›
›

Đề tài Xây dựng hệ thống sử dụng năng lượng mặt trời cho chiếu sáng

pdf 61 trang huongle 2630
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Đề tài Xây dựng hệ thống sử dụng năng lượng mặt trời cho chiếu sáng", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfde_tai_xay_dung_he_thong_su_dung_nang_luong_mat_troi_cho_chi.pdf

Nội dung text: Đề tài Xây dựng hệ thống sử dụng năng lượng mặt trời cho chiếu sáng

  1. LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đề tài nghiên cứu khoa học “XÂY DỰNG HỆ THỐNG SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI CHO CHIẾU SÁNG” là công trình nghiên cứu của cá nhân em. Các số liệu trong đề tài là số liệu trung thực. NGUYỄN DUY LONG Lớp: ĐC1201 Chuyên ngành: Điện tự động công nghiệp Trƣờng: Đại học Dân Lập Hải Phòng
  2. LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đề tài này, em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy GSTS.KH THÂN NGỌC HOÀN, đã tận tình hƣớng dẫn trong suốt quá trình nghiên cứu đề tài khoa học Em chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô trong khoa Điện tự động công nghiệp, Trƣờng Đại Học Dân Lập Hải Phòng đã tận tình giúp đỡ em trong công tác nghiên cứu. Với vốn kiến thức đƣợc tiếp thu trong quá trình học không chỉ là nền tảng cho quá trình nghiên cứu đề tài mà còn là hành trang quí báu để em bƣớc vào đời một cách vững chắc và tự tin. Em chân thành cảm ơn hội đồng khoa học đã cho phép và tạo điều kiện thuận lợi để em nhận và hoàn thành đề tài nghiên cứu khoa học. Cuối cùng em kính chúc quý Thầy, Cô dồi dào sức khỏe và thành công trong sự nghiệp cao quý. Trân trọng kính chào! SVTH: Nguyễn Duy Long
  3. DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Cấu tạo bên trong của các lớp pin năng lƣợng mặt trời 5 Hình 1.2: Toàn cảnh khu biệt thự đƣợc lắp hệ thống pin năng lƣợng mặt trời 9 Hình 1.3: Toàn cảnh Biệt thự gia đình Bác Sửu chƣa lắp đặt hệ thống pin mặt trời và máy nƣớc nóng NLMT 10 Hình 1.4: Khung dàn tấm pin đƣợc hàn cố định trên mái 10 Hình 1.5: Lắp đặt dàn pin số 1 10 Hình 1.6: Lắp đặt dàn pin số 2 11 Hình 1.7: Lắp đặt dàn pin số 3 11 Hình 1.8: Hoàn thành lắp đặt 3 dàn pin mặt trời 11 Hình 1.9: Các công nhân đang lắp ráp các tấm pin mặt trời lên giá đỡ 12 Hình 1.10: Cây cầu sau khi đã lặp đặt hệ thống các tấm pin năng lƣợng mặt trời 12 Hình 1.11: Các tấm pin đã đƣợc lắp ráp 13 Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống năng lƣợng mặt trời 15 Hình 2.2: Solar panel 170 W 16 Hình 2.3: Bộ solar controller 17 Hình 2.4: Bình ac quy 12v 180Ah 18 Hình 2.5: Bộ inverter 19 Hình 2.6: Mô hình hệ thống năng lƣợng làm on_grid 20 Hình 2.7: Mô hình mô phỏng hệ thống on_grid 21 Hình 3.1: Mosfeet IRF 3205 30 Hình 3.2: IC khuyếch đại LM 324 31 Hình 3.3: Sơ đồ chân LM324 31 Hình 3.4: NOR CD4001 32 Hình 3.5: Sơ đồ chân của CD4001 33 Hình 3.6: Mosfeet IRF 540 33 Hình 3.7: Hình ảnh ATmega8 34 Hình 3.8: sơ đồ chân của ATmega8 35 Hình 4.1: Tấm pin mặt trời có công suất là 55 W/h 39 Hình 4.2: Sơ đồ nguyên lý bộ solar controller. 41 Hình 4.3: Sơ đồ nguyên lý inverter sử dung ATmega8 42 Hình 4.4: Sơ đồ khối của bộ inverter này là: 43 Hình 4.5: Miêu tả nguyên lý tạo xung. 44 Hình 4.6: Điện áp ra của pin năng lƣợng mặt trời 49 Hình 4.7: điện áp nạp vào bình ac quy. 50 Hình 4.8: Điện áp ra của bộ inverter. 51 Hình 4.9: Mô hình lƣới điện năng lƣợng mặt trời 51
  4. DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Bảng thống kê hiệu suất pin năng lƣợng mặt trời 6 Bảng 1.2. Giá trị trung bình cƣờng độ bức xạ MT ngày trong năm và số giờ nắng của một số khu vực khác nhau ở Việt Nam [1] 7 Bảng 1.3: Thông số kĩ thuật của hệ thống nối lƣới có dự trữ 3060w: 9 Bảng 1.4: Bảng đặc tính của cây cầu 13 Bảng 1.5: Cơ tính 14 Bảng 1.6: Bảng tiêu chuẩn kiểm tra điều kiện ánh sáng 14 Bảng 1.7: Các thông số cơ bản về cây cầu 14 Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật của AVR ATmega8 35 Bảng 3.2: Bảng thống kê thiết bị tiêu thụ điện của mộ hộ gia đình. 36 Bảng 3.3: Bảng giá điện năm 2011 36 Bảng 3.4: Thống kê thiết bị và giá thành để lắp ráp cho hệ thống lƣới điện mặt trời. . 38 Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật của tấm pin năng lƣợng mặt trời công suất 55 W/h 40
  5. MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU 1 CHƢƠNG 1: NHỮNG ỨNG DỤNG CỦA NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI 4 1.1.Mở đầu 4 1.2.Giới thiệu về pin năng lƣợng mặt trời 5 1.2.1.Pin năng lượng mặt trời là gì? Làm sao có thể tạo ra điện. 5 1.2.2.Hiệu suất pin năng lượng mặt trời 6 1.3.Tiềm năng vô tận của năng lƣợng mặt trời 6 1.4.Những ƣu điểm của năng lƣợng mặt trời 7 1.5.Những ứng dụng năng lƣợng mặt trời của Việt Nam 7 1.6.Những ví dụ cụ thể về hệ thống năng lƣợng mặt trời, các hệ thống lƣới điện mặt trời 1.6.1 Giới thiệu 9 1.6.1.1. Một số hình ảnh lắp đặt hệ thống dàn pin mặt trời 10 1.6.1.2. Cây cầu ứng dụng năng lượng mặt trời lớn nhất toàn cầu 12 CHƢƠNG 2: CẤU TRÚC CHUNG MỘT LƢỚI ĐIỆN MẶT TRỜI 15 2.1.Giới thiệu 15 2.2.Phân tích các thành phần của hệ thống điện năng lƣợng mặt trời 15 2.2.1.Solar 15 2.2.2.Solar controller 17 2.2.3.Bình ac quy 12 V 180 Ah 18 2.2.4.Inverter 19 CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI 22 3.1.Giới thiệu 22 3.2.Thiết kế mô hình hệ thống pin năng lƣợng mặt trời. 22 3.2.1 Tính tổng lượng tiêu thụ điện (W/h) của tất cả các thiết bị mà hệ thống solar phải cung cấp mỗi ngày. 22 3.2.2.Tính toán công suất của tấm pin mặt trời cần sử dụng. 23 3.2.3. Thiết kế hệ thống bình ac-quy cho hệ thống năng lượng mặt trời có dùng ac-quy 24 3.2.4.Chọn solar charge controller 25 3.2.4.1. Hệ thống bám điểm cực đại của tấm pin (MPPT solar charge controlle)r. 25 3.2.5.Thiết kế solar inverter. 26 3.2.5.1. Đối với hệ solar stand-alone: 26 3.2.5.2. Hệ solar kết nối vào lưới điện: 27 3.2.6.Thiết kế mô hình trạm năng lượng mặt trời. 27 3.2.6.1. Tính hệ solar cho 1 hộ dân vùng sâu có yêu cầu sử dụng như sau: 27 3.2.6.2. Chọn pin mặt trời (PV panel) 27
  6. 3.2.6.3. Tính pin mặt trời (PV panel) 27 3.2.6.4. Tính toán Battery 28 3.2.6.6. Chọn inverter 28 3.3.Xây dựng mô hình thực cho lƣới điện mặt trời 28 3.3.1.Tính toán xây dựng mô hình thực cho lưới điện mặt trời 29 3.3.1.1. Tính tổng lượng tiêu thụ điện (W/h) 29 3.3.1.2. Tính toán kích cỡ tấm pin cần sử dụng. 29 3.3.1.3. Tính toán dung lượng bình ac quy 29 3.3.1.4. Tính solar charge controller 29 3.3.1.5. Tính inverter 29 3.3.2.Lựa chọn các linh kiện điện tử sử dụng trong mô hình lưới điện mặt trời. 30 3.3.2.1. IRF 3205 30 3.3.2.2 . LM 324 31 3.3.2.3. Khuyếch đại đảo NOR CD 4001 32 3.3.2.4. Mosfeet IRF 540 33 3.3.2.5. ATmega8 34 3.4. Tính toán kinh tế cho hệ thống lƣới điên năng lƣợng mặt trời của một hộ dân với công suất 3060 W/h. 35 CHƢƠNG 4: THỰC HIỆN THÍ NGHIỆM TRÊN MÔ HÌNH MÔ PHỎNG VÀ MÔ HÌNH THỰC 39 4.1.Giới thiệu mô hình thực 39 4.1.1.Giới thiệu về tấm pin năng lượng mặt tời công suất 55W/h 39 4.1.2.Bộ solar controller 40 4.1.3. Bộ inverter PWM 41 4.1.4. Chương trình Code inverter dung AVR Atmega8 44 4.2Một số hình ảnh về mô hình thực 49 KẾT LUẬN 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 PHỤ LỤC
  7. Lời mở đầu Trong nhƣng năm gần đây Việt Nam quan tâm đầu tƣ cho nghiên cứu khai thác sử dụng nguồn năng lƣợng mặt trời, ứng dụng các công nghệ tiên tiến quang điện để cấp điện và quang nhiệt để cấp nhiệt phục vụ cho nhu cầu phát triển kinh tế xã hội. Trong đó, nguồn năng lƣợng mặt trời đƣợc đánh giá là khá dồi dào và phong phú, và là nguồn năng lƣợng cơ bản có tính chiến lƣợc không chỉ cấp điện cho vùng chƣa có điện lƣới mà còn là nguồn bổ sung quan trọng cho hệ thống năng lƣợng quốc gia, góp phần đảm bảo an ninh năng lƣợng và bảo vệ môi trƣờng sống. Việt Nam đã ứng dụng năng lƣợng mặt trời để cấp điện và cấp nhiệt. Các hệ thống lƣới điện mặt trời đã có mặt ở 38 tỉnh, thành trong cả nƣớc và một số bộ, ngành sử dụng. Các nguồn điện pin mặt trời đều không nối lƣới, trừ hệ thống pin mặt trời 150kW tại Trung tâm Hội nghị Quốc gia là có nối lƣới. Tổng công suất điện pin mặt trời của Việt Nam hiện nay khoảng 1,4MW. Đƣợc sự hƣớng dẫn tận tình của GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn trƣởng bộ môn Điện tự công nghiệp trƣờng ĐH Dân lập Hải Phòng, và các thầy cô giáo trong bộ môn Điện tự động công nghiệp em đã bắt tay vào nghiên cứu và thực hiện đề tài “Xây dựng hệ thống sử dụng năng lƣợng mặt trời cho chiếu sáng ” do GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn hƣớng dẫn chính. Đề tài gồm những nội dung chính sau: Chƣơng 1:NHỮNG ỨNG DỤNG CỦA NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI Chƣơng 2:CẤU TRÚC CHUNG MỘT LƢỚI ĐIỆN MẶT TRỜI Chƣơng 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI Chƣơng 4: THỰC HIỆN THÍ NGHIỆM TRÊN MÔ HÌNH MÔ PHỎNG VÀ MÔ HÌNH THỰC I. Tính cấp thiết của đề tài (tính thời sự, đáp ứng yêu cầu phát triển kinh tế - xã hội, giáo dục và y tế ) Hiện nay trƣớc thách thức về thay đổi khí hậu, cạn kiệt nguồn tài nguyên khoáng sản, do đó các nguồn năng lƣợng tái tạo và năng lƣợng sạch dần đƣợc đƣa vào 1
  8. để thay thế cho các nguồn năng lƣợng khoáng sản. Một trong các nguồn năng lƣợng đó là nguồn năng lƣợng mặt trời. II. Mục tiêu của đề tài: Xây dựng hệ thống sử dụng năng lƣợng mặt trời cung cấp cho một hộ gai đình với các phụ tải nhỏ III. Tính mới, tính độc đáo và tính sáng tạo của đề tài: Sử dụng bộ biến đổi buck và boost để thực hiện biến đổi và ổn định điện áp. Sử dụng nguồn năng lƣợng mặt trời để sản xuất ra điện năng. IV. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc: Nƣớc ta đã phát triển nguồn năng lƣợng điện mặt trời từ những năm 1960, tới nay hoàn toàn làm chủ công nghệ điện mặt trời. Tuy nhiên, dù có nguồn tài nguyên năng lƣợng mặt trời lớn nhƣng sau một thời gian phát triển, việc ứng dụng các thiết bị sử dụng năng lƣợng mặt trời vào cuộc sống, với mục đích tiết kiệm điện, cũng chỉ mới ở mức giậm chân tại chỗ và chƣa đƣợc khai thác hiệu quả do thiếu kinh phí . Hệ thống năng lƣợng mặt trời của Việt Nam chủ yếu đƣợc nắp đặt ở khu vực nông thôn, miền núi, vùng sâu, vùng xa, hải đảo. Các hệ thống pin mặt trời đã có mặt ở 38 tỉnh, thành trong cả nƣớc và một số bộ, ngành sử dụng. Các nguồn điện pin mặt trời đều không nối lƣới, trừ hệ thống pin mặt trời 150kW tại Trung tâm Hội nghị Quốc gia là có nối lƣới. Tổng công suất điện pin mặt trời của Việt Nam hiện nay khoảng 1,4MW. V. Nội dung nghiên cứu của đề tài: 2
  9. VI. Phƣơng pháp và thiết bị nghiên cứu: Sử dụng bộ biến đổi buck để ổn định điện áp đầu ra khi đầu vào thay đổi để nạp vào ăcquy. Từ acc quy ta sử dụng bộ băm xung kết hợp inverter để tăng điện áp nên điện áp 220 v để sử dụng thiết bị điện chiếu sáng trong sinh hoạt. VII. Khả năng triển khai ứng dụng, triển khai kết quả nghiên cứu của đề tài: Việc nghiên cứu sử dụng pin năng lƣợng mặt trời ngày càng đƣợc quan tâm, nhất là trong tình trạng thiếu hụt năng lƣợng và vấn đề cấp bách về môi trƣờng hiện nay. Năng lƣợng mặt trời đƣợc xem nhƣ là dạng năng lƣợng ƣu việt trong tƣơng lai, đó là nguồn năng lƣợng sạch, sẵn có trong thiên nhiên. Do vậy năng lƣợng mặt trời ngày càng đƣợc sử dụng rộng rãi ở các nƣớc trên thế giới. VIII. Dự kiến những kết quả nghiên cứu của đề tài: 1. Đóng góp về mặt khoa học, phục vụ công tác đào tạo:  Bổ sung thiết bị phục vụ cho công tác giảng dạy của nhà trƣờng  Góp phần giải quyết vấn đề thiếu hụt năng lƣợng điện trong sinh hoạt 2. Những đóng góp liên quan đến phát triển kinh tế:  Tiết kiệm chi phí điện năng cho chiếu sáng 3. Những đóng góp về mặt xã hội (các giải pháp cho vấn đề xã hội):  Góp phần giải quyết vấn đề thiếu hụt năng lƣợng  Góp phần bảo vệ môi trƣờng 3
  10. Chƣơng 1: NHỮNG ỨNG DỤNG CỦA NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI 1.1. Mở đầu Năng lƣợng mặt trời là nguồn năng lƣợng sạch nhất và vô hạn nhất trong các nguồn năng lƣợng mà chúng ta đƣợc biết. Bức xạ mặt trời là sức nóng, ánh sáng dƣới dạng các chùm tia do mặt trời phát ra trong quá trình tự đốt cháy mình. Bức xạ mặt trời chứa đựng một nguồn năng lƣợng khổng lồ và là nguồn gốc của mọi quá trình tự nhiên trên trái đất. Năng lƣợng của mặt trời dù rất rồi dào nhƣng việc khai thác hiệu quả nguồn năng lƣợng này thì vẫn còn là một câu chuyện dài. Năng lƣợng mặt trời có thể chia làm 2 loại cơ bản: Nhiệt năng và Quang năng. Các tế bào quang điện (Photovoltaic cells - PV) sử dụng công nghệ bán dẫn để chuyển hóa trực tiếp năng lƣợng quang học thành dòng điện, hoặc tích trữ vào pin, ắc quy để sử dụng sau đó. Các tấm tế bào quang điện hay còn gọi là pin mặt trời hiện đang đƣợc sử dụng rộng rãi vì chúng rất dễ chuyển đổi và dễ dàng lắp đặt trên các tòa nhà và các cấu trúc khác. Pin mặt trời có thể cung cấp nguồn năng lƣợng sạch và tái tạo, do vậy là một nguồn bổ sung cho nguồn cung cấp điện chính. Tại các vùng chƣa có điện lƣới nhƣ các cộng đồng dân cƣ ở xa, nông thôn, hải đảo, các trƣờng hợp khẩn cấp, pin mặt trời có thể cung cấp một nguồn điện đáng tin cậy. Điều bất cập duy nhất là giá thành của Pin mặt trời đến nay còn cao và tỷ lệ chuyển đổi năng lƣợng chƣa thật sự cao (13-15%). Trái lại sức nóng của mặt trời có hiệu suất chuuyển đổi lớn gấp 4-5 lần hiệu suất của quang điện, và do vậy đơn giá của một đơn vị năng lƣợng đƣợc tạo ra rẻ hơn rất nhiều. Nhiệt năng có thể đƣợc sử dụng để sƣởi nóng các tòa nhà một cách thụ động thông quan việc sử dụng một số vật liệu hoặc thiết kế kiến trúc, hoặc đƣợc sử dụng trực tiếp để đun nóng nƣớc phục vụ cho sinh hoạt. Ở rất nhiều khu vực khác nhau trên thế giới thiết bị đun nƣớc nóng dùng năng lƣợng mặt trời (bình nƣớc nóng năng lƣợng mặt trời) hiện đang là một sự bổ sung quan trọng hay một sự lựa thay thế cho các thiết bị cung cấp nƣớc nóng thông thƣờng dùng điện hoặc gaz. 4
  11. 1.2. Giới thiệu về pin năng lƣợng mặt trời 1.2.1. Pin năng lượng mặt trời là gì? Làm sao có thể tạo ra điện. Pin mặt trời (solar cell) đƣợc cấu tạo bởi những chất bán dẫn (semiconductor), thông thƣờng là Silicon (Si). Trƣớc tiên các lớp bán dẫn này đƣợc làm nhiễm thừa điện tích dƣơng (gọi là p-conducting semiconductor layer) có thƣa các lỗ, và làm nhiễm thiếu điện tích dƣơng (gọi là n-conducting semiconductor layer) có thừa các electron. Nếu ta kẹp một lớp p có dƣ điện tích dƣơng có thừa lỗ với một lớp n bị thiếu điện tích dƣơng có nhiều electron thì rõ ràng các electron ở lớp n sẽ chực chờ muốn nhảy sang lớp p để chiếm các lỗ. Electron từ lớp n di chuyển đến gần lớp tiếp giap n-p junction để nhảy sang lớp p. Biên giới này bị mất thăng bằng điện tích nên phản ứng lại bằng cách tạo ra 1 điện trƣờng dọc theo nó, đẩy các electron sang tận mép bên kia của lớp n và đẩy các lỗ sang tận mép bên kia của lớp p. Ngăn cách xảy ra. Các electron từ lớp n không còn qua đƣợc các lỗ bên lớp p đƣợc nữa. Bây giờ nếu ta bắt cầu nối dây dẫn từ lớp n sang lớp p để các electron từ lớp n có thể nhảy sang lớp p? Chúng quá yếu để di chuyển. Dƣới bức xạ của ánh nắng mặt trời, các photon chạm vào lớp silicon và mang năng lƣợng đến cho chúng: các photon cung cấp năng lƣợng để các electron thoát ra khỏi nhân tạo thành các electron di chuyển tự do, từ mặt ngoài của lớp n, chúng theo dây dẫn chạy sang lớp p bên kia để gặp các lỗ, tạo thành dòng điện. Và khi ánh nắng mặt trời còn mang photon đến thì quá trình này lại xảy ra, tạo ra dòng điện liên tục để ta sử dụng. Hình 1.1: Cấu tạo bên trong của các lớp pin năng lƣợng mặt trời 5
  12. 1.2.2. Hiệu suất pin năng lượng mặt trời Hiệu suất biến đổi năng lƣợng (conversion efficiency) của pin mặt trời., là tỉ số giữa lƣợng điện năng nó sản xuất ra với lƣợng năng lƣợng nó nhận đƣợc từ ánh sáng mặt trời. Khi hiệu suất biến đổi càng cao, pin mặt trời sản xuất ra nhiều năng lƣợng hơn. Hiệu suất biến đổi của pin mặt trời là do cấu tạo của nó. Bảng 1.1. Bảng thống kê hiệu suất pin năng lƣợng mặt trời 1.3. Tiềm năng vô tận của năng lƣợng mặt trời Vị trí địa lý đã ƣu ái cho Việt Nam một nguồn năng lƣợng tái tạo vô cùng lớn, đặc biệt là năng lƣợng mặt trời. Trải dài từ vĩ độ 23023’ Bắc đến 8027’ Bắc, Việt Nam nằm trong khu vực có cƣờng độ bức xạ mặt trời tƣơng đối cao. Trong đó, nhiều nhất phải kể đến thành phố Hồ Chí Minh, tiếp đến là các vùng Tây Bắc (Lai Châu, Sơn La, Lào Cai) và vùng Bắc Trung Bộ (Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh) Năng lƣợng mặt trời có những ƣu điểm nhƣ: Sạch, chi phí nhiên liệu và bảo dƣỡng thấp, an toàn cho ngƣời sử dụng Đồng thời, phát triển ngành công nghiệp sản xuất pin mặt trời sẽ góp phần thay thế các nguồn năng lƣợng hóa thạch, giảm phát khí thải nhà kính, bảo vệ môi trƣờng. Vì thế, đây đƣợc coi là nguồn năng lƣợng quý giá, có thể thay thế những dạng năng lƣợng cũ đang ngày càng cạn kiệt. Từ lâu, nhiều nơi trên thế giới đã sử dụng năng lƣợng mặt trời nhƣ một giải pháp thay thế những nguồn tài 6
  13. nguyên truyền thống. Tại Đan Mạch, năm 2000, hơn 30% hộ dân sử dụng tấm thu năng lƣợng mặt trời, có tác dụng làm nóng nƣớc. Ở Brazil, những vùng xa xôi hiểm trở nhƣ Amazon, điện năng lƣợng mặt trời luôn chiếm vị trí hàng đầu. Ngay tại Đông Nam Á, điện mặt trời ở Philipines cũng đảm bảo nhu cầu sinh hoạt cho 400.000 dân. Bảng 1.2. Giá trị trung bình cƣờng độ bức xạ MT ngày trong năm và số giờ nắng của một số khu vực khác nhau ở Việt Nam [1] 1.4. Những ƣu điểm của năng lƣợng mặt trời Năng lƣợng mặt trời có những ƣu điểm nhƣ: Sạch, chi phí nhiên liệu và bảo dƣỡng thấp, an toàn cho ngƣời sử dụng Đồng thời, phát triển ngành công nghiệp sản xuất pin mặt trời sẽ góp phần thay thế các nguồn năng lƣợng hóa thạch, giảm phát khí thải nhà kính, bảo vệ môi trƣờng. Vì thế, đây đƣợc coi là nguồn năng lƣợng quý giá, có thể thay thế những dạng năng lƣợng cũ đang ngày càng cạn kiệt. Từ lâu, nhiều nơi trên thế giới đã sử dụng năng lƣợng mặt trời nhƣ một giải pháp thay thế những nguồn tài nguyên truyền thống. Tại Đan Mạch, năm 2000, hơn 30% hộ dân sử dụng tấm thu năng lƣợng mặt trời, có tác dụng làm nóng nƣớc. Ở Brazil, những vùng xa xôi hiểm trở nhƣ Amazon, điện năng lƣợng mặt trời luôn chiếm vị trí hàng đầu. Ngay tại Đông Nam Á, điện mặt trời ở Philipines cũng đảm bảo nhu cầu sinh hoạt cho 400.000 dân. 1.5. Những ứng dụng năng lƣợng mặt trời của Việt Nam Tại Việt Nam, theo các nhà khoa học, nếu phát triển tốt điện mặt trời sẽ góp phần đẩy nhanh chƣơng trình điện khí hóa nông thôn (Dự kiến đến năm 2020, cung cấp điện cho toàn bộ 100% hộ dân nông thôn, miền núi, hải đảo ). 7
  14. Từ những năm 1990, khi nhiều thôn xóm ngoại thành chƣa có lƣới điện quốc gia, phân viện vật lý TP Hồ Chí Minh đã triển khai các sản phẩm từ điện mặt trời. Tại một số huyện nhƣ: Bình Chánh, Cần Giờ, Củ Chi, điện mặt trời đƣợc sử dụng khá nhiều trong một số nhà văn hoá, bệnh viện Đặc biệt, công trình điện mặt trời trên đảo Thiềng Liềng, xã Cán Gáo, huyện Cần Giờ cung cấp điện cho 50% số hộ dân sống trên đảo. Năm 1995, hơn 180 nhà dân và một số công trình công cộng tại buôn Chăm, xã Eahsol, huyện Eahleo tỉnh Đắk Lắk đã sử dụng điện mặt trời. Gần đây, dự án phát điện ghép giữa pin mặt trời và thuỷ điện nhỏ, công suất 125 kW đƣợc lắp đặt tại xã Trang, huyện Mang Yang, tỉnh Gia Lai, và dự án phát điện lai ghép giữa pin mặt trời và động cơ gió với công suất 9 kW đặt tại làng Kongu 2, huyện Đăk Hà, tỉnh Kon Tum, do Viện Năng lƣợng (EVN) thực hiện, góp phần cung cấp điện cho khu vực đồng bào dân tộc thiểu số. Từ thành công của Dự án này, Viện Năng lƣợng (EVN) và Trung tâm Năng lƣợng mới (trƣờng đại học Bách khoa Hà Nội) tiếp tục triển khai ứng dụng giàn pin mặt trời nhằm cung cấp điện cho một số hộ gia đình và các trạm biên phòng ở đảo Cô Tô (Quảng Ninh), đồng thời thực hiện Dự án “Ứng dụng thí điểm điện mặt trời cho vùng sâu, vùng xa” tại xã Ái Quốc, tỉnh Lạng Sơn. Dự án đƣợc hoàn thành vào tháng 11/2002. Ngoài chiếu sáng, năng lƣợng mặt trời còn có thể ứng dụng trong lĩnh vực nhiệt, đun nấu. Từ năm 2000 – 2005, Trung tâm Nghiên cứu thiết bị áp lực và năng lƣợng mới (đại học Đà Nẵng), phối hợp với tổ chức phục vụ năng lƣợng mặt trời triển khai Dự án “Bếp năng lƣợng mặt trời” cho các hộ dân tại làng Bình Kỳ 2, phƣờng Hòa Quý, quận Ngũ Hành Sơn (Đà Nẵng). Bên cạnh đó, trung tâm nghiên cứu năng lƣợng mới cũng nghiên cứu năng lƣợng mặt trời để đun nƣớc nóng và đƣa loại bình đun nƣớc nóng này vào ứng dụng tại một số tỉnh: Hải Phòng, Quảng Ninh, Nam Định, Thanh Hóa, Sơn La 8
  15. 1.6. Những ví dụ cụ thể về hệ thống năng lƣợng mặt trời, các hệ thống lƣới điện mặt trời 1.6.1 Giới thiệu: Là hệ thống điện mặt trời hòa lƣới có dự trữ đầu tiên tại TP Hải Phòng đƣợc lắp đặt tại Biệt Thự Gia đình Bác Sửu, Núi Đèo, Thủy Nguyên Hải phòng Hình 1.2: Toàn cảnh khu biệt thự đƣợc lắp hệ thống pin năng lƣợng mặt trời Hiện nay vấn để sử dụng năng lƣợng hiệu quả và tiết kiệm đang đƣợc xã hội rất quan tâm. Do vậy ngay từ khâu thiết kế, gia đình Bác Sửu đã yêu cầu các kiến trúc sƣ thiết kế ngôi nhà hài hòa với thiên nhiên: Tận dụng tối đa ánh sáng tự nhiên và gió trời Sử dụng vật liệu TKNL nhƣ gạch không nung, kính cách nhiệt Và đƣợc sự tƣ vấn của các kĩ sƣ Công ty SYSTECH Eco, Gia đình Bác Sửu đã lắp đặt thêm hệ thống điện mặt trời hòa lƣới và máy nƣớc nóng năng lƣợng mặt trời nhằm tận dụng bức xạ mặt trời đáp ứng nhu cầu sử dụng điện năng và nƣớc nóng trong gia đình, hạn chế sự phụ thuộc vào nguồn điện năng không ổn định hiện nay. STT Thiết bị Đơn vị Số lƣợng 1 Tấm pin mặt trời 170W Tấm 18 2 Bộ hòa lƣới 1400W Bộ 3 3 Bộ Solar controllar charger Bộ 3 4 Bộ Inverter 5KVA 48VDC/220VAC Bộ 1 5 Bộ Charger 48VDC/45A Bộ 1 6 Ac quy kín khí 180Ah/12V Cái 8 Bảng 1.3: Thông số kĩ thuật của hệ thống nối lƣới có dự trữ 3060w: 9
  16. 1.6.1.1. Một số hình ảnh lắp đặt hệ thống dàn pin mặt trời Hình 1.3: Toàn cảnh Biệt thự gia đình Bác Sửu chƣa lắp đặt hệ thống pin mặt trời và máy nƣớc nóng NLMT Hình 1.4: Khung dàn tấm pin đƣợc hàn cố định trên mái Hình 1.5: Lắp đặt dàn pin số 1 10
  17. Hình 1.6: Lắp đặt dàn pin số 2 Hình 1.7: Lắp đặt dàn pin số 3 Hình 1.8: Hoàn thành lắp đặt 3 dàn pin mặt trời 11
  18. 1.6.1.2. Cây cầu ứng dụng năng lượng mặt trời lớn nhất toàn cầu Chính phủ Anh quốc vừa tiến hành khởi công xây dựng cầu ứng dụng năng lƣợng mặt trời lớn nhất thế giới với ƣớc tính cung cấp khoảng 900.000 kWh mỗi năm. Có khoảng hơn 6.000m2 tấm panô quang điện sẽ đƣợc lắp đặt trên cây cầu bắc qua sông Thames. Theo kế hoạch, mạng lƣới đƣờng ray sử dụng khoảng 50% năng lƣợng đƣợc cung cấp từ năng lƣợng mặt trời lớn nhất thế giới giúp cắt giảm khoảng 511 tấn khí thải CO2 mỗi năm. Kinh phí để xây dựng khoảng 7,3 triệu bảng Anh. Hình 1.9: Các công nhân đang lắp ráp các tấm pin mặt trời lên giá đỡ Hình 1.10: Cây cầu sau khi đã lặp đặt hệ thống các tấm pin năng lƣợng mặt trời 12
  19. Hình 1.11: Các tấm pin đã đƣợc lắp ráp Bảng 1.4: Bảng đặc tính của cây cầu Maximum Power(W) 55W Walt Power Tolerance(%) ±3 % Maximum Power Voltage(Vmp) 17.1 Volt Maximum Power Current(Imp) 3.22 Ampere Open circuit Voltage(Voc) 21.0 Volt Short circuit Current(lsc) 3.76 Ampere Temp-coefficient Voc -0.35±0.02 %/℃ Temp-coefficient lsc -0.04±0.0015 %/℃ Temp-coefficient Power -0.5±0.05 %/℃ Nominal operating cell temperature (NOCT) 47℃±2℃ ℃ 13
  20. Bảng 1.5: Cơ tính Length(mm) 715mm Dimensions Width(mm) 680mm Depth(mm) 40mm Length(mm) 643mm Installation Dimensions Width(mm) 311mm Weight(kg) 6.5kg Frame structure(Material,Comers) Aluminium Front side Glass Front glass thickness 3.2mm Encapsulant EVA Back side TPT Junction Box made in china Bảng 1.6: Bảng tiêu chuẩn kiểm tra điều kiện ánh sáng AM AM1.5 Irradiation 1000W/m2 Tc 25℃ Bảng 1.7: Các thông số cơ bản về cây cầu Operating Temperature 40℃-+90℃ Storage Temperature from-40℃-+90℃ Dielectric Isolation Voltage 1000 VDC max 1000V Maximum Wind Resistance 60m/s N/m2 or max Km/h Maximum Load Capacity 200 Kg/m2 Maximum Hail diameter @80Km/h 25mm@80km/h 14
  21. Chƣơng 2: CẤU TRÚC CHUNG MỘT LƢỚI ĐIỆN MẶT TRỜI 2.1. Giới thiệu Lƣới điện năng lƣợng mặt trời sử dụng trong các ngôi nhà. Để có cơ sở thiết kế tính toán đề tài thực hiện đề tài thực hiện xây dựng mô hình lƣới điện nắp cho một hộ gia đình có công suất 3060 W/h. solar Solar Inverter Thiết bị tiêu controller pwm thụ điện Bình acc quy Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống năng lƣợng mặt trời 2.2. Phân tích các thành phần của hệ thống điện năng lƣợng mặt trời 2.2.1. Solar Solar là pin năng lƣợng mặt trời có tác dụng là sinh ra nguồn điện nhờ sự hấp thụ ánh sáng mặt trời qua các lớp bán dẫn tạo ra điện năng. 15
  22. Hình 2.1: Solar panel 170 W Các thông số của tấm pin: Công suất lớn nhất: 170 W Điện áp hở mạch: 44.2 V Dòng điên ngắn mạch: 5.14 A Điện áp làm việc: 36.14 V Dòng làm việc: 4.71 A Hiệu suất chuyển đổi của tấm pin: 15.75% Kích thƣớc: 1580 x 808 x 35mm(L*W*H) Trọng lƣợng: 16 kg Nhiệt độ hoạt động: -40 0 ~ +90 0 Công suất chênh lệch: +- 3% 16
  23. Do những tấm pin này phụ thuộc vào cƣờng độ chiếu sáng của mặt trời. Vì thế điện áp ra của các tấm pin này bị dao động. Do đó ta phải có một bộ điều khiển để vừa ổn định điện áp đầu ra cho pin năng lƣợng vừa phải đóng mở các van bán dẫn để nạp năng lƣợng vào bình acc quy. Sau đây là bộ solar contronller. 2.2.2. Solar controller Solar charge controller có điện thế vào phù hợp với điện thế của pin mặt trời và điện thế ra tƣơng ứng với điện thế của battery. Vì solar charge controller có nhiều loại cho nên cần chọn loại solar charge controller nào phù hợp với hệ solar. Đối với các hệ pin mặt trời lớn, nó đƣợc thiết kế thành nhiều dãy song song và mỗi dãy sẽ do một solar charge controller phụ trách. Công suất của solar charge controller phải đủ lớn để nhận điện năng từ PV và đủ công suất để nạp cho hệ thống bình ac-quy. Hình 2.2: Bộ solar controller 17
  24. Model uC1220DC3St Điện áp Solar vào (VS): :<= 42 V Ăcquy (VB): 24V/ (20V-29V) Dòng sạc định mức: 20A Max. Dòng tải định mức: 20A Max. Bảo vệ: Quá tải: 120% / 5 phút, 130%/ 5s Ngƣng làm việc: Ngắn mạch Dòng điện tiêu thụ (không tải): 50ms Nhiệt độ làm việc: 0 đến 45oC Dung lƣợng ắc quy (đề nghị): 50Ah – 200Ah Thông số sạc: Ắc quy nƣớc – Acid Ắc quy khô - Gel Mức áp sạc nhồi (V_Full) 29 V 28.6 V Mức áp sạc duy trì (V_Float): 27.6 V 27.2 V Mức áp sạc nhồi lại (V_Reboost): 26.4 V 26.2 V Mức áp sử dụng lại (V_ReUse)* 26.4 V 26 V Mức áp báo cạn (V_Empty) 21.4 V 21 V Mức áp cắt tải (V_LVD) 21 V 20.4 V 2.2.3. Bình ac quy 12 V 180 Ah Bình ac quy 12V 180 Ah có khả năng lƣu trữ năng lƣợng điện Hình 2.3: Bình ac quy 12v 180Ah 18
  25. Ac quy viễn thông kín khí 180AH - 12V. Chuyên dùng cho máy kích điện, trong ngành viễn thông, dân dụng và các thiết bị điện một chiều, pin mặt trời Điện áp: 12V. Dung lƣợng: 180Ah. Tuổi thọ: lên tới 12 năm. Các bản cực đƣợc làm từ hợp kim chì canxi/thiếc. Các tấm ngăn cách (Separator): sử dụng công nghệ AGM (Absorbent Glass Mat). Kích thƣớc: 240 x 417 x 172 mm (H*L*W). Trọng lƣợng: 57kg. Vật liệu vỏ: nhựa ABS chống cháy. 2.2.4. Inverter Inverter có tác dụng biến đổi điện áp từ 48VDC/220VAC Hình 2.4: Bộ inverter 19
  26. Thông số kỹ thuật: Điện áp đầu vào: 48 VDC Điện áp đầu ra: 110/120/220/230 VAC Công suất đầu ra: 3,2 kW Loại: DC AC Dạng song: Sóng sin chuẩn Tần số đầu ra: 50hz hoặc 60hz Trọng lƣợng: 37.5 kg Kích thƣớc: 550 x 305 x 350mm Điện năng sau khi đƣợc đƣa qua bộ inverter này thì sẽ đƣợc cấp trực tiếp vào tải vầ cấp trực tiếp lên lƣới điên, Sau đây là mô hình hệ thống năng lƣợng mặt trời cấp điện cho một ngôi nhà với hệ thống on_grid Hình 2.5: Mô hình hệ thống năng lƣợng làm on_grid Hệ thống này có khả năng đƣa điện trực tiếp lên lƣới điện thông qua bộ dual purpose inveter, bộ này tạo ra điện áp sin chuẩn với tần số cố định là 50 hz. 20
  27. Hệ thống này cũng có thể lƣợc bỏ đi hệ thống bình ac quy. Vì khi các tấm pin năng lƣợng hấp thụ ánh sáng tạo ra điện năng, điện năng này đƣợc đƣa trực tiếp vào inverter thông qua bộ charge controller solar. Tại đây bộ inverter có tác dụng biến đổi điện áp một chiều thành xoay chiều nhờ phƣơng pháp PWM điều chỉnh xung đóng mở các van công suất. và tạo ra điện áp có dạng sin chuẩn với tần số 50 hz 220 VAC. Từ bộ inverter điện năng đƣợc hòa vào lƣới điện. Hình 2.6: Mô hình mô phỏng hệ thống on_grid 21
  28. Chƣơng 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI 3.1. Giới thiệu Lƣới điện năng lƣợng mặt trời dung trong các ngôi nhà, tòa nhà. Để có cơ sở thiết kế tính toán đề tài cho một hộ gia đình với cống suất 3060 W/h ta xét hệ thống điện năng lƣợng mặt trời sau: solar Solar Inverter Thiết bị tiêu controller pwm thụ điện Bình ac quy Sơ đồ khối hệ thống điện năng lƣợng mặt trời 3.2. Thiết kế mô hình hệ thống pin năng lƣợng mặt trời. 3.2.1 Tính tổng lượng tiêu thụ điện (W/h) của tất cả các thiết bị mà hệ thống solar phải cung cấp mỗi ngày. Tính tổng số W/h sử dụng mỗi ngày của từng thiết bị. Cộng tất cả lại chúng ta có tổng số W/h toàn tải sử dụng mỗi ngày. P1 = p1 + p2 + p3 + + pn trong đó: P1: tổng lƣợng tiêu thụ điện p1,2,3,n: Công suất của từng phụ tải 22
  29. Thí dụ: tải là tivi có công suất tiêu thụ là 80W, sử dụng trung bình 8g mỗi ngày thì số watt-hour sử dụng mỗi ngày là 80 x 8 = 640 wh. Cứ tính cho mỗi thiết bị nhƣ thế rồi cộng tất cả lại sẽ có tổng watt-hour của tất cả thiết bị mà hệ solar cung cấp. Tính số W/h các tấm pin mặt trời phải cung cấp cho toàn tải mỗi ngày. Do tổn hao trong hệ thống, số Watt-hour của tấm pin mặt trời cung cấp phải cao hơn tổng số W/h của toàn tải. Thực nghiệm cho thấy cao hơn khoảng 1,3 lần. Số W/h các tấm pin mặt trời (PV modules) = 1.3 x tổng số W/h toàn tải sử dụng Thí dụ ở trên thì W/h các tấm pin mặt trời là 640 x 1.3 = 832 W/h. 3.2.2. Tính toán công suất của tấm pin mặt trời cần sử dụng. Để tính toán kích cở các tấm pin mặt trời cần sử dụng, ta tính Watt-peak (Wp) cần có của tấm pin mặt trời. Lƣợng Wp mà pin mặt trời tạo ra lại tùy thuộc vào khí hậu của từng vùng trên thế giới. Cùng 1 tấm pin mặt trời nhƣng đặt ở nơi này thì mức độ hấp thu năng lƣợng sẽ khác với khi đặt nó nơi khác. Để thiết kế chính xác, ngƣời ta phải đo đạc khảo sát độ hấp thụ bức xạ mặt trời ở từng vùng các tháng trong năm và đƣa ra một hệ số trung bình gọi là "panel generation factor", tạm dịch là hệ số hấp thu bức xạ của pin mặt trời. Hệ số "panel generation factor" này là tích số của hiệu suất hấp thu (collection efficiency) và độ bức xạ năng lƣợng mặt trời (solar radiation), đơn vị tính của nó là (kWh/m2/ngày).(xem bảng phụ lục) Thí dụ mức hấp thu năng lƣợng mặt trời tại 1 địa điểm của nƣớc Việt Nam ta là 5 kWh/m2/ngày, ta lấy tổng số W/h các tấm pin mặt trời chia cho 5 ta sẽ có tổng số Wp của tấm pin mặt trời. Thí dụ ở trên thì W/p các tấm pin mặt trời là: 832 / 5 = 166 Wp. Mỗi PV mà ta sử dụng đều có thông số Wp của nó, lấy tổng số Wp cần có của tấm pin mặt trời chia cho thông số Wp của nó ta sẽ có đƣợc số lƣợng tấm pin mặt trời cần dùng. Kết quả trên chỉ cho ta biết số lƣợng tối thiểu số lƣợng tấm pin mặt trời cần dùng. Càng có nhiều pin mặt trời, hệ thống sẽ làm việc tốt hơn, tuổi thọ của battery sẽ cao hơn. Nếu có ít pin mặt trời, hệ thống sẽ thiếu điện trong những ngày râm mát, rút cạn kiệt battery và nhƣ vậy sẽ làm battery giảm tuổi thọ. Nếu thiết kế nhiều pin mặt trời thì làm giá thành hệ thống cao, vƣợt quá ngân sách cho phép, đôi khi không cần thiết. Thiết kế bao nhiêu pin mặt trời lại còn tùy thuộc vào độ dự phòng của hệ thống. 23
  30. Thí dụ một hệ solar có độ dự phòng 4 ngày, ( gọi là autonomy day, là những ngày không có nắng cho pin mặt trời sản sinh điện), thì bắt buộc lƣợng battery phải tăng hơn và kéo theo phải tăng số lƣợng pin mặt trời. Rồi vấn đề sử dụng pin loại nào là tối ƣu, là thích hợp vì mỗi vùng địa lý đều có thời tiết khác nhau. Tất cả đòi hỏi thiết kế phải do các chuyên gia có kinh nghiệm thiết kế nhiều năm cho các hệ solar trong vùng. Khi ta đã có tổng số tấm pin mặt trời thì không nhất thiết phải ghép nối tiếp tất cả các tấm này lại với nhau mà có thể ghép chúng thành các tổ hợp kết hợp nối tiếp và song song, do một hay nhiều solar controller đảm trách. các việc này có tƣơng tác lẫn nhau đến cách thiết kế hệ battery và hệ solar charger dƣới đây. 3.2.3. Thiết kế hệ thống bình ac-quy cho hệ thống năng lượng mặt trời có dùng ac- quy Battery dùng cho hệ solar là loại deep-cycle. Loại này cho phép xả đến mức bình rất thấp và cho phép nạp đầy nhanh. Nó có khả năng nạp xả rất nhiều lần (rất nhiều cycle) mà không bị hỏng bên trong, do vậy khá bền, tuổi thọ cao. Trƣớc tiên ta tính dung lƣợng của hệ bình ac-quy cho toàn hệ thống. Dung lƣợng battery cần dùng cho hệ solar là dung lƣợng battery đủ cung cấp điện cho những ngày dự phòng khi các tấm pin mặt trời không sản sinh ra điện đƣợc. Ta tính dung lƣợng battery nhƣ sau: Hiệu suất của battery chỉ khoảng 85% cho nên chia số Wh của tải tiêu thụ với 0.85 ta có Wh của battery Với mức deep of discharge DOD (mức xả sâu) là 0.6, ta chia số Wh của battery cho 0.6 sẽ có dung lƣợng battery Kết quả trên cho ta dung lƣợng battery tối thiểu cho hệ solar không có dự phòng. Khi hệ solar có số ngày dự phòng (autonomy day) ta phải nhân dung lƣợng battery cho số autonomy-day để có số lƣợng battery cần cho hệ thống. 24
  31. Khi đã có điện thế V và dung lƣợng Ah của bình acquy, ta có thể lựa chọn acquy và tính toán cách ghép chúng lại với nhau sao cho tối ƣu, nhất là phải để ý đến tính dự phòng. Thí dụ 1 hệ ac-quy 12V/1000AH ghép 5 dãy 12V/200AH song song sẽ có độ an toàn cao hơn 1 dãy 12V/1000AH, nếu 1 vài ac-quy bị hỏng thì ta vẫn còn các dãy khác làm việc tốt trong thời gian chờ sửa chữa. 3.2.4. Chọn solar charge controller Solar charge controller có điện thế vào phù hợp với điện thế của pin mặt trời và điện thế ra tƣơng ứng với điện thế của battery. Vì solar charge controller có nhiều loại cho nên cần chọn loại solar charge controller nào phù hợp với hệ solar của bạn. Đối với các hệ pin mặt trời lớn, nó đƣợc thiết kế thành nhiều dãy song song và mỗi dãy sẽ do một solar charge controller phụ trách. Công suất của solar charge controller phải đủ lớn để nhận điện năng từ PV và đủ công suất để nạp cho hệ thống bình ac-quy. Để chọn Solar charge controller, ta phải tính ra các thông số Wp, Vpm, Voc, Ipm, Isc của hệ thống pin mặt trời kết nối với nó. Các trị số dòng và áp của bộ solar charge controller phải chấp nhận đƣợc các trị số dòng áp trên của hệ thống pin mặt trời. Thông thƣờng ta chọn Solar charge controller có dòng Imax = 1.3 x dòng ngắn mạch Isc của hệ pin mặt trời. Đối với các Solar charge controller có MPPT thì cách chọn có khác. Trƣớc tiên tìm hiểu MPPT charge controller, sau đó tham khảo chi tiết thiết kế MPPT Charge Controller sau đây. 3.2.4.1. Hệ thống bám điểm cực đại của tấm pin (MPPT solar charge controlle)r. Từ điện áp danh định của hệ thống ac-quy đã biết, ta chọn ra 1 loại MPPT solar charge controller đáp ứng cho điện áp danh định acquy này. Leonics MPPT solar charge controller với các model thƣờng đặt tên gợi nhớ. SPT-XXYY với XX là điện áp danh định của acquy, YY là dòng charge max. Thí dụ model SPT-2412 dùng cho điện áp danh định bình là 24VDC và dòng nạp max là 12A. Thí dụ điện áp danh định của hệ acquy là 24VDC ta chọn solar charge controller SPT-24YY Từ Wp của hệ pin mặt trời ta tính ra dòng nạp có đƣợc: Ic = Wp/XX 25
  32. Tính ra YY bằng cách cách nhân Ic với hệ số an toàn, thí dụ 1,2: YY = 1,2 x Ic Nhƣ vậy ta chọn ra đƣợc charge controller là Leonics Solarcon SPT-XXYY Các điều cần lƣu ý: điện áp và dòng của pin mặt trời là điện áp và dòng của module pin mặt trời kết nối với charge controller chứ không phải của 1 tấm pin mặt trời. Module pin mặt trời có thể là các tấm pin mặt trời ghép nối tiếp hoặc song song hay ghép kết hợp cả 2 cách với nhau. Voc của hệ pin mặt trời không đƣợc lớn hơn Vmax của charge controller SPT- XXYY Vpm của hệ pin mặt trời phải nằm trong phạm vi điều khiển của charge controller SPT-XXYY 3.2.5. Thiết kế solar inverter. Có nhiều loại inverter có thiết kế phù hợp cho từng ứng dụng riêng biệt: inverter dùng cho hệ solar độc lập có battery, inverter dùng cho hệ solar nối lƣới, inverter dùng cho các hệ solar tích hợp năng lƣợng mặt trời, gió, máy diesel , inverter dùng cho tur-bin gió nối lƣới. Tùy theo hệ solar của ta thuộc loại nào mà chọn loại inverter nào cho phù hợp. 3.2.5.1. Đối với hệ solar stand-alone: Thiết kế bộ inverter phải đủ lớn để có thể đáp ứng đƣợc khi tất cả tải đều bật lên, thƣờng thì nó phải có công suất bằng 125% công suất tổng tải. Công suất tổng tải là tổng số công suất của tất cả các tải mà hệ solar cung cấp. P1 = p1 + p2 + p3 + + pn trong đó: P1: tổng lƣợng tiêu thụ điện p1,2,3,n: Công suất của từng phụ tải Nhƣ vậy bộ inverter có công suất P2 = P1 x 125% Thí dụ cấp cho 10 bóng đèn 80w và 1 một tivi 80w thì tổng tải sẽ là P1 = 10 x 70w + 1 x 80w = 780 (W). Nhƣ vậy bộ inverter phải có công suất 26
  33. P2 = 780 x 125%=1000 (W). Nếu tải có motor điện thì phải tính thêm công suất để chịu đƣợc dòng khởi động của motor. Chọn inverter có điện áp vào phù hợp với điện áp ra của battery. 3.2.5.2. Hệ solar kết nối vào lưới điện: Hệ solar không có battery, do đó ta chọn điện áp vào của inverter phải phù hợp với điện áp ra của hệ pin mặt trời. 3.2.6. Thiết kế mô hình trạm năng lượng mặt trời. 3.2.6.1. Tính hệ solar cho 1 hộ dân vùng sâu có yêu cầu sử dụng như sau: - 1 bóng đèn 18 Watt sử dụng từ 6-10 giờ tối. - 1 quạt máy 60 Watt mỗi ngày sử dụng khoảng 2 giờ. - 1 tủ lạnh 75 Watt chạy liên tục 3.2.6.2. Chọn pin mặt trời (PV panel) Muốn chọn công suất pin mặt trời ta phải tính tổng lƣợng tiêu thụ trong một ngày: P3=p1 x t1+p2 x t2+p3 x t3+ .+pn x tn (Wh/day) Trong đó p1 là công suất của từng tải. t1 là thời gian sử dụng tải Xác định tổng lƣợng điện tiêu thụ mỗi ngày P3 = (18 W x 4 giờ) + (60 W x 2 giờ) + (75 W x 12 giờ) = 1,092 (Wh/day) (tủ lạnh tự động ngắt khi đủ lạnh nên xem nhƣ chạy 12 giờ nghỉ 12 giờ) Tính số Watt-hour các tấm pin mặt trời phải cung cấp cho toàn tải mỗi ngày. Do tổn hao trong hệ thống, số Watt-hour của tấm pin mặt trời cung cấp phải cao hơn tổng số Watt-hour của toàn tải. P4 = 1.3 x P3 Ví dụ: W2 = 1,092 x 1.3 = 1419.6 Wh/day. 3.2.6.3. Tính pin mặt trời (PV panel) Muốn tính số pin mặt trời ta cần phải tra cứu hệ số panel generation factor tại địa điểm lắp đặt gọi là hệ số k Tổng Wp của PV panel P5 = P4 x k = 310 (Wp) 27
  34. Trong đó hệ số k tra bảng 1 phụ lục ví dụ: Chọn loại PV có 110Wp thì số PV cần dùng là 310 / 110 = 3 tấm 3.2.6.4. Tính toán Battery Với 3 ngày dự phòng, dung lƣợng bình = 178 x 3 = 534 Ah Nhƣ vậy chọn battery deep-cycle 12V/600Ah cho 3 ngày dự phòng. Ta thiết kế 3 bình 12VDC/200AH nối song song 3.2.6.5 Tính solar charge controller Thông số của pin mặt trời: Pm = 110 Wp, Vpm = 16.7 Vdc, Ipm = 6.6 A, Voc = 20.7 A, Isc = 7.5 A Thiết kế hệ acquy là 12VDC, ta chọn SPT-12YY Với 310Wp thì dòng charge là Ic = Wp/XX = 310/12 = 25.83A Với hệ số an toàn là 1.2 thì YY = 1.2 x 10.67 = 31A, chọn YY=30 Vậy ta chọn charge controller là Leonics SPT-1230 Ba tấm pin mặt trời đƣợc ghép nối tiếp nên Vpm của các tấm pin mặt trời là Vpm = 16.7 x 3 = 50.1 VDC Voc của các tấm pin mặt trời là Voc = 20.7 x 3 = 62.1 V Tất cả đều nằm trong điều kiện cho phép của SPT-1230, có dải MPPT từ 26 – 75 VDC và Voc max = 96VDC 3.2.6.6. Chọn inverter Chọn inverter có công suất lớn hơn công suất sử dụng 125% Tổng công suất sử dụng P1 = 18 + 60 + 75 = 153 (W) Công suất inverter P 2 = 153 x 125% = 190 (W) Chọn inverter 200W trở lên. Điện áp vào danh định inverter = 12VDC 3.3. Xây dựng mô hình thực cho lƣới điện mặt trời Dựa vào các phƣơng pháp tính toán và thiết kế ở trên ta có thể xây dựng mô hình thực cho lƣới điên mặt trời. Để tính toán ta tìm hiểu qua một số linh kiện điện tử có thể đƣợc sử dụng trong mô hình thực. 28
  35. 3.3.1. Tính toán xây dựng mô hình thực cho lưới điện mặt trời 3.3.1.1. Tính tổng lượng tiêu thụ điện (W/h) Tổng lƣợng tiêu thụ điện (W/h) của tất cả các thiết bị là: Tải có 1 bóng đèn compact 11 W và một động cơ quạt công suất 20 W sử dụng trong 7 tiếng tổng lƣợng tiêu thụ điên= (20 W + 11 W)x6=186 Wh/day. Do tổn hao trong hệ thống lên số W/h của pin năng lƣợng sẽ lớn hơn tổ số W/h của toàn tải 1,3 lần. Vậy cống suất tấm pin là: P(PV) = 1.3 x 248 = 241 (Wh/day) 3.3.1.2. Tính toán công suất tấm pin cần sử dụng. Tra cứu panel generation factor tại địa điểm nắp đặt k = 4.58 ta có: Tổng Wh của PV panel P5 = 241/4.58=52.7 (Wh) Vậy chọn PV 55W/h thì số PV là 1 tấm. 3.3.1.3. Tính toán dung lượng bình ac quy Với 2 ngày dự phòng thì dung lƣợng bình = 186 x 2/12=31Ah. Nhƣng vì điều kiện kinh tế nên ta chọn bình 12VDC/30Ah cho cả 2 ngày dự phòng. 3.3.1.4. Tính solar charge controller Dựa vào bảng thông số của pin ta có Pm=55 Wp, Vpm=17,5 Vdc, Ipm=4A, Voc=21.95A, Isc=4.19 A Thiết kế hệ ac quy là 12VDC Với 52.7 Wh thì dòng charge là Ic=Wp/12=52.7/12=4,3A Với hệ số an toàn là 1.2 thì dòng nạp = 1.2 x 4.3=5.2 Vậy Vpm của tấm pin là 55Wp Voc của tấm pin là 21.95 Vdc. 3.3.1.5. Tính inverter Tổng công suất sử dụng 29
  36. P1 = 20+11=33 (W) Vậy công suất inverter P2 = 153 x 125%=41.25 (W) Vậy chon inverter có điện áp vào là 12VDC có công suất 50W 3.3.2. Lựa chọn các linh kiện điện tử sử dụng trong mô hình lưới điện mặt trời. 3.3.2.1. IRF 3205 Hình 3.1: Mosfeet IRF 3205 IRF 3205 là mosfeet là một Transistor đặc biệt có cấu tạo và hoạt động khác với Transistor thông thƣờng mà ta đã biết, Mosfet có nguyên tắc hoạt động dựa trên hiệu ứng từ trƣờng để tạo ra dòng điện, là linh kiện có trở kháng đầu vào lớn thích hợn cho khuyếch đại các nguồn tín hiệu yếu, Mosfet đƣợc sử dụng nhiều trong các mạch nguồn Monitor, nguồn máy tính . IRF 3205 có các thông số sau VDSS = 55V, RDS(on) = 8.0mΩ, ID = 110A 30
  37. 3.3.2.2 . LM 324 Hình 3.2: IC khuyếch đại LM 324 LM324 là một IC công suất thấp bao gồm 4 bộ khuếch đại thuật toán (Op Amp) trong nó. Tuy nhiên các Opamp trong LM324 đƣợc thiết kế đặc biệt để sử dụng với nguồn đơn. Tức là bạn chỉ cần Vcc và GND là đủ. Một điều đặc biệt nữa là nguồn cung cấp của LM324 có thể hoạt động độc lập với nguồn tín hiệu. Ví dụ nguồn cung cấp của LM324 là 5V nhƣng nó có thể làm việc bình thƣờng với nguồn tín hiệu ở ngõ vào V+ và V- là 15V mà ko bị sao cả. Hình 3.3: Sơ đồ chân LM324 31
  38. Đặc điểm của LM324: - Thứ nhất đó là điện áp cung cấp: Nguồn cung cấp cho LM324 tầm từ 5V~32V. - Thứ hai đó là áp tối đa ngõ vào: cũng na ná Vcc. áp ngõ vào từ 0~32V đối với nguồn đơn và cộng trừ 15V đối với nguồn đôi. - Thứ ba là công suất của Lm324 loại chân cắm (Dip) khoảng 1W - Thứ tƣ là điện áp và dòng ngõ ra. điện áp ngõ ra từ 0~Vcc-1,5V. Dòng ngõ ra khi mắc theo kiểu đẩy dòng (dòng Sink) thì dòng đẩy tối đa đạt đƣợc 20mA. Dòng ngõ ra khi mắc theo kiểu hút dòng (dòng Souce) thì dòng hút tối đa có thể lên đến 40mA - Thứ năm là tần số hoạt động của LM324 là 1MHz - Thứ sáu là độ lợi khuếch đại điện áp DC của LM324 tối đa khoảng 100 dB Khi điện áp V+ > V- thì ngõ ra của op amp ở mức +Vcc Khi điện áp V+ < V- thì ngõ ra của op amp ở mức Gnd hoặc –Vcc. 3.3.2.3. Khuyếch đại đảo NOR CD 4001 Hình 3.4: NOR CD4001 NOR CD4001 có tác dụng đảo so sánh và đảo tín hiệu đầu ra. 32
  39. Hình 3.5: Sơ đồ chân của CD4001 Nguyên lý hoạt động là khi tín hiệu đầu vào ở cả 2 chân 1 và 2 ở mức logic thấp thì tín hiệu đầu ra ở chân 3 sẽ ở mức logic cao. Và khi tín hiệu đầu vào chân 1 hoặc chân 2 cùng ở mức logic 3.3.2.4. Mosfeet IRF 540 Hình 3.6: Mosfeet IRF 540 Một số thông số quan trọng của IRF 540 Dòng làm việc mã từ 23A 33A tuy vào nhiệt độ môi trƣờng cao hay thấp Kích dẫn bằng điện áp +- 20V Nhiệt độ làm việc -550C 1750C Thời gian trễ: turn on (11ns) và turm off (39ns) Tần số chuyển mạch cực đại 1Mhz 33
  40. 3.3.2.5. ATmega8 Hình 3.7: Hình ảnh ATmega8 34
  41. Công Số Đơn vị Thời gian Tổng công STT Tên thiết bị suất lƣợng (W/h) sử dụng suất (W/h) (W/h) Hình 3.8: sơ đồ chân của ATmega8 arameter Name Value Program Memory Type Flash Program Memory 8 Kbyte EEPROM 512 byte RAM 1 Kbyte I/O PIN 23 I/O F.max 8MHz Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật của AVR ATmega8 3.4. Tính toán kinh tế cho hệ thống lƣới điên năng lƣợng mặt trời của một hộ dân với công suất 3060 W/h. Để tính toán kinh tế cho hệ thống lƣới điện năng lƣợng ta xét một hộ gia đình có những thiết bị tiêu thụ điện bình dân. Hộ này có những thiết bị sau: 35
  42. 1 Quạt phong lan 4 45 180 12 2160 2 Bóng compact 8 25 200 8 1600 3 Tivi LG 21 ihn 2 125 250 12 3000 4 Máy tính bàn 1 200 200 8 1600 5 Nồi cơm điện 1 700 700 2 1400 6 Điều hòa furi 1 1200 1200 10 12000 7 Tủ lạnh 1 210 210 12 2520 8 Tổng công suất trong 1 ngày 24.280 9 Tổng công suất trong 1 tháng 728.400 Bảng 3.2: Bảng thống kê thiết bị tiêu thụ điện của mộ hộ gia đình. Dựa vào bảng trên ta thấy một ngày công suất tiêu thụ trung bình của một hộ dân là: P1= 24.280 (W/h), và một tháng hộ này tiêu thụ hết 724 (số điện). Để tính số tiền của hộ này phải trả trong một tháng ta phải dựa vào bảng giá điện của nhà nƣớc năm 2011 mới tính số tiền hộ này phải trả. STT Mức sử dụng của một hộ trong tháng Giá bán điện (đồng/kWh) 1 Cho 50 kWh (hộ nghèo và thu nhập thấp) 993 2 Cho kWh từ 0-100 1.242 3 Cho kWh từ 101- 150 1.369 4 Cho kWh từ 151-200 1.734 5 Cho kWh từ 201- 300 1.877 6 Cho kWh từ 301- 400 2.008 7 Cho kWh từ 401 trở lên 2.060 Bảng 3.3: Bảng giá điện năm 2011  Ở mức điện là 724 (số điện) thì giá tiền của hộ dân này sẽ đƣợc chia làm 6 cấp giá khác nhau: 36
  43. Cấp thứ nhất cho kWh từ 0-100. Ở cấp này thì giá bán điện sẽ là 1.242 vnđ. Cấp thứ hai cho kWh từ 101-150. Ở cấp này thì giá điện sẽ là 1.369 vnđ. Cấp thứ ba cho kWh từ 151-200. Ở cấp này thì giá điện sẽ là 1.734 vnđ. Cấp thứ tƣ cho kWh từ 201-300. Ở cấp này thì giá điện sẽ là 1.877 vnđ. Cấp thứ năm cho kWh từ 301-400. Ở cấp này thì giá điện sẽ là 2.008 vnđ. Cấp thứ sáu cho kWh từ 401 trở lên. Ở cấp này thì giá điện sẽ là 2.060 vnđ. Vậy số tiền hộ dân phải trả tổng một tháng chƣ tính đến GTGT sẽ là: A1=(100x1242+50x1.369+50x1.734+100x1.877+100x2.008+328x2.060= =1.343.530 (vnđ) Nhƣ vậy trên thực tế số tiền nhà này phải trả là: A2=A1+A1x10%=1,343,530+1,343,530x10%=1,477,883 (vnđ) Vậy sau 25 năm với phụ tải không đổi thì tổng số tiền nhà này phải trả sẽ là: A3=A2 x số năm x số tháng trong năm=1,477,883 x 25 x 12=443,364,900 (vnđ) Nhƣ vậy sau 25 năm với tải tiêu thụ là không đổi và bảng giá điện là cố định thì số tiền hộ dân này phải trả là: 443,364,900 (vnđ) đó là mức chi phỉ nếu dùng điện lƣới. Hộ này tiêu thụ điện trung bình một ngày dung hết 24,280 Wh/day. Vì do nguồn năng lƣợng mặt trời phải phụ thuộc vào thời tiết và thời gian. Do đó để cung cấp nguồn năng lƣợng để cấp nguồn đầy đủ cho các phụ tải thì ta phải dùng tới 18 tấm pin năng lƣợng mặt trời có công suất 170W/h một tấm. Vậy tổng công suất của cả dàn pin năng lƣợng mặt trời này sẽ là P5=3060W/h. Với điều kiện thời tiết ở Hải Phòng thì thời gian các tấm pin năng lƣợng có thể hấp thụ đƣợc ánh sáng và cho hiệu suất cao là trong khoảng 9 tiếng một ngày. Nhƣ vậy công suất của dàn pin có thể tạo ra là: P6=P5x9=3.060x9=27.540 (W/h). Ta coi tổn hao toàn hệ thống là 10% nhƣ vậy công suất có thể sử dụng của dàn pin này là: 37
  44. P7 = P6 x 90% = 27,540 x 90% = 24,786 Từ đây ta có thể thấy P4>P1 vậy dàn pin này có thể cung cấp đủ năng lƣợng cho tất cả các phụ tải có trong hộ gia đình này trong 1 ngày. Xét thấy công suất của dàn pin này Sau 25 đơn số đơn giá thành tiền Stt tên thiết bị năm vị lƣợng (1000vnd) (1000vnd) (1000vnd) 1 tấm pin mặt trời 170w tấm 18 7,140 128,520 128,520 2 bộ hòa lƣới 1400w bộ 3 13,167 39,501 118,503 Bộ Solar controllar 3 bộ 3 890 2,670 8,010 charger Bộ Inverter 5KVA 4 bộ 1 27,000 27,000 54,000 48VDC/220VAC Ac quy kín khí chuyên 5 cái 8 2,986 23,888 191,104 dụng 180Ah/12V 6 tổng 221,579 500,137 bằng với công suất của dàn pin đã đƣợc giời thiệu ở trên ta chọn các thiết bị sau: Bảng 3.4: Thống kê thiết bị và giá thành để lắp ráp cho hệ thống lƣới điện mặt trời. Vậy tổng chi phí cho cả hệ thống năng lƣợng mặt trời trong 25 năm có tính đến bảo dƣỡng sửa chữa và thay mới là A4 = 500,167,000 (vnđ). Ta đem so sánh A3 và A4 thì ta thấy nếu sử dụng lƣới điện năng lƣợng mặt trời thì thấy nếu sử dụng năng lƣợng mặt trời thì hiện tại sẽ thiệt hơn về kinh tế. Nhƣng trong tƣơng lai thì sẽ lợi hơn vì giá điện ngày càng tăng mà giá pin đang có xu hƣớng giảm. 38
  45. Chƣơng 4: THỰC HIỆN THÍ NGHIỆM TRÊN MÔ HÌNH MÔ PHỎNG VÀ MÔ HÌNH THỰC 4.1. Giới thiệu mô hình thực Mô hình thực boa gồm: 1 tấm pin năng lƣợng mặt trời công suất 55W/h 1 bộ solar controller 1 bình ac quy 12VDC/30Ah 1 inverter PWM 1 bóng compact 11W 1 quạt 20W 4.1.1. Giới thiệu về tấm pin năng lượng mặt tời công suất 55W/h Hình 4.1: Tấm pin mặt trời có công suất là 55 W/h 39
  46. Model CTC-55W-POLY - 6.4 KG Maximum Power(Pmax) 55W(±5%) Rated Voltage(Vmp) 17.5V Rated Current(Imp) 4A Open Circuit Voltage(Voc) 21.95 V Short Circuit Current(Isc) 4.19A Maximum System Voltage 1000V Test Condition AM1.5,1000W/m2,25℃ Hail diameter@80km/h Up to 25mm Continues Wind pressure Up to 130 km/h Operation Temperature -30°C ~ + 85°C Dimensin 1200 x 550x35mm Tuổi thọ 25 Năm Bảo hành 5 Năm Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật của tấm pin năng lƣợng mặt trời công suất 55 W/h 4.1.2. Bộ solar controller Mạch điều khiển nạp làm việc trên nguyên lý đóng mở một van bán dẫn, giả sử vào lúc 7h30 lúc này pin năng lƣợng mặt trời bắt đầu hấp thụ ánh sáng và đạt giá trị 13 V thì mạch điều khiển sẽ lấy tín hiệu về sau đó qua bộ khuyến đại thuật toán nhằm so sánh điện áp đó với điện áp trong bình acc quy. Nếu điện áp trong bình acc quy thấp hơn điện áp pin năng lƣợng thì mạch điều khiển sẽ kích một xung mở cho van bán dẫn. Khi điện áp đạt đến 18 V thì mạch điều khiển sẽ thay đổi chu kỳ đóng mở cho van bán dẫn để đƣa về 15 V (mức điện áp nạp ổn định cho bình acc quy). Tƣơng tự nhƣ vậy mạch điều khiển sẽ làm việc khi điện áp là 21 V. Khi không còn ánh nắng mặt trời nữa thì tấm pin năng lƣợng giảm dần điện áp xuống. Lúc này mạch điều khiển sẽ so sánh điện áp của pin năng lƣợng với điện áp trong bình. Nếu điện áp ở pin nhỏ hơn điện áp trong bình acc quy thì mạch sẽ đóng van bán dẫn lại, và cắt pin năng lƣợng ra ngoài mạch nạp. Kết thúc quá trình làm việc của mạch điều khiển nạp. 40
  47. Hình 4.2: Sơ đồ nguyên lý bộ solar controller. Trong mạch trên có sử dụng 1 IC khuyếch đại thuật toán LM324, 1 NOR CD4001, 1 mosfeet IRF 3205. Nguyên lý mạch này hoạt động nhƣ sau: Start: U2>U1>Uo => 1/324 = L => 14/324 =H => 10/4001 = L => 4&2/4001 = H => IFR Open => 7/324 = H => 8/324 = L => 11/4001 = H => 3&5/4001 = L U2>Uo>U1 => 7/324 = L => 8/324 = H => 11/4001 = L => 3&5/4001 = L (do: 2/4001 = H) U2>U1>Uo => 1/324 = H => => 10/4001 = H => 2&4/4001 = L (3&5/4001 -> H) => IFR Closed 4.1.3. Bộ inverter PWM Để ổn định điện áp và bảo vệ các thiết bị điện khỏi các song đa hài bậc cao khi sử dụng bộ inverter. Trong đồ án này em xin giới thiệu một bộ inverter sử dụng bổ xử lý ATmega8 để điểu khiển và thay đổi độ rộng của xung kích mở cho 2 mosfeet IRF 540 thông qua đó tạo ra điện áp xoay chiều và có tần số 50hz. Sau đó nguồn điện xoay 41
  48. chiều này sẽ đƣợc cấp vào 3 đầu vào của máy biến áp 9V/220V dòng định mức 3A. Đầu ra của máy biến áp có điện áp 220V xoay chiều với công suất 30W. Sau đây là sơ đồ nguyên lý sử dung AVR ATmega8. VCC VCC VCC VCC R1 D1 VCC U1 12v R2 10k 3 1 7 20 21 Out IN RST 1 U2 C1 180k Reset/PC6 C2 C3 2 Value: Diode 100uF GND PD0(RXD) C4 10nF 100nF 3 Vcc PD1(TXD) ARef AVcc 100nF D2 4 28 2 PD2(INT0) (ADC5/SCL)/PC5 5 27 PD3(INT1) (ADC4/SDA)PC4 6 26 GND GND GND C5 LM78xx PD4(T0/XCK) (ADC3)PC3 25 GND (ADC2)PC2 9 24 GND GND Xtal1/TOSC1/PB6 (ADC1)PC1 22pF 23 ADC 2 (ADC0)PC0 Y1 12MHz 10 C6 Xtal2/TOSC2/PB7 19 1 (SCK)PB5 1 2 11 18 GND PD5(T1) (MISO)PB4 3 4 22pF 12 17 RST PD6(AIN0) (MOSI/OC2)PB3 5 6 13 16 PWMB PD7(AIN1) (SSOC1B)PB2 7 8 14 15 PWMA PB0(ICP1) (OC1A)PB1 9 10 J1 GND GND GND R3 D3 D4 180k 8 L1 22 1 D5 D6 Value: Diode Value: Diode Value: 100uH 2 R4 R5 Value: 100uH 1k C7 D7 180k J2 GND GND R6 100nF Led ADC Value: Diode Value: Diode C8 100R R7 12v 1uF 1k 1 D8 2 C9 100nF 12v J3 GND 12v GND GND GND R8 GND 3.3k 1 R9 Q1 12v 2 Value: pnp 4.7k 3 D9 R10 R11 Q2 Q3 PWMA J4 Value: npn Value: IRF D10 1k 100R R12 Value: FR207 Value: Diode 3.3k Q4 Value: IRF D11 Value: FR207 GND GND GND GND 12v 12v GND GND R13 3.3k R14 Q5 Value: pnp 4.7k D12 R15 R16 Q6 PWMB Value: npn 1k 100R R17 Value: Diode 3.3k GND GND Hình 4.3: Sơ đồ nguyên lý inverter sử dung ATmega8 Nguyên lý hoạt động của mạch này dựa trên nguyên lý điều biên độ rộng xung PWM : Để thay đổi từ DC sang AC ta sử dụng chip ATmega8 đã đƣợc lập trình sẵn để tạo ra các tín hiệu mở xung cho 2 bóng mosfeet IRF 540. Hai bóng này sẽ đóng mở theo chu kỳ đã đƣợc lập trình sẵn trong chip ATmega8 và sẽ tạo ra dạng sóng gần sóng sin với chu kỳ 50hz. Sau đó nhờ máy biến áp 220V 3 A kích lên 220 V xoay chiều với tần số 50hz. Nhờ có sự tham gia của bộ vi điều khiển AVR mà ta có thể lập trình thay đổi biên độ và độ rộng của xung điều khiển nhằm áp đặt cho tín hiệu đầu ra bám gần sin chuẩn. Ƣu điểm của phƣơng pháp này là: Ta có thể tạo ra một bộ inverter gần sin chuẩn nhằm để cung cấp cho các tải có trở kháng lớn. 42
  49. Giảm thiểu tổn hao trên máy biến áp, cũng nhƣ cuộn dây. Có thể lập trình thay đổi để tạo ra các tần số khác nhau. Khả năng điều chỉnh điều chỉnh chính xác, sai số thấp. Độ ổn định tần số cao, do mạch dao động của vi điều khiển sử dụng thạch anh. Tần số tín hiệu PWM cao: có thể đạt tới vài MHz. Có thể cùng lúc tạo nhiều tín hiệu PWM Ngoài ra, ta còn có thể sử dụng các phần còn lại của vi điều khiển để thực hiện các chức năng khác nhƣ giám sát, điều khiển, hiển thị Có công suất làm việc lớn và tổn hao ít. Nhƣợc điểm của phƣơng pháp này là: Lập trình phức tạp. Sơ đồ khối của bộ inverter Control Mosfeet Out put DC input AC output system IRF 540 comparison and adjustment control ideal output reference Hình 4.4: Sơ đồ khối của bộ inverter này là: Bộ inverter này làm việc trên nguyên lý băm xung và điểu chỉnh độ rộng xung PWM. Để có tần số là 50hz ta chia dải xung ra thành 2 ms. Tại thời điểm bắt đầu thì bộ vi điều khiển sẽ tạo ra một xung kích mở cho IRF540 A mở trong 0.1 ms sau đó bộ vi điều khiển sẽ ngắt xung ra và IRF540 A khóa trong 0.1 ms sau thì bộ vi điều khiển lại kích 1 xung kích mở cho IRF540 A xung này tồn tại trong 0.6 ms. Vậy tại thời điểm này IRF540 A mở trong 0.6 ms sau đó lại đƣợc cắt ra trong 0.1 ms lại dc mở lại trong 0.1 ms. Tƣơng tự nhƣ vậy ở nửa chu kỳ sau bộ vi điều khiển cũng cấp xung mở cho IRF540 B tƣơng tự nhƣ chu kỳ thứ nhất. Nhờ những khoảng đóng cắt này mà và thay đổi độ rộng xung tạo ra cho ta đƣợc một dạng song bó theo đƣờng hình sin. 43
  50. PWM A PWM A PWM B P WM B 10 20 30 40 0 0 0 Hình 4.5: Miêu tả nguyên lý tạo xung. 4.1.4. Chương trình Code inverter dung AVR Atmega8 #include #define PWM_A OCR1AL #define PWM_B OCR1BL #include unsigned char t=0; // Timer 0 overflow interrupt service routine interrupt [TIM0_OVF] void timer0_ovf_isr(void) { // Reinitialize Timer 0 value TCNT0=0xC1;// Ngat ~1ms // Place your code here if(t>=0 && t =1 && t =2 && t<8) PWM_A=250,PWM_B=0; 44
  51. else if(t>=8 && t =9 && t =10 && t =11 && t =12 && t =13 && t =19 && t =20 && t =21) t=0; } #define FIRST_ADC_INPUT 0 #define LAST_ADC_INPUT 0 unsigned int adc_data[LAST_ADC_INPUT-FIRST_ADC_INPUT+1]; #define ADC_VREF_TYPE 0x00 // ADC interrupt service routine // with auto input scanning interrupt [ADC_INT] void adc_isr(void) { static unsigned char input_index=0; // Read the AD conversion result adc_data[input_index]=ADCW; // Select next ADC input if (++input_index > (LAST_ADC_INPUT-FIRST_ADC_INPUT)) input_index=0; ADMUX=(FIRST_ADC_INPUT | (ADC_VREF_TYPE & 0xff))+input_index; // Delay needed for the stabilization of the ADC input voltage delay_us(10); // Start the AD conversion ADCSRA|=0x40; } // Declare your global variables here 45
  52. void main(void) { // Declare your local variables here // Input/Output Ports initialization // Port B initialization // Func7=In Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=Out Func1=Out Func0=In // State7=T State6=T State5=T State4=T State3=T State2=0 State1=0 State0=T PORTB=0x00; DDRB=0x06; // Port C initialization // Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In // State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T PORTC=0x00; DDRC=0x00;// Port D initialization // Func7=In Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In // State7=T State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T PORTD=0x00; DDRD=0x00; // Timer/Counter 0 initialization // Clock source: System Clock // Clock value: 62.500 kHz TCCR0=0x04; TCNT0=0xC1; // Timer/Counter 1 initialization // Clock source: System Clock // Clock value: 250.000 kHz // Mode: Ph. correct PWM top=0x00FF // OC1A output: Non-Inv. // OC1B output: Non-Inv. // Noise Canceler: Off // Input Capture on Falling Edge 46
  53. // Timer1 Overflow Interrupt: Off // Input Capture Interrupt: Off // Compare A Match Interrupt: Off // Compare B Match Interrupt: Off TCCR1A=0xA1; TCCR1B=0x01; TCNT1H=0x00; TCNT1L=0x00; ICR1H=0x00; ICR1L=0x00; OCR1AH=0x00; OCR1AL=0x00; OCR1BH=0x00; OCR1BL=0x00; // Timer/Counter 2 initialization // Clock source: System Clock // Clock value: Timer2 Stopped // Mode: Normal top=0xFF // OC2 output: Disconnected ASSR=0x00; TCCR2=0x00; TCNT2=0x00; OCR2=0x00; // External Interrupt(s) initialization // INT0: Off // INT1: Off MCUCR=0x00; // Timer(s)/Counter(s) Interrupt(s) initialization TIMSK=0x01; // USART initialization // USART disabled UCSRB=0x00; 47
  54. // Analog Comparator initialization // Analog Comparator: Off // Analog Comparator Input Capture by Timer/Counter 1: Off ACSR=0x80; SFIOR=0x00; // ADC initialization // ADC Clock frequency: 1000.000 kHz // ADC Voltage Reference: AREF pin ADMUX=FIRST_ADC_INPUT | (ADC_VREF_TYPE & 0xff); ADCSRA=0xCC; // SPI initialization // SPI disabled SPCR=0x00; // TWI initialization // TWI disabled TWCR=0x00; // Global enable interrupts #asm("sei") delay_ms(10); while (1) { // Place your code here } } 48
  55. 4.2 Một số hình ảnh về mô hình thực Mô hình đƣợc đo bằng Oscilloscope. Để khảo sát tín hiệu ra của mô hình ta đo tín hiệu ra ở 3 điểm. Điểm thứ nhất: Ta đặt que đo sau tấm pin năng lƣợng mặt trời Hình 4.6: Điện áp ra của pin năng lƣợng mặt trời Mục địch là kiểm tra điện áp ra ở tấm pin năng lƣợng mặt trời. 49
  56. Điểm thứ 2: Đo sau bộ solar controller Hình 4.7: điện áp nạp vào bình ac quy. Mục đích là kiểm tra tín hiệu ra của bộ solar controller, từ đó suy ra điện áp nạp vào cho bình ac quy. 50
  57. Điểm đo thứ 3: Đo đầu ra của inverter khi có tải. Hình 4.8: Điện áp ra của bộ inverter. Mục đích: Kiểm tra tín hiệu điện áp đầu ra của bộ inverter. Và cũng là kiểm tra tín hiệu điện áp ra của hệ thống lƣới điện năng lƣợng mặt trời. Hình 4.9: Mô hình lƣới điện năng lƣợng mặt trời 51
  58. KẾT LUẬN Trên đây em đã trình bày tất cả những cơ sở lỳ thuyết xoay quanh đề tài “Xây dựng hệ thống pin năng lƣợng mặt trời cho chiếu sáng” mà bản thân em đã thu thập đƣợc, từ đó chế tạo thành công và đƣa hệ thống vào hoạt động nhƣ một bài thí nghiệm thực tế về hệ thống lƣới điện năng lƣợng mặt trời. Sau khi hoàn thành đề tài này đã giúp em đạt đƣợc những vấn đề sau: Tìm hiểu đƣợc những ứng dụng của năng lƣợng mặt trời o Nguyên lý và cấu tạo của pin năng lƣợng mặt trời. o Những ứng dụng cụ thể của năng lƣợng mặt trời. o Ƣu và nhƣợc điểm của nguồn năng lƣợng mặt trời. Tìm hiểu đƣợc cấu tạo và nguyên lý hoạt động của một hệ thống lƣới điện năng lƣợng mặt trời. o Tìm hiểu đƣợc các thành phần cấu tạo lên một hệ thống lƣới điện mặt trời. Xây dựng một mô hình hệ thống năng lƣợng mặt trời. o Tính toán thiết kế một hệ thống lƣới điện năng lƣợng mặt trời o Tính toán kinh tế cho một lƣới điện năng lƣợng mặt trời. Thực hiện thí nghiệm trên mô hình thực. Em xin cảm ơn! 52
  59. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng việt 1. Nguyễn Bính, (2007), giáo trình điện tử công suất , nhà xuất bản đại học Quốc Gia. 2. Trần Văn Thịnh, (2005), tính toán thiết kế thiết bị điện tử công suất, Nhà xuất bản Giáo dục. Tài liệu nƣớc ngoài 3. T.Shimizu, et al. ”Generation Control Circuit for Photovoltaic Modules”, IEEE Trans. on PEL, Vol.16, N0.3, pp.293-pp.300, 2001 4. G.R.Walker, et al. “Cascaded DC-DC Converter Connection of Photovoltaic Modules”, IEEE Trans. on PEL, Vol.19, No.4, pp.1130-pp.1139, 2004 5. R.Utsumi, et al. “Maximum Power Control in Photovoltaic System with Double Cascade Boost Choppers”, 2006 National Convention Record, IEE Japan, 4-045, pp.67-68, 2006 (in Japanese) 6. R.Utsumi, et al. “Characteristics for Fluctuated Irradiance or Load in Photovoltaic System with Double Cascade Boost Choppers”, Annual Conference of IEIE Japan, B-11, pp.87-88, 2006 (in Japanese) Tài liệu trên internet 7. www.ebook.edu.vn 8. www.xbook.com.vn 9. www.tailieu.vn 10. www.denmattroi.com 11. 53
  60. PHỤ LỤC Bảng 1: Hiệu suât hấp thụ của pin năng lƣợng ở châu Á Year Country City Latitude Longitude Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Avg AE Abu Dhabi 24° 28' N 54° 22' E 3.92 4.50 5.22 5.87 7.06 7.33 6.90 6.64 6.39 5.53 4.54 3.79 5.64 AU Adelaide 34° 55' S 138° 36' E 7.2 6.58 5.18 3.85 2.65 2.23 2.48 3.2 4.46 5.69 6.59 6.74 4.74 AU Brisbane 27° 99' S 153° 8' E 6.93 6.09 5.44 4.34 3.5 3.29 3.52 4.43 5.62 6.18 6.74 6.93 5.25 AU Hobart 42° 52' S 147° 19' E 5.97 5.33 4.05 2.73 1.79 1.44 1.68 2.41 3.6 4.78 5.92 6.18 3.82 AU Melbourne 37° 47' S 144° 58' E 6.78 6.22 4.76 3.4 2.29 1.84 2.04 2.79 3.94 5.27 6.28 6.46 4.34 AU Perth 31° 57' S 115° 52' E 7.7 6.75 5.41 4.16 3.06 2.67 2.89 3.66 4.76 6.09 7.04 7.76 5.16 AU Sydney 34° S 151° 0' E 6.34 5.68 4.87 3.6 2.74 2.5 2.67 3.53 4.67 5.61 6.32 6.6 4.59 BD Dhaka 23° 42' N 90° 22' E 4.44 5.08 5.87 6.06 5.50 4.41 4.09 4.37 4.17 4.50 4.37 4.13 4.75 CN Beijing 39° 55' N 116° 25' E 2.37 2.92 3.58 5.61 4.83 5.68 5.42 4.49 4.25 3.20 2.66 2.04 3.92 CN Nanjing 32° 03' N 118° 53' E 2.04 2.22 2.65 4.50 3.84 4.47 4.93 4.50 3.67 3.02 2.88 2.08 3.40 CN Shanghai 31° 10' N 121° 28' E 2.29 2.63 3.07 4.54 4.38 4.59 5.52 5.23 4.03 3.39 2.97 2.38 4.01 CN Hongkong 22° 18' N 114° 10' E 2.59 2.56 3.06 3.93 4.13 4.74 5.81 4.95 4.68 4.05 3.56 2.93 4.18 ID Jakarta 6° 11' S 106° 50' E 4.15 4.59 5.00 4.94 4.88 4.71 5.09 5.46 5.66 5.36 4.76 4.47 5.03 IL Tel Aviv 32° 05' N 34° 46' E 2.78 3.5 4.73 6.03 6.86 7.87 7.81 7.22 6.19 4.63 3.32 2.62 5.73 IR Tabriz 38° 48' N 46° 18' E 1.79 2.40 3.37 4.58 5.54 6.71 6.97 6.06 5.20 3.26 2.14 1.56 4.13 IR Tehran 35° 40' N 51° 26' E 2.23 2.84 3.72 5.12 5.99 7.32 7.20 6.41 5.59 3.90 2.61 2.02 4.58 IR Mashhad 36° 16' N 59° 34' E 2.22 2.97 3.88 5.21 6.29 7.49 7.41 6.78 5.70 4.13 2.78 2.06 4.74 IR Bandar' Abbas 27° 15' N 56° 15' E 3.63 4.43 5.14 6.29 7.43 7.96 7.41 6.97 6.58 5.51 4.29 3.37 5.75 IN New Delhi 28° N 77° E 3.68 4.47 5.50 6.60 7.08 6.55 5.01 4.62 5.11 4.99 4.15 3.42 5.10 IN Bombay 18° 33' N 72° 32' E 5.22 6.03 6.66 7.05 6.77 4.59 3.54 3.40 4.72 5.39 5.15 4.80 5.28 IN Bangalore 12° 57' N 77° 37' E 5.00 5.90 6.44 6.42 6.13 4.76 4.48 4.59 4.98 4.68 4.34 4.40 5.18 54
  61. IQ Baghdad 33° 20' N 44° 24' E 2.79 3.64 4.59 5.76 6.83 8.10 7.97 7.29 6.25 4.44 3.04 2.52 5.27 JO Amman 31° 57' N 35° 57' E 2.93 3.67 4.83 6.04 6.88 7.91 7.86 7.27 6.25 4.71 3.47 2.76 5.80 JP Tokyo 35° 45' N 139° 38' E 2.31 2.99 3.70 4.90 5.07 4.47 4.88 5.42 3.82 2.98 2.50 2.23 4.00 KH Phnom penh 11° 33' N 104° 51' E 5.27 5.78 6.02 5.76 5.09 4.30 4.55 4.07 4.34 4.41 4.88 5.03 4.85 KP P' yongyang 39° N 125° 18' E 2.50 3.35 4.50 5.17 5.60 5.35 4.51 4.63 4.22 3.51 2.46 2.09 4.20 KR Seoul 37° 31' N 127° E 2.62 3.40 4.29 5.24 5.63 5.15 4.26 4.55 3.99 3.64 2.60 2.24 4.16 LA Vientiane 18° 07' N 102° 35' E 4.30 4.94 5.52 5.74 5.11 4.24 4.22 4.19 4.61 4.26 4.21 4.24 4.63 LB Beirut 33° 54N 35° 28E 2.64 3.4 4.63 6.03 6.96 7.9 7.84 7.19 6.13 4.5 3.14 2.44 5.68 MM Yangon 16° 47' N 96° 09' E 5.40 6.06 6.65 6.69 5.14 3.24 3.30 2.99 4.12 4.51 4.82 5.05 4.65 MN Ulaanbaatar 47° 55' N 106° 54' E 1.79 2.77 4.24 5.53 6.26 6.15 5.55 4.88 4.17 3.00 1.82 1.40 4.30 MY Kuala Lumpur 3° 07' N 101° 42' E 4.54 5.27 5.14 5.05 4.80 4.98 4.91 4.78 4.54 4.51 4.23 4.07 4.70 NZ Auckland 36° 52' S 174° 45' E 6.37 5.9 4.71 3.43 2.44 2 2.25 2.95 4.13 5.23 6.05 6.56 4.34 NZ Christchurch 43° 32s 172° 37e 5.9 4.95 3.86 2.75 1.72 1.31 1.47 2.15 3.3 4.34 5.43 5.64 3.57 NZ Wellington 41° 17' S 174° 47' E 6.27 5.31 4.17 3 1.95 1.54 1.74 2.46 3.66 4.7 5.73 6.01 3.88 OM Mascat 23° 37' N 58° 37' E 4.34 5.00 5.85 6.69 7.54 7.56 6.91 6.71 6.55 5.93 4.95 4.23 6.29 PH Cebu 10° 19' N 123° 54' E 4.53 5.15 5.83 6.25 5.90 4.83 4.76 4.93 4.96 4.75 4.49 4.44 5.07 PH Manila 14° 37' N 120° 58' E 4.82 5.62 6.42 6.75 6.19 4.96 4.94 4.41 4.86 4.63 4.59 4.50 5.22 SA Riyadh 24° 39' N 46° 42' E 4.03 4.92 5.56 6.24 7.27 7.99 7.86 7.46 6.83 5.80 4.58 3.82 6.03 Singapore SG 1° N 103° E 4.43 5.52 5.05 5.05 4.62 4.66 4.51 4.61 4.49 4.50 3.98 3.93 4.61 City TH Bang Kok 13° 45' N 100° 30' E 4.42 4.65 4.84 5.03 4.75 3.77 4.22 3.46 3.63 3.89 4.16 4.40 4.27 TH Chiang Mai 18° N 99° E 4.79 5.51 6.11 6.29 5.53 4.44 4.16 4.18 4.50 4.34 4.28 4.48 4.88 TR Ankara 39° 57' N 32° 53' E 1.77 2.38 3.69 4.54 5.53 6.63 6.99 6.55 5.22 3.24 1.99 1.51 4.17 VN Hanoi 21° N 105° 54' E 2.52 2.94 3.81 4.34 4.66 4.51 4.62 4.62 4.57 3.64 3.29 3.17 3.89 55