Đặt vấn đề Ngày nay, nhu cầu sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo đang tăng lên mạnh mẽ do các nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt và chúng gây ra những hậu quả về môi trường như hiệu ứng nhà kính, lũ lụt…Trong các nguồn năng lượng tái tạo,năng lượng mặt trời đang dần trở nên rất phổ biến bởi vì chúng có nhiều ưu điểm như nguồn năng lượng này là sạch, có sẵn trong thiên nhiên, không gây ô nhiễm, không bị cạn kiệt và là giải pháp tốt nhất nhằm tiết kiệm năng lượng hóa thạch cho tương lai. Tuy nhiên năng lượng mặt trời vẫn còn đang trong thời kỳ đầu của những ứng dụng vì nó đòi hỏi những đầu tư rất lớn cho thiết bị nhưng lại chỉ chuyển hóa được một lượng rất nhỏ năng lượng từ mặt trời sang dạng hữu ích. Hơn nữa, năng lượng mặt trời lệ thuộc vào điều kiện tự nhiên, không đủ ổn định để những thiết bị điện và điện tử có thể sử dụng một cách an toàn và hiệu quả. Tận dụng tốt nguồn năng lượng này, phần lớn sẽ giải quyết được bài toán năng lượng của nhân loại.
Các nhà máy điện truyền thống là một trong những nguyên nhân hàng đầu gây ô nhiễm môi trường và tác động tiêu cực đến sức khoẻ con người từ phát thải khí nhà kính. Nên năng lượng mặt trời là một phương pháp thay thế nhằm hỗ trợ các nhà máy điện truyền thống hiện có trong giờ cao điểm. Đặc biệt, các công nghệ năng lượng tái tạo đã trở thành một đóng góp quan trọng cho nhu cầu về tương lai năng lượng bền vững. Do đó, hoàn toàn là cần thiết để tìm một phương pháp thay thế của thế hệ để bảo vệ môi trường và sức khỏe từ tác động của năng lượng thông thường.
Ở Việt Nam, vị trí địa lý đã ưu ái cho chúng ta một nguồn năng lượng tái tạo vô cùng lớn, đặc biệt là năng lượng mặt trời. Nằm gần đường xích đạo, Việt Nam nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao, năng lượng bức xạ mặt trời trung bình đạt 4 đến 5kWh/m2 mỗi ngày. Đây là nguồn năng lượng sạch, thân thiện với môi trường và trữ lượng gần như là vô tận. Tuy nhiên, với tiềm năng lớn song năng lượng mặt trời lại đang gặp những rào cản lớn về kỹ thuật và các rào cản khác.
Rào cản kỹ thuật là một trong những thách thức lớn cho việc sử dụng pin mặt trời hiện nay do bởi giá thành cao và hiệu suất chuyển đổi năng lượng còn thấp. Giá của một mô đun pin mặt trời khá cao. Ngoài ra còn các rào cản khác Trang 8 do an như thiếu sự hỗ trợ về chính sách của chính phủ, nhận thức của mọi người về năng lượng, sự tham gia của các tổ chức cá nhân vào các dự án phát triển nguồn năng lượng tái tạo.Cánh đồng pin mặt trời tại tỉnh Ninh Thuận Vài năm trở lại đây, khi các nguồn nhiên liệu hóa thạch như: xăng, dầu, than đá,. đang có dấu hiệu bị cạn kiệt đi, kèm theo đó là giá cả leo thang, ô nhiễm môi trường kèm theo biến đổi khí hậu, người dân đã ý thức được tầm quan trọng và tính kinh tế của những nguồn năng lượng tái tạo.
Do đó pin mặt trời dần đưa vào gần với cuộc sống của người dân. Từ những thiết bị công suất nhỏ như: quạt, đèn, tivi…đến những thiết bị như: động cơ, máy bơm nước… được cung cấp từ những tấm pin mặt trời. Chính vì thế, vấn đề công suất của tấm pin mặt trời quyết định tính hiệu suất và hiệu quả của chúng trong cuộc sống. Vì vậy, vấn đề dò tìm điểm công suất cực đại của pin mặt trời sẽ mở ra nhiều hướng phát triển mới cho tương lai và cho ngành năng lượng sạch.
Mục tiêu của đề tài nghiên cứu là làm sao có thể tận thu được tối đa nguồn năng lượng mặt trời, vì vậy đề tài này chủ yếu tập trung vào các giải pháp để có thể tận thu điện năng từ mặt trời. Như đã biết để hiệu suất pin mặt trời lớn nhất phải đặt tấm pin cho vuông góc với hướng chiếu sáng của mặt trời. Vấn đề đặt ra là làm như thế nào để pin mặt trời Trang 9 do an luôn vuông góc với hướng chiếu sáng. Thứ 2, theo đặt tính năng lượng của pin mặt trời để đạt được hiệu suất tối đa, ta phải sử dụng tải sao cho công suất đạt được điểm cực đại của pin.
Thứ 3, năng lượng mặt trời không liên tục vì thế cần phải lưu trữ hoặc kết hợp với một nguồn năng lượng khác để đảm bảo cung cấp điện.Mục đích của đề tài Đề tài dựa trên mục đích nâng cao hiệu suất của tấm pin bằng những phương pháp dò tìm điểm công suất cực đại MPPT (Maximum Power Point Tracking) của tấm pin mặt trời, điều chỉnh hướng của tấm pin theo hướng mặt trời và vệ sinh tấm pin để hoạt động ở điểm có công suất là lớn nhất. Nếu không có những phương pháp trên thì hiệu suất chuyển đổi năng lượng của tấm pin đạt rất thấp, vì vậy các phương pháp này giúp nâng cao hiệu suất sử dụng và không lãng phí nguồn năng lượng chuyển hóa. Ngoài ra, ứng dụng giám sát hệ thống pin măt trời cho biết đươc các thông số của hệ thống ngay thời điểm hiện tại, thống kê đươc sản lượng của tấm pin giúp người dùng quản lý được sản lượng củng như hiệu suất của hệ thống từ đó dễ dàng bảo trì, vệ sinh hệ thống đúng thời điểm. Vì vậy mục đích cuối cùng của đề tài là ứng dụng phương pháp trên để nâng cao thêm hiệu suất cho tấm pin mặt trời.Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu Các nhiệm vụ cần được thực hiện trong đề tài: + Nghiên cứu tổng quan cở sở lý thuyết về hệ thống pin năng lượng mặt trời + Phân tích các đặc tuyền I-V, P-V của pin mặt trời và sự phụ thuộc của các đường đặc tính khi các điều kiện môi trường thay đổi + Tìm hiểu phương pháp dò tìm điểm công suất cực đại và đưa ra giải thuật đề xuất + Thiết kế được bộ khung đỡ cho tấm panel và cơ cấu truyền động giúp panel xoay theo hướng ánh sáng cực đại + Thiết kế được mạch điều khiển panel xoay theo ánh sáng cực đại + Thiết kế mạch dò tìm công suất cực đại dùng Arduino uno.
+ Thiết kế mạch sạc Ắc-quy theo phương pháp 3 giai đoạn,có bảo vệ quá dòng, quá áp và đấu ngược cực Ắc-quy. + Thiết kế bộ chuyển đổi DC/DC theo phương pháp PWM với hiệu suất cao. Trang 10 do an + Thiết kế được mạch hiển thị các thông số như dòng điện,điện áp khi hoạt động + Thiết kế được ứng dụng giám sát hệ thống pin măt trời qua điện thoại +Thiết kế được mô hình máy rửa pin.Phương pháp nghiên cứu Để giải quyết các mục tiêu được đặt ra ta cần các biện pháp như: để đảm bảo hiệu suất hấp thụ cao nhất ta cần một hệ thống “ hướng sáng” luôn xoay tấm pin theo hướng mặt trời. Để đạt hiệu suất cực đại của pin ta cần dùng hệ thống “dò tìm điểm cực đại” để tận thu hiệu suất của pin là lớn nhất.
Đối với hệ thống năng lượng mặt trời có công suất lớn, thông thường sẽ được chuyển đổi thành nguồn AC và hòa vào lưới quốc gia, vì vậy không cần hệ thống dự trữ năng lượng để tiết kiệm chi phí, nhưng hệ thống mặt trời đạt được công suất đủ hòa vào lưới thì chi phí đầu tư ban đầu là rất lớn. Đối với hệ thống pin mặt trời công suất nhỏ, sử dụng cho hộ gia đình ta có vài giải pháp như sau: - Sử dụng kết hợp với nguồn điện lưới, hai hệ thống hoạt động song song với nhau để đảm bảo cung cấp điện và không cần nguồn lưu trữ (không cần Ắc-quy). - Vùng xa khu vực điện lưới, hệ thống mặt trời hoạt động độc lập,vì vậy việc cung cấp điện không liên tục do ban đêm không có ánh sáng từ mặt trời. Cần phải có hệ thống Ắc- quy để lưu giữ điện vào ban ngày và cung cấp cho tải vào ban đêm.
Hệ thống này có đặc điểm là không phụ thuộc vào lưới điện, nhưng chi phí đầu tư khá cao, ngoài ra còn chi phí bảo dưỡng, thay thế Ắc-quy. Ắc-quy chì hư hỏng sẽ trở thành tác nhân gây ô nhiễm môi trường, như vậy năng lượng mặt trời không còn “sạch” nữa. - Vào ban ngày, năng lượng từ các tấm pin sinh ra có thể dư dùng và cần lưu trữ để dùng vào ban đêm.Về mặt lưu trữ điện ta có nhiều giải pháp như sau: + Năng lượng được nạp vào Ắc-quy dự trữ với hiệu suất đạt 80% – 85%. + Dùng lượng năng lượng dư đó để điện phân nước thành H2 và O2 lưu trữ lại rồi khi cần sẽ dùng “pin nhiên liệu” để chuyển hóa lại thành điện với hiệu suất đạt 90% Trang 11 do an + Có thể dùng năng lượng đó chuyển qua dạng thế năng như bơm nước lên hồ chứa trên cao và lấy năng lượng dưới dạng thủy điện khi cần với hiệu suất khá thấp, chỉ khoảng 30% -35%.
Có nhiều giải pháp được đặt ra, và khi ứng dụng vào từng điều kiện cụ thể mà áp dụng cho phù hợp. Ngoài ra còn cân nhắc giữa vấn đề giá thành và hiệu suất. Hiện nay, năng lượng mặt trời vẫn còn đang là nguồn năng lượng “xa xỉ”, nhưng trong tương lai gần nó có thể trở thành nguồn năng lượng chính cung cấp cho toàn thế giới.Ý nghĩa thực tiễn Năng lượng chính là nguồn sống của mỗi quốc gia. Do vậy nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng cao.Năng lượng là nhu cầu thiết yếu của cuộc sống.Năng lượng từ than, dầu hỏa…ngày càng cạn kiệt và khan hiếm.Thực tế,có nguồn năng lượng khác thay thế hứa hẹn tiềm năng cung cấp rất lớn đó là năng lượng hạt nhân.
Nhưng việc sử dụng nguồn năng lượng này vẫn là một vấn đề tranh cãi vì sự an toàn và ảnh hưởng đến môi trường sống. Vì vậy, năng lượng tái tạo là sự lựa chọn tốt nhất, là một nguồn năng lượng xanh, nguồn năng lượng thân thiện với môi trường. Nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời được sử dụng ở những nơi chưa có lưới điện như cung cấp điện cho vùng xâu, vùng xa, hải đảo…Năng lượng mặt trời có sẵn trong tự nhiên và vô tận do đó không sợ bị cạn kiệt như các nguồn năng lượng than đá ,dầu mỏ.Những lợi ích to lớn mà nguồn năng lượng mặt trời đem lại giúp cho con người ứng dụng vào thực tiễn ngày càng rộng rãi.