Thiết kế hệ thống bám cho modul pin năng lượng mặt trời

ĐẶT VẤN ĐỀ

Nhân loại đang trải qua thế kỷ 21, thời đại chứng kiến sự bùng nổ trong lĩnh vực khoa học công nghệ và ứng dụng các thành tựu công nghệ mới Tuy nhiên, sự phát triển này cũng kéo theo việc tiêu tốn nhanh chóng các nguồn năng lượng không tái tạo như dầu mỏ, than đá và điện năng.

Sự phát triển mạnh mẽ của nhân loại đang đối mặt với nhiều nguy cơ như hiệu ứng nhà kính, ô nhiễm môi trường và thiên tai Theo Liên Hợp Quốc, trong 100 năm qua, nhân loại đã sử dụng khoảng 30% tổng trữ lượng dầu mỏ toàn cầu, và dự báo nhu cầu này sẽ tăng gấp ba trong 30 năm tới.

Nhu cầu về năng lượng là yếu tố thiết yếu cho sự phát triển của mỗi quốc gia, đặc biệt là các quốc gia đang phát triển Việc sử dụng năng lượng hợp lý và tiết kiệm đã trở thành một yêu cầu cấp bách, buộc các quốc gia phải thực hiện các biện pháp tích cực Để đạt được điều này, bên cạnh quản lý nhu cầu năng lượng, việc nghiên cứu, phát triển và ứng dụng các nguồn năng lượng mới như năng lượng hạt nhân, năng lượng gió, và năng lượng Mặt Trời là vô cùng cần thiết, nhờ vào tính dồi dào, sẵn có và khả năng không gây ô nhiễm môi trường của chúng.

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Năng lượng Mặt Trời đã được nghiên cứu và ứng dụng từ những năm 1940, khi các Pin Mặt Trời đầu tiên được chế tạo để cung cấp năng lượng cho vệ tinh nhân tạo Tuy nhiên, chỉ đến những năm 1970, sau cuộc khủng hoảng dầu lửa đầu tiên, việc nghiên cứu, phát triển và ứng dụng Pin năng lượng Mặt Trời mới thực sự bùng nổ.

Năng lượng Mặt Trời đã trở thành một chủ đề được quan tâm và phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây Ở các quốc gia phát triển như Đức, Mỹ và Nhật Bản, việc sử dụng năng lượng Mặt Trời thay thế cho các nguồn năng lượng truyền thống đã trở nên phổ biến và nhận được sự ủng hộ lớn Tuy nhiên, tại các quốc gia nghèo hoặc đang phát triển, nghiên cứu và ứng dụng năng lượng Mặt Trời vẫn còn ở giai đoạn đầu, chủ yếu do chi phí ban đầu của một hệ thống năng lượng này còn cao.

NĂNG LƯỢNG MỚI” là khá lớn và để có thể thay đổi được thói quen sinh hoạt của người dân thì còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố

Trong những năm gần đây, Việt Nam đã triển khai mạnh mẽ các hoạt động nghiên cứu và ứng dụng năng lượng mới, đặc biệt là năng lượng Mặt Trời Tuy nhiên, các dự án này chủ yếu chỉ dừng lại ở quy mô hỗ trợ cho người nghèo từ chính phủ và các tổ chức nước ngoài Đối với đại đa số người dân, việc sử dụng năng lượng tái tạo vẫn chưa phổ biến do thiếu nhận thức về lợi ích và chi phí đầu tư ban đầu cao, trong khi thu nhập bình quân vẫn ở mức thấp.

CHƯƠNG 1: DẪN NHẬP 4 4 vậy việc nghiên cứu, triển khai cho sinh viên tiếp cận đối với các hệ thống ứng dụng các nguồn năng lượng mới là việc cần được sớm thực hiện

Vì những lý do trên, nhóm sinh viên quyết định thực hiện đề tài “thiết kế hệ thống bám cho modul pin năng lượng mặt trời”.

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Nhóm sinh viên đã thiết kế và thi công mô hình hệ thống bám cho mô-đun pin năng lượng mặt trời, đảm bảo rằng tấm pin luôn vuông góc với ánh sáng mặt trời để tối ưu hóa hiệu suất Năng lượng thu được sẽ được tích trữ và sử dụng cho các mục đích khác, như hệ thống chiếu sáng cho các khu C,D tại trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM.

GIỚI HẠN

 Tìm hiểu về năng lượng mặt trời

 Tìm hiểu về pin năng lượng mặt trời

 Tìm hiểu, thiết kế mạch điều khiển bám cho pin mặt trời

 Thiết kế các mạch mô hình sử dụng nguồn năng lượng thu được từ pin năng lượng mặt trời vào các mục đích khác nhau trong cuộc sống.

BỐ CỤC ĐỀ TÀI

CHƯƠNG 2: Cơ sở lý thuyết

CHƯƠNG 3: Thiết kế hê ̣ thống

CHƯƠNG 5: Kết luận và hướng phát triển.

ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong hệ thống pin Mặt Trời, dàn pin là thành phần quan trọng nhất, có diện tích từ 0.5m² đến hàng trăm m² tùy thuộc vào công suất của hệ thống Hiện nay, pin Mặt Trời tinh thể silic đang được sử dụng phổ biến.

1 Panel Pin công suất khoảng 100W có diện tích 1m 2

Việc định hướng Pin Mặt Trời rất quan trọng vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến lượng điện năng mà hệ thống Pin sản xuất hàng ngày.

Trái Đất thực hiện hai chuyển động đồng thời: một là quay quanh trục của nó và hai là quay quanh Mặt Trời Chính vì vậy, chúng ta có thể nhận thấy Mặt Trời “di chuyển” hàng ngày trên bầu trời từ hướng Đông sang hướng Tây.

Vị trí của mặt trời di chuyển theo hướng Bắc – Nam so với đường Xích Đạo theo một đường hình sin, đạt cực bắc tại vĩ độ 23,45 vào ngày Hạ Chí (21-6) và cực nam ở vĩ độ tương ứng vào ngày Đông Chí.

Vào lúc 23 giờ 45 phút ngày Đông Chí (21-12) hàng năm, phương tới của Mặt Trời đối với một điểm cố định trên mặt đất thay đổi một cách liên tục và phức tạp.

Để tối ưu hóa năng lượng Mặt Trời, dàn Pin Mặt Trời cần luôn hướng về phía Mặt Trời, yêu cầu hệ thống quay theo hai trục: Bắc-Nam để di chuyển từ Đông sang Tây và Đông-Tây để điều chỉnh lên xuống theo hướng Bắc-Nam Hệ thống này còn có khả năng nghiêng một góc ┴ khi trời mưa, giúp nước mưa tự vệ sinh cho các tấm Pin Một hệ thống tự động định hướng như vậy được gọi là “Hệ thống điều khiển bám cho modul pin năng lượng Mặt Trời”.

Ý TƯỞNG THIẾT KẾ VÀ THIẾT BI ̣ HIỆN CÓ

Mục tiêu của hệ thống điều khiển bám cho panel pin năng lượng Mặt Trời là thiết kế để panel luôn chuyển động tương đối với hướng ánh sáng.

Mặt Trời, khi mọc ở hướng Đông vào buổi sáng, yêu cầu các tấm pin năng lượng mặt trời phải quay về hướng Đông Vào lúc 12h trưa, khi Mặt Trời ở đỉnh, các tấm pin cũng cần tự động điều chỉnh để đảm bảo hướng của tia bức xạ luôn vuông góc với bề mặt của chúng.

Mục tiêu chính là tối ưu hóa lượng bức xạ thu được trong suốt cả ngày, đảm bảo cường độ ánh sáng đạt mức đồng đều.

Để đạt được mục tiêu, panel trong hệ thống điều khiển bám cần thực hiện hai chuyển động: chuyển động đầu tiên theo trục Bắc-Nam nhằm định hướng tấm.

Pin Mặt Trời di chuyển từ Đông sang Tây, phản ánh vị trí hàng ngày của Mặt Trời trên bầu trời từ sáng đến tối Ngoài ra, chuyển động theo trục Đông-Tây giúp điều chỉnh tấm Pin Mặt Trời lên xuống theo hướng Bắc-Nam.

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 39 39

Thiết bị hiện có của nhóm là một panel pin Mặt Trời đa tinh thể Projecta

AD12 – 18 – P là một loại pin mặt trời hình vuông, được chế tạo từ các tế bào quang điện bằng silicon Các tế bào này có hiệu suất phát điện cao hơn so với tế bào của pin mặt trời vô định hình, trong cùng một diện tích và dưới cùng một cường độ bức xạ ánh sáng.

Panel được trang bị lớp kính gia cường trong suốt, bảo vệ tấm pin khỏi mọi điều kiện thời tiết Với hàm lượng sắt thấp, lớp kính này cho phép ánh sáng đi qua hiệu quả hơn, giảm thiểu lượng ánh sáng phản xạ ra môi trường.

Hình 3.1: Pin mặt trời AD12 – 18 – P

Thông số pin năng lượng mặt trời AD12 – 18 – P(ta ̣i 25°C):

Bả ng 3.1: Thông số pin năng lượng mă ̣t trời AD12 – 18 – P

Nhiệt đô ̣ chi ̣u đựng (𝑇 𝑜𝑙 ) 0 ÷ 3% Điê ̣n áp ta ̣i công suất cực đa ̣i (𝑉 mp ) 17.5V

Dòng điê ̣n ta ̣i công suất cực đa ̣i (I mp ) 0.69A Điê ̣n áp hở ma ̣ch (𝑉 oc ) 21.5V

Dòng điê ̣n ngắn ma ̣ch (I sc ) 0.78A

Nhiệt đô ̣ lý thuyết mà cell hoa ̣t đô ̣ng (NOCT) 45 ± 2°C Điê ̣n áp tối đa của hê ̣ thống 1000VDC lớ p A

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 40 40

SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG

Sơ đồ khối của hê ̣ thống:

Hình 3.2: Sơ đồ khối hê ̣ thống

Hệ thống bao gồm các khối:

 Khối lưu trữ: lưu trữ nguồn điê ̣n lấy từ pin mă ̣t trời

 Khối điều khiển: điều khiển xoay pin mă ̣t trời

 Khối nghi ̣ch lưu: chuyển đổi điê ̣n áp DC – AC

 Pin mặt trời: ta ̣o điê ̣n năng từ năng lượng mă ̣t trời

 Khối nguồn DC: chuyển đổi điê ̣n áp DC – DC.

KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC PHẦN LÝ THUYẾT

- Hiểu biết về cấu ta ̣o, nguyên lý hoa ̣t đô ̣ng của pin năng lượng mă ̣t trời

- Hiểu được cách điều khiển động cơ bướ c, giao tiếp LCD với vi điều khiển

- Biết được cách giao tiếp, chuyển đổi ADC trong vi điều khiển PIC

- Tìm hiểu được mô ̣t số ma ̣ch công suất, ma ̣ch điều khiển trong đề tài

- Trao dồi khả năng sử du ̣ng phần mềm lâ ̣p trình CCS, phần mềm vẽ ma ̣ch điê ̣n Protues.

KẾT LUẬN

Năng lượng Mặt Trời là một nguồn năng lượng tái tạo quan trọng mà thiên nhiên cung cấp cho Trái Đất, đồng thời cũng là nguồn gốc cho các dạng năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió và năng lượng từ các dòng sông.

Pin năng lượng Mặt Trời là thiết bị chuyển đổi năng lượng Mặt Trời thành điện năng sạch, giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

Trong đồ án, chúng em đã trình bày cơ sở và cấu tạo của pin năng lượng Mặt Trời, cũng như thiết kế thành công hệ thống điều khiển bám cho module Hệ thống này giúp sinh viên hiểu rõ hơn về cấu trúc và nguyên tắc hoạt động của pin năng lượng Mặt Trời Hệ thống điều khiển bám được thiết kế có khả năng tự định hướng dàn pin nhỏ theo vị trí của Mặt Trời, mở ra cơ hội nghiên cứu ứng dụng cho các hệ thống lớn hơn Sinh viên có thể tính toán lại kết cấu để đáp ứng yêu cầu của hệ thống lớn hơn, đồng thời nghiên cứu và áp dụng mạch điều khiển vào các hệ thống khác như báo trộm hoặc các ứng dụng rộng rãi của cảm biến quang.

Hệ thống điều khiển bám cho module pin năng lượng Mặt Trời tại Việt Nam không chỉ mang lại lợi ích về tự động hóa mà còn góp phần bảo vệ môi trường Hệ thống này cho phép sản xuất điện năng trực tiếp từ tấm pin năng lượng Mặt Trời mà không gây ô nhiễm, cung cấp nguồn điện một chiều hoặc xoay chiều thông qua bộ biến đổi điện áp (bộ nghịch lưu).

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 56 56

HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Đề tài này hoàn thành nhưng cần phải cải thiê ̣n thêm để hoa ̣t đô ̣ng tốt hơn như sau:

- Kết nối hiển thị biểu đồ năng lượng trên máy tính nhằm mu ̣c đích thu thâ ̣p dữ liê ̣u nghiên cứu

- Dựa vào lượng năng lượng thu được có thể dự báo thời tiết

- Phát triển thành mô ̣t mô hình lớn sử du ̣ng trong hô ̣ gia đình,…

+ [1] PGS.TS Trần Thu Hà chủ biên, giáo trình “Điê ̣n Tử Cơ Bản”, Trường Đa ̣i học Sư pha ̣m kỹ thuâ ̣t Tp.HCM, năm 2013

+ [2] Ths Hoàng Ngo ̣c Văn, giáo trình “Điê ̣n tử công suất”, Trường Đa ̣i ho ̣c Sư pham kỹ thuâ ̣t Tp.HCM, năm 2007

+ [3] PGS.TS Đă ̣ng Đình Thống, “Cơ sở năng lượng mới và tái ta ̣o”, Đa ̣i ho ̣c Bách khoa Hà Nô ̣i, năm 2006

+ Báo Khoa ho ̣c và Đời sống, “Giải pháp nào cho năng lượng bền vững”, số 280, ngày 24/12/2005

Ngoài ra nhóm còn tham khảo tài liê ̣u trên các wedsite:

- http://thuvienso.apd.edu.vn/

Phần mềm sử du ̣ng trong đề tài:

- Phần mềm lâ ̣p trình: PIC C Compiler CCS v5.015

- Phần mềm mô phỏng và vẽ ma ̣ch in: Proteus 8.0.