Năng lượng tái tạo Năng lượng mặt trời

Các hệ thống năng lượng tái tạo
Trần chánh phát
Phan việt tuấn
Tạ công thành


Lời nói đầu
Phụ tải hệ thống chiếu sáng có công suất nhỏ, dòng khởi động cho các phụ tải nhỏ, dễ dàng thay cắt giảm phụ tải nhanh
chóng không quá ảnh hưởng tới hệ thống điện của tòa nhà và hệ thống điện mặt trời. Nên nhóm sẽ thiết kế ứng dụng hệ
thống năng lượng mặt trời vào phụ tải chiếu sáng.
Chương 1: Năng lượng bức xạ mặt trời
Chương 2: Pin mặt trời
Chương 3: Thiết kế hệ thống chiếu sáng bằng năng lượng mặt trời
Chương 4: Kết luận


Chương 1: Năng lượng bức xạ mặt trời
1.1. Bức xạ mặt trời

Cực đại của cường độ bức xạ nằm trong dải 10-1 – 10 µm và hầu như một nửa tổng năng lượng mặt trời tập trung trong
khoảng bước sóng 0,38 – 0,78 µm đó là vùng nhìn thấy của phổ.


Chương 1: Năng lượng bức xạ mặt trời (tt)
1.1. Bức xạ mặt trời (tt)
2
Mật độ dòng bức xạ trực xạ ở ngoài lớp khí quyển, tính đối với 1m bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ, được tính theo
công thức:
 

Chương 1: Năng lượng bức xạ mặt trời (tt)
1.1. Bức xạ mặt trời (tt)
Khi truyền qua lớp khí quyển bao bọc quanh Trái đất, các trùm tia
bức xạ bị hấp thụ và tán xạ bởi tần ôzôn, hơi nước và bụi trong khí
quyển, chỉ một phần năng lượng được truyền trực tiếp đến Trái đất.
Phần năng lượng bức xạ truyền đến Trái đất trong những ngày
quang đãng (không có mây) ở thời điểm cao nhất vào khoảng 1000
2
W/m .


Chương 1: Năng lượng bức xạ mặt trời (tt)
1.2. Tính toán năng lượng mặt trời
 

Cường độ bức xạ mặt trời trên trái đất phụ thuộc 2 yếu tố:
- Góc nghiêng của các tia sáng đối với mặt phẳng bề mặt tại điểm đã cho.
- Độ dài đường đi của các tia sáng trong khí quyển hay nói chung là phụ thuộc vào độ cao của Mặt trời.

Trong đó là bức xạ ngoài khí quyển được đo trên mặt phẳng vuông góc với tia bức xạ vào ngày thứ n trong năm.


Chương 1: Năng lượng bức xạ mặt trời (tt)
1.2.1. Góc tới của tia bức xạ
Cường độ bức xạ mặt trời trên trái đất phụ thuộc vào góc nghiêng của các tia sáng đối với mặt phẳng bề mặt tại điểm đã cho.


Chương 1: Năng lượng bức xạ mặt trời (tt)
1.2.2. Tổng cường độ bức xạ MT lên bề mặt Trái đất
 

Bức xạ mặt trời truyền đến một bề mặt nghiêng là tổng của các bức xạ bào gồm: trực xạ E b, 3 thành phần tán xạ Ed1, Ed2,
Ed3 và bức xạ phản xạ từ các bề mặt khác lân cận E r:


Chương 1: Năng lượng bức xạ mặt trời (tt)
1.2.3. Đo cường độ bức xạ mặt trời
Thiết bị đo bức xạ mặt trời thường có 2 loại: đo trực xạ (pyrheliometer, actinometer) và đo tổng xạ (pyranometer,
Solarimeter).

Nhật xạ kế Pyranometer

Trực xạ kế


Chương 1: Năng lượng bức xạ mặt trời (tt)
1.2.4. Cường độ bức xạ NLMT tại các khu vực VN

Vùng

Giờ  nắng trong năm

Cường độ BXMT

Ứng dụng

(kWh/m2, ngày)

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


Chương 1: Năng lượng bức xạ mặt trời (tt)
1.3. Ứng dụng năng lượng mặt trời


Chương 2: Pin mặt trời
2.1. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời
Pin mặt trời làm việc theo nguyên lý là biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang
điện.


Chương 2: Pin mặt trời (tt)
2.1. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời (tt)
Khi chất bán dẫn tiếp xúc với năng lượng, các electron tự do ở điện cực N sẽ di chuyển

sang để lấp đầy các lỗ trống bên điện cực P. Sau đó, các electron từ điện cực N và điện cực
P sẽ cùng nhau tạo ra điện trường. Các tế bào năng lượng mặt trời sẽ trở thành một diode,
cho phép electron di chuyển từ điện cực P đến điện cực N, không cho phép di chuyển
ngược lại. Ánh sáng mặt trời bao gồm các hạt rất nhỏ gọi là photon được tỏa ra từ mặt trời,
các hạt nhỏ năng lượng có thể tiếp xúc với các tế bào năng lượng mặt trời và nới lỏng liên
kết của các electron ở điện cực N. Sự di chuyển của các elentron tự do từ điện cực N tới
điện cực P tạo ra dòng điện.


Chương 2: Pin mặt trời (tt)
2.1. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời (tt)
Bằng tính toán lý thuyết đối với chất bán dẫn Silic thì hiệu suất η ≤0,44


Chương 2: Pin mặt trời (tt)
2.2. Cấu tạo pin mặt trời
Pin mặt trời từ tinh thể silic chia thành 3 loại:
- Một tinh thể đơn hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình czochralski. Đơn tinh thể này có hiệu xuất tới 16%.
Thường rất đắt tiền.
- Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm nguội và làm rắn. thưởng rẻ hơn các đơn tinh thể, hiệu
suất kém hơn. Tuy nhiên có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể để bù lại hiệu suất thấp.
- Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể. Loại này có giá thành và hiệu suất thấp
nhất.


Chương 2: Pin mặt trời (tt)
2.2. Cấu tạo pin mặt trời (tt)
Đối với pin mặt trời từ vật liệu Silic khi bức xạ mặt trời chiếu đến thì hiệu điện thế hở mạch giữa 2 cực khoảng 0.55V và
2
2

dòng điện đoản mạch của nó khi bức xạ mặt trời có cường độ 1000W/m vào khoảng 25 ÷ 30 mA/cm .


Chương 2: Pin mặt trời (tt)
2.2. Cấu tạo pin mặt trời (tt)


Chương 2: Pin mặt trời (tt)
2.3. Tấm pin năng lượng mặt trời
 

Pin mono

Pin poly

Ít tốn kém (với nhiều đột phá trong công nghệ sản xuất nên hiệu suất ngày
Giá

Đắt hơn (vì sử dụng chủ yếu silic dạng ống, tinh khiết)
càng cải thiện giá thành thấp hơn mono không đáng kể)

Hiệu suất

Hiệu quả hơn

Kém hơn

Tính thẩm mỹ

Các tâm năng lượng có màu đen, giữa các tế bào có khoảng trống màu trắng

Tấm năng lượng có màu xanh hoặc xanh đậm

Tuổi thọ

Trên 25 năm

Trên 25 năm

Các nhà sản xuất chính

Canadian Solar, SunPower, LG, Hyundai, SolarWorld

Hanwha, Kyocera, Hyundai, SolarWorld, Trina


Chương 3: Thiết kế hệ thống chiếu sáng dùng NLMT
3.1. Cấu hình hệ thống mặt trời


Chương 3: Thiết kế hệ thống chiếu sáng dùng NLMT (tt)
3.1. Cấu hình hệ thống mặt trời (tt)
Ưu điểm:
Hệ thống này sẽ đơn giản, dễ thiết kề và thường dùng trong các khu vực chưa có lưới điện hoặc nơi thường xuyên bị cắt điện
liên tục.
Nhược điểm:
Hệ thống này vì không có lưới điện hoặc điện áp dự phòng nên phụ thuộc rất nhiều vào cường độ chiếu sáng của mặt trời
hơn những hệ thống điện mặt trời khác.

Chương 3: Thiết kế hệ thống chiếu sáng dùng NLMT (tt)
3.2. Tính toán thiết kế hệ thống
Panel mặt trời
Acquy
Bộ điều khiển
Bộ biến tần
Trang thiết bị điện
Giả sử một nhà 2 tầng sử dụng hệ thống chiếu sáng gồm 25 đèn led tube 220V/18W, hiệu suất đạt 0,81. Sử dụng toàn bộ 25
đèn led tube trong thời gian 5h – 7h, 17h – 23h, tổng cộng thời gian sử dụng là 8 giờ cho một ngày.


Chương 3: Thiết kế hệ thống chiếu sáng dùng NLMT (tt)
3.2.1. Tính toán tổng điện năng tiêu thụ
 

Công suất và điện năng tiêu thụ của hệ thống đèn chiếu sáng thực tế:

Sđèn =


Chương 3: Thiết kế hệ thống chiếu sáng dùng NLMT (tt)
3.2.2. Tính Eo các tấm pin mặt trời phải cung cấp
Eo = (1,2 – 1,5) x Eng

Trong đó 1,2 đến 1,5 là hệ số an toàn
Chọn hệ số an toàn = 1,2

Eo = 1,2 x Eng = 1,2 x 4448 = 5338Wh

Chương 3: Thiết kế hệ thống chiếu sáng dùng NLMT (tt)
3.2.3. Tính toán công suất pin mặt
 

Chọn loại pin năng lượng mặt trời 230Wp loại mono. Số tấm pin năng lượng mặt trời tối thiểu
cần dùng:


Chương 3: Thiết kế hệ thống chiếu sáng dùng NLMT (tt)
3.2.4. Tính toán bộ inverter
 

Pinvert = x 200% = 556 x 1,5 = 834W

Chọn loại Bộ đổi nguồn / kích điện (inverter) SINE CHUẨN 12V-1000VA