GIỚI THIỆU
Đặt vấn đề
Trong bối cảnh khoa học kỹ thuật phát triển, nhu cầu năng lượng ngày càng gia tăng, trong khi các nguồn nhiên liệu truyền thống như than đá, dầu mỏ và khí thiên nhiên đang dần cạn kiệt Điều này đặt ra nguy cơ thiếu hụt năng lượng cho nhân loại Do đó, việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới như năng lượng hạt nhân, địa nhiệt, gió và mặt trời trở thành một ưu tiên quan trọng, không chỉ cho các nước phát triển mà còn cho các nước đang phát triển như Việt Nam Năng lượng mặt trời, với khả năng cung cấp lượng năng lượng khổng lồ hàng năm gấp 10 lần trữ lượng nhiên liệu hóa thạch, được xem là nguồn năng lượng ưu việt và có tiềm năng trở thành nguồn năng lượng chính trong tương lai.
Việt Nam, với vị trí nằm trong vành đai nội chí tuyến, có tổng số giờ nắng lớn trong năm, đặc biệt ở khu vực Miền Trung với khoảng 2900 giờ nắng và cường độ bức xạ cao lên đến 950W/m² Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc triển khai các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời.
Tính Cấp Thiết Của Đề Tài
Trong thời đại hiện nay, năng lượng trở thành vấn đề quan trọng đối với mọi quốc gia Ngoài việc nghiên cứu và phát triển các nguồn năng lượng mới, việc sử dụng năng lượng một cách tiết kiệm và hiệu quả cũng là ưu tiên hàng đầu.
Trước thách thức của biến đổi khí hậu và sự cạn kiệt tài nguyên khoáng sản, năng lượng tái tạo và năng lượng sạch đang ngày càng được ưu tiên sử dụng Trong số đó, năng lượng mặt trời nổi lên như một giải pháp hiệu quả để thay thế cho các nguồn năng lượng truyền thống.
Trường Tiểu Học Mỹ Thành Nam, tọa lạc tại vùng nông thôn xa xôi, thường xuyên gặp khó khăn về nguồn điện do sự cố khi thời tiết xấu Để đảm bảo ánh sáng cho học sinh trong quá trình học tập, trường cần một hệ thống chiếu sáng hiệu quả, sử dụng năng lượng mặt trời nhằm tăng cường độ tin cậy và đảm bảo điều kiện học tập tốt nhất cho các em.
Mục tiêu đề tài
Thiết kế thành công hệ thống chiếu sáng cho trường Tiểu Học Mỹ Thành Nam sử dụng năng lượng mặt trời.
Đối tượng, phạm vi nghiên cứu, cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
Hệ thống chiếu sáng sử dụng năng lượng mặt trời, pin mặt trời
Trường Tiểu Học Mỹ Thành Nam.
Phạm vi nghiên cứu: Trường Tiểu Học Mỹ Thành Nam
Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:
+ Tiêu chuẩn chiếu sáng ( quang thông, độ rọi, công suất, thời gian chiếu sáng). + Lên phương án chọn loại đèn led chiếu sáng.
+ Nghiên cứu nguyên lí hoạt động của mạch sạc ắc qui tự động.
+ Số liệu phân tích và nghiên cứu ứng dụng thực tế của đèn
+ Mô hình chiếu sáng sử dụng năng lượng mặt trời.
Nghiên cứu hệ thống pin mặt trời trong chiếu sáng là một lĩnh vực quan trọng, giúp tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng tái tạo Bài viết này sẽ khám phá các phương pháp nghiên cứu và khảo sát những công trình thực tế đã áp dụng công nghệ pin mặt trời, từ đó rút ra những bài học kinh nghiệm quý giá cho việc phát triển bền vững trong tương lai.
TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
Hệ thống chiếu sáng
2.1.1 Giới thiệu các loại đèn truyền thống
Trong lĩnh vực chiếu sáng dân dụng hiện nay, đèn huỳnh quang và đèn compact được ưa chuộng nhờ vào độ sáng cao và khả năng tiết kiệm năng lượng vượt trội so với đèn truyền thống Tuy nhiên, ở những vùng sâu, vùng xa, người dân vẫn sử dụng đèn dây tóc, giải pháp tạm thời cho những hộ có thu nhập thấp, nhưng lại không hiệu quả về mặt kinh tế và tiết kiệm năng lượng Đặc biệt, đèn dây tóc không khả thi ở những khu vực thiếu điện Đèn compact được khuyến cáo bởi các cơ quan quản lý điện nhờ vào khả năng chiếu sáng mạnh và tiết kiệm năng lượng hơn so với đèn halogen hay đèn dây tóc Một loại đèn compact phổ biến là đèn sạc, tuy nhiên, chúng có công suất tiêu thụ nhỏ nhưng thời gian sạc lâu và dễ vỡ Để khắc phục nhược điểm của đèn compact, việc ứng dụng công nghệ cao hơn như hệ thống chiếu sáng bằng đèn LED sử dụng năng lượng mặt trời là giải pháp hiệu quả, giúp tiết kiệm năng lượng và tối ưu hóa việc sử dụng nguồn năng lượng tái tạo.
2.1.2 Giới thiệu đèn led (đi-ôt phát quang) Đi-ốt phát quang LED được cấu tạo từ một khối bán dẫn loại p ghép với một khối bán dẫn loại n Đi-ốt phát quang LED tuổi thọ lên tới 100.000 giờ, có thể sử dụng với nguồn điện công suất nhỏ, hoạt động tốt trong mọi điều kiện thời tiết, tiết kiệm điện năng là những ưu điểm của đèn LED. Đèn LED an toàn hơn khi sử dụng do có điện thế thấp (đèn LED chỉ 3 volt), hiệu quả tiết kiệm năng lượng cao hơn theo tính toán cùng một thời gian sử dụng mức tiêu thụ điện ít hơn gần 10 lần so với đèn thường, thân thiện hơn đối với môi trường trong quá trình phát sáng lượng nhiệt tỏa ra rất thấp. Đèn LED (Light emitting diodes - đèn đi-ốt phát quang) đang trở nên phổ biến ưu điểm của nó là khối lượng nhẹ, tuổi thọ cao, cường độ sáng lớn Hiện nay, đèn LED được xem là loại đèn tiết kiệm điện năng nhất, tạo ra hiệu suất ánh sáng tốt nhất và tỏa nhiệt ít hơn nhiều so với các thiết bị chiếu sáng thông thường.
2.1.3 Các thông số đánh giá chất lượng của hệ thống chiếu sáng
Cường độ sáng I, đơn vị candela (cd) Đó là thông lượng của một nguồn sáng phát ra trong một đơn vị góc không gian (steradian).
Candela là đơn vị cơ bản đo cường độ nguồn sáng, với 1 candela tương đương với việc phát ra 1 lumen đẳng hướng trong một góc đặc Cường độ của nguồn sáng 1 candela sẽ phát ra 1 lumen trên diện tích 1 mét vuông tại khoảng cách 1 mét từ tâm nguồn sáng, cho thấy rằng cường độ nguồn sáng giảm theo khoảng cách từ nguồn sáng.
2.1.3.2 Quang thông (Φ) Đại lượng thông lượng ánh sáng dùng trong kỹ thuật chiếu sáng được đo trong đơn vị lumens (lm) Một lumen của ánh sáng, không phụ thuộc vào bước sóng của nó (màu), tương ứng với độ sáng mà mắt người cảm nhận được Mắt người cảm nhận khác nhau đối với các ánh sáng có bước sóng khác nhau, cảm nhận mạnh nhất đối với bước sóng 555 nm Đèn LED tiêu chuẩn đạt quang thông 100 lm/w.
2.1.3.3 Độ rọi (E) Độ rọi E(đơn vị lux) là đại lượng đặc trưng cho thông lượng ánh sáng trên một đơn vị diện tích Một diện tích mặt cầu 1m2 có một nguồn sáng cường độ 1 candela sẽ có độ rọi là 1 lux
Hinh 2 1 Thông số đánh giá chất lượng của hệ thống chiếu sáng
Hinh 2 2 Tiêu chuẩn độ rọi và độ chói
2.1.3.4 Độ chói (L) Độ chói L là cường độ của một nguồn sáng phát ánh sáng khuếch tán mở rộng hoặc của một vật phản xạ ánh sáng Độ chói là đại lượng đặc trưng cho mật độ phân bố cường độ sáng I trên một bề mặt diện tích S theo một phương cho trước
Hệ số phản xạ (ρ) của một vật thể được xác định bằng tỷ số giữa quang thông phản xạ (Φr) và quang thông tới (Φ) Công thức tính hệ số phản xạ là ρ = Φr / Φ.
Hệ số hấp thụ của một vật thể được định nghĩa là tỷ lệ giữa quang thông hấp thụ (Φa) và quang thông tới (Φ) của vật thể, được biểu thị bằng công thức α = Φa / Φ.
Phân bố phổ trình diễn phổ của bức xạ vùng nhìn thấy nêu lên mối tương quan giữa công suất bức xạ phụ thuộc vào bước sóng.
Nhiệt độ màu, đo bằng đơn vị Kelvin, phản ánh màu sắc của ánh sáng do nguồn sáng phát ra Nó được xác định là nhiệt độ tuyệt đối của một vật bức xạ đen có phổ bức xạ tương tự như nguồn sáng Đèn LED thường có nhiệt độ màu ở các mức như 2700K, 3000K, 3200K, 3500K, 4000K, 6000K và 6500K.
Hinh 2.3 Xác định nhiệt độ màu
2.1.3.8 Độ hoàn màu Độ hoàn màu được biểu diễn bằng chỉ số hoàn màu (CRI) có độ lớn từ 0 đến 100, diễn tả độ hoàn màu của các vật được chiếu sáng trong mắt người so với màu thực của nó CRI càng cao thì khả năng hoàn màu càng lớn CRI của đèn Led đạt 85.
Hiệu suất đèn LED được đo bằng lumen trên Oát (Lm/W), phản ánh lượng ánh sáng phát ra khi tiêu thụ một Oát năng lượng điện Đây là chỉ số quan trọng để đánh giá hiệu quả chiếu sáng của nguồn sáng.
2.1.3.10 Một số đèn thông dụng
Hinh 2 4 Các loại bóng đèn thông dụng
Năng Lượng Mặt Trời
Bức xạ mặt trời là nguồn tài nguyên quan trọng tại Việt Nam, với tổng bức xạ năng lượng mặt trời trung bình khoảng 5kW/h/m²/ngày ở miền Trung và miền Nam, và 4kW/h/m²/ngày ở miền Bắc Từ vĩ tuyến 17 trở vào, bức xạ mặt trời không chỉ dồi dào mà còn ổn định suốt cả năm, chỉ giảm khoảng 20% từ mùa khô sang mùa mưa Số giờ nắng hàng năm ở miền Bắc dao động từ 1500-1700 giờ, trong khi miền Trung và miền Nam có từ 2000-2600 giờ nắng.
Theo tài liệu khảo sát lượng bức xạ mặt trời cả nước:
Các tỉnh ở phía Bắc (từ Thừa Thiên – Huế trở ra) bình quân trong năm có chừng
Giữa 1800 và 2100 giờ nắng, các khu vực Tây Bắc như Lai Châu, Sơn La, Lào Cai và Bắc Trung Bộ gồm Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh là những vùng có lượng nắng cao nhất.
Các tỉnh phía Nam, từ Đà Nẵng trở vào, có trung bình 2000 - 2600 giờ nắng mỗi năm, với lượng bức xạ mặt trời cao hơn 20% so với các tỉnh phía Bắc Mặt trời chiếu sáng gần như suốt cả năm, kể cả trong mùa mưa Vì vậy, nguồn bức xạ mặt trời tại các địa phương ở Nam Trung bộ và Nam bộ được xem là một tài nguyên quý giá để khai thác và sử dụng.
Việt Nam sở hữu nguồn năng lượng mặt trời phong phú, với cường độ bức xạ mặt trời trung bình hàng ngày đạt 3,69 kWh/m² ở phía Bắc và 5,9 kWh/m² ở phía Nam Mức độ bức xạ mặt trời thay đổi tùy thuộc vào lượng mây và tầng khí quyển của từng khu vực, dẫn đến sự khác biệt rõ rệt về bức xạ giữa các địa phương Thông thường, cường độ bức xạ tại miền Nam cao hơn so với miền Bắc.
Tháng 8 có nhiều nắng, trong khi thời gian nắng dài nhất rơi vào tháng 4, 5 và 9, 10 Ngược lại, tháng 6 và 7 thường ít nắng, với nhiều mây và mưa Tổng xạ trung bình hàng ngày đạt khoảng 5,234 kWh/m²/ngày, trong khi trung bình năm là 3,489 kWh/m²/ngày.
Vùng núi cao khoảng 1500m thường ít nắng, với mây phủ và lượng mưa nhiều, đặc biệt từ tháng 6 đến tháng 1 Cường độ bức xạ trung bình ở đây khá thấp, dưới 3,489 kWh/m²/ngày.
Vùng Bắc Bộ có thời gian nắng nhiều vào tháng 5, trong khi đó ở Bắc Trung Bộ, thời gian nắng càng sớm và nhiều hơn khi di chuyển về phía Nam, đặc biệt là vào tháng 4.
Tổng bức xạ trung bình cao nhất ở Bắc Bộ thường đạt được vào tháng 5, trong khi ở Bắc Trung Bộ là từ tháng 4 Tháng 2 và tháng 3 có số giờ nắng trung bình thấp nhất, chỉ khoảng 2 giờ mỗi ngày, trong khi tháng 5 có số giờ nắng cao nhất, dao động từ 6 đến 7 giờ mỗi ngày và duy trì ở mức cao từ tháng 7 trở đi.
Từ Quảng Trị đến Tuy Hòa, thời gian nắng cao nhất trong năm rơi vào các tháng giữa năm, với trung bình 8 - 10 giờ nắng mỗi ngày Từ tháng 3 đến tháng 9, thời gian nắng dao động từ 5 - 6 giờ/ngày, với tổng xạ trung bình đạt khoảng 3,489 kWh/m2/ngày, có những ngày ghi nhận lên đến 5,815 kWh/m2/ngày.
Vùng phía Nam Việt Nam nổi bật với thời tiết nắng ấm quanh năm, đặc biệt trong các tháng 1, 3 và 4, khi nắng chiếu sáng từ 7h sáng đến 17h Cường độ bức xạ mặt trời trung bình ở đây thường vượt quá 3,489 kWh/m²/ngày, với các khu vực như Nha Trang ghi nhận cường độ bức xạ lên tới 5,815 kWh/m²/ngày trong suốt 8 tháng trong năm.
- Các công nghệ sử dụng năng lượng mặt trời
Hiện nay, có hai công nghệ chính sử dụng năng lượng mặt trời: công nghệ điện mặt trời dựa trên hiệu ứng quang điện và công nghệ nhiệt mặt trời, bao gồm nhiệt độ thấp (hiệu ứng nhà kính) và nhiệt độ cao (nhiệt mặt trời hội tụ).
+ Công nghệ điện mặt trời quang điện
Khi chiếu sáng một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n, năng lượng ánh sáng có thể được chuyển đổi thành dòng điện một chiều, hiện tượng này gọi là hiệu ứng quang-điện (photovoltaic) Hiệu ứng này được ứng dụng để chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng Trong công nghệ quang-điện, các mô đun pin mặt trời chủ yếu sử dụng các lớp tiếp xúc bán dẫn Silic loại n và loại p, nSi/pSi.
Hinh 2 6 Nguyên lý cấu tạo Pin mặt trời (trên) và môđun Pin mặt trời
Hiệu suất của các mô-đun pin mặt trời silic thương mại dao động từ 11-14%, cho thấy tiềm năng ứng dụng trong sản xuất điện năng Công nghệ này không chỉ hiệu quả mà còn thân thiện với môi trường, không gây ô nhiễm.
+ Công nghệ Nhiệt năng từ mặt trời
Nhiệt năng từ bức xạ mặt trời đã được sử dụng lâu đời cho các mục đích như phơi sấy và sưởi ấm một cách tự nhiên Hiện nay, nhờ vào các thiết bị tiên tiến, việc khai thác nhiệt mặt trời trở nên hiệu quả hơn Hai công nghệ phổ biến trong việc tận dụng nhiệt mặt trời là dựa trên hiệu ứng nhà kính và hiệu ứng hội tụ bức xạ mặt trời.
Hiệu ứng nhà kính xảy ra khi các tấm kính cho phép bức xạ mặt trời có bước sóng nhỏ hơn 0,7 x 10^-6m đi qua, nhưng lại ngăn cản bức xạ có bước sóng lớn hơn, chủ yếu là bức xạ nhiệt Những bức xạ nhiệt này làm nóng các vật thể khi tiếp xúc Nhờ vào đặc tính này, người ta đã phát triển các hộp thu năng lượng mặt trời để sản xuất nước nóng, sấy nông sản và sưởi ấm.
Hinh 2 7 Cấu tạo và nguyên lý thu năng lượng mặt trời nhờ hiệu ứng nhà kính
Pin mặt trời
2.3.1 Giới thiệu pin mặt trời
Pin mặt trời, hay còn gọi là pin quang điện (PV), là hệ thống các tấm vật liệu đặc biệt có khả năng chuyển đổi quang năng từ ánh sáng mặt trời thành điện năng Các tế bào quang điện trong pin mặt trời được cấu tạo từ đơn tinh thể (monocrystalline) và đa tinh thể (polycrystalline) với hiệu suất cao từ 15% đến 18% Công suất của chúng dao động từ 25Wp đến 240Wp, và có tuổi thọ trung bình lên tới 30 năm.
2.3.2 Lịch sử ra đời và phát triển của pin năng lượng mặt trời
Pin năng lượng mặt trời, hay còn gọi là tế bào quang điện, đang ngày càng phổ biến nhờ khả năng chuyển đổi năng lượng hiệu quả và dễ dàng lắp đặt trên các tòa nhà cũng như các cấu trúc khác.
Tấm pin năng lượng mặt trời, được phát hiện lần đầu bởi nhà vật lý Alexandre Edmond Becquerel vào năm 1839, là thiết bị chuyển đổi trực tiếp quang năng thành điện năng thông qua hiệu ứng quang điện Điện từ pin mặt trời, hay còn gọi là điện mặt trời, được tạo ra khi nhiều phần tử pin được kết nối với nhau Công suất tối đa của tấm pin phụ thuộc vào hiệu suất chuyển đổi quang năng thành điện năng và hiệu ứng quang điện của nó.
Vào năm 1883, Charles Fritts đã phát minh ra một loại pin năng lượng mới bằng cách phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp vàng mỏng, tạo thành mạch nối Mặc dù thiết bị chỉ đạt hiệu suất 1%, nhưng Russell Ohl được coi là người đã phát minh ra pin năng lượng mặt trời đầu tiên.
Năm 1946, Sven Ason Berglund đã phát triển một phương pháp nhằm tăng khả năng cảm nhận ánh sáng của pin Pin mặt trời mang lại nhiều ứng dụng ưu việt, đảm bảo an toàn và dễ sử dụng Chúng được sử dụng trong các thiết bị như máy tính bỏ túi, laptop, đồng hồ đeo tay, điện thoại di động, đèn trang trí, đèn sân vườn, đèn tín hiệu, đèn đường, cũng như trong các phương tiện như xe, máy bay, robot tự hành và vệ tinh nhân tạo.
Hinh 2.9 Pin mặt trời sử dụng trên mái nhà
Nguồn điện cho tòa nhà không chỉ giúp giảm hóa đơn tiền điện hàng tháng mà còn giảm thiểu đầu tư cho các nhà máy điện lớn, nhờ vào việc kết hợp sức mạnh cộng đồng trong sản xuất điện Việc kết nối nhiều nguồn điện mặt trời có thể tạo ra tổ hợp đủ khả năng thay thế cho một nhà máy phát điện, cung cấp điện cho thành phố hoặc hòn đảo Mặc dù hiện nay số lượng nhà máy điện mặt trời còn hạn chế, nhưng dự kiến sẽ gia tăng trong tương lai khi giá thành sản xuất pin mặt trời giảm.
Pin mặt trời cung cấp năng lượng sạch và tái tạo, là nguồn bổ sung hiệu quả cho điện lưới truyền thống Đặc biệt, tại những khu vực chưa có điện lưới như cộng đồng dân cư xa xôi, nông thôn, hải đảo hay trong các tình huống khẩn cấp, pin mặt trời trở thành giải pháp cung cấp điện đáng tin cậy.
Hiện nay, tấm pin năng lượng mặt trời ngày càng phổ biến và trở thành nguồn điện thiết yếu, đặc biệt ở những vùng đảo xa Chúng mang lại nhiều lợi ích cho cuộc sống, và trong tương lai, hệ thống điện năng lượng mặt trời sẽ được cải tiến với thiết kế và tính năng ưu việt hơn Do đó, lựa chọn nguồn điện năng lượng mặt trời sẽ là giải pháp tối ưu cho nhu cầu năng lượng.
2.3.3 Cấu tạo của pin mặt trời
Hinh 2.10 Cấu tạo pin mặt trời
Pin năng lượng mặt trời, hay còn gọi là pin quang điện, là thiết bị bán dẫn chứa nhiều diod p-n, có khả năng tạo ra dòng điện khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời thông qua hiệu ứng quang điện.
Hinh 2.11 Cấu tạo p-n trong tấm pin 2.3.4 Nguyên lý hoạt động
2.3.4.1 Sơ đồ nguyên lý của 1 hệ thống điện mặt trời cơ bản
Hinh 2.12 Sơ đồ nguyên lý cơ bản
Hinh 2.13 Sơ đồ nguyên lý làm việc của tấm pin
Giàn pin mặt trời chuyển đổi ánh sáng thành điện năng, tạo ra dòng điện một chiều (DC) được dẫn tới bộ điều khiển, giúp điều hòa quá trình nạp và phóng điện vào ắc-quy và các thiết bị điện DC Nếu công suất giàn pin đủ lớn, bộ đổi điện sẽ được lắp thêm để chuyển đổi dòng một chiều thành dòng xoay chiều (AC), cho phép sử dụng nhiều thiết bị điện gia dụng như đèn, quạt, radio, ti vi và máy tính Pin năng lượng mặt trời, hay còn gọi là pin quang điện, là thiết bị chuyển hóa năng lượng ánh sáng mặt trời thành điện năng dựa trên hiệu ứng quang điện, là khả năng phát ra electron khi vật chất tiếp xúc với ánh sáng.
Silicon là một chất bán dẫn, hoạt động như một chất cách điện ở nhiệt độ thấp và có tính dẫn điện ở nhiệt độ phòng, do đó nó là thành phần quan trọng trong pin năng lượng mặt trời Ánh sáng mặt trời chứa các photon nhỏ, khi va chạm với nguyên tử silicon trong pin, chúng truyền năng lượng cho các electron, khiến electron bị bật ra khỏi nguyên tử và tạo ra chỗ trống do thiếu electron.
Giải phóng electron là bước đầu tiên trong quá trình hoạt động của pin năng lượng mặt trời, nhưng để tạo ra dòng điện, cần phải tập trung các electron này vào một hướng nhất định Điều này đòi hỏi việc tạo ra sự mất cân bằng điện trong pin, tương tự như xây dựng một con dốc giúp các electron chảy theo cùng một hướng.
Sự mất cân bằng trong cấu trúc silicon xảy ra khi các nguyên tử silicon được sắp xếp chặt chẽ, và khi một số nguyên tố khác được đưa vào, sẽ tạo ra hai loại silicon khác nhau: loại n và loại p Chất bán dẫn loại n, hay còn gọi là bán dẫn âm, có tạp chất từ nhóm V, với các electron dẫn chính là những electron lỏng lẻo trong lớp ngoài Ngược lại, chất bán dẫn loại p, hay bán dẫn dương, có tạp chất từ nhóm III, dẫn điện chủ yếu thông qua các lỗ trống.
Khi hai loại bán dẫn n và p được đặt cạnh nhau trong pin năng lượng mặt trời, electron từ loại n sẽ nhảy qua để lấp đầy khoảng trống của loại p Điều này tạo ra sự tích điện trái dấu giữa silicon loại n và p, với loại n mang điện dương và loại p mang điện âm, từ đó hình thành một điện trường trên pin năng lượng mặt trời Silicon, với tính chất bán dẫn của mình, có khả năng hoạt động như một chất cách điện, giúp duy trì sự mất cân bằng điện tích này.
Khi electron liên kết với nguyên tử silicon bị tách ra, photon từ ánh sáng mặt trời sắp xếp các electron này theo một trật tự nhất định, tạo ra dòng điện cung cấp cho máy tính, vệ tinh và nhiều thiết bị khác.
2.3.5 Thành phần cơ bản của một hệ thống điện mặt trời:
2.3.5.1 Tấm pin mặt trời (Solar Panel)
Một số thông tin cơ bản về tấm pin mặt trời sử dụng trong hệ thống điện mặt trời:
Công suất: từ 25Wp đến 175 Wp
Số lượng cells trên mỗi tấm pin: 72 cells
Loại cells: monocrystalline và polycrystalline
Chất liệu của khung: nhôm
Tuổi thọ trung bình của tấm pin: 25-30 năm
Các nghiên cứu liên quan đến đề tài
2.4.1 Các nghiên cứu trong nước
Khu công nghệ cao Quận 9, Thành phố Hồ Chí Minh, là nơi đặt hệ thống điện năng lượng mặt trời đầu tiên của tập đoàn Intel tại châu Á, hoạt động mà không cần hệ thống bình ắc-quy lưu trữ Hệ thống này đáp ứng 30% nhu cầu điện của khu văn phòng nhà máy Intel Việt Nam, tạo ra khoảng 321.000 kW điện mỗi năm và giảm khoảng 221.300 kg khí thải CO2 vào môi trường Dự kiến, tuổi thọ của hệ thống lên tới 20 năm.
Hinh 2.18 Hệ thống năng lượng mặt trời trên tầng mái của Intel
Dự án Phát điện hỗn hợp Pin mặt trời và Diesel tại thôn Bãi Hương, Cù Lao Chàm, Quảng Nam, nhằm phục vụ nhu cầu sinh hoạt của người dân Hệ thống bao gồm 166 tấm pin mặt trời với công suất tối ưu, giúp cung cấp nguồn điện sạch và bền vững cho khu vực.
Công ty Systech đã lắp đặt hệ thống với tổng công suất 28kW và 2 máy phát có tổng công suất 20kW Tổng vốn đầu tư cho dự án là 412.000 USD, trong đó chính phủ Thụy Điển tài trợ 332.000 USD, phần còn lại được hỗ trợ bởi tỉnh.
Dự án tổng thể năng lượng sạch chiếu sáng quần đảo Trường Sa và nhà giàn
Việt Nam đã giành giải Năng lượng toàn cầu năm 2012 nhờ dự án thắp sáng 48 đảo và nhà giàn thuộc quần đảo Trường Sa Dự án này bao gồm việc lắp đặt hơn 5.700 tấm pin năng lượng mặt trời, hơn 120 quạt gió, hơn 4.000 bình ắc quy, và gần 1.000 bộ đèn LED sử dụng năng lượng mặt trời để chiếu sáng các khu vực công cộng như sân đường và tường kè.
Hinh 2.19 Pin Mặt trời trên đảo trường sa 2.4.2 Các nghiên cứu ở nước ngoài
Sản phẩm đèn đường sử dụng hệ thống lai của Đài Loan mang lại lợi ích lớn trong việc xây dựng nhà máy năng lượng, giúp giảm áp lực lên hệ thống lưới điện Các nguồn năng lượng này hỗ trợ lẫn nhau, tạo ra năng lượng ổn định hơn cho lưới điện so với các nhà máy năng lượng mặt trời.
Theo Alexander Woitas – người đứng đầu bộ phận kỹ thuật của Solarpraxis AG:
Nghiên cứu cho thấy việc lắp đặt hệ thống quang điện kết hợp với tuabin gió có thể tạo ra nguồn năng lượng gấp đôi so với chỉ lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời Hơn nữa, sự che khuất từ các tuabin gió chỉ chiếm 1-2% diện tích của hệ thống năng lượng mặt trời, thấp hơn nhiều so với những gì từng được nghĩ trước đây.
Tại sân bay quốc tế Düsseldorf, Đức, một dãy tấm năng lượng mặt trời đã được lắp đặt từ tháng 10 năm 2011, hoàn thành trong vòng 8 tuần và dự kiến hòa vào lưới điện quốc gia vào đầu năm 2012 Dự án, là kết quả hợp tác giữa sân bay và Grünwerke GmbH, bao gồm hơn 8.400 tấm năng lượng mặt trời trên diện tích tương đương 6 sân bóng đá, với công suất khoảng 2 MW, đủ cung cấp điện cho 600 hộ gia đình mỗi năm.
Sân bay đầu tiên trên thế giới sử dụng năng lượng Mặt trời là sân bay lớn thứ 4 ở Ấn Độ Dự án này được đồng tài trợ và điều hành bởi chính phủ Ấn Độ, đánh dấu một bước tiến quan trọng trong việc ứng dụng năng lượng tái tạo tại các cơ sở hạ tầng giao thông.
Theo Huffington Post, dự án sân bay đã được xây dựng trong 6 tháng với tổng kinh phí 10 triệu USD và dự kiến sẽ hoàn vốn sau 5 năm Hệ thống năng lượng mặt trời 12 megawatt bao gồm 46.000 tấm pin, được lắp đặt trên diện tích hơn 20 ha, do công ty Bosch thiết kế và thực hiện.
Hinh 2.21 Hệ thống năng lượng mặt trời ở sân bay quốc tế Cochin, miền nam Ấn Độ
Chính phủ Ấn Độ khuyến khích các sân bay trên toàn quốc áp dụng mô hình năng lượng mặt trời của sân bay quốc tế Cochin Mục tiêu là giảm thiểu hiệu ứng nhà kính và thúc đẩy sử dụng năng lượng tái tạo, góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành hàng không.
Sân bay Cochin đã tiên phong trong việc sử dụng năng lượng mặt trời từ tháng 3/2013 với việc lắp đặt một trạm phát điện mặt trời trên mái ga đến, theo thông tin từ Economic Times.
Ấn Độ đặt mục tiêu đạt 100 gigawatt năng lượng mặt trời vào năm 2022, trong khi công suất hiện tại chỉ đạt 4 gigawatt Hiện tại, năng lượng mặt trời chỉ chiếm khoảng 3% tổng năng lượng tái tạo của quốc gia, nhưng dự kiến sẽ tăng lên 15% trong tương lai.
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ
Phân tích sơ bộ
Trường tiểu học Mỹ Thành Nam hiện đang sử dụng đèn huỳnh quang T10 40W để chiếu sáng phòng học Đây là loại thiết bị chiếu sáng phóng điện áp suất thấp, hoạt động dựa trên bột huỳnh quang và tia cực tím được phát ra từ quá trình phóng điện của hơi thủy ngân.
+ Những ưu điểm nổi trội của bóng đèn huỳnh quang
- Tiết kiệm điện và sáng hơn
Bóng đèn huỳnh quang có ưu điểm vượt trội với độ sáng cao hơn nhiều so với bóng đèn sợi đốt, nhờ vào cơ chế phóng điện giữa hai điện cực tạo ra tia cực tím Tia này kích thích lớp bột huỳnh quang trong ống, giúp quá trình chiếu sáng diễn ra nhanh chóng và tiết kiệm năng lượng Hơn nữa, bóng đèn huỳnh quang không tỏa nhiều nhiệt, mang lại hiệu suất sáng vượt trội so với các loại đèn thông thường khác.
Bóng đèn huỳnh quang có cơ chế chiếu sáng khác biệt so với đèn sợi đốt, không đốt nóng dây dẫn để phát sáng, giúp tăng tuổi thọ của thiết bị lên đến khoảng 10.000 giờ, gấp nhiều lần so với đèn sợi đốt.
Bóng đèn huỳnh quang nổi bật trong danh sách thiết bị chiếu sáng tiết kiệm chi phí, vượt trội hơn so với đèn phóng điện công suất lớn và đèn sợi đốt cần thay thế liên tục Với độ bền cao, dễ sử dụng và chi phí vận hành thấp, đây là lựa chọn hàng đầu của nhiều người tiêu dùng Tuy nhiên, bóng đèn huỳnh quang cũng tồn tại một số nhược điểm cần lưu ý.
Bóng đèn huỳnh quang hoạt động dựa trên nguyên tắc phóng điện, dẫn đến độ sáng không ổn định, gây khó khăn trong việc nhận biết Nhược điểm này ảnh hưởng đáng kể đến thị lực, đặc biệt là ở trẻ nhỏ Việc sử dụng bóng đèn huỳnh quang trong thời gian dài để làm việc và học tập có thể gây tác động tiêu cực đến thị lực trong tương lai.
- Nhược điểm của bóng đèn huỳnh quang là sử dụng lâu dài sẽ làm giảm thị lực.
Quá trình xử lý bóng bị hỏng có thể gây ra ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường và sức khỏe người sử dụng do sự hiện diện của lớp bột lưu huỳnh trong bóng.
Trong quá trình sử dụng bóng đèn, cần lưu ý đến việc tiêu hủy bột lưu huỳnh để tránh ảnh hưởng xấu đến môi trường và sức khỏe người sử dụng.
3.1.2 Lý do chọn giải pháp
Trường tiểu học Mỹ Thành Nam, nằm trong vùng nông thôn, đang đối mặt với nhiều hạn chế về cơ sở vật chất, đặc biệt là hệ thống chiếu sáng Với chỉ vài bóng đèn huỳnh quang 1m2 cho mỗi phòng học, ánh sáng thường không đủ, đặc biệt trong mùa mưa bão khi điện thường xuyên bị sụt áp, ảnh hưởng nghiêm trọng đến việc học của học sinh Nhiều khi, giáo viên phải cho học sinh ngồi chờ do trời mưa lớn gây ra tiếng ồn và thiếu sáng Việc đảm bảo ánh sáng đầy đủ cho học sinh là rất cần thiết, bởi vì ánh sáng không đủ có thể dẫn đến các vấn đề về mắt, như cận thị Do đó, tôi quyết định nghiên cứu thiết kế hệ thống chiếu sáng sử dụng năng lượng mặt trời cho trường tiểu học Mỹ Thành Nam, nhằm tạo điều kiện học tập tốt hơn cho các em.
Hiện trường đang gặp khó khăn trong việc cung cấp điện do nguồn điện từ mạng lưới bị sụt áp, đặc biệt là do khoảng cách kéo dây điện xa Điều này dẫn đến việc đảm bảo nguồn điện cho trường học rất kém.
Tôi quyết định thiết kế hệ thống chiếu sáng sử dụng pin năng lượng mặt trời cho trường học nhằm đảm bảo cung cấp điện ổn định Mặc dù chi phí đầu tư ban đầu cao, nhưng hệ thống này sẽ mang lại nguồn điện liên tục, giúp cung cấp đủ ánh sáng cho các em học sinh học tập hiệu quả.
Tính toán
3.2.1 Tính công suất cho phụ tải chiếu sáng
Phòng học có chiều dài 9,5m, chiều rộng 5m, chiều cao 3.5m.
Diện tích phòng học là: 47,5m 2
Chọn số bộ đèn cho một phòng học có diện tích 48m 2 là: 12 bộ/ mỗi bộ 1 bóng
Công suất của một phòng học: P phòng = P đèn x n bộ đèn = 18 x 12 = 216 (w)
Tổng công suất của 3 phòng học: P tổng = 216 x 3 = 648 (w)
Giá tiền: 120 nghìn/1 bóng Vậy 12 x 3 = 36 bóng = 4.320.000 VNĐ
3.2.2 Tính tổng lượng tiêu thụ điện của hệ thống đèn.
Thời gian học: buổi sáng từ 7h30 đến 11h00: 3,5 giờ
Tổng công suất nhân cho tổng thời gian sử dụng trong ngày
A = P tổng x số giờ sử dụng = 648w x 6 = 3888 (wh) = 3,888 (kwh)
3.2.3 Tính số Watt-hour các tấm pin mặt trời phải cung cấp cho toàn tải mỗi ngày.
Do tổn hao trong hệ thống số watt-hour các tấm pin mặt trời
(PV modules) = 1.3 x tổng số watt-hour toàn tải sử dụng.
PV = 1.3 x 3888 = 5054,4 wh/ngày 3.2.4 Tấm pin mặt trời cần sử dụng tổng Wp của PV Panel
Mức hấp thu năng lượng mặt trời tại Miền Nam đạt khoảng 4,6 kWh/m²/ngày Để tính tổng công suất (Wp) của tấm pin mặt trời, chúng ta chỉ cần chia tổng số Watt-hour của các tấm pin cho 4,6.
Công suất đỉnh (watts peak power) là giá trị công suất tối đa được đo từ các tế bào năng lượng mặt trời khi chúng nhận được bức xạ ánh sáng mặt trời tiêu chuẩn.
Công suất đỉnh (Wp) là đơn vị đo lường năng lượng mà các thiết bị năng lượng mặt trời sản sinh, thường đạt khoảng 1000 W/m² trong thời gian cao điểm vào mùa hè.
Chọn loại PV 250wp thì số PV cần dùng là: PV 1098,78
(tấm) Chọn 4 tấm pin loại mono 280w
Thông số kỹ thuật Pin năng lượng mặt trời Mono 280W
Công suất tiêu thụ: 280W Điện áp hở mạch ( Voc): 43,42 V
Dòng ngắn mạch ( Isc) : 9,2 A Điện áp danh định max ( Vmp): 35,8 V
Dòng danh định max ( Imp): 7,82 A
Giá tiền: 5.082.000 vnđ/1 tấm pin
Vậy 4 tấm pin có giá: 4 x 5.082.000 = 20.328.000 vnđ http://pinnangluongmattroi.vn/pin-nang-luong-mat-troi-280w-9703928.html
Tổng wh tiêu thụ mỗi ngày: 3888 (wh)
Mức DOD (mức xả sâu): 0,6 Điện thế battery: 12 V
Dung lượng Battery (Ah) = 0,85 3888 x 0,6 x 12 = 635,3 (Ah)
Như vậy chọn battery deep-cycle 12V/1000Ah cho 1,5 ngày dự phòng
Chọn 4 bình Ắc quy Viễn Thông K&V là loại ắc quy kín khí không cần bảo dưỡng trong quá trình sử dụng chọn loại 250Ah
Giá bình ắc quy 250Ah: 8.000.000 vnđ/1 bình http://www.dienchuan.vn/ac-quy-k-v-korea-ac-quy-vien-thong-kv-han-quoc/ac-quy-k- v-12v-250ah-es-250h-12-1870144.html
3.2.6 Chọn bộ sạc năng lượng mặt trời
Thông số của mỗi PV module:
Pmax(0 W; Voc = 43,42 A; Isc = 9,2 A, Impp = 7,82 A, Vmpp = 35,8 V
Như vậy solar charge controller = 4 tấm PV x 9,2 A = 36,8 A
Bộ điều khiển sạc pin năng lượng mặt trời 40A MPPT 12v/24v auto (MPPT – 30) Giá tiền:1.899.000 vnđ http://diennangluongmattroi.vn/dieu-khien-sac-pin-mat-troi-40a-mppt-12v-24v-auto- mppt-30-9851403.html
Tổng giá tiền cho những thiết bị trên
STT Tên sản phẩm Giá tiền Số lượng Thành tiền
Thi Công Mô Hình – Đánh Giá Kết Quả
Ý nghĩa của mô hình nghiên cứu
Mô hình nghiên cứu được xem như cầu nối giữa các mục tiêu nghiên cứu đã đề ra với việc thực hiện các mục tiêu đó.
Mô hình nghiên cứu giúp xác định các yêu cầu cụ thể về quản lý thời gian và kết quả nghiên cứu, từ đó giúp nhóm hiểu rõ công việc cần thực hiện và dự đoán những sai lầm có thể xảy ra Điều này tạo cơ sở vững chắc để chứng minh sự am hiểu của nhóm đối với công việc trước những người có liên quan.
Mô hình nghiên cứu giúp nhóm xác định rõ các loại dữ liệu cần thu thập, từ đó tránh việc thu thập dữ liệu không cần thiết, tiết kiệm thời gian và giảm rắc rối trong xử lý thông tin Do đó, việc xem xét loại dữ liệu cần thiết ngay từ đầu là điều quan trọng trong thiết kế mô hình nghiên cứu.
Mô hình nghiên cứu đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích và giải thích dữ liệu, giúp dự đoán cũng như đánh giá quy trình lựa chọn và giới thiệu các dự án nghiên cứu.
Mô hình nghiên cứu không phải là cố định mà có thể được điều chỉnh linh hoạt theo thực tế trong quá trình thực hiện dự án Sự xuất hiện của các giả thuyết mới trong quá trình nghiên cứu mang lại sự hấp dẫn cho nhóm.
Nguyên lý hoạt động
Trên mạch có một khối bảo vệ acquy nó kiểm tra nếu điện áp ac quy dưới 10v thì sẽ không cho acquy xả ra nữa, để tránh hỏng acquy.
Con op-amp LM358 có hai kênh so sánh: một kênh dùng để giám sát điện áp acquy, kích hoạt mở FET cho phép sạc khi điện áp dưới 13,1V và ngắt khi vượt quá mức này Kênh so sánh còn lại theo dõi điện áp acquy, cho phép mở transistor A1015 và đóng relay khi điện áp trên 10V, ngược lại sẽ ngắt để không cho phép tải hoạt động khi điện áp dưới 10V.
Vẽ sơ đồ mạch in của mạch nạp ắc – quy
Hinh 4.3 Sơ đồ mạch in
Ký hiệu trong mạch in: J1-Ắc quy; J2- tải; J3 – pin mặt trời. Đèn led D3-báo ắc quy đầy; đèn led D5- báo có nguồn từ pin mặt trời
Q2- mosfet: nhiêm vụ mở cho phép sạc và đóng không cho phép ra tải khi điện áp ắc quy dưới mức cho phép.
U1-Opam Lm358: co2 2 kênh so sánh điện áp để cho pháp đóng ngắt sạc.
Lắp ráp hệ thống
Bước 1: Lắp Pin lên mái trường
Hướng dẫn lắp đặt tấm pin năng lượng mặt trời rất quan trọng để tối ưu hiệu suất Để đạt hiệu quả cao nhất, ngoài việc sử dụng bộ điều khiển sạc chất lượng, việc xác định hướng đặt pin cũng góp phần quan trọng trong quá trình lắp đặt Hướng đặt pin tốt nhất sẽ giúp tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời.
Việt Nam đã được nghiên cứu lắp đặt tấm pin mặt trời theo hướng Bắc – Nam, với đầu phía Bắc cao hơn đầu phía Nam khoảng 10-15 độ Nếu không thể lắp đặt theo hướng này, có thể chọn hướng theo mặt trời mọc với góc nghiêng tương tự Để đảm bảo hiệu suất tối ưu, cần giữ cho tấm pin luôn sạch sẽ, không bị che khuất bởi bất kỳ vật gì, kể cả lá cây rơi, vì điều này có thể làm giảm hiệu suất đáng kể.
Hinh 4.4 Hình ảnh Tấm pin được đặt trên mái trường
Mặt trước của ngôi trường hướng về phía nam, trong khi mặt sau hướng về phía bắc, vì vậy nên lắp đặt tấm pin mặt trời ở mặt trước với đầu phía bắc cao hơn đầu phía nam khoảng 10-15 độ nếu mái trường đạt đúng góc độ Nếu mái không đúng góc, cần sử dụng khung gá điều chỉnh góc độ để tối ưu hóa việc hấp thụ ánh nắng, đảm bảo hiệu quả thu năng lượng tốt nhất.
Từ mô hình ta có thể thấy đây là một ngôi trường được xây cất theo kiểu cũ, nóc
2 mái Vậy ta có thể tận dụng được gì, đó là có thể đặt các tấm pin lên mái trường này
Chúng tôi sẽ tiến hành thử nghiệm việc lắp đặt 2 tấm pin mặt trời lên mái trường để kiểm tra mức điện áp thu được từ việc hấp thụ ánh sáng mặt trời.
Một số hình ảnh đo điện áp thu được từ tấm pin khi đặt trên mái trường: + Lúc 9 giờ sáng điện áp tấm pin thu đươc 14,5VDC
+ Lúc 12 giờ trưa điện áp thu được từ tấm pin là 19,7 VDC
+ Lúc 14 giờ chiều điện áp thu được từ tấm pin là 19,1 VDC
Bước 2: Đi dây và lắp hệ thống đèn
Bước 3: Lắp Mạch nạp ắc quy
Hướng mũi tên chỉ vào đường dây, còn khoanh tròn đó là vị trí lắp đèn.
Từ bên trái qua: ngõ vào từ pin mặt trời, ở giữa là ngõ ra sạc ắc quy, và bên phải là ngõ ra tải.
Bước 4: Gắn dây cho bình ắc quy
Màu đen là cực âm, màu đỏ là cực dương ắc quy
Bước 5: Sơ đồ hệ thống hoàn chỉnh
Tiêu chuẩn độ rọi và độ chói
Độ chói (L) là cường độ của nguồn sáng phát ra ánh sáng khuếch tán hoặc của vật phản xạ ánh sáng Nó thể hiện mật độ phân bố cường độ sáng (I) trên bề mặt diện tích (S) theo một phương nhất định.
Hệ số phản xạ (ρ) của một vật thể được xác định bằng tỷ số giữa quang thông phản xạ (Φr) và quang thông tới (Φ) của vật thể Công thức tính hệ số phản xạ là ρ = Φr / Φ.
Hệ số hấp thụ của một vật thể được định nghĩa là tỷ lệ giữa quang thông hấp thụ (Φa) và quang thông tới (Φ) của vật thể, được biểu diễn bằng công thức α = Φa / Φ.
Phân bố phổ trình diễn phổ của bức xạ vùng nhìn thấy nêu lên mối tương quan giữa công suất bức xạ phụ thuộc vào bước sóng.
Nhiệt độ màu, được đo bằng đơn vị Kelvin, phản ánh màu sắc của ánh sáng do nguồn sáng phát ra Nó được định nghĩa là nhiệt độ tuyệt đối của một vật bức xạ đen có phổ bức xạ tương tự như nguồn sáng Đèn LED thường có nhiệt độ màu ở các mức phổ biến như 2700K, 3000K, 3200K, 3500K, 4000K, 6000K và 6500K.
Xác định nhiệt độ màu
Độ hoàn màu, được đo bằng chỉ số hoàn màu (CRI) từ 0 đến 100, thể hiện khả năng tái hiện màu sắc của các vật thể dưới ánh sáng trong mắt con người Chỉ số CRI càng cao cho thấy khả năng hoàn màu càng tốt Đèn LED có chỉ số CRI đạt 85, cho thấy khả năng tái hiện màu sắc khá hiệu quả.
Hiệu suất đèn LED được đo bằng lumen trên Oát (Lm/W), thể hiện lượng ánh sáng phát ra so với năng lượng điện tiêu thụ Đây là một chỉ số quan trọng để đánh giá hiệu quả chiếu sáng của đèn LED.
2.1.3.10 Một số đèn thông dụng
So sánh hiệu suất phát sáng của các loại bóng đèn
Bức xạ mặt trời là nguồn tài nguyên quan trọng tại Việt Nam, với tổng bức xạ năng lượng trung bình khoảng 5kW/h/m²/ngày ở miền Trung và miền Nam, và 4kW/h/m²/ngày ở miền Bắc Từ vĩ tuyến 17 trở vào, bức xạ mặt trời không chỉ dồi dào mà còn ổn định trong suốt năm, giảm khoảng 20% từ mùa khô sang mùa mưa Số giờ nắng hàng năm ở miền Bắc dao động từ 1500-1700 giờ, trong khi miền Trung và miền Nam có thể đạt từ 2000-2600 giờ.
Theo tài liệu khảo sát lượng bức xạ mặt trời cả nước:
Các tỉnh ở phía Bắc (từ Thừa Thiên – Huế trở ra) bình quân trong năm có chừng
Giữa 1800 và 2100 giờ nắng, các khu vực Tây Bắc như Lai Châu, Sơn La, Lào Cai và Bắc Trung Bộ gồm Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh được coi là những vùng có lượng nắng cao nhất.
Các tỉnh phía Nam, từ Đà Nẵng trở vào, có trung bình từ 2000 đến 2600 giờ nắng mỗi năm, với lượng bức xạ mặt trời cao hơn 20% so với các tỉnh phía Bắc Khu vực này nhận được ánh sáng mặt trời hầu như quanh năm, kể cả trong mùa mưa Vì vậy, nguồn bức xạ mặt trời ở Nam Trung bộ và Nam bộ là một tài nguyên quý giá cần được khai thác và sử dụng hiệu quả.
Việt Nam sở hữu nguồn năng lượng mặt trời phong phú với cường độ bức xạ trung bình hàng ngày là 3,69 kWh/m² ở phía Bắc và 5,9 kWh/m² ở phía Nam Sự khác biệt về lượng bức xạ mặt trời giữa các địa phương phụ thuộc vào điều kiện mây và tầng khí quyển, với cường độ bức xạ ở phía Nam thường cao hơn so với phía Bắc.
Tháng 8 có nhiều nắng, trong khi thời gian nắng dài nhất rơi vào tháng 4, 5 và 9, 10 Ngược lại, tháng 6 và 7 lại hiếm nắng, với nhiều mây và mưa Lượng tổng xạ trung bình hàng ngày cao nhất đạt khoảng 5,234 kWh/m²/ngày, trong khi trung bình năm là 3,489 kWh/m²/ngày.
Vùng núi cao khoảng 1500m thường ít nắng và có nhiều mây, mưa nhiều nhất từ tháng 6 đến tháng 1 Cường độ bức xạ trung bình ở đây thấp, dưới 3,489 kWh/m²/ngày.
Vùng Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ trải qua thời tiết nắng nhiều vào tháng 5, đặc biệt ở Bắc Bộ Trong khi đó, Bắc Trung Bộ có thời gian nắng sớm và nhiều hơn vào tháng 4, nhất là khi di chuyển về phía Nam.
Tổng bức xạ trung bình cao nhất ở Bắc Bộ thường xảy ra vào tháng 5, trong khi ở Bắc Trung Bộ, thời điểm này bắt đầu từ tháng 4 Tháng 2 là thời gian có số giờ nắng trung bình thấp nhất, chỉ khoảng 2 giờ mỗi ngày, trong khi tháng 5 ghi nhận số giờ nắng cao nhất, đạt từ 6 đến 7 giờ mỗi ngày và tiếp tục duy trì ở mức cao từ tháng 7 trở đi.
Từ Quảng Trị đến Tuy Hòa, thời gian nắng cao nhất rơi vào giữa năm, đạt 8 - 10 giờ/ngày Từ tháng 3 đến tháng 9, trung bình thời gian nắng khoảng 5 - 6 giờ/ngày, với tổng bức xạ trung bình đạt 3,489 kWh/m2/ngày, có ngày lên tới 5,815 kWh/m2/ngày.
Vùng phía Nam Việt Nam nổi bật với khí hậu nắng ấm quanh năm, đặc biệt từ tháng 1, 3 và 4, khi ánh nắng chiếu sáng từ 7h sáng đến 17h chiều Cường độ bức xạ mặt trời trung bình ở đây thường vượt quá 3,489 kWh/m²/ngày, với khu vực Nha Trang ghi nhận cường độ bức xạ lên đến 5,815 kWh/m²/ngày trong khoảng 8 tháng mỗi năm.
- Các công nghệ sử dụng năng lượng mặt trời
Hiện nay, có hai công nghệ chính sử dụng năng lượng mặt trời: công nghệ điện mặt trời dựa trên hiệu ứng quang điện và công nghệ nhiệt mặt trời, bao gồm nhiệt độ thấp (hiệu ứng nhà kính) và nhiệt độ cao (hội tụ).
+ Công nghệ điện mặt trời quang điện
Khi chiếu sáng một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n, năng lượng ánh sáng được chuyển đổi thành dòng điện một chiều, hiện tượng này được gọi là hiệu ứng quang-điện (photovoltaic) Hiệu ứng này được ứng dụng để chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng Trong công nghệ quang-điện, các mô đun pin mặt trời chủ yếu sử dụng các lớp tiếp xúc bán dẫn Silic loại n và loại p, nSi/pSi.
6 Nguyên lý cấu tạo pin mặt trời (trên) và môđun pin mặt trời (dưới)
Hiệu suất của các mô-đun pin mặt trời silic thương mại dao động từ 11-14%, và công nghệ sản xuất điện năng này hoàn toàn không gây ô nhiễm môi trường.
+ Công nghệ Nhiệt năng từ mặt trời
Nhiệt năng từ bức xạ mặt trời đã được ứng dụng lâu đời trong việc phơi sấy và sưởi ấm tự nhiên Hiện nay, với sự phát triển của các thiết bị mới, việc sử dụng nhiệt mặt trời trở nên hiệu quả hơn Hai công nghệ phổ biến trong việc khai thác nhiệt mặt trời bao gồm hiệu ứng nhà kính và hiệu ứng hội tụ bức xạ mặt trời.
Hiệu ứng nhà kính xảy ra khi các tấm kính cho phép bức xạ mặt trời với bước sóng nhỏ hơn 0,7 x 10^-6m đi qua, nhưng lại ngăn chặn bức xạ nhiệt có bước sóng lớn hơn Điều này dẫn đến việc các vật thể bị nung nóng khi tiếp xúc với các tia bức xạ này Từ đặc tính này, người ta đã phát triển các hộp thu năng lượng mặt trời để sản xuất nước nóng, sấy nông sản và sưởi ấm.
Cấu tạo và nguyên lý thu năng lượng mặt trời nhờ hiệu ứng nhà kính
Tia mặt trời xuyên qua tấm kính và được tấm hấp thụ hấp thụ phần lớn năng lượng, khiến tấm hấp thụ ngày càng nóng lên Nhiệt từ tấm hấp thụ có thể được sử dụng để đun nước, sấy, sưởi ấm, với hiệu suất thu nhiệt đạt đến 50% Để sản xuất điện từ năng lượng mặt trời, người ta sử dụng hệ thống gương cầu hoặc gương parabol để hội tụ tia mặt trời vào các điểm hội tụ, nơi nhiệt độ có thể đạt hàng trăm đến hàng nghìn độ Khi cho chất lỏng như nước hay dầu qua vùng hội tụ, chất lỏng sẽ bay hơi và được dẫn qua các tua bin để phát điện, công nghệ này được gọi là công nghệ nhiệt điện mặt trời.
2.3.1 Giới thiệu pin mặt trời
Pin Mặt Trời
Pin mặt trời, hay còn gọi là pin quang điện (PV), là hệ thống các tấm vật liệu đặc biệt có khả năng chuyển đổi quang năng từ ánh sáng mặt trời thành điện năng Các tế bào quang điện trong pin mặt trời được chế tạo từ các loại đơn tinh thể (monocrystalline) và đa tinh thể (polycrystalline) với hiệu suất cao từ 15% đến 18% Công suất của pin mặt trời dao động từ 25Wp đến 240Wp và có tuổi thọ trung bình lên đến 30 năm.
2.3.2 Lịch sử ra đời và phát triển của pin năng lượng mặt trời
Pin năng lượng mặt trời, hay còn gọi là tế bào quang điện, đang trở nên phổ biến nhờ khả năng chuyển đổi năng lượng hiệu quả và dễ dàng lắp đặt trên các tòa nhà cùng các cấu trúc khác.
Tấm pin năng lượng mặt trời, được phát hiện lần đầu vào năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel, là thiết bị chuyển hóa trực tiếp năng lượng ánh sáng mặt trời thành điện năng thông qua hiệu ứng quang điện Điện từ pin mặt trời, hay còn gọi là điện năng lượng mặt trời, được tạo ra bằng cách kết nối nhiều phần tử pin lại với nhau Công suất tối đa mà một tấm pin mặt trời có thể sản xuất phụ thuộc vào hiệu suất chuyển đổi quang năng thành điện năng và hiệu ứng quang điện của nó.
Năm 1883, Charles Fritts phát minh ra pin năng lượng mặt trời đầu tiên bằng cách phủ một lớp vàng mỏng lên mạch bán dẫn selen, mặc dù hiệu suất của thiết bị chỉ đạt 1% Russell Ohl được công nhận là người đã phát triển pin năng lượng mặt trời đầu tiên.
Năm 1946, Sven Ason Berglund đã phát triển một phương pháp nhằm nâng cao khả năng cảm nhận ánh sáng của pin Pin mặt trời, với ứng dụng vượt trội, đảm bảo tính an toàn và dễ sử dụng, đã trở thành nguồn năng lượng cho nhiều thiết bị như máy tính bỏ túi, laptop, đồng hồ đeo tay, điện thoại di động, đèn trang trí, đèn sân vườn, đèn tín hiệu, đèn đường, xe cộ, máy bay, robot tự hành và vệ tinh nhân tạo.