Đặt vấn đề Ngày nay, các nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt, nhu cầu về sản lượng điện năng ngày một tăng cao, đồng thời các vấn đề về môi trường diễn biến ngày một xấu đi. Điều này làm tăng gánh nặng cho các hệ thống điện truyền thống, do đó việc phát triển các nguồn năng lượng tái tạo ngày càng trở nên cần thiết. Nguồn năng lượng thiên nhiên đã tồn tại hàng ngàn năm như than đá, dầu mỏ…, mà con người đã biết tận dụng cho đời sống từ nhiều thế kỉ trước cho đến ngày nay đã thải ra khí quyển một lượng chất thải nguy hiểm, những chất này làm cho trái đất ngày càng ấm lên, là nguyên nhân chủ yếu gây ra những biến đổi về khí hậu theo xu hướng xấu. điều đó làm cho nhân loại đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng.
Việc tìm kiếm và sử dụng các nguồn năng lượng mới như năng lượng hạt nhân, năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió và năng lượng mặt trời… là hướng đi quan trọng trong phát triển năng lượng. Tại Việt Nam, với chính sách khuyến khích năng lượng mặt trời, các dự án PV ngày một phát triển trên nhiều tỉnh thành: Quảng Ngãi; Khánh Hòa, Bình Thuận,.Để giảm thiểu tình trạng này, những nhà khoa học ở những quốc gia phát triển đã tích cực tìm ra những nguồn năng lượng sạch mới để thay thế cho như: năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng song biển… trong đó nguồn năng lượng lâý từ mặt trời được quan tâm nhiều hơn do những ưu việt về tính ổn định, khả năng khai thác dễ dàng, tiềm năng lớn. cho đến nay nhiều hệ thống thu và biến đổi năng lượng mặt trời đã được thiết kế, chế tạo và lắp đặt khắp nơi trên thế giới. cách thức thông dụng nhất hiện nay là sử dụng các dàn pin mặt trời để trực tiếp chuyển quá quang năng thành điện năng, một dạng năng lượng có thể lưu trữ, truyền tải và sử dụng phổ biến bậc nhất trong đời sống con người.
Tính đến năm 2020, tổng công suất lắp đặt năng lượng mặt trời ở Việt Nam đã vượt quá 16,6GW, chiếm 24%. trong tổng công suất lắp đặt của lưới điện quốc gia. Theo dự thảo gần đây của Quy hoạch Năng lượng Việt Nam (PDP) VIII, đến năm 2030, điện mặt trời 18,6GW và điện gió 18GW (30% tổng công suất lắp đặt) sẽ được kết nối vào lưới điện. 1 Riêng năm 2020, điều chỉnh tăng trưởng tiêu thụ điện trong nước xuống mức 2.2%, bởi áp lực bắt nguồn từ sự bùng phát của dịch Covid-19.
Kỳ vọng đặt ra là khu vực sản xuất lớn của Việt Nam sẽ tăng trưởng trở lại trong quý 4, khi Việt Nam kiểm soát dịch bệnh thành công và nguồn giai đoạn chuỗi sản xuất từ Trung Quốc được phục hồi, ước tính từ năm 2020-2030, tăng trưởng nguồn điện mặt trời là 12.8% và đối với điện gió là 34. Xa hơn cho giai đoạn 25 năm tới, công suất điện ngành năng lượng tái tạo (NLTT) dự báo sẽ chuyển từ 12% lên mức 30.8% tổng công suất nguồn phát vào năm 2045. Trong khi đó, dự báo thủy điện có mức tăng trưởng nhẹ trong thập kỷ tới, và tỷ trọng của mảng này trong hỗn hợp điện sẽ giảm dần xuống còn khoảng 18.1% năm 2030 từ mức ước tính 36.2% vào năm 2020, với sự gia tăng nhanh chóng của các nguồn NLTT. 1: Dự báo về công suất nguồn phát điện tại Việt Nam giai đoạn 2020- 2045.
Về khía cạnh đầu tư, định giá thị trường NLTT ở mức 714 tỷ USD, trong đó điện mặt trời chiếm 280 tỷ USD còn điện gió chiếm 434 tỷ USD. Đây được coi là sân chơi quy mô lớn với thời gian phát triển dài hơn 25 năm. Tỷ suất IRR cao hơn đối với điện mặt trời và thấp hơn với điện gió. IRR cao nhất điện áp mái dân dụng tới 36%.
Lĩnh vực này dự báo sẽ có tốc độ tăng trưởng bình quân gần 20% trong 10 năm tới, gấp hơn 2 lần tốc độ tăng trưởng bình quân ngành điện (khoảng 9%). 2 Nguyên nhân chủ yếu là từ chuyển hướng chiến lược, giảm tỷ trọng nhiệt điện than và tăng sản xuất điện từ mặt trời và gió như đã đề cập phía trên. Dự báo tới năm 2030, tỷ trọng công suất phát từ NLTT sẽ vượt qua điện than. Một trong trong những rào cản trong vấn đề khai thác nguồn năng lượng mặt trời là giá thành các tấm pin mặt trời khá đắt, do vậy, phải tìm cách nâng cao hiệu suất của chúng.
Vào những ngày có nắng. Mặt trời di chuyển một góc khoảng 180 0 so với một điểm cố định trên mặt đất. Rõ ràng, một tấm pin mặt trời đặt cố định sẽ không tận dụng hết được nguồn năng lượng từ bức xạ mặt trời, điều này gọi là hao phí pin mặt trời. Với các ưu điểm vượt trội và khả năng khai thác dễ dàng, năng lượng mặt trời đã và đang sẽ là nguồn năng lượng được chú trọng phát triển và có quy mô lớn nhất trong những năm sắp tới.
Hệ thống nâng cao hiệu suất pin mặt trời là một hệ thống tự điều hướng tấm pin sao cho tia bức xạ chiếu vuông góc lên bề mặt tấm pin trong suốt thời gian chiếu sáng ban ngày, làm tăng đáng kể hiệu suất của tấm pin năng lượng mặt trời. Nguyên lý cơ bản: tấm pin năng lượng mặt trời sẽ đạt hiệu suất cao nhất khi ánh sáng mặt trời chiếu vuông góc với mặt phẳng của tấm pin. Hướng phát triển: cho tấm pin tự xoay theo hướng di chuyển của mặt trời theo 2 trục, đảm bảo nguồn bức xạ mặt trời luôn chiếu vuống góc vào mặt phẳng tấm pin. Trong nghiên cứu này, chúng tôi thiết kế, thi công hệ thống solar tracking trục kép có kết cấu đơn giản, chi phí thấp mà vẫn đáp ứng yêu cầu tăng hiệu suẩt khai thác năng lượng bức xạ mặt trời.
Hệ thống hoạt động tự động được điều khiển bởi vi điều khiển Arduino. Kết quả nghiên cứu này cung cấp giải pháp sử dụng năng lượng mặt trời, hoặc phục vụ cho dạy học trong mô hình giáo dục STEM và nhu cầu thực tế tưới tiêu cho nông nghiệp 1.2 Mục tiêu đề tài Nghiên cứu các hệ thống tự động điều chỉnh góc quay bề mặt thu năng lượng mặt trời theo vị trí của mặt trời để thu được nhiều năng lượng. Thiết kế và thi công một hệ thống pin năng lượng mặt trời với yêu cầu tận dụng tối ưu nguồn năng lượng này, đạt hiệu suất cao, hoạt động ổn định và tìm được điểm có công suất cực đại 3 trong điều kiện nhất định. Kết hợp tưới (tiêu) cho nông nghiệp có dò điểm công suất cực đại.3 Đối tượng nghiên cứu của đề tài Hệ thống sử dụng những tấm pin quang điện thu năng lượng mặt trời, thiết bị chuyển đổi nguồn thông minh từ DC sang AC tạo ra dòng điện AC (dạng sóng sin chuẩn) cung cấp cho bơm nước tưới cho nông nghiệp.
Hệ thống dàn pin mặt trời được điều hướng theo ánh sang mặt trời, bơm nước tưới cho nông nghiệp. Kết cấu giá đỡ, hệ truyền động cơ khí cho mô hình nâng cao hiệu suất pin năng lượng mặt trời. Mô hình thực tế.4 Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết Tập trung nghiên cứu lý thuyết về các vấn đề sau: - Cấu tạo, nguyên lý hoạt động pin mặt trời. - Góc quay và giờ mặt trời.
- Mạch điện tử, vi điều khiển và cấu trúc lập trình - Động cơ, điều khiển động cơ và cơ cấu truyền động cơ khí. - Máy bơm nước cho nông nghiệp. Nghiên cứu thực nghiệm - Khảo sát quy luật chuyển động của mặt trời tại vị trí đặt tấm pin mô hình - Thiết kế và thực hiện thí nghiệm so sánh hiệu qủa dàn pin tự xoay so với dàn pin cố định. - Cải tiến mô hình thực nghiệm cho hệ thống nâng cao hiệu suất pin năng lượng mặt trời để nâng cao hiệu suất pin năng lượng mặt trời.5 Nội dung nghiên cứu - Phát triển hướng chế tạo cho hệ khung dàn và hệ dẫn động cơ khí trong thực tế.
- Thử nghiệm, chế tạo và mô hình nâng cao hiệu suất pin năng lượng mặt trời với tấm pin năng lượng mặt trời và máy bơm nước cho nông nghiệp. 4 - Đánh giá kết quả thực nghiệm hiệu quả về hệ thống nâng cao hiệu suất pin năng lượng mặt trời. - Kết luận, đưa ra hướng phát triển cho những nghiên cứu về nâng cao hiệu suất pin mặt trời. Hướng triển khai đề tài Mặc dù đã có nhiều hệ thống dàn năng lượng mặt trời tự xoay, nhưng các bước tính toán, thiết kế kết cấu cơ khí cho các hệ thống này chưa đưa ra cụ thể.
Kết cấu, kích thước của dàn tự xoay hầu như được chế tạo theo kinh nghiệm. Để có thể triển khai đề tài, tập trung làm rõ các vấn đề sau: 1. Tính toán lựa chọn loại động cơ, công suất cần thiết để xoay dàn pin năng lượng Mặt trời cũng như sự ảnh hưởng của tốc độ quay động cơ. Thiết kế, lựa chọn các thành phần cơ khí trục đỡ và phương pháp xoay dàn pin.
Giải quyết bài toán tự động điều hướng, góc quay động cơ. Liên kết các thành phần trong hệ thống sao cho đạt được hiệu quả cao nhất. Đánh giá về hiệu quả vận hành giữa mô hình không sử dụng hệ thống tự điều hướng và mô hình có hệ thống tự điều hướng. Tính toán bơm nước cho nông nghiệp.
Đề tài này được thực hiện nhằm giả quyết những vấn đề nêu trên đồng thời ứng dụng thi công mô hình có hệ thống tự điều hướng với tấm pin năng lượng mặt trời. Kết quả thực nghiệm mô hình này có thể được dùng làm cơ sở cho các hướng phát triển về hệ thống pin năng lượng mặt trời tiếp theo. Đồng thời, kết hợp với Máy bơm năng lượng mặt trời mang tính khả thi về kinh tế cho hệ thống thủy lợi, chẳng hạn như tưới nhỏ giọt, trong đó lượng nước sử dụng ít nước hơn các loại khác. Hệ thống bơm năng lượng mặt trời hoạt động bằng cách chuyển đổi năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng thông qua việc sử dụng tế bào quang điện (PV).
Các tế bào quang điện đươc đấu nối với nhau để tạo ra một module năng lượng mặt trời. Điện được sản xuất bởi các tế bào PV được sử dụng trực tiếp đến máy bơm nước chìm. Các máy bơm nước được sử dụng để 5 bơm nước ra khỏi nguồn nước giếng hoặc nguồn nước mặt chẳng hạn như một ao hồ, … để bơm vào một bể chứa nước chăn nuôi hoặc bể giữ nước trên cao. Nước từ bể chứa trên cao có thể được cung cấp cho vật nuôi hoặc bể chứa nước sử dụng khác khi cần thiết.