Tài liệu Hệ thống chiếu sáng sử dụng năng lượng mặt trời

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI GVHD: Th.S Phạm Hồng Thanh Thành viên: NGUYỄN TẤN LỢI NGUYỄN MẠNH TUẤN NGUYỄN QUỐC CƯƠNG LÊ VĂN HOAN Bình Dương, Tháng 4 Năm 2016 Chương 1: GIỚI THIỆU Năng lượng là một trong những yếu tố cần thiết cho sự tồn tại và phát triển của xã hội cũng như duy trì sự sống trên trái đất. Trong nhiều thập kỉ vừa qua, việc tiêu thụ năng lượng trên thế giới tăng lên cùng với sự phát triển kinh tế. Việt Nam là nước được đánh giá là rất dồi dào tiềm năng về năng lượng tái tạo (như năng lượng gió, thủy điện, mặt trời…). Năng lượng tái tạo có thể tạo ra nguồn điện ngoài lưới tại chỗ, rẻ tiền, góp phần đảm bảo an ninh năng lượng. Nếu được đầu tư và phát triển đúng hướng nguồn năng lượng này sẽ góp phần quan trọng vào việc giải quyết vấn đề năng lượng, khai thác hợp lý tài nguyên thiên nhiên, bảo vệ môi trường, góp phần đảm bảo sự phát triển kinh tế bền vững của Việt Nam. 1.1 Đặt vấn đề Trong thời đại khoa học kỹ thuật phát triển, nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng. Trong khi đó các nguồn nhiên liệu dự trữ như than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên và ngay cả thủy điện là có hạn, khiến cho nhân loại đúng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng. Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới như năng lượng hạt nhân, năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió và năng lượng mặt trời là một trong những hướng quan trọng trong kế hoạch phát triển năng lượng, không những đối với những nước phát triển mà ngay cả với những nước đang phát triển như Việt Nam chúng ta. Việc tìm kiếm và phát triển việc sử dụng các nguồn năng lượng mới, đáp ứng tốt được các nhu cầu về năng lượng và môi trường thì năng lượng mặt trời được xem là dạng năng lượng ưu việt nhất và có thể là dạng năng lượng chính được sử dụng trong tương lai. Năng lượng mặt trời thực chất là nguồn năng lượng nhiệt hạch vô tận của thiên nhiên. Hàng năm mặt trời cung cấp cho trái đất một lượng năng lượng khổng lồ, gấp 10 lần trữ lượng các nguồn nhiên liệu trên trái đất. Việt nam là một nước nhiệt đới, nằm ở vành đai nội chí tuyến nên tổng số giờ nắng trong năm lớn, ở khi vực Miền Trung có khoảng 2900 giờ nắng và với cường độ bức xạ cao, lên đến 950W/m 2. Do đó rất thuận lợi cho việc triển khai ứng dụng các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời. 1 1.2 Tính Cấp Thiết Của Đề Tài Trong thời đại ngày nay, năng lượng là vấn đề cấp thiết của tất cả các quốc gia trên thế giới. Bên cạnh việc nghiên cứu, tìm kiếm các loại năng lượng mới thì sử dụng tiết kiệm và hiệu quả năng lượng cũng là mối quan tâm hàng đầu. Hiện nay trước thách thức về thay đổi khí hậu, cạn kiệt nguồn tài nguyên khoáng sản, do đó các nguồn năng lượng tái tạo và năng lượng sạch dần được đưa vào để thay thế cho các nguồn năng lượng khoáng sản. Một trong các nguồn năng lượng đó là nguồn năng lượng mặt trời. Trường Tiểu Học Mỹ Thành Nam là một ngôi trường nằm ở trong vung nông thôn, xa điện lưới quốc gia, nguồn điện đang sử dụng hay bị sự cố khi có trời mưa bão, việc sữa chữa gặp nhiều khó khăn, để đảm bảo chiếu sáng cho các em học tập nên cần phải có hệ thống chiếu sáng thật tốt và sử dụng nguồn từ năng lượng mặt trời để đảm bảo độ tin cậy cho việc chiếu sáng phục vụ cho học tập. 1.3 Mục tiêu đề tài Thiết kế thành công hệ thống chiếu sáng cho trường Tiểu Học Mỹ Thành Nam sử dụng năng lượng mặt trời. 1.4 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu, cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu Đối tượng: Hệ thống chiếu sáng sử dụng năng lượng mặt trời, pin mặt trời. Trường Tiểu Học Mỹ Thành Nam. Phạm vi nghiên cứu: Trường Tiểu Học Mỹ Thành Nam Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu: + Tiêu chuẩn chiếu sáng ( quang thông, độ rọi, công suất, thời gian chiếu sáng). + Lên phương án chọn loại đèn led chiếu sáng. + Nghiên cứu nguyên lí hoạt động của mạch sạc ắc qui tự động. + Bộ Inverter + Số liệu phân tích và nghiên cứu ứng dụng thực tế của đèn. 2 + Mô hình chiếu sáng sử dụng năng lượng mặt trời. + Tìm hiểu và tiếp cận hệ thống pin mặt trời trong chiếu sáng và phương pháp nghiên cứu những công trình đã được áp dụng trên thực tế để khảo sát. 3 Chương 2: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 2.1 Hệ thống chiếu sáng 2.1.1 Giới thiệu các loại đèn truyền thống Hiện nay trong lĩnh vực chiếu sáng dân dụng như chiếu sáng gia đình, công sở, trường học đa phần sử dụng đèn huỳnh quang và đèn compact, bởi nó có độ chiếu sáng và tiết kiệm năng lượng cao hơn so với các loại đèn truyền thống. Tuy nhiên, ở các vùng sâu, vùng xa, miền núi vẫn còn sử dụng các loại đèn dây tóc để thắp sáng. Ðây được xem là một giải pháp tình thế đối với người dân có thu nhập thấp, nhưng xét về khía cạnh kinh tế và tiết kiệm năng lượng thì giải pháp này hoàn toàn không phù hợp. Hơn nữa, phương án dùng đèn dây tóc sẽ không khả thi ở những nơi thiếu điện hoặc chưa có mạng lưới điện quốc gia. Ðèn sử dụng bóng compact là một trong các loại đèn được các cơ quan quản lý điện khuyến cáo nhiều nhất bởi vì nó có khả năng chiếu sáng mạnh và đạt những tiêu chí tiết kiệm năng lượng cao hơn so với đèn halogen, đèn dây tóc truyền thống. Một trong những loại đèn huỳnh quang compact phổ biến hiện nay là đèn sạc sử dụng bóng đèn compact. Các loại đèn này có công suất tiêu thụ điện nhỏ (6 - 12 W), thời gian sạc đầy tương đối lâu (10 - 20 giờ), thời gian thắp sáng không cao (4 - 8 giờ). Ngoài ra, bóng đèn compact rất dễ vỡ khi va đập mạnh do bóng đèn được làm từ vật liệu thủy tinh. Ðể khắc phục những nhược điểm nêu trên của đèn compact, cần phải ứng dụng công nghệ cao hơn. Một trong những giải pháp đó là thiết kế hệ thống chiếu sáng dùng đèn led sử dụng nguồn từ năng lượng mặt trời. Loại đèn LED tiết kiệm năng lượng tốt hơn, đồng thời phát huy tối đa khả năng sử dụng nguồn năng lượng mặt trời. 2.1.2 Giới thiệu đèn led (đi-ôt phát quang) Đi-ốt phát quang LED được cấu tạo từ một khối bán dẫn loại p ghép với một khối bán dẫn loại n. Đi-ốt phát quang LED tuổi thọ lên tới 100.000 giờ, có thể sử dụng với nguồn điện công suất nhỏ, hoạt động tốt trong mọi điều kiện thời tiết, tiết kiệm điện năng là những ưu điểm của đèn LED. 4 Đèn LED an toàn hơn khi sử dụng do có điện thế thấp (đèn LED chỉ 3 volt), hiệu quả tiết kiệm năng lượng cao hơn theo tính toán cùng một thời gian sử dụng mức tiêu thụ điện ít hơn gần 10 lần so với đèn thường, thân thiện hơn đối với môi trường trong quá trình phát sáng lượng nhiệt tỏa ra rất thấp. Đèn LED (Light emitting diodes - đèn đi-ốt phát quang) đang trở nên phổ biến ưu điểm của nó là khối lượng nhẹ, tuổi thọ cao, cường độ sáng lớn. Hiện nay, đèn LED được xem là loại đèn tiết kiệm điện năng nhất, tạo ra hiệu suất ánh sáng tốt nhất và tỏa nhiệt ít hơn nhiều so với các thiết bị chiếu sáng thông thường. 2.1.3 Các thông số đánh giá chất lượng của hệ thống chiếu sáng 2.1.3.1 Cường độ sáng (I) Cường độ sáng I, đơn vị candela (cd). Đó là thông lượng của một nguồn sáng phát ra trong một đơn vị góc không gian (steradian). Candela là một đơn vị cơ bản dùng trong việc đo thông số nguồn sáng và được tính như sau: 1 candela là cường độ mà một nguồn sáng phát ra 1 lumen đẳng hướng trong một góc đặc. Một nguồn sáng 1 candela sẽ phát ra 1 lumen trên một diện tích 1 mét vuông tại một khoảng cách một mét kể từ tâm nguồn sáng. Có thể thấy cường độ nguồn sáng giảm theo khoảng cách kể từ nguồn sáng. 2.1.3.2 Quang thông (Φ) Đại lượng thông lượng ánh sáng dùng trong kỹ thuật chiếu sáng được đo trong đơn vị lumens (lm). Một lumen của ánh sáng, không phụ thuộc vào bước sóng của nó (màu), tương ứng với độ sáng mà mắt người cảm nhận được. Mắt người cảm nhận khác nhau đối với các ánh sáng có bước sóng khác nhau, cảm nhận mạnh nhất đối với bước sóng 555 nm. Đèn LED tiêu chuẩn đạt quang thông 100 lm/w. 1cd = 1lm/ 1steradian. 2.1.3.3 Độ rọi (E) Độ rọi E(đơn vị lux) là đại lượng đặc trưng cho thông lượng ánh sáng trên một đơn vị diện tích. Một diện tích mặt cầu 1m2 có một nguồn sáng cường độ 1 candela sẽ có độ rọi là 1 lux. 5 1lux = 1lm/ 1m2. Hinh 2. 1 Thông số đánh giá chất lượng của hệ thống chiếu sáng Hinh 2. 2 Tiêu chuẩn độ rọi và độ chói 2.1.3.4 Độ chói (L) Độ chói L là cường độ của một nguồn sáng phát ánh sáng khuếch tán mở rộng hoặc của một vật phản xạ ánh sáng. Độ chói là đại lượng đặc trưng cho mật độ phân bố cường độ sáng I trên một bề mặt diện tích S theo một phương cho trước. 6 1nit = 1cd/ 1m2 2.1.3.5 Hệ số phản xạ (ρ) Hệ số phản xạ của một vật thể là đại lượng đo bằng tỷ số giữa quang thông phản xạ (Φr) của vật thể so với quang thông tới của nó (Φ). Φr ρ=Φ 2.1.3.6 Hệ số hấp thụ (α) Hệ số hấp thụ của một vật thể là đại lượng đo bằng tỷ số giữa quang thông được hấp thụ (Φa) của vật thể so với quang thông tới của nó (Φ). α= Φa Φ Phân bố phổ trình diễn phổ của bức xạ vùng nhìn thấy nêu lên mối tương quan giữa công suất bức xạ phụ thuộc vào bước sóng. 2.1.3.7 Nhiệt độ màu Nhiệt độ màu (đo bằng đơn vị Kenvin) là màu của ánh sáng mà nguồn sáng phát ra. Nhiệt độ màu được định nghĩa là nhiệt độ tuyệt đối của một vật bức xạ đen có phổ bức xạ giống phổ bức xạ của nguồn sáng. Nhiệt độ màu đèn led thường ở các mức 2700K, 3000K, 3200K, 3500K, 4000K, 6000K, 6500K. Hinh 2.3 Xác định nhiệt độ màu 7 2.1.3.8 Độ hoàn màu Độ hoàn màu được biểu diễn bằng chỉ số hoàn màu (CRI) có độ lớn từ 0 đến 100, diễn tả độ hoàn màu của các vật được chiếu sáng trong mắt người so với màu thực của nó. CRI càng cao thì khả năng hoàn màu càng lớn. CRI của đèn Led đạt 85. 2.1.3.9 Hiệu suất của đèn Hiệu suất của đèn led là đại lượng đo hiệu suất của nguồn sáng trong đơn vị lumen trên Oát(Lm/W), là tham số xác định lượng ánh sáng phát ra khi tiêu thụ một Oát năng lượng điện. 2.1.3.10 Một số đèn thông dụng Hinh 2. 4 Các loại bóng đèn thông dụng 8 Hinh 2. 5 So sánh hiệu suất phát sáng của các loại bóng đèn 2.2 Năng Lượng Mặt Trời Bức xạ mặt trời là một nguồn tài nguyên vô cùng quan trọng tại Việt Nam. Trung bình, tổng bức xạ năng lượng mặt trời ở Việt Nam vào khoảng 5kW/h/m 2/ngày ở các tỉnh miền Trung và miền Nam, và vào khoảng 4kW/h/m2/ngày ở các tỉnh miền Bắc. Từ dưới vĩ tuyến 17, bức xạ mặt trời không chỉ nhiều mà còn rất ổn định trong suốt thời gian của năm, giảm khoảng 20% từ mùa khô sang mùa mưa. Số giờ nắng trong năm ở miền Bắc vào khoảng 1500-1700 giờ trong khi ở miền Trung và miền Nam Việt Nam, con số này vào khoảng 2000-2600 giờ mỗi năm. Theo tài liệu khảo sát lượng bức xạ mặt trời cả nước: Các tỉnh ở phía Bắc (từ Thừa Thiên – Huế trở ra) bình quân trong năm có chừng 1800 - 2100 giờ nắng. Trong đó, các vùng Tây Bắc (Lai Châu, Sơn La, Lào Cai) và vùng Bắc Trung Bộ (Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh) được xem là những vùng có nắng nhiều. Các tỉnh ở phía Nam (từ Đà Nẵng trở vào), bình quân có khoảng 2000 - 2600 giờ nắng, lượng bức xạ mặt trời tăng 20% so với các tỉnh phía Bắc. Ở vùng này, mặt trời chiếu gần như quanh năm, kể cả vào mùa mưa. Do đó, đối với các địa phương ở Nam Trung bộ và Nam bộ, nguồn bức xạ mặt trời là một nguồn tài nguyên to lớn để khai thác sử dụng. 9 Việt Nam có nguồn năng lượng mặt trời dồi dào cường độ bức xạ  mặt trời trung bình ngày trong năm ở phía bắc là 3,69 kWh/m 2 và phía nam là 5,9 kWh/m2. Lượng bức xạ mặt trời tùy thuộc vào lượng mây và tầng khí quyển của từng địa phương, giữa các địa phương ở nước ta có sự chênh lệch đáng kể về bức xạ mặt trời. Cường độ bức xạ ở phía Nam thường cao hơn phía Bắc. Trong đó: + Vùng Tây Bắc:      Nhiều nắng vào các tháng 8. Thời gian có nắng dài nhất vào các tháng 4,5 và 9,10. Các tháng 6,7 rất hiếm nắng, mây và mưa rất nhiều. Lượng tổng xạ trung bình ngày lớn nhất vào khoảng 5,234 kWh/m2/ngày và trung bình trong năm là 3,489 kWh/m2/ngày.      Vùng núi cao khoảng 1500m trở nên thường ít nắng. Mây phủ và mưa nhiều, nhất là vào khoảng tháng 6 đến thàng 1. Cường độ bức xạ trung bình thấp (< 3,489 kWh/m2/ ngày). + Vùng Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ        Ở Bắc Bộ, nắng nhiều vào tháng 5. Còn ở Bắc Trung Bộ càng đi sâu về phía Nam thời gian nắng lại càng sớm, nhiều vào tháng 4. Tổng bức xạ trung bình cao nhất  ở Bắc Bộ khoảng từ thàng 5, ở Bắc Trung Bộ từ tháng 4. Số giờ nắng trung bình thấp nhất là trong tháng 2. 3 khoảng 2h/ngày, nhiều nhất vào tháng 5 với khoảng 6 – 7h/ngày và duy trì ở mức cao từ tháng 7. + Vùng Trung Bộ: Từ Quảng Trị đến Tuy Hòa, thời gian nắng nhiều nhất vào các tháng giữa năm với khoảng 8 - 10h/ngày. Trung bình từ tháng 3 đến tháng 9, thời gian nắng từ  5 - 6 h/ngày với lượng tổng xạ trung bình trên 3,489 kWh/m2/ngày (có ngày đạt 5,815 kWh/m2/ngày). + Vùng phía Nam:       Ở vùng này, quanh năm dồi dào nắng. Trong các tháng 1, 3, 4 thường có nắng từ 7h sáng đến 17h. Cường độ bức xạ trung bình thường lớn hơn 3,489 kWh/m 2/ngày. Đặc biệt là các khu vực Nha Trang, cường độ bức xạ lớn hơn 5,815 kWh/m 2/ngày trong thời gian 8 tháng/năm. 10 - Các công nghệ sử dụng năng lượng mặt trời Hiện nay có 2 công nghệ chính sử dụng năng lượng mặt trời. Đó là công nghệ điện mặt trời dựa trên hiệu ứng quang điện và công nghệ nhiệt mặt trời dựa trên hiệu ứng nhà kính (nhiệt độ thấp) và công nghệ nhiệt mặt trời hội tụ (nhiệt độ cao). + Công nghệ điện mặt trời quang điện Khi chiếu sáng một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n thì năng lượng ánh sáng có thể được bíến đổi thành năng lượng của dòng điện một chiều. Hiện tượng đó được gọi là hiệu ứng quang-điện (photovoltaic) và nó được ứng dụng đề chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng. Trong công nghệ quang-điện này người ta sử dụng các mô đun pin mặt trời mà thành phần chính của nó là các lớp tiếp xúc bán dẫn Silic loại n và loại p, nSi/pSi. Hinh 2. 6 Nguyên lý cấu tạo Pin mặt trời (trên) và môđun Pin mặt trời (dưới) Hiệu suất biến đổi quang-điện của các môđun pin mặt trời Silic thương mại trong khoảng 11-14%. Công nghệ sản xuất điện năng này hoàn toàn không gây ra ô nhiễm môi trường. + Công nghệ Nhiệt năng từ mặt trời Từ lâu nhiệt năng từ bức xạ mặt trời đã được dùng để phơi sấy, sưởi ấm,... một cách tự nhiên. Hiện nay nhờ các thiết bị mới nên nhiệt mặt trời được sử dụng hiệu quả 11 hơn. Có 2 công nghệ thông dụng khai thác nhiệt mặt trời dựa trên hiệu ứng nhà kính và hiệu ứng hội tụ bức xạ mặt trời. Hiệu ứng nhà kính là hiệu ứng như sau: các tấm kính có đặc tính là cho các bức xạ mặt trời có bước sóng nhỏ hơn khoảng 0,7x 10-6m đi qua dễ dàng, nhưng lại ngăn không cho các bức xạ mặt trời có bước sóng lớn hơn khoảng 0,7x 10-6m. Bức xạ mặt trời có bước sóng lớn hơn khoảng 0,7x 10-6m là các bức xạ nhiệt nó nung nóng các vật khi bị các tia này chiếu vào. Lợi dụng đặc tính này của kính người ta tạo ra các hộp thu năng lượng mặt trời như hình 3 để sản xuất nước nóng, sấy nông sản phẩm, sưởi ấm,.... Hinh 2. 7 Cấu tạo và nguyên lý thu năng lượng mặt trời nhờ hiệu ứng nhà kính Tia mặt trời xuyên qua tấm kính (1) tới tấm hấp thụ (2) bị hấp thụ phần lớn năng lượng. Các tia nhiệt thứ cấp từ tấm hấp thụ có bước sóng  > 0,7μm bị tấm kính ngăng lại. Như vậy hộp thu cho ánh sáng mặt trời vào mà không cho ra nên tấm hấp thụ ngày càng nóng lên. Nhiệt từ tấm hấp thụ có thể sử dụng để đun nước, sấy, sưởi ấm,... Hiệu suất thu nhiệt của bộ thu có thể đạt đến 50%. Để sản xuất điện từ nhiệt năng lượng mặt trời người ta sử dụng các hệ thống gương cầu hay gương parabol để hội tụ các tia mặt trời vào các điểm hay trục hội tụ. Tại các điểm hội tụ nhiệt độ có thể lên đến hàng trăm hay thậm chí đến hàng nghì độ. Nếu cho chất lỏng như nước, dầu,... qua vùng hội tụ thì chất lỏng bị bay hơi ngay cả 12 dưới áp suất cao. Cho hơi này qua các tua bin sẽ phát ra điện. Công nghệ này được gọi là công nghệ nhiệt điện mặt trời. 2.3 Pin mặt trời 2.3.1 Giới thiệu pin mặt trời Hinh 2. 8 Pin mặt trời Một tế bào quang điện (cell) tấm pin năng lượng mặt trời (solar cells panel) Pin mặt trời, hay pin quang điện, ký hiệu là PV, là hệ thống các tấm vật liệu đặc biệt có khả năng chuyển đổi quang năng của ánh sáng mặt trời thành điện năng. Pin mặt trời được cấu tạo bằng các tế bào quang điện (cells) đơn tinh thể (monocrystalline) và đa tinh thể (polycrystalline) có hiệu suất cao (15% - 18%), công suất từ 25Wp đến 240Wp và có tuổi thọ trung bình 30 năm. 2.3.2 Lịch sử ra đời và phát triển của pin năng lượng mặt trời Pin năng lượng mặt trời với tên gọi khác là tế bào quang điện hiện đang được sử dụng rộng rãi vì chúng rất dễ chuyển đổi và dễ dàng lắp đặt trên các tòa nhà và các cấu trúc khác. Tấm Pin năng lượng mặt trời được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel là thiết bị giúp chuyển hóa trực tiếp năng lượng ánh sáng mặt trời (quang năng) thành năng lượng điện (điện năng) dựa trên hiệu ứng 13 quang điện. Điện tạo ra từ pin mặt trời được gọi là điện năng lượng mặt trời hay điện mặt trời và để tạo ra nhiều năng lượng, người ta kết nối nhiều phần tử Pin mặt trời lại với nhau tạo thành tấm pin mặt trời. Công suất cực đại một tấm pin mặt trời có thể tạo ra phụ thuộc vào hiệu suất chuyển đổi quang năng thành điện năng của tấm pin mặt trời đó và hiệu ứng quang điện. Cho đến 1883 một pin năng lượng mới được tạo thành, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối. Thiết bị chỉ có hiệu suất 1%, Russell Ohl xem là người tạo ra pin năng lượng mặt trời đầu tiên năm 1946. Sven Ason Berglund đã có phương pháp liên quan đến việc tăng khả năng cảm nhận ánh sáng của pin. Ứng dụng của pin mặt trời là vô cùng ưu việt, đảm bảo tính an toàn và dễ sử dụng, pin mặt trời được sử dụng vào các thiết bị như máy tính bỏ túi, Laptop, đồng hồ đeo tay, điện thoại di động, đèn trang trí, đèn sân vườn, đèn tín hiệu, đèn đường, các loại xe, máy bay, robot tự hành, vệ tinh nhân tạo. Hinh 2.9 Pin mặt trời sử dụng trên mái nhà Nguồn điện cho tòa nhà là một trong những giải pháp vừa giúp giảm hóa đơn tiền điện hàng tháng, vừa giúp giảm đầu tư của xã hội cho các công trình nhà máy điện khổng lồ bằng cách kết hợp sức mạnh của toàn dân trong việc tạo ra điện phục vụ đời sống sản xuất chung. Bằng cách kết nối nhiều nguồn điện mặt trời với nhau có thể tạo 14 ra được một tổ hợp nguồn điện mặt trời có đủ khả năng thay thế một nhà máy phát điện. Nhà máy điện mặt trời có thể dùng để cấp điện cho một thành phố, một hòn đảo, ... Hiện tại số lượng nhà máy điện mặt trời trên thế giới còn hạn chế, tuy nhiên trong tương lai số lượng này sẽ tăng lên khi giá thành sản xuất Pin mặt trời giảm xuống. Pin mặt trời có thể cung cấp nguồn năng lượng sạch và tái tạo, do vậy là một nguồn bổ sung cho nguồn cung cấp điện chính thông thường. Tại các vùng chưa có điện lưới như các cộng đồng dân cư ở xa, nông thôn, hải đảo, các trường hợp khẩn cấp,... pin mặt trời có thể cung cấp một nguồn điện đáng tin cậy. Hiện nay sự phổ biến tấm pin năng lượng mặt trời trong cuộc sống rất nhiều. Và dường như sự tồn tại của nguồn điện năng lượng mặt trời trên các nơi vùng đảo xa là không thế thiếu. Với mục đích phục vụ cho cuộc sống tốt hơn. Trong tương lai không xa thì hệ thống điện năng lượng mặt trời sẽ đươc cải tiến tốt nhất. với những thiết kế và tính năng ưu việt hơn. Khi đó sự lựa chọn nguồn điện năng lượng mặt trời là giải pháp tốt nhất. 2.3.3 Cấu tạo của pin mặt trời Hinh 2.10 Cấu tạo pin mặt trời Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện), là thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các diod 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. 15 Hinh 2.11 Cấu tạo p-n trong tấm pin 2.3.4 Nguyên lý hoạt động 2.3.4.1 Sơ đồ nguyên lý của 1 hệ thống điện mặt trời cơ bản Hinh 2.12 Sơ đồ nguyên lý cơ bản 16 2.3.4.2 Nguyên lý hoạt động Hinh 2.13 Sơ đồ nguyên lý làm việc của tấm pin Từ giàn pin mặt trời, ánh sáng được biến đổi thành điện năng, tạo ra dòng điện một chiều (DC). Dòng điện này được dẫn tới bộ điều khiển là một thiết bị điện tử có chức năng điều hoà tự động các quá trình nạp điện vào ắc-quy và phóng điện từ ắc-quy ra các thiết bị điện một chiều (DC). Trường hợp công suất giàn pin đủ lớn, trong mạch điện sẽ được lắp thêm bộ đổi điện để chuyển dòng một chiều thành dòng xoay chiều (AC), chạy được thêm nhiều thiết bị điện gia dụng (đèn, quạt, radio, ti vi, máy tính…). Pin năng lượng mặt trời (solar panel/pin mặt trời/pin quang điện) là thiết bị giúp chuyển hóa trực tiếp năng lượng ánh sáng mặt trời (quang năng) thành năng lượng điện (điện năng) dựa trên hiệu ứng quang điện. Hiệu ứng quang điện là khả năng phát ra điện tử (electron) khi được ánh sáng chiếu vào của vật chất. Silicon được biết đến là một chất bán dẫn. “Chất bán dẫn là vật liệu trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Chất bán dẫn hoạt động như một chất cách điện ở nhiệt độ thấp và có tính dẫn điện ở nhiệt độ phòng”. Với tính chất như vậy, silicon là một thành phần quan trọng trong cấu tạo của pin năng lượng mặt trời. 17 Ánh sáng mặt trời bao gồm các hạt rất nhỏ gọi là photon được tỏa ra từ mặt trời. Khi va chạm với các nguyên tử silicon của pin năng lượng mặt trời, những hạt photon truyền năng lượng của chúng tới các electron rời rạc, kích thích làm cho electron đang liên kết với nguyên tử bị bật ra khỏi nguyên tử, đồng thời ở nguyên tử xuất hiện chỗ trống vì thiếu electron. Tuy nhiên giải phóng các electron chỉ mới là một nửa công việc của pin năng lượng mặt trời, sau đó nó cần phải dồn các electron rải rác này vào một dòng điện. Điều này liên quan đến việc tạo ra một sự mất cân bằng điện trong pin năng lượng mặt trời, có tác dụng giống như xây một con dốc để các electron chảy theo cùng một hướng. Sự mất cân bằng này có thể được tạo ra bởi tổ chức bên trong của silicon. Nguyên tử silicon được sắp xếp cùng nhau trong một cấu trúc ràng buộc chặt chẽ. Bằng cách ép một số lượng nhỏ các nguyên tố khác vào cấu trúc này, sẽ có hai loại silicon khác nhau được tạo ra: loại n và loại p. Chất bán dẫn loại n (bán dẫn âm – Negative) có tạp chất là các nguyên tố thuộc nhóm V, các nguyên tử này dùng 4 electron tạo liên kết và một electron lớp ngoài liên kết lỏng lẻo với nhân, đấy chính là các electron dẫn chính. Chất bán dẫn loại p (bán dẫn dương – Positive) có tạp chất là các nguyên tố thuộc nhóm III, dẫn điện chủ yếu bằng các lỗ trống. Khi hai loại bán dẫn này được đặt cạnh nhau trong một pin năng lượng mặt trời, electron dẫn chính của loại n sẽ nhảy qua để lấp đầy những khoảng trống của loại p. Điều này có nghĩa là silicon loại n tích điện dương và silicon loại p được tích điện âm, tạo ra một điện trường trên pin năng lượng mặt trời. Vì silicon là một chất bán dẫn nên có thể hoạt động như một chất cách điện và duy trì sự mất cân bằng này. Khi làm cho electron đang liên kết với nguyên tử bị bật ra khỏi nguyên tử silicon, photon trong ánh sáng mặt trời đưa các electron này vào một trật tự nhất định, cung cấp dòng điện cho máy tính, vệ tinh và tất cả các thiết bị ở giữa. 2.3.5 Thành phần cơ bản của một hệ thống điện mặt trời: 2.3.5.1 Tấm pin mặt trời (Solar Panel) Một số thông tin cơ bản về tấm pin mặt trời sử dụng trong hệ thống điện mặt trời: 18  Hiệu suất: từ 15% – 18%  Công suất: từ 25Wp đến 175 Wp  Số lượng cells trên mỗi tấm pin: 72 cells  Kích thước cells: 5″ – 6″  Loại cells: monocrystalline và polycrystalline  Chất liệu của khung: nhôm  Tuổi thọ trung bình của tấm pin: 25-30 năm Trong một ngày nắng, mặt trời cung cấp khoảng 1 kW/m² đến mặt đất (khi mặt trời đứng bóng và quang mây).Công suất và điện áp của một hệ thống sẽ phụ thuộc và cách chúng ta nối ghép các tấm pin mặt trời  lại với nhau. Các tấm pin mặt trời được lắp đặt ở ngoài trời để có thể hứng được ánh nắng tốt nhất từ mặt trời nên được thiết kế với những tính năng và chất liệu đặc biệt, có thể chịu đựng được sự khắc nghiệt của thời tiết, khí hậu, nhiệt độ… 2.3.5.2 Bộ điều khiển sạc mặt trời (Solar Charger Controller)  Hinh 2.14 Bộ sạc solar charger controller Bộ điều khiển sạc: Là thiết bị thực hiện chức năng điều tiết sạc cho ắc-quy, bảo vệ cho ắc-quy chống nạp quá tải và xả quá sâu nhằm nâng cao tuổi thọ của bình ắcquy, và giúp hệ thống pin mặt trời sử dụng hiệu quả và lâu dài. - Bộ điều khiển còn cho biết tình trạng nạp điện của Panel mặt trời vào ắc-quy giúp cho người sử dụng kiểm soát được các phụ tải. - Bộ điều khiển còn thực hiện việc bảo vệ nạp quá điện thế (>13,8V) hoặc điện thế thấp (<10,5V). Mạch bảo vệ của bộ điều khiển sẽ thực hiện 19