THIẾT kế hệ THỐNG nối lưới NGUỒN NĂNG LƯỢNG mặt TRỜI sử DỤNG CHO căn hộ

i

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP





NGUYỄN SỸ NGỌC




THIẾT KẾ HỆ THỐNG NỐI LƯỚI NGUỒN NĂNG
LƯỢNG MẶT TRỜI SỬ DỤNG CHO CĂN HỘ


Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 60520126



LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN 2015
ii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là Nguyễn Sỹ Ngọc
Sinh ngày 07 tháng 06 năm 1981
Học viên lớp cao học khóa 15 – Tự động hóa – Trƣờng đại học kỹ thuật công
nghiệp Thái Nguyên
Hiện đang công tác tại Điện Lực Phú Bình - Công ty điện lực Thái Nguyên
Tôi xin cam đoan những vấn đề đƣợc trình bày trong bản luận văn này là những
nghiên cứu của riêng cá nhân tôi, có tham khảo một số tài liệu và bài báo của
các tác giả trong và ngoài nƣớc đã đƣợc xuất bản. Tôi xin hoàn toàn chịu trách
nhiệm nếu có sử dụng lại kết quả của ngƣời khác.

Tác giả


Nguyễn Sỹ Ngọc

iii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

MỞ ĐẦU

Thế giới đang đứng trƣớc một lựa chọn khó khăn cho sự phát triển bền
vững trong tƣơng lai khi các nguồn năng lƣợng đang dần cạn kiệt. Ngành công
nghiệp điện chủ yếu dựa trên công nghệ nhiệt điện và thủy điện, đã mang đến
cho nhân loại nền văn minh điện, nhƣng cũng đã bộc lộ mặt trái của nó đối với
môi trƣờng, và dần cạn kiệt. Công nghệ điện hạt nhân lại không an toàn và gây
ra những hiểm họa phóng xạ để lại tác hại lâu dài cho môi trƣờng. Vì vậy, với
chiến lƣợc phát triển bền vững trên toàn cầu, đặc biệt là thời kỳ phát triển „ kinh
tế xanh‟, „ năng lƣợng xanh‟ đã bắt đầu chứng kiến những công nghệ mới để sản
xuất điện, trong đó việc sản xuất điện từ các nguồn năng lƣợng tái tạo trong tự
nhiên đang là hƣớng đi mới trong ngành công nghiệp năng lƣợng, nguồn năng
lƣợng tái tạo khá dồi dào, nó có khả năng thay thế các nguồn năng lƣợng hóa
thạch, giảm thiểu tác hại tới môi trƣờng, đặc biệt là năng lƣợng mặt trời.
Năng lƣợng tái tạo là dạng năng lƣợng mà nguồn nhiêu liệu của nó liên
tục đƣợc tái sinh từ những quá trình tự nhiên. Năng lƣợng mặt trời là nguồn gốc
của các nguồn năng lƣợng tái tạo khác nhƣ năng lƣợng gió, năng lƣợng sinh
khối, năng lƣợng các dòng sông và cung cấp năng lƣợng gần nhƣ vô tận cho
hành tinh chúng ta. Sức nóng của ánh sáng mặt trời đƣợc tập trung lại bằng
những thiết bị đặc biệt để đun nƣớc nóng sử dụng trong gia đình hay sản xuất ra
điện năng phục vụ cho các nhu cầu thiết yếu khác của con ngƣời Đây là nguồn
năng lƣợng vô tận và gần nhƣ hoàn toàn miễn phí cũng nhƣ không sản sinh ra
chất thải ô nhiễm môi trƣờng.
Ở Việt Nam, năng lƣợng mặt trời có tiềm năng rất lớn, với lƣợng bức xạ
trung bình cao khoảng 5kW/m
2
/ngày với khoảng 2000 giờ nắng/năm. Tuy nhiên
việc phát triển và sử dụng nguồn năng lƣợng mặt trời ở Việt Nam vẫn còn hạn

chế, chủ yếu năng lƣợng mặt trời sử dụng dụng cho các mục đích nhƣ: Đun
nƣớc nóng, phát điện Trong những năm gần đây đã có nhiều nghiên cứu, ứng
iv

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

dụng nhằm sản xuất và tích trữ năng lƣợng mặt trời, tuy nhiên, việc sử dụng
nguồn năng lƣợng này chủ yếu chỉ dừng lại ở mức cục bộ, năng lƣợng dƣ thừa
chƣa hòa đƣợc lên lƣới điện quốc gia (chủ yếu là nguồn điện pin mặt trời độc
lập).
Đối với đời sống con ngƣời hiện nay nhu cầu sử dụng điện hàng ngày đó
là nhu cầu thiết yếu không thể thiếu đƣợc để đáp ứng những nhu cầu sử dụng
điện. Do vậy chi phí cho sử dụng điện hàng tháng chiếm một tỷ trọng đáng kể
trong chi phí sinh hoạt của con ngƣời. Bên cạnh đó nguồn năng lƣợng mặt trời là
một nguồn năng lƣợng tái tạo vô tận.
Chính vì vậy mà tôi đã lựa chọn đề tài: „Thiết kế hệ thống nối lƣới nguồn
năng lƣợng mặt trời sử dụng cho căn hộ‟, để hòa vào lƣới điện Quốc gia, chủ
động đƣợc trong việc sử dụng điện khi mất điện lƣới, cung cấp năng lƣợng dƣ
thừa phát lên lƣới điện, tiết kiệm đƣợc điện năng, ứng dụng rộng rãi trong toàn
dân.
Luận văn thực hiện theo bố cục gồm 3 chƣơng:
Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI
Chƣơng 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƢỚI
Chƣơng 3: ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƢỚI
Sau một thời gian nghiên cứu, đến nay luận văn đã hoàn thành. Tôi xin
bày tỏ trân thành lòng biết ơn sâu sắc của mình đối với sự giúp đỡ tận tình của
thày giáo PGS.TS. Lại Khắc Lãi. Xin trân thành cảm ơn các thầy, các cô trong
Bộ môn Tự động hóa – Trƣờng ĐHKT công nghiệp – Đại học Thái Nguyên đã
tạo điều kiện giúp đỡ trong suốt quá trình tham gia khóa học. Xin trân thành cảm
ơn Phòng sau đại học, bạn bè đồng nghiệp và ngƣời thân đã tạo điều kiện giúp

đỡ tôi hoàn thành luân văn này.
v

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Do hạn chế về thời gian, trình độ có hạn nên luận văn không thể tránh
khỏi sai sót. Rất mong nhận đƣợc chỉ dẫn, góp ý của các thầy giáo, cô giáo cũng
nhƣ các đồng nghiệp để luận văn đƣợc hoàn thiện hơn.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn và trân thành cảm ơn!
vi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ii
MỞ ĐẦU iii
MỤC LỤC vi
Ý NGHĨA CÁC TỪ TIẾNG ANH VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT x
TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI 1
1.1. NĂNG LƢỢNG TÁI TẠO 1
1.1.1. Khái niệm năng lƣợng tái tạo 1
1.1.2. Phân loại năng lƣợng tái tạo 2
1.2. 5
1.2.1. Khái niệm năng lƣợng Mặt trời 5
1.2.2. Vai trò và lợi ích của năng lƣợng mặt trời 6
7
1.3.1. Các phƣơng pháp khai thác 7
1.3.2. Các thiết bị sử dụng năng lƣợng mặt trời 8
1.4. 15
1.4.1. Phạm vi nghiên cứu 15

1.4.2. Mục tiêu của đề tài 16
1.4.3. Nội dung nghiên cứu 16
1.5. KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 18
CHƢƠNG 2 19
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƢỚI 19
2.1. MÔ TẢ HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƢỚI 19
2.1.1. Sơ đồ khối hệ thống 19
2.1.2. Ý nghĩa của các khối trong sơ đồ 19
2.2. PIN MẶT TRỜI (PV – Photovoltaic) 20
2.3 ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 23
2.3.1. Thông số kỹ thuật 23
2.3.2. Sơ đồ nguyên lý chung 24
vii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

2.3.3. Bộ chuyển đổi DC – DC 26
2.3.4. Bộ chuyển đổi DC – AC 34
2.4. 37
2.4.1. Vi điều khiển MEGA8 37
2.4.2. Mạch giao tiếp với máy tính 38
2.4.3. Các mạch phụ trợ 39
2.5. THÔNG SỐ CÁC LINH KIỆN (Bảng 2.5) 43
44
2.7. KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 44
CHƢƠNG 3 45
ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƢỚI 45
45
45
46

48
49
3.4. ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƢỚI
51
3.4.1 Mở đầu 51
3.4.2. Công suất tác dụng và công suất phản kháng một pha trên hệ qui chiếu
ảo 2 trục 53
3.4.3. Cấu trúc mạch điều khiển công suất 55
3.4.4. Kết quả mô phỏng 58
3.4.5. Nhận xét và kết luận 59
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO 61
PHỤ LỤC 62
a. Tìm điểm công suất cực đại của hệ thống 62
b. Phần mềm chính hệ thống 64

viii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Pin mặt trời
Hình 1.2: Nhà máy nhiệt điện mặt trời
Hình 1.3: Hệ thống nước nóng dùng năng lượng mặt trời
Hình 1.4: Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời
Hình 1.5: Lò sấy dùng năng lượng mặt trời
Hình 1.6: Thiết bị chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời
Hình 1.7: Động cơ stirling chạy bằng năng lượng mặt trời
Hình 1.8: Điều hòa sử dụng năng lượng mặt trời
Hình 1.9: Chuột không dây sử dụng năng lượng mặt trời

Hình 1.10: Xe đạp điện mặt trời
Hình 1.11: Điện mặt trời nối lưới cho hộ gia đình
Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới
Hình 2.2: Mạch tương đương của modul PV
Hình 2.3: Quan hệ I(U) và P(U) của PV
Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý chung
Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý chuyển đổi DC-DC
Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý chuyển đổi DC-AC
Hình 2.7: Sơ đồ bộ vi điều khiển ATMEGA
Hình 2.8: Mạch giao tiếp với máy tính
Hình 2.9: Sơ đồ mạch nguồn nuôi
Hình 2.10: Mạch ổn áp
Hình 2.11: Mạch hồi tiếp và khóa pha
Hình 2.12: Mạch đo điện áp vào
Hình 2.13 : Mạch hiển thị trạng thái
ix

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Hình 3.1:Vòng lặp khóa pha cơ bản
Hình 3.2 Quan hệ I(U) và P(U) của PV
Hình 3.3: Đặc tính V-A của tải và của pin mặt trời
Hình 3.4: Lưu đồ thuật toán P&Q.
Hình 3.5 : Sơ đồ khối của nghịch lưu nối lưới
Hình 3.6: Đồ thị véc tơ điện áp và dòng điện của biến tần
Hình 3.7: Vòng điều khiển dòng điện
Hình 3.8: Bộ điều khiển công suất
Hình 3.9: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển công suất nghịch lưu 1 pha nối
lưới
Hình 3.10: Công suất tác dụng

Hình 3.11: Công suất phản kháng
Hình 3.12: Dạng sóng điện áp
Hình 3.13: Dạng sóng dòng điện
x

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Ý NGHĨA CÁC TỪ TIẾNG ANH VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Solar Power
Năng lƣợng mặt trời
Inverter
Biến tấn
Grid
Lƣới điện
PV - Photovoltaic
Pin mặt trời
PLL – Phase Lock Loop
Vòng khóa pha
SPWM
Điều chế độ rộng xung hình sin
MPPT - Maximum Power Point
Tracking
Thuật toán dò điểm công suất tối đa
MPP - Maximum Power Point
Điểm công suất cực đại
P&O – Perturb and Observe
Thuật toán xáo trộn và quan sát
NLMT
Năng lƣợng mặt trời

DC - DC
Biến đổi một chiều sang một chiều
DC - AC
Biến đổi một chiều sang xoay chiều
1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
1.1. NĂNG LƢỢNG TÁI TẠO
1.1.1. Khái niệm năng lượng tái tạo
Năng lƣợng tái tạo là những nguồn năng lƣợng hay những phƣơng pháp
khai thác năng lƣợng mà nếu đo bằng các chuẩn mực của con ngƣời thì là vô
hạn, theo hai nghĩa: Hoặc là năng lƣợng tồn tại nhiều đến mức mà không thể trở
thành cạn kiệt vì sử dụng của con ngƣời (Năng lƣợng mặt trời) hoặc là năng
lƣợng tự tái tạo trong thời gian ngắn và liên tục (năng lƣợng sinh khối) trong các
quy trình còn diễn tiến trong một thời gian dài trên Trái đất.
Theo ý nghĩa về vật lý, năng lƣợng không đƣợc tái tạo mà trƣớc tiên là do
Mặt trời mang lại và đƣợc biến đổi thành các dạng năng lƣợng hay các vật mang
năng lƣợng khác nhau. Tùy theo trƣờng hợp mà năng lƣợng này đƣợc sử dụng
ngay tức khắc hay đƣợc dự trữ tạm thời.
Việc sử dụng khái niệm “Tái tạo” theo cách nói thông thƣờng là dùng để
chỉ đến các chu kỳ tái tạo mà đối với con ngƣời là ngắn đi rất nhiều (thí dụ nhƣ
khí sinh học so với năng lƣợng hóa thạch). Trong cảm giác về thời gian của con
ngƣời thì Mặt trời sẽ còn là một nguồn cung cấp năng lƣợng trong một thời gian
gần nhƣ là vô tận. Mặt trời cũng là nguồn cung cấp năng lƣợng liên tục cho
nhiều quy trình diễn tiến trong bầu sinh quyển Trái đất. Những quy trình này có
thể cung cấp năng lƣợng cho con ngƣời và cũng mang lại những cái gọi là
nguyên liệu tái tăng trƣởng. Luồng gió thổi, dòng nƣớc chảy và nhiệt lƣợng của

Mặt trời đã đƣợc con ngƣời sử dụng trong quá khứ. Quan trọng nhất trong thời
đại công nghiệp là sức nƣớc nhìn theo phƣơng diện sử dụng kỹ thuật và theo
phƣơng diện phí tổn sinh thái.
Ngƣợc lại với việc sử dụng các quy trình này là việc khai thác các nguồn
năng lƣợng nhƣ than đá hay dầu mỏ, những nguồn năng lƣợng mà ngày nay
2

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

đƣợc tiêu dùng nhanh hơn là đƣợc tạo ra rất nhiều. Theo ý nghĩa của định nghĩa
tồn tại vô tận thì phản ứng tổng hợp hạt nhân (phản ứng nhiệt hạch), khi có thể
thực hiện trên bình diện kỹ thuật và phản ứng rã hạt nhân (phản ứng phân hạch)
với các lò phản ứng tái sinh, khi năng lƣợng hao tốn lúc khai thác uranium hay
thorium có thể đƣợc giữ ở mức thấp, đều là những nguồn năng lƣợng tái tạo mặc
dù là thƣờng thì chúng không đƣợc tính vào loại năng lƣợng này.
1.1.2. Phân loại năng lượng tái tạo
Năng lƣợng tái tạo bao gồm: Năng lƣợng gió, năng lƣợng mặt trời, năng
lƣợng thủy triều (sóng), thủy điện, địa nhiệt, sinh khối, nhiên liệu sinh học. Theo
nguồn gốc suất sứ ta phân năng lƣợng tái tạo thành 3 loại nhƣ sau:
a) Nguồn gốc từ bức xạ mặt trời
Năng lƣợng Mặt trời thu đƣợc trên Trái đất là năng lƣợng của dòng bức
xạ điện từ xuất phát từ Mặt trời đến Trái đất. Chúng ta sẽ tiếp tục nhận đƣợc
dòng năng lƣợng này cho đến khi phản ứng hạt nhân trên Mặt trời hết nhiên liệu,
vào khoảng 5 tỷ năm nữa.
Có thể trực tiếp thu năng lƣợng này thông qua hiệu ứng quang điện,
chuyển năng lƣợng các photon của Mặt trời thành điện năng, nhƣ trong pin Mặt
trời. Năng lƣợng của các photon cũng có thể đƣợc hấp thụ để làm nóng các vật
thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, sử dụng cho bình đun nƣớc bằng mặt trời,
hoặc làm sôi nƣớc trong các máy nhiệt điện của tháp Mặt trời, hoặc vận động
các hệ thống nhiệt nhƣ máy điều hòa Mặt trời.

Năng lƣợng của các photon có thể đƣợc hấp thụ và chuyển hóa thành
năng lƣợng trong các liên kết hóa học của các phản ứng quang hóa.
Một phản ứng quang hóa tự nhiên là quá trình quang hợp. Quá trình này
đƣợc cho là đã từng dự trữ năng lƣợng Mặt trời vào các nguồn nhiên liệu hóa
thạch không tái sinh mà các nền công nghiệp của thế kỷ 19 đến 21 đã và đang
tận dụng. Nó cũng là quá trình cung cấp năng lƣợng cho mọi hoạt động sinh học
3

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

tự nhiên, cho sức kéo gia súc và củi đốt, những nguồn năng lƣợng sinh học tái
tạo truyền thống. Trong tƣơng lai, quá trình này có thể giúp tạo ra nguồn năng
lƣợng tái tạo ở nhiên liệu sinh học, nhƣ các nhiên liệu lỏng, khí hay rắn.
Năng lƣợng mặt trời cũng đƣợc hấp thụ bởi thủy quển Trái đất và khí
quyển Trái đất để sinh ra các hiện tƣợng khí tƣợng học chứa các dạng dự trữ
năng lƣợng có thể khai thác đƣợc. Trái đất, trong mô hình năng lƣợng này, gần
giống bình đun nƣớc của những động cơ nhiệt đầu tiên, chuyển hóa nhiệt năng
hấp thụ từ photon của Mặt trời thành động năng của các dòng chảy của nƣớc,
hơi nƣớc và không khí, và thay đổi tính chất hóa học và vật lý của các dòng chảy
này.
Thế năng của nƣớc mƣa có thể đƣợc dự trữ tại các đập nƣớc và chạy máy
phát điện của các công trình thủy điện. Một dạng tận dụng năng lƣợng dòng
chảy sông suối có trƣớc khi thủy điện ra đời là cối xay nƣớc. Dòng chảy của
biển cũng có thể làm chuyển động máy phát của nhà máy điện dùng dòng chảy
của biển.
Dòng chảy của không khí hay gió có thể sinh ra điện khi làm quay tuốc
bin gió. Trƣớc khi máy phát điện dùng năng lƣợng gió ra đời, cối xay gió đã
đƣợc ứng dụng để xay ngũ cốc. Năng lƣợng gió cũng gây ra nhiều chuyển động
sóng trên mặt biển. Chuyển động này có thể đƣợc tận dụng trong các nhà máy
điện dùng sóng biển.

Đại dƣơng trên trái đất có nhiệt dung riêng lớn hơn không khí và do đó
thay đổi độ chậm hơn không khí khi hấp thụ cùng nhiệt lƣợng của Mặt trời. Đại
dƣơng nóng hơn không khí vào ban đêm và lạnh hơn không khí vào ban ngày.
Sự chênh lệch nhiệt độ này có thể đƣợc khai thác để chạy các động cơ nhiệt
trong các nhà máy dùng nhiệt lƣợng của biển.
Khi nhiệt năng hấp thụ từ photon của Mặt trời làm bốc hơi nƣớc biển, một
phần năng lƣợng đó đã đƣợc dự trữ trong việc tách muối ra khỏi nƣớc mặn của
4

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

biển. Nhà máy điện dùng phản ứng nƣớc ngọt - nƣớc mặn thu lại phần năng
lƣợng này khi đƣa nƣớc ngọt của dòng sông trở về biển.
b) Nguồn gốc từ nhiệt năng của trái đất
Nhiệt năng của trái đất, gọi là địa nhiệt, là năng lƣợng nhiệt mà Trái đất có
đƣợc thông qua các phản ứng hạt nhân âm ỉ trong lòng. Nhiệt năng này làm
nóng chảy các lớp đất đá trong lòng Trái đất, gây ra hiện tƣợng di dời thềm lục
địa và sinh ra núi lửa. Các phản ứng hạt nhân trong lòng trái đất sẽ tắt dần và
nhiệt độ lòng Trái đất sẽ nguội dần, nhanh hơn nhiều so với tuổi thọ của Mặt
trời. Địa nhiệt có thể là nguồn năng lƣợng sản xuất công nghiệp quy mô vừa
trong các lĩnh vực nhƣ: nhà máy điện địa nhiệt, sƣởi ấm địa nhiệt
c) Nguồn gốc từ động năng hệ Trái đất – Mặt trăng
Trƣờng hấp dẫn không đều trên bề mặt trái đất gây ra bởi Mặt trăng, cộng
với trƣờng lực quán tính ly tâm không đều tạo nên bề mặt hình elipsoit của thủy
quyển Trái đất (và ở mức độ yếu hơn, của khí quyển Trái đất và thạch quyển
Trái đất). Hình elipsoit này cố định so với đƣờng nối Mặt trăng và Trái đất,
trong khi trái đất tự quay quanh nó, dẫn đến mực nƣớc biển trên một điểm của
bề mặt Trái đất dâng lên hạ xuống trong ngày, tạo ra hiện tƣợng thủy triều.
Sự nâng hạ của nƣớc biển có thể làm chuyển động các máy phát điện trong
các nhà máy điện thủy triều. Về lâu dài, hiện tƣợng thủy triều sẽ giảm dần mức

độ, do tiêu thụ dần động năng tự quay của trái đất, cho đến lúc Trái đất luôn
hƣớng một mặt về phía Mặt trăng. Thời gian kéo dài của hiện tƣợng thủy triều
cũng nhỏ hơn so với tuổi thọ của Mặt trời.
d) Các nguồn năng lượng tái tạo nhỏ
Ngoài các nguồn nêu trên dành cho mức độ công nghiệp, còn có các
nguồn năng lƣợng tái tạo nhỏ dùng trong một số vật dụng:
5

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

- Một số đồng hồ đeo tay dự trữ năng lƣợng lắc lƣ của tay khi con ngƣời
hoạt động thành thế năng của lò xo, thông qua sự lúc lắc của một con
quay. Năng lƣợng này đƣợc dùng để làm chuyển động kim đồng hồ.
- Một số động cơ có dung động lớn đƣợc gắn tinh thể áp điện chuyển hóa
biến dạng cơ học thành điện năng, làm giảm rung động cho động cơ và
tạo nguồn điện phụ. Tinh thể này cũng có thể đƣợc gắn vào đế giầy, tận
dụng chuyển động tự nhiên của ngƣời để phát điện cho các thiết bị cá
nhân nhỏ nhƣ PDA, điện thoại di động…
- Hiệu ứng điện động giúp tạo ra dòng điện từ vòi nƣớc hay các nguồn
nƣớc chảy, khi nƣớc đi qua các kênh nhỏ xíu làm bằng vật liệu thích hợp.
- Các ăng ten thu dao động điện từ (thƣờng ở phổ radio) trong môi trƣờng
sang năng lƣợng điện xoay chiều hay điện một chiều. Một số đèn nhấp
nháy gắn vào điện thoại di động thu năng lƣợng sóng vi ba phát ra từ điện
thoại để phát sáng, hoạt động theo cơ chế này.
1.2.
1.2.1. Khái niệm năng lượng Mặt trời
Năng lƣợng mặt trời là một trong các nguồn năng lƣợng tái tạo quan trọng
nhất mà thiên nhiên ban tặng cho hành tinh chúng ta. Đồng thời nó cũng là
nguồn gốc của các nguồn năng lƣợng tái tạo khác nhƣ năng lƣợng gió, năng
lƣợng sinh khối, năng lƣợng các dòng sông…Năng lƣợng mặt trời có thể nói là

vô tận. Tuy nhiên để khai thác, sử dụng nguồn năng lƣợng này cần phải biết các
đặc trƣng và tính chất cơ bản của nó, đặc biệt khi tới bề mặt quả đất.
Về mặt vật chất thì mặt trời chứa đến 78,4% khí Hydro(H
2
), Heli(He)
chiếm 19,8%, các nguyên tố kim loại và các nguyên tố khác chỉ chiếm 1,8%.
Năng lƣợng do mặt trời bức xạ ra vũ trụ là một lƣợng khổng lồ, mỗi giây
nó phát ra 3,865.10
26
J, tƣơng đƣơng với năng lƣợng đốt cháy hết 1,3210
16
tấn
6

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

than đá tiêu chuẩn. Nhƣng bề mặt quả đất chỉ nhận đƣợc một năng lƣợng rất nhỏ
và bằng 17,57.10
16
J hay tƣơng đƣơng năng lƣợng đốt cháy của 6.10
6
tấn than đá.
Năng lƣợng khổng lồ từ mặt trời đƣợc xác định là sản phẩm của các phản
ứng nhiệt hạt nhân. Theo thuyết tƣơng đối của Anhstanh và qua phản ứng nhiệt
nhiệt hạt nhân khối lƣợng có thể chuyển thành năng lƣợng. Nhiệt độ mặt ngoài
của mặt trời khoảng 6000
0
K, còn ở bên trong mặt trời nhiệt độ có thể lên đến
hàng triệu độ. Áp suất bên trong mặt trời cao hơn 340.10
18

Mpa. Do nhiệt độ và
áp suất bên trong mặt trời cao nhƣ vậy nên vật chất đã nhanh chóng bị ion hóa
và chuyển động với năng lƣợng rất lớn. Chúng va chạm vào nhau và gây ra hàng
loạt các phản ứng hạt nhân. Ngƣời ta đã xác định đƣợc nguồn năng lƣợng của
mặt trời chủ yếu do hai loại phản ứng hạt nhân gây ra. Đó là các phản ứng tuần
hoàn giữa các hạt nhân cacbon và Nito(C.N) và phản ứng hạt nhân Proton-
Proton.
Khối lƣợng mặt trời xấp xỉ 2.10
27
tấn. Nhƣ vậy để mặt trời chuyển hóa hết
khối lƣợng của nó thành năng lƣợng cần một khoảng thời gian là 15.10
13
năm.
Từ đó có thể thấy rằng nguồn năng lƣợng mặt trời là khổng lồ và lâu dài.
1.2.2. Vai trò và lợi ích của năng lượng mặt trời
Năng lƣợng mặt trời có tiềm năng thay thế các nguồn năng lƣợng hóa
thạch và năng lƣợng nguyên tử. Trên lý thuyết, chỉ với một hiệu suất chuyển đổi
là 10% và trên một diện tích 700x700km ở sa mạc Sahara thì đã có thể đáp ứng
đƣợc nhu cầu năng lƣợng trên toàn thế giới bằng cách sử dụng năng lƣợng mặt
trời.
Sử dụng một cách triệt để các thiết bị cung cấp nhiệt từ năng lƣợng mặt
trời cũng có thể đáp ứng nhu cầu nƣớc nóng.
Việc sử dụng năng lƣợng tái tạo đặc biệt là năng lƣợng mặt trời sẽ mang
lại nhiều lợi ích về sinh thái cũng nhƣ là lợi ích gián tiếp cho kinh tế. So với các
7

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

nguồn năng lƣợng khác, năng lƣợng tái tạo có nhiều ƣu điểm hơn vì tránh đƣợc
các hậu quả có hại đến môi trƣờng.

1.3. , S

1.3.1. Các phương pháp khai thác
Năng lƣợng mặt trời (Solar Power): cho đến gần đây, sức nóng mặt trời
đƣợc chú trọng trong việc ứng dụng vào việc chuyển hóa sang nhiệt năng, điện
năng phục vụ nhu cầu của cuộc sống. Sức nóng của ánh nắng mặt trời đƣợc tập
trung lại bằng những thiết bị đặc biệt để đun nƣớc nóng sử dụng trong sinh hoạt
hay tạo ra hơi nƣớc để sản xuất điện. Đây là nguồn năng lƣợng vô tận và gần
nhƣ hoàn toàn miễn phí cũng nhƣ không sản sinh ra chất thải hủy hoại môi
trƣờng.
Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật ngƣời ta đã biết tận dụng và sử
dụng nguồn năng lƣợng mặt trời vô tận này với các thiết bị, hệ thống sử dụng
năng lƣợng mặt trời nhƣ : Pin mặt trời, tấm kính mặt trời
Hiện nay có hai công nghệ nguồn pin mặt trời thông dụng. Đó là hệ thống
nguồn điện pin mặt trời nối lƣới và hệ nguồn độc lập. Đối với các khu vực
không có lƣới điện hoặc sử dụng điện với quy mô nhỏ, ngƣời ta dùng công nghệ
nguồn pin mặt trời độc lập.
Trong hệ nguồn pin mặt trời nối lƣới, điện năng một chiều từ dàn pin mặt
trời đƣợc biến đổi thành dòng điện xoay chiều và đƣợc hòa vào mạng điện công
nghiệp.
Đứng đầu trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học công nghệ, sản xuất và ứng
dụng các thiết bị sử dụng năng lƣợng mặt trời là các quốc gia nhƣ Mỹ, Nhật bản,
Đức, một số nƣớc thuộc EU và Trung quốc.
Việt nam là quốc gia đang phát triển, do đó nhu cấu năng lƣợng ngày
càng tăng với tốc độ tăng trƣởng khoảng 15-20%. Hiện tại chính sách quốc gia
8

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

của Việt nam về nhu cầu năng lƣợng dựa vào việc thiết lập hệ thống các nhà

thủy điện, nhà máy nhiệt điện tua bin hơi và tua bin khí…
Các hệ thống phát năng lƣợng điện mặt trời ở Việt nam chƣa phát triển
đƣợc thành nhà máy phát điện. Tuy nhiên đã có một số hệ thống phát điện năng
lƣợng mặt trời công suất nhỏ. Việc khai thác nguồn năng lƣợng mặt trời ở nƣớc
ta còn nhiều hạn chế, khai thác và sử dụng năng lƣợng mặt trời còn đang ở quy
mô nhỏ lẻ và tập trung chủ yếu vào việc nghiên cứu, sử dụng trực tiếp năng
lƣợng mặt trời (hệ thống đun nƣớc nóng), các hệ thống pin mặt trời và hòa vào
lƣới điện hầu nhƣ chƣa có. Nguồn năng lƣợng từ mặt trời có thể khai thác đƣợc
ở nhiều nơi. Có nhiều hƣớng khai thác năng lƣợng mặt trời phục vụ cho sinh
hoạt con ngƣời, trong đó xu hƣớng biến đổi năng lƣợng mặt trời thành điện năng
chiếm xu thế chủ đạo.
Tuy nhiên để đảm bảo phát triển bền vững và đặc biệt cân bằng đƣợc
năng lƣợng của quốc gia trong tƣơng lai, Việt nam đã và đang tập trung nghiên
cứu phát triển các nguồn năng lƣợng mới trong đó Năng lƣợng mặt trời vẫn là
một nguồn năng lƣợng tối ƣu trong tƣơng lai cho điều kiện Việt nam đứng về
phƣơng diện địa dƣ và nhu cầu phát triển kinh tế.
1.3.2. Các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời
1.3.2.1. Pin mặt trời
Pin mặt trời là phƣơng pháp sản xuất điện trực tiếp từ năng lƣợng mặt trời
qua thiết bị biến đổi quang điện. Pin mặt trời có ƣu điểm là gọn nhẹ, có thể lắp
bất kì đâu có ánh sáng mặt trời, đặc biệt trong lĩnh vực tầu vũ trụ. Ứng dụng
năng lƣợng mặt trời dƣới dạng này đƣợc phát triển với tốc độ rất nhanh, nhất là
ở các nƣớc phát triển. Tuy nhiên giá thành thiết bị pin mặt trời còn khá cao nên
ở những nƣớc đang phát triển, pin mặt trời mới chỉ có khả năng là cung cấp
năng lƣợng điện sử dụng cho các vùng sâu vùng xa mà đƣờng điện quốc gia
chƣa có.
9

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Hình 1.1: Pin mặt trời
1.3.2.2. Nhà máy điện sử dụng năng lượng mặt trời
Điện năng còn có thể tạo ra từ NLMT dựa trên nguyên tắc tạo nhiệt độ
cao bằng một hệ thống gƣơng phản chiếu và hội tụ để gia nhiệt cho môi chất làm
việc truyền động cho máy phát điện.

Hình 1.2: Nhà máy nhiệt điện mặt trời
Hiện nay, trong các nhà máy nhiệt điện sử dụng NLMT có các loại hệ
thống bộ thu chủ yếu sau đây: Hệ thống dùng parabol trụ để tập trung tia bức xạ
mặt trời vào một ống môi chất đặt dọc theo đƣờng hội tụ của bộ thu, nhiệt độ có
thể đạt tới 400
0
C. Hệ thống nhận nhiệt trung tâm bằng cách sử dụng các gƣơng
10

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

phản xạ có định vị theo phƣơng mặt trời để tập trung NLMT vào một bộ thu đặt
ở tiêu điểm của gƣơng, nhiệt độ có thể đạt trên 1500
0
C. Hiện nay ngƣời ta còn
dùng năng lƣợng mặt trời để phát điện theo kiểu tháp năng lƣợng mặt trời –
Solar power tower.
1.3.2.3. Thiết bị đun nước nóng bằng NLMT
Ứng dụng đơn giản, phổ biến và hiệu quả nhất hiện nay của NLMT là
dùng để đun nƣớc nóng. Các hệ thống nƣớc nóng dùng NLMT đã đƣợc dùng
rộng rãi ở nhiều nƣớc trên thế giới.

Hình 1.3: Hệ thống nước nóng dùng năng lượng mặt trời

Hệ thống cung cấp nƣớc nóng dùng NLMT hiện nay ở việt nam cũng nhƣ
trên thế giới chủ yếu dùng bộ thu cố định kiểu tấm phẳng hoặc dãy ống có cánh
nhận nhiệt độ nƣớc sử dụng 60
0
C thì hiệu suất của bộ thu khoảng 45%, còn nếu
sử dụng ở nhiệt độ cao hơn thì hiệu suất còn thấp hơn.
1.3.2.4 . Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời
Bếp sử dụng năng lƣợng mặt trời đƣợc sử dụng rộng rãi ở các nƣớc nhiều năng
lƣợng mặt trời nhƣ các nƣớc châu phi
11

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Hình 1.4: Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời
1.3.2.5. Thiết bị sấy dùng năng lượng mặt trời
Hệ thống sấy khô sử dụng năng lƣợng mặt trời đƣợc ứng dụng khá phổ biến
trong lĩnh vực nông nghiệp để sấy các sản phẩm và sử dụng để sấy các sản phẩm
khác

Hình 1.5: Lò sấy dùng năng lượng mặt trời
12

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

1.3.2.6. Thiết bị chưng cất nước dùng NLMT
Thƣờng có hai loại: Loại có nắp kính phẳng có chi phí cao, tuổi thọ khoảng 30
năm và loại nắp plastic có chi phí rẻ hơn nhƣng hiệu quả chƣng cất kém hơn.

Hình 1.6: Thiết bị chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời

1.3.2.7. Động cơ Stirling chạy bằng NLMT
Năng lƣợng mặt trời đƣợc ứng dụng để chạy các động cơ stirling ngày càng
đƣợc nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi dùng để bơm nƣớc sinh hoạt hàng ngày
hay tƣới cây ở các vùng nông trại.
13

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Hình 1.7: Động cơ stirling chạy bằng năng lượng mặt trời
1.3.2.8. Thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí dùng NLMT
Thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí sử dụng năng lƣợng mặt trời là ứng
dụng hấp dẫn vì nơi nào khí hậu nóng nhất thì nơi đó có nhu cầu về làm lạnh lớn
nhất, đặc biệt là ở những nơi không có lƣới điện quốc gia và giá nhiên liệu quá
đắt so với thu nhập của ngƣời dân. Với các thiết bị làm lạnh làm việc trên
nguyên lý biến đổi năng lƣợng mặt trời thành điện năng nhờ pin mặt trời là
thuận tiện nhất, nhƣng hiện nay thì giá thành pin năng lƣợng mặt trời còn khá
cao. Ngoài ra các hệ thống lạnh còn đƣợc sử dụng năng lƣợng mặt trời dƣới
dạng nhiệt năng để chạy máy lạnh hấp thụ, loại thiết bị này ngày càng đƣợc ứng
dụng nhiều trong thực tế, tuy nhiên hiện nay các hệ thống này vẫn chƣa đƣợc
thƣơng mại hóa và sử dụng rộng rãi vì giá thành còn rất cao và hơn nữa các bộ
thu dùng trong các hệ thống này chủ yếu là bộ thu phẳng với hiệu suất còn thấp
(dƣới 45%) nên diện tích lắp đặt bộ thu lớn chƣa phù hợp với thực tế.
14

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Hình 1.8: Điều hòa sử dụng năng lượng mặt trời
1.3.2.9. Chuột không dây sử dụng năng lượng mặt trời

Một ứng dụng khá phổ biến năng lƣợng mặt trời là sử dụng trong công nghệ
thiết bị máy tính trong đó có chuột không dây sử dụng năng lƣợng mặt trời.

Hình 1.9: Chuột không dây sử dụng năng lượng mặt trời
15

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

1.3.2.10. Xe đạp dùng năng lượng mặt trời
Hệ thống xe đạp điện sử dụng năng lƣợng mặt trời đã đƣợc ứng dụng và sử dụng
rộng rãi.

Hình 1.10: Xe đạp điện mặt trời
Ngoài ra còn rất nhiều thiết bị sử dụng năng lƣợng mặt trời, trong đề tài
tôi chỉ nêu một vài thiết bị sử dụng năng lƣợng mặt trời điển hình.
1.4.
1.4.1. Phạm vi nghiên cứu
Trong thời đại ngày nay khoa học kỹ thuật phát triển, nhu cầu về năng
lƣợng ngày càng tăng trong khi đó các nguồn nhiên liệu dữ trữ và thủy điện thì
có hạn khiến cho nhân loại đứng trƣớc nguy cơ thiếu hụt về năng lƣợng.
Ở Việt nam việc khai thác NLMT biến thành điện năng hòa vào lƣới điện
mới đang ở những bƣớc đi ban đầu, phần lớn các thiết bị đều nhập ở nƣớc ngoài,
chƣa làm chủ đƣợc công nghệ chế tạo thiết bị cũng nhƣ kỹ thuật điều khiển nối
lƣới, các công trình nghiên cứu trong nƣớc trong lĩnh vực này còn rất ít và chƣa
hoàn thiện. Do vậy, việc nghiên cứu đƣa ra phƣơng pháp điều khiển nguồn