Mô phỏng hoạt động tấm quang điện nhiệt (PV/T) sử dụng MATLAB Simulink - Đồ án tốt nghiệp ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

Bài viết hướng dẫn chi tiết cách mô phỏng hoạt động của tấm quang điện nhiệt PV/T sử dụng phần mềm Matlab Simulink. Khám phá mô hình, thuật toán và kết quả mô

• Tác giả: Nguyễn Đăng Khoa
• Người hướng dẫn: TS. Huỳnh Thị Minh Thư
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Năng lượng tái tạo
• Đề tài: MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG TẤM QUANG ĐIỆN-NHIỆT (PV/T) SỬ DỤNG MATLAB SIMULINK
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Mô phỏng hoạt động tấm quang điện nhiệt PV T Hướng dẫn chi tiết

Tấm quang điện nhiệt PV/T là một giải pháp năng lượng tái tạo hiệu quả, kết hợp sản xuất điện và nhiệt từ ánh sáng mặt trời. Bài viết này sẽ hướng dẫn bạn cách mô phỏng hoạt động của tấm PV/T sử dụng Matlab Simulink, giúp bạn hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động và ứng dụng thực tế của công nghệ này. Chúng ta sẽ bắt đầu bằng việc tìm hiểu về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tấm quang điện, sau đó đi sâu vào mô phỏng và phân tích hiệu suất của tấm PV/T.

1.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tấm quang điện PV

Tấm quang điện (PV) là thành phần chính của tấm PV/T, bao gồm các lớp vật liệu khác nhau. Lớp tế bào quang điện là phần hấp thụ ánh sáng và biến đổi thành điện năng. Các tế bào này được liên kết bằng dây đồng mỏng và có các đặc tính kỹ thuật như kích thước, màu sắc, và số lượng tế bào. Lớp kính bảo vệ và đảm bảo độ bền cho tấm pin, trong khi tấm nền cách điện và hỗ trợ cấu trúc. Cấu tạo này cho phép tấm PV hấp thụ ánh sáng và tạo ra điện năng hiệu quả. Nguyên lý hoạt động của tấm PV dựa trên hiệu ứng quang điện, biến đổi ánh sáng thành điện năng thông qua các tế bào quang điện. Đây là bước cơ bản trong quá trình tạo ra năng lượng từ tấm PV/T.

1.2. Tấm quang điện nhiệt PV T Kết hợp sản xuất điện và nhiệt

Tấm quang điện nhiệt PV/T là sự kết hợp của tấm quang điện (PV) và hệ thống thu nhiệt. Nó cho phép khai thác năng lượng mặt trời để tạo ra điện và nhiệt cùng lúc. Tấm PV/T có cấu tạo giống như tấm PV thông thường, nhưng được tích hợp thêm các lớp vật liệu để truyền nhiệt và tạo ra năng lượng nhiệt. Nguyên lý hoạt động của tấm PV/T là sử dụng ánh sáng mặt trời để tạo ra điện năng, đồng thời truyền nhiệt qua các lớp vật liệu để tạo ra năng lượng nhiệt hữu ích. Năng lượng nhiệt này có thể được sử dụng cho nhiều mục đích, như sưởi ấm, sấy khô, hoặc cung cấp nước nóng. Tấm PV/T mang lại hiệu quả cao trong việc khai thác năng lượng mặt trời, giúp giảm chi phí và tác động môi trường.

II. Mô phỏng hoạt động tấm PV T bằng Matlab Simulink

Matlab Simulink là một công cụ mạnh mẽ để mô phỏng và phân tích hệ thống năng lượng. Trong trường hợp này, chúng ta sẽ sử dụng Simulink để mô phỏng hoạt động của tấm PV/T, bao gồm cả quá trình truyền nhiệt và tạo ra năng lượng điện. Simulink cho phép chúng ta xây dựng mô hình chính xác và thực tế, giúp hiểu rõ hơn về hiệu suất và ứng dụng của tấm PV/T.

2.1. Xây dựng mô hình mạng nhiệt và mạng điện

Để mô phỏng hoạt động của tấm PV/T, chúng ta cần xây dựng hai mạng chính: mạng nhiệt và mạng điện. Mạng nhiệt mô phỏng quá trình truyền nhiệt qua các lớp vật liệu của tấm PV/T, trong khi mạng điện mô phỏng quá trình tạo ra năng lượng điện. Chúng ta sẽ sử dụng các khối chức năng và thành phần trong Simulink để xây dựng mô hình này. Các khối chức năng cho phép chúng ta thực hiện các phép toán, tính toán, và mô phỏng các thành phần khác nhau của hệ thống. Bằng cách kết nối các khối này, chúng ta có thể mô phỏng hoạt động của tấm PV/T một cách chi tiết và chính xác.

2.2. Phân tích và so sánh hiệu suất tấm PV T và PV

Sau khi xây dựng mô hình, chúng ta có thể phân tích và so sánh hiệu suất của tấm PV/T với tấm quang điện thông thường (PV). Simulink cho phép chúng ta chạy các mô phỏng và thu thập dữ liệu về hiệu suất, công suất, và các thông số khác. Bằng cách phân tích dữ liệu này, chúng ta có thể đánh giá hiệu quả của tấm PV/T trong việc tạo ra điện và nhiệt. So sánh với tấm PV thông thường, chúng ta có thể thấy được lợi ích và tiềm năng của công nghệ PV/T trong việc khai thác năng lượng mặt trời một cách hiệu quả.

III. Ứng dụng thực tế và kết quả nghiên cứu

Tấm quang điện nhiệt PV/T có nhiều ứng dụng thực tế trong các dự án năng lượng tái tạo. Nó cho phép khai thác năng lượng mặt trời một cách tối ưu, cung cấp điện và nhiệt cho các khu vực khác nhau. Trong nghiên cứu này, chúng ta đã mô phỏng và phân tích hiệu suất của tấm PV/T, so sánh với tấm PV thông thường. Kết quả cho thấy tấm PV/T có hiệu suất cao hơn trong việc tạo ra năng lượng điện và nhiệt. Điều này chứng minh tiềm năng của công nghệ PV/T trong việc giảm chi phí và tăng hiệu quả năng lượng.

3.1. Ứng dụng trong các dự án năng lượng tái tạo

Tấm PV/T có thể được sử dụng trong nhiều dự án năng lượng tái tạo, như các tòa nhà xanh, nhà ở, hoặc các khu vực công cộng. Nó cho phép khai thác năng lượng mặt trời một cách hiệu quả, giảm phụ thuộc vào các nguồn năng lượng truyền thống. Với khả năng tạo ra điện và nhiệt, tấm PV/T mang lại nhiều lợi ích, bao gồm giảm chi phí năng lượng, giảm tác động môi trường, và tăng tính bền vững.

3.2. Kết quả nghiên cứu và tiềm năng phát triển

Kết quả nghiên cứu cho thấy tấm PV/T có hiệu suất cao hơn so với tấm PV thông thường. Điều này chứng minh tiềm năng của công nghệ này trong việc tăng cường khai thác năng lượng mặt trời. Với sự phát triển của công nghệ và nghiên cứu tiếp theo, chúng ta có thể tối ưu hóa hiệu suất và giảm chi phí sản xuất của tấm PV/T. Điều này sẽ giúp thúc đẩy việc sử dụng năng lượng tái tạo và giảm tác động môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Lý do chọn đề tài Trong bối cảnh thiếu hụt năng lượng toàn cầu diễn ra ngày càng trầm trọng, nhu cầu sử dụng năng lượng ngày một tăng gây ra lạm phát giá trên thị trường năng lượng quốc tế, dẫn đến phản ứng dây chuyền trên toàn cầu, tạo ra những khủng hoảng khó lường cho thế giới [2]. Thực tế, khi các nước đang dần trở lại cuộc sống bình thường sau đại dịch Covid 19, nhu cầu về dầu mỏ tăng trở lại một cách nhanh chóng. Cùng những tác động về yếu tố chính trị liên quan đến an ninh năng lượng, cụ thể căng thẳng giữa Nga-Ukraine, giá dầu mỏ đã liên tục ghi nhận ở mức cao nhất từ trước đến nay, làm dấy lên lo ngại về tăng trưởng kinh tế toàn cầu và lạm phát sau giai đoạn này [1].

Vì vậy, nhiều quốc gia và vùng lãnh thổ đã kiểm soát chặt chẽ việc tiêu thụ năng lượng, thậm chí áp dụng các biện pháp khẩn cấp như cắt điện. Tuy nhiên, đây không phải giải pháp có hiệu quả lâu dài, tình trạng thiếu hụt năng lượng cũng khiến giá cả hàng hóa không ngừng tăng, vật giá tăng vọt, dẫn đến chi phí sản xuất tăng, vượt ngưỡng mà người dân và doanh nghiệp có thể chịu đựng. Chính vì vậy, buộc các quốc gia trên thế giới phải nhanh chóng đẩy mạnh cơ cấu ngành năng lượng theo hướng sạch và bền vững [2]. Trước tình hình căng thẳng này, các quốc gia trên thế giới đã đẩy mạnh phát triển năng lượng tái tạo, đặc biệt tập trung vào năng lượng gió và năng lượng mặt trời.

Trong các dạng năng lượng tái tạo phổ biến hiện nay, năng lượng được khai thác nhiều nhất, mạnh mẽ nhất chính là năng lượng mặt trời, Hình 1.1: Đồ thị bổ sung năng lượng tái tạo từ năm 2013 đến năm 2019 [13] Năng lượng mặt trời là một dạng năng lượng sạch có tính tuần hoàn, có sẵn và liên tục. Mỗi ngày, mặt trời cung cấp một nguồn năng lượng khổng lồ đến Trái Đất dưới dạng bức xạ nhiệt. Chính vì vậy, việc nghiên cứu phát triển và mở rộng khai thác năng lượng mặt trời đang ngày càng được quan tâm nhiều ở các nước trên thế giới. Trong sự đa dạng về ứng dụng của năng lượng mặt trời, ứng dụng đóng vai trò quan trọng nhất là tạo ra điện trực tiếp từ ánh sáng mặt trời bằng hiệu ứng quang điện.

Thiết bị để thực hiện công việc này là tấm pin năng lượng mặt trời, bộ phận chính để chuyển hoá bức xạ nhiệt mặt trời thành năng lượng điện năng, dưới dạng dòng điện một chiều (DC) là lớp tế bào quang điện được làm bằng vật liệu bán dẫn (Silic). Các tấm Quang điện (PV- Photovoltaic) điển hình chuyển đổi khoảng 20% năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng, trong khi phần điện năng còn lại bị thất thoát dưới dạng phản xạ hoặc chuyển đổi thành nhiệt [11]. Trong việc nghiên cứu và phát triển tấm Quang điện (PV) nhiệt độ hoạt động được coi là một thông số quan trọng đối với các tấm PV. Đồng thời, nhiệt độ hoạt động tăng làm giảm công suất điện được tạo ra, Hình 1.2: Đồ thị I-V tại các mức nhiệt độ khác nhau của tấm pin [14] Do đó, để giảm nhiệt độ trong các tế bào quang điện các nhà nghiên cứu đã đề xuất các phương pháp để duy trì tế bào quang điện ở nhiệt độ tối ưu và giảm thiểu khả năng tăng nhiệt độ.

Tấm Quang điện-Nhiệt (PV/T - Photovoltaic Thermal) chính là giải pháp để cải thiện hiệu suất chuyển đổi điện năng so với tấm Quang điện (PV). Giải pháp này kết hợp dàn trao đổi nhiệt phía sau tế bào quang điện, tạo ra đồng thời năng lượng hữu ích về cả nhiệt và điện. Trong khuôn khổ đồ án nhóm sẽ phân tích và mô phỏng hệ thống PV (Photovoltaic) và PV/T (Photovoltaic Thermal) trên phần mềm MATLAB SIMULINK. Đồng thời, phân tích và so sánh hiệu suất giữa hai tấm Quang điện (PV) và tấm Quang điện-Nhiệt (PV/T).

Lịch sử phát triển công nghệ Quang điện-Nhiệt (PV/T) Hình 1.3: Một trong những tấm Quang điện-Nhiệt (PV/T) đời đầu được đưa vào thử nghiệm tại trung tâm nghiên cứu năng lượng của Hà Lan (ECN - Energy Research Center of the Netherlands) [9] Một lượng lớn nghiên cứu và phát triển công nghệ Quang điện-Nhiệt (PV/T) đã được thực hiện trong 45 năm qua. Vào giữa những năm 1970 đến đầu những năm 1980 các nghiên cứu đầu tiên về công nghệ Quang điện-Nhiệt (PV/T) được thực hiện ở Hoa Kỳ. Martin Wolf là người đầu tiên thiết kế hệ thống thu năng lượng mặt trời PV/T dạng tấm phẳng (Flat-plate PV/T modules) và phân tích hiệu suất của hệ thống điện-nhiệt kết hợp PV/T cho các ứng dụng trong nước [16]. Ngoài ra, các hệ thống PV/T cũng là chủ đề của các nghiên cứu thực nghiệm và phương pháp số chuyên sâu.

Bài báo đầu tiên về lĩnh vực biến đổi Quang điện-Nhiệt của bức xạ mặt trời xuất hiện vào những năm 80 của thế kỷ 20. Năm 1978, Kern và Russell đã phát triển khái niệm về hệ thống PV/T bằng cách sử dụng nước hoặc không khí làm lưu chất loại bỏ nhiệt với kết quả khả quan. Năm 1979, Florschuetz đề xuất mở rộng mô hình Hottel–Whillier để phân tích các hệ thống PV/T. Một số bài báo đã sớm xuất hiện, trong đó các phương pháp số khác nhau đã được trình bày, để xác định hiệu suất của tấm Quang 4 điện-Nhiệt (PV/T) và quan trọng nhất trong số đó là các phương pháp số để dự đoán hiệu suất của tấm Quang điện-Nhiệt (PV/T) dạng tấm phẳng sử dụng lưu chất là không khí và tấm Quang điện-Nhiệt (PV/T) dạng tấm phẳng sử dụng lưu chất là nước, được đưa ra bởi Raghuraman [16].

Một số thành tựu trong lịch sử nghiên cứu và phát triển công nghệ Quang điện-Nhiệt (PV/T) từ những năm 70 của thế kỷ 20 đến những năm 2000 của thế kỷ 21 được thống kê ở Bảng 1.1: Lịch sử nghiên cứu và phát triển tấm Quang điện-Nhiệt (PV/T) [15] Thời gian Năm Tác giả Công việc thực hiện Kern E. và Thực hiện các thử nghiệm và nghiên cứu về hệ 1978 Russell M. Những năm Cung cấp một sửa đổi cho mô hình Hottle- 70 Whilier ban đầu, để phân tích nhiệt của bộ thu 1979 Florschuetz L. nhiệt dạng tấm phẳng, nhằm mở rộng sang thiết kế tấm Quang điện-Nhiệt (PV/T).

Kiểm tra hiệu suất của hai loại tấm Quang điện- Nhiệt (PV/T) (lưu chất tuần hoàn bên trong là 1980 Hendrie S. không khí hoặc nước) thông qua thử nghiệm và Những năm dự đoán phân tích. 80 Thực hiện mô phỏng tấm Quang điện-Nhiệt Cox H. và 1985 (PV/T) trên máy tính, để đưa ra các thông số Raghuraman P.

quan trọng nhằm tối ưu hóa PV/T. Trình bày nghiên cứu thực nghiệm về nhiệt năng 1994 Garg H. thu được của tấm Quang điện-Nhiệt (PV/T), so 5 sánh với nghiên cứu dựa trên lý thuyết của máy nước nóng năng lượng mặt trời. Phân tích về mặt lý thuyết của tấm Quang điện- Những năm Nhiệt (PV/T) sử dụng không khí với tấm Quang 90 1999 Garg H.

điện-Nhiệt (PV/T) dạng máng parabol. Kết luận rằng tấm Quang điện-Nhiệt (PV/T) dạng máng parabol có hiệu suất cao hơn. Tiếp tục phát triển và thử nghiệm tấm Quang 2000 Sopian K. điện-Nhiệt (PV/T) để sấy khô.

Trình bày bốn mô hình số để mô phỏng năng Những năm lượng nhiệt của tấm Quang điện-Nhiệt (PV/T). 2000 Kết quả từ các mô hình này được so sánh với các 2002 Zondag H. mô hình thực tế. Kết quả cho thấy các mô hình đều có độ chính xác khoảng 5% so với thử nghiệm thực tế.

Trong giai đoạn 2015–2020, một số nhà nghiên cứu đã cố gắng phân tích công nghệ PV/T bằng cách phân loại các thành phần thông qua các đánh giá thực nghiệm hệ thống. Wilson và cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của lưu chất làm việc đến hiệu suất của tấm Quang điện-Nhiệt PV/T dạng tấm phẳng, bằng cách thử nghiệm các kiểu thiết kế và điều kiện khí hậu khác nhau. Đánh giá cho thấy hiệu suất điện và nhiệt của các tấm Quang điện- Nhiệt (PV/T) ở các vị trí vật lý là khác nhau và nhấn mạnh vai trò quan trọng của lưu chất tuần hoàn trong tấm, các vật liệu tiên tiến để chế tạo tấm Quang điện-Nhiệt (PV/T) như một phần của nghiên cứu trong tương lai. Cho đến hiện tại, công nghệ Quang điện-Nhiệt (PV/T) vẫn đang được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ với mục tiêu chính là tận dụng tối đa nguồn năng lượng từ bức xạ mặt trời, tăng hiệu suất nhiệt và điện của tấm Quang điện-Nhiệt (PV/T) [16].

Tổng quan tấm Quang điện-Nhiệt (PV/T) Hình 1.4: Hệ thống PV/T trên mái nhà [17] Một tấm năng lượng mặt trời Quang điện-Nhiệt (PV/T) là sự kết hợp giữa tấm Quang điện (PV) và bộ thu nhiệt mặt trời. Hầu hết bức xạ mặt trời được lớp tế bào quang điện hấp thụ không được chuyển thành điện năng mà thành nhiệt năng. Khi nhiệt độ tăng lên, các dao động nhiệt nguyên tử của vật liệu pin mặt trời cũng tăng lên, ảnh hưởng đến chuyển động có hướng của các electron, tức là dòng điện chạy qua pin mặt trời bị gián đoạn, dẫn đến hiệu suất chuyển đổi giảm. Ưu điểm: • Tấm Quang điện-Nhiệt (PV/T) giải nhiệt cho lớp tế bào quang điện và tạo ra năng lượng nhiệt hữu ích.

7 • Hệ thống PV/T tối ưu công suất phát điện trên khoảng không gian lắp đặt có giới hạn hơn là hệ thống PV. • Hệ thống PV/T sử dụng ít diện tích hơn so với việc phải sử dụng hai hệ thống PV và hệ thống thu nhiệt riêng biệt. • Hệ thống PV/T yêu cầu về vật liệu, thiết bị để bảo hành, sửa chữa ít hơn so với sử dụng hai hệ thống riêng lẻ. • Chất lỏng bên trong tấm Quang điện-Nhiệt (PV/T) được làm nóng và sử dụng làm nhiệt hữu ích dùng để sưởi ấm, sấy khô, cung cấp nước nóng.

Nhược điểm: • Giá thành sản phẩm cao, chi phí cho việc vận chuyển và lắp đặt cũng cao hơn so với lắp đặt hai hệ thống PV và thu nhiệt riêng biệt. Phạm vi nghiên cứu Mô phỏng, phân tích và so sánh hiệu suất tấm Quang điện-Nhiệt (PV/T) so với tấm Quang điện (PV) cùng loại, sử dụng phần mềm MATLAB SIMULINK. Giới hạn đề tài Đề tài chỉ dừng lại ở mức mô phỏng sự truyền nhiệt, tạo ra năng lượng qua các lớp vật liệu trong một tấm Quang điện-Nhiệt (PV/T) và tấm Quang điện (PV) sử dụng phần mềm MATLAB SIMULINK. Không đi sâu vào kỹ thuật đấu nối của hệ thống.

8 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Cấu tạo tấm Quang điện (PV) Hình 2.1: Cấu tạo tấm Quang điện (PV) Tấm Quang điện (PV) bao gồm các lớp vật liệu sau [19]: Lớp tế bào quang điện: Là thành phần chính có chức năng hấp thụ ánh sáng mặt trời và biến đổi nó thành điện năng.