Chương 1.Tổng quan Hình 1.1: Cấu trúc của mặt trời. Năng lƣợng của mặt trời Năng lượng khổng lồ từ mặt trời được xác định là sản phẩm của các phản ứng nhiệt hạt nhân. Theo thuyết tương đối của Eintein và qua phản ứng nhiệt hạt nhân khối lượng có thể chuyển thàng năng lượng. nhiệt độ bên ngoài của mặt trời khoảng 6000 độ K.
còn bên trong mặt trời nhiệt độ có thể lên tới hang triệu độ.áp suất bên trong mặt trời cao hơn 34 x 109 MPa. Do nhiệt độ và áp suất cao như vậy nên vật chất nhanh chóng bị ion hóa và chuyển động với năng lượng rất lớn. chúng va chạm vào nhau gây ra hang loạt các phản ứng hạt nhân. nguồn năng lượng mặt trời chủ yế u do hai loại phản ứng hạt nhân gây ra: + Phản ứng tuần hoàn giữa các hạt nhân cacbon (C) và ni tơ (N).
+ Phản ứng hạt nhân proton- proton. Bức xạ mặt trời có bản chất là song điện từ , là quá trình truyền các dao động điện từ trong không gian. Trong quá trình truyền song các vector cường độ điện GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương 3 HVTH: Lê Ngọc Phương Bình Luan van LVTN Chương 1.Tổng quan trường và cường độ từ trường luôn vuông góc với nhau và vuông góc với phương truyền song điện từ, quãng đường mà song điện từ truyền được sau một chu kỳ dao động điện từ được gọi là bước sóng lamđa λ trong chân không vạn tốc truyền sóng điện từ gần đúng bằng 3.108 m/s còn trong mội trường vật chất vận tốc truyền song nhỏ hơn và v=c/n.
Trong đó n được gọi là môi trường chiết xuất tuyệt đối. Với n ≥1 các song điện từ có bước sóng trải dài trong phạm vi rộng từ 10-7 nm (nanomet) đến hàng ngàn ki lô mét. Ánh sáng nhìn tấy có bước sóng từ 0,4μm đến 0,8μm. Chỉ chiếm một phần rất nhỏ của phổ sóng điện từ của bức xạ mặt trời.
cần chú ý rằng mặc dù có cùng bản chất là sóng điện từ nhưng các loại sóng có bước sóng λ khác nhau thì gây nên các tác dụng lý,hóa, sinh học khác nhau.nói riêng các vùng phổ nhìn thấy được. sự khác nhau về bước sóng gây ra các cảm giác màu sắc khác nhau của ánh sáng. khi đi từ bước sóng λ= 0,8μm đến giới hạn bước sóng ngắn λ= 0,4μm. Ta nhận thấy màu sắc của ánh sáng thay đổi lien tục từ màu đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím.
Mắt người nhạy cảm nhất với ánh sáng màu vàng có bước sóng λ= 0,58μm. Sự phân bố năng lượng đối với các bước sóng khác nhau cũng khác nhau.1 cho thấy mối quan hệ giữa mật độ năng lượng của bức xạ điện từ phụ thuộc và bước sóng của nó.1 ta thấy rằng mật độ năng lượng bức xạ mặt trời chủ yêu phân bố ở trong dải bước sóng λ= 0,2 μm ( tử ngoại C, tỷ lệ mật độ năng lượng 0,57%) đến λ= 0,3 μm (hồng ngoại, tỷ lệ mật độ năng lượng 1,93%). Còn ngoài vùng đó ra mật độ năng lượng không đáng kể. Khi bức xạ mặt trời đi qua tầng khí quyển bao quanh trái đất nó bị các phần tử khí, các hạt bụi hấp thụ hoặc bị làm tán xạ nên phổ và năng lượng mặt trời khi đến trái đất bị giảm đáng kể.
Nguyễn Thanh Phương 4 HVTH: Lê Ngọc Phương Bình Luan van LVTN Chương 1.Tổng quan Bảng 1.1: Phân bố phổ bức xạ mặt trời theo hướng bước sóng λ. [2] Quang phổ Bƣớc sóng Mật độ năng lƣợng (W/m 2 ) Tỷ lệ % Tia vũ trụ < 1 nm 6,978.10 7 Tia tử ngoại C 0,2 ÷ 0,28 µm 7,864.10 6 0,57 Tia tử ngoại B 0,28 ÷ 0,32 µm 2,122.10 1 1,55 Tia tử ngoại A 0,32 ÷ 0,4 µm 8,073.10 2 16,39 Tia nhìn thấy 0,52 ÷ 0,62 µm 1,827.102 30,18 Tia hồng ngoại 1,4 ÷3 µm 1,836.10-9 Sóng vô tuyến 10 ÷100 cm 6,987. Các ứng dụng của năng lƣơ ̣ng mă ̣t trời Trong những năm gầ n đây ứng dụng năng lượng quang điện (PV - photovoltatic) đã tăng lên đáng kể , nguyên nhân chủ yếu là do sự suy giảm nhanh chóng nguồn tài nguyên năng lượng truyền thống như dầ u khí , than đá… trong khi nhu cầ u về năng lươ ̣ng thì ngày càng tăng lên. Thị trường tiêu thụ năng lượng ở một số nước và toàn thế giới có thể được nhìn thấy trong bảng 1.2 và cũng có thể hình 1.
Nguyễn Thanh Phương 5 HVTH: Lê Ngọc Phương Bình Luan van LVTN Chương 1.Tổng quan Bảng 1.2: Thị trường tiêu thụ năng lượng Thế giới 2006-2030 (nghìn triệu triệu BTU. [35] Lưu ý: Tổng số có thể không bằng tổng của các thành phần do làm tròn độc lập. Nguồn: Cục Quản lýThông tin Năng lượng (EIA), Năng lượng quốc tế hàng năm 2006 (tháng sáu-tháng 12 năm 2008). Dự báo: đánh giá tác động môi trường, Năng lượng Thế giới Dự Plus (2009).
Nguyễn Thanh Phương 6 HVTH: Lê Ngọc Phương Bình Luan van LVTN Chương 1.Tổng quan Hình 1.2: Tổng số năng lượng tiêu thụ thế giới vào năm 1980 - 2030. Nguồ n: Energy Information Administration (EIA) 2009.[35] Để bù đắ p la ̣i sự thiế u hu ̣t năng lươ ̣ng này Quang điện được coi như là một nguồ n năng lươ ̣ng thay thế tiề m năng ở nhiều quố c gia nhờ cường đô ̣ bức xa ̣ mă ̣t trời cao và số giờ nắ ng trong năm nhiề u. Các công nghệ khai thác hệ thống quang điện cũng được mở rô ̣ng nhanh chóng với vai trò ngày càng tăng nhằ m cung cấp các nguồn năng lươ ̣ng không gây ô nhiễm, giá rẻ và an toàn. Các ứng dụng của hê ̣ thố ng quang điê ̣n bao gồm bơm nước , hê ̣ thố ng lạnh và lưu trữ vắc -xin, điều hòa nhiệt độ, ánh sáng, xe điện, nhà máy điện PV, quân sự và các ứng dụng không gian … (a) Bơm NLMT (b) Đèn giao thông NLMT GVHD: TS.
Nguyễn Thanh Phương 7 HVTH: Lê Ngọc Phương Bình Luan van LVTN Chương 1.Tổng quan (c) NLMT ở vùng ít người (d) NLMT ở các sân thi đấ u Hình 1.3: Một số ứng dụng của pin mặt trời. Tiề m năng năng lƣơ ̣ng mă ̣t trời ở Viêṭ Nam Việt Nam nằm trong khu vực có cường độ ánh sáng mặt trời trung bình khá cao, có nhiều lợi thế về sử dụng năng lượng mặt trời. với cường đô ̣ bức xạ mặt trời trung bình đạt 4 đến 5 kWh/m2 mỗi ngày. Các khu vực có cường độ ánh sáng cao phải kể đến khu vực phía nam có những khu vực cường đô ̣ ánh sáng lên đế n 5 kWh/m2 thời gian có nắ ng lên đế n 7000 h/năm.
Như vâ ̣y có thể nói ở khu vực nam trung bô ̣ và gầ n như toàn bô ̣ khu vực phiá nam là nơi thuâ ̣n lơ ̣i để khai thác tiề m năng năng lươ ̣ng mă ̣t trời. Các khu vực còn la ̣i như ở phiá bắ c do điề u kiê ̣n khí hâ ̣u 4 mùa thay đổi do đó thời gian có nắng ở khu vực này không cao , cường đô ̣ ánh sáng là trung bình thấp , chỉ có một vài tháng hè có cường độ ánh sáng cao nhưng tính thời giant rung bình có nắ ng trong năm la ̣i thấ p do đó ở các khu vực này khó sử dụng pin quang điện hơn , nế u có sử du ̣ng thì sản lươ ̣ng điê ̣n thu đươ ̣c cũng không cao do đó tiń h hiê ̣u quả kinh tế sẽ thấ p. Nguyễn Thanh Phương 8 HVTH: Lê Ngọc Phương Bình Luan van LVTN Chương 1.Tổng quan Hình 1.4: Phân bố tổng số giờ nắng 3 tháng 1, 2, 3 năm 2011.5: Bức xạ mặt trời tại ba thành phố tiêu biểu năm 2009. Nguyễn Thanh Phương 9 HVTH: Lê Ngọc Phương Bình Luan van LVTN Chương 1.
Các phƣơng pháp dò tìm điểm cực đại đang đƣợc áp dụng Tuy nhiên, ở thời điểm hiện tại giá thành pin mặt trời còn khá cao. Công suất phát ra bởi pin mặt trời lại phụ thuộc trực tiếp vào cường đô ̣ bức xạ , nhiệt độ và điều kiện thời tiết. Đặc tính P_V và V_I của pin mặt trời lại không tuyến tính. I, P P=PR Công suất ISC Dòng điện IR Điểm công suất P=0 cưc đại (MPP) V 0 VR VOC Hình 1.6: Đường đặc tuyến I,P_V của pin quang điện.
[1] Trên đường đặc tuyến đó tồn tại một điểm làm việc cực đại (MPP- Maximum power point) mà ở đó công suất phát ra của pin mặt trời là lớn nhất. Nhưng điểm này không phải là hằng số, chúng luôn thay đổi theo nhiệt độ và bức xạ. Vì vậy, dò tìm điểm làm việc cực đại của pin mặt trời (MPPT - Maximum power point tracking) phải được sử dụng để đưa pin mặt trời luôn làm việc tại điểm này, nhằm nâng cao hiệu suất của pin mặt trời. Có nhiều phương pháp điều khiển khác nhau để dò tim ̀ điể m cực đa ̣i của hê ̣ thố ng quang điê ̣n, nhưng điểm khác nhau giữa các phương pháp là hiệu suất và giá thành.
Dưới đây là một số phương pháp điều khiển hiện đại đang được áp dụng trong thực tế: Phƣơng pháp P & O (Pertub and Observe): P & O là một trong những phương pháp MPPT được sử dụng phổ biến nhất vì đơn giản và dễ thực hiện. P & O hoạt động tốt khi thay đổi bức xạ từ từ nhưng nó la ̣i hạn chế vì tốc độ phản ứng GVHD: TS. Nguyễn Thanh Phương 10 HVTH: Lê Ngọc Phương Bình Luan van LVTN Chương 1.Tổng quan chậm, luôn dao động xung quanh MPP kể cả trong trạng thái ổn định, và thậm chí dò tìm sai không theo kịp sự biến đổi nhanh chóng thay đổi điều kiện khí quyển. Phƣơng pháp InC (Incremental Conductance): Phương pháp này nhằ m khắ c phu ̣c nhươ ̣c điể m của phương pháp P & O là dò tìm dưới điề u kiê ̣n khí hâ ̣u biế n đổ i nhanh , ưu điể m của phương pháp này là xá c đinh ̣ đươ ̣c khi nào MPPT đ ạt đươ ̣c giá tri ̣cực đa ̣i (MPP).
Hơn nữa phương pháp InC có thể dò rấ t nhanh sự tăng hay giảm của các điề u kiê ̣n bức xa ̣ mă ̣t trời với đô ̣ chin ́ h xác cao hơn nhưng nhươ ̣c điể m của phương pháp này là phứ c ta ̣p, điề u này làm gia tăng thời gian tin ́ h toán và làm chậm tần số lấy mẫu của mảng PV .