TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI
GIỚI THIỆU
Hai phương pháp chính để thu nhận và trữ năng lượng Mặt Trời là phương pháp thụ động và phương pháp chủ động Phương pháp thụ động sử dụng nguyên tắc thu giữ nhiệt thông qua cấu trúc và vật liệu của các công trình xây dựng, trong khi phương pháp chủ động áp dụng thiết bị đặc biệt để thu bức xạ nhiệt và sử dụng hệ thống quạt, máy bơm để phân phối nhiệt Phương pháp thụ động có lịch sử phát triển lâu dài, còn phương pháp chủ động chỉ mới phát triển chủ yếu từ thế kỷ 20.
Hai ứng dụng chính của NLMT là:
+ Nhiệt Mặt Trời: chuyển bức xạ Mặt Trời thành nhiệt năng, sử dụng ở các hệ thống sưởi, hoặc để đun nước tạo hơi quay turbin điện.
+ Điện Mặt Trời: chuyển bức xạ Mặt Trời (dưới dạng ánh sáng) trực tiếp thành điện năng (hay còn gọi là quang điện-photovoltaics).
Cơ chế quang điện cho thấy cường độ dòng quang điện tỷ lệ thuận với cường độ ánh sáng Mặt Trời, cho phép sản xuất điện từ quy mô nhỏ như máy tính bỏ túi đến quy mô lớn như nhà máy điện Dòng quang điện một chiều được lưu trữ trong bình acquy để sử dụng vào ban đêm hoặc những ngày không có nắng, với bộ điều khiển giúp ổn định và tránh sạc quá mức cho ắc quy Hệ thống Quang Điện sản xuất điện một chiều có điện thế từ 12 đến 24 volt, và điện một chiều này có thể được chuyển đổi thành điện xoay chiều qua bộ biến điện, với công suất từ 100-20,000W và hiệu suất lên tới 90%.
Hình 1.1- Dàn pin năng lượng mặt trời
1.1.1 Các hệ thống thu hội tụ ánh sáng mặt trời
Hệ thống thu nhiệt kiểu tháp
Hệ thống thu nhiệt trung tâm tại các nhà máy lớn sử dụng gương hội tụ ánh sáng Mặt Trời vào một dĩa thu duy nhất trên đỉnh tháp trung tâm, giúp bức xạ nhiệt làm nóng chảy muối trong chảo thâu Nhiệt lượng từ muối nóng chảy được sử dụng để tạo điện qua các máy phát dạng hơi hoặc đun nóng nước để quay turbine Các gương thu nhiệt có khả năng theo dõi và quay theo hướng nắng, đảm bảo sự hội tụ tối đa ánh sáng Mặt Trời Lợi ích của hệ thống này là muối nóng chảy giữ nhiệt hiệu quả, cho phép sản xuất điện ngay cả trong những ngày âm u hoặc sau hoàng hôn.
Hình1.2- (a) Thu nhiệt mặt trời kiểu tháp, (b) Sơ đồ cấu tạo hệ thống thu nhiệt kiểu tháp
2 Hệ thống chảo thu nhiệt
Một dạng thiết bị thu nhiệt Mặt Trời là hệ thống hình chảo, tương tự như chảo thu tín hiệu vệ tinh trong viễn thông Hệ thống này sử dụng chảo phản chiếu hình parabol để hội tụ ánh sáng vào tiêu điểm, nơi dung dịch đun được truyền vào dĩa thu để hấp thu nhiệt Nhiệt năng làm dung dịch nở ra, đẩy piston và quay turbin, cho phép tập trung ánh sáng từ 100 đến 2000 lần.
Hình 1.3 - Thu nhiệt mặt trời kiểu đĩa
3 Hệ thống thu nhiệt sử dụng gương dài
Hệ thống thứ ba là một thiết bị hình trũng, được thiết kế dưới dạng gương cầu dài, có chức năng hội tụ ánh sáng lên các ống dẫn chứa dung dịch đun (dầu - oil).
Dung dịch đun trong ống có thể đạt nhiệt độ lên đến 4000̊ C tại hệ thống phát điện năng lượng mặt trời ở Nam California Nhiệt độ cao này được sử dụng để đun nóng nước, tạo hơi để quay turbin, từ đó vận hành máy phát điện.
Hình 1.4 - Hệ thống gương dài thu nhiệt và làm nóng dung dịch đun nước tạo hơi chạy tua bin máy phát
Hệ thống làm nóng dung dịch đun nước tạo hơi quay tua bin máy phát có cấu tạo và nguyên lý hoạt động đặc biệt, mang lại nhiều ưu điểm và nhược điểm trong việc sử dụng năng lượng mặt trời Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo, giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường, nhưng cũng có một số hạn chế như phụ thuộc vào điều kiện thời tiết và chi phí đầu tư ban đầu cao.
+ Giúp người sử dụng tiết kiệm tiền.
- Sau khi đầu tư ban đầu đã được thu hồi, năng lượng từ mặt trời là thiết thực miễn phí.
- Thời kỳ hoàn vốn cho đầu tư này có thể rất ngắn tùy thuộc vào bao nhiêu hộ gia đình sử dụng điện từ hệ thống này.
Nếu hệ thống pin mặt trời sản xuất năng lượng vượt quá nhu cầu sử dụng, phần điện dư thừa có thể được bán lại cho bên điện lực.
- Sử dụng hệ thống điện năng lượng mặt trời giúp tiết kiệm tiền trên hóa đơn tiền điện hàng tháng.
- Năng lượng mặt trời không đòi hỏi thêm bất cứ loại nhiên liệu nào khác.
Hệ thống này không chịu ảnh hưởng từ sự cung cấp và nhu cầu nhiên liệu, vì vậy người sử dụng không cần lo lắng về sự biến động giá cả xăng dầu.
- Tiết kiệm được ngay lập tức và trong nhiều năm tới.
- Việc sử dụng năng lượng mặt trời sẽ gián tiếp làm giảm chi phí y tế.
- Năng lượng mặt trời sạch, tái tạo (không giống như dầu, khí đốt và than đá) nó bền vững, góp phần bảo vệ môi trường.
Hệ thống năng lượng mặt trời không gây ô nhiễm không khí vì không phát thải khí cacbon dioxide, oxit nitơ, khí lưu huỳnh hay thủy ngân vào khí quyển, khác với nhiều phương pháp sản xuất điện truyền thống Do đó, năng lượng mặt trời không góp phần vào sự nóng lên toàn cầu hay gây ra mưa axit.
- Nó tích cực góp phần vào việc giảm phát thải khí nhà kính có hại.
Năng lượng mặt trời không sử dụng nhiên liệu, do đó không gây ra chi phí hay vấn đề liên quan đến việc thu hồi, vận chuyển nhiên liệu và lưu trữ chất thải phóng xạ.
Năng lượng Mặt trời là giải pháp hiệu quả để bù đắp năng lượng tiêu thụ và cung cấp tiện ích, giúp giảm hóa đơn điện cho gia đình bạn Hệ thống năng lượng mặt trời không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn đảm bảo cung cấp điện liên tục ngay cả trong trường hợp mất điện.
Hệ thống năng lượng mặt trời có khả năng hoạt động độc lập mà không cần kết nối với bất kỳ lưới điện nào khác.
Việc sử dụng năng lượng mặt trời giúp giảm thiểu sự phụ thuộc vào các nguồn nước ngoài và tập trung vào năng lượng tái tạo, đồng thời không bị ảnh hưởng bởi thiên tai hay các sự kiện quốc tế Điều này góp phần quan trọng vào việc xây dựng một tương lai bền vững.
- Các hệ thống năng lượng mặt trời hầu như không cần bảo dưỡng và sẽ kéo dài trong nhiều thập kỷ.
- Sau khi lắp đặt hoàn thiện, không có chi phí định kỳ.
Hệ thống hoạt động một cách êm ái, không có bộ phận chuyển động, không phát sinh mùi khó chịu và không cần bổ sung nguyên liệu hay nhiên liệu bên ngoài.
- Việc kết nối thêm các tấm pin mặt trời là hoàn toàn có thể trong tương lai nếu như nhu cầu sử dụng điện từ hệ thống tăng lên.
Chi phí đầu tư ban đầu là một trong những bất lợi chính khi lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời, chủ yếu do giá cao của các vật liệu bán dẫn được sử dụng trong quá trình này.
Chi phí năng lượng mặt trời vẫn cao hơn so với điện từ các nguồn không tái tạo Tuy nhiên, khi tình trạng thiếu năng lượng ngày càng phổ biến, năng lượng mặt trời đang trở nên ngày càng cạnh tranh về giá cả.
- Tấm năng lượng mặt trời đòi hỏi diện tích một vùng rộng lớn để lắp đặt và để đạt được một mức độ hiệu quả cao.
Hệ thống thu nhiệt sử dụng gương dài
Hệ thống thứ ba là thiết bị hình trũng, được thiết kế như một gương cầu dài nhằm hội tụ ánh sáng vào các ống dẫn chứa dung dịch đun, thường là dầu (oil).
Dung dịch đun trong ống tại Solar Electric Generating Systems ở Nam California có thể đạt nhiệt độ lên đến 4000̊ C Nhiệt độ cao này được sử dụng để đun nóng nước, tạo hơi quay turbin và vận hành máy phát điện.
Hình 1.4 - Hệ thống gương dài thu nhiệt và làm nóng dung dịch đun nước tạo hơi chạy tua bin máy phát
Hệ thống làm nóng dung dịch đun nước tạo hơi quay tua bin máy phát sử dụng năng lượng mặt trời mang lại nhiều ưu điểm như giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tiết kiệm chi phí năng lượng Tuy nhiên, nó cũng gặp phải một số nhược điểm như phụ thuộc vào điều kiện thời tiết và chi phí đầu tư ban đầu cao.
+ Giúp người sử dụng tiết kiệm tiền.
- Sau khi đầu tư ban đầu đã được thu hồi, năng lượng từ mặt trời là thiết thực miễn phí.
- Thời kỳ hoàn vốn cho đầu tư này có thể rất ngắn tùy thuộc vào bao nhiêu hộ gia đình sử dụng điện từ hệ thống này.
Nếu hệ thống pin mặt trời sản xuất năng lượng vượt quá nhu cầu sử dụng, người dùng có thể bán lại điện dư thừa cho bên điện lực.
- Sử dụng hệ thống điện năng lượng mặt trời giúp tiết kiệm tiền trên hóa đơn tiền điện hàng tháng.
- Năng lượng mặt trời không đòi hỏi thêm bất cứ loại nhiên liệu nào khác.
Hệ thống này không chịu ảnh hưởng bởi sự biến động trong cung và cầu nhiên liệu, do đó người sử dụng không cần lo lắng về sự thay đổi giá xăng dầu.
- Tiết kiệm được ngay lập tức và trong nhiều năm tới.
- Việc sử dụng năng lượng mặt trời sẽ gián tiếp làm giảm chi phí y tế.
- Năng lượng mặt trời sạch, tái tạo (không giống như dầu, khí đốt và than đá) nó bền vững, góp phần bảo vệ môi trường.
Hệ thống năng lượng mặt trời không gây ô nhiễm không khí vì không phát thải các khí như carbon dioxide, oxit nitơ, khí lưu huỳnh hay thủy ngân vào bầu khí quyển Do đó, năng lượng mặt trời không góp phần vào sự nóng lên toàn cầu hay gây ra hiện tượng mưa axit.
- Nó tích cực góp phần vào việc giảm phát thải khí nhà kính có hại.
Năng lượng mặt trời hoàn toàn không sử dụng nhiên liệu, do đó không tạo ra chi phí cũng như không gặp phải các vấn đề liên quan đến thu hồi, vận chuyển nhiên liệu hay lưu trữ chất thải phóng xạ.
Năng lượng Mặt trời là giải pháp hiệu quả để bù đắp năng lượng tiêu thụ và cung cấp tiện ích, giúp giảm hóa đơn điện hàng tháng Bên cạnh đó, hệ thống năng lượng mặt trời còn đảm bảo cung cấp điện liên tục ngay cả trong trường hợp mất điện.
Hệ thống năng lượng mặt trời có khả năng hoạt động độc lập, không cần kết nối với bất kỳ mạng lưới điện nào khác.
Sử dụng năng lượng mặt trời giúp giảm thiểu sự phụ thuộc vào các nguồn nước bên ngoài và tập trung vào năng lượng tái tạo, đồng thời không bị ảnh hưởng bởi thiên tai hay các sự kiện quốc tế Điều này góp phần quan trọng vào việc xây dựng một tương lai bền vững.
- Các hệ thống năng lượng mặt trời hầu như không cần bảo dưỡng và sẽ kéo dài trong nhiều thập kỷ.
- Sau khi lắp đặt hoàn thiện, không có chi phí định kỳ.
Hệ thống hoạt động êm ái, không có bộ phận chuyển động, không phát ra mùi khó chịu và không cần thêm bất kỳ nguyên liệu hay nhiên liệu nào từ bên ngoài.
- Việc kết nối thêm các tấm pin mặt trời là hoàn toàn có thể trong tương lai nếu như nhu cầu sử dụng điện từ hệ thống tăng lên.
Chi phí đầu tư ban đầu là một trong những bất lợi chính khi lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời, chủ yếu do giá thành cao của các vật liệu bán dẫn được sử dụng trong quá trình này.
Chi phí năng lượng mặt trời hiện vẫn cao so với nguồn điện từ các tiện ích không tái tạo Tuy nhiên, khi tình trạng thiếu năng lượng ngày càng phổ biến, năng lượng mặt trời đang trở nên cạnh tranh hơn về giá cả.
- Tấm năng lượng mặt trời đòi hỏi diện tích một vùng rộng lớn để lắp đặt và để đạt được một mức độ hiệu quả cao.
Hiệu quả của hệ thống năng lượng mặt trời chịu ảnh hưởng bởi vị trí của mặt trời, nhưng có thể cải thiện bằng cách lắp đặt các thiết bị hỗ trợ bổ sung.
- Việc sản xuất năng lượng mặt trời bị ảnh hưởng bởi sự hiện diện của các đám mây, khói bụi trong không khí.
Vào ban đêm, năng lượng mặt trời không được sản xuất, do đó cần phải có hệ thống bộ tích trữ năng lượng để giải quyết vấn đề này.
1.3 TIỀM NĂNG ỨNG DỤNG CỦA NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI ĐỘC LẬP
CẤU TẠO HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI ĐỘC LẬP
2.1.1 Sơ đồ hệ thống điện mặt trời độc lập
Hình 2.1- Sơ đồ khối hệ thống quang điện mặt trời làm việc độc lập
Pin mặt trời chuyển đổi ánh sáng thành điện năng, tạo ra dòng điện một chiều (DC) Dòng điện này được dẫn đến bộ điều khiển, thiết bị tự động điều hòa quá trình nạp và phóng điện vào các thiết bị DC Nếu công suất pin đủ lớn, hệ thống sẽ lắp thêm bộ đổi điện để chuyển đổi dòng DC thành dòng xoay chiều (AC) cho các thiết bị gia dụng sử dụng điện áp 110-220V như đèn, quạt, và tivi.
Bảng 2.1: Cấu hình tiêu biểu của hệ thống điện năng lượng mặt trời
Stt Tên Thiết Bị Ghi Chú
1 Solar cells panel Monocrystalline ( Đơn tinh thể )
2 Solar Regulator Lựa chọn tùy mức điện thế và công suất của hệ thống
3 DC-AC Inverter Dạng sóng ra Step Wave hoặc Sine Wave
4 Battery ( acquy ) Bình khô, kín khí, không cần bảo dưỡng
5 Khung giá Chuyên dụng cho hệ thống
6 Dây Cáp Chuyên dụng cho hệ thống
( ngoài trời và trong nhà )
7 Phụ kiện lắp đặt Linh phụ kiện đồng bộ khác
Hiện nay, có hai công nghệ chế tạo nguồn điện pin mặt trời phổ biến: hệ nguồn nối lưới và hệ nguồn độc lập Hệ nguồn nối lưới biến đổi điện năng một chiều từ pin thành dòng điện xoay chiều và hòa vào mạng lưới điện công nghiệp, với ưu điểm không cần sử dụng bộ tích trữ năng lượng, giúp tiết kiệm chi phí và giảm ô nhiễm môi trường Trong khi đó, hệ nguồn độc lập thường được áp dụng cho những vùng không có lưới điện, chủ yếu phục vụ hộ gia đình ở nông thôn và vùng sâu, vùng xa tại các quốc gia đang phát triển nhờ tính gọn nhẹ, công suất phù hợp và dễ dàng sử dụng Trong bài viết này, chúng tôi sẽ chỉ tập trung nghiên cứu hệ nguồn pin mặt trời độc lập.
2.1.2 Hệ thống quang điện làm việc độc lập
Hệ nguồn pin năng lượng mặt trời độc lập là một hệ thống bao gồm các thành phần như giàn pin mặt trời, bộ tích trữ năng lượng, bộ biến đổi điện và các tải tiêu thụ, bao gồm cả tải một chiều và xoay chiều.
Giàn pin mặt trời bao gồm một hoặc nhiều module pin ghép nối tiếp hoặc song song, nhằm tạo ra công suất điện và hiệu điện thế phù hợp với nhu cầu tiêu thụ Trong hệ thống điện năng từ pin mặt trời, giàn pin đóng vai trò chủ đạo và chiếm tới 60% chi phí đầu tư Giàn pin hấp thụ ánh sáng mặt trời và chuyển đổi trực tiếp thành điện năng một chiều, phần điện này được sử dụng trực tiếp cho tải tiêu thụ, trong khi phần còn lại được lưu trữ qua bộ tích trữ và sau đó chuyển đổi thành điện xoay chiều.
Bộ tích trữ năng lượng đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng liên tục cho các tải tiêu thụ, đặc biệt là trong những thời điểm không có ánh nắng.
Năng lượng thu được từ pin mặt trời không ổn định do sự biến đổi của thời tiết, từ nắng mạnh đến trời âm u Để ổn định điện áp và kiểm soát quá trình nạp điện cho acquy, cần thiết phải có bộ điều phối năng lượng Bộ điều phối này sẽ tự động nạp điện cho acquy khi mức điện thấp và ngừng nạp khi acquy đã đầy, giúp tránh hiện tượng nổ và bảo vệ tuổi thọ của acquy.
Trong sinh hoạt hàng ngày, các thiết bị chủ yếu sử dụng điện xoay chiều như quạt điện và đèn chiếu sáng Để sử dụng những thiết bị này từ nguồn điện một chiều, chúng ta cần thiết bị biến đổi điện năng từ một chiều sang xoay chiều, hay còn gọi là bộ nghịch lưu điện áp (inverter).
Tất cả các thiết bị điều khiển quá trình phóng nạp điện cho acquy và thiết bị biến đổi điện đều có nhiệm vụ chung là phối hợp điều tiết sự cung cấp và cân bằng năng lượng trong hệ thống Do đó, chúng được gọi là thành phần cân bằng năng lượng (BOS - Balance Of System).
Hiệu suất của tấm pin mặt trời dao động từ 15% đến 18%, với công suất từ 25Wp đến 175Wp và số lượng cells trên mỗi tấm từ 36 đến 72 cells, kích thước cells từ 5 đến 6 inches Loại cells sử dụng là monocrystalline và polycrystalline, được làm từ khung nhôm Tuổi thọ trung bình của tấm pin khoảng 30 năm, có khả năng kết nối thành các trạm điện năng lượng mặt trời lớn không giới hạn, có thể hòa lưới hoặc hoạt động độc lập như hệ thống dự trữ điện Trong điều kiện nắng gắt, tấm pin có thể cung cấp khoảng 1kW năng lượng tại mặt đất khi mặt trời đứng bóng Công suất và điện áp của hệ thống phụ thuộc vào cách ghép nối các tấm pin lại với nhau Các panel mặt trời được lắp đặt ngoài trời để tối ưu hóa việc thu nhận ánh sáng mặt trời, vì vậy chúng được thiết kế với tính năng và vật liệu đặc biệt để chịu đựng điều kiện thời tiết khắc nghiệt.
Thiết bị này có chức năng điều tiết quá trình sạc cho acquy, bảo vệ acquy khỏi tình trạng nạp quá tải và xả quá sâu, từ đó nâng cao tuổi thọ cho acquy và giúp hệ thống hoạt động hiệu quả và bền bỉ hơn.
Bộ điều khiển này cung cấp thông tin về tình trạng nạp điện của hệ thống panel mặt trời vào acquy, giúp người sử dụng dễ dàng kiểm soát các phụ tải.
Bộ điều khiển đảm bảo an toàn cho quá trình nạp điện bằng cách bảo vệ khỏi điện áp quá cao (>13.8v) và quá thấp (