NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀO THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY BƠM LỐP XE
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.31 MB, 64 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN
NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI VÀO THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO
MÁY BƠM LỐP XE
TSV2016-04
Thuộc nhóm ngành khoa học: Khoa học Kỹ thuật và Công nghệ 1 (KT1)
Cần Thơ, 12/2016
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN
NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI VÀO THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO
MÁY BƠM LỐP XE
TSV2016-04
Thuộc nhóm ngành khoa học: Khoa học Kỹ thuật và Công nghệ 1 (KT1)
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Minh Nhật
Dân tộc:
Kinh
Lớp, khoa: Kỹ Thuật Điện 2 – Khoa Công Nghệ
Ngành học: Kỹ Thuật Điện
Người hướng dẫn:
Thạc sĩ Đinh Mạnh Tiến
Cần Thơ, 12/2016
Nam, Nữ:
Nam
Năm thứ: 4 /Số năm đào tạo: 4.5
Danh sách những thành viên tham gia nghiên cứu đề tài
và đơn vị phối hợp chính
1. Những thành viên tham gia nghiên cứu đề tài
TT
Họ và tên
MSSV, Lớp, Khóa
1
Nguyễn Minh Nhật
(Chủ nhiệm đề tài)
B1305869,
Kỹ Thuật Điện 2,
Khóa 39
2
Nguyễn Thái Nguyên
(Thành viên chính)
B1305866,
Kỹ Thuật Điện 2,
Khóa 39
Nội dung nghiên cứu
Chữ ký
cụ thể được giao
Tính toán, thiết kế và
lắp đặt hệ thống chuyển
hóa và trữ năng lượng,
chế tạo bộ điều khiển.
Lắp ráp test thử mô
hình
2. Đơn vị phối hợp chính
Tên đơn vị
trong và ngoài nước
Nội dung phối hợp nghiên cứu
Họ và tên người đại diện
đơn vị
Không
Không
Không
MỤC LỤC
Danh mục bảng biểu .....................................................................................................i
Danh mục những từ viết tắt ..........................................................................................ii
THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI ............................................ iii
THÔNG TIN VỀ SINH VIÊN CHỊU TRÁCH NHIỆM CHÍNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
.................................................................................................................................... v
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................. 6
CHƯƠNG 1................................................................................................................. 8
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ............................................ 8
1.1. Năng lượng Mặt Trời (NLMT) ......................................................................... 8
1.1.1. Tổng quan .................................................................................................. 8
1.1.2. Nguồn năng lượng mặt trời ........................................................................ 8
1.2. Tiềm năng phát triển NLMT ở Việt Nam........................................................ 10
1.3. Ưu – Nhược điểm trong việc sử dụng NLMT ................................................. 11
1.3.1. Ưu điểm: .................................................................................................. 11
1.3.2. Khó khăn năng lượng mặt trời (nhược điểm) ............................................ 13
CHƯƠNG 2............................................................................................................... 14
TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI .......................................................................... 14
2.1. Cấu tạo ........................................................................................................... 14
2.2. Phân loại ........................................................................................................ 15
2.3. Nguyên lí hoạt động Pin mặt trời .................................................................... 16
2.4. Đặc tính làm việc của Pin mặt trời .................................................................. 17
2.5. Tấm năng lượng mặt trời và cách ghép ........................................................... 20
2.5.1. Phương pháp ghép nối tiếp các tấm Module mặt trời ........................... 20
2.5.2. Ghép song song các Module mặt trời .................................................. 21
CHƯƠNG 3............................................................................................................... 23
GIỚI THIỆU MÔ HÌNH MÁY BƠM LỐP XE.......................................................... 23
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ..................................................................................... 23
3.1. Tổng quát ....................................................................................................... 23
3.2. Tìm hiểu về Bộ điều khiển sạc NLMT ............................................................ 23
3.2.1. Định nghĩa ............................................................................................... 23
3.2.2. Nhiệm vụ .................................................................................................. 24
3.3. Tổng quan về Acquy ...................................................................................... 24
3.3.1. Cấu tạo..................................................................................................... 24
3.3.2. Phân loại .................................................................................................. 26
3.3.3. Nguyên lí hoạt động của Acquy ............................................................... 28
3.3.4. Các thông số quan trọng của Acquy ......................................................... 29
3.3.5. Các phương pháp nạp điện Acquy ............................................................ 30
3.4. Tìm hiểu máy bơm lốp xe 12V ....................................................................... 32
3.4.1. Cấu tạo máy bơm ................................................................................. 33
3.4.2. Thông số kỹ thuật .................................................................................... 34
3.4.3. Những tính năng của bơm lốp xe Michelin 12260 .................................... 34
CHƯƠNG 4............................................................................................................... 35
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÔ HÌNH MÁY BƠM LỐP XE SỬ DỤNG .................... 35
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ..................................................................................... 35
4.1. Phương pháp tính toán .................................................................................... 35
4.1.1. Tính toán tấm Pin mặt trời ....................................................................... 35
4.1.2. Tính dung lượng Acquy ........................................................................... 36
4.2. Tính toán mô hình máy bơm lốp xe theo số liệu lí thuyết................................ 37
4.3. Tính toán mô hình máy bơm lốp xe theo số liệu thực nghiệm ......................... 38
Thống kê số liệu thực nghiệm bơm xe tại nhà xe khoa Công Nghệ_ĐHCT ......... 39
4.4. Lựa chọn thiết bị cho mô hình ........................................................................ 43
4.4.1. Tấm Pin mặt trời ...................................................................................... 43
4.4.2. Acquy ...................................................................................................... 45
4.4.3. Bộ điều khiển sạc ..................................................................................... 45
4.4.4. Các phụ kiện kèm theo mô hình ............................................................... 47
4.5. Đấu nối các thiết bị trong mô hình .................................................................. 49
4.6. Nguyên tắc lắp đặt – tháo dỡ thiết bị............................................................... 50
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................... 51
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................... 52
PHỤ LỤC .................................................................................................................. 53
Danh mục bảng biểu
Bảng 1.1. Số liệu về bức xạ mặt trời tại Việt Nam
Bảng 1.2. Lượng tổng xạ bức xạ mặt trời trung bình ngày của các tháng trong năm ở
một số địa phương của nước ta. (đơn vị: MJ/m2/ngày)
Bảng 4.1 : Số liệu thực nghiệm bơm xe tại nhà xe khoa Công Nghệ ngày thứ nhất
Bảng 4.2 : Số liệu thực nghiệm bơm xe tại nhà xe khoa Công Nghệ ngày thứ hai
Bảng 4.3 : Số liệu thực nghiệm bơm xe tại nhà xe khoa Công Nghệ ngày thứ ba
i
Danh mục những từ viết tắt
1. NLMT: Năng lượng Mặt Trời
2. BXMT: Bức xạ Mặt Trời
3. MPP: tại điểm có công suất đạt cực đại (Max Power Point)
4. PV: được hiểu theo nhiều nghĩa như là Một tế bào quang điện (cell), Tấm Pin
năng lượng mặt trời (solar cells panel), Pin mặt trời , hay Pin quang điện là hệ
thống các tấm vật liệu đặc biệt có khả năng chuyển đổi quang năng của ánh sáng
mặt trời thành điện năng. Trong đề tài PV được hiểu là một tấm Pin mặt trời.
5. Wp (Watt – peak): là công suất đỉnh của tấm Pin mặt trời được chiếu dưới bức
xạ ánh sáng mặt trời tiêu chuẩn (1000 W/m²).
6. C10, C20…(Ct): Dung lượng của Acquy tương ứng với thời gian phóng t.
ii
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
1. Thông tin chung:
- Tên đề tài: Nghiên cứu, ứng dụng năng lượng mặt trời vào thiết kế và chế tạo máy
bơm lốp xe.
- Sinh viên thực hiện: Nguyễn Minh Nhật
- Lớp: Kỹ thuật điện 2
Khoa: Công Nghệ
Năm thứ: 4 Số năm đào tạo: 4,5
- Người hướng dẫn: Thạc sĩ. Đinh Mạnh Tiến
2. Mục tiêu đề tài:
Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh máy bơm lốp xe sử dụng năng lượng mặt trời,
lắp đặt ở nhà xe khoa công nghệ, phục vụ thầy cô và các bạn sinh viên. Có thể mở
rộng ra các nhà xe công cộng khác và các tuyến đường ngoại ô.
3. Tính mới và sáng tạo:
Với trình độ khoa học kỹ thuật tiến bộ cùng với công nghệ tiên tiến của các quốc
gia phát triển, các máy móc, thiết bị, công trình sử dụng điện năng lượng mặt trời của
họ phát triển mạnh mẽ và thực sự đã đạt những ưu điểm rất cao. Tuy vậy có những
nghiên cứu tỏ ra không thích hợp ở Việt Nam do quy mô lớn, chi phí đầu tư cao, quá
hiện đại so với mức độ phát triển ở nước ta. ở các nước phát triển chủ yếu di chuyển
bằng oto, có sẵn bơm dự phòng dùng điện Acquy hoặc lốp dự phòng nên chưa thấy công
trình nghiên cứu nào về máy bơm lốp xe dùng năng lượng mặt trời nhưng nó tỏ ra khá
thích hợp đối với nước ta, nơi mà xe môtô và xe đạp là phương tiện di chuyển chủ yếu.
4. Kết quả nghiên cứu:
Hiểu được nguyên lí làm việc của bộ nạp dự trữ năng lượng. Tính toán chính xác
các thông số, thiết kế hoàn chỉnh bộ máy bơm lốp xe sử dụng năng lượng mặt trời. Bộ
máy bơm có khả năng hoạt động, phục vụ nhu cầu bơm lốp xe của nhà xe khoa Công
Nghệ mỗi ngày.
5. Đóng góp về mặt kinh tế - xã hội, giáo dục và đào tạo, an ninh, quốc phòng và
khả năng áp dụng của đề tài:
Sản phẩm là một máy bơm lốp xe công cộng sử dụng nguồn năng lượng sạch từ
mặt trời, giảm chi phí điện năng, tiết kiệm chí phí bơm lốp xe và đặc biệt rất hữu dụng
khi xe hơi, xe máy hoặc xe đạp bị xì lốp, có thể bơm tạm thời để có thể đi đến nơi sửa
chữa, tránh hao mòn thêm xăm, lốp, niềng…Do đó một máy bơm công cộng sử dụng
năng lượng sạch như vậy là rất thiết thực khi đặt ở các bãi đỗ xe, nhà xe trường học, cơ
iii
quan, các tuyến đường ngoại ô… vừa kinh tế vừa hữu dụng và đặc biệt là sử dụng nguồn
năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường.
6. Công bố khoa học của sinh viên từ kết quả nghiên cứu của đề tài (ghi rõ tên tạp
chí nếu có) hoặc nhận xét, đánh giá của cơ sở đã áp dụng các kết quả nghiên cứu (nếu
có):
Ngày
tháng
năm
Sinh viên chịu trách nhiệm chính
thực hiện đề tài
(ký, họ và tên)
Nguyễn Minh Nhật
Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của sinh viên thực
hiện đề tài :
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
Xác nhận của Trường Đại học Cần Thơ
(ký tên và đóng dấu)
Ngày
tháng
năm
Người hướng dẫn
(ký, họ và tên)
Đinh Mạnh Tiến
iv
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
THÔNG TIN VỀ SINH VIÊN
CHỊU TRÁCH NHIỆM CHÍNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
I. SƠ LƯỢC VỀ SINH VIÊN:
Ảnh 4x6
Họ và tên: Nguyễn Minh Nhật
Sinh ngày:
25 tháng 08 năm 1995
Nơi sinh: Cần Thơ
Lớp: Kỹ Thuật Điện 2
Khóa: 39
Khoa: Công Nghệ
Địa chỉ liên hệ: 17/9 Trần Ngọc Quế P. Xuân Khánh Q. Ninh Kiều TP. Cần Thơ
Điện thoại: 01272.701.70
Email:
II. QUÁ TRÌNH HỌC TẬP (kê khai thành tích của sinh viên từ năm thứ 1 đến năm
đang học):
* Năm thứ 1:
Ngành học: Kỹ Thuật Điện
Khoa: Công Nghệ
Kết quả xếp loại học tập: Khá
Sơ lược thành tích:
* Năm thứ 2:
Ngành học: Kỹ Thuật Điện
Khoa: Công Nghệ
Kết quả xếp loại học tập: Trung Bình
Sơ lược thành tích:
* Năm thứ 3:
Ngành học: Kỹ Thuật Điện
Khoa: Công Nghệ
Kết quả xếp loại học tập: Trung Bình
Sơ lược thành tích: Giải Khuyến Khích hội thi sáng tạo Khoa học Kỹ thuật thành phố
Cần Thơ.
Ngày
tháng
năm
Sinh viên chịu trách nhiệm chính
thực hiện đề tài
(ký, họ và tên)
Xác nhận của Trường Đại học
Cần Thơ
(ký tên và đóng dấu)
Nguyễn Minh Nhật
v
Đề tài: : Nghiên cứu, ứng dụng NLMT vào thiết kế và chế tạo máy bơm lốp xe
LỜI NÓI ĐẦU
Với trình độ khoa học kỹ thuật tiến bộ cùng với công nghệ tiên tiến của các quốc
gia phát triển, các máy móc, thiết bị, công trình sử dụng điện năng lượng mặt trời của
họ phát triển mạnh mẽ và thực sự đã đạt những ưu điểm rất cao. Máy móc rất hiện đại,
tính tự động hóa cao, hiệu suất cao như thùng rác tự nén dùng năng lượng mặt trời (công
viên Green End Road, Cambridge), máy lạnh ôtô dùng năng lượng mặt trời (phát minh
của Công ty Mitsubishi Chemical Corporation, ICL và Nippon Fruehauf), khử mặn nước
biển bằng năng lượng mặt trời (Trung Đông), trạm xe bus tự chiếu sáng tự động
( Florence – Italia)… Tuy vậy có những nghiên cứu tỏ ra không thích hợp ở Việt Nam
do quy mô lớn, chi phí đầu tư cao, quá hiện đại so với mức độ phát triển ở nước ta. ở
các nước phát triển chủ yếu di chuyển bằng oto, có sẵn bơm dự phòng dùng điện Acquy
hoặc lốp dự phòng nên chưa thấy công trình nghiên cứu nào về máy bơm lốp xe dùng
năng lượng mặt trời nhưng nó tỏ ra khá thích hợp đối với nước ta, nơi mà xe môtô và xe
đạp là phương tiện di chuyển chủ yếu.
Vị trí địa lý đã ưu ái cho Việt Nam những nguồn năng lượng tái tạo vô cùng lớn,
đặc biệt là năng lượng mặt trời. Trải dài từ vĩ độ 23023’ Bắc đến 8027’ Bắc, Việt Nam
nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao nên việc khai thác năng
lượng mặt trời cho các thiết bị, công trình… là rất cần thiết. Ở nước ta cũng đã có những
công trình, thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời như hệ thống tưới phun mưa sử dụng
năng lượng mắt trời (Ninh Thuận), máy rửa bát bằng năng lượng mặt trời (top 15 cuộc
thi sang chế 2014), máy sục oxi cho vuông tôm bằng năng lượng mặt trời (Bạc Liêu, Cà
Mau), trụ đèn đường, đèn giao thông dùng năng lượng mặt trời. Mặc dù có nhiều ưu
điểm, nhưng thời gian qua, các sản phẩm sử dụng năng lượng mặt trời vẫn chưa được
ứng dụng rộng rãi, việc sử dụng nguồn năng lượng sạch cho các công trình, nhất là các
công trình công cộng là rất thiết thực và kinh tế.
Ở Việt Nam người dân sử dụng môtô làm phương tiện di chuyển là chủ yếu, chiếm
đến 85% phương tiện giao thông đường bộ, ngoài ra xe đạp cũng được sử dụng rất nhiều
với đối tượng là học sinh, những phương tiện phổ thông này không được trang bị bơm
dự phòng hay lốp dự phòng như xe ôtô, vì vậy máy bơm lốp dùng năng lượng mặt trời
là rất thiết thực trong trường hợp lốp bị xẹp, bị rò hơi, hoặc trường hợp cấp bách hơn là
thủng lốp, có thể bơm hơi lại cho lốp xẹp hoặc bơm tạm thời cho lốp bị thủng để có thể
tiếp tục đi đến nơi sửa chữa, không chỉ xe moto, xe đạp mà máy bơm còn có thể bơm
được cho những xe oto không trang bị bơm dự phòng, lốp dự phòng hoặc người lái xe
không biết cách thay lốp dự phòng, nhất là đối với phụ nữ . Do đó một máy bơm công
cộng sử dụng năng lượng sạch như vậy là rất thiết thực khi đặt ở các bãi đỗ xe, nhà xe
6
Đề tài: : Nghiên cứu, ứng dụng NLMT vào thiết kế và chế tạo máy bơm lốp xe
trường học, cơ quan, các tuyến đường ngoại ô… vừa kinh tế vừa hữu dụng và đặc biệt
là sử dụng nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường.
Từ những lý do kể trên nhóm em đã lựa chọn đề tài “ Nghiên cứu, ứng dụng năng
lượng mặt trời vào thiết kế và chế tạo máy bơm lốp xe ” để thực hiện đề tài khoa học.
KẾT CẤU CỦA ĐỀ TÀI
Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Chương 2: TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI
Chương 3: GIỚI THIỆU MÔ HÌNH MÁY BƠM LỐP XE NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Chương 4: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÔ HÌNH MÁY BƠM LỐP XE SỬ DỤNG
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh máy bơm lốp xe sử dụng năng lượng mặt trời, lắp
đặt ở nhà xe khoa công nghệ, phục vụ thầy cô và các bạn sinh viên. Có thể mở rộng ra
các nhà xe công cộng khác và các tuyến đường ngoại ô.
ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Đối tượng nghiên cứu : Nghiên cứu, ứng dụng năng lượng mặt trời vào thiết kế và
chế tạo máy bơm lốp xe.
Phạm vi nghiên cứu: Máy bơm lốp xe sử dụng năng lượng chuyển hóa từ ánh sáng
mặt trời, được nạp vào acquy dự trữ thông qua bộ điều khiển sạc.
CÁCH TIẾP CẬN, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Cách tiếp cận: khảo sát thực tế - nghiên cứu lý thuyết – thiết kế, chế tạo mô hình
thử nghiệm.
Phương pháp nghiên cứu: khảo sát thực tế, thống kê, phân tính, nghiên cứu lý
thuyết, chế tạo máy, vận hành và đánh giá.
7
Đề tài: : Nghiên cứu, ứng dụng NLMT vào thiết kế và chế tạo máy bơm lốp xe
CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
1.1 . Năng lượng Mặt Trời (NLMT)
1.1.1. Tổng quan
Năng lượng Mặt Trời là năng lượng của dòng bức xạ xuất phát từ Mặt Trời, cộng
với một phần nhỏ năng lượng của các hạt hạ nguyên tử khác phóng ra từ Mặt Trời.
Năng lượng mặt trời gần như không có ảnh hưởng tiêu cực gì đến môi trường. Việc
sử dụng NLMT không thải ra khí và nước độc hại, do đó không góp phần vào vấn đề ô
nhiễm môi trường và hiệu ứng nhà kính.
Hai phương pháp phổ biến dùng để thu nhận và trữ NLMT 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 phương pháp chính để thu 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).
1.1.2. Nguồn năng lượng mặt trời
Hình 1.1. Qủa cầu Mặt Trời
8
Đề tài: : Nghiên cứu, ứng dụng NLMT vào thiết kế và chế tạo máy bơm lốp xe
Mặt Trời là một khối cầu có đường kính khoáng 1,4 triệu km với thành phần gồm
các khí có nhiệt độ rất cao. Nhiệt độ bên trong Mặt Trời đạt đến gần 15 triệu độ, với áp
suất gấp 70 tỷ lần áp suất khí quyển của Trái Đất. Đây là điều kiện lý tưởng cho các
phản ứng phân hạch của các nguyên tử hydro. Bức xạ gamma từ các phản ứng phân
hạch này, trong qua trình được truyền từ tâm Mặt Trời ngoài, tương tác vơi các nguyên
tố khác bên trong Mặt Trời và chuyển thành bức xạ có mức năng lượng thấp hơn, chủ
yếu là ánh sáng và phần nhiệt của phổ năng lượng. Bức xạ điện từ này, với phổ năng
lượng trải dài từ cực tím đến hồng ngoại, phát ra không gian ở mọi hướng khác nhau.
Quá trình bức xạ của Mặt Trời diễn ra từ 5 tỷ năm nay, và sẽ còn tiếp tục trong vài tỷ
năm nữa.
Hình 1.2. Tổng lượng trung bình bức xạ Mặt Trời chiếu lên bề mặt Trái Đất theo từng
mùa, dựa theo số liệu vệ tinh theo dõi trong 10 năm.
(Nguồn: Earth Observatory, NASA, Hoa Kỳ)
Mỗi giây, Mặt Trời phát ra một khối năng lượng khổng lồ vào Thái Dương Hệ, tuy
nhiên chỉ một phần rất nhỏ tổng lượng bức xạ đến được Trái Đất. Tuy nhiên, phần năng
lượng này vẫn được xem là rất lớn, vào khoảng 1.367 MW/m2 ở ngoại tầng khí quyển
của Trái Đất. Một phần lớn bức xạ Mặt Trời phản xạ lại về không gian trên bề mặt các
đám mây. 99% bức xạ Mặt Trời chiếu xuống bề mặt Trái Đất chuyển thành nhiệt và sau
9
Đề tài: : Nghiên cứu, ứng dụng NLMT vào thiết kế và chế tạo máy bơm lốp xe
đó tỏa nhiệt lại về không gian. Chỉ cần một phần nhỏ NLMT được sử dụng thì có thể
đáp ứng được nhu cầu về năng lượng của thế giới.
1.2 . Tiềm năng phát triển NLMT ở Việt Nam
Việt nam được xem là một quốc gia có tiềm năng rất lớn về năng lượng mặt trời,
đặc biệt ở các vùng miền trung và miền nam của đất nước, với cường độ bức xạ mặt trời
trung bình khoảng 5 kWh/m2. Trong khi đó cường độ bức xạ mặt trời lại thấp hơn ở các
vùng phía Bắc, ước tính khoảng 4 kWh/m2 do điều kiện thời tiết với trời nhiều mây và
mưa phùn vào mùa đông và mùa xuân (Tô Quốc Trụ, 2010).
Năng lượng mặt trời ở Việt nam có sẵn quanh năm, khá ổn định và phân bố rộng
rãi trên các vùng 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. Năng lượng mặt trời có
thể được khai thác cho hai nhu cầu sử dụng: sản xuất điện và cung cấp nhiệt (Tô Quốc
Trụ, 2010).
Bảng 1.1. Số liệu về bức xạ mặt trời tại Việt Nam (Tô Quốc Trụ, 2010)
Cường độ BXMT
Vùng
Giờ nắng trong năm
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
Tây Nguyên và Nam Trung Bộ
2000 – 2600
4,9 – 5,7
Rất tốt
Nam Bộ
2200 – 2500
4,3 – 4,9
Rất tốt
Trung bình cả nước
1700 – 2500
4,6
Tốt
(kWh/m2/ ngày)
Ứng dụng
Bảng 1.2. Lượng tổng xạ bức xạ mặt trời trung bình ngày của các tháng trong năm ở
một số địa phương của nước ta. (đơn vị: MJ/m2/ngày) (Tô Quốc Trụ, 2010)
Tổng xạ Bức xạ Mặt Trời của các tháng trong năm
(đơn vị: MJ/m2/ngày)
STT
1
Địa phương
Cao Bằng
1
7
2
8
3
9
4
10
5
11
6
12
8,21
18,81
8,72
19,11
10,43
17,60
12,70
13,57
16,81
11,27
17,56
9,37
10
Đề tài: : Nghiên cứu, ứng dụng NLMT vào thiết kế và chế tạo máy bơm lốp xe
2
Móng Cái
3
Sơn La
4
Hà Nội
5
Vinh
6
Đà Nẵng
7
Cần Thơ
8
Đà Lạt
18,81
19,11
17,60
13,57
11,27
9,37
17,56
18,23
16,10
15,75
12,91
10,35
11,23
11,23
12,65
12,65
14,45
14,25
16,84
16,84
17,89
17,89
17,47
17,47
8,76
8,63
9,09
12,44
18,94
19,11
20,11
18,23
17,22
15,04
12,40
10,66
8,88
21,79
8,13
16,39
9,34
15,92
14,50
13,16
20,03
10,22
19,78
9,01
12,44
14,87
18,02
20,28
22,17
21,04
22,84
20,78
17,93
14,29
10,43
8,47
17,51
16,68
20,07
15,29
20,95
16,38
20,88
15,54
16,72
15,25
15,00
16,38
16,68
15,29
16,38
15,54
15,25
16,38
18,94
16,51
15,00
14,87
15,75
10,07
Tiềm năng điện mặt trời tốt nhất ở các vùng Thừa Thiên Huế trở vào Nam và vùng
Tây Bắc. Vùng Tây Bắc gồm các tỉnh Lai Châu, Sơn La, Lào Cai…. và vùng Bắc Trung
bộ gồm các tỉnh Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh…. có năng lượng mặt trời khá lớn. Mật
độ năng lượng mặt trời biến đổi trong khoảng 12,5 đến 21 MJ/m2.ngày. Số giờ nắng
trung bình cả năm trong khoảng 1800 đến 2100 giờ. Như vậy, các tỉnh thành ở miền Bắc
nước ta đều có thể sử dụng hiệu quả.
Còn ở miền Nam, từ Đà Nẵng trở vào, năng lượng mặt trời rất tốt và phân bố tương
đối điều hòa trong suốt cả năm. Trừ những ngày có mưa rào, có thể nói trên 90% số
ngày trong năm đều có thể sử dụng năng lượng mặt trời cho sinh hoạt. Số giờ nắng trung
bình cả năm trong khoảng 2000 đến 2600 giờ. Đây là khu vực ứng dụng năng lượng mặt
trời rất hiệu quả.
1.3. Ưu – Nhược điểm trong việc sử dụng NLMT
1.3.1. Ưu điểm:
Giúp bạn 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 của bạn sử dụng điện.
11
Đề tài: : Nghiên cứu, ứng dụng NLMT vào thiết kế và chế tạo máy bơm lốp xe
-
Ưu đãi tài chính có hình thức chính phủ sẽ giảm chi phí của bạn.
-
Nếu hệ thống pin mặt trời sản xuất năng lượng nhiều hơn bạn sử dụng, chính phủ
của bạn có thể mua điện từ bạn.
-
Nó sẽ giúp bạn tiết kiệm tiền trên hóa đơn điện của bạn hàng tháng.
Năng lượng mặt trời không đòi hỏi bất cứ nhiên liệu.
-
Nó không bị ảnh hưởng bởi việc cung cấp và nhu cầu nhiên liệu và do đó không
phải chịu mức giá ngày càng tăng của xăng dầu.
-
Tiết kiệm được ngay lập tức và trong nhiều năm tới.
Việc sử dụng năng lượng mặt trời gián tiếp làm giảm chi phí y tế.
-
Thân thiện với môi trường:
-
Năng lượng mặt trời sạch, tái tạo (không giống như dầu, khí đốt và than đá) và
bền vững, góp phần bảo vệ môi trường của chúng tôi.
-
Nó không gây ô nhiễm không khí do khí carbon dioxide phát hành, oxit nitơ, khí
lưu huỳnh hoặc thủy ngân vào khí quyển giống như nhiều hình thức truyền thống
của các thế hệ điện không.
-
Vì vậy năng lượng mặt trời không đóng góp cho sự nóng lên toàn cầu, mưa axit
hoặc sương mù.
Nó tích cực góp phần vào việc giảm phát thải khí nhà kính có hại.
Đó là tạo ra nơi cần thiết.
-
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.
Độc lập, bán độc lập
- 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 hoặc khí ở tất cả. Hệ thống do đó có thể
được cài đặt trong vị trí từ xa (giống như đăng nhập cabins kỳ nghỉ), làm cho nó
thực tế hơn và hiệu quả hơn tiện ích cung cấp điện cho một trang web mới.
Việc sử dụng năng lượng mặt trời làm giảm sự phụ thuộc vào các nguồn nước
ngoài và / hoặc tập trung năng lượng, ảnh hưởng do thiên tai, các sự kiện quốc tế
và vì thế góp phần vào một tương lai bền vững.
12
Đề tài: : Nghiên cứu, ứng dụng NLMT vào thiết kế và chế tạo máy bơm lốp xe
-
Năng lượng mặt trời hỗ trợ việc làm địa phương và tạo ra sự giàu có, thúc đẩy
-
nền kinh tế địa phương.
Các hệ thống năng lượng mặt trời hầu như bảo dưỡng miễn phí và sẽ kéo dài
-
trong nhiều thập kỷ.
Sau khi cài đặt, không có chi phí định kỳ.
-
Họ 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 kỳ nhiên liệu.
-
Thêm tấm pin mặt trời có thể dễ dàng được thêm vào trong tương lai khi nhu cầu
của gia đình bạn phát triển.
1.3.2. Khó khăn năng lượng mặt trời (nhược điểm)
- Các chi phí ban đầu là bất lợi chính của việc cài 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.
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 khá một vùng rộng lớn để cài đặt để đạt được
một mức độ tốt hiệu quả.
Hiệu quả của hệ thống cũng phụ thuộc vào vị trí của mặt trời, mặc dù vấn đề này
có thể được khắc phục với việc cài đặt các thành phần nhất định.
-
Việc sản xuất năng lượng mặt trời bị ảnh hưởng bởi sự hiện diện của các đám
mây, gây ô nhiễm trong không khí.
13
Đề tài: : Nghiên cứu, ứng dụng NLMT vào thiết kế và chế tạo máy bơm lốp xe
CHƯƠNG 2
TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI
2.1. Cấu tạo
Hình 2.1. Một tế bào quang điện
Pin mặt trời còn gọi là pin quang điện là thiết bị ứng dụng hiệu ứng quang điện
trong bán dẫn (thường gọi là hiệu ứng quang điện trong – quang dẫn) để tạo ra dòng
điện một chiều từ ánh sáng mặt trời. Loại pin mặt trời thông dụng nhất hiện nay là loại
sử dụng Silic tinh thể. Tinh thể Silic tinh khiết là chất bán dẫn điện rất kém vì các điện
tử bị giam giữ bởi liên kết mạng, không có điện tử tự do. Khi bị ánh sáng hay nhiệt độ
kích thích, các điện tử bị bứt ra khỏi liên kết, hay là các điện tử tích điện âm nhảy từ
vùng hoá trị lên vùng dẫn và để lại một lỗ trống tích điện dương trong vùng hoá trị. Lúc
này chất bán dẫn mới dẫn điện.
Về bản chất pin quang điện là một điốt bán dẫn bao gồm hai tấm bán dẫn loại P và
loại N đặt sát cạnh nhau, khác ở chỗ pin quang điện có diện tích bề mặt rộng và có lớp
N cực mỏng để ánh sáng có thể truyền qua. Trên bề mặt của pin quang điện có một lớp
chống phản xạ vì khi chiếu ánh sáng vào pin quang điện, sẽ có một phần ánh sáng bị
hấp thụ khi truyền qua lớp N và một phần ánh sáng sẽ bị phản xạ ngược lại còn một
phần ánh sáng sẽ đến được lớp chuyển tiếp, nơi có các cặp electron và lỗ trống nằm
trong điện trường của bề mặt giới hạn. Với các bước sóng thích hợp sẽ truyền cho
electron một năng lượng đủ lớn để thoát khỏi liên kết. Khi thoát khỏi liên kết, dưới tác
dụng của điện trường, electron sẽ bị kéo về phía bán dẫn loại N, còn lỗ trống bị kéo về
phía bán dẫn loại P. Khi đó nếu nối hai cực vào hai phần bán dẫn loại N và P sẽ đo được
một hiệu điện thế. Giá trị của hiệu điện thế này phụ thuộc vào bản chất của chất làm
bándẫn và tạp chất được hấp phụ (Đặng Đình Thống (2005), “Pin Mặt Trời và Ứng
dụng”).
14
Đề tài: : Nghiên cứu, ứng dụng NLMT vào thiết kế và chế tạo máy bơm lốp xe
Hình 2.2. Cấu tạo của một tế bào pin quang điện
2.2. Phân loại
Đơn tinh thể (Monocrystalline)
Pin mặt trời Monocrystalline, được cấu tạo từ các silic đơn tinh thể các pin năng
lượng mặt trời được thiết kế như những modul thành phần, được ghép lại với nhau, hấp
thu năng lượng tốt hơn tấm pin poly, chỉ cần ánh sáng khuếch tán thì có khả năng phát
ra dòng điện.
Hình 2.3. Pin mặt trời Monocrystalline
15
Đề tài: : Nghiên cứu, ứng dụng NLMT vào thiết kế và chế tạo máy bơm lốp xe
Đa tinh thể (Polycrystalline)
Pin mặt trời Polycrystalline, được cấu tạo từ các silic đa tinh thể về cấu tạo gần như
pin mono, chỉ có sự khác biệt về các thành phần cấu tạo và cách sếp các seo pin lại với
nhau. Khả năng hấp thu năng lượng không tốt bằng pin mono, cần ánh sáng mặt trời
chiếu trực tiếp.
Hình 2.4. Pin mặt trời Polycrystalline
2.3. Nguyên lí hoạt động Pin mặt trời
Pin năng lượng mặt trời (pin mặt trời/pin quang điện) 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 (Đặng Đình Thống (2005), “Pin Mặt Trời và
Ứng dụng”).
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.
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.
16
Đề tài: : Nghiên cứu, ứng dụng NLMT vào thiết kế và chế tạo máy bơm lốp xe
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.
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 cho máy tính, vệ tinh và tất cả các thiết bị ở giữa.
Hình 2.5. Nguyên lí hoạt động của Pin mặt trời
2.4. Đặc tính làm việc của Pin mặt trời
Đặc tính làm việc của pin mặt trời thể hiện qua hai thông số là điện áp hở mạch lớn
nhất VOC lúc dòng ra bằng 0 và Dòng điện ngắn mạch ISC khi điện áp ra bằng 0. Công
suất của pin được tính theo công thức:
P = I.U
(2-1)
17
Đề tài: : Nghiên cứu, ứng dụng NLMT vào thiết kế và chế tạo máy bơm lốp xe
Tại điểm làm việc 𝑈 =
𝑈𝑐
𝐼
𝑃
= 0 và U = = ISC , Công suất làm việc của pin cũng có giá
𝐼
trị bằng 0.
IPV
uMPP, iMPP
ISC
UPV
UOC
Hình 2.6. Đường đặc tính làm việc U – I của pin mặt trời
+
-
Hình 2.7. Sơ đồ tương đương của Pin mặt trời
Từ sơ đồ tương đương, ta có phương trình đặc trưng sáng Volt – Ampe của pin như sau:
Trong đó:
I = Isc − I01 (e
q(V+IRs)
kT
− 1) −
(V+IRs)
Rsh
(2-2)
Isc là dòng quang điện (dòng ngắn mạch khi không có Rs và Rsh) (A/m2)
I01 là dòng bão hòa (A/m2)
q: là điện tích của điện tử (C) = 1,6.10-19
k là hệ số Boltzman = 1,38.10-23(J/k)
T là nhiệt độ (K)
I, V, Rs, Rsh lần lượt là dòng điện ra, điện áp ra, điện trở Rs và Rsh của pin trong
mạch tương đương ở hình 2.7.
18
Đề tài: : Nghiên cứu, ứng dụng NLMT vào thiết kế và chế tạo máy bơm lốp xe
* Nhận xét:
- Dòng ngắn mạch Isc tỉ lệ thuận với cường độ bức xạ chiếu sáng. Nên đường đặc tính V
– I của pin mặt trời cũng phụ thuộc vào cường độ bức xạ chiếu sáng. Ở mỗi tầng bức xạ
chỉ thu được duy nhất một điểm làm việc V = VMPP có công suất lớn nhất thể hiện trên
hình vẽ sau. Điểm làm việc có công suất lớn nhất được thể hiện là điểm chấm đen to
trên hình vẽ. (đỉnh của đường cong đặc tính)
Hình 2.8. Sự phụ thuộc của đặc trưng VA của pin mặt trời vào cường độ bức xạ
Mặt trời.
- Điện áp hở mạch Voc phụ thuộc trực tiếp vào nhiệt độ nên đường đặc tính VA
của pin mặt trời cũng phụ thuộc vào nhiệt độ của pin.
Hình 2.9. Sự phụ thuộc của đường đặc tính của pin mặt trời vào nhiệt độ của pin
-
Để toàn bộ hệ PV có thể hoạt động được một cách hiệu quả thì đường đặc tính
của tải cũng phải phù hợp với điểm MPP.
19
Đề tài: : Nghiên cứu, ứng dụng NLMT vào thiết kế và chế tạo máy bơm lốp xe
Hình 2.10. Đường đặc tính tải và đặc tính của pin mặt trời
Trên hình 2.10 đường OA và OB là những đường đặc tính tải. Nếu tải được mắc
trực tiếp với dãy pin mặt trời thì tải có đường đặc tính là OA. Khi đó, pin làm việc ở
điểm A1 và phát công suất P1. Công suất lớn nhất do phơi nắng thu được là P2. Để có
thể thu được công suất P2, cần có một bộ điều chỉnh công suất để liên kết giữa dãy pin
mặt trời và tải.
2.5. Tấm năng lượng mặt trời và cách ghép
Như ta đã biết các module pin mặt trời đều có công suất và hiệu điện thế xác định
từ nhà sản xuất. Để tạo ra công suất và điện thế theo yêu cầu thì phải ghép nối nhiều tấm
module đó lại với nhau. Có hai cách ghép cơ bản:
- Ghép nối tiếp các tấm module lại sẽ cho điện áp ra lớn hơn.
- Ghép song song các tấm module lại sẽ cho dòng điện ra lớn.
Trong thực tế phương pháp ghép hỗn hợp được sử dụng nhiều hơn để đáp ứng cả yêu
cầu về điện áp và dòng điện.
2.5.1. Phương pháp ghép nối tiếp các tấm Module mặt trời
(a)
(b)
Hình 2.11. Ghép nối tiếp hai module pin mặt trời (a)
và đường đặc trưng VA của các module và của cả hệ (b)
20
