Xây dựng hệ thống bơm nước bằng năng lượng mặt trời cho khu vực huyện Tri Tôn, tỉnh An Giang

Luận văn thạc sĩ HCMUTE trình bày hệ thống AC bơm nước bằng pin mặt trời cho huyện Tri Tôn, tỉnh An Giang, góp phần phát triển bền vững.

• Tác giả: Nguyễn Trung Tín
• Người hướng dẫn: PGS.TS Trương Việt Anh
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Hệ Thống Bơm Nước Năng Lượng Mặt Trời Cho Huyện Tri Tôn, An Giang
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn
• 1.2. Phương pháp giải quyết
• 1.3. Phạm vi của luận văn
• 1.4. Điểm mới của luận văn
• 1.5. Giá trị thực tiển của đề tài
• 1.6. Bố cục của luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN HỆ THỐNG BƠM NƯỚC DÙNG PV
• 2.1. Tổng quan về pin năng lượng mặt trời
• 2.1.1. Hiện tượng quang điện
• 2.1.2. Cấu tạo và hoạt động của pin mặt trời
• 2.1.3. Phân loại pin mặt trời
• 2.2. Tổng quan một hệ thống điện năng lượng mặt trời
• 2.2.1. Bộ pin năng lượng mặt trời
• 2.2.2. Bộ chuyển đổi năng lượng điện
• 2.3. Tổng quan hệ thống bơm nước NLMT
• 2.3.1. Hiện trạng công nghệ
• 2.3.2. Nguyên tắc của một máy bơm nước năng lượng mặt trời
• 2.3.3. Các loại máy bơm nước năng lượng mặt trời
• 2.3.4. Nguồn cung cấp nước
• 2.3.5. Hệ thống PV
• 2.3.6. Động cơ cho máy bơm dựa trên PV
• 2.3.7. Bơm năng lượng mặt trời
• 2.4. Hướng tiếp cận của luận văn về sử dụng pin mặt trời
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH TOÁN HỆ THỐNG BƠM NƯỚC PV
• 3.1. Pin năng lượng mặt trời và phương trình toán của pin năng lượng mặt trời
• 3.1.1. Phương trình tương đương của pin năng lượng mặt trời
• 3.1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến pin năng lượng mặt trời
• 3.1.3. Phương trình tương đương của bộ pin năng lượng mặt trời
• 3.2. Các thuật toán xác định điểm công suất cực đại của pin mặt trời
• 3.2.1. Thuật toán nhiễu loạn và quan sát P&O
• 3.2.2. Thuật toán điện dẫn gia tăng INC
• 3.3. Cấu hình hệ thống bơm nước công suất nhỏ dùng NLMT
• 3.3.1. Cấu hình hệ thống bơm nước dùng NLMT được đề xuất
• 3.3.2. Nguyên lý làm việc của hệ thống bơm
• 3.3.2.1. Nguyên tắc cân bằng công suất trên tụ DC
• 3.3.2.2. Nguyên tắc điều khiển động cơ BLDC
• 3.3.2.3. Phương pháp điều khiển BLDC cải tiến
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG
• 4.1. Mô hình hóa hệ thống bơm nước
• 4.1.1. Hệ thống pin năng lượng mặt trời
• 4.2. Mạch chuyển đổi DC/DC có chức năng MPPT
• 4.3. Mạch điều khiển động cơ PMSM
• 4.4. Kết nối các phần trong hệ thống bơm nước dùng PV
• 4.5. Kết quả mô phỏng
• 4.5.1. Khi cường độ bức xạ mặt trời không đổi
• 4.5.1.1. Khi cường độ bức xạ mặt trời 500W/m2
• 4.5.1.2. Khi cường độ bức xạ mặt trời 700W/m2
• 4.5.1.3. Khi cường độ bức xạ mặt trời 1000W/m2
• 4.5.2. Khi cường độ bức xạ mặt trời thay đổi
• 4.5.2.1. Khi cường độ bức xạ mặt trời 500-700 W/m2
• 4.5.2.2. Khi cường độ bức xạ mặt trời 800-1000W/m2
• 4.5.2.3. Khi cường độ bức xạ mặt trời 900-600W/m2
• 4.5.2.4. Khi cường độ bức xạ mặt trời 800-500W/m2
• 4.6. Những nhiệm vụ đã hoàn thành
• 4.7. Những kiến nghị và hướng phát triển
• TÀI LIỆU TRÍCH DẪN

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Hệ thống bơm nước năng lượng mặt trời cho huyện Tri Tôn, An Giang được thiết kế nhằm giải quyết vấn đề thiếu nước sinh hoạt và tưới tiêu tại khu vực này. Năng lượng tái tạo từ mặt trời là nguồn năng lượng dồi dào và bền vững, giúp giảm thiểu chi phí sản xuất nông nghiệp. Huyện Tri Tôn, với địa hình khó khăn và dân cư chủ yếu sống bằng nông nghiệp, cần một giải pháp hiệu quả để cung cấp nước. Việc sử dụng bơm nước năng lượng mặt trời không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn đảm bảo an toàn cho người dân. Hệ thống này có thể lắp đặt gần nguồn nước, giảm thiểu tổn thất điện năng và sụt áp. Theo nghiên cứu, việc áp dụng công nghệ bơm nước này có thể nâng cao hiệu quả sử dụng nước và tăng năng suất cây trồng.

1.1. Tình hình hiện tại

Tình hình thiếu nước tại huyện Tri Tôn đang trở nên nghiêm trọng do biến đổi khí hậu và khai thác quá mức nguồn nước. Nhu cầu về nước sinh hoạt và tưới tiêu ngày càng tăng, trong khi nguồn cung cấp lại giảm sút. Các giải pháp truyền thống như kéo điện từ xa hoặc sử dụng máy bơm chạy bằng xăng dầu không còn hiệu quả. Hệ thống bơm nước sử dụng năng lượng mặt trời là một giải pháp khả thi, giúp người dân tiếp cận nguồn nước một cách dễ dàng và tiết kiệm chi phí. Hệ thống này không chỉ giúp giảm chi phí vận hành mà còn bảo vệ môi trường, giảm thiểu ô nhiễm từ nhiên liệu hóa thạch.

II. Tổng quan về hệ thống bơm nước năng lượng mặt trời

Hệ thống bơm nước năng lượng mặt trời bao gồm các thành phần chính như bơm nước, pin năng lượng mặt trời, và bộ điều khiển. Công nghệ bơm nước này hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng, sau đó sử dụng điện năng này để vận hành bơm nước. Việc sử dụng năng lượng tái tạo không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn đảm bảo nguồn nước ổn định cho sản xuất nông nghiệp. Hệ thống này có thể hoạt động độc lập mà không cần kết nối với lưới điện quốc gia, rất phù hợp với các khu vực hẻo lánh như Tri Tôn. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc áp dụng giải pháp bơm nước này có thể nâng cao hiệu quả tưới tiêu và giảm thiểu chi phí sản xuất cho nông dân.

2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Hệ thống bơm nước năng lượng mặt trời bao gồm các tấm pin quang điện, bộ điều khiển, và bơm nước. Tấm pin quang điện chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng, bộ điều khiển điều chỉnh điện năng để bơm nước một cách hiệu quả. Hệ thống này có thể được thiết kế để hoạt động tự động, giúp người dân tiết kiệm thời gian và công sức. Việc sử dụng bơm nước tự động không chỉ nâng cao hiệu quả sử dụng nước mà còn giảm thiểu rủi ro trong quá trình tưới tiêu. Hệ thống này có thể được điều chỉnh để hoạt động tối ưu trong các điều kiện thời tiết khác nhau, đảm bảo cung cấp nước liên tục cho cây trồng.

III. Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống

Mô hình hóa hệ thống bơm nước năng lượng mặt trời được thực hiện thông qua phần mềm Simulink/Matlab. Mô hình này cho phép kiểm tra hiệu quả hoạt động của hệ thống trong các điều kiện khác nhau. Việc mô phỏng giúp đánh giá được hiệu suất của hệ thống khi áp dụng giải thuật bám điểm công suất cực đại (MPPT). Kết quả mô phỏng cho thấy, việc sử dụng MPPT có thể nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống bơm nước, đặc biệt trong các điều kiện bức xạ mặt trời thay đổi. Hệ thống được mô phỏng với các thành phần như pin quang điện, mạch tăng áp BOOST, và động cơ bơm nước, giúp đánh giá toàn diện hiệu quả của hệ thống.

3.1. Kết quả mô phỏng

Kết quả mô phỏng cho thấy, hệ thống bơm nước năng lượng mặt trời hoạt động hiệu quả hơn khi áp dụng MPPT. Các thông số như điện áp, dòng điện, và công suất được ghi nhận và phân tích. Hệ thống cho thấy khả năng cung cấp nước ổn định trong các điều kiện bức xạ khác nhau. Việc mô phỏng cũng chỉ ra rằng, hệ thống có thể hoạt động liên tục mà không cần bảo trì thường xuyên, giúp giảm thiểu chi phí cho người sử dụng. Kết quả này khẳng định giá trị thực tiễn của hệ thống bơm nước năng lượng mặt trời trong việc cung cấp nước cho nông nghiệp tại huyện Tri Tôn.

IV. Giá trị thực tiễn và ứng dụng

Hệ thống bơm nước năng lượng mặt trời không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Việc sử dụng năng lượng mặt trời giúp giảm thiểu ô nhiễm và bảo vệ nguồn nước. Hệ thống này có thể được áp dụng rộng rãi tại các vùng sâu, vùng xa, nơi mà việc kéo điện quốc gia gặp nhiều khó khăn. Ngoài ra, hệ thống còn có thể được sử dụng trong các lĩnh vực khác như cấp nước sinh hoạt, tưới tiêu cho cây trồng, và cung cấp nước cho chăn nuôi. Việc áp dụng công nghệ này không chỉ giúp nâng cao đời sống của người dân mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững của khu vực.

4.1. Ứng dụng trong nông nghiệp

Hệ thống bơm nước năng lượng mặt trời có thể được ứng dụng trong nông nghiệp để tưới tiêu cho cây trồng. Việc sử dụng bơm nước này giúp tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu quả sản xuất. Nông dân có thể chủ động trong việc cung cấp nước cho cây trồng, đảm bảo năng suất và chất lượng sản phẩm. Hệ thống này cũng giúp giảm thiểu rủi ro trong sản xuất nông nghiệp, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu. Việc áp dụng công nghệ bơm nước năng lượng mặt trời sẽ là một bước tiến quan trọng trong việc phát triển nông nghiệp bền vững tại huyện Tri Tôn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu về nước sinh hoạt và tưới tiêu tại các vùng sâu, vùng xa, đặc biệt là huyện Tri Tôn, tỉnh An Giang, đang ngày càng trở nên cấp thiết do điều kiện tự nhiên khó khăn và ảnh hưởng của biến đổi khí hậu. Theo ước tính, nguồn nước mặt tại khu vực này giảm nhanh trong mùa khô, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến đời sống và sản xuất nông nghiệp của người dân. Việc kéo điện lưới quốc gia đến các vùng này gặp nhiều khó khăn về kỹ thuật và chi phí cao, trong khi các giải pháp sử dụng máy bơm chạy xăng dầu lại không bền vững về mặt kinh tế và môi trường.

Trong bối cảnh đó, hệ thống bơm nước sử dụng pin năng lượng mặt trời (NLMT) được xem là giải pháp tiềm năng, giúp giảm chi phí vận hành và tăng tính cơ động khi lắp đặt gần nguồn nước, tránh tổn hao điện năng trên đường dây truyền tải. Tuy nhiên, hiệu suất hoạt động của hệ thống phụ thuộc lớn vào điều kiện bức xạ mặt trời thay đổi theo thời gian và thời tiết. Do vậy, việc thiết kế hệ thống có khả năng vận hành tối ưu, đặc biệt là sử dụng thuật toán bám điểm công suất cực đại (MPPT) để khai thác tối đa năng lượng từ pin mặt trời, là mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu.

Luận văn tập trung xây dựng và mô phỏng hệ thống bơm nước AC sử dụng pin mặt trời cho khu vực huyện Tri Tôn, với công suất dưới 2 kW, vận hành độc lập không cần bộ lưu trữ ắc quy nhằm giảm chi phí đầu tư và bảo trì. Thời gian nghiên cứu tập trung vào năm 2018, tại địa phương có đặc điểm địa hình đồi núi và dân cư phân tán. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng tái tạo, góp phần phát triển kinh tế nông thôn bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Hiện tượng quang điện và cấu tạo pin mặt trời: Pin mặt trời silic được mô hình hóa bằng mạch điện tương đương gồm dòng quang điện, điốt, điện trở nối tiếp và điện trở rò, phản ánh đặc tính I-V và P-V thay đổi theo bức xạ và nhiệt độ.
• Thuật toán bám điểm công suất cực đại (MPPT): Hai thuật toán chính được nghiên cứu là Perturb and Observe (P&O) và Incremental Conductance (INC), giúp xác định điểm công suất tối ưu của pin mặt trời trong điều kiện bức xạ thay đổi.
• Mô hình hệ thống bơm nước sử dụng động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM): Động cơ PMSM được điều khiển bằng phương pháp điều khiển dòng trễ, phù hợp với sự thay đổi công suất đầu vào từ pin mặt trời.
• Mạch chuyển đổi DC/DC Boost: Được sử dụng để điều chỉnh điện áp và tích hợp thuật toán MPPT nhằm tối ưu hóa công suất cung cấp cho động cơ bơm.

Các khái niệm chính bao gồm: điểm công suất cực đại (MPP), bức xạ mặt trời (W/m²), hiệu suất chuyển đổi năng lượng, và điều khiển động cơ PMSM.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các thông số kỹ thuật của pin mặt trời, động cơ PMSM, và điều kiện bức xạ mặt trời thực tế tại huyện Tri Tôn. Cỡ mẫu nghiên cứu là hệ thống bơm nước công suất dưới 2 kW, phù hợp với nhu cầu tưới tiêu nông nghiệp địa phương.

Phương pháp phân tích sử dụng mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink để xây dựng mô hình toàn diện của hệ thống, bao gồm mô hình pin mặt trời, mạch Boost có MPPT, bộ điều khiển động cơ và mô hình bơm nước. Hai trường hợp được so sánh là có và không có thuật toán MPPT nhằm đánh giá hiệu quả vận hành.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2018, bao gồm giai đoạn thu thập tài liệu, xây dựng mô hình, mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả của thuật toán MPPT: Mô phỏng cho thấy hệ thống có MPPT tăng công suất thu được từ pin mặt trời lên khoảng 15-20% so với hệ thống không sử dụng MPPT, đặc biệt rõ rệt khi bức xạ mặt trời thay đổi từ 500 W/m² đến 1000 W/m².
2. Ảnh hưởng của bức xạ mặt trời: Khi cường độ bức xạ tăng từ 500 W/m² lên 1000 W/m², công suất đầu ra của hệ thống tăng gần gấp đôi, từ khoảng 0.8 kW lên gần 1.6 kW, đồng thời vận tốc động cơ bơm cũng tăng tương ứng, giúp nâng cao lưu lượng nước bơm.
3. Ổn định điện áp trên tụ DC: Hệ thống với MPPT duy trì điện áp trên tụ DC ổn định hơn, dao động trong khoảng 48-52 V, giúp động cơ hoạt động hiệu quả và bền bỉ hơn.
4. Lưu lượng nước bơm: Mô phỏng cho thấy hệ thống có MPPT có thể bơm được lượng nước lớn hơn khoảng 18% so với hệ thống không có MPPT trong cùng điều kiện bức xạ, góp phần nâng cao hiệu quả tưới tiêu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện hiệu suất là do thuật toán MPPT giúp hệ thống luôn vận hành tại điểm công suất cực đại của pin mặt trời, tận dụng tối đa năng lượng thu được dù điều kiện bức xạ thay đổi. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trong ngành năng lượng tái tạo, khẳng định vai trò quan trọng của MPPT trong các hệ thống năng lượng mặt trời độc lập.

Việc duy trì điện áp ổn định trên tụ DC cũng giúp giảm thiểu tổn thất điện năng và tăng tuổi thọ thiết bị. So với các hệ thống bơm sử dụng động cơ DC truyền thống, hệ thống sử dụng động cơ PMSM kết hợp MPPT cho hiệu suất cao hơn và chi phí bảo trì thấp hơn.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ công suất đầu ra theo thời gian và biểu đồ lưu lượng nước bơm, giúp trực quan hóa hiệu quả của thuật toán MPPT trong điều kiện bức xạ thay đổi.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai hệ thống bơm nước sử dụng pin mặt trời có MPPT tại các vùng nông thôn: Động thái này giúp giảm chi phí vận hành và tăng hiệu quả tưới tiêu, đặc biệt tại huyện Tri Tôn trong vòng 1-2 năm tới, do các đơn vị điện lực và nông nghiệp phối hợp thực hiện.
2. Đào tạo kỹ thuật viên vận hành và bảo trì hệ thống: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về vận hành hệ thống bơm nước NLMT và bảo trì thiết bị nhằm đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định, giảm thiểu sự cố trong vòng 6 tháng đầu sau khi lắp đặt.
3. Nghiên cứu mở rộng công suất và tích hợp lưu trữ năng lượng: Trong giai đoạn tiếp theo, nghiên cứu phát triển hệ thống có công suất lớn hơn và tích hợp pin lưu trữ để đảm bảo cung cấp nước liên tục vào ban đêm hoặc ngày mưa, dự kiến trong 3-5 năm tới.
4. Khuyến khích chính sách hỗ trợ và đầu tư từ chính quyền địa phương: Đề xuất các chính sách ưu đãi về thuế, hỗ trợ tài chính cho người dân và doanh nghiệp đầu tư hệ thống bơm nước NLMT nhằm thúc đẩy ứng dụng rộng rãi, đặc biệt tại các vùng khó khăn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện, năng lượng tái tạo: Luận văn cung cấp mô hình toán học và phương pháp mô phỏng chi tiết, giúp nâng cao kiến thức và kỹ năng thực hành trong lĩnh vực pin mặt trời và hệ thống bơm nước.
2. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Thông tin về hiệu quả và ứng dụng thực tiễn của hệ thống bơm nước NLMT hỗ trợ xây dựng các chính sách phát triển năng lượng sạch và bền vững.
3. Doanh nghiệp sản xuất và cung cấp thiết bị năng lượng mặt trời: Nghiên cứu giúp cải tiến thiết kế sản phẩm, tối ưu hóa hiệu suất và giảm chi phí bảo trì cho các hệ thống bơm nước sử dụng năng lượng mặt trời.
4. Người dân và tổ chức nông nghiệp tại vùng nông thôn: Cung cấp giải pháp tiết kiệm chi phí, nâng cao hiệu quả tưới tiêu, góp phần cải thiện đời sống và năng suất nông nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống bơm nước sử dụng pin mặt trời có phù hợp với vùng có bức xạ thấp không?
   Hệ thống vẫn hoạt động nhưng hiệu suất giảm do công suất thu được từ pin mặt trời thấp hơn. Việc sử dụng thuật toán MPPT giúp tối ưu hóa công suất trong điều kiện bức xạ thay đổi, cải thiện hiệu quả vận hành.

2. Tại sao không sử dụng bộ lưu trữ ắc quy trong hệ thống?
   Loại bỏ bộ lưu trữ giúp giảm chi phí đầu tư và bảo trì. Hệ thống vận hành trực tiếp theo công suất pin mặt trời, phù hợp với nhu cầu tưới tiêu trong ngày và giảm rủi ro hỏng hóc do ắc quy.

3. Động cơ PMSM có ưu điểm gì so với động cơ DC truyền thống?
   Động cơ PMSM có hiệu suất cao hơn, kích thước nhỏ gọn, ít bảo trì và phù hợp với điều khiển biến đổi tốc độ, giúp hệ thống bơm hoạt động hiệu quả hơn trong điều kiện bức xạ thay đổi.

4. Thuật toán MPPT hoạt động như thế nào?
   MPPT liên tục điều chỉnh điện áp đầu ra của pin mặt trời để duy trì điểm công suất cực đại, từ đó tối đa hóa năng lượng thu được dù điều kiện ánh sáng thay đổi trong ngày.

5. Chi phí đầu tư hệ thống bơm nước NLMT so với máy bơm chạy xăng dầu như thế nào?
   Mặc dù chi phí đầu tư ban đầu cao hơn, nhưng chi phí vận hành và bảo trì thấp hơn nhiều, giúp tiết kiệm chi phí tổng thể trong vòng đời sử dụng, đồng thời thân thiện với môi trường.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình mô phỏng hệ thống bơm nước AC sử dụng pin mặt trời với thuật toán MPPT, phù hợp với điều kiện huyện Tri Tôn, An Giang.
• Thuật toán MPPT giúp tăng hiệu suất thu năng lượng lên khoảng 15-20%, nâng cao lưu lượng nước bơm và ổn định điện áp vận hành.
• Hệ thống vận hành độc lập không cần bộ lưu trữ ắc quy, giảm chi phí đầu tư và bảo trì, phù hợp với điều kiện kinh tế vùng nông thôn.
• Kết quả nghiên cứu có giá trị thực tiễn cao, góp phần phát triển năng lượng tái tạo và nâng cao hiệu quả sản xuất nông nghiệp tại các vùng khó khăn.
• Đề xuất triển khai thực tế và nghiên cứu mở rộng công suất, tích hợp lưu trữ năng lượng trong các giai đoạn tiếp theo nhằm nâng cao tính ứng dụng và bền vững của hệ thống.

Quý độc giả và các đơn vị quan tâm được khuyến khích áp dụng và phát triển nghiên cứu nhằm thúc đẩy ứng dụng năng lượng mặt trời trong lĩnh vực bơm nước nông nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu chung về luận văn. Các cơ sở lý luận của luận văn. − Chương 2: Trình bày tổng quan về pin mặt trời và hệ thống điện năng lượng mặt trời. − Chương 3: Trình bày các phương trình toán học của pin mặt trời và các phương pháp điều khiển hệ thống pin mặt trời theo theo điểm công suất cực đại.

Ngoài ra, trong chương 3 sẽ đề xuất phương pháp vận hành hệ thống năng lượng mặt trời mới được đề xuất trong luận văn một cách chi tiết và cụ thể. − Chương 4: Trình bày cách thức xây dựng nên một hệ thống năng lượng mặt trời hoạt động độc lập theo đề xuất được đưa ra trong chương 3. Hệ thống này được mô hình hóa và mô phỏng một cách chi tiết và cụ thể. − Chương 5: Nêu lên các kết luận và đánh giá về luận văn.

Ngoài ra, với các kết quả thu được, luận văn sẽ đề xuất hướng phát triển tiếp theo của đề tài. 5 Luan van CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN HỆ THỐNG BƠM NƯỚC DÙNG PV.1 Tổng quan về pin năng lượng mặt trời.1 Hiện tượng quang điện. Hiệu ứng quang điện là một hiện tượng điện - 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 trong ánh sáng làm nguyên tử chuyển sang trạng thái kích thích làm bắn electron ra ngoài. Hiệu ứng quang điện đôi khi được người ta dùng với cái tên Hiệu ứng Hertz, do nhà khoa học Heinrich Hertz tìm ra.

Việc nghiên cứu hiệu ứng quang điện đưa tới những bước quan trọng trong việc tìm hiểu về lượng tử ánh sáng và các electron, cũng như tác động đến sự hình thành khái niệm lưỡng tính sóng hạt.1 Hiện tượng quang điện Hiện tượng quang điện xảy ra như trong mô tả trong Hình 2. 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).

Điện tử phát xạ ra dưới tác dụng của bức xạ điện từ được gọi là quang 6 Luan van điện tử. Ở một số chất khác, khi được chiếu sáng với tần số vượt trên tần số ngưỡng, các điện tử không bật ra khỏi bề mặt, mà thoát ra khỏi liên kết với nguyên tử, trở thành điện tử tự do (điện tử dẫn) chuyển động trong lòng của khối vật dẫn, và ta có hiệu ứng quang điện trong (internal photoelectric effect). Hiệu ứng này dẫn đến sự thay đổi về tính chất dẫn điện của vật dẫn, do đó, người ta còn gọi hiệu ứng này là hiệu ứng quang dẫn.2 Cấu tạo và hoạt động của pin mặt trời. Với nhu cầu phát ra điện năng từ nguồn năng lượng mặt trời, các tấm pin năng lượng mặt trời được chế tạo dựa trên hiệu ứng quang điện.

Vật liệu xuất phát để làm Pin năng lượng mặt trời Silic phải là bán dẫn Silic tinh khiết. Ở dạng tinh khiết, còn gọi là bán dẫn ròng số hạt tải (hạt mang điện) là Electron và số hạt tải là lỗ trống (Hole) như nhau. Để làm Pin năng lượng mặt trời từ bán dẫn tinh khiết phải làm ra bán dẫn loại N và bán dẫn loại P rồi ghép lại với nhau cho nó có được tiếp xúc P- N.2 Cấu tạo một tế bào pin mặt trời cơ bản. Thực tế thì xuất phát từ một phiến bán dẫn tinh khiết tức là chỉ có các nguyên tử Si để tiếp xúc P- N, người ta phải pha thêm vào một ít nguyên tử khác loại, gọi là pha tạp.

Nguyên tử Si có 4 Electron ở vành ngoài, cùng dùng để liên kết với bốn nguyên tử Si 7 Luan van gần đó (cấu trúc kiểu như kim cương). Nếu pha tạp vào Si một ít nguyên tử phôt-pho P có 5 Electron ở vành ngoài, Electron thừa ra không dùng để liên kết nên dễ chuyển động hơn làm cho bán dẫn pha tạp trở thành có tính dẫn điện Electron, tức là bán dẫn loại N (Negatif - âm). Ngược lại nếu pha tạp vào Si một ít nguyên tử bo B có 3 Electron ở vành ngoài, tức là thiếu một Electron mới đủ tạo thành 4 mối liên kết nên có thể nói là tạo thành lỗ trống (Hole). Vì là thiếu Electron nên lỗ trống mạng điện dương, bán dẫn pha tạp trở thành có tính dẫn điện lỗ trống, tức là bán dẫn loại P (Positif - dương).

Vậy trên cơ sở bán dẫn tinh khiết có thể pha tạp để trở thành có lớp là bán dẫn loại N, có lớp bán dẫn loại P, lớp tiếp giáp giữa hai loạị chính là lớp chuyển tiếp P- N. Ở chỗ tiếp xúc P- N này một ít Electron ở bán dẫn loại N chạy sang bán dẫn loại P lấp vào lỗ trống thiếu Electron, ở đó. Kết quả là ở lớp tiếp xúc P- N có một vùng thiếu Electron cũng thiếu cả lỗ trống, người ta gọi đó là vùng nghèo. Sự dịch chuyển điện tử để lấp vào lỗ trống tạo ra vùng nghèo này cũng tạo nên hiệu thế gọi là hiệu thế ở tiếp xúc P- N, đối với Si vào cỡ 0,6V đến 0,7V.

Đây là hiệu thế sinh ra ở chỗ tiếp xúc không tạo ra dòng điện được.3 Nguyên lí hoạt động của một tế bào quang điện Silic Nhưng nếu đưa phiến bán dẫn đã tạo lớp tiếp xúc P- N phơi cho ánh sáng mặt trời chiếu vào thì Photon của ánh sáng mặt trời có thể kích thích làm cho điện tử đang liên 8 Luan van kết với nguyên tử bị bật ra khỏi nguyên tử, đồng thời ở nguyên tử xuất hiện chỗ trống vì thiếu Electron, người ta gọi là Photon đến tạo ra cặp Electron - lỗ trống. Nếu cặp Electron - lỗ trống này sinh ra ở gần chỗ có tiếp P- N thì hiệu thế tiếp xúc sẽ đẩy Electron về một bên (bên bán dẫn N) đẩy lỗ trống về một bên (bên bán dẫn P). Nhưng cơ bản là Electron đã nhảy từ miền hoá trị (dùng để liên kết) lên miền dẫn ở mức cao hơn, có thể chuyển động tự do. Càng có nhiều Photon chiếu đến càng có nhiều cơ hội để Electron nhảy lên miền dẫn.

Nếu ở bên ngoài ta dùng một dây dẫn nối bán dẫn loại N với bán dẫn loại P (qua một phụ tải như lèn LED chẳng hạn) thì Electron từ miền dẫn của bán dẫn loại N sẽ qua mạch ngoài chuyển đến bán dẫn loại P lấp vào các lỗ trống. Đó là dòng điện Pin năng lượng mặt trời Silic sinh ra khi được chiếu sáng. Dùng bán dẫn Silic tạo ra tiếp xúc P- N để từ đó làm Pin năng lượng mặt trời là một tiến bộ lớn trên con đường trực tiếp biến ánh sáng mặt trời thành dòng điện để sử dụng. Tuy nhiên Pin năng lượng mặt trời Silic có một số hạn chế về kinh tế, kỹ thuật.3 Phân loại pin mặt trời.

Cho tới nay thì vật liệu chủ yếu cho Pin năng lượng mặt trời (và cho các thiết bị bán dẫn) là các Silic tinh thể. Pin năng lượng mặt trời từ tinh thể Silic chia ra thành 3 loại: Hình 2.4 Một số tinh thể Silic. 9 Luan van − Một tinh thể hay đơn tinh thể Module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski. Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16%.

Chúng thường rất mắc tiền do được cắt từ các thỏi 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 tấm Pin năng lượng mặt trời 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. Các công nghệ trên là sản xuất tấm, nói cách khác, các loại trên có độ dày 300μm tạo thành và xếp lại để tạo nên Module.2 Tổng quan một hệ thống điện năng lượng mặt trời. Pin năng lượng mặt trời đóng vai trò là một máy phát điện có nhiên liệu đầu vào là năng lượng mặt trời và đầu ra là một nguồn dòng DC.

Để có thể sử dụng được nguồn điện năng này thì cần phải có sự trợ giúp của các thiết bị chuyển đổi nguồn điện thích hợp nhằm cung cấp cho các thiết bị tiêu thụ nguồn điện phù hợp với chúng. Dựa vào đặt tính tải là AC hay DC sẽ có các bộ chuyển đổi điện tương ứng. Các tấm pin năng lượng mặt trời kết hợp với các thiết bị chuyển đổi năng lượng và các phụ tải tiêu thụ sẽ tạo thành một hệ thống điện năng lượng mặt trời như được mô tả trong Hình 2. 10 Luan van Hình 2.5 Tổng quan một hệ thống năng lượng mặt trời.

Do có khả năng thích ứng cao với môi trường làm việc nên có nhiều cấu hình hoạt động được đề xuất cho một hệ thống năng lượng mặt trời cụ thể. Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu hình một hệ thống pin năng lượng mặt trời có thể kể đến là chế độ vận hành nối lưới hay độc lập, có yêu cầu dự trữ năng lượng hay không, có cấp nguồn cho các thiết bị DC hay không…Một số các thành phần cơ bản của một hệ thống năng lượng mặt trời như được trình bày dưới đây.1 Bộ pin năng lượng mặt trời. Các tấm pin có điện áp thấp tương tự điện áp phân cực thuận của một diot (vào khoảng 0.8 Vdc) nên không thể sử dụng được ngay. Các tấm pin này thường được mắc chung lại với nhau theo kiểu nối tiếp hoặc song song hoặc vừa nối tiếp vừa song song để có thể dùng được.

Các tấm pin sau khi ghép chung lại với nhau được gọi là một panel. Trong thực tế, các nhà sản xuất pin năng lượng mặt trời chỉ bán các panel với các công suất khác nhau cho khách hàng sử dụng cuối.