CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ ACQUY 1.1 Tổng quan về năng lượng Mặt Trời 1. Giới thiệu về năng lượng Mặt Trời Trái đất đón nhận một lượng năng lượng lớn từ ánh sáng Mặt Trời, đạt khoảng 174 petawatts (PW). Trong tổng số này, khoảng 30% năng lượng này bị phản xạ trở lại không gian, trong khi phần còn lại được hấp thụ và sử dụng bởi các yếu tố khác nhau trên hành tinh. Cụ thể, đám mây, đại dương và các khu vực đất liền đóng vai trò quan trọng trong việc chấp nhận và chuyển đổi năng lượng Mặt Trời thành các quy trình sinh thái và khí hậu đa dạng trên Trái đất.
Bề mặt của Trái đất, cũng như đại dương và khí quyển, đều đóng vai trò quan trọng trong quá trình hấp thụ bức xạ Mặt Trời. Điều này gây ra sự gia tăng nhiệt độ cho các thành phần này. Sự ấm lên của không khí ấm, chứa hơi nước bốc hơi từ đại dương, dẫn đến hiện tượng lưu thông khí quyển hay đối lưu. Khi không khí nóng và ẩm đạt đến các khu vực có nhiệt độ thấp, nó sẽ ngưng tụ và tạo thành mây, cuối cùng làm mưa xuống bề mặt của Trái đất.
Quá trình này kết hợp cùng hiện tượng nước ngưng tụ tạo thành chu kỳ nước, một hệ thống quan trọng giữa đại dương, khí quyển và đất đai. Nhiệt độ trung bình của bề mặt Trái đất ở mức 14 ℃ là kết quả của các quá trình phức tạp này, trong đó gió, bão và ánh sáng Mặt Trời đóng vai trò quan trọng. Đại dương và các vùng đất giữ nhiệt độ và chịu tác động của ánh sáng Mặt Trời, cũng như các biến đổi trong khối lượng nước và hơi nước trong khí quyển. Thực vật, đặc biệt là cây xanh, đóng một vai trò quan trọng trong chu kỳ nước và năng lượng.
Qua quá trình quang hợp, chúng chuyển đổi năng lượng từ Mặt Trời thành năng lượng hóa học, tạo ra thực phẩm, gỗ, và sinh khối. Điều này không chỉ hỗ trợ sự sống mà còn giúp giảm lượng khí carbon trong khí quyển, đóng góp vào việc kiểm soát biến đổi khí hậu và duy trì cân bằng sinh thái toàn cầu. SVTH:Võ Văn Thành, Nguyễn Sỹ Bảo Hướng dẫn: TS. Nguyễn Hồ Sĩ Hùng Mrs: Đoàn Thị Thanh Mai Trang 3 Capstone Project: Thiết kế mạch sạc Acquy sử dụng thuật toán P&O để tối ưu hoá công suất cực đại cho hệ pin quang điện Hình 1.1: Phân bổ năng lượng Mặt Trời đến bề mặt của Trái đất Số liệu về tổng năng lượng Mặt Trời được hấp thụ bởi bầu khí quyển, đại dương và vùng đất là ấn tượng với mức khoảng 3.
Đây là một con số lớn thể hiện sức mạnh và ảnh hưởng lớn của Mặt Trời đối với hệ thống khí quyển và môi trường của chúng ta. Năng lượng này được sử dụng trong nhiều quá trình sinh thái và hóa học trên Trái Đất, đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì sự sống và cân bằng tự nhiên. Phân bố bức xạ Mặt Trời, nhiệt độ của Việt Nam và thế giới Sự thay đổi vị trí của Mặt Trời trong suốt ngày và các mùa là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến lượng năng lượng Mặt Trời mà Trái đất nhận được. Vào buổi trưa, khi Mặt Trời ở vị trí cao nhất trên bầu trời, tia nắng Mặt Trời di chuyển qua một đoạn ngắn trong bầu khí quyển, giảm thiểu sự tán xạ và hấp thụ.
Trong khi đó, vào lúc sáng sớm và chiều tối, Mặt Trời ở góc thấp hơn trên bầu trời, làm tăng đoạn đường mà tia nắng phải đi qua trong khí quyển. Điều này dẫn đến việc nhiều bức xạ Mặt Trời bị tán xạ và hấp thụ hơn, giảm lượng năng lượng đến bề mặt Trái đất. Sự biến đổi này không chỉ ảnh hưởng đến lượng năng lượng Mặt Trời mà Trái đất nhận được, mà còn góp phần vào sự đổi thay của thời tiết và mùa vụ. Nó cũng đóng vai trò trong các hiện tượng như mùa xuân, hạ, thu, đông và các biến đổi khí hậu toàn cầu.
Lượng năng lượng Mặt Trời đến bề mặt Trái đất thực sự biến động theo vị trí địa lý và thời gian trong năm. Ở miền Bắc Châu Âu, vào mùa đông, lượng năng lượng này có thể thấp chỉ khoảng dưới 0,8 kWh/m2 mỗi ngày, trong khi ở mùa hè, nó có thể tăng lên SVTH:Võ Văn Thành, Nguyễn Sỹ Bảo Hướng dẫn: TS. Nguyễn Hồ Sĩ Hùng Mrs: Đoàn Thị Thanh Mai Trang 4 Capstone Project: Thiết kế mạch sạc Acquy sử dụng thuật toán P&O để tối ưu hoá công suất cực đại cho hệ pin quang điện đến hơn 4 kWh/m2 mỗi ngày. Điều này là do sự thay đổi của góc độ Mặt Trời so với bề mặt Trái đất và thời gian ánh sáng mỗi ngày.
Sự khác biệt này giảm dần khi chúng ta tiến về phía Xích đạo. Ở Trung Âu, Trung Á và Canada, lượng bức xạ toàn cầu trung bình hằng năm là khoảng 1. Ở Địa Trung Hải, nơi có mức độ nắng cao, năng lượng Mặt Trời đến bề mặt là 1. Ở các vùng Xích đạo, Châu Phi, các nước Á Đông và các sa mạc ở Úc, nó có thể lên đến xấp xỉ 2.
Điều này phản ánh sự đa dạng về mức độ nắng và điều kiện khí hậu trên khắp Thế giới.2: Bản đồ phân bố bức xạ năng lượng Mặt Trời trên thế giới Việt Nam là quốc gia có tiềm năng năng lượng Mặt Trời lớn, với nguồn tài nguyên này có sẵn quanh năm và được phân bố rộng rãi trên khắp các vùng miền. Đặc biệt, miền Trung và miền Nam thường có khoảng 300 ngày nắng trung bình mỗi năm, điều này làm tăng khả năng sử dụng năng lượng Mặt Trời cho các dự án và hệ thống năng lượng tái tạo. SVTH:Võ Văn Thành, Nguyễn Sỹ Bảo Hướng dẫn: TS. Nguyễn Hồ Sĩ Hùng Mrs: Đoàn Thị Thanh Mai Trang 5 Capstone Project: Thiết kế mạch sạc Acquy sử dụng thuật toán P&O để tối ưu hoá công suất cực đại cho hệ pin quang điện Hình 1.3: Bản đồ phân bố bức xạ năng lượng Mặt Trời ở Việt Nam Bảng 1.1: Cường độ bức xạ Mặt Trời ở các vùng miền Vùng Giờ nắng trong Cường độ bức xạ Ứng dụng điện năm Mặt Trời Mặt Trời (kW/m2/ngày) Đông Bắc 1.750 3,3 – 4,1 Trung bình Tây Bắc 1.800 4,1 – 4,9 Trung bình Bắc Trung Bộ 1.000 4,6 – 5,2 Tốt Tây Nguyên và 2.600 4,9 – 5,7 Rất tốt Nam Trung Bộ Nam Bộ 2.500 4,3 – 4,9 Rất tốt Trung bình cả 1.500 4,6 Tốt nước SVTH:Võ Văn Thành, Nguyễn Sỹ Bảo Hướng dẫn: TS.
Nguyễn Hồ Sĩ Hùng Mrs: Đoàn Thị Thanh Mai Trang 6 Capstone Project: Thiết kế mạch sạc Acquy sử dụng thuật toán P&O để tối ưu hoá công suất cực đại cho hệ pin quang điện 1. Vai trò và lợi ích năng lượng Mặt Trời Năng lượng Mặt Trời được phát hiện và biết đến rất sớm, tuy nhiên đến những năm gần đây mới nhận được sự quan tâm và chú ý. Cho đến thời điểm hiện tại, hai ứng dụng chủ yếu của năng lượng Mặt Trời là nhiệt Mặt Trời và điện Mặt Trời: - Nhiệt Mặt Trời: Chuyển đổi bức xạ của ánh sáng Mặt Trời thành nhiệt năng, phục vụ cho hệ thống sưởi ấm, làm mát, thông gió, làm nước nóng, đun nước để tạo hơi quay tuabin điện, nấu ăn từ nhiệt Mặt Trời, xử lí nước bằng năng lượng Mặt Trời,… - Điện Mặt Trời: Là việc chuyển đổi bức xạ của ánh sáng Mặt Trời thành điện năng phục vụ cho sinh hoạt, sản xuất. Điện được phát dựa trên động cơ nhiệt và pin quang điện.
Điện Mặt Trời có thể tạo ra bằng cách sử dụng pin quang điện (pin Mặt Trời) hoặc sử dụng điện Mặt Trời tập trung. Trong dự án này, chúng ta sẽ trình bày về các hoạt động liên quan đến năng lượng Mặt Trời sử dụng công nghệ quang điện. Một trong những cách quan trọng để nâng cao hiệu suất của bảng điều khiển năng lượng Mặt Trời là sử dụng phương pháp dò điểm công suất tối ưu của một thiết bị điện tử công suất. Phương pháp này giúp gia tăng đáng kể hiệu quả của hệ thống.
Bằng cách sử dụng hệ thống điều chỉnh để tối ưu hóa điểm công suất cao nhất và tăng sản xuất điện năng tối đa, phương pháp dò tìm điểm công suất cực đại đã đóng góp vào việc cải thiện sắp xếp và giảm chi phí toàn bộ hệ thống năng lượng Ngoài ra, chúng ta sẽ thiết kế bộ dò tìm điểm công suất cực đại bằng cách sử dụng các thuật toán của phương pháp dò tìm điểm công suất cực đại là “Thuật toán P&O” và thực hiện nó bằng cách sử dụng một bộ chuyển đổi DC – DC. Chúng ta lựa chọn bộ chuyển đổi “Buck” cho thiết kế. Hệ thống phát điện PV thường sử dụng 1 vi điều khiển dựa trên điều khiển sạc kết nối với pin và tải. Một bộ điều khiển sạc được sử dụng để duy trì điện áp sạc thích hợp trên pin.
Vì những tính năng tốt, vững chắc, đáng tin cậy, điều khiển sạc PV là một thành phần quan trọng của bất kì hệ thống sạc PV nào để đạt được tối ưu hiệu quả hệ thống. Trong khi đó, thiết kế vi điều khiển có thể điều khiển thông minh hơn và làm tăng hiệu quả của hệ thống. SVTH:Võ Văn Thành, Nguyễn Sỹ Bảo Hướng dẫn: TS. Nguyễn Hồ Sĩ Hùng Mrs: Đoàn Thị Thanh Mai Trang 7 Capstone Project: Thiết kế mạch sạc Acquy sử dụng thuật toán P&O để tối ưu hoá công suất cực đại cho hệ pin quang điện 1.2 Pin Mặt Trời cấu tạo và nguyên lý 1.1 Hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện là một hiện tượng – 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 ánh sáng làm nguyên tử chuyển sang trạng thái kích thích làm bắn electron ra ngoài.
Hiệu ứng quang điện còn được gọi là hiệu ứng Herzt, do nhà khoa học Heinrich Herzt tìm ra.4: Hiệu ứng quang điện 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).