng lượng mặt trời đã

ảng 1.3 Các nhà máy điện mặt trời lớn nhất thế giới trên 50MW)

2009-2010

Đã được x y dựng 2009-2010

2009, pha 2 và 3, 2010

11

T bảng 1.3 có th thấy c c nước thi đua khai th c nguồn n ng lượng vô tận t mặt trời Về mức độ khai thác và s dụng NLMT, Việt Nam chỉ đang xếp hạng xấp xỉ với Lào hoặc ở mức gần bằng với Campuchia

C c nh m y nhiệt điện mặt trời thư ng mại (CSP đã được x y dựng lần đầu

ti n v o nh ng n m 1980 Th p NLMT PS10 11MW ở T y Ban Nha đã ho n th nh

v o cuối n m 2005 l hệ CSP thư ng mại đầu ti n ở Ch u u v một nh m y kh c

c ng suất 300MW được chờ đợi sẽ x y dựng v o n m 2013 cùng tại vị tr đ Ngo i ra

nh m y Ivanpah Solar Power ở Đ ng Nam California gần bi n giới Nevada được chờ đợi c c ng suất 392MW

Công suất lắp đặt pin mặt trời trên toàn thế giới đến n m 2007 là 10.300MWp Đức hiện đang dẫn đầu với 3.862MWp Trong đ WP (watt-peak) là công suất điện một chiều của pin mặt trời được đo đạc trong c c điều kiện tiêu chuẩn (với cường độ sáng: 1000 W/m2, nhiệt độ m i trường: 250C, quang phổ của nguồn sáng th nghiệm phải tư ng tự như quang phổ của BXMT tư ng ứng với hệ số khối lượng không khí là 1,5) (bảng 1.4)

Bảng 1.4 Các nhà máy điện từ pin mặt trời lớn nhất thế giới

12

T gi a c c n m 1990 c c nước dẫn đầu trong lĩnh vực PV đã dịch t Mỹ sang Nhật Bản v Ch u u Trong c c n m 1992 - 1994 Nhật Bản đã t ng nguồn cung cấp kinh ph cho c c hoạt động R D đã x y dựng hướng dẫn về ĐMT nối lưới v đã đưa

v o một chư ng tr nh bù gi cho ĐMT v do đ đã thúc đẩy sự lắp đặt c c hệ thống

PV cho khu d n cư Kết quả l sản xuất tr n thế giới đã t ng 30 trong c c n m cuối của thập k 1990

C c hệ PV cho d n sự (domestic thường được t nh c ng suất theo đ n vị kilowatt-peak kWp (th ng thường nằm trong dải t 1 đến 10kWp Mặc dù tiềm n ng NLMT rất lớn Tuy nhi n đến n m 2008 n mới chỉ cung cấp được dưới 0 02 tổng nhu cầu n ng lượng của nh n loại

Một vấn đề quan trọng với ĐMT l chi ph lắp đặt còn cao mặc dù chi phi đ đã giảm nhiều so với c c thập ni n trước đ y Đặc biệt c c nước đang ph t tri n c th

kh ng c đủ quĩ t i ch nh đ x y dựng c c nh m y PV mặc dù c c ứng dụng qui m nhỏ hiện nay đã c th thay thế c c nguồn kh c trong c c nước đang ph t tri n

13

CHƯƠNG 2 - HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ GIỚI

THIỆU TỔNG QUAN MÔ HÌNH NHÀ KÍNH THÔNG MINH KẾT

HỢP VỚI HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

2.1 Hệ thống pin năng lượng mặt trời

2.1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

2.1.1.1 Cấu tạo của pin mặt trời

a Cấu tạo bằng Silic

Trong bảng tuần hoàn Silic (Si) có số thứ tự 14- 1s22s22p63s23p2 C c điện t của n được sắp xếp vào 3 lớp vỏ, 2 lớp vỏ b n trong được xếp đầy bởi 10 điện t Tuy nhiên lớp ngoài cùng của nó chỉ được lấp đầy 1 n a với 4 điện t 3s23p2 Điều này làm nguyên t Si c xu hướng dùng chung c c điện t của nó với các nguyên t Si khác Trong cấu trúc mạng tinh th nguyên t Si liên kết với 4 nguyên t Si lân cận đ lớp vỏ ngoài cùng c chung 8 điện t (bền v ng)

Đ t ng khả n ng dẫn điện của bán dẫn silicon người ta thường pha tạp chất vào trong đ Trước ti n ta xem xét trường hợp tạp chất là nguyên t phospho (P) với t lệ khoảng một phần triệu P c 5 điện t ở lớp vỏ ngoài cùng nên khi liên kết trong tinh

th Si sẽ dư ra 1 điện t Điện t n y trong điều kiện bị kích thích nhiệt có th bứt khỏi liên kết với hạt nh n P đ khuếch tán trong mạng tinh th

Chất bán dẫn Si pha tạp P được gọi là bán dẫn loại N (Negative) vì có tính chất dẫn điện bằng c c điện t tự do Ngược lại, nếu chúng ta pha tạp tinh th Si bằng các nguyên t Boron (B) chỉ c 3 điện t ở lớp vỏ, chúng ta sẽ có chất bán dẫn loại P (Positive) có tính chất dẫn điện chủ yếu bằng các lỗ trống

Khi ta cho 2 loại bán dẫn trên tiếp xúc với nhau Khi đ c c điện t tự do ở gần mặt tiếp xúc trong bán dẫn loại N sẽ khuyếch tán t bán dẫn loại N -> bán dẫn loại P

và lấp các lỗ trống trong phần bán dẫn loại P này

Liệu c c điện t tự do của bán dẫn N có bị chạy hết sang bán dẫn P hay không? Câu trả lời l kh ng V khi c c điện t di chuy n như vậy nó làm cho bán dẫn N mất điện t v t ch điện dư ng ngược lại bán dẫn P t ch điện âm Ở bề mặt tiếp xúc của 2 chất bán dẫn bây giờ t ch điện tr i ngược và xuất hiện 1 điện trường hướng t bán dẫn

N sang P ng n cản dòng điện t chạy t bán dẫn N sang P Và trong khoảng tạo bởi điện trường này hầu như kh ng c electron hay lỗ trống tự do

Tinh th Si tinh khiết là chất bán dẫn dẫn điện rất kém v c c điện t bị giam gi bởi liên kết mạng kh ng c điện t tự do Chỉ trong điều kiện kích thích quang, hay nhiệt l m c c điện t bị bứt ra khỏi liên kết c c điện t (t ch điện âm) nhảy t vùng hóa trị lên vùng dẫn bỏ lại vùng hóa trị 1 lỗ trống (t ch điện dư ng th khi đ chất bán dẫn mới dẫn điện

14

b Cấu tạo pin Mặt trời

Hiện nay vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời là các silic tinh th Pin mặt trời t tinh th silic chia thành 3 loại:

Một tinh th hay đ n tinh th module sản xuất dựa trên quá trình czoschralski,

đ n tinh th này có hiệu suất tới 16 v thường rất đắt tiền Do được cắt t các thỏi hình ống, các tấm đ n th này có các mặt trống ở góc nối các module

Đa tinh th t các thỏi đúc – đúc t silic nung chảy cẩn thận được làm nguội và làm rắn C c pin n y thường rẻ h n c c đ n tinh th , tuy nhiên hiệu suất kém h n Chúng có th tạo thành các vuông che phủ bề mặt nhiều h n đ n tinh th bù lại cho hiệu suất thấp của nó

Một lớp tiếp xúc bán dẫn p – n có khả n ng biến đổi trực tiếp n ng lượng bức xạ mặt trời th nh điện n ng nhờ hiệu ứng quan điện bên trong gọi là pin mặt trời Pin mặt trời được sản xuất và ứng dụng phổ biến hiện nay là các pin mặt trời được chế tạo t vật liệu tinh th bán dẫn silicon (Si) có hóa trị 4 T tinh th silic tinh khiết đ có vật liệu tinh th bán dẫn Si loại n người ta pha tạp chất donor là photpho có hóa trị 5 Còn

có th có vật liệu bán dẫn tinh th loại p thì tạp chất acceptor được dùng đ pha vào silic là Bo có hóa trị 3 Đối với pin mặt trời t vật liệu tinh th silic khi bức xạ mặt trời chiếu đến thì hiệu điện thế hở mạch gi a 2 cực khoảng 0 55V v dòng điện đoản mạchcủa nó khi bức xạ mặt trời c cường độ 1000W/m2 vào khoảng 25 – 30 mA/cm2

2.1.1.2 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

a Hiện tượng quang điện

Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu ti n n m 1839 bởi nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel Tuy nhiên tới n m 1883 th một pin mặt trời mới tạo thành bởi Charles Fritts, ông phủ lên mặt bán dẫn selen một lớp cực mỏng v ng đ tạo nên mạch nối Thiết bị chỉ có hiệu suất 1 Russell Ohl được xem l người tạo ra pin mặt trời đầu ti n 1946 Sau đ Sven Ason Berglund đã c c c phư ng ph p li n quan đến việc t ng khả n ng cảm nhận ánh sáng của pin

Hình 2.1 Các vùng năng lượng

15

Xét một hệ hai mức n ng lượng điện t E1 < E2 b nh thường điện t chiếm mức

n ng lượng thấp h n E1 Khi nhận bức xạ mặt trời lượng t nh s ng photon c n ng lượng hv (trong đ h l hằng số Planck, v là tần số ánh sáng) bị điện t hấp thụ và chuy n lên mức n ng lượng E2 Ta c phư ng tr nh c n bằng n ng lượng:

Hv= E2–E1(1.1)

Trong các vật th rắn do tư ng t c rất mạnh của mạng tinh th l n điện t vòng ngoài, nên các mức n ng lượng của nó bị tách ra nhiều mức n ng lượng sát nhau và tạo th nh c c vùng n ng lượng (h nh 3.5 Vùng n ng lượng thấp bị c c n ng lượng điện t chiếm đầy khi ở trạng thái cân bằng gọi là vùng hóa trị, mà mặt trên của nó có chức n ng lượng Ev Vùng n ng lượng ở trên tiếp đ ho n to n trống hoặc chỉ chiếm một phần gọi là vùng dẫn, mặt dưới của vùng c n ng lượng Ec Cách ly gi a hai vùng hóa trị và vùng dẫn là một vùng có cấp độ rộng với n ng lượng l Eg trong đ kh ng

có mức n ng lượng cho phép nào của điện t

Hình 2.2 Hệ 2 mức năng lượng

Khi nhận bức xạ mặt trời photon c n ng lượng hv tới hệ thống và bị điện t ởvùng hóa trị thấp hấp thu và nó có th chuy n lên vùng dẫn đ trở th nh điện t tự do e- đ lại ở vùng hóa trị một lỗ trống có th như hạt mang điện dư ng ký hiệu là h+

Lỗ trống này có th duy chuy n và tham gia vào quá trình dẫn điện.Hiệu ứng lượng t của quá trình hấp thụ photon có th miêu tả bằng phư ng tr nh:

16 Eph = hv–Eg (1.4)

Tóm lại khi vật rắn nhận tia bức xạ mặt trời điện t ở vùng hóa trị hấp thụ n ng lượng photon hv và chuy n lên vùng dẫn và tạo ra cặp hạt dẫn điện t - lỗ trống e- - h+, tức l đã tạo ra một hiệu điện thế Hiện tượng đ gọi là hiệu ứng quang điện bên trong

b Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời chính là hiện tượng quang điện xảy ra trên lớp tiếp xúc p-n

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

N ng lượng photon truyền xuyên qua mảnh silic Điều n y thường xuyên xảy ra khi n ng lượng của photon thấp h n n ng lượng đủ đ đưa c c hạt electron lên mức

n ng lượng cao h n

N ng lượng của photon được hấp thụ bởi silic.Điều n y thường xuyên xảy ra khi

n ng lượng của photon lớn h n n ng lượng đủ đ đưa c c hạt electron lên mức n ng lượng cao h n

Khi photon được hấp thụ n ng lượng của n được truyền đến các hạt electron trong mạng tinh th ( th ng thường các electron này ở lớp ngoài cùng) Khi electron được kích thích, trở thành dẫn điện, các lectron này có th tự do di chuy n trong bán dẫn.Khi đ nguy n t sẽ thiếu 1 electron gọi là lỗ trống.Lỗ trống này tạo điều kiện cho các electron của các nguyên t bên cạnh di chuy n đến điều vào chỗ trống v điều này tạo điều kiện cho nguyên t bên cạnh hình thành nên lỗ trống Cứ tiếp tục như vậy electron và lỗ trống di chuy n xuyên suốt mạch bán dẫn và tạo ra dòng điện

Với mạng tinh th silic, giá trị E g = E g - E V tư ng đối thấp (vào 1,1eV),

tư ng đư ng với n ng lượng của tia hồng ngoại (1 7eV Do đ silic c th hấp thu phần lớn ánh sáng mặt trời (t tia hồng ngoại đến tia t ngoại).Tuy nhiên, do nh ng photon c n ng lượng lớn sẽ bị thất thoát phần dư th a ở dạng nhiệt nên phần n ng lượng hấp thụ được chuy n đổi thành nhiệt n ng lớn h n n ng lượng điện (ngoài ra còn phải k đến sự thất thoát gây ra bởi cấu trúc vật liệu, phản xạ bề mặt và sự tinh khiết của silicon Hiệu suất lý thuyết tối đa của pin mặt trời silicon d n tinh th là 31% (với loại pin một lớp silicon)

2.1.1.3 Đặc tính làm việc của pin mặt trời

a Mạch điện tư ng đư ng

Khi được chiếu sáng, nếu ta nối các bán dẫn p và n của một tiếp xúc p-n bằng một dây dẫn, thì pin mặt trời phát ra một dòng quang điện Iph Vì vậy pin mặt trời có

th xem như một nguồn dòng

17 Lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có tính chỉnh lưu tư ng đư ng một diode.Tuy nhiên, khi phân cực ngược do điện trở tiếp xúc có tính giới hạn, nên vẫn có một dòng điện được gọi l dòng rò qua n Đặc trưng cho dòng rò qua lớp tiếp xúc p-n người ta đưa

v o đại lượng điện trở Rsh

Dòng điện chạy trong mạch phải đi qua c c lớp bán dẫn p v n c c điện cực, các lớp tiếp xúc Đặc trưng cho tổng c c điện trở của các lớp đ l một điện trở Rsh nối tiếp trong mạch (có th coi là nội điện trở của pin mặt trời, phụ thuộc v o độ sâu của lớp bán dẫn , sự tinh khiết và điện trở tiếp xúc)

Như vậy, một pin mặt Trời được chiếu s ng c s đồ tư ng đư ng như h nh 2.3 :

Hình 2.3 Đường đặc trưng theo độ chiếu sáng của pin mặt trời

(1.1)

Trong đ :

n : được gọi là th a số lý tưởng phụ thuộc vào các mức độ hoàn thiện công nghệ pin mặt Trời Gần đúng c th lấy n = 1

Rs : điện trở nối tiếp (điện trở trong) của pin mặt Trời (Ω/m2 ; Rsh : điện trở shun (Ω/m2 ;

q : điện tích của điện t (C);

18

Th ng thường điện trở s n Rsh rất lớn vì vậy có th bỏ qua số hạng cuối trong

bi u thức (1.1 Đường đặc trưng s ng V-A của pin mặt trời cho bởi bi u thức có dạng như đường cong trong (h nh 1.5 C ba đi m quan trọng tr n đường đặc trưng n y: Dòng ngắn mạchIsc

Điện p hở mạchVoc

Đi m c ng suất cực đạiPM

b Đi m làm việc cực đại

Xét một đường đặc tính V-A của pin mặt Trời đối với một cường độ bức xạ cho trước và ở nhiệt độ x c định Nếu các cực của pin mặt trời được nối với tải tiêu thụ điện R th đi m cắt nhau của đường đ c t nh V-A của pin mặt Trời và đường đặc trưng của tải trong tọa độ OIV l đi m làm việc của pin mặt Trời Nếu tải tiêu thụ điện của một pin mặt Trời là một tải điện trở Ohm thuần th đường đặc trưng tải là một đường thẳng đi qua gốc tọa độ và c độ nghi ng α đối với trục OV và tgα = 1/R (tr n

h nh 1.9 (theo định luật Ohm ta c I = V/R Trong trường hợp này, công suất pin mặt trời cấp cho tải chỉ phụ thuộc vào giá trị điện trở R

Trong tọa độ OIV, công suất pin mặt Trời cấp cho tải R bằng diện tích hình ch nhật giới hạn bởi ho nh độ v tung độ của đi m làm việc Với các giá trị R khác nhau,

c c đi m làm việc sẽ kh c nhau v do đ tải tiêu thụ cũng kh c nhau Tồn tại một giá trị R=ROPT mà tại đ công suất tải tiêu thụ là cực đại Đi m làm việc ứng với công suất cực đại đi m A tr n h nh 1.9 l đi m tiếp xúc gi a đường đặc tính VA của pin mặt Trời v đường công suất kh ng đổi (đường công suất kh ng đổi IV = const là các đường hypecbol).Giá trị điện trở tải tối ưu ROPT được x c định theo định luật Ohm:

Hình 2.4 Điểm làm việc và điểm công suất cực đại

19

(1.2)

Điều kiện cường độ bức xạ kh ng đổi và nhiệt độ cho trước ta thấy:

- Nếu điện trở tải nhỏ R << ROPT pin mặt trời l m việc trong miền MN l miền

mà cường độ dòng điện gần như kh ng đổi và gần bằng dòng đoản mạchISC

- Nếu điện trở tải R lớn R >> ROPT pin mặt Trời l m việc trong miền PS với hiệu điện thế gần như kh ng đổi và bằng thế hở mạchVOC

Ta thấy rằng pin mặt Trời chỉ làm việc có hiệu quả khi tải tiêu thụ điện có giá trị lân cận ROPT Điều này không phải lúc n o cũng d d ng đạt được bởi v đi m làm việc ngay đối với một máy tiêu thụ điện cũng thay đổi Ngoài ra bức xạ mặt Trời và nhiệt độ của m i trường thay đổi liên tục theo thời gian n n đường đặc tính V-A của pin mặt Trời cũng thay đổi v do đ l m dịch chuy n đi m làm việc ra khỏi đi m làm việc tối ưu

Công suất đỉnh là công suất ra cực đại của pin mặt trời dưới điều kiện cường độ bức xạ và nhiệt độ nhất định Thường được t nh dưới điều kiện th nghiệm chuẩn (STC : Standard Test Condition l cường độ bức xạ 1000W/m2và nhiệt độ 250C Công suất đỉnh thường được đo bằng Wp (Watt peak đ chỉ ra giá công suất đỉnh ở điều kiện phòng thí nghiệm, giá trị này rất kh đạt được dưới điều kiện hoạt động thực tế

2.1.1.4 Dàn pin mặt trời

Dàn pin mặt trời (array PV được ghép nối t các tấm pin mặt trời (module PV),

là thành phần quan trọng nhất của hệ thống pin n ng lượng mặt trời.Chúng có nhiệm

vụ biến đổi n ng lượng hấp thụ t mặt trời th nh điện n ng cung cấp cho phụ tải Tùy theo công suất cần thiết mà kỹ sư thiết kế ghép nối các tấm pin theo các dãy song song hoặc nối tiếp khác nhau

C hai c ch ghép c bản:

- Ghép nối tiếp các tấm mođun lại sẽ cho điện áp ra lớn h n

- Ghép song song các tấm module lại sẽ cho dòng điện ra lớn

Trong thực tế phư ng ph p ghép hỗn hợp được s dụng nhiều h n đ đ p ứng cả yêu cầu về điện p v dòng điện

1 i

IVI

.VP

n

1 i opti opt

iopt

I

(1.6)Trong đ :

I, P, V : l dòng điện, công suất và hiệu điện thế của cả hệ

Ii, Vi, Pi : l dòng điện, công suất, hiệu điện thế của module thứ i trong hệ

Iopi, Vopi, Popi : l dòng điện làm việc tối ưu điện thế làm việc tối ưu c ng suất làm việc tối ưu của các module thứ i trong hệ

b Ghép song song c c module mặt trời:

Ở c ch ghép n y ta cũng giả s c c module đều giống hệt nhau c đường đặc tính V-A giống hết nhau, các thông số dòng đoản mạch Isc thế hở mạch Voc bằng nhau Giả s cường độ chiếu sáng trên các tấm l đồng đều nhau

1 i

VII

.VP

n

1 i opti opt

n

1 i opti opt

iopt

V

(1.10)

22 Đường đặc tính VA của hệ cũng được suy ra bằng cách cộng các giá trị dòng điện I ứng với các giá trị điện thế V kh ng đổi.Trong trường hợp n y c c pin cũng làm việc như c c m y ph t

Trên thị trường hiện nay, các tấm pin n ng lượng mặt trời được thiết kế với công suất dao động t 25Wp đến 230Wp.Tùy theo chủng loại, số lượng cells trên mỗi tấm pin thường là 18, 36, 72 hoặc nhiều h n Hiệu suất tiêu chuẩn của các tấm pin n ng lượng mặt trời thư ng mại vào khoảng 15-18%

Hình 2.7 Dàn pin năng lượng mặt trời

Các tấm pin mặt trời được lắp đặt ở ngoài trời có th hứng được ánh sáng mặt trời tốt nhất nên cần thiết kế c c t nh n ng v chất liệu đặt biệt, có th chịu được sự khắc nghiệt của thời tiết, khí hậu và nhiệt độ Ngo i ra chất keo và chất nền phải có tính dẫn nhiệt đ giúp pin tỏa nhiệt tốt, nâng cao hiệu suất chuy n đổi pin

2.1.2 Ắc quy (Hệ thống dự trữ điện năng)

2.1.2.1 Cấu tạo của ắc quy

Gồm có các bản cực bằng chì và ô xít chì ngâm trong dung dịch axít sulfuric Các bản cực thường có cấu trúc phẳng, dẹp, dạng khung lưới, làm bằng hợp kim chì antimon, có nhồi các hạt hóa chất tích cực Các hóa chất n y khi được nạp đầy là

đi x t ch ở cực dư ng v ch nguy n chất ở cực âm

Các bản cực được nối với nhau bằng nh ng thanh chì ở phía trên, bản cực dư ng nối với bản cực dư ng bản cực âm nối với bản cực âm Chiều dài, chiều ngang, chiều dầy và số lượng các bản cực sẽ x c định dung lượng của bình ắc-quy Th ng thường, các bản cực m được đặt ở b n ngo i do đ số lượng các bản cực âm nhiều h n bản cực dư ng Các bản cực m ngo i cùng thường mỏng h n v chúng s dụng diện tích tiếp xúc t h n

Chất lỏng dùng trong bình ắc quy này là dung dịch axít sunfuaric Nồng độ của dung dịch bi u trưng bằng tỉ trọng đo được, tu thuộc vào loại bình ắc quy, và tình trạng phóng nạp của bình

23 Dung lượng của bình ắc quy thường được tính bằng ampe giờ (AH AH đ n giản chỉ là tích số gi a dòng điện phóng với thời gian ph ng điện Dung lượng này thay đổi tu theo nhiều điều kiện như dòng điện phóng, nhiệt độ chất điện phân, tỉ trọng của dung dịch, và điện thế cuối cùng sau khi phóng

ng ng ph ng khi Điện thế ở mỗi ng n xuống đến 1,75 vôn

Khi phóng với dòng điện nhỏ th kh ng x c định việc kết thúc ph ng theo Điện thế Trong trường hợp này, việc kết thúc ph ng được x c định theo tỉ trọng chất điện phân Việc ph ng được kết thúc khi tỉ trọng giảm đi t 0 03 đến 0,06 g/cm3 so với tỉ trọng ban đầu (Nhưng cũng kh ng được đ Điện thế mỗi ng n giảm xuống thấp h n 1,75 vôn.)

Nạp với dòng điện kh ng đổi

Nạp với dòng điện giảm dần

Nạp với Điện thế kh ng đổi

Nạp thay đổi với Điện thế kh ng đổi

2.1.2.3 Các chế độ vận hành ắc quy

a Chế độ phụ nạp thường xuyên

Đối với các loại bình ắc-quy tĩnh việc vận hành ắc-quy được tiến hành theo chế

độ phụ nạp thường xuyên ắc-quy được đấu vào thanh cái một chiều song song với thiết bị nạp Nhờ vậy, tuổi thọ v độ tin cậy của ắc-quy t ng l n v chi ph bảo dưỡng cũng được giảm xuống

Đ bảo đảm chất lượng ắc-quy trước khi đưa v o chế độ phụ nạp thường xuyên phải phóng nạp tập dượt 4 lần Trong quá trình vận hành ắc-quy ở chế độ phụ nạp

24 thường xuyên, ắc-quy không cần phóng nạp tập dượt cũng như nạp lại Trường hợp sau một thời gian dài làm việc ở chế độ phụ nạp thường xuyên mà thấy chất lượng ắc-quy bị giảm thì phải thực hiện việc phóng nạp đột xuất

Ở chế độ phụ nạp thường xuyên, cần duy tr Điện thế trên mỗi bình ắc-quy là 2,2 +/- 0 05 v n đối với ắc-quy chì-axit và 1,5 +/- 0 05 v n đối với ắc-quy sắt-kền đ bù

tr sự tự phóng và duy trì ắc-quy ở trạng th i lu n được nạp đầy

Dòng điện phụ nạp th ng thường được duy trì bằng 50 100 mA cho mỗi 100

AH dung lượng đối với ắc-quy chì-axit và bằng 40 60 mA cho mỗi 100 AH dung lượng đối với ắc-quy sắt-kền Ở chế độ phụ nạp n y Điện thế trên ắc-quy phải được duy trì tự động trong khoảng +/- 2 %

Việc phóng th dung lượng thực tế của ắc-quy được tiến h nh 1 2 n m 1 lần hoặc khi có nghi ngờ dung lượng ắc-quy kém Dòng điện ph ng được giới hạn ở chế

độ mức 3 đến 10 giờ Đ đ nh gi ch nh x c dung lượng phóng của ắc-quy, nên tiến hành ở cùng 1 chế độ ph ng như nhau trong nhiều lần phóng

Dung lượng quy đổi được tính theo công thức: C20 = Ct / 1 + ( 0,008 ( t - 20 ) ) Với C20 : dung lượng ở 200C Ct : dung lượng ở t0C

b Chế độ phóng nạp xen kẽ

Ắc-quy làm việc ở chế độ nạp phóng là ắc-quy thường xuyên phóng vào 1 phụ tải

n o đ sau khi đã ngưng nạp Sau khi đã ph ng đến 1 giá trị n o đ th phải nạp trở lại Trường hợp s dụng ắc-quy không nhiều thì mỗi tháng phải tiến hành phụ nạp với dòng điện kh ng đổi, = 0,1 x C(10) Việc x c định tiến trình nạp được kết thúc dựa theo c c điều ghi ở chư ng 3 Việc nạp lại nhằm loại tr việc Sun - phát hóa ở các bản cực Việc nạp lại tến hành 3 tháng một lần, hoặc khi ắc-quy bị phóng với một dòng phóng lớn h n dòng ph ng cho phép

2.1.3 Hệ thống điều phối điện mặt trời

Hệ thống điều phối điện n ng trong hệ thống điện pin mặt trời gồm hai bộ phận

c bản là bộ điều khi n sạc và bộ biến đổi điện DC/AC Tùy theo thiết kế của nhà sản xuất mà hai bộ phần này tách rời độc lập với nhau hoặc được tích hợp chung trên một thiết bị

2.1.3.1 Bộ điều khiển sạc

Bộ điều khi n sạc n ng lượng mặt trời là thiết bị thực hiện chức n ng điều tiết sạc cho ắc-quy, bảo vệ cho ắc-quy chống nạp quá tải và xả quá sâu nhằm nâng cao tuổi thọ của bình ắc-quy, và giúp hệ thống pin mặt trời s dụng hiệu quả và lâu dài

25

Bộ điều khi n sạc còn cho biết tình trạng nạp điện của Panel mặt trời vào ắc-quy giúp cho người s dụng ki m so t được các phụ tải Ngoài ra nó còn giúp thực hiện việc bảo vệ nạp qu điện thế (>13,8V) hoặc điện thế thấp (<10,5v)

Nguyên tắc làm việc c bản của bộ điều khi n sạc như sau:

Điều khi n nạp: khi ắc quy đã nạp đầy điện áp trên hai cực ắc quy vượt quá giá trị Vmax (ngưỡng cắt trên – điện áp ắc quy khi dung lượng đạt 100%), bộ điều khi n

sẽ ngắt mạch nạp sau đ khi ắc quy ph ng điện điện áp ắc quy giảm xuống dưới ngưỡng điện p đ ng Vđt th bộ điều khi n sẽ tự động đ ng mạch nạp trở lại.Giá trị Vmax phụ thuộc v o đặc tính của t ng loại ắc quy.Th ng thường chọn Vmax =(1,15 – 1 2 điện p định mức của ắc quy

Điều khi n phóng: khi ắc quy ph ng điện đến giá trị độ s u ph ng điện thích hợp (thường dung lượng ph ng đạt đến 70-80 dung lượng định mức điện áp trên hai cực của ắc quy giảm xuống giá trị Vmin s (ngưỡng cắt dưới) thì bộ điều khi n sẽ tự động ngắt mạch tải.Sau đ khi ắc quy đã được nạp điện áp ắc quy t ng l n tr n ngưỡng điện p đ ng Vđd th bộ điều khi n đ ng mạch tải lại.Th ng thường chọn Vmin =(0,85 – 0,9) lần điện áp của ắc quy

Bộ điều khi n thường tích hợp th m c c đồng hồ giám sát tình trạng nạp điện của panel mặt trời vào ắc quy giúp người s dụng ki m so t được các phụ tải.Ngoài ra, các

bộ điều khi n sạc hiện đại còn có chức n ng lập trình, tự động chọn chế độ nạp thích hợp với tình trạng của ắc quy

2.1.3.2 Bộ nghịch lưu

DC-AC Inverter là thiết bị nghịch lưu chuy n đổi dòng điện một chiều t ắc quy (hoặc tấm pin th nh dòng điện xoay chiều cho tải Tùy theo nhu cầu mà Inverter được thiết kế với các cấp công suất khác nhau

Có nhiều loại Inverter thường được phân biệt qua dạng s ng điện p đầu ra: dạng sóng hình sin chuẩn (true line), giả Since, sóng vuông, sóng bậc thang.Các bộ Inverter giả sine, sóng vuông, hoặc bậc thang chỉ dùng cho các tải không có tính cảm (đèn chiếu sáng, tivi, radio) Với các tải l động c điện, quạt điện tức là nh ng thiết

bị có cuộn cảm thì phải dùng các bộ biến đổi có sóng ra dạng sin chuẩn Các bộ Inverter dùng trong các hệ thống pin mặt trời lớn thường là dạng sin chuẩn (có th s dụng cho nhiều loại tải khác nhau)

Ngoài ra bộ điều khi n sạc và Inverter, trong một số hệ thống điều phối n ng lượng mặt trời còn tích hợp thêm bộ giám sát công suất cực đại (MPP – Max Power Point) nhằm khai thác tối đa c ng suất phát của dàn pin và bộ biến đổi DC-DC dùng

ổn định điện p đầu ra của pin trước khi qua bộ Inverter cung cấp điện cho tải

26

2.1.4 Các mô hình cơ bản của hệ thống pin mặt trời

2.1.4.1 Vận hành độc lập với lưới (Off Grid)

Hệ thống pin mặt trời vận h nh độc lập chỉ dựa v o n ng lượng mặt trời đ phát

ra điện n ng Tùy nhu cầu và mục đ ch s dụng mà có th có hoặc không có ắc quy đ

dự tr n ng lượng Qui mô và thiết kế của hệ thống này phù hợp cho các tải điện một chiều hoặc xoay chiều công suất nhỏ hoặc ứng dụng cho c c vùng kh ng c điện lưới Dạng đ n giản nhất của hệ thống quang điện độc lập là hệ thống liên kết tải trực tiếp, tức l dòng điện một chiều phát ra t module quang điện sẽ được dẫn trực tiếp vào mà không thông qua hệ thống trung gian (như b nh ắc quy Đư ng nhi n l hệ thống này chỉ có tác dụng ban ngày (vào nh ng giờ nắng), cung cấp điện cho các tải nhỏ như hệ thống quạt thông khí, hệ thống b m nước Phần thiết kế quan trọng nhất cho hệ thống trực tiếp l t nh to n điện trở tải sao cho phù hợp với công suất tối đa của hệ thống pin mặt trời Đối với một số loại tải như m y b m nước người ta gắn một dạng biến thi n điện DC-AC điện t , gọi là hệ thống theo dõi công suất tối đa

gi a nguồn và tải có th tận dụng tốt h n c ng suất tối đa của nguồn

2.1.4.2 Vận hành kiểu lai (Hybrid)

Hệ thống cục bộ có th kết hợp với các nguồn kh c (điện gi m y ph t điện diesel như nguồn phát thứ cấp khi đ ta c hệ thống pin mặt trời liên kết hay hệ thống ki u lai (hybrid system Về mặt vận hành, hệ thống liên kết tư ng tự hệ thống độc lập, tuy nhiên khi không có ánh sáng mặt trời thì nguồn điện của hệ vẫn được duy trì nhờ các nguồn thứ cấp

Hệ thống liên kết n y đặc biệt thích hợp cho các vùng có tiềm n ng cả về n ng lượng gi v n ng lượng mặt trời Ban ngày, hệ thống pin mặt trời sẽ làm nhiệm vụ cung cấp điện chính còn ban đ m th hệ thống điện gió sẽ làm nhiệm vụ cung cấp điện chính cho tải

2.1.4.3 Vận hành kết nối với lưới điện (grid tie)

Hệ thống pin n ng lượng mặt trời vận hành kết nối với lưới điện c vai trò như một phần của mạng điện khu vực Có hai dạng hệ thống pin mặt trời nối lưới : trực tiếp

và tr ắc quy.Module pin mặt trời và bộ chuy n DC/AC là hai thành phần thiết yếu trong cả hai dạng hệ thống nối lưới Module pin m t trời có vai trò chuy n đổi ánh

27 sáng mặt trời th nh dòng điện một chiều, và bộ chuy n DC/AC chuy n dòng điện một chiều th nh dòng điện xoay chiều

Hệ thống điện pin mặt trời nối lưới trực tiếp tư ng đối đ n giản h n v hiệu quả

h n trong v i trường hợp Hệ thống này chuy n đổi tức thời dòng điện một chiều thành xoay chiều và kết nối v o lưới điện Taijd đ y hệ thống pin mặt trời chia tải với

hệ thống điện lưới v quay ngược đồng hồ điện bất cứ khi nào thặng dư điện Đ y l dạng thiết kế có giá thành thấp.Tuy nhiên, do hệ thống này không có biện pháp dự phòng nên khi nguồn điện trung tâm bị cắt, thì xảy ra hiện tượng cúp điện đầu tải

Hệ thống s dụng bình ắc quy đ tr điện thi khắc phục được trường hợp mất điện khi nguồn điện lưới bị cắt Hệ thống bao gồm một bộ ắc quy và các thiết bị điều khi n điện t phức tạp h n Một khi nguồn điện lưới bị cắt điện dự tr t ắc quy sẽ được s dụng thay thế cho đến khi cạn nguồn dự tr Nếu nguồn điện bị cắt vào ban ngày, hệ thống pin mặt trời sẽ liên tục nạp điện vào hệ thống ắc quy, t đ kéo d i khả

n ng dự tr điện cho buổi tối

2.2 Giới thiệu tổng quan mô hình nhà kính thông minh kết hợp với năng lƣợng mặt trời

Rau quả được trồng trong nhà kính cho một chế độ n uống sạch và lành mạnh cho cả gia đ nh l điều m chúng ta đều mong muốn

Hình 2.8 Mô hình nhà kính có gắn pin năng lượng mặt trời