Đồ án Hệ thống điện năng lượng mặt trời

LỜI NÓI ĐẦU Trong tiến trình phát triển của loài người, việc sử dụng năng lượng là đánh dấu một cột mốc rất quan trọng. Từ đó đến nay, loài người sử dụng năng lượng ngày càng nhiều ,nhất là trong vài thế kỷ gần đây. Trong cơ cấu năng lượng hiện nay,chiếm phần chủ yếu là năng lượng tàn dư sinh học than đá,dầu mỏ,khí tự nhiên. Kế là năng lượng nước thủy điện, năng lượng hạt nhân, năng lượng sinh khối (bio.gas, …) năng lượng mặt trời, năng lượng gió chỉ chiếm một phần khiêm tốn. Xã hội loài người không phát triển nếu không có năng lượng. Ngày nay, năng lượng tàn dư sinh học, năng lượng không tái sinh, ngày càng kiệt, giá dầu mỏ tăng từng ngày, ảnh hưởng xấu đến sự phát triển kinh tế xã hội và môi trường sống. Tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế là nhiệm vụ cấp bách của các nhà khoa học ,kinh tế, các chính trị gia,… và mỗi người chúng ta. Nguồn năng lượng thay thế đó phải sạch, than thiện với môi trường, chi phí thấp, không cạn kiệt (tái sinh), và dễ sử dụng. Từ lâu, loài người đã mơ ước sử dụng năng lượng mặt trời. Nguồn năng lượng hầu như vô tận, đáp ứng hầu hết các tiêu chí nêu trên. Nhiều công trình nghiêng cứu đã được thực hiện, năng lượng mặt trời không chỉ là năng lượng của tương lai mà còn là năng lượng của hiện tại Bạn không nên nghĩ rằng ứng dụng năng lượng mặt trời là công việc của riêng của các nhà khoa học, đây cũng chính là nơi bạn có thể phát huy óc sáng tạo, sự khéo tay, và tính kiên nhẫn của bạn. Còn gì thú vị hơn khi bạn tự thực hiện và ứng dụng năng lượng mặt trời trong chính ngôi nhà của mình. Cuốn sách này giới thiệu chi tiết các ứng dụng năng lượng mặt trời trong ngôi nhà hoặc trên mảnh vườn của bạn. Các dự án đó tương đối đơn giản, chi phí trong tầm tay của bạn, nhưng hiệu quả cao, không đồi hỏi lý thuyết cao siêu, chỉ cần bạn nhận ra lợi ích của việc sử dụng năng lượng mặt trời và quyết tâm thực hiện. bạn có thể thực hiện từng bước theo hướng dẫn trong từng dự án, khi dạt kết quả, bạn hoàn toàn có thể chỉnh sửa, cải tiến để năng cao hiệu suất và giảm chi phí tùy theo sự năng động và tính sáng tạo của bạn. Các dự án này còn có thể được thực hiện trong trường học, trường phổ thông và trường dạy nghề, giúp cho thầy cô giáo có thêm phương cách thí nghiệm, học đi đôi với hành , giúp cho học sinh tính sáng tạo và hứng thú học tập. LỜI CẢM ƠN Trước khi vào nội dung đồ án chúng em xin chân thành cảm ơn đến Cô: Phạm Thị Lệ Diễm giảng viên trường ĐHCN Tp.HCM đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình thực hiện để hoàn thành đồ án này. Cùng toàn thể thầy cô khoa Điện đã tận tình giảng dạy, chỉ bảo, truyền đạt nguồn kiến thức sâu rộng và những kinh nghiệm quý báu cho chúng em trong suốt thời gian học tại trường. Xin cảm ơn đến tất cả bạn bè, những người đã giúp đỡ chúng tôi trong suốt thời gian học tập cũng như thực hiện đồ án học phần này. Và cuối cùng chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bố mẹ đã ủng hộ và tạo điều kiện cho chúng em hoàn thành đồ án này. Mặc dù đã nỗ lực hết mình, nhưng do khả năng, kiến thức và thời gian có hạn nên không thể tránh được những sai sót trong lúc thực hiện đồ án này, em kính mong quý thầy cô chỉ dẫn, giúp đỡ em để ngày càng hoàn thiện hơn kiến thức của mình và có thể tự tin bước vào cuộc sống với vốn kiến thức đã có được. Nhận xét của giảng viên hướng dẫn: ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... Nhận xét của giảng viên phản biện: ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI I – GIỚI THIỆU CHUNG: Một tế bào quang điện (cell) Tấm Pin năng lượng mặt trời  (solar cells panel) Pin mặt trời, hay pin quang điện, ký hiệu là PV, là hệ thống các tấm vật liệu đặc biệt có khả năng chuyển đổi quang năng của ánh sáng mặt trời thành điện năng. Pin mặt trời  được cấu tạo bằng các tế bào quang điện (cells) đơn tinh thể (monocrystalline) và đa tinh thể (polycrystalline) có hiệu suất cao (15% - 18%), công suất từ 25Wp đến 240Wp và có tuổi thọ trung bình 30 năm. II – NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI: Từ giàn pin mặt trời, ánh sáng được biến đổi thành điện năng, tạo ra dòng điện một chiều (DC). Dòng điện này được dẫn tới bộ điều khiển là một thiết bị điện tử có chức năng điều hoà tự động các quá trình nạp điện vào ắc-quy và phóng điện từ ắc-quy ra các thiết bị điện một chiều (DC). Trường hợp công suất giàn pin đủ lớn, trong mạch điện sẽ được lắp thêm bộ đổi điện để chuyển dòng một chiều thành dòng xoay chiều (AC), chạy được thêm nhiều thiết bị điện gia dụng (đèn, quạt, radio, TV…). III - CẤU HÌNH TIÊU BIỂU CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI:    Stt  Tên thiết bị  Ghi chú  1 Solar Cells Panel  Monocrystalline (đơn tinh thể ) Polycrytalline (đa tinh thể)  2 Solar Regulator Lựa chọn tùy mức điện thế và công suất của hệ thống  3 DC-AC Inverter Dạng sóng ra : Step Wave hoặc Sine Wave  4 Battery (ắc-quy) Bình khô, kín khí, không cần bảo dưỡng.  5 Khung, gá Chuyên dụng cho hệ thống  6 Dây cáp Chuyên dụng cho hệ thống (ngoài trời và trong nhà)  7  Phụ kiện lắp đặt Linh, phụ kiện đồng bộ khác PANEL MẶT TRỜI : Tấm pin Panel mặt trời  (solar cells panel) biến đổi quang năng hấp thụ từ mặt trời để biến thành điện năng. Một số thông tin cơ bản về tấm pin mặt trời Hiệu suất: từ 15% - 18% Công suất: từ 25Wp đến 175 Wp Số lượng cells trên mỗi tấm pin : 72 cells Kích thước cells: 5 – 6 inchs Loại cells: monocrystalline và polycrystalline Chất liệu của khung nhôm Tuổi thọ trung bình của tấm pin : 30 năm Có khả năng kết nối thành các trạm điện mặt trời công suất lớn không hạn chế, có thể hòa lưới (grid), hoặc hoạt động độc lập như 1 hệ thống back-up điện. Trong một ngày nắng, mặt trời cung cấp khoảng 1 kW/m² đến mặt đất (khi mặt trời đứng bóng và quang mây, ở mực nước biển). Công suất và điện áp của một hệ thống sẽ phụ thuộc và cách chúng ta nối ghép các tấm pin Panel mặt trời  lại với nhau.Các tấm pin Panel mặt trời  được lắp đặt ở ngoài trời để có thể hứng được ánh nắng tốt nhất từ mặt trời nên được thiết kế với những tính năng và chất liệu đặc biệt, có thể chịu đựng được sự khắc nghiệt của thời tiết, khí hậu, nhiệt độ… BỘ ĐIỀU KHIỂN SẠC: - Là thiết bị thực hiện chức năng điều tiết sạc cho ắc-quy, bảo vệ cho ắc-quy chống nạp quá tải và xả quá sâu nhằm nâng cao tuổi thọ của bình ắc-quy, và giúp hệ thống pin mặt trời sử dụng hiệu quả và lâu dài. - Bộ điều khiển còn cho biết tình trạng nạp điện của Panel mặt trời vào ắc-quy giúp cho người sử dụng kiểm soát được các phụ tải. - Bộ điều khiển còn thực hiện việc bảo vệ nạp quá điện thế (>13,8V) hoặc điện thế thấp (<10,5V). Mạch bảo vệ của bộ điều khiển sẽ thực hiện việc ngắt mạch khi bộ điều khiển xác nhận bình ắc-quy đã được nạp đầy hoặc điện áp bình quá thấp. AC-DC INVERTER: - Là bộ biến điện nghịch lưu. Inverter chuyển đổi dòng điện 12V DC từ ăc-quy thành dòng điện AC (110VAC, 220VAC). Được thiết kế với nhiều cấp công suất từ 0.3kVA – 10kVA. - Inverter có nhiều loại và cách phân biệt chúng bằng dạng sóng của điện áp đầu ra : dạng sóng hình sin, giả sin, sóng vuông, sóng bậc thang… BATTERY (Ắc-quy): - Là thiết bị lưu trữ điện để sử dụng vào ban đêm hoặc lúc trời ít hoặc không còn ánh nắng. - Ắc-quy có nhiều loại, kích thước và dung lượng khác nhau, tùy thuộc vào công suất và đặc điểm của hệ thống pin panel mặt trời . Hệ thống có công suất càng lớn thì cần sử dụng ăc-quy có dung lượng lớn hoặc dùng nhiều bình ắc-quy kết nối lại với nhau. KHUNG GÁ VÀ DÂY CÁP: - Để đảm bảo cho hệ thống pin Panel mặt trời  đặt đúng vị trí tốt nhất (nắng nhiều nhất và lâu nhất) và hiệu suất sử dụng hệ thống luôn được ổn định lâu dài, chúng ta cần dùng đến bộ khung gá và dây cáp chuyên dụng. - Để tối đa hóa hiệu suất của hệ thống, các tấm pin Panel mặt trời cần được lắp đặt theo 1 góc nghiêng và 1 hướng nhất định (tùy thuộc từng vị trí lắp đặt cụ thể). - Lưu ý khi lắp đặt tránh các vùng có khả năng bị che, khuất nắng, nên lựa chọn những vị trí có thể hứng được nắng tốt nhất cho cả ngày. - Các phụ kiện đồng bộ kèm theo : ống, công tắc, bảng điện, Vaseline, domino, ổ cắm… để lắp hoàn chỉnh hệ thống điện mặt trời 1 : Tấm pin mặt trời (Solar Panel) 2: Bộ điều khiển sạc mặt trời (Solar Charger Controller) 3 : Bộ kích điện DC-AC (Solar Inverter) 4 : Cầu dao chuyển mạch (Solar Inverter) 5 : Ắc quy (Battery) Mô tả hoạt động của hệ thống: Đây là sự tích hợp của hai hệ thống thành một hệ thống liên hoàn bao gồm: Hệ thống Sản xuất điện năng từ Mặt trời thành điện 220VAC/50Hz bổ sung vào điện lưới (On grid). Hệ thống Lưu trữ biến đổi điện điện năng từ Mặt trời thành điện 220VAC/50Hz (Off grid). Tuy nhiên, quý khách vẫn có thể sử dụng từng hệ thống trên một cách độc lập tùy theo nhu cầu cụ thể. Khi khởi động Battery bank luôn được ưu tiên nạp điện từ Mặt trời cho đến khi đầy. Lúc này Grid-Tie Solar Inverter (GTSI) chưa làm việc. Khi Battery bank đầy bộ Inverter-Solar Charger (ISC) sẽ ngưng sạc và bộ GTSI sẽ hoạt động: Biến đổi điện DC từ Solar panel thành điện AC 220V có điện áp, tần số - pha trùng với điện lưới và được hòa trực tiếp vào lưới điện – Việc bán điện sẽ được thông qua đồng hồ W1. Khi có điện lưới, điện năng cho tải thông thường và tải ưu tiên sẽ được cấp qua đồng hồ điện W2 (điện mua) - do ISC lúc này đang ở chế độ On grid. Khi mất điện lưới, ISC sẽ lấy điện DC từ Battery bank và Solar để biến đổi thành điện AC 220V cung cấp cho tải ưu tiên. Đồng thời GTSI sẽ ngưng làm việc. ĐI SÂU VÀO HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CHƯƠNG I: PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Ưu thế của năng lượng mặt trời Năng lượng hiện tại Trong cuộc sống hang ngày , chúng ta sử dụng khối lượng năng lượng khổng lồ. Cuộc sống của chúng ta xoay quanh sự tiêu thụ các nguồn tài nguyên thiên nhiên và tiêu thụ năng lượng . Phần lớn trong tỷ lệ tiêu thụ năng lượng dược dùng cho sưởi ấm-58% một phần trong số này có thể cung cấp từ năng lượng mặt trời . Kế tiếp là nấu nước, chiếm 24% tổng năng lượng tiêu thụ, hoàn toàn có thể nấu nước bằng năng lượng mặt trời . Điều dó có nghĩa là có thể đáp ứng 83% nhu cầu năng lượng bằng công nghệ năng lượng mặt trời . Phần năng lượng, 13% được dùng để tạo ra điện năng để cung cấp cho chiếu sáng và các thiết bị gia dụng. Năng lượng được dùng cho nấu ăn,5% cũng có thể tạo ra từ năng lượng. Lý do chọn năng lượng mặt trời Năng lượng mặt trời là dạng năng lượng sạch, xanh, miễn phí, và có giá trị sử dụng tốt nhất. mặt trời đã xuất hiện cách đây 5 tỷ năm và tiếp tục them 5 tỷ năm nủa, quá đủ cho loài người. Chúng ta đang tìm các công nghệ sử dụng dạng năng lượng này một cách hiệu quả nhất, do đây là năng lượng sạch, rất than thiện vơi môi trường. Đây thực sự là nguồn tài nguyên khổng lồ. tuy năng lượng mặt trời tập chung chủ yếu ở 3. Năng lượng hiện nay Cơ quan năng lượng quốc tế dự báo khai thác năng lượng của 33 trong số 48 nhà sản xuất dẩu mõ hàng đầu thế giới đang giảm. Điều đó đang thành hiện thực. Không chỉ có đỉnh sản lượng dầu mõ, hiện nay còn có đỉnh than đá, đỉnh khí tự nhiên, và đỉnh uranium. Tất cả các nguồn tài nguyên này đều có giới hạn, không thể khai thác mãi mãi. Điều đó có nghĩa là những người tin tưởng vào năng lượng hạt nhân có thể bị sốc, năng lượng hạt nhân từng được coi là nguồn thay thế hửu hiệu cho nhiên liệu tàn dư sinh học, nhưng mọi người phải đối mặt với cùng một vấn đề. Nếu tất cả đều chuyển sang năng lượng hạt nhân, tốc độ tiêu thụ uranium sẽ tăng nhanh, chưa kể các nguy cơ về an toàn hạt nhân. Tìm hiểu chung về pin năng lượng năng lượng mặt trời: Hướng đặt: Điều khiển tấm pin theo mùa (xuân, hạ, thu, đông) cũng là 1 vấn đềchúng ta đã biết, với mỗi mùa khác nhau, tại 1 địa điểm nhất đinh, mặt trời sẽ có 1 góc chiếu khác nhau. Nguyên lý hoạt động và cấu tạo Nhiên liệu hóa thạch theo tính toán của các nhà khoa học và môi trường học sẽ cạn kiệt trong vòng 50 năm nữa nếu cứ sử dụng với tốc độ hiện nay. Việc tìm năng lượng thay thế là bài toán cấp bách của toàn nhân loại . Có ý kiến cho rằng điện hạt nhân là một giải pháp, nhưng với mức độ an toàn và bản chất của quá trình không thuận nghịch của phản ứng hạt nhân không cho ta kết quả như mong đợi .Năng lượng mặt trời xét về lâu dài mới là giải pháp cho tương lai. Một trong các nguyên nhân khác của việc sử dụng năng lượng mặt trời đó là do tính sạch của nó về mặt môi trường. Trong quá trình sử dụng nó không sinh ra khí nhà kính hay gây ra các hiệu ứng tiêu cực tới khí hậu toàn cầu. Việc dạy học gắn với nội dung này nhằm giáo dục ý thức môi trường và sự chuẩn bị hành trang cho chủ nhân tương lai là cần thiết và phù hợp . Có 2 cách chính sử dụng năng lượng mặt trời: - Sử dụng dưới dạng nhiệt năng : lò hấp thụ mặt trời, nhà kính... - Sử dụng thông qua sự chuyển hoá thành điện năng: Hệ thống pin mặt trờiCâu hỏi đặt ra là pin mặt trời hoạt động thế nào Pin mặt trời là thiết bị ứng dụng hiệu ứng quang điện trong bán dẫn ( thường gọi là hiệu ứng quang điện trong - quang dẫn) để tạo ra dòng điện một chiều từ ánh sáng mặt trời. Loại pin mặt trời thông dụng nhất hiện nay là loại sử dụng Silic tinh thể. Để hiểu về nguyên lý làm việc của pin mặt trời loại này chúng ta cần biết một vài đặc điểm của chất bán dẫn Silic. Trong bảng tuần hoàn Silic (Si) có số thứ tự 14- 1s22s22p63s23p2 . Các điện tử của nó được sắp xếp vào 3 lớp vỏ. 2 lớp vỏ bên trong được xếp đầy bởi 10 điện tử. Tuy nhiên lớp ngoài cùng của nó chỉ được lấp đầy 1 nửa với 4 điện tử 3s23p2. Điều này làm nguyên tử Si có xu hướng dùng chung các điện tử của nó với các nguyên tử Si khác. Trong cấu trúc mạng tinh thể nguyên tử Si liên kết với 4 nguyên tử Si lân cận để lớp vỏ ngoài cùng có chung 8 điện tử (bền vững). Tinh thể Si tinh khiết là chất bán dẫn dẫn điện rất kém vì các điện tử bị giam giữ bởi liên kết mạng, không có điện tử tự do. Chỉ trong điều kiện kích thích quang, hay nhiệt làm các điện tử bị bứt ra khỏi hiên kết, hay nói theo ngôn ngữ vùng năng lượng là các điện tử (tích điện âm) nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẫn bỏ lại vùng hóa trị 1 lỗ trống (tích điện dương), thì khi đó chất bán dẫn mới dẫn điện. Để tăng khả năng dẫn điện của bán dẫn silicon người ta thường pha tạp chất vào trong đó. Trước tiên ta xem xét trường hợp tạp chất là nguyên tử phospho (P) với tỷ lệ khoảng một phần triệu. P có 5 điện tử ở lớp vỏ ngoài cùng nên