Thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời độc lập

MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC CÁC HÌNH iii CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1 1.1. Đặt vấn đề 1 1.2. Mục tiêu 1 1.3. Giới hạn 1 1.4. Nội dung nghiên cứu 1 1.5. Phương pháp nghiên cứu 2 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3 2.1. Tổng quan pin năng lượng mặt trời 3 2.1.1. Pin năng lượng mặt trời là gì? 3 2.1.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động pin mặt trời 3 2.2. Đặc điểm thiết kế chế tạo pin năng lượng mặt trời 10 2.2.1. Các thông số cần thiết để thiết kế hệ thống điện mặt trời 12 2.2.2. Các bước thiết kế hệ thống điện mặt trời 14 2.3. Ứng dụng và lợi ích khi sử dụng pin năng lượng mặt trời 20 2.3.2. Ứng dụng pin năng lượng mặt trời 20 2.3.3. Lợi ích khi sử dụng pin năng lượng mặt trời 23 2.4. Vòng đời của pin năng lượng mặt trời 27 2.5. Tái chế pin năng lượng mặt trời 29 CHƯƠNG 3. QUY TRÌNH TÁI CHẾ PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 32 3.1 Phế thải từ nguồn pin điện mặt trời 32 3.2 Công nghệ tái chế, xử lý phế thải điện mặt trời hiện nay trên thế giới 36 3.3 Phân tích quy trình công nghệ tái chế pin năng lượng mặt trời hiện nay 40 3.4 Đánh giá triển khai công nghệ tái chế cho hiệu suất cao 44 3.5 Công nghệ tái chế pin nào phù hợp cho Việt Nam 47 CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 50 4.1 Kết luận 50 4.2 Hướng phát triển 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51   DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 2. 1. Pin năng lượng mặt trời 3 Hình 2. 2. Hệ 2 mức năng lượng 4 Hình 2. 3. Các vùng năng lượng 5 Hình 2. 4. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 6 Hình 2. 5. Quan hệ η(Eg) 7 Hình 2. 6. Pin mặt trời 8 Hình 2. 7. Quá trình tạo module 9 Hình 2. 8. Cấu tạo module 10 Hình 2. 9. Hệ thống pin mặt trời 11 Hình 2. 10. Góc nghiêng β của hệ thống 13 Hình 2. 11. Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời 14 Hình 2. 12. Bộ Acquy 17 Hình 2. 13. Bộ điều khiển nạp phóng 17 Hình 2. 14. Bộ chuyển đổi 19 Hình 2. 15. Hệ thống điện năng lượng mặt trời a) Hệ thống độc lập, b) Hệ thống nối lưới 21 Hình 2. 16. Xe dùng pin mặt trời 21 Hình 2. 17. Đèn dùng pin mặt trời 22 Hình 2. 18. Lắp pin mặt trời ở nhà 22 Hình 2. 19. Hệ thống điện mặt trời ở Australia 23 Hình 2. 20. Lợi ích từ năng lượng mặt trời 23 Hình 2. 21. Mô hình năng lượng mặt trời trên mái nhà 24 Hình 2. 22. Giảm hóa đơn tiền điện 25 Hình 2. 23. Các loại tấm pin năng lượng mặt trời 26 Hình 2. 24. Năng lượng sạch tái tạo 27 Hình 2. 25. Nhứng tấm pin mặt trời đang được sử dụng 28 Hình 2. 26.Lắp đặt pin mặt trời 28 Hình 2. 27. Đầu tư điện mặt trời ngày càng phổ biến tại Việt Nam. 30 Hình 3. 1. Đầu tư điện mặt trời ngày càng phổ biến tại Việt Nam 32 Hình 3. 2. Nguy cơ ô nhiễm môi trường từ những tấm pin năng lượng mặt trời hết hạn sử dụng 34 Hình 3. 3. Cảnh báo về mức độ ô nhiễm mà tấm pin năng lượng mặt trời gây ra 35 Hình 3. 4. Điện mặt trời đang phát triển nhanh chóng trên khắp thế giới 37 Hình 3. 5. Công nghệ, quy trình xử lý, tái chế tấm pin mặt trời đã hết vòng đời 38 Hình 3. 6. Lợi ích của việc tái chế pin mặt trời 39 Hình 3. 7. Quy trình tái chế pin mặt trời 41 Hình 3. 8. Ắc quy axit chì là một loại pin mặt trời 43 Hình 3. 9. Tấm thu năng lượng mặt trời hoàn toàn tái chế được 9095% 44 Hình 3. 10. Không nên quá lo ngại với việc xử lý các tấm thu năng lượng mặt trời khi hết hạn sử dụng. 46 Hình 3. 11. Phát triển điện mặt trời cần đi đôi với trách nhiệm thu gom, xử lý các tấm pin mặt trời sau sử dụng 48   DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2. 1. Quan hệ giữa cường độ dòng điện và tiết diện dây dẫn 20 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Đặt vấn đề Bước vào thế kỷ 21, công nghệ pin năng lượng mặt trời (NLMT) đang có xu hướng phát triển mạnh. Hiện nay, nhiều quốc gia trên thế giới đã đầu tư rất lớn vào ngành công nghiệp NLMT. Bởi vì năng lượng mặt trời có rất nhiều các ứng dụng trong giao thông, năng lượng và cuộc sống sinh hoạt hàng ngày, tuy nhiên bên cạnh đó lượng rác thải pin năng lượng mặt trời hết tuổi thọ là rất lớn Theo bảng thống kê mới nhất từ The International Renewable Energy Agency (IRENA) và The International Energy Agency Photovoltaic Power Systems Programme (IEA – PVPS) lượng rác thải từ pin năng lượng mặt trời có thể đạt tới 78 triệu tấn vào năm 2050. Nếu được tái chế hoàn toàn thì giá trị của chúng vào khoảng 15 tỉ USD vào năm 2050. Tuy nhiên, để có thể có được một quy trình tái chế rác pin mặt trời này, cần có một quy trình chuyên biệt có thể tốn khá nhiều chi phí đầu tư ban đầu. Để có một ngành công nghiệp năng lượng xanh phát triển lâu dài thì việc xây dựng quy trình, cơ chế tái chế pin mặt trời là cần thiết phù hợp cho mỗi quốc gia hiện nay. Chính vì những lý do trên nhóm chúng em chọn đề tài: “Tái chế pin năng lượng mặt trời khi hết hạn sử dụng” 1.2. Mục tiêu Tìm hiểu quy trình công nghệ tái chế pin năng lượng mặt trời khi hết hạn sử dụng cho hiệu suất tái chế cao nhất. 1.3. Giới hạn Đề tài chỉ đề cập đến nghiên cứu về mặt lý thuyết, phân tích các quy trình công nghệ trong việc tái chế pin năng lượng mặt trời, những lợi ích kinh tế và hướng phát triển công nghệ tái chế trong tương lai. 1.4. Nội dung nghiên cứu  Tổng quan về vấn đề tái chế pin năng lượng mặt trời khi hết hạn sử dụng trên thế giới  Nhu cầu tái chế pin năng lượng mặt trời tại Việt Nam  Phân loại pin NLMT cho công việc tái chế pin  Phân tích các quy trình công nghệ tái chế pin năng lượng mặt trời  Lựa chọn công nghệ cho quá trình tái chế pin NLMT  Tóm tắt và kết luận   1.5. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu tài liệu thứ cấp: nhóm thực hiện phương pháp này để thực hiện các tài liệu có sẵn (sách, báo khoa học, luận văn, …) liên quan đến năng lượng mặt trời và việc tái chế pin năng lượng mặt trời khi hết hạn sử dụng. Phương pháp phân tích, so sánh, tổng hợp: Nhóm em sử dụng phương pháp này để phân tích cơ sở lý luận, phân tích thực trạng, đối chiếu giữa thực tế và lý luận, từ đó tổng hợp thành những quan điểm, luận điểm, những kết luận.   CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Tổng quan pin năng lượng mặt trời 2.1.1. Pin năng lượng mặt trời là gì? Năng lượng mặt trời được xem là dạng năng lượng ưu việt trong tương lai, đó là nguồn năng lượng sẵn, siêu sạch và miễn phí. Do vậy năng lượng mặt trời ngày càng được sử dụng rộng rãi ờ các quốc gia. Pin năng lượng mặt trời còn được gọi là Solar Panel, pin mặt trời là phương pháp sản xuất điện trực tiếp từ năng lượng mặt trời qua thiết bị biến đổi quang điện. Pin mặt trời có ưu điểm là gọn nhẹ có thể lắp bất kỳ ở đâu có ánh sáng mặt trời, đặc biệt là trong lĩnh vực tàu vũ trụ. Ứng dụng năng lượng mặt trời dưới dạng này được phát triển với tốc độ rất nhanh, nhất là ở các nước phát triển. Ngày nay con người đã ứng dụng pin mặt trời trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, để chạy xe và trong sinh hoạt thay thế dần nguồn năng lượng truyền thống.

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC CÁC HÌNH iii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu 1

1.3 Giới hạn 1

1.4 Nội dung nghiên cứu 1

1.5 Phương pháp nghiên cứu 2

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

2.1 Tổng quan pin năng lượng mặt trời 3

2.1.1 Pin năng lượng mặt trời là gì? 3

2.1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động pin mặt trời 3

2.2 Đặc điểm thiết kế chế tạo pin năng lượng mặt trời 10

2.2.1 Các thông số cần thiết để thiết kế hệ thống điện mặt trời 12

2.2.2 Các bước thiết kế hệ thống điện mặt trời 14

2.3 Ứng dụng và lợi ích khi sử dụng pin năng lượng mặt trời 20

2.3.2 Ứng dụng pin năng lượng mặt trời 20

2.3.3 Lợi ích khi sử dụng pin năng lượng mặt trời 23

2.4 Vòng đời của pin năng lượng mặt trời 27

2.5 Tái chế pin năng lượng mặt trời 29

CHƯƠNG 3 QUY TRÌNH TÁI CHẾ PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 32

3.1 Phế thải từ nguồn pin điện mặt trời 32

3.2 Công nghệ tái chế, xử lý phế thải điện mặt trời hiện nay trên thế giới 36

3.3 Phân tích quy trình công nghệ tái chế pin năng lượng mặt trời hiện nay 40

3.4 Đánh giá triển khai công nghệ tái chế cho hiệu suất cao 44

3.5 Công nghệ tái chế pin nào phù hợp cho Việt Nam 47

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 50

4.1 Kết luận 50

4.2 Hướng phát triển 50

TÀI LIỆU THAM KHẢO 51

DANH MỤC CÁC HÌ

Hình 2 1 Pin năng lượng mặt trời 3

Hình 2 2 Hệ 2 mức năng lượng 4

Hình 2 3 Các vùng năng lượng 5

Hình 2 4 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 6

Hình 2 5 Quan hệ η(EEg) 7

Hình 2 6 Pin mặt trời 8

Hình 2 7 Quá trình tạo module 9

Hình 2 8 Cấu tạo module 10

Hình 2 9 Hệ thống pin mặt trời 11

Hình 2 10 Góc nghiêng β của hệ thống 13

Hình 2 11 Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời 14

Hình 2 12 Bộ Acquy 17

Hình 2 13 Bộ điều khiển nạp phóng 17

Hình 2 14 Bộ chuyển đổi 19

Hình 2 15 Hệ thống điện năng lượng mặt trời a) Hệ thống độc lập, b) Hệ thống nối lưới 21

Hình 2 16 Xe dùng pin mặt trời 21

Hình 2 17 Đèn dùng pin mặt trời 22

Hình 2 18 Lắp pin mặt trời ở nhà 22

Hình 2 19 Hệ thống điện mặt trời ở Australia 23

Hình 2 20 Lợi ích từ năng lượng mặt trời 23

Hình 2 21 Mô hình năng lượng mặt trời trên mái nhà 24

Hình 2 22 Giảm hóa đơn tiền điện 25

Hình 2 23 Các loại tấm pin năng lượng mặt trời 26

Hình 2 24 Năng lượng sạch tái tạo 27

Hình 2 25 Nhứng tấm pin mặt trời đang được sử dụng 28

Hình 2 26.Lắp đặt pin mặt trời 28

Hình 2 27 Đầu tư điện mặt trời ngày càng phổ biến tại Việt Nam 30

Y Hình 3 1 Đầu tư điện mặt trời ngày càng phổ biến tại Việt Nam 32

Hình 3 2 Nguy cơ ô nhiễm môi trường từ những tấm pin năng lượng mặt trời hết hạn sử dụng 34

Hình 3 3 Cảnh báo về mức độ ô nhiễm mà tấm pin năng lượng mặt trời gây ra 35

Hình 3 4 Điện mặt trời đang phát triển nhanh chóng trên khắp thế giới 37

Hình 3 5 Công nghệ, quy trình xử lý, tái chế tấm pin mặt trời đã hết vòng đời 38

Hình 3 6 Lợi ích của việc tái chế pin mặt trời 39

Hình 3 7 Quy trình tái chế pin mặt trời 41

Hình 3 8 Ắc quy axit- chì là một loại pin mặt trời 43

Hình 3 9 Tấm thu năng lượng mặt trời hoàn toàn tái chế được 90-95% 44

Hình 3 10 Không nên quá lo ngại với việc xử lý các tấm thu năng lượng mặt trời khi hết hạn sử dụng 46

Hình 3 11 Phát triển điện mặt trời cần đi đôi với trách nhiệm thu gom, xử lý các tấm pin mặt trời sau sử dụng 48

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2 1 Quan hệ giữa cường độ dòng điện và tiết diện dây dẫn 20

gia hiện nay Chính vì những lý do trên nhóm chúng em chọn đề tài: “Tái chế pin năng

lượng mặt trời khi hết hạn sử dụng”

1.4 Nội dung nghiên cứu

 Tổng quan về vấn đề tái chế pin năng lượng mặt trời khi hết hạn sử dụng trên thếgiới

 Nhu cầu tái chế pin năng lượng mặt trời tại Việt Nam

 Phân loại pin NLMT cho công việc tái chế pin

 Phân tích các quy trình công nghệ tái chế pin năng lượng mặt trời

 Lựa chọn công nghệ cho quá trình tái chế pin NLMT

 Tóm tắt và kết luận

1.5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu tài liệu thứ cấp: nhóm thực hiện phương pháp này để thựchiện các tài liệu có sẵn (Esách, báo khoa học, luận văn, …) liên quan đến năng lượng mặttrời và việc tái chế pin năng lượng mặt trời khi hết hạn sử dụng

Phương pháp phân tích, so sánh, tổng hợp: Nhóm em sử dụng phương pháp này để phântích cơ sở lý luận, phân tích thực trạng, đối chiếu giữa thực tế và lý luận, từ đó tổng hợpthành những quan điểm, luận điểm, những kết luận

CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Tổng quan pin năng lượng mặt trời

2.1.1 Pin năng lượng mặt trời là gì?

Năng lượng mặt trời được xem là dạng năng lượng ưu việt trong tương lai, đó lànguồn năng lượng sẵn, siêu sạch và miễn phí Do vậy năng lượng mặt trời ngày càngđược sử dụng rộng rãi ờ các quốc gia

Pin năng lượng mặt trời còn được gọi là Solar Panel, pin mặt trời là phương phápsản xuất điện trực tiếp từ năng lượng mặt trời qua thiết bị biến đổi quang điện Pin mặttrời có ưu điểm là gọn nhẹ có thể lắp bất kỳ ở đâu có ánh sáng mặt trời, đặc biệt là tronglĩnh vực tàu vũ trụ Ứng dụng năng lượng mặt trời dưới dạng này được phát triển với tốc

độ rất nhanh, nhất là ở các nước phát triển Ngày nay con người đã ứng dụng pin mặt trờitrong lĩnh vực hàng không vũ trụ, để chạy xe và trong sinh hoạt thay thế dần nguồn nănglượng truyền thống

Hình 2 1 Pin năng lượng mặt trời 2.1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động pin mặt trời

Pin mặt trời làm việc theo nguyên lý là biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trờithành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện

a Hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp AlexandreEdmond Becquerel Tuy nhiên cho đến 1883 một pin năng lượng mới được tạo thành, bởiCharles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch

nối Thiết bị chỉ có hiệu suất 1%, Russell Ohl xem là người tạo ra pin năng lượng mặt trờiđầu tiên năm 1946 Sau đó Sven Ason Berglund đã có các phương pháp liên quan đếnviệc tăng khả năng cảm nhận ánh sáng của pin.

Khi nhận bức xạ mặt trời, photon có năng lượng hv tới hệ thống và bị điện tử ở vùnghóa trị thấp hấp thu và nó có thể chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự do e-, để lại

ở vùng hóa trị một lỗ trống có thể coi như hạt mang điện dương, ký hiệu là h+ Lỗ trốngnày có thể di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện

¿, tức là đãtạo ra một điện thế Hiện tượng đó gọi là hiệu ứng quang điện bên trong.

Hình 2 4 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

b Hiệu suất của quá trình biến đổi quang điện

Ta có thể xác định hiệu suất giới hạn về mặt lý thuyết η của quá trình biến đổi quangđiện của hệ thống 2 mức như sau:

J0 (Eλ) là mật độ photon có bước λ

J0 (Eλ)dλ là tổng số photon tới có bước sóng trong khoảng λ ÷ λ + dλ

hc/λ là năng lượng của photonλ là năng lượng của photon

Như vậy hiệu suất η là một hàm của Eg (EHình 2.5)

Bằng tính toán lý thuyết đối với chất bán dẫn Silicon thì hiệu suất η ≤ 0,44

c Cấu tạo, phân loại và nguyên lý hoạt động pin mặt trời

Pin quang điện mặt trời (EPV) làm nhiệm vụ chuyển hóa trực tiếp ánh sáng mặt trờithành điện năng theo hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện được các nhà khoa họctại Tập đoàn Điện thoại Bell tìm ra năm 1954, trên cơ sở nghiên cứu và phát triển ứngdụng cho hiệu ứng này, các công nghệ pin quang điện dần phát triển cho đến ngày nay.Hiện nay có nhiều cách phân loại pin quang điện mặt trời, tuy nhiên cách phân loại phổbiến và cụ thể nhất hiện nay là phân loại theo vật liệu chế tạo Theo đó, các công nghệ pinmặt trời hiện nay bao gồm:

- Công nghệ pin bán dẫn tinh thể Silicon (Ec-Si): chiếm khoảng 85 – 90% thị phầnpin mặt trời toàn cầu với hiệu suất chuyển đổi năng lượng trung bình khoảng 25% Côngnghệ pin tinh thể được chia thành hai nhóm lớn:

 Công nghệ pin đơn tinh thể (Esc – Si): Một tinh thể hay đơn tinh thể module sảnxuất dựa trên quá trình Czochralski, đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16% Chúngthường rất đắt tiền do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống

ở góc nối các module

 Công nghệ pin đa tinh thể (Emc – Si): Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc, đúc từ Silicnung chảy cẩn thận được làm nguội và làm rắn Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinhthể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông chephủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó

- Công nghệ pin màng mỏng (Ethin – film): hiện chiếm khoảng 10 – 15% thị phầnbán lẻ pin mặt trời toàn cầu với hiệu suất thấp hơn công nghệ pin tinh thể Silicon nhưngkhông nhiều Công nghệ này được chia thành ba họ pin lớn:

 Họ pin tinh thể vô định hình và vi tinh thể Silicon (Ea – Si/λ là năng lượng của photon µc – Si);

 Họ pin Cadmium – Telluride (ECdTe);

 Họ Copper – Indium – Diselenide (ECIS) và Copper – Indium – Gallium –Diselenide (ECIGS)

- Các công nghệ mới: phát triển từ các tế bào màng mỏng cải tiến và các tế bào hữu

cơ Hiện nay một số công nghệ đang chuẩn bị được thương mại hóa Trong đó nổi bật cáccông nghệ Perovskites, đa điểm lượng tử, ống nano – carbon, …

- Công nghệ quang tập trung (ECPV): sử dụng hệ thống tập trung quang học để tậptrung bức xạ mặt trời vào một tế bào quang điện hiệu suất rất cao Công nghệ này hiệnđang được thử nghiệm ở một vài nơi trên thế giới

- Các ý tưởng mới đang nghiên cứu hướng đến mục tiêu chế tạo các tế bào quangđiện hiệu suất siêu cao bằng các vật liệu cải tiến và nguyên lý chuyển hóa năng lượngmới Các ý tưởng này đã được xác nhận và đang trong giai đoạn nghiên cứu tại các phòngthí nghiệm về vật liệu và năng lượng trên thế giới

Hình 2 6 Pin mặt trời

Một lớp tiếp xúc bán dẫn PN có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặttrời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên trong gọi là pin mặt trời Pin mặt trờiđược sản xuất và ứng dụng phổ biến hiện nay là các pin mặt trời được chế tạo từ vật liệutinh thể bán dẫn Silicon (ESi) có hóa trị 4 Từ tinh thể Si tinh khiết, để có vật liệu tinh thểbán dẫn Si loại N, người ta pha tạp chất donor là Photpho có hóa trị 5 Còn có thể có vậtliệu bán dẫn tinh thể loại P thì tạp chất acceptor được dùng để pha vào Si là Bo có hóa trị

3 Đối với pin mặt trời từ vật liệu tinh thể Si khi bức xạ mặt trời chiếu đến thì hiệu điệnthế hở mạch giữa 2 cực khoảng 0,55 và dòng điện đoản mạch của nó khi bức xạ mặt trời

có cường độ 1000W/λ là năng lượng của photonm2 vào khoảng 25 ÷ 30 mA/λ là năng lượng của photoncm2

Công nghệ chế tạo pin mặt trời gồm nhiều công đoạn khác nhau, ví dụ để chế tạo pin mặttrời từ Silicon đa tinh thể cần qua các công đoạn như Hình 2.7 cuối cùng ta được module.

Hình 2 7 Quá trình tạo module

Hình 2 8 Cấu tạo module 2.2 Đặc điểm thiết kế chế tạo pin năng lượng mặt trời

Hệ thống điện mặt trời là một hệ thống bao gồm một số các thành phần như: các tấmpin mặt trời (Emáy phát điện), các tải tiêu thụ điện, các thiết bị tích trữ năng lượng và cácthiết bị điều phối năng lượng, …

Thiết kế một hệ thống điện mặt trời là xây dựng một quan hệ tương thích giữa các thànhphần của hệ về mặt định tính và định lượng, để đảm bảo một sự truyền tải năng lượnghiệu quả cao từ máy phát – pin mặt trời đến các tải tiêu thụ

Không như các hệ năng lượng khác, “nhiên liệu” của máy phát điện là bức xạ mặttrời, nó luôn thay đổi phức tạp theo thời gian, theo địa phương và phụ thuộc vào các điều

kiện khí hậu, thời tiết, … nên cùng với một tải điện yêu cầu, có thể có một số thiết kếkhác nhau tùy theo các thông số riêng của hệ Vì vậy, nói chung không nên áp dụng các

hệ thiết kế “mẫu” dùng cho tất cả hệ thống điện mặt trời

Hình 2 9 Hệ thống pin mặt trời

Thiết kế một hệ thống điện mặt trời bao gồm nhiều công đoạn, từ việc lựa chọn sơ

đồ khối, tính toán dung lượng dàn pin mặt trời và bộ acquy, thiết kế các thiết bị điện tửđiều phối như các bộ điều khiển, đổi điện, … đến việc tính toán lắp đặt các hệ giá đỡ pinmặt trời, hệ định hướng dàn pin mặt trời theo vị trí mặt trời, nhà xưởng đặt thiết bị, acquy,

… Trong tài liệu này chúng tôi chỉ giới thiệu những công đoạn quan trọng nhất như lựachọn sơ đồ khối, tính toán dung lượng dàn pin mặt trời, dung lượng acquy và lắp đặt hệthống

Trong hai thành phần được quan tâm ở đây: dàn pin mặt trời và bộ acquy là hai thànhphần chính của hệ thống và chiếm một tỉ trọng lớn nhất trong chi phí cho một hệ thốngđiện mặt trời Cùng một phụ tải tiêu thụ, có nhiều phương án lựa chọn hệ thống điện mặttrời trong đó giữa dung lượng dàn pin mặt trời và bộ acquy có quan hệ tương hỗ sau:

- Tăng dung lượng acquy thì giảm được dung lượng dàn pin mặt trời;

- Tăng dung lượng dàn pin mặt trời, giảm được dung lượng acquy

Tuy nhiên, nếu lựa chọn dung lượng dàn pin mặt trời quá nhỏ, thì acquy sẽ bị phóngkiệt hoặc luôn luôn bị “đói”, dẫn đến hư hỏng Ngược lại nếu dung lượng dàn pin mặt trờiquá lớn sẽ gây ra lãng phí lớn Do vậy phải lựa chọn thích hợp để hệ thống hoạt động cóhiệu quả nhất.

Trong thực tế có những hệ thống điện mặt trời nằm trong những tổ hợp hệ thốngnăng lượng, gồm hệ thống điện mặt trời, máy phát điện gió, máy phát diezen, … Trong hệthống đó, điện năng từ hệ thống điện mặt trời được “hòa” vào lưới điện chung của tổ hợp

hệ thống

2.2.1 Các thông số cần thiết để thiết kế hệ thống điện mặt trời

Để thiết kế, tính toán một hệ thống điện mặt trời trước hết cần một số thông số chính sauđây:

- Các yêu cầu và các đặc trưng của phụ tải;

- Vị trí lắp đặt hệ thống

Yêu cầu và các đặc trưng của phụ tải:

Đối với các phụ tải, cần phải biết các thông số sau:

- Gồm bao nhiêu thiết bị, các đặc trưng điện của mỗi thiết bị như công suất tiêu thụ,hiệu điện thế và tần số làm việc, hiệu suất của các thiết bị điện, …

- Thời gian làm việc của mỗi thiết bị bao gồm thời gian biểu và quãng thời giantrong ngày, trong tuần, trong tháng, …

- Thứ tự ưu tiên của các thiết bị Thiết bị nào cần phải hoạt động liên tục và yêu cầu

độ ổn định cao, thiết bị nào có thể ngừng tạm thời

Các thông số trên trước hết cần thiết cho việc lựa chọn sơ đồ khối Ví dụ nếu tải làmviệc vào ban đêm thì hệ cần phải có thành phần tích trữ năng lượng, tải làm việc với điệnxoay chiều hiệu điện thế cao thì cần dùng các bộ đổi điện Ngoài ra các thông số này cũngchính là cơ sở để tính toán định lượng dung lượng của hệ thống

Vị trí lắp đặt hệ thống

Yêu cầu này xuất phát từ việc thu nhập các số liệu về bức xạ mặt trời vá các số liệuthời tiết khí hậu khác Như đã trình bày, bức xạ mặt trời phụ thuộc vào từng địa điểm trênmặt đất và các điều kiện tự nhiên của địa điểm đó Các số liệu về bức xạ mặt trời và khíhậu, thời tiết được các trạm khí tượng ghi lại và xử lý trong các khoảng thời gian rất dài,hàng chục, có khi hàng trăm năm Vì các thông số này biến đổi rất phức tạp, nên với mụcđích thiết kế đúng hệ thống điện mặt trời cần phải lấy số liệu ở các trạm khí tượng đã hoạtđộng trên mười năm Cường độ bức xạ mặt trời tại một điểm bất kỳ trên trái đất chúng ta

có thể xác định theo công thức đã cho Khi thiết kế hệ thống điện mặt trời, rõ ràng để cho

hệ thống có thể cung cấp đủ năng lượng cho tải trong suốt cả năm, ta phải chọn giá trịcường độ tổng xạ của tháng thấp nhất trong năm làm cơ sở Tất nhiên khi đó, ở các tháng

mùa hè năng lượng của hệ sẽ dư thừa và có thể gây lãng phí lớn nếu không dùng thêm cáctải phụ Ta không thể dùng các bộ tích trữ năng lượng như acquy để tích trữ điện năngtrong các tháng mùa hè để dùng trong các tháng mùa đông vì không kinh tế Để giải quyêtvấn đề trên người ta có thể dùng thêm một nguồn điện dự phòng (Eví dụ máy phát diezen,máy nổ) cấp điện thêm cho những tháng có cường độ bức xạ mặt trời thấp hoặc sử dụngcông nghệ nguồn tổ hợp (Ehybrid system technology) Trong trường hợp này có thể chọncường độ bức xạ trung bình trong năm để tính toán và do đó giảm được dung lượng dànpin mặ trời.

Ngoài ra còn một thông số khác liên quan đến bức xạ mặt trời là số ngày không cónắng trung bình trong năm Nếu không tính đến thông số này, vào mùa mưa, có thể cómột số ngày không có nắng, acquy sẽ bị kiệt và tải phải ngừng hoạt động Muốn cho tải

có thể làm việc liên tục trong các ngày không có nắng cần phải tăng thêm dung lượngacquy dự trữ điện năng

Vị trí lắp đặt hệ thống điện mặt trời còn dùng để xác định góc nghiêng của dàn pinmặt trời sao cho khi đặt cố định hệ thống có thể nhận được tổng cường độ bức xạ lớnnhất

Hình 2 10 Góc nghiêng β của hệ thống

Nếu gọi β là góc nghiêng của dàn pin mặt trời so với mặt phẳng ngang (EHình 2.10),thì thông thường ta chọn β=φ+100 với φ là vĩ độ nơi lắp đặt Còn hướng, nếu ở bán cầuNam thì quy về hướng Bắc, nếu ở bán cầu Bắc thì quy về hướng Nam

Ngoài ra việc đặt nghiêng dàn pin còn có một ý nghĩa khác đó là khả năng tự làmsạch Khi có mưa, do mặt dàn pin nghiêng nên nước mưa sẽ tẩy rửa bụi bẩn bám trên mặtpin, làm tăng khả năng hấp thụ bức xạ mặt trời của dàn pin

Ở các vị trí lắp đặt khác nhau, nhiệt độ môi trường cũng khác nhau và do đó nhiệt độlàm việc của pin mặt trời cũng khác nhau Thông thường nhiệt độ làm việc của pin mặttrời cao hơn nhiệt độ môi trường (E20 ÷ 250C) và tùy thuộc vào tốc độ gió Vì khi nhiệt độtăng, hiệu suất của module pin mặt trời ɳM giảm và có thể biểu diễn bằng quan hệ sau:

ɳ M (T )=ɳ M(T C).{1+ P C (T −T C) } (E2 3)

Ở đây:

ɳ M (T ) là hiệu suất của module ở nhiệt độ T;

ɳ M(T C) là hiệu suất của module ở nhiệt độ chuẩn TC = 250C;

PC là hệ số nhiệt độ của module Trong tính toán thực tế thường lấy giá trị gần đúng bằng

P C=−0,005/¿0C

2.2.2 Các bước thiết kế hệ thống điện mặt trời

2.2.2.1 Lựa chọn sơ đồ khối

Từ sự phân tích các yêu cầu và các đặc trưng của các phụ tải điện ta sẽ chọn một sơ

đồ khối thích hợp Hình 2.11 là sơ đồ khối thường dùng với các hệ thống điện mặt trời

Hình 2 11 Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời

Các khối đưa vào trong hệ thống đều gây ra tổn hao năng lượng Vì vậy cần lựachọn sơ đồ khối sao cho số khối hay thành phần trong hệ là ít nhất Ví dụ, nếu tải là cácthiết bị 12VDC (Eđèn 12VDC, radio, TV đen trắng có ổ cắm điện 12VDC, … thì khôngnên dùng bộ biến đổi điện

2.2.2.2 Tính toán hệ nguồn điện pin mặt trời

Có nhiều phương pháp tính toán, thiết kế hệ nguồn điện pin mặt trời Ở đây chỉ nêumột phương pháp thông dụng nhất chủ yếu dựa trên sự cân bằng điện năng trung bìnhhàng ngày Theo phương pháp này, các tính toán hệ nguồn có thể được tiến hành quanhiều bước theo thứ tự sau

a Tính phụ tải điện yêu cầu

Phụ tải điện có thể tính theo hằng ngày và sau đó có thể tính theo tháng hoặc năm

Giả sử hệ cần cấp điện cho các tải T1, T2, T3, … có các công suất tiêu thụ tương ứng P1,P2, P3, … và thời gian làm việc hàng ngày của chúng là τ1, τ2, τ3, …

Tổng điện năng phải cấp hàng ngày cho các tải bằng tổng tất cả điện năng của các tải:

b Tính năng lượng điện mặt trời cần thiết Ecấp

Năng lượng điện hàng ngày dàn pin mặt trời cần phải cấp cho hệ, Ecấp được xác định theocông thức:

Với: ɳ1 = hiệu suất của thành phần thứ nhất, ví dụ bộ biến đổi điện;

ɳ2 = hiệu suất của thành phần thứ hai, ví dụ bộ điều khiển;

ɳ3 = hiệu suất nạp/λ là năng lượng của photon phóng điện của bộ acquy, v.v…

c Tính công suất dàn pin mặt trời Wp (EPeak Watt)

Công suất dàn pin mặt trời thường được tính ra công suất đỉnh hay cực đại (EPeakWatt, kí hiệu là Wp), tức là công suất mà dàn pin phát ra ở điều kiện chuẩn:

E0= 1000 W/λ là năng lượng của photonm2 và ở nhiệt độ chuẩn T0 = 250C

Ta tính cho trường hợp dàn pin mặt trời phải đảm bảo đủ năng lượng cho tải liên tục

cả năm Khi đó cường độ bức xạ mặt trời dùng để tính phải là cường độ bức xạ hàng ngàytrung bình của tháng thấp nhất trong năm

Nếu gọi EβƩ tổng cường độ bức xạ trên mặt phẳng đặt nghiêng một góc β so với mặtphẳng ngang được tính theo công thức cho sẵn Thì công suất dàn pin mặt trời tính raPeak Watt (EWP) sẽ là:

E℘=E cáp 1000 Wh/m2

trong đó cường độ tổng xạ trên mặt nghiêng EβƩ tính theo Wh/λ là năng lượng của photonm2 ngày và ta đã đặt cường

độ tổng xạ chuẩn E0 = 1000 W/λ là năng lượng của photonm2

Dung lượng dàn pin mặt trời E(EWP) tính theo công thức trên chỉ đủ cấp cho tải ở nhiệt

độ chuẩn T0 =250C Khi làm việc ngoài trời, do nhiệt độ của các pin mặt trời cao hơnnhiệt độ chuẩn, nên hiệu suất biến đổi quang điện của pin và modun của pin mặt trời bịgiảm Để hệ thống làm việc bình thường ta phải tăng dung lượng tấm pin lên Gọi dunglượng của dàn pin có kể đến hiệu ứng nhiệt độ là E(EWP, T) thì

E(℘,T)= E(W

P)

Trong đó ηM(ET) là hiệu suất của module ở nhiệt độ T.

Trong thực tế để thiết kế dàn pin mặt trời có công suất phù hợp với phụ tải còn phụthuộc rất nhiều yếu tố cụ thể Do vậy ngoài E(EWp, T) được tính theo công suất trên còn phảidựa nhiều vào kinh nghiệm của người thiết kế

d Tính số module mắc song song và nối tiếp

Trước hết cần lựa chọn loại module thích hợp có các đặc trưng cơ bản là:

- Thế làm việc tối ưu Vmd;

- Dòng điện làm việc tối ưu Imd;

Với K được chọn trong khoảng (E1÷1,2) tùy theo các điều kiện thực tế, và thườngđược gọi là các hệ số an toàn của hệ

e Dung lượng của bộ acquy tính theo Ampe – giờ, Ah

Dung lượng của bộ acquy tính ra Ah phụ thuộc vào hiệu điện thế làm việc của hệ V,

số ngày cần dữ trự năng lượng (Esố ngày không có nắng) D, hiệu suất nạp phóng điện củaacquy ηb, độ sâu phóng điện thích hợp DOS (Ekhoảng 0,6÷0,7) và được tính theo công thứcsau:

Trong công thức trên D là số ngày dự phòng không có nắng được lựa chọn dựa trên

số liệu khí tượng về số ngày không có nắng trung bình trong tháng đã nói ở trên và vàoyêu cầu thực tế của tải tiêu thụ Tuy nhiên không nên chọn D quá lớn, ví dụ > 10 ngày, vìkhi đó dung lượng acquy sẽ rất lớn, vừa tốn kém về chi phí, lại vừa làm cho acquy khôngkhi được nạp đầy, gây hư hỏng cho acquy Thông thường D được chọn trong khoảng từ 3đến 10 ngày

2.2.2.3 Các bộ điều phối năng lượng

Trong hệ nguồn pin mặt trời tổng quát được cho trong sơ đồ khối Hình 2.11 Các bộđiều phối năng lượng gồm có Bộ điều khiển quá trình nạp – phóng điện cho acquy và bộbiến đổi điện DC – AC Để thiết kế, chế tạo và lắp đặt các bộ điều phối này cần xác địnhmột số thông số cơ bản dưới đây

Bộ điều khiển nạp – phóng điện

Bộ điều khiển là một thiết bị điện tử có chức năng kiểm soát tự động các quá trìnhnạp và phóng điện của bộ caquy Bộ điều khiển theo dõi trạng thái của acquy thông quahiệu điện thế trên các điện cực của nó

Hình 2 13 Bộ điều khiển nạp phóng

Các thông số kỹ thuật chính dưới đây cần phải được quan tâm

- Ngưỡng điện thế cắt trên Vmax:

Ngưỡng điện thế cắt trên Vmax là giá trị hiệu điện thế trên hai cực của bộ acquy đã đượcnạp điện đầy, dung lượng đạt 100% Khi đó nếu tiếp tục nạp điện cho acquy thì acquy sẽ

bị quá đầy, dung dịch acquy sẽ bị sôi dẫn đến sự bay hơi nước và làm hư hỏng các bảncực Vì vậy khi có dấu hiệu acquy đã được nạp đầy, hiệu điện thế trên các cực bộ acquyđạt đến V = Vmax, thì bộ điều khiển sẽ tự động cắt hoặc hạn chế dòng điện nạp điện từ dànpin mặt trời Sau đó khi hiệu điện thế bộ acquy giảm xuống dưới giá trị ngưỡng, bộ điềukhiển lại tự động đóng mạch nạp lại

- Ngưỡng cắt dưới Vmin:

Ngưỡng điện thế cắt dưới Vmin là giá trị hiệu điện thế trên hai cực của bộ acquy khi acquy

đã phóng điện đến giá trị cận dưới của dung lượng acquy (Eví dụ, đối với acquy chì axit,khi trong acquy chỉ còn lại 30% dung lượng) Nếu tiếp tục sử dụng acquy thì nó sẽ bịphóng điện quá kiệt, dẫn đến hư hỏng acquy Vì vậy, khi bộ điều khiển nhận thấy hiệuđiện thế bộ acquy V ≤ Vmin thì nó sẽ tự động cắt mạch tải tiêu thụ Sau đó nếu hiệu điệnthế bộ acquy tăng lên trên giá trị ngưỡng, bộ điều khiển lại tự động đóng mạch nạp lại.Đối với acquy chì axit, hiệu điện thế chuẩn trên các cực của một bình là V = 12V, thìthông thường người ta chọn Vmax = (E14,0 ÷14,5)V, còn Vmin = (E10,5÷11)V

- Điện thế trễ ²V: là giá trị khoảng hiệu điện thế là số hiệu của các giá trị cắt trênhay cắt dưới và điện thế đóng mạch lại của bộ điều khiển, tức là:

∆ V =V max−V đ hay ∆ V =V min−V đ

Với Vđ là giá trị điện thế đóng mạch trở lại của bộ điều khiển Thông thường ²V khoảng

- Hiệu suất của bộ điều khiển phải càng cao càng tốt, ít nhất cũng phải đạt giá trị lớnhơn 85%

Bộ biến đổi điện DC – AC

Bộ biến đổi điện có chức năng biến đổi dòng điện một chiều (EDC) từ dàn pin mặ trời hoặc

từ bộ acquy thành dòng điện xoay chiều (EAC) Các thông số kỹ thuật chính cần quan tâmbao gồm:

- Thế vào Vin một chiều;

- Thế ra Vout xoay chiều;

… tức là những thiết bị có cuộn cảm thì phải dùng các bộ biến đổi có sóng ra dạng sin

Hình 2 14 Bộ chuyển đổi

- Vì hiệu điện thế trong hệ nguồn điện pin mặt trời thay đổi theo cường độ bức xạ vàtrạng thái nạp của acquy, nên các điện thế vào và ra của bộ điều khiển cũng như bộ biếnđổi điện phải được thiết kế trong một khoảng dao động khá rộng nào đó Ví dụ đối với hệnguồn làm việc với điện thế V = 12V thì bộ điều khiển và bộ đổi điện phải làm việc đượctrong giải điện thế từ Vmin = 10V đến Vmax = 15V

Để có thể dễ dàng kiểm tra, theo dõi quá trình hoạt động của hệ nói chung và của từngthành phần nói riêng cần phải lắp đặt thêm các bộ chỉ thị như:

- Chỉ thị điện thế ra, dòng ra của tấm pin mặt trời;

- Chỉ thị dòng và điện thế nạp acquy;

- Chỉ thị dòng và điện thế cấp cho tải;

- Chỉ thị mức độ nạp hoặc phóng điện cho acquy;

- Chỉ thị nhiệt độ của tấm pin mặt trời, của acquy hoặc của các thành phần kháctrong hệ thống

Nhờ các chỉ thị nay ta có thể nhanh chóng xác định được trạng thái làm việc của hệ,giúp tìm các hư hỏng trong hệ một cách dễ dàng hơn Không nhất thiết phải lắp đặt tất cảcác chỉ thị trên mà có thể chỉ cần một số chỉ thị quan trọng nhất tùy thuộc đặc điểm của hệnguồn

Để bảo vệ dàn pin mặt trời khỏi các hư hỏng trong các trường hợp một hoặc vài pinhay module trong dàn pin bị hư hỏng, bị bóng che, bị bụi bẩn bao phủ, … người ta dùngcác diode bảo vệ mắc song song Cần phải lựa chọn các diode thích hợp, tức là chịu đượcdòng điện và hiệu điện thế cực đại trong mạch của Diode Sự đưa vào các Diode bảo vệtrong mạch gây ra một tổn hao năng lượng của hệ và sút áp trong mạch Vì vậy cần phảitính đến các tổn hao này khi thiết kế, tính toán hệ năng lượng

Hộp nối và dây nối điện

Khi lắp đặt các module hay dàn pin mặt trời, bộ acquy, các bộ điều phối trong hệ vớinhau người ta dùng các hộp nối có các đầu nối riêng, tháo lắp dễ dàng Khi cần kiểm trasửa chữa, nhờ các hộp nối và đầu nối này, có thể tách riêng thành từng phần hoặc cácphần khác nhau trong một thành phần Các hộp nối và đầu nối của module pin mặt trờicần được bảo vệ cẩn thận vì nó phải làm việc lâu dài ở ngoài trời

Các hệ thống pin mặt trời bao giờ cũng có một phần hoặc toàn bộ hệ làm việc vớicác hiệu điện thế thấp (Eví dụ hiệu điện thế của tấm pin mặt trời và acquy thường là 12V,24V, 48V, …) nên dòng điện trong mạch lớn Vì vậy các dây nối trong hệ phải dùng loạitiết diện đủ lớn và bằng vật liệu có độ dẫn điện cao để giảm tổn hao năng lượng trên cácdây Việc lựa chọn tiết diện dây dẫn phụ thuộc vào cường độ dòng điện và vào vật liệudây dẫn (EBảng 2.1)

Bảng 2 1 Quan hệ giữa cường độ dòng điện và tiết diện dây dẫn

TT Tiết diện dây dẫn (Emm) Cường độ dòng điện (EA) đối với các vật liệu Cu Al Fe

5 6,0 31 24 12

2.3 Ứng dụng và lợi ích khi sử dụng pin năng lượng mặt trời

2.3.2 Ứng dụng pin năng lượng mặt trời

Ứng dụng quang điện mặt trời là kỹ thuật sử dụng công nghệ bán dẫn để chuyển hóatrực tiếp quang năng mặt trời thành điện năng Kỹ thuật này sử dụng các tế bào quangđiện (Ephotovoltaic cell – PV cell) để hấp thu và chuyển hóa quang năng mặt trời theo hiệuứng quang điện Điện năng sinh ra dưới dạng dòng điện một chiều (EDC) có thể được sửdụng trực tiếp cho các thiết bị điện một chiều, hoặc chuyển hóa thành dòng điện xoaychiều thông qua các bộ nghịch lưu dòng (Einverter), hoặc cũng có thể được tích trữ trongacquy để sử dụng về sau

Pin mặt trời có ưu điểm là gọn nhẹ có thể lắp bất kỳ ở đâu có ánh sáng mặt trời, đặcbiệt là trong lĩnh vực tàu vũ trụ Ứng dụng năng lượng mặt trời dưới dạng này được pháttriển với tốc độ rất nhanh, nhất là ở các nước phát triển Ngày nay con người đã ứng dụngpin mặt trời trong rất nhiều dụng cụ cá nhân như máy tính, đồng hồ và các đồ dùng hàngngày Pin mặt trời còn dùng để chạy xe ô tô thay thế dần nguồn nguyên liệu truyền thống,dùng thắp sáng đèn đường, đèn sân vườn và sử dụng trong từng hộ gia đình Trong côngnghiệp người ta cũng bắt đầu lắp đặ các hệ thống điện dùng pin mặt trời với công suấtlớn

Hình 2 15 Hệ thống điện năng lượng mặt trời a) Hệ thống độc lập, b) Hệ thống nối lưới

Hình 2 16 Xe dùng pin mặt trời

Hiện nay giá thành pin mặt trời còn khá cao, trung bình hiện nay khoảng 5USD/λ là năng lượng của photon

WP, nên ở những nước đang phát triển pin mặt trời hiện mới chỉ có khả năng duy nhất làcung cấp năng lượng điện sử dụng cho các vùng sâu, xa nơi mà đường điện quốc gia chưacó

Hình 2 19 Hệ thống điện mặt trời ở Australia 2.3.3 Lợi ích khi sử dụng pin năng lượng mặt trời

2.3.3.1 Tấm pin mặt trời giúp ngôi nhà được sạch sẽ an toàn