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
- Xem thêm -