CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Trong thời kỳ toàn thế giới đang dần chuyển sang sử dụng năng lượng mặt trời. Việc sử dụng năng lượng mặt trời trong các hệ thống bơm nước có thể giúp ích đáng kể và đẩy nhanh sự phát triển nông nghiệp các vùng sâu vùng xa, hải đảo ở khu vực chưa có lưới điện và cơ sở hạ tầng kém. Bơm nước bằng năng lượng mặt trời làm giảm sự phụ thuộc vào dầu diesel, khí đốt hoặc than đá và các nguồn năng lượng điện dựa trên nhiên liệu hóa thạch khác.
Việc sử dụng hệ thống bơm nước sử dụng nhiên liệu hóa thạch hydrocacbon không chỉ đòi hỏi chi phí nhiên liệu mà còn tạo ra tiếng ồn và ô nhiễm không khí cho môi trường sống. Tổng chi phí trả trước, chi phí vận hành và bảo trì cũng như thay thế các bộ phận của máy bơm diesel cao hơn 2 – 4 lần so với hệ thống bơm nước quang điện mặt trời (PV). Hệ thống bơm năng lượng mặt trời thân thiện với môi trường và yêu cầu bảo trì thấp mà không tốn nhiên liệu trong suốt thời gian sử dụng. Do tiềm năng to lớn để sử dụng trong sản xuất nông nghiệp.
Máy bơm nước năng lượng mặt trời hiện đang cung cấp nước cho ngày càng nhiều các dự án nông nghiệp. Có tới 40% dân số toàn cầu dựa vào nông nghiệp là nguồn thu nhập chính. Nhưng việc tiếp cận nguồn nước vẫn là một cuộc đấu tranh. Đây cũng là cơ hội, mục tiêu của năng lượng mặt trời nhằm thay đổi và tạo ra một tương lai hiệu quả về chi phí cho khoảng 500 triệu nông dân trên khắp thế giới.
Trước nhu cầu thực tế đó, đề tài “Thiết kế hệ thống bơm nước cho nông trại sử dụng năng lượng mặt trời” được chọn. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI - Xây dựng quy trình các bước phù hợp để thiết kế hệ thống bơm nước năng lượng mặt trời. - Tìm hiểu, khai thác tối đa hiệu suất hệ thống pin năng lượng mặt trời 1 - Nghiên cứu phương pháp điều khiển động cơ để hệ thống hoạt động ổn định. - Biết sử dụng các phần mềm mô phỏng hệ thống năng lượng mặt trời.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Phương pháp thu thập số liệu. - Phương pháp phân tích và tổng hợp. - Sử dụng các phần mềm mô phỏng. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU Khu Sinh thái - Nông trại Ong Vàng 2, Hẻm 122 Đường Nguyễn Văn Tạo, Long Thới, Nhà Bè, Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam.
NHIỆM VỤ - Tìm ra phương pháp tối ưu công suất đầu ra. - Tìm ra phương pháp điều khiển tốc độ máy bơm phù hợp khi lượng bức xạ mặt trời thay đổi. - Xây dựng được một hệ thống pin năng lượng mặt trời hoạt động ổn định, hiệu quả và tiết kiệm chi phí. - Tận dụng tối đa nguồn năng lượng, phát huy tiềm năng về năng lượng tái tạo tại Việt Nam.
- Mô phỏng hệ thống thiết kế qua phần mềm MATLAB. 2 CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG PIN QUANG ĐIỆN 2. LÝ THUYẾT VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Năng lượng được định nghĩa là năng lực làm vật thể hoạt động. Có nhiều dạng năng lượng như: động năng làm dịch chuyển vật thể và nhiệt năng làm tăng nhiệt độ của vật thể…Để có được cơ nhiệt hay quang năng đều trải qua quá trình biến đổi từ nhiên liệu hóa thạch là chủ lực và một số được biến đổi từ năng lượng tái tạo thông qua năng lượng trung gian là điện năng.
Năng lượng mặt trời là một loại năng lượng tái tạo, là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ mặt trời, cộng với một phần nhỏ năng lượng của các hạt nguyên tử khác phóng ra nó, đây chính là nguồn năng lượng chính cho Trái Đất. Bức xạ mặt trời chủ yếu là bức xạ quang học có quang phổ rộng bao gồm tia cực tím (UV), nhìn thấy (ánh sáng) và bức xạ hồng ngoại. Hằng số năng lượng Mặt Trời được tính bằng công suất của lượng bức xạ trực tiếp chiếu trên một đơn vị diện tích bề mặt Trái Đất, bằng khoảng 1370 W/m2. Ánh sáng mặt trời khi truyền tới trái đất sẽ bị hấp thụ bởi một số phần trên bầu khí quyển, nên lượng bức xạ sẽ giảm phần nhỏ khi tới được bề mặt Trái Đất, còn khoảng 1000 W/m2 trong điều kiện trời quang đãng.
Dữ liệu năng lượng mặt trời cung cấp thông tin về tiềm năng về bức xạ tại một vị trí trên trái đất là bao nhiêu trong một khoảng thời gian cụ thể, những dữ liệu này rất quan trọng để thiết kế và định cỡ các hệ thống năng lượng mặt trời. Bản đồ cường độ bức xạ mặt trời tại Việt Nam Năng lượng mặt trời cung cấp năng lượng cho các quá trình tự nhiên như quang hợp, hơn thế nữa nó còn cung cấp nhiệt và điện bằng nhiều ứng dụng, chẳng hạn như máy nước nóng, máy sưởi, nhà máy điện tập trung và tế bào quang điện. Trái với năng lượng hóa thạch, năng lượng mặt trời an toàn, sạch và có sẵn trên Trái Đất quanh năm. Máy nước nóng năng lượng mặt trời Hình 2.
Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời 5 Hình 2. Pin quang điện Hiện nay, việc khai thác và sử dụng năng lượng mặt trời không còn là vấn đề quá khó đối với con người. Trên thế giới, công nghệ năng lượng mặt trời ngày càng đạt tốc độ tăng trưởng cao và liên tục. Đặc biệt về công nghệ điện mặt trời, theo số liệu thu thập được vào năm 2020, công suất pv năng lượng mặt trời được lắp đặt tích lũy toàn cầu lên tới khoảng 760 GW, tăng từ dưới 2.
Trung Quốc, Hoa Kỳ, Việt Nam, Nhật Bản và Đức là những thị trường quan trọng nhất cho việc lắp đặt quang điện mặt trời. Tổng công suất pin quang điện của một số quốc gia tính đến năm 2020 2. HỆ THỐNG PIN QUANG ĐIỆN MẶT TRỜI 2. Pin quang điện Pin Mặt trời, tấm năng lượng mặt trời hay tấm quang điện (Solar panel) là thiết bị thực hiện biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện.
Sự chuyển đổi này thực hiện theo hiệu ứng quang điện. Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel. Tuy nhiên cho đến 1883 một pin năng lượng mới được tạo thành, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối, thiết bị chỉ có hiệu suất 1%. Russell Ohl xem là người tạo ra pin năng lượng mặt trời đầu tiên năm 1946.
Sven Ason Berglund đã có phương pháp liên quan đến việc tăng khả năng cảm nhận ánh sáng của pin. Pin mặt trời đầu tiên có khả năng ứng dụng được ra mắt vào 25/4/1954. Cấu tạo Hình 2. Các bộ phận của pin mặt trời Cấu tạo một tấm pin mặt trời cơ bản hiện nay gồm các thành phần chính như: khung, lớp kính cường lực, lớp solar cell, lớp nền pin quang điện, bộ phận đấu nối dẫn điện ra bên ngoài.
Lớp solar cell (tế bào quang điện) đóng vai trò chính trong cấu tạo, là phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là điốt quang. Các tế bào quang điện có thể được làm bằng nhiều loại vật liệu khác nhau nhưng phổ biến nhất là silic. Trên mỗi tế bào quang điện, tinh thể silic loại N và loại P xếp chồng lên nhau, nằm giữa hai lớp dẫn điện. Các tế bào quang điện 8 Ngày nay thì vật liệu chủ yếu chế tạo pin Mặt trời (cho các thiết bị bán dẫn) là silic dạng tinh thể.
Pin Mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành ba loại: - Tinh thể đơn sản xuất dựa trên quá trình Czochralski. Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16%. Chúng thường rất đắt tiền do được cắt từ các thỏi silic 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 pin 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.
Nguyên lý hoạt động Hình 2. Nguyên lý hoạt động pin quang điện 9 Khi bề mặt tấm pin năng lượng mặt trời nhận được bức xạ mặt trời. Hiện tượng bức xạ mặt trời thẩm thấu vào tế bào quang điện, mang theo nguồn năng lượng proton dồi dào. Nguồn năng lượng này được tích trữ ngày một nhiều, đến khi đạt giới hạn chúng sẽ gây nên hiện tượng các electron bị bức ra khỏi cấu tạo nguyên tử.
Hình thành các electron tự do mang điện âm. Và các lỗ hổng mang điện dương. Chúng kết hợp với từ trường của 2 hai lớp silic P và N di chuyển thành một dòng điện DC được tập trung lưu trữ trong ắc-quy, hoặc được nghịch lưu thành dòng AC bởi biến tần (inverter) để cấp cho tải điện, hoặc được chuyển trực tiếp lên lưới điện, … 2. Các loại pin mặt trời được sử dụng phổ biến hiện nay • Pin Mono (monocrystalline): Hình 2.
Pin mono - Được tạo từ chất bán dẫn Silicon đơn tinh thể dạng ống hình trụ, có độ tinh khiết cao, đều màu và đồng nhất. - Loại pin này thường có hiệu suất chuyển đổi và công suất cao nhất. Hầu hết các loại pin Mono thường đạt hiệu suất chuyển đổi trên dưới 20%. 10 - Điều đặc biệt là các tấm năng lượng mặt trời Mono hấp thụ ánh sáng mặt trời nhanh, trong trường hợp chỉ có ánh sáng mà không có nắng thì loại pin này vẫn tạo ra điện.
- Những tấm pin mono có giá cao hơn so với pin poly và pin thin – film. Bên cạnh đó, nó được ứng dụng ở các khu vực ít nắng, diện tích nhỏ hẹp, … • Pin Poly (polycrystalline): Hình 2. Pin poly - Được tạo nên từ silicon đa tinh thể đơn, làm nóng chảy và đổ vào khuôn rồi làm nguội. - Pin mặt trời Poly có hiệu suất chuyển đổi từ 15%-19%.
- Có giá thấp hơn so với pin mono. • Pin mặt trời dạng mỏng thin – film: Hình 2. Pin mặt trời dạng mỏng thin – film 11 - Thiết bị được làm từ nhiều loại vật liệu khác nhau: Cadmium Telluride (CdTe), Silic vô định hình (a-Si), Copper Indium Gallium Selenide (CIGS).