ĐẶT VẤN ĐỀ 1. Điều kiện khai thác NLMT ở Việt Nam Với ưu điểm là sẵn có, thân thiện với môi trường và đặc biệt là không bao giờ bị cạn kiệt, NLMT đang là giải pháp thay thế cho các nguồn năng lượng khác đang dần bị cạn ki ệt trên Trái Đất. Ở Vi ệt Nam, thiên nhiên ưu đãi cho nướ c ta một lượng BXMT hàng năm thuộc top những nước có BXMT hàng năm cao nhấ t trên thế giới (vào khoảng 4.5 – 6 kWh/m2/năm) cộng với điều kiện về mặt địa lý (lãnh thổ Việt Nam kéo dài từ vĩ độ 8o N đến 23o N). Do đó, khai thác và sử dụng NLMT tại Việt Nam là rất khả thi.1 Bức xạ NLMT ở Việt Nam 1.
Các phương pháp để tối ưu hiệu suất PV Các phương pháp để tối ưu hiệu suất chuyển đổi PV: • Sử dụng bộ MPPT để bắt điểm công suất cực đại. • Giảm nhiệt độ làm việc của tấm pin NLMT. • Kiểm tra và vệ sinh bề mặt của tấm pin NLMT định kỳ. • Sử dụng hệ thống điều hướng pin NLMT.
Với phương pháp điều hướng pin NLMT, pin NLMT chỉ đạt được hiệu suất cao nhất khi ánh sáng Mặt Trời hợp với bề mặt tấm pin NLMT một góc 90o. Tuy nhiên, các hệ thống pin NLMT hiện nay thường được l ắp cố định khiến cho hiệu suất chuyển đổi PV không cao. Vì vậy để duy trì được hiệu suất của tấm pin NLMT ở mức cao nhất, giải SVTH: Nguyễn Thành Trung GVHD: PGS.TS Lê Kim Hùng 1 Thiết kế, chế tạo hệ thống điều hướng pin NLMT 1 trục theo thời gian thực pháp được đưa ra là thiế t kế hệ thống điều khiển chuyển động thay đổi hướng nhận BXMT theo hệ kinh độ, vĩ độ c ủa t ừng địa phương, cộng v ới thời gian UTC của t ừng địa phương ta tính được v ị trí của M ặt Tr ời theo thời gian UTC của địa phương đó, từ đó tính toán được góc quay của hệ th ống điều hướng để đảm bảo hiệu suất chuyển đổi PV của các tấm pin NLMT là lớn nhất.2 So sánh sơ lược về hiệu quả của hệ thống điều hướng pin NLMT so v ới phương pháp lắp đặt truyền thống Dựa vào Hình 1.2, ta thấy rằng để cùng thu được một lượng BXMT, hệ thống pin NLMT không được điều hướ ng phải cần một diện tích tấm pin lớn hơn so với hệ thống pin NLMT được điều hướng. Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài Đề tài giải quyết các vấn đề của h ệ th ống l ắp đặt hệ thống t ấm pin NLMT theo phương pháp truyền thống đồng thời phát triển them tính năng để nâng cao hiệu suất chuyển đổi PV của tấm pin NLMT.
Nhiệm vụ của đề tài: • Giải quyết nhược điểm của hệ thống điều hướng pin NLMT bằng cảm biến. • Bổ sung khả năng chuyển chế độ linh hoạt theo từng điều kiện thời tiết. • Kiểm định khả năng hoạt động chính xác của hệ thống. SVTH: Nguyễn Thành Trung GVHD: PGS.TS Lê Kim Hùng 2 Thiết kế, chế tạo hệ thống điều hướng pin NLMT 1 trục theo thời gian thực 1.
Phạm vi nghiên cứu Với m ục tiêu thiết kế, chế t ạo hệ thống điều hướng pin NLMT 1 trục theo thời gian thực nhưng do điều kiện thời gian, kinh phí giới hạn nên đề tài giới hạn trong các phạm vi sau: • Sử dụng một số website để mô phỏng quỹ đạo của Mặt Trời trong ngày. • Tìm hiểu, xây dựng công thức để tính toán vị trí của M ặt Trời theo thời gian thực trong từng ngày. Từ đó tính toán góc quay củ a hệ thống điều hướng sao cho phù hợp. • Tìm hiểu các phương pháp để điều hướng tấm pin NLMT, từ đó lựa chọn phương án tối ưu.
• Mô phỏng sự hoạt động của hệ thống bằng phần mềm để kiểm định với các tính toán theo lý thuyết. • Chế tạo hệ thống khung giàn, giá đỡ, cơ cấu quay cho hệ thống. • Chế tạo hệ thống điều hướng theo các lý thuyết đã tìm hiếu. Sử dụng vi xử lý để tính toán, giám sát góc quay của hệ thống.
• Sử dụng xy lanh điện để truyền động cho hệ thống. Kết luận Việc tìn hiểu về trữ lượng NLMT ở Việt Nam cho ta thấy tiềm năng khai thác nguồn năng lượng này trong tương lai. Qua đó, làm rõ hơn cho sự cần thiết của việc khai thác nguồn năng lượng này một cách hiệu quả. SVTH: Nguyễn Thành Trung GVHD: PGS.TS Lê Kim Hùng 3 Thiết kế, chế tạo hệ thống điều hướng pin NLMT 1 trục theo thời gian thực Chương 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN ĐIỀU KHIỂN VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG ÁN ĐIỀU KHIỂN 2.
Chọn số trục điều hướ ng Số trục điều hướng có thể là 1 trục hoặc 2 trục (một số công nghệ mới có thể là 1,5 trục). Hệ thống điều hướ ng 1 trục Phân loại các loại điều hướng 1 trục: [2] • Điều hướng theo trục ngang (HSAT – Horizontal single axis trackers): Trục quay của hệ thống điều khiển sẽ n ằm song song mặt đất. Thích hợp cho những vùng có vĩ độ thấp (Hình 2.1 Hệ thống HSAT 4MW ở Vellakoil, Tamil Nadu, Ấn Độ • Điều hướng theo trục ngang với module nghiêng (HTSAT – Horizontal single axis trackers with tilted modules.2 Hệ thống HTSAT ở Xitieshan, Trung Quốc SVTH: Nguyễn Thành Trung GVHD: PGS.TS Lê Kim Hùng 4 Thiết kế, chế tạo hệ thống điều hướng pin NLMT 1 trục theo thời gian thực • Điều hướng theo trục dọc (VSAT – Vertical single axis trackers): Trục quay của h ệ th ống sẽ nằm vuông góc với mặt đất. Thích hợp cho nh ững vùng có vĩ độ cao.
• Điều hướng theo trục xiên (TSAT – Tilted single axis trackers): Trục quay của hệ thống sẽ nằm xiên 1 góc so với mặt đất.3 Hệ thống TSAT ở Siziwangqi, Trung Quốc • Điều hướng theo trục Trái Đất (PSAT – Polar single axis tracker). Trục quay của hệ thống điều hướng sẽ nằm song song với trục quay của Trái Đất, đây là phương pháp điều khiển cho các kính viễn vọng. Đối với các phương pháp VSAT, TSAT, PSAT, trụ c xoay có thể trục Bắc – Nam, Đông – Tây, thậm chí là trục xoay của Trái Đất. Hệ thống điều hướ ng 2 trục Có 2 phương pháp điều hướng 2 trục phổ biến: [2] • Hệ thống điều hướng Tip - Tilt (TTDAT – Tip – Tilt dual axis trackers): Hệ thống có 1 trục quay nằm song song với trục Bắc – Nam của thực địa, tại đỉnh của hệ thống gắn tấm pin có một cơ cấu chữ T hoặc chữ H, cơ cấu này giúp thay đổi góc nhập xạ của tấm pin.4) SVTH: Nguyễn Thành Trung GVHD: PGS.TS Lê Kim Hùng 5 Thiết kế, chế tạo hệ thống điều hướng pin NLMT 1 trục theo thời gian thực Hình 2.4 Hệ thống TTDAT ở Siziwangqi, Trung Quốc • Hệ thống điều hướng Azimuth - Altitude (AADAT – Azimuth - Altitude dual axis trackers): Hệ thống có 2 trục quay theo 2 góc Azimuth và Altitude.5 Hệ thống AADAT ở Toledo, Tây Ban Nha 2.
Đánh giá hiệu quả của 2 phương pháp điều hướ ng, lựa chọn phương án thích hợp Phương pháp điều hướng 1 trục thường có trục xoay trùng với trục B ắc – Nam của thực địa, phương pháp này có những ưu điể m sau: • Độ tin cậy cao. • Tuổi thọ cao. SVTH: Nguyễn Thành Trung GVHD: PGS.TS Lê Kim Hùng 6 Thiết kế, chế tạo hệ thống điều hướng pin NLMT 1 trục theo thời gian thực • Có giá thành lắp đặt và vận hành ít hơn so với phương pháp điều hướ ng 2 trục do có ít cơ cấu cơ khí và điều khiển. • Có hiệu quả lớn hơn phương pháp lắp đặt truyền thống lên đến 32,17%.
• Hệ thống lắp đặt theo phương pháp này bám Mặt Trời từ lúc Mặt Trời mọc (ở phía Đông) đến lúc Mặt Trời lặn (ở phía Tây), cung cấp sản lượng điện một cách ổn định cả ngày • Tạo ra thêm 15 – 16% lượng điện năng hằng năm so với phương pháp truyền thống nếu xét 1 hệ thống pin NLMT có cùng dung lượng. • Tỷ lệ mật độ tấm pin NLMT trên từng km2 của phương pháp là cao nhất. • Thời gian hoàn vốn ngắn cho các khoản đầu tư vào hệ thống NLMT và lợi nhuận ròng hằng năm tang đáng kể. Tuy nhiên phương pháp điều hướng 1 trục cũng có những nhược điểm sau: • Sản lượng điện năng thu được ít hơn so với phương pháp điều hướ ng 2 trục.
• Sự giới hạn trong nâng cấp công nghệ. Phương pháp điều hướng 2 trục TTDAT hay AADAT có những ưu điểm sau đây: • Cung cấp sản lượng điện liên tục và ổn định trong ngày. • Cung cấp gi ải pháp hợp lý trong trường h ợp dung lượng nguồn phát của lưới bị hạn chế. • Không gian lắp đặt nhỏ, cung cấp không gian cho các mục đích khác.
• Cung cấp điện năng hàng năm nhiều hơn 45 – 50% so với phương pháp lắp đặt truyền thống nếu xét 1 hệ thống pin NLMT có cùng dung lượng. Mặc khác phương pháp điều hướng 2 trục cũng có những nhược điểm: • Hệ thống có độ phức tạp về kĩ thuật cao hơn, khiến chúng có khả năng dễ bị trục trặc. • Hệ thống có tuổi thọ và độ tin cậy thấp. • Hiệu suất làm việc trong điều kiện thời tiết nhiều mây thấp.
• Thời gian hoàn vốn ngắn nhưng sẽ dài hơn phương pháp điều hướng 1 trục. Từ những ưu nhược điểm c ủa 2 phương pháp điều hướ ng, tôi sử dụng phương pháp điều hướng 1 trục cho thiết kế của mình. SVTH: Nguyễn Thành Trung GVHD: PGS.TS Lê Kim Hùng 7 Thiết kế, chế tạo hệ thống điều hướng pin NLMT 1 trục theo thời gian thực 2. Chọn phương pháp bám Mặt Trời Các phương pháp thường được sử dụng để bám Mặt Trời là: • Dùng cảm biến quang.
• Dùng tấm cảm quang phụ BIFACIAL. • Dựa trên địa lí, thời gian thực. • Kết hợp giữa nhiều phương pháp. Tôi sử dụng phương pháp dựa trên địa lí, thời gian thực để có độ tin cậy cao.
Cơ sở lý thuyết của phương pháp điều hướ ng tấm pin NLMT 1 trục theo thời gian thực [3] 2. Sự chuyển động của Mặt Trời Chuyển động biểu kiến của M ặt Trời được tạo nên bởi Trái Đất tự quay quanh mình nó và nghiêng trục Trái Đất, làm thay đổi góc tới c ủa các tia sáng Mặt Trời. Từ một v ị trí cố định trên Trái Đất, Mặt Trời xuất hi ện và di chuyển khắp b ầu trời. Vị trí của Mặt Trời trên bầu trời phụ thuộc vào điểm ta nhìn trên Trái Đất, thời gian trong ngày, ngày trong năm.
Chuyển độ ng biểu kiến này được thể hiện ở hình dưới đây.