Tài liệu Thiết kế, chế tạo dàn pin mặt trời tự xoay

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY THIẾT KẾ, CHẾ TẠO DÀN PIN MẶT TRỜI TỰ XOAY VĂN CÔNG BÍCH Thái nguyên – 2010 - 1Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP Độc lập - Tự do - Hạnh phúc LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THIẾT KẾ, CHẾ TẠO DÀN PIN MẶT TRỜI TỰ XOAY Học viên: VĂN CÔNG BÍCH Lớp: Cao học K11 Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy Người HD khoa học: TS NGUYỄN VĂN DỰ NGƯỜI HƯỚNG DẪN HỌC VIÊN TS Nguyễn Văn Dự Văn Công Bích KHOA ĐÀO TẠO SĐH ĐẠI HỌC KTCN THÁI NGUYÊN - 2Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Lời cam đoan Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong cuốn luận văn này là của bản thân thực hiện, chưa được sử dụng cho bất kỳ một khóa luận tốt nghiệp nào khác. Theo hiểu biết cá nhân, chưa có tài liệu khoa học nào tương tự được công bố, trừ những thông tin tham khảo được trích dẫn. Văn Công Bích Tháng 09 năm 2010 - 3Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Lời cám ơn Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến giáo viên hướng dẫn khoa học của tôi, Tiến sỹ Nguyễn Văn Dự, người đã tận tình chỉ bảo, động viên và giúp đỡ cho tôi rất nhiều trong suốt thời gian làm luận văn tốt nghiệp. Tôi cũng xin gửi lời cám ơn đến bạn Hoàng Tiến Đạt, sinh viên khóa K41CCM04, đã giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận văn. Tôi xin cám ơn tới Ban giám hiệu, Ban chủ nhiệm khoa Cơ khí chế tạo trường Cao đẳng Công nghiệp Huế đã tạo điều kiện để tôi được tham gia và hoàn thành khóa học này. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến bố mẹ tôi, người đã cho tôi những lời khuyên, những lời động viên, những chỉ bảo để tôi ngày càng hoàn thiện hơn. Tôi cũng xin gửi lời cám ơn đến bà cô của tôi, bà Văn Thị Hường, người đã cho tôi những lời khuyên bổ ích, động viên tôi, người đã cho tôi một phần kinh phí để hoàn thành khóa học này. Tôi vô cùng cám ơn người vợ thương yêu của, một “hậu phương” vững chắc đã động viên, chăm lo gia đình, hỗ trợ tinh thần để tôi yên tâm trong công tác nghiên cứu, hoàn thành khóa học này. Tôi xin chân thành cám ơn ban giám hiệu, khoa đào tạo sau đại học trường Đại học Công Nghiệp Thái Nguyên đã hết sức tạo điều kiện cho tôi tham gia khóa học này. Cuối cùng tôi xin gửi lời cám ơn đến các đồng nghiệp, bạn bè đã hỗ trợ và giúp đỡ tôi trong khoá học. - 4Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Tóm tắt Luận văn này trình bày một giải pháp cho vấn đề tính toán, thiết kế và chế tạo dàn năng lượng mặt trời tự xoay theo hướng tia sáng nhằm thu được quang năng lớn nhất. Mặc dù dàn năng lượng tự xoay đã được giới thiệu lần đầu năm 19…, nhưng đến nay, chưa có tài liệu hướng dẫn tính toán, thiết kế nào về hệ thống này được công bố. Các dàn tự xoay có mục tiêu là đảm bảo tia sáng mặt trời luôn vuông góc với bề mặt hấp thụ ánh sáng. Cơ sở để xác định cách bố trí và phương thức xoay của hệ thống bao gồm quy luật chuyển động tương đối của mặt trời so với vị trí đặt dàn thu, các lý thuyết tính toán xác định phương bố trí trục xoay và góc xoay. Các vấn đề này đã được sưu tập, giới thiệu và phân tích trong luận văn. Bài toán sức bền của hệ khung, dầm, giá đỡ của hệ thống được tính toán dựa trên lý thuyết sức bền vật liệu và được giải trên máy tính. Tải trọng đặt lên hệ thống được xác định bao gồm trọng lượng các chi tiết, tải trọng gió cũng như quán tính của hệ. Tốc độ quay của dàn được lựa chọn và thử nghiệm nhằm đảm bảo yêu cầu chuyển động êm, ít gây rung động. Các thông số tải trọng và tốc độ xoay được dùng làm đầu vào cho bài toán lựa chọn động cơ và hệ truyền dẫn cơ khí. Các vấn đề này đã được giải quyết trọn vẹn trong luận văn. Các kết quả tính toán nói trên đã được dùng làm cơ sở để triển khai thiết kế và chế tạo một mô hình dàn xoay thực. Kết quả vận hành thử nghiệm cho thấy, hệ thống cơ khí có kết cấu hợp lý, bố trí phù hợp, làm việc êm và ổn định. Mô hình có thể dùng để kiểm nghiệm cho các bài toán tính toán khác về dàn tự xoay. - 5Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Mục lục Lời cam đoan 1 Lời cám ơn 2 Tóm tắt 3 Mục lục 4 Danh mục các hình ảnh 7 Danh mục các bảng biểu 10 Chương 1: Giới thiệu 11 1.1. Đặt vấn đề 11 1.2. Mục đích nghiên cứu của đề tài 13 1.3. Đối tượng nghiên cứu 13 1.4. Phương pháp nghiên cứu 13 1.5. Các kết quả đạt được 14 1.6. Cấu trúc luận văn 14 Chương 2: Tổng quan 16 2.1. Tiềm năng của nguồn năng lượng mặt trời 16 2.2. Các kiểu khai thác năng lượng mặt trời 17 2.3. Một số kiểu dàn xoay 20 2.3.1. Nguyên tắc xoay 20 2.3.2. Các kết cấu xoay 21 2.3.3. Các phương án điều khiển 26 2.3.4. Cơ sở để xoay dàn pin 27 - 6Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2.4. Kết luận 34 Chương 3:Thiết kế, chế tạo dàn tự xoay 35 3.1. Giới thiệu 35 3.2. Sơ đồ kết cấu hệ thống 35 3.2.1. Mô đun cơ khí 35 3.2.2. Mô đun điều khiển 37 3.3. Thiết kế dàn 500W 37 3.3.1. Lựa chọn kiểu pin 37 3.3.2. Thiết kế khung dàn 38 3.3.2.1. Bố trí khung dàn 39 3.3.2.2. Kiểm tra độ bền của khung 40 3.3.2.3. Kiểm tra độ bền dầm chính 42 3.3.3. Thiết kế trục 43 3.3.4. Thiết kế khung đỡ 45 3.3.5. Thiết kế trụ đỡ 46 3.3.6. Chọn công suất động cơ 48 3.4. Thiết kế dàn 40W 51 3.4.1. Lựa chọn kiểu pin 51 3.4.2. Thiết kế khung dàn 51 3.4.2.1. Bố trí khung dàn 51 3.4.2.2. Kiểm tra độ bền của khung 52 3.4.2.3. Kiểm tra độ bền dầm chính 54 3.4.3. Thiết kế trục 55 - 7- Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3.4.4. Thiết kế trụ đỡ 56 3.4.5. Chọn công suất động cơ 58 3.5. Thiết kế điều khiển chuyển động 60 3.5.1. Lựa chọn kiểu điều khiển 60 3.5.2. Các bộ phận chính của hệ thống điều khiển 61 3.5.3. Lựa chọn và bố trí cảm biến 65 3.6. Kết luận 68 Chương 4: Kết quả chế tạo và vận hành thử nghiệm 4.1. Kết quả chế tạo 69 69 4.1.1. Mô đun cơ khí 69 4.1.2. Mô đun khiển 71 4.2. Vận hành thử nghiệm 74 4.2.1. Thử nghiệm độ ổn định 74 4.2.2. Thử nghiệm trong phòng 74 4.2.3. Thử nghiệm ngoài trời 75 4.3. Vận hành dàn pin 75 4.4. Một số vấn đề lưu ý khi thiết kế, chế tạo 76 4.5. Kết luận 76 Chương 5: Kết luận và đề xuất 77 5.1. Kết luận 77 5.2. Đề xuất 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 - 8Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Danh mục các hình ảnh. Hình Nội dung Trang Hình 2.1. Động cơ hoạt động nhờ ánh sáng mặt trời 17 Hình 2.2. Bếp năng lượng mặt trời 18 Hình 2.3. Nhà máy điện năng lượng mặt trời 19 Hình 2.4. Du thuyền hoạt động bằng năng lượng mặt trời 19 Hình 2.5. Mô tả góc tới tia sáng mặt trời đối với pháp tuyến mặt phẳng nằm Hình 2.6. ngang 20 Dàn pin tự xoay theo một trục 22 Hình 2.7. Biểu đồ so sánh năng lượng thu được giữa hai kiểu dàn Hình 2.8. Tỉ lệ % giữa năng lượng thu được của giàn 2 trục so với giàn cố định giảm dần khi góc quay tăng dần Hình 2.9. 22 23 Mô hình dàn pin xoay theo 2 trục, một trục quay theo góc phương vị và một trục quay theo góc vĩ độ 24 Hình 2.10 Biểu đồ so sánh công suất của hệ thống xoay hai trục 26 Hình 2.11 Các kiểu điều khiển 27 Hình 2.12 Mô tả các góc chiếu sáng 28 Hình 2.13 Minh họa các góc nghiêng 28 Hình 2.14 Mô tả góc nghiêng của trái đất so với trục quãy đạo trái đất 31 Hình 2.15 Dàn pin xoay theo một trục 32 Hình 2.16 Bếp thu năng lượng mặt trời tự xoay 33 - 9Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 3.1 Sơ đồ dàn pin 36 Hình 3.2 Kết cấu khung dàn 39 Hình 3.3 Liên kết giữa thanh giằng và dầm chính 40 Hình 3.4 Sơ đồ phân bố lực trên một thanh giằng ngang 41 Hình 3.5 Ứng suất của dầm 42 Hình 3.6 Chi tiết dầm chính 42 Hình 3.7 Mô phỏng lực tác dụng lên dầm chính 43 Hình 3.8 Mô phỏng ứng suất của dầm 43 Hình 3.9 Cụm các chi tiết trục 44 Hình 3.10 Chi tiết trục 44 Hình 3.11 Mô phỏng trục chịu lực 45 Hình 3.12 Mô phỏng ứng suất 45 Hình 3.13 Khung đỡ 46 Hình 3.14 Trụ đỡ dàn pin 47 Hình 3.15 Mô phỏng ứng suất của dầm 48 Hình 3.16 Kết cấu khung dàn 52 Hình 3.17 Sơ đồ phân bố lực trên một thanh 53 Hình 3.18 Ứng suất của dầm 54 Hình 3. 19 Chi tiết dầm chính 54 Hình 3.20 Mô phỏng lực tác dụng lên dầm chính 55 Hình 3.21 Mô phỏng ứng suất trên dầm 55 Hình 3.22 Chi tiết trụ 55 - 10- Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 3.23 Mô phỏng trục chịu lực 56 Hình 3.24 Mô phỏng ứng suất 56 Hình 3.25 Trụ đỡ dàn pin 57 Hình 3.26 Mô phỏng ứng suất trên dầm 58 Hình 3.27 Sơ đồ mạch khối xử lý trung tâm (PC). 62 Hình 3.28 Sơ đồ mạch nút điều khiển 63 Hình 3.29 Sơ đồ mạch điều khiển bằng tay 63 Hình 3.30 Sơ đồ mạch báo hiệu 63 Hình 3.31 Sơ đồ mạch khối cách ly ánh sáng 64 Hình 3.32 Sơ đồ mạch điều khiển động cơ 64 Hình 3.33 Trường hợp cảm biến B nhận tín hiệu 65 Hình 3.34 Trường hợp hai cảm biến cùng nhận tín hiệu 66 Hình 3.35 Trường hợp cảm biến A nhận tín hiệu 66 Hình 3.36 Sơ đồ mạch khối cảm biến 67 Hình 3.37 Sơ đồ mạch công tắc hành trình 67 Hình 4.1 Tổng thể dàn quay 69 Hình 4.2 Cụm chi tiết rục truyền động 70 4 Hình 4.3 Bản mạch in bộ điều khiển 71 Hình 4.4 Bo mạch chính 72 Hình 4.5 Bố trí cảm biến 73 Hình 4.6 Công tắc hành trình 74 - 11- Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Danh mục các bảng, biểu Bảng Nội dung Trang Bảng 3.1 Thông số tấm pin năng lượng mặt trời 38 - 12Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Chương 1 GIỚI THIỆU 1.1. Đặt vấn đề Sử dụng những nguồn năng lượng như: thang đá, dầu,…đã thải ra khí quyển một lượng chất thải nguy hiểm, những chất này làm cho trái đất ngày càng ấm lên, là nguyên nhân gây ra những biến đổi về khí hậu theo hướng tiêu cực. Để hạn chế những tác động trên, những nhà khoa học trên thế giới, những quốc gia phát triển đã tích cực tìm ra những nguồn năng lượng mới để thay thế cho những nguồn năng lượng trên như: năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng sóng biển,…, trong đó nguồn năng lượng lấy từ mặt trời được quan tâm nhiều hơn cả do những ưu việt về độ ổn định, tính dễ khai thác và cấu trúc đơn giản của hệ thống. Cho đến nay nhiều hệ thống thu và biến đổi năng lượng mặt trời đã được thiết kế, chế tạo và lắp đặt khắp nơi trên thế giới. Cách thức thông dụng nhất hiện nay là sử dụng các dàn pin mặt trời để chuyển hóa trực tiếp quang năng thành điện năng, một dạng năng lượng dễ lưu trữ, dễ phân phối, truyền tải và tiện dụng nhất. Vấn đề khó khăn đặt ra là giá thành các tấm pin mặt trời thường rất đắt. Do vậy, phải tìm cách nâng cao hiệu suất của chúng. Vào những ngày có nắng, mặt trời di chuyển một góc khoảng 1800 so với một điểm cố định trên mặt đất. Rõ ràng, một dàn pin đặt cố định sẽ thu được quang năng ít hơn nhiều so với một dàn pin luôn có xu hướng hứng trọn ánh nắng mặt trời. Hệ thống xoay tự động là một hệ thống luôn giữ cho tia bức xạ chiếu vuông góc lên bề mặt tấm pin trong suốt thời gian chiếu sáng ban ngày, làm tăng hiệu suất của dàn pin. Hệ thống xoay tự động đã được F.M.AL NAIMA and N.A.YAGHOBIAM chế tạo năm 1990 [14] và được vận hành hoàn toàn - 13Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn dựa vào truyền dẫn cơ khí. Kể từ đó, đã có nhiều nghiên cứu về giải thuật điều khiển [2, 15, 16, 17, 18, 19] để tăng hiệu quả của các dàn năng lượng mặt trời. Mặc dù có nhiều cách bố trí và điều khiển khác nhau, phép xoay dàn năng lượng đều được phân tách thành hai chuyển động xoay độc lập: xoay theo góc phương vị và xoay theo góc vĩ độ. Nói theo góc độ cơ khí, có thể thực hiện xoay dàn năng lượng quanh 2 trục vuông góc với nhau. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, dàn xoay 2 trục mang lại hiệu suất cao hơn 40 % so với dàn cố định . Các dàn xoay quanh 1 trục theo hướng Bắc – Nam, mặc dù có hiệu suất thấp hơn khoảng 10% so với dàn quay 2 trục, nhưng lại có kết cấu đơn giản hơn hẳn . Công suất cần thiết để xoay dàn thường chiếm khoảng 10 đến 30% công suất điện thu được từ dàn pin mặt trời. Điều này cho phép có thể xem xét đầu tư cho bài toán thiết kế, chế tạo các hệ thống dẫn động và điều khiển dàn tự xoay [2]. Mặc dù đã có nhiều dàn năng lượng mặt trời tự xoay, nhưng đến nay chưa có một tài liệu hướng dẫn tính toán, thiết kế kết cấu cơ khí nào cho các hệ thống này được công bố. Kết cấu, kích thước chế tạo của các dàn tự xoay hầu như được chế tạo theo kinh nghiệm. Quan tâm đến vấn đề này, có nhiều câu hỏi cần được trả lời, chẳng hạn như: 1) Xác định kết cấu khung – dàn như thế nào để đủ bền? 2) Động học và động lực học của hệ truyền động cần được xác định như thế nào? 3) Có thể xây dựng công thức chung để xác định các thông số chế tạo của hệ khung dàn và hệ dẫn động được không? 4) Hiệu quả về năng lượng, giá thành của các hệ thống tự xoay? Đề tài này được thực hiện nhằm thử nghiệm trả lời hai câu hỏi 1 và 2, đồng thời ứng dụng để chế tạo thử nghiệm một hệ thống dàn tự xoay theo - 14Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn hướng tia sáng. Kết quả tính toán và mô hình thử nghiệm này có thể được dùng làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo để trả lời hai câu hỏi 3 và 4. 1.2. Mục đích nghiên cứu của đề tài Đề tài có mục tiêu chủ yếu là Thiết kế và Chế tạo khung, hệ thống giá đỡ, hệ truyền động cơ khí cho dàn đỡ pin mặt trời có khả năng tự xoay theo hướng mặt trời có một bậc tự do. Các mục tiêu cụ thể là: 1) Phân tích quỹ đạo di chuyển của mặt trời và các nguyên tắc xoay dàn nhằm chọn ra phương pháp dẫn động và điều khiển thích hợp; 2) Tính toán thiết kế hệ thống giá đỡ, chọn động cơ hệ truyền động cơ khí cho dàn năng lượng mặt trời tự xoay có công suất 500 W. 3) Chế tạo một hệ thống thực đầy đủ cả thiết bị điều khiển; 4) Vận hành thử nghiệm để chỉ ra các lưu ý thiết kế các hệ thống tương tự. 1.3. Đối tượng nghiên cứu 1) Các hệ thống năng lượng mặt trời tự xoay; 2) Kết cấu giá đỡ, hệ truyền động cơ khí cho dàn đỡ pin mặt trời có khả năng tự xoay theo hướng mặt trời. 3) Mô hình thực tế. 1.4. Phương pháp nghiên cứu. 1) Thu thập và phân tích dữ liệu về quy luật chuyển động của trái đất xung quanh mặt trời theo các mùa trong năm, quy luật chuyển động của mặt trời trong một ngày; 2) Lựa chọn phương án truyền dẫn và kết cấu hệ thống dàn pin tự xoay; 3) Xác định tải tác dụng lên hệ thống, bao gồm cả ảnh hưởng của gió bão; - 15Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4) Ứng dụng các kiến thức về tính bền, động học và động lực học truyền dẫn cơ khí để thiết kế và chế tạo mô hình thực; 5) Phân tích kết quả vận hành thử nghiệm để đưa ra các lưu ý và chỉ dẫn thiết kế. 1.5. Các kết quả đạt được Đề tài này đã giải quyết được vấn đề chính được đặt ra là nâng cao hiệu suất của dàn pin năng lượng mặt trời bằng cách điều hiển dàn đỡ tấm pin mặt trời sao cho phương của tia sáng mặt trời luôn luôn vuông góc với mặt phẳng tấm pin năng lượng mặt trời. Dưới đây là các kết quả chính mà nghiên cứu này đạt được: 1. Đã giới thiệu và phân tích quy luật chuyển động tương đối của mặt trời, dùng làm cơ sở xác định nguyên tắc xoay dàn năng lượng; 2. Đã giới thiệu cách tính toán thiết kế hệ khung dầm đảm bảo điều kiện bền; 3. Đã tính toán, lựa chọn và bố trí hệ truyền động đáp ứng được yêu cầu về động học và động lực học của hệ thống; 4. Đã thiết kế, chế tạo và lắp ráp thành công một mô hình dàn đỡ pin mặt trời tự xoay theo một trục và có góc nghiêng ban đầu cố định; 5. Đã vận hành thử nghiệm và phân tích các ưu, nhược của kết cấu cơ khí, từ đó thấy được các vấn đề cần lưu ý khi thiết kế, chế tạo dàn năng lượng tự xoay. 1.6. Cấu trúc luận văn. Luận văn được chia thành 4 chương với các nội dung chính như sau: Chương 1: trình bày những tác động đến môi trường sống do việc sản năng lượng điện từ thang đá, khí ga, thủy năng,…, những ưu điểm của nguồn năng lượng được sản xuất từ mặt trời. Tìm hiểu tình hình sử dụng năng lượng mặt trời và các kiểu dàn đỡ pin trên thế giới và ở Việt Nam. Chương 2: tìm hiểu quy luật thay đổi phương của tia trực xạ mặt trời đối với một điểm nằm trên mặt phẳng trái đất ở những vị trí khác nhau và vào những - 16Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn thời điểm khác nhau để áp dụng kiểu điều khiển phù hợp. Phân tích, so sánh ưu nhược điểm của từng loại dàn đỡ để từ đó đưa ra lựa chọn kiểu dàn tối ưu. Chương 3: Thiết kế, chế tạo dàn đỡ pin quay theo một trục và nghiêng cố định theo một góc. Chương 4: Lắp ráp, vận hành mô hình dàn pin, tìm ra nững nhược điểm cần khắc phục, hướng dẫn lắp đặt và vậ hành, bảo dưỡng, đưa ra những khuyến cáo khi ứng dụng dàn pin tự xoay. Chương 5: Kết luận và đề xuất. - 17Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Chương 2 TỔNG QUAN 2.1. Tiềm năng của nguồn năng lượng mặt trời Năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt, dân số tăng vọt, kinh tế phát triển như vũ bão,... đã dẫn đến yêu cầu bức thiết phải có những phương cách mới trong việc cung ứng và sử dụng năng lượng. Ước tính, nguồn năng lượng tự nhiên hiện nay của chúng ta sẽ cạn kiệt trong thời gian tới, trong đó dự báo nguồn dầu mỏ thương mại trên thế giới còn dùng khoảng 60 năm, khí tự nhiên 80 năm, than 150-200 năm. Trước thực trạng trên, đòi hỏi chúng ta phải tìm ra những những nguồn năng lượng thay thế. Một trong những giải pháp chủ yếu là tìm kiếm những nguồn năng lượng tái tạo được, những dạng năng lượng mà khi khai thác cũng như tiêu thụ tác động ít nhất đến môi trường như: năng lượng gió, năng lượng sóng biển, năng lượng mặt trời,…Trong đó, năng lượng mặt trời được xem là nguồn năng lượng tái tạo sạch nhất và ít gây ảnh hưởng đến môi trường nhất, có ở khắp trên bề mặt của trái đất. Năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng sạch, tái tạo vô tận.Theo tính toán của các nhà khoa học, nếu thu được 10% năng lượng mặt trời trên toàn bộ bề mặt trái đất có thể cung cấp 20TW (20.000.000 MW), lớn gấp 10.417 công suất thiết kế của nhà máy thủy điện Hòa Bình và bằng khoảng hai lần năng lượng hóa thạch có được trên thế giới [2]. Nếu thu năng lượng mặt trời trên trái đất trong 72 giờ, sẽ tương đương với nguồn năng lượng thu được từ tất cả các mỏ than, dầu và khí thiên nhiên trên khắp thế giới [3]. Tại Việt Nam, hiện nay lượng năng lượng tái tạo khai thác được chỉ bằng 2,3 % trong tổng thể nguồn năng lượng điện, trong đó nguồn năng lượng sản xuất từ mặt trời chưa xứng với tiềm năng của nó, chỉ chiếm một tỉ lệ 0,009% [4]. Việt Nam đang có kế hoạch phấn đấu đến năm 2015, nguồn năng lượng tái tạo khai - 18Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn thác đạt mức 5%, năm 2030 đạt mức 10% trong tổng sản lượng điện khai thác [5]. 2.2. Các kiểu khai thác năng lượng mặt trời Đến nay, năng lượng mặt trời được khai thác dưới nhiều dạng chuyển đổi khác nhau: Chuyển năng lượng mặt trời thành cơ năng. Hình 2.1 là một động cơ hoạt động nhờ ánh sáng mặt trời do tiến sĩ Nguyễn Xuân Hùng nghiên cứu. Nguyên lí hoạt động của nó là dựa vào sự giãn nở không khí do nhiệt của mặt trời. Ưu điểm của động cơ này là sử dụng trục tiếp năng lượng mặt trời. Tuy nhiên, nhược điểm là không hoạt động được khi không có nắng. Hình 2.1. Động cơ hoạt động nhờ ánh sáng mặt trời Khai thác năng lượng mặt trời ở dạng nhiệt năng. Hình 2.2 là bếp sử dụng năng lượng mặt trời. Nguyên lý của hoạt động rất đơn giản, sử dụng prabol để tập trung ánh sáng mặt trời tại tiêu điểm, vật dụng đun nấu được đặt ngay tại tiêu điểm đó. Ưu điểm của kiểu khai thác này là đơn giản, hiệu suất cao do nhận - 19Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn nhiệt năng trực tiếp từ mặt trời. Tuy nhiên, nhược điểm chính của phương pháp này là ở khâu vận hành, người vận hành phải đứng ngoài trời nên rất bất lợi. Nhược điểm thứ hai là phụ thuộc vào ánh nắng mặt trời, chỉ hoạt động khi có ánh nắng mặt trời. Hình 2.2. Bếp năng lượng mặt trời Chuyển năng lượng mặt trời thành điện năng. Đây là một kiểu khai thác năng lượng mặt trời phổ biến nhất hiện nay. Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện), là thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các diot p-n, duới sự hiện diện của ánh sáng mặt trời có khả năng tạo ra dòng điện sử dụng được. Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện. Dàn pin mặt trời. Hình 2.3 là một nhà máy điện năng lượng mặt trời tại Bồ Đào Nha, các tấm pin tại nhà máy này phủ rộng trên một diện tích 150 ha và nhà máy này cung cấp một lượng điện đủ cho 8000 hộ dân. Các tấm pin năng lượng mặt trời được lắp trên một dàn cố định và nghiêng theo một góc ban đầu [7]. - 20Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn