THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐÈN CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.28 MB, 72 trang )
fTRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
EVNEPU
ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
BÀI TIỂU LUẬN
MÔN
HỌC:
PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG THÔNG TIN
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
CHƯƠNG TRÌNH QUẢN LÝ CỦA HÀNG HOA
Giáo viên: Th. S Lê Văn Đạt
THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐÈN CHIẾU SÁNG
Lớp: Đ6LT - ĐTVT1
Khóa: 2012 - 2014
CÔNG CỘNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Nhóm thực hiện đề tài: nhóm 09
Hoàng Xuân Diệu
Ngô Ngọc Khánh
Nguyễn Thị Bẩy
Giảng viên hướng dẫn:
TS. Phạm Duy Phong
Sinh viên thực hiện:
Vũ Tiến Đại
Lê Xuân Dương
Nguyễn Minh Vương
Lớp:
Đ6 - ĐTVT1
Khóa:
2011 – 2016
Hà Nội - 2015
GVHD: TS. Phạm Duy Phong
SVTH: Vũ Tiến Đại – Nguyễn Minh Vương
TRƯỜNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN
LỰC
ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
EVNEPU
ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
BÀI TIỂU LUẬN
ĐỒ ÁN TỐTHỌC:
NGHIỆP
MÔN
PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG THÔNG TIN
THIẾTTRÌNH
KẾ CHẾ
ĐIỀU
CHƯƠNG
QUẢN TẠO
LÝ CỦABỘ
HÀNG
HOA
Giáo viên:
Th. S Lê
Văn Đạt SỬ
CÔNG
CỘNG
KHIỂN ĐÈN CHIẾU SÁNG
DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Lớp: Đ6LT - ĐTVT1
Khóa: 2012 - 2014
Nhóm thực hiện đề tài: nhóm 09
Hoàng XuânGiảng
Diệu
Ngô Ngọc Khánh
Sinh
viên hướng dẫn:
viên thực hiện:
Nguyễn Thị Bẩy
Lê Xuân Dương
Chuyên ngành:
TS. Phạm Duy Phong
Vũ Tiến Đại
Nguyễn Minh Vương
Lớp:
Điện Tử Viễn Thông
LỜI MỞ ĐẦU
Đ6 - ĐTVT1
Khóa:
2011 – 2016
Hà Nội - 2015
GVHD: TS. Phạm Duy Phong
SVTH: Vũ Tiến Đại – Nguyễn Minh Vương
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
LỜI MỞ ĐẦU
Năng lượng và sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả là vấn đề cấp thiết được
chính phủ, các bộ ngành và các địa phương rất quan tâm. Trong các nguồn năng lượng
tái tạo, năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng có tiềm năng rất lớn, cung cấp ở
phạm vi rộng, việc phát triển và ứng dụng năng lượng mặt trời đã đáp ứng một phần
nhu cầu điện năng sử dụng trong sản xuất, đời sống và sinh hoạt của người dân, góp
phần bảo vệ môi trường và chống biến đổi khí hậu.
Công nghệ, thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời đã được hoàn thiện và thương mại
hóa, các nước trên thế giới và tại Việt Nam đã ứng dụng năng lượng mặt trời để đáp
ứng nhu cầu sử dụng năng lượng với quy mô nhỏ nhất là ở những khu vực chưa thể
nối được lưới điện đã phát triển mạnh và đạt được hiệu quả cao. Trong những năm gần
đây, Việt Nam quan tâm đầu tư cho nghiên cứu khai thác sử dụng nguồn năng lượng
mặt trời, ứng dụng các công nghệ quang điện tiên tiến để cấp điện và quang nhiệt để
cấp nhiệt phục vụ nhu cầu của người dân và phát triển kinh tế, xã hội.
Trong đó, nguồn năng lượng mặt trời được đánh giá rất dồi dào, phong phú và là
nguồn năng lượng cơ bản có tính chiến lược không chỉ cấp điện cho vùng chưa có điện
lưới mà còn là nguồn bổ sung quan trọng cho hệ thống năng lượng quốc gia, góp phần
đảm bảo an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường sống. Việt Nam đã ứng dụng năng
lượng mặt trời để cấp điện, nhiều địa phương trong cả nước đã sử dụng năng lượng
mặt trời trong chiếu sáng công cộng.
Hệ thống chiếu sáng công cộng là một trong những hạng mục công trình hạ tầng kỹ
thuật quan trọng, tiêu thụ lượng điện năng tương đối lớn và có nhiều tiềm năng để tiết
kiệm. Tuy nhiên, đứng trước nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng tăng, nên việc
ứng dụng các giải pháp để sử dụng điện tiết kiệm, hiệu quả trong chiếu sáng công cộng
đang nhận được sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học.
GVHD: TS. Phạm Duy Phong
SVTH: Vũ Tiến Đại – Nguyễn Minh Vương
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Do đó, phần đồ án này tập trung thiết kế bộ điều khiển sạc và bộ điều khiển chiếu
sáng để đảm bảo hiệu quả chiếu sáng công cộng đạt hiệu suất cao. Đồ án của chúng
em gồm 03 chương:
• Chương 1: Hệ thống chiếu sáng công cộng sử dụng năng lượng mặt trời.
• Chương 2: Xây dựng, thiết kế mô hình đèn chiếu sáng sử dụng năng lượng
mặt trời.
• Chương 3: Chế tạo bộ điều khiển đèn chiếu sáng sử dụng năng lượng mặt
trời.
Do một vài yếu tối khách quan và chủ quan nên đồ án còn có những hạn chế. Em
rất mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô cũng như các bạn để đồ án của em
được hoàn thiện hơn nữa.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy Phạm Duy Phong đã tận tình hướng dẫn
giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện đồ án này.
Em xin chân thành cảm ơn!
GVHD: TS. Phạm Duy Phong
SVTH: Vũ Tiến Đại – Nguyễn Minh Vương
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, em muốn được bày tỏ sự biết ơn sâu sắc tới thầy hướng dẫn của em là
thầy TS. Phạm Duy Phong – Giảng viên Trường Đại học Điện Lực đã tận tình hướng
dẫn em trong suốt quá trình thực hiện đồ án này.
Em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới các Thầy Cô giáo trong và ngoài
trường Đại Học Điện Lực đã giảng dạy em trong 4, 5 năm qua, những kiến thức và
kinh nghiệm quý báu mà Thầy Cô đã truyền đạt cho em trên giảng đường đại học là
nền tảng giúp em hoàn thành bài đồ án này và là hành trang vững chắc cho em trong
bước đường tương lai.
Em xin trân trọng cảm ơn các Thầy, Cô giáo trong Khoa Điện Tử Viễn Thông đã
tận tình giúp đỡ và tạo điều kiện giúp em hoàn thành phần đồ án của mình.
Trong quá trình làm đồ án khó có thể tránh khỏi những sai sót, em rất mong nhận
được sự góp ý của Thầy Cô giáo cũng như của các bạn.
Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn !
GVHD: TS. Phạm Duy Phong
SVTH: Vũ Tiến Đại – Nguyễn Minh Vương
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
Giảng viên hướng dẫn
TS. Phạm Duy Phong
GVHD: TS. Phạm Duy Phong
SVTH: Vũ Tiến Đại - Nguyễn Minh Vương
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
Giảng viên phản biện
GVHD: TS. Phạm Duy Phong
SVTH: Vũ Tiến Đại - Nguyễn Minh Vương
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
MỤC LỤC
THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐÈN CHIẾU SÁNG......................................................................12
CÔNG CỘNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI...........................................................................12
THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐÈN CHIẾU SÁNG......................................................................13
CÔNG CỘNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI...........................................................................13
CHƯƠNG 1 – HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI..................1
1.1. Năng lượng mặt trời...................................................................................................................1
CHƯƠNG 2 – XÂY DỰNG THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐÈN CHIẾU SÁNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
................................................................................................................................................... 14
2.4. Thiết kế module truyền tín hiệu điều khiển..............................................................................40
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI............................................................................51
GVHD: TS. Phạm Duy Phong
SVTH: Vũ Tiến Đại - Nguyễn Minh Vương
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Bản đồ bức xạ mặt trời Việt Nam....................................................................................3
Hình 1.2 Hình ảnh các cột đèn sử dụng năng lượng mặt trời..........................................................4
Hình 1.3. Cấu tạo của pin mặt trời.................................................................................................5
Hình 1.4. Pin mặt trời một tinh thể................................................................................................6
Hình 1.5. Pin mặt trời loại đa tinh thể............................................................................................6
Hình 1.6. Pin mặt trời được làm từ miếng phim silic mỏng............................................................6
Hình 1.7. Cấu tạo một module pin mặt trời....................................................................................7
Hình 1.8. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời.............................................................................8
Hình 1.9. Sự dịch chuyển các điện tích trong pin mặt trời.............................................................11
Hình 1.10. Xe ô tô chạy bằng năng lượng mặt trời........................................................................12
Hình 1.11. Máy bay sử dụng năng lượng mặt trời.........................................................................13
Hình 2.1. Đường đặc tuyến của công suất P..................................................................................20
Hình 2.2. Đường đặc tuyến V, I thể hiện công suất tại mỗi thời điểm............................................21
Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển sạc............................................................................22
Hình 2.5. Khối nguồn của bộ điều khiển.......................................................................................24
Hình 2.6. Khối màn hình hiển thị LCD...........................................................................................26
Hình 2.7. Hình ảnh thực tế của LCD..............................................................................................27
Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lý bàn phím và còi...................................................................................30
Hình 2.9. Sơ đồ chân và chip ATmega128......................................................................................33
Hình 2.10. Thanh ghi DDRA..........................................................................................................35
Hình 2.11. Thanh ghi PORTA........................................................................................................35
Hình 2.12. Thanh ghi PINA...........................................................................................................36
Hình 2.13. Khối điều khiển trung tâm...........................................................................................37
Hình 2.14. Sơ đồ chân của DS1307...............................................................................................36
Hình 2.15. Mạch nguyên lý khối thời gian thực.............................................................................37
Hình 2.16. Khối relay điều khiển tải..............................................................................................38
Hình 2.17. Lưu đồ thuật toán của chương trình điều khiển...........................................................39
Hình 2.18. GSM Module Sim900...................................................................................................42
Hình 3.1. Mạch in của mạch điều khiển sạc được thiết kế.............................................................44
Hình 3.2. Sơ đồ khối của bộ điều khiển........................................................................................45
Hình 3.3. Mạch in của bộ điều khiển............................................................................................46
Hình 3.4. Định dạng 3D thể hiện rõ vị trí linh kiện trong mạch.......................................................46
Hình 3.5. Module SIM 900A.........................................................................................................47
GVHD: TS. Phạm Duy Phong
SVTH: Vũ Tiến Đại - Nguyễn Minh Vương
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Hình 3.6. Khối nguồn cung cấp điện áp cho Module SIM...............................................................48
Hình 3.7. Socket gắn thẻ SI...........................................................................................................49
Hình 3.8. Khối xử lý chính và anten của Module SIM 900A............................................................49
GVHD: TS. Phạm Duy Phong
SVTH: Vũ Tiến Đại - Nguyễn Minh Vương
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Quan hệ giữa cường độ dòng điện và tiết diện dây dẫn..................................................19
Bảng 2.2. Chức năng từng chân của LCD......................................................................................27
Bảng 2.3. Đặc tính điện của LCD...................................................................................................28
Bảng 2.4. Đặc tính thời gian của LCD............................................................................................28
Bảng 2.5. Các lệnh điều khiển hiển thị LCD...................................................................................29
GVHD: TS. Phạm Duy Phong
SVTH: Vũ Tiến Đại - Nguyễn Minh Vương
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
CHƯƠNG 1 – HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG SỬ DỤNG
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
1.1. Năng lượng mặt trời.
1.1.1. Thực trạng năng lượng tái tạo các nước trên thế giới.
Theo tính toán của các nhà nghiên cứu, năng lượng từ mặt trời đến trái đất vào
khoảng 173.000 tỉ KW. Đối với các nước phát triển, năng lượng tái tạo (NLTT) năng
lượng mặt trời là nguồn quan trọng trong cán cân năng lượng và bảo vệ môi trường.
NLTT cũng là nguồn cung ứng lâu dài. Các nước phát triển ở châu Âu và các châu lục
khác đã có những bước phát triển ứng dụng công nghệ NLTT đáng ghi nhận.
Để phát triển NLTT, nhiều nước đã đặt ra mục tiêu tỷ lệ NLTT trong tổng nhu cầu
năng lượng giai đoạn 2010-2015 hoặc dài hơn đến 2020. Ví dụ Châu Âu EU nhắm đến
mục tiêu đến 2020 sẽ có 20%, Trung Quốc 15%; Thái Lan đến 2011 sẽ có 8%; Hàn
Quốc 7% đến 2010; Indonesia 15% đến 2015; Anh quốc 15% đến 2020; Thụy Điển
49% đến 2020; New Zeland 90% đến 2025; Philipine 4.7 GW đến 2013…
Riêng nước Mỹ có 25 tiểu bang đặt mục tiêu 20% đến năm 2017. Năm 2009, tổng
thống Mỹ Barack Obama đã ký đạo luật khôi phục và tái đầu tư nước Mỹ (American
Recovery and Reinvestment Act) trong đó dành $16.8 tỷ hỗ trợ các dự án tiết kiệm
năng lượng và NLTT (Energy Efficiency and Renewable Energy-EERE). Tổng thống
muốn đảm bảo rằng 10% điện của nước Mỹ là NLTT như điện gió và điện mặt trời
vào năm 2012 và 25% vào năm 2025 và đặt mục tiêu giảm 80% khí thải hiệu ứng nhà
kính vào năm 2050.
Tính đến năm 2014, doanh thu từ NLTT của Đức là 50 tỷ euro. Bên cạnh đó, việc
phát triển NLTT đã cung cấp việc làm cho khoảng 350.000 người dân Đức. Chính
sách phát triển NLTT của Đức nằm trong chính sách chung của EU, tức là đến năm
2020 sẽ giảm 20% những loại NL gây ô nhiễm, tăng 20% các loại NLTT. Mục tiêu
của Đức là đến năm 2020, NLTT sẽ chiếm tối thiểu 30% tổng nhu cầu năng lượng.
Ở các nước phát triển thì công nghệ chế tạo thiết bị sử dụng NLTT đã phát triển từ
lâu đạt chất lượng rất cao, độ bền tốt, mức độ tự động hoá cao và có thị trường toàn
thế giới. Không những chế tạo sản phẩm để bán mà các nước này đã và đang xuất các
công nghệ chế tạo thiết bị sang các nước theo nhiều hình thức.
GVHD: TS. Phạm Duy Phong
Trang 1
SVTH: Vũ Tiến Đại- Nguyễn Minh Vương
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Việc ứng dụng công nghệ NLTT để cung cấp nhu cầu sử dụng năng lượng với quy
mô nhỏ nhất là ở những khu vực không thể nối được lưới điện ở nhiều nước trên thế
giới đã phát triển mạnh và đạt được hiệu quả rất cao.
1.1.2. Thực trạng năng lượng tái tạo trong nước.
Ở Việt Nam hiện nay vấn đề thiếu hụt năng lượng trong thời gian tới đang trở lên
hiện hữu, tốc độ phát triển nguồn không theo kịp tốc độ phát triển của phụ tải, điều này
nếu không giải quyết kịp thời sẽ ảnh hưởng hưởng rất lớn đến an ninh năng lượng
quốc gia, ảnh hưởng hưởng đến sự phát triển của nền kinh tế và đời sống nhân dân.
Vì vậy, nước ta đã đặt ra mục tiêu đến năm 2020, sản lượng điện NLTT chiếm
khoảng 5% tổng nguồn điện, trong đó sẽ ưu tiên phát triển NLTT theo hướng thủy
điện nhỏ, điện gió, điện mặt trời,… nhằm tăng tỷ lệ các nguồn NLTT khoảng 3% tổng
năng lượng thương mại sơ cấp vào năm 2020 và 11% vào năm 2050. Chúng ta sẽ tập
trung tìm hiểu về năng lượng mặt trời.
Về vấn đề nguồn năng lượng mặt trời, Việt Nam có lợi thế là một trong những nước
nằm trong giải phân bổ ánh nắng mặt trời nhiều nhất trong năm trên bản đồ bức xạ mặt
trời của thế giới. Vị trí địa lý đã ưu ái cho Việt Nam một nguồn năng lượng tái tạo vô
cùng lớn đó là năng lượng mặt trời. Trải dài từ vĩ độ 23 023’Bắc đến 8027’ Bắc, Việt
Nam nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao. Năng lượng mặt
trời ở Việt Nam có sẵn quanh năm, khá ổn định và phân bố rộng rãi trên các miền khác
nhau của đất nước. Đặc biệt, số ngày nắng trung bình trên các tỉnh của miền trung và
miền nam là khoảng 300 ngày/năm. Với tổng số giờ nắng cao lên đến trên 2.500
giờ/năm, tổng lượng bức xạ trung bình hàng năm vào khoảng 230-250 kcal/cm2 theo
hướng tăng dần về phía Nam.
Dưới đây là “ Bản đồ bức xạ mặt trời Việt Nam” do 3 viện nghiên cứu hàng đầu của
Tây Ban Nha là CIEMAT, CENER, IDEA lập.
Các viện nghiên cứu của Tây Ban Nha đã sử dụng các mô hình toán học để mô
phỏng, tính toán trên cơ sở số liệu của 171 trạm đo khí tượng thủy văn của Việt Nam
đo số giờ nắng trong 30 năm, cơ sở dữ liệu ảnh vệ tinh (ảnh phổ thị) trong 5 năm và dữ
liệu của 12 trạm đo khí tượng thủy văn tự động trong 2 năm trong đó khu vực thấp
nhất có lượng bức xạ mặt trời là 3kwh/m2 ngày , khu vực cao nhất lượng bức xạ mặt
trời nên đến 5,6 kwh/m2 ngày.
GVHD: TS. Phạm Duy Phong
Trang 2
SVTH: Vũ Tiến Đại- Nguyễn Minh Vương
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Hình 1.1. Bản đồ bức xạ mặt trời Việt Nam.
“Bản đồ bức xạ mặt trời Việt Nam” là cơ sở dữ liệu quan trọng giúp cơ quan nhà
nước xây dựng chính sách khuyến khích phát triển điện mặt trời ở Việt Nam, xây dựng
các quy hoạch tiềm năng phát triển điện mặt trời và công nghệ năng lượng mặt trời
một cách hiệu quả.
Ở Việt Nam, điện năng dùng cho chiếu sáng chiếm 35% tổng điện năng tiêu
thụ. Trong đó, hệ thống chiếu sáng công cộng đang là lĩnh vực có tiềm năng tiết kiệm
năng lượng rất lớn do sử dụng công nghệ tiêu tốn năng lượng, thiết kế, lắp đặt thiết bị
chiếu sáng chưa hiệu quả và sử dụng điện trong chiếu sáng còn rất lãng phí. Hệ thống
các trạm điều khiển đèn vẫn chỉ được điều khiển bẳng tủ cục bộ và hầu như chưa có
thiết bị điều khiển chiếu sáng cho hệ thống (điều khiển công suất – cường độ chiếu
sáng, thời gian chiếu sáng…). Hệ thống đèn chiếu sáng công cộng sử dụng
GVHD: TS. Phạm Duy Phong
Trang 3
SVTH: Vũ Tiến Đại- Nguyễn Minh Vương
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
năng lượng mặt trời là một hệ thống giúp làm giảm lượng điện tiêu thụ chiếu sáng
bằng việc sử dụng những tấm pin năng lượng mặt trời. Dưới đây là hình ảnh một số
sản phẩm đã được lắp đặt:
Hình 1.2 Hình ảnh các cột đèn sử dụng năng lượng mặt trời.
GVHD: TS. Phạm Duy Phong
Trang 4
SVTH: Vũ Tiến Đại- Nguyễn Minh Vương
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
1.2. Nghiên cứu tìm hiểu về cấu tạo và nguyên lý của pin mặt trời
1.2.1. Cấu tạo và phân loại Pin măt trời
Pin năng lượng mặt trời là thiết bị giúp chuyển hóa trực tiếp năng lượng ánh sáng
mặt trời (quang năng) thành năng lượng điện (điện năng) dựa trên hiệu ứng quang
điện. Hiệu ứng quang điện là khả năng phát ra điện tử (electron) khi được ánh sáng
chiếu vào của vật chất.
Vật liệu xuất phát để làm pin mặt trời silic phải là bán dẫn silic tinh khiết. Ở
dạng tinh khiết, còn gọi là bán dẫn ròng số hạt tải (hạt mang điện) là electron và số hạt
tải là lỗ trống (hole) như nhau. Để làm pin Mặt trời từ bán dẫn tinh khiết phải làm ra
bán dẫn loại n và bán dẫn loại p rồi ghép lại với nhau cho nó có được tiếp xúc p- n.
Thực tế thì xuất phát từ một phiến bán dẫn tinh khiết tức là chỉ có các nguyên tử
Si để tiếp xúc p- n, người ta phải pha thêm vào một ít nguyên tử khác loại, gọi là pha
tạp.
Hình 1.3. Cấu tạo của pin mặt trời
Hiện nay vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời là các silic tinh thể. Pin mặt trời từ tinh
thể silic chia thành 3 loại:
• Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski.
Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16%.
Chúng thường rất mắc tiền
do được cắt từ các thỏi hình
GVHD: TS. Phạm Duy Phong
Trang 5
SVTH: Vũ Tiến Đại- Nguyễn Minh Vương
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ống, các tấm đơn thể này có
các mặt trống ở góc nối các
module.
Hình 1.4. Pin mặt trời một tinh thể
• Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc-đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm nguội
và làm rắn. Các pin này thường rẻ
hơn các đơn tinh thể,tuy nhiên hiệu suất
kém hơn. Tuy nhiên chúng
có thể tạo thành các tấm vuông
che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh
thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó.
Hình 1.5. Pin mặt trời loại đa tinh thể
• Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh
thể. Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại
vì không cần phải cắt từ thỏi silicon. Các công nghệ trên là sản xuất tấm, hay các
loại trên có độ dày 300 μm tạo thành và xếp lại để tạo nên module
Hình 1.6. Pin mặt trời được làm từ miếng phim silic mỏng
Ngoài Si, hiện nay người ta đang nghiên cứu và thử nghiệm các loại vật liệu khác có
nhiều triển vọng như Sunfit cadmi- đồng (CuCds), Galium- arsenit (GaAs) …
Dưới đây là cấu tạo một module Pin mặt trời:
Tấm kính phủ phía trên
Tấm keo EVA
Lớp các Pin mặt trời
Tấm keo EVA
Tấm đáy
GVHD: TS. Phạm Duy Phong
Trang 6
SVTH: Vũ Tiến Đại- Nguyễn Minh Vương
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Hình 1.7. Cấu tạo một module pin mặt trời.
GVHD: TS. Phạm Duy Phong
Trang 7
SVTH: Vũ Tiến Đại- Nguyễn Minh Vương
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
1.2.2. Nguyên lý hoạt động Pin mặt trời
Silicon được biết đến là một chất bán dẫn. "Chất bán dẫn là vật liệu trung gian
giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Chất bán dẫn hoạt động như một chất cách điện
ở nhiệt độ thấp và có tính dẫn điện ở nhiệt độ phòng". Với tính chất như vậy, silicon là
một thành phần quan trọng trong cấu tạo của pin năng lượng mặt trời.
Hình 1.8. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời
Nguyên tử Si có 4 electron ở vành ngoài, cùng dùng để liên kết với bốn nguyên tử
Si gần đó (cấu trúc kiểu như kim cương). Nếu pha tạp vào Si một ít nguyên tử phôtpho P có 5 electron ở vành ngoài, electron thừa ra không dùng để liên kết nên dễ
chuyển động hơn làm cho bán dẫn pha tạp trở thành có tính dẫn điện electron, tức là
bán dẫn loại n (negative- âm). Ngược lại nếu pha tạp vào Si một ít nguyên tử bo B có 3
electron ở vành ngoài, tức là thiếu một electron mới đủ tạo thành 4 mối liên kết nên có
thể nói là tạo thành lỗ trống (hole). Vì là thiếu electron nên lỗ trống mạng điện dương,
bán dẫn pha tạp trở thành có tính dẫn điện lỗ trống, tức là bán dẫn loại p (positive
-dương). Vậy trên cơ sở bán dẫn tinh khiết có thể pha tạp để trở thành có lớp là bán
GVHD: TS. Phạm Duy Phong
Trang 8
SVTH: Vũ Tiến Đại- Nguyễn Minh Vương
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
dẫn loại n, có lớp bán dẫn loại p, lớp tiếp giáp giữa hai loạị chính là lớp chuyển tiếp pn. Ở chỗ tiếp xúc p- n này một ít electron ở bán dẫn loại n chạy sang bán dẫn loại p lấp
vào lỗ trống thiếu electron, ở đó. Kết quả là ở lớp tiếp xúc p-n có một vùng thiếu
electron cũng thiếu cả lỗ trống, người ta gọi đó là vùng nghèo. Sự dịch chuyển điện tử
để lấp vào lỗ trống tạo ra vùng nghèo này cũng tạo nên hiệu thế gọi là hiệu thế ở tiếp
xúc p- n, đối với Si vào cỡ 0,6V đến 0,7V. Đây là hiệu thế sinh ra ở chỗ tiếp xúc
không tạo ra dòng điện được.
Nhưng nếu đưa phiến bán dẫn đã tạo lớp tiếp xúc p- n phơi cho ánh sáng mặt trời
chiếu vào thì photon của ánh sáng mặt trời có thể kích thích làm cho điện tử đang liên
kết với nguyên tử bị bật ra khỏi nguyên tử, đồng thời ở nguyên tử xuất hiện chỗ trống
vì thiếu electron, người ta gọi là photon đến tạo ra cặp electron- lỗ trống. Nếu cặp
electron- lỗ trống này sinh ra ở gần chỗ có tiếp p- n thì hiệu thế tiếp xúc sẽ đẩy
electron về một bên (bên bán dẫn n) đẩy lỗ trống về một bên (bên bán dẫn p). Nhưng
cơ bản là electron đã nhảy từ miền hoá trị (dùng để liên kết) lên miền dẫn ở mức cao
hơn, có thể chuyển động tự do. Càng có nhiều photon chiếu đến càng có nhiều cơ hội
để electron nhảy lên miền dẫn.
Nếu ở bên ngoài ta dùng một dây dẫn nối bán dẫn loại n với bán dẫn loại p (qua một
phụ tải như lèn LED chẳng hạn) thì electron từ miền dẫn của bán dẫn loại n sẽ qua
mạch ngoài chuyển đến bán dẫn loại p lấp vào các lỗ trống. Đó là dòng điện pin Mặt
trời silic sinh ra khi được chiếu sáng. Dùng bán dẫn silic tạo ra tiếp xúc p- n để từ đó
làm pin Mặt trời là một tiến bộ lớn trên con đường trực tiếp biến ánh sáng Mặt trời
thành dòng điện để sử dụng. Tuy nhiên pin Mặt trời silic có một số hạn chế về kinh tế,
kỹ thuật.
-
Vật liệu xuất phát là silic tinh khiết nên rất đắt. Ban đầu là làm từ silic đơn tinh
thể dùng trong công nghệ vi điện tử, tuy chỉ là dùng đầu thừa đuôi thẹo nhưng
giá vẫn là khá cao. Đã có những cách dùng silic đa tinh thể, silic vô định hình
tuy hiệu suất thấp hơn nhưng bù lại giá rẻ hơn. Nhưng xét cho cùng thì vật liệu
silic sử dụng phải là tinh khiết nên giá thành rẻ hơn không nhiều.
GVHD: TS. Phạm Duy Phong
Trang 9
SVTH: Vũ Tiến Đại- Nguyễn Minh Vương
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
-
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đối với silic, để đưa electron từ miền hoá trị lên miền dẫn phải tốn năng lượng
cỡ 1,1eV. Vậy năng lượng của photon đến phải bằng hoặc cao hơn 1,1eV một
chút là đủ để kích thích eletron nhảy lên miền dẫn, từ đó tham gia tạo thành
dòng điện của pin Mặt trời. Photon ứng với năng lượng 1,1 eV có bước sóng cỡ
1 m tức là hồng ngoại. Vậy photon có các bước sóng lục, lam, tử ngoại là có
năng lượng quá thừa thãi để kích thích điện tử của Si nhảy lên miền dẫn.
Ánh sáng mặt trời bao gồm các hạt rất nhỏ gọi là photon được tỏa ra từ mặt trời.
Khi va chạm với các nguyên tử silicon của pin năng lượng mặt trời, những hạt photon
truyền năng lượng của chúng tới các electron rời rạc, kích thích làm cho electron đang
liên kết với nguyên tử bị bật ra khỏi nguyên tử, đồng thời ở nguyên tử xuất hiện chỗ
trống vì thiếu electron.
Tuy nhiên giải phóng các electron chỉ mới là một nửa công việc của pin năng
lượng mặt trời, sau đó nó cần phải dồn các electron rải rác này vào một dòng điện.
Điều này liên quan đến việc tạo ra một sự mất cân bằng điện trong pin mặt trời, có tác
dụng giống như xây một con dốc để các electron chảy theo cùng một hướng.
Sự mất cân bằng này có thể được tạo ra bởi tổ chức bên trong của silicon. Nguyên
tử silicon được sắp xếp cùng nhau trong một cấu trúc ràng buộc chặt chẽ. Bằng cách
ép một số lượng nhỏ các nguyên tố khác vào cấu trúc này, sẽ có hai loại silicon khác
nhau được tạo ra: loại n và loại p.
Chất bán dẫn loại n (bán dẫn âm- Negative) có tạp chất là các nguyên tố thuộc
nhóm V, các nguyên tử này dùng 4 electron tạo liên kết và một electron lớp ngoài liên
kết lỏng lẻo với nhân, đấy chính là các electron dẫn chính. Chất bán dẫn loại p (bán
dẫn dương- Positive) có tạp chất là các nguyên tố thuộc nhóm III, dẫn điện chủ yếu
bằng các lỗ trống.
Khi hai loại bán dẫn này được đặt cạnh nhau trong một pin năng lượng mặt trời,
electron dẫn chính của loại n sẽ nhảy qua để lấp đầy những khoảng trống của loại p.
Điều này có nghĩa là silicon loại n tích điện dương và silicon loại p được tích điện âm,
tạo ra một điện trường trên pin mặt trời. Vì silicon là một chất bán dẫn nên có thể hoạt
động như một chất cách điện và duy trì sự mất cân bằng này.
GVHD: TS. Phạm Duy Phong
Trang 10
SVTH: Vũ Tiến Đại- Nguyễn Minh Vương
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Khi làm cho electron đang liên kết với nguyên tử bị bật ra khỏi nguyên tử silicon,
photon trong ánh sáng mặt trời đưa các electron này vào một trật tự nhất định, cung
cấp dòng điện nhất định, tức là tạo ra một điện thế.
Hình 1.9. Sự dịch chuyển các điện tích trong pin mặt trời.
1.2.3. Ứng dụng pin mặt trời
Pin mặt trời là phương pháp sản suất điện trực tiếp từ NLMT qua thiết bị biến
đổi quang điện. Pin mặt trời có ưu điểm gọn nhẹ có thể lắp đặt ở bất kì đâu có ánh
nắng mặt trời, đặc biệt là trong lĩnh vực tàu vũ trụ. Ứng dụng NLMT dưới dạng này
được phát triển với tốc độ rất nhanh nhất là ở các nước phát triển. Ngày nay con người
đã ứng dụng pin mặt trời trong nhiều dụng cụ các nhân như: máy tính đồng hồ và các
đồ dùng hằng ngày. Pin mặt trời còn dùng để chạy xe ô tô thay thế dần nguồn năng
lượng truyền thống, dùng thắp sáng đèn đường, đèn sân vườn và sử dụng trong từng
hộ gia đình. Trong công nghiệp người ta cũng bắt đầu lắp đặt các hệ thống dùng pin
mặt trời với công suất lớn. Một số ứng dụng năng lượng mặt trời tiêu biểu:
GVHD: TS. Phạm Duy Phong
Trang 11
SVTH: Vũ Tiến Đại- Nguyễn Minh Vương
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
-
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Xe ô tô sử dụng năng lượng mặt trời thường được lắp một số tấm năng lượng
mặt trời ở trên mui xe. Còn đối với xe đạp năng lượng mặt trời thì các tấm năng lượng
mặt trời được gắn trên áo của người lái xe. Những loại xe này chủ yếu được sử dụng
cho mục đích trình diễn và thử nghiệm về kỹ thuật. Người lái xe có thể theo dõi lượng
năng lượng tiêu hao và lượng năng lượng mặt trời thu được qua các loại đồng hồ đo
lắp trên xe.
Hình 1.10. Xe ô tô chạy bằng năng lượng mặt trời.
Trên thế giới hiện nay có một số giải đua xe năng lượng mặt trời, trong đó có 2
giải tương đối nổi tiếng là giải The World Solar Challenge được tổ chức ở Úc với quy
định người tham gia phải vượt qua một quãng đường dài đến 3.000 km xuyên qua
nước Úc. Giải thứ hai là The North American Solar Challenge lần đầu được tổ chức
vào năm 2008 với chặng đua từ bang Texas- Hoa Kỳ đến Canada.
-
Máy bay
Chiếc máy bay mang tên The Solar Impulse với 12.000 tế bào quang điện trên cánh là
một mẫu thử của máy bay năng lượng mặt trời, chiếc máy bay này đã có chuyến bay
vòng quang thế giới vào năm 2012. Trước đó vào tháng 4/2012, The Solar Impulse đã
bay trên vùng trời Switzerland trong 87 phút ở độ cao 1.200 mét.
GVHD: TS. Phạm Duy Phong
Trang 12
SVTH: Vũ Tiến Đại- Nguyễn Minh Vương
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Hình 1.11. Máy bay sử dụng năng lượng mặt trời
Thân chiếc máy bay này được làm từ vật liệu sợi carbon để đạt trọng lượng nhẹ
nhất. Thời gian để chế tạo ra chiếc máy bay độc đáo này lên đến 6 năm. Với sải cánh
tương đương máy bay Airbus 340 (63,4 mét) và cân nặng khoảng 1,5 tấn, chiếc máy
bay này được trang bị 4 động cơ điện để có thể bay được cả ngày lẫn đêm nhờ vào
năng lượng mặt trời được chuyển hóa thông qua các tế bào quang điện và tồn trữ trong
các bộ pin có hiệu suất rất cao. Tốc độ lớn nhất theo thiết kế vào khoảng 44 km/giờ và
độ cao tối đa là 8 km.
GVHD: TS. Phạm Duy Phong
Trang 13
SVTH: Vũ Tiến Đại- Nguyễn Minh Vương
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
CHƯƠNG 2 – XÂY DỰNG THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐÈN CHIẾU SÁNG SỬ
DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
2.1. Tính toán, đáng giá lựa chọn tấm pin năng lượng mặt trời.
2.1.1. Đánh giá lựa chọn tấm pin mặt trời.
Tấm pin năng lượng mặt trời được đánh giá rất cao khi:
Hiệu suất chuyển đổi quang năng thành điện năng cao nhất, như các công nghệ
hiện nay ( PV, Mono Crystalline, Poly Crystalline… ) có thể chuyển đổi trung bình từ
14% lên tới 35%, nghĩa là khi năng lượng mặt trời đạt 1000w/m2 (ở điều kiện môi
trường tiêu chuẩn) tấm pin sẽ sản xuất ra lượng điện năng tương đương đạt từ 140w/h
cho tới 350w/h/m2.
Độ bền về lượng điện năng sản xuất ra ổn định suy giảm thấp nhất sau nhiều
năm sử dụng, hiện tại trung bình khoảng đạt 80-90% công suất thiết kế sau 25-30 năm
sử dụng.
Ngoài ra, chúng ta nên sử dụng một bộ kích điện Apollo sóng sin chuẩn (Pure
Sine Wave) cho hệ thống, vì năng lượng điện sạch này sẽ giúp đảm bảo an toàn tuyệt
đối cho các thiết bị điện tử cao cấp của bạn như: tivi, dàn âm thanh, máy bơm, quạt
điện, điều hòa…và luôn đảm bảo nguồn điện sạch cho như cho hệ thống dàn âm thanh
cao cấp Hi-end mà không cần ổn áp, bộ lọc…
PV hệ thống cũng làm việc tốt trong thời tiết lạnh. Trong thực tế, PV tạo ra
điện từ ánh sáng, không nhiệt. Nó sẽ sản xuất điện tốt hơn trong khu vực lạnh hơn
trong một khu vực nóng với cùng một lượng ánh sáng mặt trời. Đối với các thiết bị
tiêu dùng, PV có thể lên đến 100 lần rẻ hơn pin. Vòng đời của một module PV phụ
thuộc vào chất lượng của các tế bào năng lượng mặt trời. module chất lượng hàng đầu,
chẳng hạn như các Cell module năng lượng mặt trời kiểm soát chất lượng của riêng
mình trong sản xuất thiệt bị di động, được thiết kế để tạo ra điện cho ít nhất 30 năm.
Với năng lượng mặt trời Cell 25 năm giới hạn bảo hành, module năng lượng mặt trời
được bảo hành để sản xuất 80% năng lượng ban đầu theo công suất thiết kế ban đầu.
Trên thực tế, hầu hết các pin mặt trời lắp đặt cách đây 20 năm về trước vẫn làm việc
tốt cho đến nay và đạt hiệu suất trên 95% với công suất thiết kế ban đầu. Sự khác biệt
giữa các module công nghệ đơn tinh thể (Mono Crystallie) và đa tinh thể (Poly
Crytalline) là hiệu suất pin mặt trời đơn tinh thể là cao hơn so với đa tinh thể. Cell tế
GVHD: TS. Phạm Duy Phong
Trang 14
SVTH: Vũ Tiến Đại- Nguyễn Minh Vương
