CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI 1. GIỚI THIỆU Hai phương pháp phổ biến dùng để thu nhận và trữ năng lượng Mặt Trời là phương pháp thụ động và phương pháp chủ động. Phương pháp thụ động sử dụng các nguyên tắc thu giữ nhiệt trong cấu trúc và vật liệu của các công trình xây dựng.
Phương pháp chủ động sử dụng các thiết bị đặc biệt để thu bức xạ nhiệt và sử dụng các hệ thống quạt và máy bơm để phân phối nhiệt. Phương pháp thụ động có lịch sử phát triển dài hơn hẳn, trong khi phương pháp chủ động chỉ mới được phát triển chủ yếu trong thế kỷ 20. Hai ứng dụng chính của NLMT là: + Nhiệt Mặt Trời: chuyển bức xạ Mặt Trời thành nhiệt năng, sử dụng ở các hệ thống sưởi, hoặc để đun nước tạo hơi quay turbin điện. + Điện Mặt Trời: chuyển bức xạ Mặt Trời (dưới dạng ánh sáng) trực tiếp thành điện năng (hay còn gọi là quang điện-photovoltaics).
Cơ chế quang điện cho thấy cường độ dòng quang điện tỷ lệ thuận với cường độ ánh sáng Mặt Trời. Dòng điện sinh ra truyền qua chuỗi các tế bào quang điện, hay còn gọi là module quang điện, có thể cung cấp điện ở bất cứ quy mô nào, từ vài miliwatt (mW) như trong máy tính bỏ túi cho đến vài MW như qui mô các nhà máy điện. Dòng quang điện một chiều có thể được nạp vào bình acquy để dự trữ cho các sinh hoạt về ban đêm hoặc vào những ngày không có nắng. Một bộ điều khiển thường được cài giữa module và bình ắc qui như một dạng ổn áp, giúp tránh trường hợp ắc qui bị sạc quá no.
Toàn bộ các thiết bị này liên kết lại thành hệ thống Quang Điện sản xuất điện một chiều có điện thế do động từ 12 đến 24 volt. Điện một chiều có thể được chuyển đổi thành điện xoay chiều thông qua bộ biến điện. Bộ biến điện DC/AC ngày nay có công suất từ 100-20,000W và hiệu suất đạt tới 90%.1- Dàn pin năng lượng mặt trời 1.1 Các hệ thống thu hội tụ ánh sáng mặt trời 1. Hệ thống thu nhiệt kiểu tháp Hệ thống thu nhiệt trung tâm sử dụng ở các nhà máy lớn bao gồm các gương hội tụ ánh sáng Mặt Trời vào một dĩa thu duy nhất lắp trên đỉnh một tháp trung tâm (hình1.
Bức xạ nhiệt của ánh sáng Mặt Trời sẽ làm nóng chảy muối bên trong chảo thâu, và nhiệt lượng của muối nóng chảy này sẽ được sử dụng để tạo điện thông qua các máy phát dạng hơi thông thường. Hoặc đun nóng nước hay dung dịch được bơm vào tháp để sử dụng trực tiếp hoặc chuyển thành hơi để quay turbine các máy phát điện. Các gương thu nhiệt có khả năng theo dõi và quay theo sự thay đổi của hướng nắng, từ đó luôn đảm bảo sự hội tụ tối đa của ánh sáng Mặt Trời trên dĩa thu. Mặt thuận lợi của hệ thống này là muối nóng chảy có khả năng giữ nhiệt rất hiệu quả, có thể kéo dài đến vài ngày trước khi được sử dụng để chuyển thành điện, có nghĩa là điện vận có thể được sản xuất trong những ngày âm u hoặc vào vài giờ sau hoàng hôn.2- (a) Thu nhiệt mặt trời kiểu tháp, (b) Sơ đồ cấu tạo hệ thống thu nhiệt kiểu tháp.
Hệ thống chảo thu nhiệt Một dạng thiết bị thu nhiệt Mặt Trời thứ hai là hệ thống hình chảo giống dạng chảo thu tín hiệu vệ tinh trong viễn thông, (xem hình 1. Hệ thống này sử dụng chảo phản chiếu hình parabol để hội tụ ánh sáng vào tâm thu ở tại tiêu điểm của chảo. Dung dịch đun được truyền vào dĩa thu để hấp thu nhiệt tại đó. Nhiệt khi cho dung dịch đun dãn nở ra làm đẩy piston và từ đó quay turbin.
Phương pháp này cho phép tập trung ánh sáng từ 100 đến 2000 lần.3 - Thu nhiệt mặt trời kiểu đĩa 3. Hệ thống thu nhiệt sử dụng gương dài Dạng hệ thống thứ ba là thiết bị hình trũng (hình 1. Thiết bị này là một gương cầu dài dùng hội tụ ánh sáng lên trên các ống dẫn chứa dung dịch đun (dầu- oil). Dung dịch đun trong ống có thể đạt đến nhiệt độ 4000̊ C như tại Solar Electric Generating Systems tại vùng Nam California.
Dung dịch đun nhiệt độ cao này được sử dụng để đun nóng nước tạo hơi quay turbin và rồi vận hành máy phát điện.4 - Hệ thống gương dài thu nhiệt và làm nóng dung dịch đun nước tạo hơi chạy tua bin máy phát 4 Hình 1.5 - Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hệ thống làm nóng dung dịch đun nước tạo hơi quay tua bin máy phát 1. ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.1 Ưu điểm + Giúp người sử dụng tiết kiệm tiền. - Sau khi đầu tư ban đầu đã được thu hồi, năng lượng từ mặt trời là thiết thực miễn phí. - Thời kỳ hoàn vốn cho đầu tư này có thể rất ngắn tùy thuộc vào bao nhiêu hộ gia đình sử dụng điện từ hệ thống này.
- Nếu hệ thống pin mặt trời sản xuất năng lượng nhiều hơn nhu cầu sử dụng thì điện từ hệ thống có thể bán lại cho bên điện lực. - Sử dụng hệ thống điện năng lượng mặt trời giúp tiết kiệm tiền trên hóa đơn tiền điện hàng tháng. - Năng lượng mặt trời không đòi hỏi thêm bất cứ loại nhiên liệu nào khác. - Hệ thống không bị ảnh hưởng bởi việc cung cấp và nhu cầu nhiên liệu và do đó không phải quan tâm đến mức biến động của giá cả xăng dầu.
- Tiết kiệm được ngay lập tức và trong nhiều năm tới. - Việc sử dụng năng lượng mặt trời sẽ gián tiếp làm giảm chi phí y tế. + Thân thiện môi trường 5 - Năng lượng mặt trời sạch, tái tạo (không giống như dầu, khí đốt và than đá) nó bền vững, góp phần bảo vệ môi trường. - Hệ thống không gây ô nhiễm không khí do không phát thải các khí cacbon dioxide, oxit nitơ, khí lưu huỳnh hoặc thủy ngân vào khí quyển giống như nhiều hình thức sản xuất điện truyền thống.Vì vậy năng lượng mặt trời không đóng góp cho sự nóng lên toàn cầu hay gây ra mưa axit.
- Nó tích cực góp phần vào việc giảm phát thải khí nhà kính có hại. - Bằng cách không sử dụng bất kỳ nhiên liệu, năng lượng mặt trời không đóng góp cho các chi phí và các vấn đề của việc thu hồi và vận chuyển nhiên liệu hoặc lưu trữ chất thải phóng xạ. - Năng lượng Mặt trời có thể được sử dụng để bù đắp năng lượng tiêu thụ, cung cấp tiện ích. Nó không chỉ giúp giảm hóa đơn điện của bạn, nhưng cũng sẽ tiếp tục cung cấp điện trong trường hợp bị cúp điện.
- Một hệ thống năng lượng mặt trời có thể hoạt động hoàn toàn độc lập, không đòi hỏi một kết nối đến một mạng lưới điện nào khác. - Việc sử dụng năng lượng mặt trời làm giảm sự phụ thuộc vào các nguồn nước ngoài và tập trung năng lượng, không bị ảnh hưởng do thiên tai, các sự kiện quốc tế và vì thế góp phần vào một tương lai bền vững. - Các hệ thống năng lượng mặt trời hầu như không cần bảo dưỡng và sẽ kéo dài trong nhiều thập kỷ. - Sau khi lắp đặt hoàn thiện, không có chi phí định kỳ.
- Hệ thống hoạt động âm thầm, không có bộ phận chuyển động, không có mùi khó chịu phát hành và không yêu cầu bạn phải thêm bất cứ nguồn nguyên, nhiên liệu nào bên ngoài. - Việc kết nối thêm các tấm pin mặt trời là hoàn toàn có thể trong tương lai nếu như nhu cầu sử dụng điện từ hệ thống tăng lên. Nhược điểm - Các chi phí đầu tư ban đầu là bất lợi chính của việc lắp đặt một hệ thống năng lượng mặt trời, phần lớn là vì chi phí cao của các vật liệu bán dẫn được sử dụng trong việc xây dựng hệ thống. 6 - Chi phí năng lượng mặt trời cũng là cao so với tiện ích-cung cấp điện không tái tạo.
Như tình trạng thiếu năng lượng đang trở nên phổ biến hơn, năng lượng mặt trời ngày càng trở nên giá cạnh tranh. - Tấm năng lượng mặt trời đòi hỏi diện tích một vùng rộng lớn để lắp đặt và để đạt được một mức độ hiệu quả cao. - Hiệu quả của hệ thống cũng phụ thuộc vào vị trí của mặt trời, tuy nhiên vấn đề này có thể được khắc phục với việc lắp đặt thêm các thiết bị hỗ trợ. - Việc sản xuất năng lượng mặt trời bị ảnh hưởng bởi sự hiện diện của các đám mây, khói bụi trong không khí.
- Vào ban đêm năng lượng mặt trời sẽ được sản xuất yêu cầu phải có một hệ thống các bộ tích trữ năng lượng để giải quyết vấn đề này.3 TIỀM NĂNG ỨNG DỤNG CỦA NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Bức xạ mặt trời là một nguồn tài nguyên vô cùng quan trọng. Tại Việt Nam ở các tỉnh miền Trung và miền Nam (tiềm năng điện mặt trời tốt nhất ở Thừa Thiên Huế, Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh, Quảng Nam, Đà Nẵng…) trung bình tổng bức xạ năng lượng mặt trời vào khoảng 5kWh/m 2/ ngày, và vào khoảng 4kWh/m 2/ ngày ở các tỉnh miền Bắc. Từ dưới vĩ tuyến 17, bức xạ mặt trời không chỉ nhiều mà còn rất ổn định trong suốt thời gian của năm, gi ảm khoảng 20% từ mùa khô sang mùa mưa. Số giờ nắng trong năm ở miền Bắc vào khoảng 1500-1700 giờ trong khi ở miền Trung và miền Nam Việt Nam, con số này vào khoảng 2000-2600 giờ mỗi năm.
Dưới đây là bảng số liệu về lượng bức xạ mặt trời tại các vùng miền nước ta.1 Số liệu về bức xạ mặt trời tại VN Vùng Giờ nắng trong Cường độ BXMT Ứng dụng năm (kWh/m2, ngày) Đông Bắc 1600 – 1750 3,3 – 4,1 Trung bình Tây Bắc 1750 – 1800 4,1 – 4,9 Trung bình Bắc Trung Bộ 1700 – 2000 4,6 – 5,2 Tốt 7 Tây Nguyên và Nam 2000 – 2600 4,9 – 5,7 Rất tốt Trung Bộ Nam Bộ 2200 – 2500 4,3 – 4,9 Rất tốt Trung bình cả nước 1700 – 2500 4,6 Tốt (Nguồn: Theo thống kê về lượng bức xạ năng lượng mặt trời ở miền bắc,[1]). Qua bảng trên cho ta thấy nước ta có lượng bức xạ mặt trời rất tốt, đặc biệt là khu vực phía Nam, ở khu vực phía bắc thì lượng bức xạ mặt trời nhận được là ít hơn. Lượng bức xạ mặt trời giữa các vùng miền là khác nhau và nó cũng phụ thuộc vào từng tháng khác nhau. Sau đây là bảng số liệu lượng bức xạ trung bình các tháng ở các địa phương.2 Lượng tổng bức xạ mặt trời trung bình ngày của các tháng trong năm ở một số địa phương của nước ta, (đơn vị: MJ/m2.