Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện nghiên cứu về hiện tượng cảm ứng sét lên các hệ thống pin năng lượng mặt trời

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện nghiên cứu hiện tượng cảm ứng sét ảnh hưởng đến hệ thống pin năng lượng mặt trời, đề xuất giải pháp bảo vệ hiệu quả.

• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Nhật Nam
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Nghiên cứu hiện tượng cảm ứng sét trên hệ thống pin năng lượng mặt trời
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. Mục lục
• 1.2. TÓM TẮT LUẬN VĂN
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Khái niệm cơ bản
• 2.2. Phương pháp nghiên cứu
• 3. CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH HIỆN TƯỢNG
• 3.1. Phân tích hiện tượng cảm ứng do sét
• 3.2. Tác động lên hệ thống PV
• 4. CHƯƠNG 4: GIẢI PHÁP GIẢM THIỂU ẢNH HƯỞNG
• 4.1. Biện pháp kỹ thuật
• 4.2. Thiết kế bảo vệ hệ thống
• PHỤ LỤC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Luận văn này nghiên cứu hiện tượng cảm ứng sét trên hệ thống pin năng lượng mặt trời. Hiện tượng này gây ra những tác động nghiêm trọng đến hiệu suất và độ bền của các thiết bị điện tử trong hệ thống. Nghiên cứu sẽ tập trung vào việc phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến cảm ứng sét, từ đó đưa ra các giải pháp kỹ thuật nhằm giảm thiểu thiệt hại. Theo thống kê, tại nhà máy điện mặt trời Sơn Mỹ 3.1, đã có hơn 400 tấm pin bị hư hại do hiện tượng này. Điều này cho thấy tầm quan trọng của việc nghiên cứu và ứng dụng các biện pháp bảo vệ hiệu quả.

1.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu

Nghiên cứu hiện tượng cảm ứng sét không chỉ giúp bảo vệ các thiết bị trong hệ thống pin năng lượng mặt trời mà còn nâng cao độ tin cậy và hiệu suất hoạt động của hệ thống. Việc hiểu rõ về cơ chế hoạt động của cảm ứng sét sẽ giúp các kỹ sư thiết kế các giải pháp bảo vệ hiệu quả hơn, từ đó giảm thiểu thiệt hại và chi phí sửa chữa. Hơn nữa, nghiên cứu này còn góp phần vào việc phát triển các tiêu chuẩn an toàn cho hệ thống điện mặt trời, đảm bảo tính bền vững và an toàn cho người sử dụng.

II. Cơ sở lý thuyết

Hiện tượng cảm ứng sét xảy ra khi có sự thay đổi đột ngột trong điện trường, tạo ra dòng điện cảm ứng trong các thiết bị điện. Trong hệ thống pin năng lượng mặt trời, các tấm pin thường được lắp đặt ngoài trời, do đó chúng rất dễ bị ảnh hưởng bởi các hiện tượng thời tiết như sét. Nghiên cứu sẽ phân tích các yếu tố như cường độ sét, khoảng cách từ tấm pin đến điểm sét đánh, và các yếu tố môi trường khác có thể ảnh hưởng đến mức độ cảm ứng sét. Các công thức tính toán dòng điện cảm ứng và điện trường sẽ được áp dụng để đánh giá mức độ ảnh hưởng đến hệ thống.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến cảm ứng sét

Các yếu tố như cường độ sét, cấu trúc của hệ thống pin năng lượng mặt trời, và vị trí lắp đặt đều có ảnh hưởng lớn đến hiện tượng cảm ứng sét. Cường độ sét càng lớn, dòng điện cảm ứng càng mạnh, dẫn đến nguy cơ hư hại cao hơn cho các thiết bị điện. Ngoài ra, việc lắp đặt các thiết bị bảo vệ như bộ chống sét cũng là một yếu tố quan trọng giúp giảm thiểu thiệt hại. Nghiên cứu sẽ chỉ ra các biện pháp kỹ thuật có thể áp dụng để bảo vệ hệ thống khỏi tác động của cảm ứng sét.

III. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu sẽ bao gồm việc thu thập dữ liệu từ các hệ thống pin năng lượng mặt trời đã bị ảnh hưởng bởi cảm ứng sét. Các số liệu sẽ được phân tích để xác định nguyên nhân và mức độ thiệt hại. Bên cạnh đó, mô hình mô phỏng sẽ được sử dụng để dự đoán các tác động của cảm ứng sét trong các điều kiện khác nhau. Các giải pháp kỹ thuật sẽ được đề xuất dựa trên kết quả phân tích và mô phỏng.

3.1. Thu thập và phân tích dữ liệu

Dữ liệu sẽ được thu thập từ các nhà máy điện mặt trời và các thiết bị đo lường. Phân tích dữ liệu sẽ giúp xác định các mẫu và xu hướng trong hiện tượng cảm ứng sét. Các công cụ phân tích thống kê sẽ được sử dụng để đánh giá mức độ ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến hiện tượng này. Kết quả phân tích sẽ cung cấp cơ sở cho việc đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm giảm thiểu thiệt hại do cảm ứng sét.

IV. Kết luận và khuyến nghị

Nghiên cứu hiện tượng cảm ứng sét trên hệ thống pin năng lượng mặt trời đã chỉ ra rằng hiện tượng này có thể gây ra thiệt hại nghiêm trọng cho các thiết bị điện. Việc áp dụng các biện pháp bảo vệ hiệu quả là cần thiết để đảm bảo an toàn cho hệ thống. Các khuyến nghị sẽ được đưa ra dựa trên kết quả nghiên cứu, nhằm giúp các kỹ sư và nhà quản lý có thể thực hiện các biện pháp bảo vệ phù hợp.

4.1. Khuyến nghị cho các nhà quản lý

Các nhà quản lý nên xem xét việc áp dụng các công nghệ mới trong việc bảo vệ hệ thống pin năng lượng mặt trời khỏi cảm ứng sét. Việc đầu tư vào các thiết bị chống sét và đào tạo nhân viên về an toàn điện là rất quan trọng. Hơn nữa, việc thường xuyên kiểm tra và bảo trì hệ thống cũng sẽ giúp giảm thiểu rủi ro do cảm ứng sét.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hiện nay, hệ thống điện mặt trời (PV) ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong phát triển năng lượng tái tạo, góp phần giảm phát thải khí nhà kính và bảo vệ môi trường. Tuy nhiên, các tấm pin mặt trời đặt ngoài trời rất dễ bị ảnh hưởng bởi hiện tượng cảm ứng điện từ do sét đánh (Lightning Induced Transient - LIT). Tại Nhà máy điện mặt trời Sơn Mỹ 3.1, hiện tượng này đã gây hư hỏng hơn 400 tấm pin, làm giảm hiệu suất và tuổi thọ của hệ thống. Nghiên cứu nhằm mục tiêu phân tích chi tiết hiện tượng cảm ứng do sét trên hệ thống PV, tính toán dòng cảm ứng, trường điện từ cảm ứng trên tấm pin, từ đó đề xuất giải pháp giảm thiểu tác động tiêu cực của sét. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống PV tại Việt Nam trong giai đoạn từ năm 2010 đến 2023, với dữ liệu thực tế từ các nhà máy điện mặt trời và mô phỏng bằng phần mềm chuyên dụng. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ bền, an toàn và hiệu quả vận hành của hệ thống PV, góp phần phát triển bền vững ngành năng lượng tái tạo.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết cảm ứng điện từ do sét: Mô tả quá trình hình thành và lan truyền dòng sét, từ đó xác định dòng cảm ứng và trường điện từ sinh ra trên các thiết bị điện ngoài trời, đặc biệt là tấm pin mặt trời. Áp dụng các định luật Ampere và Faraday để tính toán từ thông và suất điện động cảm ứng.

• Mô hình cấu trúc tấm pin mặt trời: Bao gồm các thành phần vật lý như khung nhôm, kính cường lực, lớp EVA, tế bào quang điện silicon, tấm nền và hộp nối (Junction Box) chứa diode bypass. Hiểu rõ cấu tạo giúp phân tích ảnh hưởng của dòng cảm ứng lên từng bộ phận.

• Mô hình điện tử bán dẫn: Giải thích nguyên lý hoạt động của tế bào quang điện silicon và diode bypass, đặc biệt là hiện tượng phân cực ngược và quá nhiệt do dòng cảm ứng sét gây ra.

• Phương pháp mô phỏng số: Sử dụng các kỹ thuật như Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), Phương pháp sai phân hữu hạn thời gian (FDTD) và Mô hình hóa đa lưới (MLFMM) để mô phỏng trường điện từ và dòng cảm ứng trên tấm pin.

Các khái niệm chính bao gồm: dòng sét, cảm ứng điện từ, diode bypass, hiệu suất pin mặt trời, mô phỏng trường điện từ.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu thực tế từ Nhà máy điện mặt trời Sơn Mỹ 3.1 và các phòng thí nghiệm mô phỏng tia sét cao áp tại Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ Lausanne và Emil Haefely Basel. Dữ liệu bao gồm dòng sét mẫu có cường độ lên đến 100 kA, điện áp đỉnh 2 triệu Volt, và các đặc tính V-I của tấm pin sau khi chịu tác động sét.

• Phương pháp phân tích: Kết hợp mô hình toán học tính toán dòng cảm ứng và trường điện từ cảm ứng dựa trên định luật Ampere và Faraday, cùng với mô phỏng bằng phần mềm MATLAB và Simulink để mô phỏng hệ thống PV và dòng sét. Phân tích hiệu suất và tổn thất của tấm pin qua các thí nghiệm V-I.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mẫu nghiên cứu gồm hơn 400 tấm pin bị hư hỏng do sét tại nhà máy Sơn Mỹ 3.1, cùng với các mẫu thí nghiệm trong phòng thí nghiệm mô phỏng tia sét. Phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên có kiểm soát nhằm đảm bảo tính đại diện.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu thực hiện trong giai đoạn 2021-2023, bao gồm thu thập dữ liệu thực tế, mô phỏng và phân tích kết quả, đề xuất giải pháp kỹ thuật.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Dòng cảm ứng do sét trên tấm pin mặt trời có thể đạt tới 25 kA trong các xung sét điển hình với dạng sóng 10/350 µs, gây ra hiện tượng quá nhiệt và hư hỏng diode bypass, làm giảm hiệu suất tấm pin tới 40% theo thí nghiệm V-I trong phòng thí nghiệm.

2. Trường điện từ cảm ứng sinh ra trên tấm pin có cường độ cao gấp 2-5 lần so với tính toán lý thuyết, do ảnh hưởng của cấu trúc vật lý và khoảng cách giữa các tấm pin, dẫn đến tổn thất năng lượng và nguy cơ hư hỏng thiết bị điện tử.

3. Hiệu suất của tấm pin giảm đáng kể sau khi chịu tác động của dòng sét, với mức giảm công suất đầu ra từ 12W đến 20W trên mỗi tấm pin có công suất danh định khoảng 320W, tương đương giảm 3-6%.

4. Mô hình mô phỏng bằng MATLAB và Simulink cho kết quả phù hợp với số liệu thực tế, giúp dự báo chính xác dòng cảm ứng và trường điện từ trên hệ thống PV, hỗ trợ thiết kế giải pháp bảo vệ hiệu quả.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các tổn thất và hư hỏng là do dòng cảm ứng sét gây ra hiện tượng quá nhiệt tại diode bypass và các điểm nối trên tấm pin. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả cho thấy dòng cảm ứng và trường điện từ cảm ứng có thể lớn hơn dự kiến do ảnh hưởng của cấu trúc vật lý và môi trường lắp đặt. Việc mô phỏng chi tiết giúp hiểu rõ hơn về phân bố dòng và trường điện từ, từ đó đề xuất các biện pháp bảo vệ phù hợp. Biểu đồ so sánh hiệu suất tấm pin trước và sau khi chịu tác động sét, cùng bảng số liệu dòng cảm ứng và điện áp đỉnh sẽ minh họa rõ nét các phát hiện này.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Lắp đặt hệ thống chống sét lan truyền (SPD) tại các điểm nối và hộp nối tấm pin nhằm giảm dòng cảm ứng truyền vào hệ thống, nâng cao chỉ số an toàn điện áp đỉnh (VOC max) trong vòng 6 tháng tới, do nhà thầu điện và đơn vị vận hành thực hiện.

2. Sử dụng diode bypass có khả năng chịu dòng cao và nhiệt độ lớn hơn 30% so với tiêu chuẩn hiện tại, nhằm giảm thiểu hư hỏng do quá nhiệt, áp dụng trong vòng 1 năm, phối hợp giữa nhà sản xuất và nhà đầu tư.

3. Thiết kế lại cấu trúc khung và khoảng cách giữa các tấm pin để giảm cảm ứng điện từ, tối ưu hóa theo mô hình mô phỏng, thực hiện trong 18 tháng, do đơn vị thiết kế kỹ thuật và nhà thầu thi công.

4. Áp dụng phần mềm mô phỏng MATLAB và Simulink để đánh giá định kỳ hiện tượng cảm ứng sét trên hệ thống PV, giúp phát hiện sớm và xử lý kịp thời, triển khai ngay trong quá trình vận hành, do đội ngũ kỹ thuật vận hành đảm nhiệm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà đầu tư và vận hành nhà máy điện mặt trời: Hiểu rõ tác động của sét đến hệ thống PV, từ đó có kế hoạch bảo trì và nâng cấp phù hợp, giảm thiểu rủi ro và tổn thất.

2. Kỹ sư thiết kế và thi công hệ thống PV: Áp dụng các mô hình và giải pháp kỹ thuật để thiết kế hệ thống chống sét hiệu quả, đảm bảo độ bền và an toàn cho hệ thống.

3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành điện, năng lượng tái tạo: Nắm bắt kiến thức chuyên sâu về hiện tượng cảm ứng điện từ do sét và ứng dụng mô phỏng số trong phân tích hệ thống PV.

4. Nhà sản xuất linh kiện PV và thiết bị chống sét: Căn cứ vào kết quả nghiên cứu để cải tiến sản phẩm, nâng cao khả năng chịu đựng dòng sét và tăng tuổi thọ thiết bị.

Câu hỏi thường gặp

1. Hiện tượng cảm ứng do sét ảnh hưởng như thế nào đến hệ thống PV?
   Dòng cảm ứng do sét gây ra quá nhiệt tại diode bypass và các điểm nối, làm giảm hiệu suất tấm pin tới 40% và có thể gây hư hỏng vĩnh viễn. Ví dụ tại nhà máy Sơn Mỹ 3.1, hơn 400 tấm pin bị ảnh hưởng nghiêm trọng.

2. Làm sao để tính toán dòng cảm ứng do sét trên tấm pin?
   Sử dụng định luật Ampere và Faraday kết hợp mô hình toán học và mô phỏng bằng MATLAB/Simulink để tính toán dòng cảm ứng và trường điện từ cảm ứng, dựa trên đặc tính dòng sét dạng sóng 10/350 µs.

3. Diode bypass có vai trò gì trong hệ thống PV khi chịu tác động của sét?
   Diode bypass giúp bảo vệ tấm pin khi bị che bóng hoặc hư hỏng, nhưng dòng cảm ứng sét có thể làm diode quá nhiệt và hỏng, gây giảm hiệu suất và tổn thất năng lượng.

4. Giải pháp kỹ thuật nào hiệu quả để giảm thiểu tác động của sét?
   Lắp đặt thiết bị chống sét lan truyền (SPD), sử dụng diode bypass chịu dòng cao, thiết kế cấu trúc tấm pin hợp lý và áp dụng mô phỏng định kỳ để phát hiện sớm hiện tượng cảm ứng.

5. Phần mềm nào được sử dụng để mô phỏng hiện tượng cảm ứng sét trên hệ thống PV?
   Phần mềm MATLAB và Simulink được sử dụng để mô phỏng dòng cảm ứng và trường điện từ, giúp dự báo chính xác và hỗ trợ thiết kế giải pháp bảo vệ hiệu quả.

Kết luận

• Hiện tượng cảm ứng điện từ do sét là nguyên nhân chính gây hư hỏng và giảm hiệu suất hệ thống PV ngoài trời.
• Dòng cảm ứng sét có thể lên đến 25 kA, gây quá nhiệt và hỏng diode bypass, làm giảm công suất tấm pin từ 3-6%.
• Mô hình toán học và mô phỏng MATLAB/Simulink cho kết quả phù hợp với thực tế, hỗ trợ phân tích và đề xuất giải pháp.
• Giải pháp kỹ thuật bao gồm lắp đặt SPD, sử dụng diode bypass chịu dòng cao, thiết kế cấu trúc tấm pin tối ưu và kiểm tra định kỳ bằng mô phỏng.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển các hệ thống PV bền vững, an toàn hơn trước tác động của sét, cần triển khai áp dụng trong vòng 1-2 năm tới.

Các nhà đầu tư và kỹ sư vận hành nên áp dụng các giải pháp đề xuất để nâng cao độ bền và hiệu quả hệ thống PV, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng phạm vi và ứng dụng mô phỏng trong thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Lý thuyết về hiện tượng cảm ứng sét lên các hệ thống pin năng lượng mặt trời — _ Chương 2: Tổng quan về các phần mềm và sự cô tại NMĐMT Sơn Mỹ 3. — Chương 3: Xây dựng mô hình, các công thức tính toán và kết quả mô phỏng tính toán — Chương 4: Đề xuất giải pháp Trang xvi LVThS GVHD: Nguyễn Nhật Nam HVTH: Trân Hữu Phúc CHUONG 1. LÝ THUYÉT VÈ HIỆN TƯỢNG QUÁ ĐIỆN ÁP KHÍ QUYEN VA CAM ỨNG ĐIỆN TỪ 1. Lý thuyết về hiện tượng quá điện áp khí quyén 1.1 Sự hình thành giông sét Sét là kết quả của sự hình thành các khối mây đối lưu.

Có ba cơ chế chính có tầm quan trọng trong việc hình thành giông sét — bầu khí quyền không ổn định, độ ẩm và các cơ chế kích hoạt liên quan. [15] Trong một bầu khí quyền không ổn định, sự đối lưu làm cho các không khí nóng hơn tăng lên do mật độ của chúng thấp hơn không khí xung quanh. Những luồng không khí nóng này chứa hơi ẩm và nở ra khi chúng tăng lên do áp suất khí quyển giảm xuống. Khi các luồng khí này mở rộng, chúng bắt đầu nguội đi.

Nhiều luồng không khí nóng bốc lên dẫn đến hình thành các dòng thác mây, có thể mở rộng đến độ cao 7km. [3] Nếu không khí trong đến nhiệt độ nhất đình, các giọt nước bắt đầu hình thành và nhiệt tiềm ẩn được giải phóng trong quá trình này. Các giọt nước trong không khí tạo thành các đám mây tích điện, và nhiệt tỏa ra sẽ kích thích sự phát triển đi lên của đám mây. [3] f 12km ĐỈNH TẦNG ĐỐI LƯU - LỚP NGHỊCH NHIET TT" ee zs Ị Tầng dối lưu i 40 Cy | | | | } 1 Lớp băng - 4inh cai de.

Khong khi lạnh 7km 16°C oe: khi ffong Không khinóng Z⁄ 7 Mưa. Không khi non SSAA OTT xxx REE ARTUR Hình 1.1: Quả trình hình thành mây giông và tích điện trong đám mây Với nguồn cung cấp không khí âm liên tục và sự phát triển tiếp tục đi lên của đám mây giông tích điện, kích thước của các giọt nước tăng lên. Nếu một giọt phát triển quá lớn so với trọng lượng của nó để duy trì ở các vùng phía trên của đám mây thì nó sẽ bắt đầu rơi Trang | LVThS GVHD: Nguyễn Nhật Nam HỰTH: Trần Hữu Phúc xuống, thường để lại đám mây ở dạng kết tủa. Luồng không khí đi xuống được gọi là sự suy giảm được hình thành khi nhiều giọt lớn hơn này bắt đầu rơi vào trong đám mây.

[3] Khi đám mây kéo dài thêm về phía trên, nó sẽ vượt qua mức đóng băng. Mức đóng băng là độ cao thấp nhất trong khu vực có nhiệt độ không khí là 0 ° C - điểm đóng băng của nước. Kết quả là, sự phân tách pha xảy ra trong đám mây. Các vùng phía đưới của đám mây chủ yếu bao gồm các giọt nước, vùng giữa phần lớn bao gồm nước và các hạt băng (vì lý do này, nó thường được gọi là lớp pha hỗn hợp), và các vùng trên phần lớn bao gồm các tinh thê băng và mưa đá.12 Tích điện trong đám mây Người ta thường chấp nhận rằng sự nhiễm điện của đám mây là kết quả của sự tương tác giữa nước và các hạt băng trong lớp mây hỗn hợp [16, 17].

Cơ chế băng - nước mưa (ice- graupel) là cách có khả năng xảy ra nhất trong đó quá trình tạo điện tích, và do đó sự điện hóa, có thể xảy ra trong một đám mây. Cơ chế Ice-graupel gợi ý rằng điện tích trong một đám mây được tạo ra do va chạm giữa các hạt kết tủa (thường là các giọt nước hoặc các hạt băng mềm được biết đến.dưới dạng graupel) và các hạt đám mây (thường là các tỉnh thể nước đá) với sự hiện diện của các giọt nước có nhiệt độ rất thấp. Tốc độ rơi được sử dụng để phân biệt các hạt kết tủa với các hạt đám mây. Các hạt mưa có tốc độ rơi trên 0,3m/s, trong khi các hạt đám mây có tốc độ rơi dưới ngưỡng này.

Do mối liên hệ này với tốc độ rơi, các hạt kết tủa rơi xuống dưới, trong khi các hạt đám mây hoặc bay lên trong nhiệt hoặc ở trạng thái lơ lửng. Sự chuyển giao điện tích giữa các hạt xảy ra trong những va chạm này, dẫn đến các hạt trở nên tích điện âm hoặc dương [18], [19]. Sự thay đổi từ điện tích dương sang điện tích âm xảy ra xung quanh một nhiệt độ tới hạn, được gọi là hiện tượng đảo vì nhiệt của điện tích. Một nghiên cứu chỉ ra rằng [20] rang nhiệt độ tới hạn cũng là một hàm theo biến kích thước của các hạt kết tủa và đám mây, với các hạt nhỏ hon 10 pm c6 thể có nhiều hơn một nhiệt độ tới hạn và các hạt nhỏ hơn 4 pm có thê có tới bốn hằng số nhiệt độ tới hạn.

Đồng thời, mức độ bão hòa nước trong đám mây có ảnh hưởng liên quan đến quá trình điện khí hóa của đám mây [21]. Mô hình lưỡng cực của một đám mây sam sét, được goi la cấu trúc điện khí lưỡng cực, lần đầu tiên được đề xuất vào [17] vào năm 1963. Những thay đồi về điện tích âm được quan sát khi một đám mây ở xa, và những thay đổi điện tích dương được quan sát khi nó ở gần hơn. Các nghiên cứu này được sử dụng để suy luận rằng một đám mây có sự phân tách điện tích lưỡng cực, với vùng tích điện âm thấp hơn vùng tích điện dương.

Các nghiên cứu Trang 2 LVThS GVHD: Nguyễn Nhật Nam HỰTH: Trần Hữu Phúc chỉ ra rằng các vùng tích điện trái dấu này không nhất thiết phải xếp chồng lên nhau một cách chính xác và có khả năng tồn tại một vùng điện tích dương nhỏ nằm ở dưới cùng của đám mây. Sự phân bố điện tích này được thể hiện trong hình sau.55 0b 4-45 8Ƒ _ 4-33 § = 8 —_ o “ a £ 6h " ¬1-18 E ao - - ® — t = Fa 8 ob = "7 TU ® g ứ aL + + des Hình 1.2: Phân bố điện tích trong đám mây Câu trúc điện khí lưỡng cực được nghiên cứu trong nhiều tài liệu[23], trong đó đề cập các tia sét có điểm đầu dưới 7,43 km phổ biến hơn nhiều so với các tia sét có điểm đầu trên 7,43 km.Trong một tài liệu nghiên cứu ghi nhận cực tính của 165 trong số 214 tỉa sét; chỉ một tia sét có cực tính dương. Câu trúc điện khí lưỡng cực được tiếp tục nghiên cứu mở rộng. Một số tài liệu ước vùng mang điện tích dương trong đám mây thường được tìm thấy ở độ cao khoảng 12 km so với mặt đất và có nhiệt độ khoảng -25 °C [24].

Vùng giữa tích điện âm trong đám mây thường được tìm thấy ở khoảng 7 km và có nhiệt độ khoảng -10 °C. Néu ving tích điện dương dưới cùng có mặt, nó thường được tìm thấy ở độ cao khoảng 2 km [24].13 Hiện tượng phóng điện Phóng điện giữa các vùng mang điện tích trái dấu có thể xảy ra trong một đám mây (sét trong đám mây) hoặc giữa một đám mây lân cận khác (sét giữa các đám mây) [16]. Các phóng điện này thường xảy ra trong quá trình hình thành giông bão, và thường hoạt động như một tín hiệu báo trước các tia sét từ đám mây đến mặt đất [3]. Một lý thuyết chỉ tiết về cơ chế mà sét từ đám mây đến mặt đất có thể xảy ra đã được đề xuất trong nhiều tài liệu [17].

Theo lý thuyết này, giả thiết rằng một điện trường mạnh được tạo ra giữa các vùng tích điện âm lớn trong đám mây và mặt đất. Các vật thê trên mặt đất tạo ra các hạt mang điện tích dương, với các vật thể cao hơn tạo ra nhiều điện tích dương Trang 3 LVThS GVHD: Nguyễn Nhật Nam HỰTH: Trần Hữu Phúc hơn. Các hạt mang điện tích đương được chuyền động lên trên do chuyển động của không khí chuyển động theo hướng của đám mây - điện trường cũng góp phần vào chuyển động này, nhưng ở mức độ nhỏ hơn. Do đó, sự phân bố của các hạt mang điện tích dương này phần lớn bị ảnh hưởng bởi gió, và chính sự phân bồ này sẽ quyết định quá trình phóng điện từ đám mây xuống mặt đất.

[17] 7 qọ — Miigây 40 2 ‘ / i ⁄ } “4⁄1 | N*x \ Quá trình ` hình thành —” / ij (a) Từ ta tiên đạo đến phân nhánh cuối (b) Phóng ngược Hình 1.3: Sự hình thành tia sét từ mây xuống đất Do sự hiện diện của vùng mang điện tích âm trong đám mây, một đường dẫn bắt đầu hình thành theo hướng đi xuống, di chuyển qua các vùng của các hạt mang điện tích đương, trong nỗ lực tiếp cận mặt đất. Sự phân bố các vùng của các hạt mang điện tích đương ảnh hưởng đến đường đi của tia sét. Một tia sét đầu có thể tách ra và bắt đầu đi theo nhiều nhánh khác nhau với sự hiện diện của nhiều vùng mang điện tích dương bằng nhau bên dưới nó. Điều này là do bản chất thường không thể đoán trước của tỉa tiên đạo.

Do đó, các đường nét của tia tiên đạo còn được gọi là các tia bậc thang. Quá trình này được minh họa trong hình trên. Một đường tia sét được hình thành giữa các đỉnh của các nhánh của tia và phần tâm tích điện âm của đám mây. [17] Khi một đầu của đường dẫn sét ở gần mặt đất, một dòng điện được gọi là đường dẫn hướng lên hình thành.

Đường dẫn hướng lên này gặp đỉnh gần đó của đường dẫn hướng lên, tạo thành một kênh ion hóa giữa đám mây và mặt đất. Nhánh tiếp xúc với mặt đất đầu tiên được gọi là kênh chính. Tại thời điểm kênh chính được thiết lập, quá trình phóng điện ngược xảy ra để cân bằng điện tích âm trong kênh. Đường kính của tia sét đầu có thể là 1- 10 m, trong khi đường kính trung bình của tia phóng ngược là khoảng 16 cm.

Một tia sét bao gồm cả quá trình phóng điện xuống mặt đất và phóng điện ngược.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt tròi. Cấu tạo vật lý của pin quang điện Pin Mặt trời, tắm năng lượng mặt trời hay tắm quang điện (Solar panel) bao gồm nhiều tế bào quang điện (solar cells) - là phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các Trang 4 LVThS GVHD: Nguyễn Nhật Nam HVTH: Tran Hữu Phúc cảm biến ánh sáng là điốt quang, thực hiện biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện.