Đặt vấn đề Trong cuộc sống hàng ngày của con người, ánh sáng là một yếu tố rất quan trọng. Tuy nhiên, việc sử dụng ánh sáng không hợp lý gây ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người, môi trường và lãng phí năng lượng. Do đó, việc nghiên cứu và áp dụng các biện pháp sử dụng ánh sáng một cách hợp lý là điều cần thiết. Lý do chọn đề tài Ngày nay, đèn NLMT được sử dụng rộng rãi ở nhiều khu vực và ứng dụng khác nhau nhờ vào lợi ích vượt trội và linh hoạt của chúng.
Việc sử dụng đèn NLMT không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng và chi phí, mà còn góp phần bảo vệ môi trường và tạo ra các giải pháp chiếu sáng bền vững. Tuy nhiên, việc chiếu sáng liên tục vào ban đêm, nhất là trong những thời điểm không có người hoạt động, làm cho acquy xả sâu quá mức quy định, về lâu dài sẽ làm cho các thành phần hóa học bên trong acquy bị hư hại, làm ảnh hưởng đến khả năng lưu trữ và tuổi thọ của bình acquy. Từ đó, cường độ sáng của đèn có thể không ổn định hoặc không đủ mạnh để hoạt động trong suốt đêm. Nhận thấy thực trạng đó, nhóm chúng em đã chọn đề tài: “Mô hình hệ thống đèn năng lượng mặt trời công suất nhỏ tự động điều chỉnh độ sáng”, với mục đích tiết kiệm năng lượng và tăng thời gian sử dụng của đèn, từ đó giúp kéo dài tuổi thọ và hiệu suất của toàn hệ thống.
Phương pháp thực hiện đề tài - Mô phỏng hệ thống trên PVsyst. - Xây dựng mô hình thực tế. Mục tiêu của đề tài - Tính toán, xây dựng mô hình thực tế. - Thiết kế mạch tự động điều chỉnh độ sáng.
- Đánh giá hiệu quả về mặt năng lượng và kinh tế của hệ thống. Nội dung nghiên cứu - Tìm hiểu về tình hình phát triển của điện mặt trời trên thế giới và ở Việt Nam. - Giới thiệu về các hệ thống điện mặt trời. - Giới thiệu tổng quan về đèn NLMT, nguyên lý hoạt động của đèn.
4 - Mô phỏng hệ thống đèn mặt trời độc lập trên PVsyst. - Thiết kế mạch tự động điều khiển độ sáng của đèn. - Đo đạc bức xạ mặt trời và tính toán PR (Performance Ratio – hiệu quả hoạt động). - Sử dụng các dữ liệu thu thập được để đánh giá hệ thống đèn năng lượng mặt trời theo các trường hợp (case study) thực tế.
Giới hạn của đề tài - Ngân sách có hạn trong việc mua các vật liệu và thiết bị tốt. - Hạn chế một số chức năng thực tế: Đèn sáng dần từng mức. Cảm biến nhận diện động vật và con người. Khái niệm hệ thống điện năng lượng mặt trời Hệ thống điện NLMT là hệ thống hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện của tấm pin năng lượng mặt trời (Photovoltaic - PV), chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng.
Dòng điện một chiều DC được tạo ra từ tấm PV sẽ chuyển đổi thành dòng điện xoay chiều AC thông qua bộ biến tần (Inverter) cấp cho các tải sử dụng. Hiện nay, hệ thống điện NLMT thường được phân thành 3 loại dựa trên cách lắp đặt nối với lưới điện quốc gia và phương pháp lưu trữ: Hệ thống điện mặt trời hòa lưới (On-Grid) Hệ thống điện mặt trời độc lập (Off-Grid) Hệ thống điện mặt trời kết hợp (Hybrid) Một hệ thống điện NLMT sẽ gồm những thành phần sau: - Tấm PV và dây MC4 - Bộ biến tần (Inverter) - Tủ bảo vệ và phân phối DC/AC - Bộ thiết bị đo đếm điện năng, giám sát và điều khiển - Bộ acquy lưu trữ ( lắp đặt trong hệ thống Off-grid hoặc Hybrid) Lợi ích khi sử dụng điện NLMT - Là nguồn NLTT sử dụng vô hạn không gây ô nhiễm môi trường và hiệu ứng khí thải nhà kính. - Dễ dàng lắp đặt và ít bảo trì - Tuổi thọ của hệ thống cao khoảng từ 25 đến 30 năm - Tiết kiệm chi phí điện năng hàng tháng - Sử dụng độc lập giảm sự phụ thuộc vào điện lưới quốc gia Khó khăn khi sử dụng điện NLMT - Chi phí đầu tư hệ thống ban đầu cao - Công suất của hệ thống phụ thuộc vào điều kiện thời tiết 2. Các loại hệ thống điện NLMT Hệ thống điện NLMT hòa lưới (On-Grid) Hệ thống điện NLMT hòa lưới được lắp đặt nhiều nhất hiện nay, chúng là sự kết hợp giữa điện mặt trời và điện lưới quốc gia.
Nếu nguồn điện được tạo ra sẽ cung cấp cho 6 các tải sử dụng, nếu nguồn điện tạo ra không đủ cho các tải dùng hệ thống sẽ bổ sung điện lưới vào. Chính vì vậy, chúng được xem là hệ thống mang tính hiệu quả cao phù hợp với các mô hình nhà xưởng, công ty và gia đình sử dụng nhiều tải vào ban ngày… Nguyên lý hoạt động: bức xạ mặt trời sẽ chuyển đổi thành dòng điện một chiều DC nhờ các tấm PV, dòng điện DC qua bộ biến tần chuyển đổi thành dòng điện xoay chiều AC để cung cấp cho các tải sử dụng. Ngoài ra, nếu nguồn điện cung cấp cho các tải không đủ dùng hệ thống sẽ bù điện lưới vào thông qua công tơ 2 chiều, ngược lại hệ thống sẽ đẩy lên lưới điện vì không có bộ acquy lưu trữ như hệ thống điện mặt trời độc lập Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống điện mặt trời hòa lưới (On-Grid) Hệ thống điện NLMT độc lập (Off-Grid) Hệ thống điện NLMT độc lập thường lắp ở những khu vực không có hoặc xa điện lưới quốc gia, phổ biến thường thấy nhất ở mô hình chăn nuôi, trồng trọt, các phương tiện giao thông hoặc ở những vùng núi Nguyên lý hoạt động: sử dụng những tấm PV để tạo ra nguồn điện một chiều DC và dùng bộ biến tần để chuyển đổi thành dòng xoay chiều AC. Nhưng khác với hệ thống điện NLMT hòa lưới vì hệ thống điện NLMT độc lập có thêm bộ acquy lưu trữ và không dùng đến điện lưới, khi nguồn điện hệ thống tạo ra dư thừa không dùng hết sẽ sạc vào bộ acquy lưu trữ để sử dụng cho các tải vào ban đêm và vào ngày mưa hoặc những tải dùng khẩn cấp khi mất điện.2: Sơ đồ hệ thống điện mặt trời độc lập (Off-Grid) Hệ thống điện NLMT kết hợp (Hybrid) Hệ thống điện NLMT Hybrid là sự kết hợp giữa hệ thống điện NLMT độc lập và hệ thống điện NLMT hòa lưới vì bộ biến tần Hybrid có tích hợp chức năng sạc cho acquy lưu trữ mà không cần đến bộ sạc, khi sạc đầy bộ acquy và năng lượng điện do hệ thống tạo ra dư có thể chuyển sang chức năng bám tải.
Nguyên lý hoạt động : những tấm PV tạo ra nguồn điện một chiều DC và chuyển đổi thành nguồn xoay chiều AC thông qua bộ biến tần để sử đụng cho các tải tiêu thụ, khi nguồn điện mặt trời phát ra dư thừa bộ biến tần Hybrid sẽ chuyển sang chế độ sạc cho bộ acquy, nếu các tải tiêu thụ lượng điện lớn hơn hệ thống điện mặt trời phát ra bộ Inverter sẽ chuyển sang chế độ bám tải để bù lưới điện vào hệ thống thông qua công tơ 2 chiều. Còn ở thời điểm buổi tối nếu lượng điện dự trữ trong bộ acquy bị sử dụng hết bộ biến tần Hybrid sẽ tiếp tục bù điện lưới vào. Đây được xem là hệ thống điện NLMT cung cấp điện vô cùng ổn định và hiệu quả nhưng chi phí đầu tư khá cao.3: Sơ đồ hệ thống điện mặt trời kết hợp (Hybrid) 2. Tổng quan về hệ thống đèn NLMT 2.
Khái niệm Đèn NLMT là thiết bị chiếu sáng sử dụng năng lượng từ mặt trời để tạo ra điện năng và chiếu sáng vào ban đêm. Đây là một giải pháp thân thiện với môi trường, tiết kiệm năng lượng và được sử dụng trong nhiều lĩnh vực. - Ưu điểm: Tiết kiệm chi phí: không tốn chi phí điện do sử dụng ánh sáng mặt trời miễn phí để tạo ra điện, đèn LED và acquy lưu trữ cũng có tuổi thọ cao, giúp tiết kiệm chi phí trong việc thay thế và bảo trì. Tính linh hoạt và di động: có thể lắp đặt độc lập ở nhiều vị trí và khu vực khác nhau do không cần hệ thống dây điện.
Thân thiện với môi trường: sử dụng nguồn NLTT là NLMT, giúp bảo vệ môi trường và giảm tài nguyên thiên nhiên. Tự chủ năng lượng: đèn NLMT không phụ thuộc vào điện lưới, có thể hoạt động ngay cả khi mất điện hoặc ở những vùng không có điện. An toàn: không sử dụng điện AC nên giảm nguy cơ rủi ro về điện giật và cháy nổ. Cải thiện cảnh quan: đèn NLMT cải thiện thẩn mỹ cho nhiều khu vực như: sân vườn, lối đi của các khu vực công cộng,….
Thu hút khách hàng: các công ty, doanh nghiệp sử dụng đèn NLMT có thể thu hút khách hàng quan tâm đến việc tiết kiệm năng lượng vào bảo vệ môi trường. 9 - Nhược điểm: Chi phí mua ban đầu cao hơn so với đèn thông thường. Phụ thuộc vào thời thiết cần phải có nhiều ánh nắng mặt trời, ở những nơi có khí hậu ít nắng việc sử dụng hệ thống là không khả thi. Cấu tạo của đèn NLMT Hình 2.4: Cấu tạo đèn NLMT - Bóng đèn LED: sử dụng công nghệ LED trong toàn bộ đèn NLMT để chiếu sáng hiệu quả với mức năng lượng tiêu thụ thấp, ít tỏa nhiệt và không phát ra tia bức xạ.
- Tấm PV: là bộ phận có vai trò quan trọng, có nhiệm vụ hấp thụ ánh sáng mặt trời và chuyển hóa từ quang năng thành điện năng. - Bộ điều khiển: thường sử dụng remote để điều khiển việc bật tắt đèn, ngoài ra nhiều hệ thống còn tích hợp cảm biến quang để tăng sự cảm ứng ánh sáng. Khi có ánh sáng mặt trời, đèn sẽ tự động tắt và sẽ tự động bật khi trời tối thiếu ánh sáng. - Acquy lưu trữ: điện năng do tấm PV tạo ra vào ban ngày được lưu trữ trong acquy và sử dụng để chiếu sáng vào ban đêm.
Ngoài ra, đèn NLMT còn có thể được trang bị thêm những bộ phận khác như: bộ điều khiển sạc, khung đỡ, cột đèn và các phụ kiện lắp đặt khác. Nguyên lý hoạt động của đèn NLMT - Buổi sáng: đèn sẽ ở chế độ tắt. Tấm PV có nhiệm vụ hấp thụ ánh sáng mặt trời để chuyển đổi thành điện năng và được lưu trữ trong acquy. Acquy sẽ được tự động ngắt khi sạc đầy để tránh việc sạc quá mức.
Tùy vào thời tiết, công suất của tấm PV và dung lượng của acquy mà thời gian sạc đầy sẽ khác nhau. - Buổi chiều: tấm PV sẽ không còn hấp thụ được do ánh sáng mặt trời yếu dần.