Luận văn thạc sĩ: Hệ tracking năng lượng mặt trời tự động - Nguyễn Phan Anh Quốc

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu, thiết kế hệ tracking năng lượng mặt trời tự động. Phân tích chi tiết cấu tạo, nguyên lý và kết quả thực nghiệm.

• Tác giả: Nguyễn Phan Anh Quốc
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn Hiếu
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
• Đề tài: Hệ Tracking Năng Lượng Mặt Trời Tự Động
• Loại tài liệu: Luận văn Thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Hệ Tracking Năng Lượng Mặt Trời Tự Động

Hệ tracking năng lượng mặt trời tự động là một giải pháp tiên tiến trong lĩnh vực năng lượng tái tạo, được thiết kế để tối ưu hóa hiệu suất thu năng lượng từ mặt trời. Luận văn thạc sỹ của Nguyễn Phan Anh Quốc (2011) tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã trình bày chi tiết về nguyên lý hoạt động, thiết kế và ứng dụng thực tiễn của hệ thống này. Nghiên cứu tập trung vào việc tăng cường hiệu suất pin mặt trời thông qua cơ chế tracking tự động, giúp các tấm pin luôn hướng về phía mặt trời để nhận được lượng bức xạ tối đa. Đây là một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực năng lượng tái tạo tại Việt Nam, đặc biệt phù hợp với điều kiện địa lý và khí hậu của đất nước.

1.1. Khái Niệm và Tầm Quan Trọng của Tracking Mặt Trời

Tracking mặt trời là công nghệ điều khiển chuyển động của tấm pin để theo dõi chuyển động của mặt trời trong suốt ngày. Hệ thống này sử dụng cảm biến ánh sáng để phát hiện vị trí mặt trời và điều khiển động cơ servo thay đổi góc nghiêng của pin. Tầm quan trọng của công nghệ này nằm ở việc tăng sản lượng điện từ 30-40% so với pin cố định, giúp cải thiện hiệu suất năng lượng đáng kể.

1.2. Ứng Dụng Thực Tiễn của Hệ Thống

Hệ tracking năng lượng mặt trời tự động được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như xe chạy bằng năng lượng mặt trời (solar car), hệ thống nạp điện công suất lớn, và các công trình năng lượng tái tạo hiện đại. Tại Việt Nam, với điều kiện bức xạ mặt trời cao, công nghệ này mở ra những cơ hội phát triển năng lượng sạch và bền vững cho các thế hệ tương lai.

II. Cấu Trúc và Nguyên Lý Hoạt Động của Pin Mặt Trời

Pin mặt trời (solar cell) là thiết bị chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng thông qua hiệu ứng quang điện. Luận văn của Nguyễn Phan Anh Quốc đã phân tích chi tiết về cấu tạo pin mặt trời, bao gồm lớp silicon, điện cực thu nhận và các thành phần khác. Nguyên lý hoạt động của pin dựa trên sự tương tác giữa photon từ ánh sáng mặt trời và các electron trong cấu trúc tinh thể silicon. Khi ánh sáng chiếu vào pin, các photon cung cấp năng lượng cho electron vượt qua vùng cấm (band gap), tạo ra dòng điện. Hiệu suất pin phụ thuộc vào nhiều yếu tố như cường độ bức xạ, nhiệt độ môi trường và đặc biệt là góc chiếu sáng. Đây là lý do chính giải thích tại sao hệ tracking tự động lại cần thiết để duy trì góc tối ưu suốt ngày.

2.1. Cấu Tạo của Pin Mặt Trời

Pin mặt trời bao gồm các lớp: lớp silicon loại P (có khuyếch tán), lớp silicon loại N (electron dư thừa) và vùng tiếp xúc P-N. Bề mặt pin được phủ một lớp kính cường lực để bảo vệ và giảm tổn hao ánh sáng. Các điện cực kim loại ở hai bề mặt giúp thu nhận và truyền dòng điện ra ngoài. Thiết kế này đảm bảo hiệu suất chuyển đổi tối đa.

2.2. Nguyên Lý Nạp Điện từ Pin Mặt Trời

Quá trình nạp điện accu từ pin mặt trời cần một bộ điều khiển nạp (charge controller) để điều tiết dòng điện. Bộ điều khiển này ngăn chặn hiện tượng xả ngược và quá nạp, kéo dài tuổi thọ ắc quy. Luận văn đã nghiên cứu phương pháp nạp tối ưu để tăng hiệu suất lưu trữ năng lượng.

III. Thiết Kế Hệ Thống Tracking Tự Động

Hệ thống tracking tự động được thiết kế với ba thành phần chính: hệ thống cảm biến, bộ điều khiển trung tâm và hệ thống cơ khí. Luận văn đã trình bày chi tiết về thiết kế bộ cảm biến ánh sáng sử dụng các photodiode để phát hiện vị trí mặt trời với độ chính xác cao. Bộ điều khiển trung tâm sử dụng vi điều khiển 8051 để xử lý tín hiệu từ cảm biến và điều khiển động cơ servo thay đổi góc của pin. Giải thuật chương trình bao gồm các chế độ tự động (automatic) và thủ công (manual), cho phép linh hoạt trong vận hành. Hệ thống được lắp đặt trên mô hình xe chở hệ tracking (solar car) để thử nghiệm hiệu suất thực tế. Giao tiếp RF (radio frequency) giữa các module cho phép điều khiển từ xa, tăng tính tiện lợi và an toàn.

3.1. Thiết Kế Cảm Biến Ánh Sáng

Bộ cảm biến sử dụng bốn photodiode được sắp xếp thành hai cặp, cho phép xác định vị trí mặt trời theo hai trục. Mỗi photodiode có độ nhạy cao với ánh sáng hồng ngoại. Thuật toán so sánh sáng từ các cảm biến để điều khiển chuyển động, giúp pin luôn hướng chính xác về phía mặt trời với sai số tối thiểu.

3.2. Bộ Điều Khiển Trung Tâm và Giải Thuật

Vi điều khiển 8051 xử lý dữ liệu từ cảm biến và thực thi giải thuật tracking. Chương trình chính bao gồm các hàm: quét phím, dò vị trí ban đầu, kiểm tra cảm biến và điều khiển động cơ. Hệ thống hỗ trợ chế độ tự động và thủ công, cho phép ngưng tracking khi cần thiết để bảo trì hoặc kiểm tra.

IV. Kết Quả Thực Nghiệm và Ứng Dụng Thực Tế

Luận văn đã tiến hành khảo sát chuyển động và đo lường hiệu suất của hệ tracking thông qua các thí nghiệm thực tế. Kết quả cho thấy pin có tracking tự động tạo ra lượng điện cao hơn 30-40% so với pin cố định. Phân tích dữ liệu từ quá trình nạp điện cho ắc quy chứng minh rõ ràng lợi ích của hệ thống. Hệ thống xe chở tracking (solar car) được xây dựng như một mô hình thực tiễn để kiểm chứng công nghệ. Bộ thu phát RF cho phép điều khiển xe từ xa, mở ra khả năng ứng dụng trong các lĩnh vực như xe tự hành, robot ngoài trời. So sánh với các hệ tracking khác được công bố, hệ thống này có ưu điểm về tiết kiệm năng lượng, độ chính xác cao và chi phí sản xuất thấp.

4.1. Kết Quả Đo Lường Điện Áp Pin

Thí nghiệm đo điện áp pin tại các vị trí góc khác nhau cho thấy điện áp đạt cực đại khi pin vuông góc với phương sáng. Hệ tracking tự động duy trì pin gần với vị trí tối ưu trong suốt ngày, giảm biến động điện áp và tăng ổn định hoạt động của hệ thống.

4.2. Hiệu Suất Nạp Điện và Phân Tích Kết Quả

So sánh ba trường hợp: solar cell đơn, pin cố định, và pin có tracking cho thấy hiệu suất nạp pin có tracking cao nhất. Năng lượng được lưu trữ trong ắc quy từ hệ tracking tăng đáng kể, chứng minh tính hiệu quả của công nghệ. Kết quả này hỗ trợ phát triển năng lượng tái tạo bền vững tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 Trang 8 Luận văn Thạc sỹ Solar tracking system Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Các thông số năng lượng mặt trời tại Việt Nam Việt Nam với lợi thế là một trong những nước nằm trong giải phân bố ánh nắng mặt trời nhiều nhất trong năm trên bản đồ bức xạ mặt trời của thế giới. Riêng tại vùng Nam bộ: là vùng gần xích đạo, nắng nhiều quanh năm. Tổng bức xạ khoảng 130 đến 150 (Kcal/cm2/năm), số giờ nắng trung bình từ 2.

Đây là điều kiện thuận lợi để VN phát triển ngành năng lượng mặt trời. Đặc biệt, Ninh Thuận là địa phương có cường độ chiếu xạ mặt trời lớn, thời gian chiếu sáng dài và đồng đều nên có điều kiện tiếp nhận hàng năm một lượng bức xạ mặt trời rất lớn: trên 230 kcal/cm2; tháng ít nhất cũng 14 kcal/cm2. Số giờ nắng trung bình cả năm trong khoảng 2.800 giờ, tổng nhiệt độ trong năm khoảng 10.000 độ C, phân bố tương đối điều hòa quanh năm. Trừ những ngày có mưa rào, có thể nói hơn 90% số ngày trong năm có thể sử dụng được năng lượng mặt trời.

Số tháng nắng trong năm: 9 tháng/năm, tương đương 200 ngày nắng/năm. Vì vậy, Tỉnh Ninh Thuận là một trong những tỉnh có tiềm năng năng lượng mặt trời rất lớn. Hiện nay, với nguồn năng lượng hoá thạch, dầu mỏ đang cạn dần đồng thời vấn đề ô nhiễm môi trường do việc đốt nhiên liệu gây ra. Các nước có xu hướng tìm nguồn năng lượng sạch để thay thế.

Cùng với nguồn năng lượng gió, năng lượng mặt trời được sử dụng sẽ đóng vai trò quan trọng trong hệ thống phát điện trong tương lai với những lợi ích: bảo vệ môi trường, giảm khí thải, tạo nhiều cơ hội việc làm mới và tăng cường an ninh năng lượng quốc gia. Do vậy, đây là lĩnh vực tiềm năng của Ninh Thuận và hiện có rất nhiều nhà đầu tư quan tâm, đăng ký đầu tư phát triển năng lượng mặt trời.HCM  Tại Nha Trang  Tại Đà Nẵng  Tại Hà Nội Bảng 2.1 : Giờ tại địa phương ứng với giờ mặt trời là 12 giờ.Trang Đà Nẵng Hà Nội Ngày n (106O41') (109O11') (108O12') (105O54') 1/1 1 12:10:20 12:20:20 12:16:24 12:07:12 2/1 2 12:10:47 12:20:47 12:16:51 12:07:39 3/1 3 12:11:14 12:21:14 12:17:18 12:08:06 4/1 4 12:11:40 12:21:40 12:17:44 12:08:32 5/1 5 12:12:06 12:22:06 12:18:10 12:08:58 6/1 6 12:12:31 12:22:31 12:18:35 12:09:23 7/1 7 12:12:56 12:22:56 12:19:00 12:09:48 8/1 8 12:13:21 12:23:21 12:19:25 12:10:13 9/1 9 12:13:46 12:23:46 12:19:50 12:10:38 10/1 10 12:14:09 12:24:09 12:20:13 12:11:01 11/1 11 12:14:33 12:24:33 12:20:37 12:11:25 12/1 12 12:14:56 12:24:56 12:20:60 12:11:48 Ngày n Tp.Trang Đà Nẵng Hà Nội (106O41') (109O11') (108O12') (105O54') 13/1 13 12:15:18 12:25:18 12:21:22 12:12:10 14/1 14 12:15:40 12:25:40 12:21:44 12:12:32 Chương 2 Trang 10 Luận văn Thạc sỹ Solar tracking system 15/1 15 12:16:01 12:26:01 12:22:05 12:12:53 16/1 16 12:16:22 12:26:22 12:22:26 12:13:14 17/1 17 12:16:42 12:26:42 12:22:46 12:13:34 18/1 18 12:17:02 12:27:02 12:23:06 12:13:54 19/1 19 12:17:21 12:27:21 12:23:25 12:14:13 20/1 20 12:17:39 12:27:39 12:23:43 12:14:31 21/1 21 12:17:57 12:27:57 12:24:01 12:14:49 22/1 22 12:18:13 12:28:13 12:24:17 12:15:05 23/1 23 12:18:30 12:28:30 12:24:34 12:15:22 24/1 24 12:18:45 12:28:45 12:24:49 12:15:37 25/1 25 12:19:00 12:29:00 12:25:04 12:15:52 26/1 26 12:19:14 12:29:14 12:25:18 12:16:06 27/1 27 12:19:28 12:29:28 12:25:32 12:16:20 28/1 28 12:19:41 12:29:41 12:25:45 12:16:33 29/1 29 12:19:53 12:29:53 12:25:57 12:16:45 30/1 30 12:20:04 12:30:04 12:26:08 12:16:56 31/1 31 12:20:14 12:30:14 12:26:18 12:17:06 1/2 32 12:20:24 12:30:24 12:26:28 12:17:16 2/2 33 12:20:33 12:30:33 12:26:37 12:17:25 Bảng 2.2 : Bức xạ mặt trời (W/m2) lên bề mặt Trái đất ứng với giờ mặt trời là 12 giờ.HCM Nha Trang Đà Nẵng Hà Nội Ngày n (10O45') (12O15') (16O03') (21O03') 01/01 1 1044.0940 Chương 2 Trang 11 Luận văn Thạc sỹ Solar tracking system 01/04 91 980.6284 Cường độ bức xạ mặt trời (W/m2) lên dàn pin mặt trời: Dàn pin có góc nghiêng tối ưu, được đặt lệch một góc 180 về phía Đông so với đường kinh tuyến (C = 180), trong môi trường có  = 0,2, vào 12 giờ (giờ mặt trời) (S = 0).3: Bức xạ mặt trời lên dàn pin mặt trời ứng với giờ mặt trời là 12 giờ.HCM Nha Trang Đà Nẵng Hà Nội Ngày n (10O45') (12O15') (16O03') (21O03') 01/01 1 1097.22511 Chương 2 Trang 12 Luận văn Thạc sỹ Solar tracking system 01/10 274 1058.99115 So sánh và nhận xét: Giờ thiên đỉnh trong cùng một ngày tại các địa phương nằm ở các đường kinh tuyến khác nhau là rất khác nhau. Giờ thiên đỉnh ở tại một địa phương cũng khác nhau trong các ngày trong năm. Địa phương nằm gần kinh tuyến gốc hơn thì có độ lệch thời gian giữa giờ chuẩn và giờ địa phương ít hơn.

Cường độ bức xạ mặt trời tại các địa phương trong cùng một ngày có sự sai khác, cường độ bức xạ mặt trời ở một địa phương trong các ngày trong năm cũng có sự sai biệt. Thường thì các địa phương nằm gần xích đạo hơn sẽ nhận được lượng ánh sáng mặt trời nhiều hơn.2 Cấu tạo, nguyên lý, tính chất của pin mặt trời. Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện) là thiết bị bán dẫn chứa một lượng lớn các diode p-n, có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng sử dụng được nhờ vào hiệu ứng quang điện trong.1 Cấu tạo của pin mặt trời: Pin mặt trời có cấu tạo của một diode bán dẫn với diện tích bề mặt tương đối rộng và một lớp n cực mỏng để ánh sáng có thể truyền qua. Chương 2 Trang 13 Luận văn Thạc sỹ Solar tracking system Hình 2.1: Cấu tạo của pin mặt trời.[3] Pin mặt trời được sản xuất và ứng dụng phổ biến nhất hiện nay là các pin mặt trời được chế tạo từ vật liệu tinh thể bán dẫn Silic có hóa trị 4.

Từ tinh thể Silic tinh khiết, để có vật liệu tinh thể bán dẫn Silic loại n, người ta pha tạp chất donor là Photpho có hóa trị 5, P có 5 điện tử ở lớp ngoài cùng do đó khi liên kết trong tinh thể Silic sẽ dư ra 1 điện tử, điện tử này trong điều kiện bị kích thích nhiệt có thể bứt ra khỏi liên kết với hạt nhân P để khuyếch tán trong mạng tinh thể. Còn để có vật liệu bán dẫn tinh thể loại p, thì tạp chất acceptor được dùng để pha vào Silic là Bo có hóa trị III, Bo có 3 điện tử ở lớp ngoài cùng do đo tính chất dẫn điện của bán dẫn tinh thể Silic loại p chủ yếu bằng các lỗ trống. Bên cạnh Silic tinh thể, vật liệu Silic vô định hình (a-Si) cũng đã được sử dụng để chế tạo pin mặt trời. So với pin mặt trời tinh thể Silic thì pin mặt trời a-Si có giá thành rẻ hơn nhưng hiệu suất thấp hơn.

Ngoài vật liệu truyền thống là Silic, người ta còn sử dụng các vật liệu khác như CuCdS, GaAs…để chế tạo pin mặt trời. Đặc biệt, các nhà khoa học đã kết hợp các vật liệu có khe vùng khác nhau để tạo ra một vật liệu mới có cấu trúc chuyển tiếp đa tầng (multi-junction) từ đó cải thiện đáng kể hiệu suất của pin. Chương 2 Trang 14 Luận văn Thạc sỹ Solar tracking system 2.2 Nguyên lý hoạt động pin năng lượng mặt trời: Pin mặt trời được mô tả là như là một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n. Chúng ta tìm hiểu cơ chế điện tử thay đổi khi ta cho 2 loại bán dẫn trên tiếp xúc với nhau.

Khi đó, các điện tử tự do ở gần mặt tiếp xúc trong bán dẫn loại n sẽ khuếch tán từ bán dẫn loại n sang bán dẫn loại p và lấp các lỗ trống trong phần bán dẫn loại p này. Khi các điện tử di chuyển như vậy nó làm cho bán dẫn n mất điện tử và tích điện dương, ngược lại bán dẫn p tích điện âm. Như vậy, ở bề mặt tiếp xúc của 2 chất bán dẫn bây giờ tích điện trái ngược và một điện trường hướng từ bán dẫn p sang bán dẫn n xuất hiện ngăn cản dòng điện tử chạy từ bán dẫn n sang p, nó chỉ cho phép dòng điện tử chạy theo 1 chiều duy nhất từ p sang n. Khi bức xạ của ánh sáng mặt trời chạm vào bề mặt của pin năng lượng mặt trời, một phần sẽ bị phản xạ trở lại không gian (và vì vậy trên bề mặt của pin quang điện luôn có một lớp chống phản quang), và một phần bị hấp thụ khi truyền qua lớp n.

Chỉ có một phần ánh sáng đến được lớp chuyển tiếp, nơi có các cặp electron và lỗ trống nằm trong điện trường của bề mặt giới hạn p-n. Với các bước sóng thích hợp, sẽ truyền cho electron một năng lượng đủ lớn để bật khỏi liên kết trở thành các electron tự do, đồng thời dịch chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn. Dưới tác dụng của điện trường tiếp xúc p-n, các electron tự do ở vùng dẫn của bán dẫn loại p bị kéo về phía bán dẫn loại n. Nguyên tử bán dẫn loại p bị thiếu điện tử và lập tức được lấp đầy bởi các electron tự do từ bán dẫn loại n.

Khi có ánh sáng truyền tới, các electron tự do này lại bị kéo về bán dẫn loại n, cứ như vậy tạo thành một vòng luân chuyển các điện tử tự do giữa hai lớp bán dẫn p và n. Kết quả là nếu ta nối hai cực vào 2 phần bán dẫn loại n và p sẽ đo được một hiệu điện thế. Giá trị hiệu điện thế này phụ thuộc vào bản chất của chất làm bán dẫn và tạp chất được hấp thụ. Chương 2 Trang 15 Luận văn Thạc sỹ Solar tracking system Hình 2.2: Nguyên lý của pin mặt trời 2.3 Nguyên lý tracking và điều khiển.

Solar tracking là thuật ngữ dùng để chỉ những thiết bị mang các trọng tải hướng về phía mặt trời. Các trọng tải có thể là tấm pin mặt trời, tấm kính phản xạ, thấu kính hay các dụng cụ quang học khác. Hệ Solar tracking được dùng để làm giảm thiểu góc tới giữa tia nắng và pháp tuyến của tấm pin. Điều này làm tăng khả năng chuyển đổi quang-điện hơn so với tấm pin đặt cố định.

Solar tracking được phân thành nhiều loại. Có thể được phân loại theo số trục, phân loại theo cấu trúc, phân loại theo ứng dụng. Có hai phương pháp tracking: - Phương pháp thuật toán điều khiển cố định (Fixed control algorithm method). - Phương pháp động (Dynamic method).

Điểm khác của hai phương pháp này là cách xác định vị trí mặt trời. Phương Chương 2 Trang 16 Luận văn Thạc sỹ Solar tracking system pháp điều khiển cố định sử dụng hệ thống các công thức để tính toán vị trí mặt trời theo những khoảng thời gian nhất định. Phương pháp này không xác định được vị trí cụ thể của mặt trời tại một thời điểm nhất định, mà chỉ tính toán với các dữ liệu cho sẵn, đó là thời gian, ngày, tháng, năm.