THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG TƯỚI NHỎ GIỌT TỰ ĐỘNG 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 (5.12 MB, 87 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG TƯỚI NHỎ GIỌT TỰ
ĐỘNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI.
Họ vầ tên sinh viên:
NGUYỄN CÔNG HOÀNG
MSSV: 08153038
ĐẶNG BẢO DUY
MSSV: 08153037
Ngành: CƠ ĐIỆN TỬ
Niên khóa: 2008-2012
Tp. Hồ Chí Minh, Tháng 6/2012
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG TƯỚI NHỎ GIỌT TỰ
ĐỘNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI.
Tác giả
1.
NGUYỄN CÔNG HOÀNG
MSSV: 08153038
2.
ĐẶNG BẢO DUY
MSSV: 08153037
Khóa luận được trình đề để đáp ứng yêu cầu cấp bằng Kỹ sư chuyên ngành
Cơ Điện Tử
Giáo viên hướng dẫn :
Thạc sĩ NGUYỄN TẤN PHÚC
Tháng 6 năm 2012
i
LỜI CẢM ƠN
Chúng em xin được gửi lời cám ơn chân thành đến
Ban Giám Hiệu và các thầy cô trong trường trường Đại Học Nông Lâm TPHCM
Đặc biệt là các thầy cô trong khoa Cơ khí – Công nghệ, chuyên ngành Cơ - Điện tử,
đã tận tình chỉ dạy, truyền đạt kiến thức cũng như tạo điều kiện thuận lợi cho chúng
em trong suốt quá trình học tập vừa qua.
Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Tấn Phúc đã dành nhiều thời gian
công sức, quan tâm theo dõi, tận tình hướng dẫn, động viên và nhắc nhở chúng em
hoàn thành tốt luận văn này.
Qua đây, chúng em cũng xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các bạn bè và người thân
xung quanh đã động viên, giúp đỡ chúng em rất nhiều trong quá trình học tập.
TP.HCM, tháng 6 / 2012
Nhóm sinh viên gồm:
NGUYỄN CÔNG HOÀNG
ĐẶNG BẢO DUY
ii
TÓM TẮT
Đề tài “THIẾT KẾ , CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG TƯỚI NHỎ GIỌT TỰ
ĐỘNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI” là đề tài nghiên cứu cách sử dụng
năng lượng mặt trời để điều khiển hệ thống tười nhỏ giọt phục vụ trong nông nghiệp.
Đề tài có tính khả thi cao, ứng dụng công nghệ xanh vào phục vụ sản xuất, tiết kiệm
được năng lượng, tiết kiệm nước, sử dụng nguồn năng lượng phù hợp với điều kiện khí
hậu nhiệt đới nước ta.
Thời gian nhận đề tài là ngày 10 tháng 2 năm 2012, ngày hoàn thành là ngày 30
tháng 5 năm 2012. Đề tài được thực hiện tại nhà riêng của bạn Duy và phòng trọ của
bạn Hoàng.
Nội dung sơ lược của đề tài như sau: Đề tài ứng dụng nguồn năng lượng mặt
trời thông qua việc sử dụng tấm pin mặt trời biến ánh sáng mặt trời thành điện năng
điều khiển hệ thống tưới nhỏ giọt. Hệ thống tưới nhỏ giọt gồm 2 phần chính: phần cơ
khí và phần điện tử. Đặc biệt tập trung chủ yếu ở phần điện tử bao gồm: một tấm pin
mặt trời, một bộ solar controller, một acquy, mạch hẹn giờ điều khiển 3 van điện từ 2/2
(1 van chính, 2 van phụ ), một mạch nhiệt độ và một mạch ẩm độ. Điện năng từ pin
mặt trời qua bộ solar controller nạp vào acquy, acquy sẽ cung cấp cho hệ thống.
Với nội dung như trên thì chúng em đã tiến hành thực hiện theo trình tự sau :
Tìm hiểu hiểu hệ thống tưới nhỏ giọt
Thiết kế mô hình hệ thống tưới nhỏ giọt với 1 bình chứa , 3 van điều
khiển ON,OFF..
Xây dựng và mô phỏng mô hình bằng pro-E.
Tìm hiểu về nguồn năng lượng mặt trời và pin năng lượng mặt trời.
Xây dựng bảng thông tin dùng vi điều khiển hiển thị led 7 đoạn các thông
số lưu lượng tưới qua van chính, nhiệt độ, độ ẩm không khí xung quanh .
iii
Hệ thống nút button để nhập các thông số cài đặt chu kỳ tưới của hệ
thống, hệ thống điều khiển xuống các van điện.
Kết quả nhóm em thu được là 1 mô hình thu nhỏ của hệ thống tưới nhỏ giọt tự
động sử dụng nguồn năng lượng mặt trời. Có bảng led hiện thị thông tin về lưu lượng
tướicủa van chính, nhiệt độ, độ ẩm của môi trường xung quanh, hiện thị thời gian
tưới(ở mô hình này tính theo giây(s) để dễ kiểm tra).
Nội dung luận văn gồm 4 chương:
Chương 1: MỞ ĐẦU
Chương 2: TỔNG QUAN
Chương 3: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Chương 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Chương 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ
Trong đề tài này chúng em đã cố gắng đưa vào nội dung những phần lý thuyết
quan trọng về hệ thống pin mặt trời.
Phần mạch điện chưa thật sự hoàn thiện nhưng những ai quan tâm đến vi điều
khiển PIC có thể lấy đây làm ví dụ để tham khảo.
Mặc dù là kết quả tâm huyết của gần 3 tháng làm việc nhưng cũng không tránh
được những sai sót, xin quý thầy cô và các bạn đóng góp ý kiến.
iv
MỤC LỤC
Trang
Trang tựa………………………………………………………………………………...i
Lời cảm ơn……………………………………………………………………………...ii
Tóm tắt…………………………………………………………………………………iii
Mục lục………………………………………………………………………………….v
Danh sách các bảng và các hình……………………………………………………...viii
CHƯƠNG 1 : MỞ ĐẦU……………………………………………………………….1
1.1
Sơ lược về đề tài……………………………………………………………….1
1.2
Mục tiêu nhiệm vụ đề tài………………………………………………………1
CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN………………………………………………………….2
I.
Giới thiệu về năng lượng mặt trời và pin năng lượng mặt trời………………..2
1.
Tổng quan về nguồn năng lượng trên thế giới……………………………..2
2.
Nguồn năng lượng mặt trời………………………………………………..3
3.
Ứng dụng của năng lượng mặt trời………………………………………..4
4.
Pin năng lượng mặt trời…………………………………………………..5
4.1
Cấu tạo……………………………………………………………………6
4.2
Nguyên lý hoạt động……………………………………………………..8
4.3
Hệ thống pin năng lượng mặt trời………………………………………12
4.3.1
Thiết kế 1 hệ thống pin mặt trời………………………………………...12
4.3.1.1
Sơ đồ khối……………………………………………………………….12
4.3.1.2
Tính toán nguồn điện pin mặt trời………………………………………12
4.3.1.2.1
Tính phụ tải điện theo yêu cầu………………………………………….12
4.3.1.2.2
Tính năng lượng mặt trời cần thiết Ec…………………………………..13
4.3.1.2.3
Công suất dàn pin năng lượng mặt trời………………………………….13
4.3.1.2.4
Tính dung lượng bộ acquy………………………………………………13
v
4.3.1.3
Các bộ điều phối năng lượng……………………………………………14
4.4
Ứng dụng pin mặt trời…………………………………………………..15
II.
Sơ lược về hệ thống tưới nhỏ giọt hiện nay………………………………….16
1.
Tổng quan về tưới nhỏ giọt…………………………………………………..16
2.
Lợi ích của việc tưới nhỏ giọt………………………………………………..18
3.
Hệ thống tưới nhỏ giọt kiểu Israel…………………...………………………18
4.
Áp dụng vào Việt Nam……………...……………………………………….20
III.
Phần các linh kiện điện tử………………..…………………………………..21
1.
Nguyên lý và cấu tạo của van điện từ (van 2/2)……………….……………..21
1.1.
Cấu tạo………………………………………………………...……………..21
1.2.
Nguyên lý hoạt động…………………………...…………………………….21
1.3.
Thông số kỹ thuật……………………………………………………………22
2.
Khái quát về vi điều khiển Pic 16F877a…………………..………………...22
2.1.
Các đặc tính nổi bật………………………………………………………….22
2.2.
Sơ đồ chân và chức năng các chân………………………………………......24
2.3.
Tổ chức bộ nhớ……………………………………………………………...29
2.3.1
Bộ nhớ chương trình………………………………………………………...29
2.3.2
Bộ nhớ dữ liệu……………………………………………………………….30
2.4.
Các thanh ghi đặc biệt……………………………………………………….31
3.
Sơ lược về cảm biến nhiệt độ LM35………………………………………...34
3.1.
Cấu tạo………………………………………………………………………34
3.2.
Nguyên lý hoạt động………………………………………………………...35
4.
Cấu tạo và đặc tính của cảm biến độ ẩm HS1101…………………………...36
5.
Cấu tạo và đặc tính của IC 555……………………………………………...37
6.
Nguyên lý hoạt động của mạch đo độ ẩm…………………………………...40
7.
Sơ lược về led 7 đoạn………………………………………………………..41
7.1.
Quét led 7 đoạn……………………………………………………………...42
8.
Sơ lược về IC dịch 74HC245………………………………………………..45
vi
CHƯƠNG 3 : NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU………………..44
1.
Nội dung………………………………………………………………………44
2.
Phương pháp nghiên cứu……………………………………………………...44
CHƯƠNG 4 : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN……………………………………….46
I.
Kết quả thiết kế và thi công đề tài………………..…………………………..46
1.
Kết quả thiết kế phần cơ khí………………...………………………………..46
2.
Các mạch điện tử……………………………………………………………...49
2.1.
Kết quả thi công mạch đo nhiệt độ môi trường xung quanh sử dụng LM35 tích
hợp với mạch hẹn giờ hiện thị ra led 7 đoạn…………………………………………..49
2.1.1. Mạch hẹn giờ……………………………………………………………….…49
2.1.1.1 Phần hiển thị………..……………………………………………………….49
2.1.1.2. Phần hiệu chỉnh……………………………………………….…………….50
2.1.2.
Thiết lập modun bằng led 7 đoạn…………………………………….……..50
2.1.3.
Kết quả phần mô phỏng và thi công mạch thực tế………...………...……..52
2.1.3.1. Mạch mô phỏng……………………………………………………………52
2.1.3.2. Mạch nguyên lý và mạch thưc tế…………………………………………..52
2.2
Kết quả mạch đo độ ẩm môi trường xung quang sử dụng cảm biến HS1101
hiện thị ra led 7 đoạn…………………………………………………………………..54
2.2.1.
Kết quả phần mô phỏng và thi công mạch thực tế…...…………………….54
2.2.1.1. Mạch mô phỏng……………………………………………………………54
2.2.1.2. Mạch nguyên lý và mạch thực tế…………………………………………..55
II.
Kết quả khảo nghiệm lưu lượng nước…………….………………………..56
CHƯƠNG 5 : KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ………………………………………….63
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................65
PHỤ LỤC……………………………………………………………………………..66
vii
DANH SÁCH BẢNG VÀ CÁC HÌNH ẢNH
Bảng 2.1 : So sánh IC 8051 với Pic 16F877a
Bảng 2.2 :Chức năng các chân của Pic 16F877a.
Bảng 2.3 : Bảng quy đổi tần số ứng với mỗi giá trị tần số tương đối.
Bảng 3.1 : Bảng kết quả khảo nghiệm tấm pin mặt trời ngày 30/5/2012.
Bảng 4.1 : Bảng mã hex cho led 7 đoạn anode chung.
Bảng 4.2 : Bảng số liệu sự thay đổi của h(t).
Bảng 4.3 : Kết quả lượng nước giảm khi xả van trong vòng 40s.
Hình 2.1 :Biểu đồ thống kê nguồn năng lượng sử dụng trên toàn thế giới năm 2008
Hình 2.2 :Mặt trời
Hình 2.3 : Nhà máy điện mặt trời
Hình 2.4 : Các tuốc bin gió phát điện nhờ sức gió và thủy triều, tận thu một cách gián
tiếp năng lượng Mặt Trời.
Hình 2.5 : Một tấm pin mặt trời
Hình 2.6 : Cấu tạo tấm pin mặt trời
Hình 2.7 : Các loại cấu trúc tinh thể của pin mặt trời
Hình 2.8 : Một số loại panel pin mặt trời
Hình 2.9 : Nguyên lý hoạt động pin mặt trời.
Hình 2.10 : Hệ mức năng lượng (E2>E1)
Hình 2.11 : Các vùng năng lượng.
Hình 2.12 : Hiện tượng quang điện bên trong.
Hình 2.13 : Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời.
Hình 2.14 : Sơ đồ khối hệ thống pin mặt trời.
Hình 2.15 : Acquy khô kín hiệu K&V
Hình 2.16 : Bộ điều khiển quá trình nạp acquy Việt Linh
viii
Hình 2.17 : Inverter của Việt Linh
Hình 2.18 : Trạm vũ trụ ISS
Hình 2.19 : Mặt trời được ứng dụng tại các hộ gia đình và trong nông nghiệp
Hình 2.20 : Một cuộc thi thiết kế xe chạy bằng năng lượng mặt trời cho sinh viên.
Hình 2.21 : Vùng rễ tích cực tập trung.
Hình 2.22 : Lợi ích của vùng khô.
Hình 2.23 : Lợi ích của vùng ướt.
Hình 2.24 : Vùng ướt thieo từng loại đất.
Hình 2.25 :Thành phần trong đất
Hình 2.26: Công nghệ hiện đại được Israel ứng dụng nhiều trong nông nghiệp.
Hình 2.27 : Các ống nhỏ như mao mạch dẫn tới từng gốc cây.
Hình 2.28 : Trong một nhà kính trồng cà chua ở Israel.
Hình 2.29 : Tưới nước tiết kiệm ở Việt Nam.
Hình 2.30 : Van điện từ 2/2
Hình 2.31 : Sơ đồ cấu tạo van điện từ.
Hình 2.32 : Hình dạng của vi điều khiển Pic 16F877a
Hình 2.33 : 8051
Hình 2.34 : 16F877a
Hình 2.35 : Sơ đồ chân của Pic 16F877a
Hình 2.36 : Sơ đồ nguyên lý của Pic 16F877a
Hình 2.37 : Bộ nhớ chương trình của pic 16F877a
Hình 2.38 : Bộ nhớ dữ liệu của pic 16F877a.
Hình 2.39 : Thanh ghi STATUS
Hình 2.40 : Thanh ghi OPTION_REG
Hình 2.41 : Thanh ghi tùy chọn
Hình 2.42 : Thanh ghi điều khiển ngắt INTCON.
Hình 2.43 : Cấu tạo bên ngoài LM35
Hình 2.44 : Cấu tạo bên trong LM35
Hình 2.45 : (a) biến dung, (b) hình dạng bên ngoài cảm biến, (c) đường cong đặc tính
Hình 2.46 : IC 555
Hình 2.47 : Sơ đồ nguyên lý IC 555
Hình 2.48 : Cấu trúc bên trong IC 555
ix
Hình 2.49 : Mạch nguyên lý IC555.
Hình 2.50 : Cấu tạo chung của 2 loại led 7 đoạn.
Hình 2.51: Sơ đồ khối của IC 74HC245
Hình 4.1 : Mô hình cơ khí được thiết kế và mô phỏng bằng Pro/E.
Hình 4.2 : Khung của mô hình.
Hình 4.3 : Sơ đồ van điện từ trong hệ thống.
Hình 4.4 : Đầu nhỏ giọt trong mô hình.
Hình 4.5 : Mô hình khi hoàn thiện.
Hình 4.6 : Lưu đồ giải thuật hẹn giờ.
Hình 4.7: Modun 8 led 7 đoạn anode chung mô phỏng bằng Protues
Hình 4.8 : Mạch đo nhiệt độ tích hợp với mạch hẹn thời gian.
Hình 4.9 : Khối nguồn 5Vdc.
Hình 4.10 : Khối IC dịch 74HC245.
Hình 4.11 :Mạch nguyên lý của mạch đo nhiệt độ tích hợp hẹn thời gian
Hình 4.12 :Mạch thục tế của mạch đo nhiệt độ tích hợp hẹn thời gian
Hình 4.13 : Mạch mô phỏng đo độ ẩm.
Hình 4.14 : Mạch nguyên lý của mạch đo độ ẩm.
Hình 4.15 : Mạch thực tế của mạch đo độ ẩm.
Hình 4.16 : Mô phỏng lưu lượng hệ thống.
Hình 4.17 :Mực nước ban đầu trong bình. (chiều cao h = 35cm)
Hình 4.18 : Mực nước sau khi xả 5s còn 30cm.
Hình 4.19 : Mực nước sau khi xả 10s còn 25cm.
Hình 4.20: Mực nước sau khi xả 15s còn 20,7cm
Hình 4.21: Mực nước sau khi xả 20s còn 16,6cm.
Hình 4.22: Mực nước sau khi xả 25s còn 13,3cm.
Hình 4.23: Mực nước sau khi xả 30s còn 10,4cm.
Hình 4.24: Mực nước sau khi xả 35s còn 7,7cm.
x
Hình 4.25: Mực nước sau khi xả 40s còn 5,5cm.
Hình 4.26 : Biểu đồ mực nước theo thời gian xả.
Hình 4.27 : Biểu đồ qout theo từng khoảng thời gian xả.
xi
Chương 1
MỞ ĐẦU
1. Sơ lược về đề tài.
Các nguổn năng lượng sử dụng hiện nay đang dần cạn kiệt, gây ô nhiễm môi
trường và không có khả năng tái tạo lại. Trong khi đó nguồn năng lượng mặt trời vẫn
chưa được sử dụng đúng tiềm năng, không gây ô nhiễm, thân thiện với môi trường.
Đề tài ứng dụng nguồn năng lượng mặt trời thông qua việc sử dụng tấm pin mặt
trời biến ánh sáng mặt trời thành điện năng điều khiển hệ thống tưới nhỏ giọt.
Hệ thống tưới nhỏ giọt gồm 2 phần chính: phần cơ khí và phần điện tử.
Đặc biệt tập trung chủ yếu ở phần điện tử bao gồm: một tấm pin mặt trời, một bộ
solar controller, một acquy, mạch hẹn giờ điều khiển 3 van điện từ 2/2 (1 van chính, 2
van phụ ), một mạch nhiệt độ và một mạch ẩm độ.
Điện năng từ pin mặt trời qua bộ solar controller nạp vào acquy, acquy sẽ cung cấp
cho hệ thống.
2. Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài:
Tìm hiểu hiểu hệ thống tưới nhỏ giọt
Thiết kế mô hình hệ thống tưới nhỏ giọt với 1 bình chứa , 3 van điều
khiển ON,OFF..
Xây dựng và mô phỏng mô hình bằng pro-E.
Tìm hiểu về nguồn năng lượng mặt trời và pin năng lượng mặt trời.
Xây dựng bảng thông tin dùng vi điều khiển hiển thị led 7 đoạn các thông
số lưu lượng tưới qua van chính, nhiệt độ, độ ẩm không khí xung quanh .
Hệ thống nút button để nhập các thông số cài đặt chu kỳ tưới của hệ
thống, hệ thống điều khiển xuống các van điện.
1
Chương 2
TỔNG QUAN
I.
Giới thiệu về năng lượng mặt trời và pin năng lượng mặt trời.
1. Tổng quan nguồn năng lượng thế giới.
Hình 2.1 :Biểu đồ thống kê nguồn năng lượng sử dụng trên toàn thế giới năm 2008
Trong khi các nguồn năng lượng truyền thống như than đá, dầu mỏ, thủy điện
đang dần cạn kiệt, giá thành cao, nguồn cung không ổn định tỷ lệ nghịch với nhu cầu
sử dụng.
Theo dự báo của Cơ quan năng lượng quốc tế, nếu lượng tiêu thụ năng lượng của thế
giới tiếp tục giữ mức như hiện nay, nhu cầu năng lượng sẽ tăng hơn 30% vào năm
2030, riêng về nhu cầu của dầu lửa có thể tăng đến 41%.
2
Trong bối cảnh hiện nay, đảm bảo an ninh năng lượng phục vụ sự phát triển
bền vững, giảm sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng nhập khẩu từ bên ngoài, đặc biệt
là dầu mỏ, trở thanh vấn đề đặc biệt quan tâm ở quốc gia, buộc mọi quốc gia phải phát
triển mạnh ngành năng lượng, điều đó góp phần gây ra hệ quả nghiêm trọng đến môi
trường sinh thái. Việc tiếp cận sử dụng những nguồn năng lượng mới đang được các
nhà khoa học và các nước trên thế giới quan tâm, đặc biệt là nguồn năng lượng mặt
trời.
2. Nguồn năng lượng mặt trời.
Hình 2.2 :Mặt trời
Ánh sáng nói riêng, hay bức xạ điện từ nói chung, từ bề mặt của Mặt Trời được
xem là nguồn năng lượng chính cho Trái Đất. Mặc dù khi đi qua bầu khí quyển bao
quanh Trái đất, bức xạ mặt trời bị phản xạ và bị bầu khí quyển hấp thụ, nhưng vẫn có
khoảng 1,05 x 1018 KWh năng lượng mặt trời tới được bề mặt trái đất trong một năm,
nghĩa là gấp nhiều lần năng lượng mà con người khai thác được trên trái đất. Như vậy
có thể nói năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng vô tận, lại là nguồn năng lượng
sạch, không gây ô nhiễm môi trường.
Trong khi các dạng năng lượng khác như than đá, dầu hoả, khí đốt... vừa gây ô
nhiễm môi trường lại đang ngày càng cạn kiệt nên từ nhiều thập kỷ qua nhiều nước
trên thế giới trong đó có Việt Nam, đã nghiên cứu sử dụng năng lượng mặt trời phục vụ
đời sống con người.
3
Việt Nam là nước nhiệt đới, tiềm năng bức xạ mặt trời vào loại cao trên thế giới,
đặc biệt ở các vùng miền phía Nam có nhiều nắng (số giờ nắng khoảng 1600 - 2600
giờ/năm).
Ngoài ra Việt Nam với 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, với
dải bờ biển dài hơn 3.000km, có hàng nghìn đảo hiện có cư dân sinh sống nhưng nhiều
nơi không thể đưa điện lưới đến được.
Vì vậy, sử dụng năng lượng mặt trời như một nguồn năng lượng tại chỗ để thay
thế cho các dạng năng lượng truyền thống, đáp ứng nhu cầu của các vùng dân cư này là
một kế sách có ý nghĩa về mặt kinh tế, an ninh quốc phòng. Tuy nhiên, việc ứng dụng
năng lượng mặt trời ở Việt Nam cho đến nay chưa phát triển.
3. Ứng dụng của năng lượng mặt trời.
Năng lượng mặt trời chủ yếu đề cập đến việc sử dụng bức xạ năng lượng mặt
trời cho những mục đích thực tế. Có thể trực tiếp thu lấy năng lượng này thông qua
hiệu ứng quang điện, chuyển năng lượng các photon của Mặt Trời thành điện năng,
như trong pin Mặt Trời. Năng lượng của các photon cũng có thể được hấp thụ để làm
nóng các vật thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, sử dụng cho bình đun nước Mặt Trời,
hoặc làm sôi nước trong các máy nhiệt điện của tháp Mặt Trời, hoặc vận động các hệ
thống nhiệt như máy điều hòa Mặt Trời.
Hình 2.3 : Nhà máy điện mặt trời
4
Tuy nhiên, tất cả các các nguồn năng lượng tái tạo khác, như năng lượng địa
nhiệt và thủy triều đều lấy năng lượng từ mặt trời. Năng lượng mặt trời được chia làm
hai loại: chủ động và thụ động phụ thuộc vào cách ta thu nạp, chuyển đổi và phân phối
chúng.
Hình 2.4 : Các tuốc bin gió phát điện nhờ sức gió và thủy triều, tận thu một cách
gián tiếp năng lượng Mặt Trời.
Việt Nam là nước có tiềm năng về năng lượng mặt trời, trải dài từ vĩ độ 8” Bắc
đến 23” Bắc, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao, với trị số
tổng xạ khá lớn từ 100-175 kcal/cm2.năm (4,2 -7,3GJ/m2.năm) do đó việc sử dụng
năng lượng mặt trời ở nước ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế rất lớn.
4. Pin năng lượng mặt trời.
Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện), là thiết bị bán
dẫn chứa lượng lớn các diod p-n, duới sự hiện diện của ánh sáng mặt trời có khả năng
tạo ra dòng điện sử dụng được. Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện.
Các pin năng lượng mặt trời có nhiều ứng dụng. Chúng đặc biệt thích hợp cho
các vùng mà điện năng trong mạng lưới chưa vươn tới, các vệ tinh quay xung quanh
quỹ đạo trái đất, máy tính cầm tay, các máy từ xa, thiết bị bơm nước...
Pin năng lượng mặt trời (tạo thành các module hay các tấm năng lượng mặt trời)
xuất hiện trên nóc các tòa nhà nơi chúng có thể kết nối với bộ chuyển đổi của mạng
lưới điện.
5
Hình 2.5 : Một tấm pin mặt trời
Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý người
Pháp Alexandre Edmond Becquerel. Tuy nhiên cho đến 1883 một pin năng lượng mới
được tạo thành, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng
vàng để tạo nên mạch nối, thiết bị chỉ có hiệu suất 1%. Russell Ohl được xem là người
tạo ra pin năng lượng mặt trời đầu tiên năm 1946.
Pin mặt trời lần đầu tiên được ứng dụng là trên vệ tinh Vangaurd 1 của Mĩ,
được phóng năm 1958. Ngày nay pin mặt trời được sản xuất trên toàn thế giới đặt biệt
là ở các nước tiên tiến như Mĩ, Đức, Tây Ban Nha…
4.1. Cấu tạo.
Cấu tạo của pin mặt trời là một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biến đổi
trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên
trong.
Hình 2.6 : Cấu tạo tấm pin mặt trời
6
Cho tới hiện tại thì vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời (và cho các thiết bị bán
dẫn) là các silic tinh thể. Pin mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại:
Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình
Czochralski. Pin mặt trời dơn tinh thể có thể đạt hiệu suất từ 11% - 16% . Chúng
thường rất mắc tiền do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các
mặt trống ở góc nối các module.
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, từ 8% - 11%. 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.
Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa
tinh thể. Loại này có hiệu suất thấp nhất, từ 3% - 6%, tuy nhiên loại này rẻ nhất
trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon.
Hình 2.7 : Các loại cấu trúc tinh thể của pin mặt trời
Khi để trực tiếp dưới ánh sáng mặt trời, một pin silic có đường kính 6 cm có thể
sản xuất dòng điện khoảng 0,5 ampe ở 0,5 volt.
Các tấm tinh thể mỏng hình đĩa, được đánh bóng để loại bỏ các khuyết tật trong
quá trình cắt, chất kích thích được dùng cho các pin, và các tấm kim loại dẫn truyền đặt
vào một mặt: một lưới mỏng trên bề mặt chiếu ánh sáng mặt trời, và mặt phẳng trên
mặt còn lại.
Tấm năng lượng mặt trời tạo thành từ các pin như vậy cắt theo hình dạng thích
hợp, được bảo vệ khỏi tia bức xạ và hư hại trên mặt trước bằng các miếng gương, dán
vào chất nền. Sự liền mạch được tạo nên thành các dãy song song để quyết định năng
7
lượng tạo ra.
Chất keo và chất nền phải có tính dẫn nhiệt, vì khi các pin được làm nóng khi
hấp thụ năng lượng hồng ngoại, vốn không thể chuyển hóa thành năng lượng. Một khi
các pin bị làm nóng thì giảm hiệu suất hoạt động vì thế nên phải làm giảm thiểu nhiệt
năng.
Hình 2.8:Một số loại panel pin mặt trời
4.2. Nguyên lý hoạt động.
Pin năng lượng mặt trời hoạt động theo nguyên lý biến đổi trực tiếp năng lượng
bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện.
Hình 2.9 : Nguyên lý hoạt động pin mặt trời.
8
Hình 2.10 : Hệ mức năng lượng (E2>E1)
Bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E1 .Khi chiếu sáng hệ
thống, lượng tử ánh sáng (photon) mang năng lượng hv (h là hằng số Plank và v là tần
số ánh sáng) bị điện tử hấp thụ và chuyển lên mức E2.
Phương trình cân bằng năng lượng:
hV = E2-E1 (2.1)
Trong các vật rắn ,do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vành
ngoài, nên các năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng con rất sát nhau và
tạo thành vùng năng lượng. Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi ở trạng
thái cân bằng gọi là vùng hoá trị mà bên trên của nó có năng lượng EV. Vùng năng
lượng phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn,
bên dưới của vùng có năng lượng là EC, cách ly giữa vùng hóa trị và vùng dẫn đó gọi là
một vùng cấm có độ rộng năng lượng là Eg, trong đó không có mức năng lượng cho
phép nào của điện tử.
Khi ánh sáng chiếu đến vật rắn có vùng năng lượng nói trên, photon có năng
lượng hv tới hệ thống , bị điện tử của vùng hoá trị hấp thụ và nó có thể chuyển lên
-
vùng dẫn để trở thành điện tử tự do e ,lúc này vùng hoá trị sẽ có một lỗ trống có thể di
chuyển như “hạt“ mang điện tích dương nguyên tố (kí hiệu h+). Lỗ trống này có thể di
chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện.
Hình 2.11 : Các vùng năng lượng.
Phương trình hiệu ứng lượng tử:
eV+hv→ e- + h+
9
(2.2)
Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lượng của photon và chuyển từ vùng
hoá trị lên vùng dẫn, tạo ra căp điện tử –lỗ trống là:
hv > Eg = EC - EV (2.3)
-
+
Suy ra bước sóng tới hạn λC của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e - h là:
λC = hc/( EC – EV) (2.4)
Vậy khi chiếu sáng vào vật rắn, điện tử ở vùng hoá trị hấp thụ năng lượng
-
+
photon hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử – lỗ trống e - h , tức là tạo
ra một điện thế. Hiện tượng đó gọi là hiện tượng quang điện bên trong.
Hình 2.12 : Hiện tượng quang điện bên trong.
Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời chính là hiện tượng quang điện xảy ra trên
lớp tiếp xúc p-n.
Khi một photon chạm vào mảnh silic, một trong hai điều sau sẽ xảy ra:
Photon truyền trực xuyên qua mảnh silic. Điều này thường xảy ra khi năng
lượng của photon thấp hơn năng lượng đủ để đưa các hạt electron lên mức năng
lượng cao hơn.
Năng lượng của photon được hấp thụ bởi silic. Điều này thường xảy ra khi năng
lượng của photon lớn hơn năng lượng để đưa electron lên mức năng lượng cao
hơn.
Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các hạt electron trong
màng tinh thể. Thông thường các electron này lớp ngoài cùng, và thường được kết dính
với các nguyên tử lân cận vì thế không thể di chuyển xa.
10
Khi electron được kích thích, trở thành dẫn điện, các electron này có thể tự do di
chuyển trong bán dẫn. Khi đó nguyên tử sẽ thiếu 1 electron và đó gọi là lỗ trống. Lỗ
trống này tạo điều kiện cho các electron của nguyên tử bên cạnh di chuyển đến điền
vào lỗ trống, và điều này tạo ra lỗ trống cho nguyên tử lân cận có "lỗ trống". Cứ tiếp
tục như vậy lỗ trống di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn.
Một photon chỉ cần có năng lượng lớn hơn năng luợng đủ để kích thích electron
lớp ngoài cùng dẫn điện. Tuy nhiên, tần số của mặt trời thường tương đương 6000°K,
vì thế nên phần lớn năng lượng mặt trời đều được hấp thụ bởi silic. Tuy nhiên hầu hết
năng lượng mặt trời chuyển đổi thành năng lượng nhiệt nhiều hơn là năng lượng điện
sử dụng được.
Hình 2.13 : Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời.
4.3. Hệ thống pin năng lượng mặt trời.
11
Hệ thống pin mặt trời là một hệ thống bao gồm một số các thành phần như: các tấm
pin mặt trời, các tải tiêu thụ điện, các thiết bị lưu trữ điện năng (acquy) và các thiết bị
điều phối điện năng…
4.3.1.
Thiết kế một hệ thống pin mặt trời.
Thiết kế một hệ thống pin mặt trời là xây dựng một quan hệ tương thích giữa
các thành phần của hệ về mặt định tính và định lượng để đảm bảo hiệu quả cao.
Các bước thiết kế:
4.3.1.1.
Sơ đồ khối.
Từ sự phân tích các yêu cầu và các đặc trưng của các phụ tải điện ta sẽ chọn một
sơ đồ khối thích hợp.
Hình 2.14 : Sơ đồ khối hệ thống pin mặt trời.
4.3.1.2. Tính toán nguồn điện pin mặt trời.
Có nhiều phương pháp tính toán nhưng thông dụng nhất chủ yếu dựa trên sự cân
bằng điện năng trung bình hằng ngày.
4.3.1.2.1.
Tính phụ tải điện theo yêu cầu
Giả sử hệ cần cấp điện cho các tải T1, T2, T3,… có các công suất tiêu thụ tương
ứng P1, P2, P3,… và thời gian làm việc hàng ngày của chúng là t1, t2, t3,…
Tổng điện năng phải cấp hằng ngày cho các tải:
Eng = P1t1+P2t2+P3t3+…=
(2.5)
Từ Eng nếu nhân với số ngày trong tháng hoặc trong năm ta sẽ tính được nhu cầu
12
điện năng trong các tháng hoặc cả năm.
4.3.1.2.2.
Tính năng lượng điện mặt trời cần thiết Ec
Năng lượng hằng ngày dàn pin mặt trời cần phải cấp cho hệ được xác định theo
công thức :
(2.6)
Ec =
Trong đó: η = η1η2η3... =
η1 : hiệu suất thành phần thứ nhất (ví dụ: bộ biến đổi điện)
η2 : hiệu suất thành phần thứ hai (ví dụ: bộ điều khiển)
η3 : hiệu suất nạp phóng điện acquy.
4.3.1.2.3.
Công suất dàn pin mặt trời
Công suất của dàn pin mặt trời thường được tính ra công suất đỉnh hay cực đại
(Peak Watt, Wp), là công suất của dàn pin trong điều kiện chuẩn.
(2.7)
Trong đó :
Eβ cường độ bức xạ trên mặt phẳng đặt nghiêng một góc β so với mặt phẳng ngang.
η (T) là hiệu suất của pin ở nhiệt độ T.
4.3.1.2.4.
Tính dung lượng bộ acquy
Dung lượng của bộ acquy được tính theo công thức:
C=
[Ah]
(2.8)
D: số ngày cần dự trữ năng lượng (số ngày không có nắng)
ηb: hiệu suất nạp phóng điện của acquy.
DOS: độ sâu phóng điện thích hợp (khoảng 0,6 0,7).
13
