CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ MÔ HÌNH TỰ ĐỘNG ĐIỀU HƯỚNG PIN MẶT TRỜI (Tracking Solar) 1. Tính cấp thiết của đề tài. Cùng với sự phát triển của quá trình Công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, nền kinh tế nước ta ngày càng phát triển. Sự phát triển của nền kinh tế kéo theo nhu cầu sử dụng năng lượng của Việt Nam ngày càng tăng.
Nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt, nhu cầu tìm ra loại năng lượng mới xanh, sạch và có thể tái tạo được,… để thay thế nguồn năng lượng hóa thạch truyền thống là bài toán đặt ra từ lâu đối với quốc gia đang phát triển như Việt Nam. Với sự phát triển nền kinh tế, Việt Nam cũng gặp phải những khó khăn và trở ngại về thiếu hụt năng lượng khi mà các nguồn năng lượng tuyền thống dần không đủ đáp ứng. Mặt khác,Việt Nam là quốc gia nhiệt đới gió mùa, có phần đất liền trải dài từ kinh tuyến 102°8′ Đông đến 109°27′ Đông và từ vĩ tuyến 8°27′ Bắc đến 23°23′ Bắc, cách đường xích đạo không xa nên cường độ ánh sáng mặt trời nhận được rất dồi dào. Với ưu thế về vị trí địa lý này, Việt Nam hoàn toàn có thể sử dụng nguồn năng lượng mặt trời đầy tiềm năng này.
Những năm gần đây, khai thác năng lượng mặt trời đang được nhà nước quan tâm. Xuất phát từ yêu cầu thực tế trên, nhóm em thực hiện đề tài “Thiết kế mô hình tự động điều hướng pin mặt trời (Tracking Solar)”. Với mong muốn mô hình của đề tài được ứng dụng trong thực tế cho việc phát tối ưu năng lượng điện trong các gia đình để giải quyết phần nào tình trạng thiếu hụt năng lượng và làm cơ sở để tạo nên những trạm điện mặt trời trong tương lai. Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài.
Pin năng lượng mặt trời là phần tử bán dẫn quang có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các linh kiện cảm biến ánh sáng, dùng biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện. Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện. Các pin năng lượng mặt trời có nhiều ứng dụng trong thực tế, đặc biệt thích hợp cho các vùng như núi cao, ngoài đảo xa. Pin năng lượng mặt trời được thiết kế như những modul thành phần, được SVTT: Nguyễn Minh Triều Trang - 5 - Luan van Đồ án Tốt Nghiệp GVHD: ThS.
Phạm Ngọc Hiệp ghép lại với nhau tạo thành các tấm năng lượng mặt trời có diện tích lớn, thường được đặt trên các tòa nhà, nơi có ánh sáng nhiều nhất và kết nối với bộ chuyển đổi của mạng lưới điện sẽ tạo ra điện năng. Pin năng lượng mặt trời hoạt động theo nguyên lý như sau: Từ tấm pin mặt trời (solar cells), ánh sáng được biến đổi thành điện năng, tạo ra dòng điện một chiều (DC Power). Dòng điện này được dẫn đến bộ điều khiển (charge controller) là một thiết bị có chức năng có chức năng tự động điều hòa dòng điện từ pin mặt trời và dòng điện nạp cho acquy (Battery). Thông qua bộ đổi điện DC/AC (Inverter) tạo ra dòng điện xoay chiều chuẩn 220V/50Hz để cung cấp điện cho các thiết bị điện.
Nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời Việc sử dụng pin năng lượng mặt trời như một nguồn năng lượng tại chỗ thay thế cho các dạng năng lượng truyền thống, góp phần giảm tải nhu cầu ngày càng tăng lên về năng lượng cho quốc gia. Hệ thống pin năng lượng mặt trời cung cấp điện cho các thiết bị điện tạo ra một năng lượng tái tạo xanh, sạch, độc lập và bảo vệ môi trường. Diện tích lắp pin mặt trời càng lớn càng tạo ra nhiều điện năng sử dụng. SVTT: Nguyễn Minh Triều Trang - 6 - Luan van Đồ án Tốt Nghiệp GVHD: ThS.
Phạm Ngọc Hiệp Hình 1. Mô hình pin mặt trời tự động điều hướng của người dân Cấu hình tiêu biểu của một hệ thống Solar Tracker bao gồm: - Tấm pin mặt trời Solar cells. - Hệ thống điều khiển tấm Solar cells. - Hệ thống điều khiển sạc cho Ắc – quy.
- Hệ thống Inverter 12V DC – 220V AC. - Ắc - quy lưu trữ điện. Những ưu điểm của pin năng lượng mặt trời mang lại: - Pin năng lượng mặt trời không đòi hỏi bất cứ nguồn nhiên liệu nào, hoàn toàn miễn phí và thiết thực. - Giúp tiết kiệm tiền điện hàng tháng cho các hộ gia đình.
- Tạo ra nguồn điện độc lập, xanh, sạch và bảo vệ môi trường. - Đảm bảo độ tin cậy cung cấp nguồn điện. Việt Nam là nước giàu nguồn năng lượng mặt trời. Hằng năm các vùng ở phía Bắc Việt Nam có khoảng 1400-2000 giờ nắng và các vùng miền Trung và một số vùng miền Nam có từ 2000-3000 giờ nắng.
Nhưng rất ít người biết tận dụng điều kiện thuận lợi cuả năng lượng mặt trời vào sử dụng hằng ngày. Năm 2000 – 2005, EVN kết hợp với Trung tâm năng lượng mới của Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tiếp tục triển khai ứng dụng dàn pin mặt trời tại các hộ dân và trạm biên phòng của đảo Cô Tô (tỉnh Quảng Ninh). Gần đây, Sở Khoa học và Công nghệ Tp. Đà Nẵng phối hợp với Công ty Quản SVTT: Nguyễn Minh Triều Trang - 7 - Luan van Đồ án Tốt Nghiệp GVHD: ThS.
Phạm Ngọc Hiệp lý vận hành điện chiếu sáng công cộng, quyết định thí điểm một năm trong việc lắp đặt 10 bộ đèn chiếu sáng đường phố bằng năng lượng gió và mặt trời tại đường Trường Sa. Ngoài ra tại Việt Nam, còn có khá nhiều doanh nghiệp đầu tư sản xuất loại máy nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời như Polarsun, Megasun, Sơn Hà, Sunflower, Thái Dương Năng… 1. Phạm vi nghiên cứu. Đề tài “Thiết kế mô hình tự động điều hướng pin mặt trời (Tracking Solar)” được thực hiện trên vi xử lý AVR Atemega 328 kết hợp với hệ thống cảm biến, sử dụng tấm pin solar cell 10W - 18V.
Hệ thống Solar Tracker hoàn toàn có thể được đưa vào hoạt động thực tế với chi phí thấp, mang lại hiệu quả kinh tế cao. Mục tiêu và giới hạn của đề tài. Đề tài này có mục đích phát triển lý thuyết tính toán hệ thống năng lượng mặt trời tự điều hướng, đồng thời tiến hành kiểm nghiệm so sánh hiệu suất pin khi đặt trong hệ thống cố định và khi cơ động hướng trên mô hình tự động điều hướng pin mặt trời (tracking solar) với mô hình pin mặt trời thực có công suất 6W. Đề tài “Thiết kế mô hình tự động điều hướng pin mặt trời (Tracking Solar)” sẽ tìm hiểu và nghiên cứu các một tiêu như sau: - Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời.
- Nghiên cứu cơ sở khoa học về việc chế tạo mô hình tự động điều hướng pin mặt trời. - Thiết kế, thi công phần cảm biến góc chiếu của ánh sáng mặt trời, cơ cấu chuyển động theo ánh sáng mặt trời để cho hiệu suất pin cao nhất. - Chế tạo phần nguồn sạc tự động cho Acquy 12V. - Thi công phần cứng, khung cho toàn hệ thống.
- Hệ thống đảm bảo hoạt động ổn định, tính thực tiễn cao, có thể áp dụng trực tiếp vào thực tế. - Hệ thống đảm bảo tính thẩm mỹ, kết cấu khung chắc chắn. - Chứng minh hiệu quả của việc ứng dụng mô hình tự động điều hướng pin mặt trời vào sinh hoạt nói riêng cũng như góp phần cải thiện. Do thời gian có hạn, kiến thức thực tế còn hạn chế, Đề tài “Thiết kế mô hình tự động điều hướng pin mặt trời” sẽ giới hạn một số nội dung sau: SVTT: Nguyễn Minh Triều Trang - 8 - Luan van Đồ án Tốt Nghiệp GVHD: ThS.
Phạm Ngọc Hiệp - Khảo sát quy luật chuyển động của mặt trời tại một số vị trí địa lý của Việt Nam theo các mùa. - Thiết kế và thực hiện thí nghiệm so sánh hiệu quả của hệ thống tự động điều hướng pin mặt trời so với hệ thống pin mặt trời cố định. - Chế tạo mô hình thực nghiệm cho hệ thống tự động điều hướng pin mặt trời. CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH HỆ THỐNG SOLAR TRACKER 2.
Yêu cầu bài toán. - Tìm hiểu về hệ thống pin năng lượng mặt trời. - Nghiên cứu, tìm hiểu về vi xử lý Atemega 328, hệ thống mạch so sánh, mạch nghịch lưu áp Inverter. - Xây dựng một hệ thống Solar tracker hoàn chỉnh có nhiệm vụ hấp thụ ánh sáng mặt trời tối đa, biến đổi điện áp DC sang AC cung cấp cho phụ tải xoay chiều.
Giải pháp thiết kế. Hệ thống bao gồm: - Tấm pin mặt trời (Solar Panel). - Bộ điều khiển hướng quay tấm pin mặt trời. - Bộ điều khiển sạc mặt trời (Solar Charger Controller).
- Bộ kích điện DC-AC (Solar Inverter). - Cầu dao chuyển mạch (Solar Inverter). - Ắc quy (Battery) Điều khiển tấm pin theo mùa (xuân, hạ, thu, đông) là một vấn đề chúng ta đã biết, với mỗi mùa khác nhau, tại một địa điểm nhất đinh, mặt trời sẽ có 1 góc chiếu khác nhau và được mô tả như hình sau: SVTT: Nguyễn Minh Triều Trang - 9 - Luan van Đồ án Tốt Nghiệp GVHD: ThS. Phạm Ngọc Hiệp Hình 2.
Mô tả góc nghiêng mặt trời theo mùa (Solar Tracker). Hướng ánh sáng mặt trời. Để hướng nguồn ánh sáng tối ưu, giải pháp thiết kế của mô hình là: phải có bộ phận điều khiển hướng đón ánh sáng của tấm pin mặt trời sử dụng cảm biến ánh sáng. SVTT: Nguyễn Minh Triều Trang - 10 - Luan van Đồ án Tốt Nghiệp GVHD: ThS.
Phạm Ngọc Hiệp 2. Sơ đồ khối và chức năng các khối 2. Sơ đồ khối mô hình tấm pin solar 2. Chức năng các khối tấm pin Solar: Solar Cells: Pin mặt trời hay pin quang điện, ký hiệu là PV là hệ thống các tấm vật liệu đặc biệt có khả năng chuyển đổi quang năng của ánh sáng mặt trời thành điện năng.
Pin mặt trời được cấu tạo bằng các tế bào quang điện (cells) đơn tinh thể (monocrystalline) và đa tinh thể (polycrystalline) có hiệu suất cao (15% - 18%), có tuổi thọ trung bình 30 năm. Từ giàn pin mặt trời, ánh sáng được biến đổi thành điện năng, tạo ra dòng điện một chiều (DC). Dòng điện này được dẫn tới bộ điều khiển là một thiết bị điện tử có chức năng điều hòa tự động các quá trình nạp điện vào ắcquy và phóng điện từ ắcquy ra các thiết bị điện một chiều (DC). Trường hợp công suất giàn pin đủ lớn, trong mạch điện sẽ được lắp thêm bộ đổi điện để chuyển dòng một chiều thành dòng xoay chiều (AC), cung cấp nhiều thiết bị tiêu thụ điện.
SVTT: Nguyễn Minh Triều Trang - 11 - Luan van Đồ án Tốt Nghiệp GVHD: ThS.