Xây dựng hệ thống AC bơm nước bằng pin mặt trời cho khu vực huyện tri tôn tỉnh an giang

Xây dựng hệ thống AC bơm nước bằng pin mặt trời cho khu vực huyện tri tôn tỉnh an giang Xây dựng hệ thống AC bơm nước bằng pin mặt trời cho khu vực huyện tri tôn tỉnh an giang Xây dựng hệ thống AC bơm nước bằng pin mặt trời cho khu vực huyện tri tôn tỉnh an giang Xây dựng hệ thống AC bơm nước bằng pin mặt trời cho khu vực huyện tri tôn tỉnh an giang

Trang 1

TÓM TẮT

Bơm nước tưới tiêu sử dụng pin năng lượng mặt trời đã được ứng dụng nhiều trong thực tế sản xuất hiện nay Nguồn năng lượng này đóng vai trò quang trọng trong việc giảm thiểu chi phí sản xuất nông nghiệp tại các vùng sâu, vùng xa, biên giới và hải đảo nơi việc kéo điện quốc gia gặp nhiều khó khăn về kỹ thuật và chi phí cao Năng lượng mặt trời luôn thay đổi theo điều kiện thời tiết, khí hậu và theo thời gian trong ngày Do

đó, để nâng cao hiệu quả sản xuất thì phải có giải pháp đưa điểm làm việc của tấm pin

về điểm công suất cực đại

Luận văn giải quyết vấn đề thiết kế và mô phỏng một hệ thống bơm nước sử dụng pin năng lượng mặt trời đơn giản và hiều quả Luận văn cung cấp các kiến thức lý thuyết

về pin quang điện và các kỹ thuật mô hình hóa sử dụng các mạch điện tương đương Trong mô hình, các giải thuật tìm điểm công suất cực đại (MPPT) của pin quang điện cũng được đề xuất

Chương trình mô phỏng Simulink/Matlab được dùng để kiểm tra hai mô hình trong điều khiển có và không có thuật toán MPPT Các thành phần trong hệ thống pin quang điện cũng được mô hình hóa hoàn chỉnh nhằm mục đích có thể mô phỏng toàn hệ thống

Nó bao gồm pin quang điện, mạch tăng áp BOOST, bộ điều khiển động cơ bơm, bơm nước sử dụng động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM)

Hệ thống được mô phỏng trong trường hợp có và không có thuật toán MPPT nhằm đánh giá hiệu quả mang lại của giải thuật MPPT trong việc nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống pin quang điện khi không áp dụng thuật toán MPPT

Trang 2

This thesis deals with the design and simulation of a simple but efficient photovoltaic water pumping system It provides theoretical studies of photovoltaics and modeling techniques using equivalent electric circuits The system employs the maximum power point tracker (MPPT) The investigation includes discussion of various MPPT algorithms and control methods

MATLAB simulations perform comparative tests of two model with and without MPPT algorithms Each subsystem modeled in order to simulate the whole system in MATLAB It employs SIMULINK to model a PMSM pump motor, and the model transferred into MATLAB Then, MATLAB simulations verify the system and functionality of MPPT Simulations also make comparisons with the system without MPPT in terms of total energy produced and total volume of water pumped per day The results validate that MPPT can significantly increase the efficiency and the performance

of PV water pumping system compared to the system without MPPT

Trang 3

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT iii

ABSTRACT iv

MỤC LỤC v

MỤC LỤC CÁC HÌNH viii

MỤC LỤC CÁC BẢNG xi

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT xii

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn 3

1.3 Phương pháp giải quyết 3

1.4 Phạm vi của luận văn 4

1.5 Điểm mới của luận văn 4

1.6 Giá trị thực tiển của đề tài 4

1.7 Bố cục của luận văn 5

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN HỆ THỐNG BƠM NƯỚC DÙNG PV 6

2.1 Tổng quan về pin năng lượng mặt trời 6

2.1.1 Hiện tượng quang điện 6

2.1.2 Cấu tạo và hoạt động của pin mặt trời 7

2.1.3 Phân loại pin mặt trời 9

2.2 Tổng quan một hệ thống điện năng lượng mặt trời 10

2.2.1 Bộ pin năng lượng mặt trời 11

2.2.2 Bộ chuyển đổi năng lượng điện 12

2.3 Tổng quan hệ thống bơm nước NLMT 13

Trang 4

2.3.1 Hiện trạng công nghệ 15

2.3.2 Nguyên tắc của một máy bơm nước năng lượng mặt trời 17

2.3.3 Các loại máy bơm nước năng lượng mặt trời 18

2.3.4 Nguồn cung cấp nước 19

2.3.5 Hệ thống PV 19

2.3.6 Động cơ cho máy bơm dựa trên PV 20

2.3.7 Bơm năng lượng mặt trời 21

2.3.7.1 Máy bơm động 22

2.3.7.2 Máy bơm kiểu piston 23

2.4 Hướng tiếp cận của luận văn về sử dụng pin mặt trời 23

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH TOÁN HỆ THỐNG BƠM NƯỚC PV 25

3.1 Pin năng lượng mặt trời và phương trình toán của pin năng lượng mặt trời 25

3.1.1 Phương trình tương đương của pin năng lượng mặt trời 25

3.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến pin năng lượng mặt trời 26

3.1.3 Phương trình tương đương của bộ pin năng lượng mặt trời 27

3.2 Các thuật toán xác định điểm công suất cực đại của pin mặt trời 30

3.2.1 Thuật toán nhiễu loạn và quan sát P&O 31

3.2.2 Thuật toán điện dẫn gia tăng INC 33

3.3 Cấu hình hệ thống bơm nước công suất nhỏ dùng NLMT 35

3.3.1 Cấu hình hệ thống bơm nước dùng NLMT được đề xuất 35

3.3.2 Nguyên lý làm việc của hệ thống bơm 36

3.3.2.1 Nguyên tắc cân bằng công suất trên tụ DC 36

3.3.2.2 Nguyên tắc điều khiển động cơ BLDC 38

3.3.2.3 Phương pháp điều khiển BLDC cải tiến 42

CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG 45

4.1 Mô hình hóa hệ thống bơm nước 45

4.1.1 Hệ thống pin năng lượng mặt trời 45

Trang 5

4.1.2 Mạch chuyển đổi DC/DC có chức năng MPPT 46

4.1.3 Động cơ PMSM 49

4.1.4 Mạch điều khiển động cơ PMSM 50

4.1.5 Đầu bơm nước 51

4.1.6 Kết nối các phần trong hệ thống bơm nước dùng PV 52

4.2 Kết quả mô phỏng 53

4.2.1 Khi cường độ bức xạ mặt trời không đổi 53

4.2.1.1 Khi cường độ bức xạ mặt trời 500W/m2 53

4.2.2 Khi cường độ bức xạ mặt trời thay đổi 58

4.2.2.1 Khi cường độ bức xạ mặt trời 500-700 W/m2 58

4.2.2.2 Khi cường độ bức xạ mặt trời 800-1000W/m2 59

CHƯƠNG 5: 65

5.1 Những nhiệm vụ đã hoàn thành 65

5.2 Những kiến nghị và hướng phát triển 65

TÀI LIỆU TRÍCH DẪN 67

Trang 6

MỤC LỤC CÁC HÌNH

Hình 2.1 Hiện tượng quang điện 6

Hình 2.2 Cấu tạo một tế bào pin mặt trời cơ bản 7

Hình 2.3 Nguyên lí hoạt động của một tế bào quang điện Silic 8

Hình 2.4 Một số tinh thể Silic 9

Hình 2.5 Tổng quan một hệ thống năng lượng mặt trời 11

Hình 2.6 Hình ảnh một bộ pin năng lượng mặt trời 12

Hình 2.7 Bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời 13

Hình 2.8 Sơ đồ hệ thống bơm nước PV trực tiếp cùng MPPT 14

Hình 2.9 Sơ đồ khối của hệ thống bơm nước PV DC trực tiếp 15

Hình 2.10 Sơ đồ khối của hệ thống bơm nước PV AC 16

Hình 2.11 Sơ đồ khối của hệ thống bơm nước PV với bộ lưu trữ pin 16

Hình 2.12 Máy bơm chuyển tích cực 22

Hình 3.1 Mạch điện tương đương của pin mặt trời 25

Hình 3.2 Mô hình pin mặt trời lý tưởng 27

Hình 3.3 Mô đun pin mặt trời 27

Hình 3.4 Đặc tuyến I-V với các bức xạ khác nhau 28

Hình 3.5 Đặc tuyến P-V với các bức xạ khác nhau 28

Hình 3.6 Đường đặc tuyến I-V tại S=1000W/m2 khi nhiệt độ pin thay đổi 29

Hình 3.7 Đường đặc tuyến P-V tại S=1000W/m2 khi nhiệt độ pin thay đổi 30

Hình 3.8 Cấu trúc điều khiển MPPT của dàn PV 31

Hình 3.9 Đường đặc tính P-V và thuật toán P&O 32

Hình 3.10 Lưu đồ thuật toán P&O 33

Hình 3.11 Đường đặc tính P-V và thuật toán INC 34

Hình 3.12 Lưu đồ thuật toán INC 35

Hình 3.13 Cấu hình hệ thống bơm nước được đề xuất 36

Trang 7

Hình 3.14 Hướng công suất trên thanh cái DC 37

Hình 3.15 Nguyên tắc ổn áp tụ DC của hệ thống bơm dựa trên PV 38

Hình 3.16 Mặt cắt và thứ tự pha trong BLDC 39

Hình 3.17 Sức điện động lý tưởng, dòng pha và tín hiệu cảm biến vị trí 40

Hình 3.18 Giản đồ đơn giản của một BLDC 41

Hình 3.19 Hệ thống điều khiển vòng đôi cho động cơ BLDC 43

Hình 3.20 Phương pháp điều khiển dòng trễ trên BLDC 44

Hình 4.1 Thông số của một tấm pin 250Wp thực tế 45

Hình 4.2 Thông số của dãy PV có công suất 2 kWp 45

Hình 4.3 Nguyên lý làm việc của mạch Boost 46

Hình 4.4 Mô hình hóa mô phỏng mạch Boost 47

Hình 4.5 Sơ đồ của khối MPPT trong mô hình mô phỏng 47

Hình 4.6 Chương trình thực thi MPPT 48

Hình 4.7 Mô hình mạch điều khiển hệ thống pin về điểm làm việc MPP 48

Hình 4.8 Nguyên lý làm việc của bộ điều khiển MPPT 49

Hình 4.9 Thông số động cơ được nhập vào mô hình mô phỏng 50

Hình 4.10 Mô hình bộ điều khiển động cơ bơm nước dựa trên điều khiển dòng trễ 50

Hình 4.11 Mô hình hóa đầu bơm trong hệ thống bơm nước 51

Hình 4.12 Sơ đồ mô hình mô phỏng hệ thống bơm nước PV được đề xuất 52

Hình 4.13 Sơ đồ chung của bộ điều khiển 53

Hình 4.14 Cường độ BXMT cấp cho dãy PV 54

Hình 4.15 Công suất thu được từ dãy PV khi BXMT đạt 500W/m2 54

Hình 4.16 Điện áp trên tụ DC khi BXMT đạt 500W/m2 54

Hình 4.17 Vận tốc động cơ khi BXMT đạt 500W/m2 54

Trang 8

Hình 4.27 Công suất thu được từ dãy PV khi BXMT đạt 500-700W/m2 58

Hình 4.28 Điện áp trên tụ DC khi BXMT đạt 500-700W/m2 59

Hình 4.29 Vận tốc động cơ khi BXMT đạt 500-700W/m2 59

Trang 9

MỤC LỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Thứ tự chuyển mạch của BLDC 41Bảng 4.1 Thông số động cơ 1.8 kW dùng trong mô phỏng 49

Trang 10

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Diễn giải

AC Alternating current Dòng điện xoay chiều

BXMT Bức xạ mặt trời

DC Direct current dòng điện một chiểu

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

INC Incremental Conductance algorithm Thuật toán điện dẫn gia tăng

Mppt Maximum power point tracking Thuật toán Bám điểm công suất cực đại nlmt Năng lượng mặt trời

P&O Perturb and Observe Thuật toán nhiễu loạn và quan sát

PV Photovoltaics pin điện mặt trời

Trang 11

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

1.1 Đặt vấn đề

Tài nguyên nước là điều cần thiết để đáp ứng nhu cầu của con người, bảo vệ sức khỏe và đảm bảo sản xuất lương thực, năng lượng và khôi phục hệ sinh thái cũng như phát triển kinh tế, xã hội và phát triển bền vững Tuy nhiên không phải ở đâu thì nhu cầu

về nước cũng đáp ứng đầy đủ Hiện nay tại các vùng sâu, vùng xa, biên giới và hải đảo vẫn còn thiếu nước sinh hoạt do điều kiện tự nhiên khó khăn cũng như ảnh hưởng của biến đổi khí hậu ngày càng trầm trọng

Tri Tôn là một huyện ở xa của Tỉnh An Giang, với dân cư chủ yếu sinh sống bằng nghề nông nghiệp nên đời sống còn nhiều khó khăn Tại các khu vực có nhiều núi nhỏ thì nhu cầu nước sinh hoạt và tưới tiêu còn gặp nhiều khó khăn hơn nữa do đặc thù dân

cư phân tán nên lưới điện không thể phủ hết các vùng và tổn thất trên lưới cao trong khi hiệu quả kinh tế thấp do chủ yếu cấp cho các phụ tải sinh hoạt Ngoài ra, do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và khai khác quá mức trên dòng Mekong nên nước mặt tại khu vực này sụt giảm nhanh chóng và không đủ cung cấp trong các tháng mùa khô Điều này làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến đời sống sinh hoạt và sản xuất của nhân dân trong vùng Nhu cầu về một hệ thống bơm bước giếng khoang có chi phí hợp lý trong vùng là rất lớn và rất cấp thiết hiện nay Giải pháp tình thế được đề xuất là kéo điện đi xa để cấp cho các máy bơm nước chạy điện hay dùng các máy bơm nước chạy dầu diesel hoặc xăng Giải pháp kéo điện đã được sử dụng nhưng với đường truyền xa, công suất nhỏ nên sụt áp lớn và hiệu suất bị giảm đi nhiều Ngoài ra, việc kéo điện tràn lan cũng làm tăng cao các nguy cơ mất an toàn điện khi các đường dây này là tự phát và thực hiện bởi người không chuyên môn, thiếu thiết bị hỗ trợ đúng tiêu chuẩn an toàn Giải pháp dùng máy xăng hay máy dầu trong bơm nước khá tiện lợi nhưng chi phí nhiên liệu lại quá cao Chỉ có thể giải quyết trong ngắn hạn chứ không thể giải quyết lâu dài bài toán bơm nước liên tục cho người dân

Trang 12

Các hệ thống bơm nước độc lập sử dụng điện năng lượng mặt trời có tính cơ động cao khi có thể lắp đặt ngay tại gần máy bơm nước nên nó có ưu điểm là không tổn hao, sụt áp Điều này giúp nâng cao hiệu quả sử dụng của hệ thống bơm Ngoài ra, các hệ thống bơm nước độc lập sử dụng điện năng lượng mặt trời không tốn chi phí vận hành khi so sánh với các hệ thống bơm nước chạy động cơ xăng dầu, nên xét trên tổng mức chi phí trong vòng đời hoạt động thì chi phí cho hệ thống bơm nước dùng pin quang điện

rẻ hơn rất nhiều Điều này giúp tiết kiệm chi phí, nâng cao lợi nhuận cho người dân Như vậy việc sử dụng các hệ thống bơm nước sử dụng điện năng lượng mặt trời có khả năng khắc phục được nhược điểm của các phương pháp bơm nước truyền thống khác tại địa phương

Đã có nhiều nghiên cứu về các hệ thống bơm nước sử dụng năng lượng mặt trời được đề xuất trong những năm gần đây Q Kou trong [1] đề xuất giải pháp nối trực tiếp các tấm pin vào các động cơ DC nhằm đơn giản hóa vận hành hệ thống bơm nước Các nghiên cứu trong [2][3][4] đã đề xuất giải pháp sử dụng bơm chuyển dịch thay thế các bơm ly tâm và truyền động bằng các động động cơ không đồng bộ rẻ tiền hơn đã làm giảm chi phí hệ thống và nâng cao hiệu suất bơm Để nâng cao hiệu suất các hệ thống bơm khi cường độ bức xạ mặt trời thay đổi, các nghiên cứu [5] đề xuất sử dụng các bộ lưu trữ trong điều hòa công suất công suất cấp cho các động cơ hoạt động Phương pháp này giúp nâng cao hiệu suất hệ thống bơm nhưng lại làm tăng chi phí đầu tư, bảo trì bảo dưỡng

Nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống bơm tại các điều kiện làm việc khác nhau, luận văn đề xuất giải thuật điều khiển có giải thuật bám điểm công suất cực đại của các tấm pin quang điện Giải thuật điều khiển mới đơn giản, tiết kiệm và hiệu quả khi so sánh với các phương pháp khác sẽ giúp nâng cao hơn nữa hiệu quả hoạt động của hệ thống Việc kiểm chứng được thực hiện qua mô hình hóa mô phỏng hệ thống bơm nước trên phần mềm Matlab/Simulink Việc kiểm chứng kết quả được thực hiện dựa trên

so sánh trường hợp có và không có giai thuật MPPT trong bộ điều khiển

Trang 13

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn

Qua phân tích định hướng nghiên cứu của luận văn và các hướng nghiên cứu chủ yếu về năng lượng mặt trời hiện nay, luận văn đặt ra các mục tiêu sau:

− Đề xuất một giải thuật vận hành hệ thống năng lượng mặt trời có khả năng thu nhận tối đa nguồn điện năng cung cấp từ các tấm pin trong các điều kiện bức xạ mặt trời khác nhau

− Đề xuất phương pháp điều khiển hệ thống pin quang điện dùng trong bơm nước không sử dụng bộ lưu trữ ác quy nhằm giảm giá thành mua sắm và chi phí bảo trì sửa chữa hệ thống bơm

− Xây dựng một mô hình mô phỏng điều khiển hệ thống pin năng lượng mặt trời dựa trên giải pháp được đề xuất

− Mô phỏng điều khiển hệ thống năng lượng mặt trời được xây dựng để kiểm chứng hiệu quả giải thuật được đề xuất

Qua phân tích các mục tiêu của luận văn, một số nhiệm vụ cụ thể cần phải đạt được trong luận văn được chỉ ra như sau:

− Tìm hiểu về pin năng lượng mặt trời qua các đặc trưng như cấu tạo, nguyên lý hoạt động, phương trình toán học tương đương

− Tìm hiểu tổng quan về các phương pháp điều khiển pin năng lượng mặt trời hiện nay

− Nghiên cứu về các phương pháp điều khiển điểm công suất cực đại của pin năng lượng mặt trời Các giải thuật điều khiển tiêu biểu và phân tích ưu nhược điểm của các phương pháp điều khiển này

1.3 Phương pháp giải quyết

− Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu

− Nghiên cứu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và mô hình toán của pin năng lượng mặt trời

Trang 14

− Nghiên cứu các giải thuật điều khiển về pin năng lượng mặt trời Đặc biệt các giải thuật tìm điểm công suất cực đại của pin

− Nghiên cứu các bộ chuyển đổi DC/DC hiện có nhằm tìm ra bộ chuyển đổi DC/DC phù hợp nhất cho luận văn

− Nghiên cứu các phương pháp điều khiển bộ chuyển đổi DC/DC trong vận hành

hệ thống pin năng lượng mặt trời

− Nghiên cứu phương pháp điều khiển động cơ PMSM có sự thay đổi liên tục của vận tốc khi bức xạ mặt trời thay đổi

− Nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống pin năng lượng mặt trời dùng trong bơm nước trên phần mềm Matlab/Simulink

1.4 Phạm vi của luận văn

Luận văn nghiên cứu và đề xuất một giải pháp bơm nước tưới tiêu dùng pin năng lượng mặt trời trong điều kiện không có điện lưới quốc gia tại khu vực Tri Tôn của Tỉnh

An Giang

1.5 Điểm mới của luận văn

Luận văn đề xuất một phương án sử dụng năng lượng mặt trời một cách hiệu quả nhất cho các vùng sâu, vùng xa, các vùng có điều kiện vị trí địa lý khó khăn nói chung

và vùng biên giới Huyện Tri Tôn thuộc Tỉnh An Giang

Với khả năng tận dụng triệt và cao nhất nguồn điện năng thu được từ mặt trời sẽ góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng của các hệ thống năng lượng mặt trời độc lập hiện nay

1.6 Giá trị thực tiển của đề tài

Kết quả thu được qua luận văn rất có ý nghĩa về mặt thực tiễn đời sống xã hội Qua luận văn, một giải pháp điều khiển mới được ứng dụng để nâng cao hiệu quả hoạt động trong các hệ thống năng lương mặt trời vận hành độc lập Các hệ thống pin được thiết kế hoạt động sao cho hiệu quả đem lại là nhiều nhất trong khi không phải tăng chi phí đầu

tư mua sắm pin

Trang 15

Kết quả của luận văn có thể được dùng làm mô hình dạy học trong các môn học liên quan đến năng lượng tái tạo, năng lượng mới Mô hình giúp cho sinh viên cũng như giáo viên có cách tiếp cận thực tế hơn về năng lượng mặt trời Ngoài ra, với các mạch điện tử được thiết kế và sử dụng trong mô hình cũng có thể được sử dụng làm các công

cụ mô phạm về lĩnh vực điện tử công suất

1.7 Bố cục của luận văn

Nội dung luận văn được trình bày trong 5 chương với các phần chính như sau: Nội dung luận văn được trình bày trong 5 chương với các phần chính như sau:

− Chương 1: Giới thiệu chung về luận văn Các cơ sở lý luận của luận văn

− Chương 2: Trình bày tổng quan về pin mặt trời và hệ thống điện năng lượng mặt trời

− Chương 3: Trình bày các phương trình toán học của pin mặt trời và các phương pháp điều khiển hệ thống pin mặt trời theo theo điểm công suất cực đại Ngoài

ra, trong chương 3 sẽ đề xuất phương pháp vận hành hệ thống năng lượng mặt trời mới được đề xuất trong luận văn một cách chi tiết và cụ thể

− Chương 4: Trình bày cách thức xây dựng nên một hệ thống năng lượng mặt trời hoạt động độc lập theo đề xuất được đưa ra trong chương 3 Hệ thống này được

mô hình hóa và mô phỏng một cách chi tiết và cụ thể

− Chương 5: Nêu lên các kết luận và đánh giá về luận văn Ngoài ra, với các kết quả thu được, luận văn sẽ đề xuất hướng phát triển tiếp theo của đề tài

Trang 16

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN HỆ THỐNG BƠM NƯỚC DÙNG PV

2.1 Tổng quan về pin năng lượng mặt trời

2.1.1 Hiện tượng quang điện

Hiệu ứng quang điện là một hiện tượng điện - lượng tử, trong đó các điện tử được thoát ra khỏi nguyên tử (quang điện trong) hay vật chất (quang điện thường) sau khi hấp thụ năng lượng từ các photon trong ánh sáng làm nguyên tử chuyển sang trạng thái kích thích làm bắn electron ra ngoài Hiệu ứng quang điện đôi khi được người ta dùng với cái tên Hiệu ứng Hertz, do nhà khoa học Heinrich Hertz tìm ra

Việc nghiên cứu hiệu ứng quang điện đưa tới những bước quan trọng trong việc tìm hiểu về lượng tử ánh sáng và các electron, cũng như tác động đến sự hình thành khái niệm lưỡng tính sóng hạt

Hình 2.1 Hiện tượng quang điện Hiện tượng quang điện xảy ra như trong mô tả trong Hình 2.1 Khi bề mặt của một tấm kim loại được chiếu bởi bức xạ điện từ có tần số lớn hơn một tần số ngưỡng (tần số ngưỡng này là giá trị đặc trưng cho chất làm nên tấm kim loại này), các điện tử sẽ hấp thụ năng lượng từ các photon và sinh ra dòng điện (gọi là dòng quang điện) Khi các điện

tử bị bật ra khỏi bề mặt của tấm kim loại, ta có hiệu ứng quang điện ngoài (external photoelectric effect) Các điện tử không thể phát ra nếu tần số của bức xạ nhỏ hơn tần số ngưỡng bởi điện tử không được cung cấp đủ năng lượng cần thiết để vượt ra khỏi rào thế (gọi là công thoát) Điện tử phát xạ ra dưới tác dụng của bức xạ điện từ được gọi là quang

Trang 17

điện tử Ở một số chất khác, khi được chiếu sáng với tần số vượt trên tần số ngưỡng, các điện tử không bật ra khỏi bề mặt, mà thoát ra khỏi liên kết với nguyên tử, trở thành điện

tử tự do (điện tử dẫn) chuyển động trong lòng của khối vật dẫn, và ta có hiệu ứng quang điện trong (internal photoelectric effect) Hiệu ứng này dẫn đến sự thay đổi về tính chất dẫn điện của vật dẫn, do đó, người ta còn gọi hiệu ứng này là hiệu ứng quang dẫn 2.1.2 Cấu tạo và hoạt động của pin mặt trời

Với nhu cầu phát ra điện năng từ nguồn năng lượng mặt trời, các tấm pin năng lượng mặt trời được chế tạo dựa trên hiệu ứng quang điện Vật liệu xuất phát để làm Pin năng lượng mặt trời Silic phải là bán dẫn Silic tinh khiết Ở dạng tinh khiết, còn gọi là bán dẫn ròng số hạt tải (hạt mang điện) là Electron và số hạt tải là lỗ trống (Hole) như nhau

Để làm Pin năng lượng mặt trời từ bán dẫn tinh khiết phải làm ra bán dẫn loại N

và bán dẫn loại P rồi ghép lại với nhau cho nó có được tiếp xúc P- N

Hình 2.2 Cấu tạo một tế bào pin mặt trời cơ bản

Thực tế thì xuất phát từ một phiến bán dẫn tinh khiết tức là chỉ có các nguyên tử Si

để tiếp xúc P- N, người ta phải pha thêm vào một ít nguyên tử khác loại, gọi là pha tạp Nguyên tử Si có 4 Electron ở vành ngoài, cùng dùng để liên kết với bốn nguyên tử Si

Trang 18

gần đó (cấu trúc kiểu như kim cương) Nếu pha tạp vào Si một ít nguyên tử phôt-pho P

có 5 Electron ở vành ngoài, Electron thừa ra không dùng để liên kết nên dễ chuyển động hơn làm cho bán dẫn pha tạp trở thành có tính dẫn điện Electron, tức là bán dẫn loại N (Negatif - âm) Ngược lại nếu pha tạp vào Si một ít nguyên tử bo B có 3 Electron ở vành ngoài, tức là thiếu một Electron mới đủ tạo thành 4 mối liên kết nên có thể nói là tạo thành lỗ trống (Hole) Vì là thiếu Electron nên lỗ trống mạng điện dương, bán dẫn pha tạp trở thành có tính dẫn điện lỗ trống, tức là bán dẫn loại P (Positif - dương) Vậy trên

cơ sở bán dẫn tinh khiết có thể pha tạp để trở thành có lớp là bán dẫn loại N, có lớp bán dẫn loại P, lớp tiếp giáp giữa hai loạị chính là lớp chuyển tiếp P- N Ở chỗ tiếp xúc P- N này một ít Electron ở bán dẫn loại N chạy sang bán dẫn loại P lấp vào lỗ trống thiếu Electron, ở đó Kết quả là ở lớp tiếp xúc P- N có một vùng thiếu Electron cũng thiếu cả

lỗ trống, người ta gọi đó là vùng nghèo Sự dịch chuyển điện tử để lấp vào lỗ trống tạo

ra vùng nghèo này cũng tạo nên hiệu thế gọi là hiệu thế ở tiếp xúc P- N, đối với Si vào

cỡ 0,6V đến 0,7V Đây là hiệu thế sinh ra ở chỗ tiếp xúc không tạo ra dòng điện được

Hình 2.3 Nguyên lí hoạt động của một tế bào quang điện Silic Nhưng nếu đưa phiến bán dẫn đã tạo lớp tiếp xúc P- N phơi cho ánh sáng mặt trời chiếu vào thì Photon của ánh sáng mặt trời có thể kích thích làm cho điện tử đang liên

Trang 19

kết với nguyên tử bị bật ra khỏi nguyên tử, đồng thời ở nguyên tử xuất hiện chỗ trống vì thiếu Electron, người ta gọi là Photon đến tạo ra cặp Electron - lỗ trống Nếu cặp Electron

- lỗ trống này sinh ra ở gần chỗ có tiếp P- N thì hiệu thế tiếp xúc sẽ đẩy Electron về một bên (bên bán dẫn N) đẩy lỗ trống về một bên (bên bán dẫn P) Nhưng cơ bản là Electron

đã nhảy từ miền hoá trị (dùng để liên kết) lên miền dẫn ở mức cao hơn, có thể chuyển động tự do Càng có nhiều Photon chiếu đến càng có nhiều cơ hội để Electron nhảy lên miền dẫn

Nếu ở bên ngoài ta dùng một dây dẫn nối bán dẫn loại N với bán dẫn loại P (qua một phụ tải như lèn LED chẳng hạn) thì Electron từ miền dẫn của bán dẫn loại N sẽ qua mạch ngoài chuyển đến bán dẫn loại P lấp vào các lỗ trống Đó là dòng điện Pin năng lượng mặt trời Silic sinh ra khi được chiếu sáng Dùng bán dẫn Silic tạo ra tiếp xúc P- N

để từ đó làm Pin năng lượng mặt trời là một tiến bộ lớn trên con đường trực tiếp biến ánh sáng mặt trời thành dòng điện để sử dụng Tuy nhiên Pin năng lượng mặt trời Silic

có một số hạn chế về kinh tế, kỹ thuật

2.1.3 Phân loại pin mặt trời

Cho tới nay thì vật liệu chủ yếu cho Pin năng lượng mặt trời (và cho các thiết bị bán dẫn) là các Silic tinh thể Pin năng lượng mặt trời từ tinh thể Silic chia ra thành 3 loại:

Hình 2.4 Một số tinh thể Silic

Trang 20

− Một tinh thể hay đơn tinh thể Module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16% Chúng thường rất mắc tiền do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các Module

− Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc- đúc từ Silic nung chảy cẩn thận được làm nguội

và làm rắn Các tấm Pin năng lượng mặt trời này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó

− Dải Silic tạo từ các miếng phim mỏng từ Silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi Silicon Các công nghệ trên là sản xuất tấm, nói cách khác, các loại trên có độ dày 300μm tạo thành và xếp lại để tạo nên Module

2.2 Tổng quan một hệ thống điện năng lượng mặt trời

Pin năng lượng mặt trời đóng vai trò là một máy phát điện có nhiên liệu đầu vào là năng lượng mặt trời và đầu ra là một nguồn dòng DC Để có thể sử dụng được nguồn điện năng này thì cần phải có sự trợ giúp của các thiết bị chuyển đổi nguồn điện thích hợp nhằm cung cấp cho các thiết bị tiêu thụ nguồn điện phù hợp với chúng Dựa vào đặt tính tải là AC hay DC sẽ có các bộ chuyển đổi điện tương ứng Các tấm pin năng lượng mặt trời kết hợp với các thiết bị chuyển đổi năng lượng và các phụ tải tiêu thụ sẽ tạo thành một hệ thống điện năng lượng mặt trời như được mô tả trong Hình 2.5

Trang 21

Hình 2.5 Tổng quan một hệ thống năng lượng mặt trời

Do có khả năng thích ứng cao với môi trường làm việc nên có nhiều cấu hình hoạt động được đề xuất cho một hệ thống năng lượng mặt trời cụ thể Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu hình một hệ thống pin năng lượng mặt trời có thể kể đến là chế độ vận hành nối lưới hay độc lập, có yêu cầu dự trữ năng lượng hay không, có cấp nguồn cho các thiết bị

DC hay không…Một số các thành phần cơ bản của một hệ thống năng lượng mặt trời như được trình bày dưới đây

2.2.1 Bộ pin năng lượng mặt trời

Các tấm pin có điện áp thấp tương tự điện áp phân cực thuận của một diot (vào khoảng 0.6-0.8 Vdc) nên không thể sử dụng được ngay Các tấm pin này thường được mắc chung lại với nhau theo kiểu nối tiếp hoặc song song hoặc vừa nối tiếp vừa song song để có thể dùng được Các tấm pin sau khi ghép chung lại với nhau được gọi là một panel

Trong thực tế, các nhà sản xuất pin năng lượng mặt trời chỉ bán các panel với các công suất khác nhau cho khách hàng sử dụng cuối Dựa vào nhu cầu công suất cụ thể mà

Trang 22

các khách hàng mua một hay nhiều tấm panel về ghép lại với nhau thành một bộ pin năng lượng mặt trời để dùng Hình 2.6 miêu tả một bộ pin năng lượng mặt trời sau lắp đặt hoàn chỉnh

Hình 2.6 Hình ảnh một bộ pin năng lượng mặt trời

2.2.2 Bộ chuyển đổi năng lượng điện

Điện áp hoạt động của thiết bị và điện áp hoạt động của bộ pin năng lượng mặt trời

là khác nhau nên để có thể phối hợp hoạt động thì chúng phải có các bộ chuyển đổi năng lượng phù hợp Nếu tải AC thì bộ chuyển đổi là bộ DC/AC, còn ngược lại, nếu tải là tải

DC thì bộ chuyển đổi sẽ là bộ chuyển đổi DC/DC

Trang 23

Hình 2.7 Bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời Hiện nay, với yêu cầu chất lượng cao nên các bộ chuyển đổi cũng được thiết kế ngày càng hiện đại và tích hợp thêm nhiều tính năng mới vào bên trong nó như khả năng xác định được điểm công suất cực đại, khả năng nhận biết lỗi pin năng lượng mặt trời… Các tính năng này làm cho bộ chuyển đổi thêm dễ sử dụng và nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng mặt trời

2.3 Tổng quan hệ thống bơm nước NLMT

Bơm nước trên thế giới thường phụ thuộc vào điện lưới hoặc điện từ máy phát diesel Bơm nước bằng năng lượng mặt trời giảm thiểu sự phụ thuộc vào điện diesel, khí hoặc than Việc sử dụng các hệ thống bơm nước dựa trên diesel hoặc xăng dầu không chỉ đòi hỏi nhiên liệu đắt tiền, mà còn tạo ra tiếng ồn và ô nhiễm không khí Tổng chi phí trả trước, chi phí vận hành và bảo trì, và thay thế máy bơm diesel cao gấp 2 - 4 lần

so với máy bơm quang điện mặt trời (PV) Hệ thống bơm năng lượng mặt trời thân thiện với môi trường và yêu cầu bảo dưỡng thấp mà không tốn nhiên liệu [6] Theo dõi sự thiếu hụt điện lưới ở các vùng nông thôn và vùng sâu vùng xa ở hầu hết các nơi trên thế giới, bơm PV là một trong những ứng dụng năng lượng mặt trời hứa hẹn nhất Công nghệ này tương tự như bất kỳ hệ thống bơm nước thông thường nào khác ngoại trừ nguồn điện được cấp từ nguồn năng lượng mặt trời Việc bơm nước PV đang trở nên quan trọng trong những năm gần đây do sự thiếu điện tại các vùng nông thôn và tăng giá dầu diesel Tốc độ dòng chảy của nước trong bơm phụ thuộc vào bức xạ mặt trời và kích cỡ của tấm

PV Một hệ thống PV được thiết kế phù hợp giúp tiết kiệm chi phí dài hạn đáng kể so với các hệ thống bơm thông thường Ngoài ra, các bồn chứa có thể được sử dụng để lưu trữ nước thay cho yêu cầu của pin để lưu trữ điện [7]

Sản xuất nông nghiệp ở các nước đang phát triển phần lớn phụ thuộc vào mưa và

bị ảnh hưởng bất lợi bởi sự thiếu nước trong mùa hè Tuy nhiên, bức xạ mặt trời tối đa

có sẵn trong mùa hè vì nhiều nước hơn có thể được bơm để đáp ứng các yêu cầu về nước tăng lên Các hệ thống cấp nước đô thị cũng phụ thuộc vào điện để bơm nước ở các thị

Trang 24

trấn Hệ thống bơm PV có một phạm vi ứng dụng rất rộng cho các nguồn cung cấp nước

ở các cơ sở giáo dục ở nông thôn, thành thị, cộng đồng, công nghiệp và giáo dục

Hình 2.8 Sơ đồ hệ thống bơm nước PV trực tiếp cùng MPPT

Trong nghiên cứu này, một bài đánh giá hiện trạng nghiên cứu và sử dụng công nghệ bơm nước mặt trời được trình bày Nghiên cứu tập trung vào sự tiến bộ gần đây của công nghệ bơm PV bao gồm:

− Đánh giá hiệu suất

− Tối ưu hóa kích thước

− Mô hình hóa và mô phỏng

− Khả năng cung cấp điện cho các lĩnh vực bơm nước về tính kinh tế và môi trường

− Khả năng ứng dụng của hệ thống bơm nước cho tưới tiêu, chăn nuôi và cung cấp nước trong cộng đồng ở nông thôn, thành thị và vùng sâu vùng xa

Các nghiên cứu về hệ thống bơm nước quang điện của các hệ thống bơm khác nhau được trình bày để nghiên cứu tiếp theo Mục tiêu chính của nghiên cứu là trình bày tình trạng nghiên cứu hiện tại, và xác định khoảng trống nghiên cứu và trở ngại trong việc

Trang 25

phổ biến rộng rãi công nghệ bơm nước mặt trời Các vấn đề chiến lược và chính sách cho việc thúc đẩy bơm nước PV cũng được trình bày

2.3.1 Hiện trạng công nghệ

Hình 2.9 Sơ đồ khối của hệ thống bơm nước PV DC trực tiếp

Một hệ thống bơm nước PV bao gồm một mảng PV, một bộ bơm nước loại bỏ chìm trong nước hoặc động cơ nằm trên mặt đất sử dụng điện một chiều hoặc xoay chiều và các thiết bị điện tử kèm theo thiết bị điện tử Dãy PV được gắn trên một cấu trúc phù hợp với việc cung cấp theo dõi thủ công hoặc tự động Nước được bơm trong ngày và được lưu trữ trong các bể chứa, để sử dụng vào ban ngày, ban đêm hoặc trong điều kiện

có mây Bình chứa nước hoạt động như lưu trữ và thường không sử dụng pin để lưu trữ điện PV Tuy nhiên, đối với các yêu cầu đáng tin cậy cụ thể, nó có thể được sử dụng Các thành phần được sử dụng trong hệ thống bơm nước PV phải phù hợp với các thông

số quốc gia / quốc tế, tùy theo điều kiện nào được áp dụng ở một quốc gia

Bơm năng lượng mặt trời DC kết hợp trực tiếp lần đầu tiên được giới thiệu trong lĩnh vực này vào cuối những năm 1970 Trước đó, hệ thống bơm nước của PV có những hạn chế về hiệu suất tổng thể của hệ thống do thiếu thiết kế phù hợp Kể từ đó, các nhà sản xuất đã tái sản xuất các sản phẩm của họ để cải thiện hiệu suất và độ tin cậy Sự giảm

Trang 26

giá ổn định của các tấm quang điện mặt trời (PV) đã khiến cho việc bơm năng lượng mặt trời trở nên khả thi về mặt kinh tế cho một loạt các ứng dụng ngày càng rộng Các máy bơm năng lượng mặt trời DC kết hợp trực tiếp đơn giản và đáng tin cậy [1] nhưng không thể hoạt động ở điểm phát điện tối đa của máy phát điện PV vì bức xạ mặt trời thay đổi vào ban ngày từ sáng đến tối Tuy nhiên, thêm một bộ theo dõi điểm mạnh nhất (MPPT)

và điều khiển / bảo vệ sẽ cải thiện hiệu suất của một máy bơm PV

Hình 2.10 Sơ đồ khối của hệ thống bơm nước PV AC

Hình 2.11 Sơ đồ khối của hệ thống bơm nước PV với bộ lưu trữ pin

Hệ thống bơm nước PV đã thể hiện những tiến bộ đáng kể trong thập kỷ qua Hệ thống bơm PV thế hệ đầu tiên được sử dụng máy bơm ly tâm thường được điều khiển bởi động cơ DC và động cơ xoay chiều (AC), với độ tin cậy lâu dài và hiệu suất thủy lực

Trang 27

thay đổi từ 25% đến 35% Các hệ thống bơm PV thế hệ thứ hai sử dụng bơm chuyển tích cực, bơm khoang hoặc bơm màng, thường được đặc trưng bởi yêu cầu công suất đầu vào

PV thấp, chi phí vốn thấp và hiệu suất thủy lực cao thậm chí 70% [2]

Công nghệ bơm năng lượng mặt trời hiện nay sử dụng các hệ thống điện tử giúp tăng cường công suất đầu ra, hiệu suất của hệ thống và hiệu quả tổng thể của hệ thống

Bộ điều khiển cung cấp đầu vào để theo dõi mức két chứa, kiểm soát tốc độ bơm và sử dụng công nghệ theo dõi điểm tối đa để tối ưu hóa nước Tiến bộ đã diễn ra trong cơ chế theo dõi của các mảng PV từ theo dõi thủ công đến các hệ thống theo dõi tự động trục kép bằng lập trình vi điều khiển để các tấm PV luôn vuông góc với mặt trời Theo dõi mặt trời làm giảm kích thước vật lý của khu vực bảng điều khiển PV cần thiết cho một đầu ra nhất định, cải thiện năng suất điện, hiệu suất tổng thể của hệ thống và lợi tức đầu

tư Theo dõi hệ thống bơm năng lượng mặt trời kéo dài thời gian cho năng suất nước đỉnh Các máy bơm năng lượng mặt trời có sẵn trên thị trường có thể nâng nước từ 5 m lên hơn 200 m với đầu ra lên đến 250 m³/ngày

Trong 15 năm qua, cải tiến đáng kể đã được thực hiện trong các máy bơm động cơ xoắn ốc (máy bơm chuyển động tích cực) được chìm và kéo dài trong nhiều năm và được trang bị động cơ tương tự như được sử dụng cho máy bơm ly tâm Tiến bộ đã được đặt trong lĩnh vực bộ điều khiển cho các mảng PV kích thước lớn theo thứ tự 25 kW với bộ điều khiển 100 kW dự kiến sẽ được phát triển trong tương lai gần [8] Chi phí mô-đun

PV đã giảm đáng kể và có sẵn ở mức 0,59 đô la Mỹ / Wp trong năm 2014 so với khoảng

1 đô la Mỹ / năm vào năm 2012 ở Ấn Độ Điều này ảnh hưởng đáng kể đến chi phí tổng thể của hệ thống bơm vì các mô đun PV chiếm 60-80% tổng chi phí của một hệ thống

PV Sự gia tăng ổn định chi phí giá dầu diesel và xăng dầu qua các năm và giảm chi phí của hệ thống PV khiến cho PV bơm hấp dẫn từ góc độ tài chính Hơn nữa, các mô-đun

PV tinh thể với hiệu suất cao 16,84 - 21,5% có sẵn trên thị trường quốc tế vào năm 2014 Trong phần dưới đây, tổng quan về công nghệ bơm nước mặt trời được trình bày 2.3.2 Nguyên tắc của một máy bơm nước năng lượng mặt trời

Trang 28

Bơm nước bằng năng lượng mặt trời dựa trên công nghệ PV chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện để bơm nước Các tấm PV được kết nối với một động cơ (DC hoặc AC) chuyển đổi năng lượng điện được cung cấp bởi bảng điều khiển PV thành năng lượng cơ học được chuyển đổi thành năng lượng thủy lực của máy bơm Năng lực của một hệ thống bơm năng lượng mặt trời để bơm nước là một chức năng của ba biến chính:

áp suất, lưu lượng và công suất cho máy bơm Đối với mục đích thiết kế, áp lực có thể được coi là công việc được thực hiện bởi một máy bơm để nâng một lượng nước nhất định lên bể chứa Sự chênh lệch độ cao giữa nguồn nước và bể chứa xác định công việc một máy bơm phải làm Các máy bơm nước sẽ rút ra một công suất nhất định mà một dãy PV cần cung cấp

Một sơ đồ của một hệ thống bơm nước quang điện DC điển hình với thuật toán MPPT được thể hiện trong Hình 2.8

2.3.3 Các loại máy bơm nước năng lượng mặt trời

Các loại cấu hình hiện tại của hệ thống bơm nước DC và AC năng lượng mặt trời trực tiếp được sử dụng trên toàn thế giới được thể hiện trong Hình 2.9, Hình 2.10 và Hình 2.11

Cấu hình máy bơm nước trực tiếp động cơ một chiều được thể hiện trong Hình 2.9 Tất cả năng lượng thu được từ hệ thống PV được cấp trực tiếp cho động cơ một chiều để đẩy nước lên bồn chứa nhờ đầu bơm

Cấu hình máy bơm nước sử dụng động cơ xoay chiều được thể hiện trong Hình 2.10 Trong cấu hình này, một bộ nghịch lưu được dùng để chuyển đổi nguồn một chiều

từ bộ nghịch lưu thành nguồn xoay chiều cấp cho động cơ xoay chiều Cấu trúc hệ thống bơm nước xoay chiều phức tạp hơn bơm nước 1 chiều do có phần nghịch lưu Tuy nhiên, với vệc sử dụng động cơ xoay chiều thì công suất và hiệu suất của hệ thống cũng được cải thiện đáng kể

Cấu hình hệ thống bơm nước dùng động cơ xoay chiều có sử dụng bộ lưu trữ điện năng được thể hiện trong Hình 2.11 Với cấu hình này, sự thay đổi liên tục của điều kiện

Trang 29

bức xạ mặt trời được điều hòa bằng các sử dụng bộ lưu trữ năng lượng Giải pháp áp dụng bộ lưu trữ năng lượng có tác dụng giảm thiểu sự thay đổi liên tục công suất bơm nước do sự thay đổi điều kiện làm việc theo thời gian trong ngày Tuy nhiên, giải pháp này có chi phí tăng thêm do cộng thêm chi phí bộ lưu trữ và các thành phần đi kèm Ngoài ra, sự xuất hiện nhiều thiết bị điện tử đi kèm cũng làm tăng chi phí bảo trì hệ thống bơm Điều này không phù hợp với vùng điều kiện kinh tế khó khăn khi dân trí người dân còn thấp

2.3.4 Nguồn cung cấp nước

Nguồn cung cấp nước có thể là ao, suối, suối, giếng khoan sâu hoặc sông Nguồn nước phải nạp nhanh hơn tốc độ bơm nước Trong trường hợp tốc độ bơm nhanh hơn tốc

độ nạp của nguồn nước, hồ chứa có thể khô và nên tránh để tránh làm hỏng máy bơm Các biến chính cho thiết kế hệ thống là khối lượng hồ chứa nước, tỷ lệ làm đầy hồ nước

và chi phí

2.3.5 Hệ thống PV

Dãy PV của máy bơm năng lượng mặt trời bao gồm các mô-đun PV được kết nối nối tiếp và kết hợp song song dựa trên yêu cầu điện áp của động cơ Một mô-đun PV bao gồm các tế bào năng lượng mặt trời chuyển đổi bức xạ mặt trời thành điện một chiều Tại một cường độ ánh sáng cho trước, mối quan hệ dòng điện - điện áp cho một mô hình diode đơn tế bào năng lượng mặt trời được cho bởi

Trong đó là dòng điện được tạo ra từ ánh sáng, là dòng bão hòa ngược diode,

a là hệ số lý tưởng thay đổi từ 1 đến 5 và cho biết độ lệch đặc trưng của pin mặt trời từ hành vi lý tưởng, q là điện tích trên electron, k là hằng số Boltzmann, Tc là nhiệt độ tế bào, Rs là điện trở nối tiếp và Rsh là điện trở song song; Rsh có giá trị lớn và Rs nhỏ nên

nó có thể bị bỏ qua trong phân tích

Trang 30

Năng lượng chiết xuất từ một mô-đun PV phụ thuộc vào điều kiện khí hậu Trong thực tế, mô-đun này có một điểm vận hành tối ưu, được gọi là điểm công suất tối đa (MPP), phụ thuộc vào cường độ chiếu sáng Để trích xuất công suất tối đa từ mô-đun

PV, nó được kết nối với bộ chuyển đổi DC-DC hoặc bộ chuyển đổi DC-AC (biến tần) được điều khiển bằng theo dõi điểm công suất tối đa (MPPT) Bộ tăng áp được lắp đặt giữa các tấm PV và máy bơm và nó sẽ bật máy bơm trong điều kiện ánh sáng yếu ) Bộ tăng áp cần phải được tính toán công suất dựa trên điện áp bơm và điện áp đầu ra của dãy PV Một hộp kết hợp được sử dụng để làm cho dây an toàn nếu có nhiều hơn một bảng được sử dụng Các CB được lắp đặt trong hộp để ngắt an toàn và nhanh chóng của các tấm trong trường hợp dịch vụ được yêu cầu bởi hệ thống Các CB cũng có thể được

sử dụng như một công tắc để bật và tắt máy bơm

Một máy bơm sẽ chỉ yêu cầu một công suất nhất định để tạo ra một lượng áp suất

và dòng chảy nhất định Do đó kích thước mảng PV phải được tối ưu hóa cho lượng điện yêu cầu Một dãy PV có công suất cao hơn sẽ cho phép máy bơm khởi động sớm hơn và hoạt động trong khoảng thời gian dài hơn trong ngày trong điều kiện thiếu ánh sáng Tuy nhiên, thêm nhiều tấm PV hơn so với thực tế cần thiết sẽ làm tăng chi phí Tấm PV lớn cũng hoạt động như một bộ tăng áp do đó có thể không cần đến một mạch tăng áp 2.3.6 Động cơ cho máy bơm dựa trên PV

Các mô-đun PV tạo ra dòng điện một chiều nên các động cơ DC được sử dụng phổ biến nhất trong hệ thống bơm nước mặt trời công suất thấp Hệ thống bơm năng lượng mặt trời dưới 5 kW thường sử dụng động cơ DC Những động cơ này có hai loại: động

cơ DC với có chổi than và không có chổi than Động cơ DC có chổi than yêu cầu bảo dưỡng thường xuyên do bộ chuyển mạch và chổi than trượt tiếp xúc, đặc biệt là trong các ứng dụng chìm, nơi máy bơm phải được bảo trì thường xuyên từ giếng nước để thay thế chổi Động cơ DC không chổi than đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) kết hợp với bơm ly tâm được coi là một lựa chọn tốt hơn so với động cơ DC cho hệ thống bơm

Trang 31

nước PV ghép nối trực tiếp với công suất thấp Loại động cơ này có kích thước nhỏ và

tỉ số công suất cao hơn so với động cơ AC

Các vấn đề về chi phí và bảo trì của động cơ DC đã dẫn đến việc sử dụng động cơ cảm ứng (IM) yêu cầu biến tần được sử dụng giữa mảng PV và động cơ Hệ thống bơm

PV dựa trên động cơ cảm ứng là chắc chắn, đáng tin cậy và không cần bảo trì với hiệu quả gia tăng và cung cấp nhiều khả năng hơn cho các chiến lược điều khiển so với động

cơ DC [4] Chandrasekaran và Thyagarajah [3] đã tiến hành phân tích chi tiết về động

cơ DC và AC được sử dụng trong bơm PV cho thấy hiệu suất và hiệu suất động của động

cơ PMDC tốt hơn động cơ cảm ứng một pha AC

Nabil và các cộng sự [9] nghiên cứu các đặc tính hiệu suất của động cơ không đồng

bộ không chổi than chạy bằng PV dưới các điều kiện khác nhau Tác giả đề xuất một chiến lược điều khiển để duy trì điện áp động cơ trong phạm vi cho phép và dải PV hoạt động gần với điểm điện tối đa (MPP) Các tác giả đã phát hiện ra rằng việc sử dụng loại động cơ dẫn đến cải thiện hiệu suất của hệ thống PV bơm

2.3.7 Bơm năng lượng mặt trời

Máy bơm nước năng lượng mặt trời được đánh giá theo điện áp được cung cấp và yêu cầu các phụ kiện như bộ lọc, van phao, công tắc, vv để hoạt động tối ưu Máy bơm năng lượng mặt trời được chế tạo từ đồng chất lượng cao dẫn đầu bằng đồng và thép không gỉ và được thiết kế cho dịch vụ không ăn mòn và bảo trì ngay cả trong môi trường khắc nghiệt với hiệu suất và độ tin cậy lâu dài

Máy bơm năng lượng mặt trời được phân loại thành ba loại theo các ứng dụng của họ: máy bơm chìm, bề mặt và nổi

Một bơm chìm hút nước từ giếng sâu, và bơm bề mặt hút nước từ giếng cạn, suối,

ao, sông hoặc bể, và bơm nước nổi hút nước từ hồ chứa với khả năng điều chỉnh chiều cao Động cơ và bơm được tích hợp với nhau trong các hệ thống chìm và nổi Trong hệ thống bề mặt, bơm và động cơ có thể được lựa chọn riêng để nghiên cứu hiệu suất của

hệ thống cùng với bộ điều khiển và bảng điều khiển PV Một máy bơm tạo ra một sự kết

Trang 32

hợp độc đáo của dòng chảy và áp suất ví dụ như lưu lượng cao và chiều cao thấp và ngược lại cho cùng một đầu vào công suất nhất định

Nói chung, máy bơm có thể được phân loại theo hai loại dựa trên nguyên tắc hoạt động: máy bơm động và máy bơm chuyển tích cực Máy bơm động hoạt động bằng cách phát triển một vận tốc và áp suất chất lỏng cao trong một đoạn truyền khuếch tán Hiệu quả của máy bơm động thấp hơn so với máy bơm chuyển động dương nhưng có yêu cầu bảo dưỡng tương đối thấp hơn Máy bơm chuyển tích cực hoạt động bằng cách buộc một lượng chất lỏng cố định từ phần áp suất đầu vào của máy bơm vào vùng xả của máy bơm Các máy bơm này thường có xu hướng lớn hơn các máy bơm động có công suất ngang bằng nhau Máy bơm ly tâm và máy bơm trục dọc là máy bơm động

Hình 2.12 Máy bơm chuyển tích cực 2.3.7.1 Máy bơm động

Trong các máy bơm ly tâm, nước bị hút bởi lực ly tâm được tạo ra bởi cánh quạt

và vỏ ống dẫn nước vào ổ cắm khi cánh quạt quay Nước đầu ra có vận tốc và áp suất cao hơn so với khi nó vào Máy bơm ly tâm trực tiếp giao tiếp với các tấm pin mặt trời được sử dụng cho các ứng dụng chiều cao cột nước thấp Một máy bơm ly tâm có khả năng phù hợp với đầu ra của máy phát điện năng lượng mặt trời Hoạt động của các máy

Trang 33

bơm như vậy diễn ra trong thời gian lâu hơn ngay cả ở các mức độ cách ly thấp, và đặc tính tải ở gần với điểm công suất cực đại PV (MPP) Máy bơm ly tâm có hiệu quả tương đối cao nhưng giảm ở tốc độ thấp hơn, có thể là một vấn đề đối với hệ thống bơm khi cường độ bức xạ mặt trời xuống thấp Những máy bơm này thường được sử dụng trong

hệ thống thoát nước, tưới tiêu áp suất thấp và các ứng dụng nước mưa

2.3.7.2 Máy bơm kiểu piston

Máy bơm trục vít và bơm Piston là máy bơm chuyển tích cực Một máy bơm chuyển cũng được gọi là bơm thể tích, có đặc điểm mô men xoắn - tốc độ khác nhau và không phù hợp để kết nối trực tiếp với các tấm PV Khi sử dụng các máy bơm như vậy, một bộ điều khiển điện và hệ thống MPPT phải được kết hợp giữa bảng điều khiển năng lượng mặt trời và máy bơm Những máy bơm này là loại cánh quạt quay, mà ném nước radially chống lại một vỏ hình theo cách như vậy mà động lượng của nước được chuyển đổi thành áp lực hữu ích để nâng Trong máy bơm dịch chuyển, đầu ra nước tỷ lệ thuận với tốc độ của bơm, nhưng gần như độc lập với đầu bơm Trong một máy bơm trục vít, một ốc vít bẫy nước ở bên hút của vỏ máy bơm và buộc nó vào ngõ ra Trong bơm piston, chuyển động của piston hút nước vào một buồng bằng van đầu vào, và đẩy nó ra đầu ra bằng van xả Máy bơm pít tông phức tạp hơn nhiều với nhiều bộ phận chuyển động và yêu cầu dầu bôi trơn bên trong máy bơm có thể là một nguy cơ tiềm ẩn trong nước Thông thường, chúng được sử dụng trong các ứng dụng điện áp thấp (24–48 V) với dòng chảy nhỏ hàng ngày (lên đến 5 m³ / ngày) cho chiều cao lên đến 150 m (tối đa 2 m³ / ngày)

Việc lựa chọn một máy bơm để bơm nước bằng năng lượng mặt trời phụ thuộc vào yêu cầu về nước, chiều cao để nâng nước và chất lượng nước Một máy bơm năng lượng mặt trời tối ưu sẽ được lựa chọn có thể đáp ứng các yêu cầu về nước và bơm nước hàng ngày

2.4 Hướng tiếp cận của luận văn về sử dụng pin mặt trời

Trang 34

Qua phân tích tình hình phát triển năng lượng mặt trời trong và ngoài nước trong những năm gần đây, cùng với tình hình kinh tế xã hội của nước ta hiện nay, luận văn đề xuất hướng phát triển năng lượng mặt trời độc lập, công suất vừa và nhỏ để phục vụ nhu cầu tưới tiêu và bơm nước sinh hoạt

Việc ứng dụng năng lượng mặt trời trong việc tưới tiêu đồng ruộng xa khu dân cư

sẽ giảm thiểu được chi phí đầu tư hạ tầng lưới điện cho vùng nông thôn và nâng cao hiệu quả nông nghiệp

Ngoài ra, nhằm giảm thiểu chi phí mua sắm hệ thống bơm và đơn giản trong vận hành hệ thống bơm, bộ lưu trữ sẽ được loại bỏ ra khỏi hệ thống bơm Việc cân bằng công suất điện và công suất máy bơm được thực hiện dựa trên sự cân bằng áp trên tụ DC Đây

là giải pháp tối ưu nhằm tận thu tối đa công suất pin mặt trời trong khi vẫn đảm bảo động

cơ được vận hành tại mức điện áp cho phép

Như vậy, trong luận văn sẽ đề xuất xây dựng một trạm bơm nước có công suất dưới

2 kW phục vụ tưới tiêu trong nông nghiệp Trạm bơm vận hành độc lập với hệ thống lưới điện và có khả năng thay đổi công suất bơm theo công suất điện thu được từ hệ thống PV

Trang 35

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH TOÁN HỆ THỐNG BƠM NƯỚC PV

3.1 Pin năng lượng mặt trời và phương trình toán của pin năng lượng mặt trời Ngày nay, loại pin năng lượng mặt trời được dùng chủ yếu là loại bán dẫn Silic với tiếp xúc p-n Với loại pin năng lượng mặt trời này, để thuận tiện trong việc tính toán, thiết kế, một mạch điện tương đương được đưa ra để thay thế pin mặt trời

Hình 3.1 Mạch điện tương đương của pin mặt trời Mạch điện gồm có dòng quang điện Iph, điot, điện trở dòng rò Rsh và điện trở nối tiếp Rs, dòng điện ngõ ra I và điện áp ngõ ra V

3.1.1 Phương trình tương đương của pin năng lượng mặt trời

Dựa trên mạch điện tương đương của pin năng lượng mặt trời được đưa ra trong Hình 3.1, một phương trình toán học được đưa ra để thể hiện mối tương quan giữa dòng điện và điện áp ngõ ra của pin năng lượng mặt trời

Iph: dòng quang điện (A)

Is: dòng bão hòa (A)

q: điện tích của electron, q = 1,6x10-19 C

k: hằng số Boltzmann’s, k 1,38 x10= −23 J / K

Trang 36

TC: nhiệt độ vận hành của pin (K)

A: hệ số lý tưởng phụ thuộc vào công nghệ chế tạo pin, ví dụ công nghệ Si-mono A=1.2, Si-Poly A = 1.3…

3.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến pin năng lượng mặt trời

Dòng quang điện Iph phụ thuộc trực tiếp vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ của pin:

I =I +K T −T  (3.2) Trong đó:

Isc: dòng ngắn mạch tại nhiệt độ tiêu chuẩn 250C (A) và bức xạ 1kW/m2

K1: hệ số dòng điện phụ thuộc vào nhiệt độ (A/0C)

Tc: Nhiệt độ vận hành của pin mặt trời (K)

TRef : Nhiệt độ tiêu chuẩn của pin mặt trời (K)

IRS: Dòng điện ngược bão hòa tại nhiệt độ tiêu chuẩn (A)

EG: Năng lượng lỗ trống của chất bán dẫn

Đối với pin mặt trời lý tưởng, điện trở dòng rò Rsh = ∞, Rs = 0 Khi đó mạch điện tương đương của pin mặt trời được cho bởi Hình 3.2:

Trang 37

Hình 3.2 Mô hình pin mặt trời lý tưởng Khi đó, biểu thức (3.1) có thể được mô tả như sau:

SC

kAT

I I

3.1.3 Phương trình tương đương của bộ pin năng lượng mặt trời

Thông thường, công suất của pin mặt trời khoảng 2 W và điện áp khoảng 0.5 V Vì vậy, các pin mặt trời được ghép nối với nhau theo dạng nối tiếp - song song để sinh ra lượng công suất và điện áp đủ lớn Mạch điện tương đương của mô đun pin mặt trời gồm

có Np nhánh song song và Ns pin nối tiếp được mô tả như Hình 3.3:

Hình 3.3 Mô đun pin mặt trời

Trang 38

Mạch điện Hình 3.3 được miêu tả bởi biểu thức sau:

S C PH

Hình 3.4 Đặc tuyến I-V với các bức xạ khác nhau

Hình 3.5 Đặc tuyến P-V với các bức xạ khác nhau

Trang 39

Pin mặt trời chuyển một phần bức xạ mặt trời trực tiếp thành năng lượng điện, nhưng một phần đó chuyển thành nhiệt cộng với pin mặt trời có màu dễ hấp thụ nhiệt nên nhiệt độ vận hành của pin có thể cao hơn nhiệt độ môi trường Nhiệt độ của pin dưới các điều kiện khác nhau có thể được đánh giá qua nhiệt độ vận hành bình thường (NOCT- Normal Operating Cell Temperature) Đặc tuyến I-V tương ứng với tùng bức xạ nhất định được mô tả như trong Hình 3.4:

Qua phương trình (3.6) nhận thấy rằng ngoài việc thay đổi đường đặc tuyến I-V và P-V theo cường độ bức xạ thì đường đặc tuyến này cũng thay đổi theo sự thay đổi của nhiệt độ của pin Mối tương quan giữa nhiệt độ và đường đặc tuyến I-V và P-V được thể hiện lần lượt qua các Hình 3.6 và Hình 3.7

Hình 3.6 Đường đặc tuyến I-V tại S=1000W/m2 khi nhiệt độ pin thay đổi

Định dạng
Số trang	79
Dung lượng	5,34 MB