Tài liệu Thiết kế, chế tạo và đánh giá hiệu suất hệ thống hướng sáng tấm pin năng lượng mặt trời

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHẠM NGUYÊN LỘC THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT HỆ THỐNG HƢỚNG SÁNG TẤM PIN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ Đà Nẵng – Năm 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHẠM NGUYÊN LỘC THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT HỆ THỐNG HƢỚNG SÁNG TẤM PIN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ điện tử Mã số: 8.52.01.14 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. ĐẶNG PHƢỚC VINH Đà Nẵng – Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan rằng, luận văn thạc sĩ “Thiết kế, chế tạo và đánh giá hiệu suất hệ thống hƣớng sáng tấm pin năng lƣợng mặt trời” là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Những số liệu được sử dụng trong luận văn là trung thực được chỉ rõ nguồn trích dẫn. Kết quả nghiên cứu này chưa được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác. TÁC GIẢ LUẬN VĂN Phạm Nguyên Lộc THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT HỆ THỐNG HƢỚNG SÁNG TẤM PIN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI Học viên: Phạm Nguyên Lộc Mã số: 8520114 Khóa: 2016-2018 Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ điện tử Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt - Nguồn năng lượng từ mặt trời đang là giải pháp năng lượng sạch cho các quốc gia trên toàn thế giới. Tại Việt Nam, tác giả nhận thấy hầu hết các hệ thống điện năng lượng mặt trời được lắp đặt cố định. Do vậy, việc khai thác nguồn năng lượng mặt trời là chưa hiệu quả vì sự chuyển động liên tục của mặt trời gây ảnh hưởng đến hiệu năng hấp thụ năng lượng của các tấm pin. Nhận thấy điều này, tác giả đã thực hiện nghiên cứu với đề tài “Thiết kế, chế tạo và đánh giá hiệu suất hệ thống hƣớng sáng tấm pin năng lƣợng mặt trời” với mong muốn nâng cao công suất của hệ thống pin năng lượng mặt trời. Nguồn năng lượng thu được từ hệ thống hướng sáng được so sánh với tấm pin mặt trời được lắp đặt cố định để làm cơ sở đưa ra các đánh giá về hiệu suất hoạt động và hiệu quả kinh tế. Từ khóa: năng lượng mặt trời; tấm pin mặt trời; hệ thống hướng sáng; thực nghiệm; đánh giá hiệu suất. DESIGN, FABRICATION AND EVALUATION OF EFFICIENCY OF THE SOLAR TRACKING SYSTEM Abstract - The solar power is the clean energy solutions for many countries over the World.In Viet Nam, author found that most of the solar power systems are fixed. So, the solar energy collection is still not effective as expected. Based on this problem, author performed the thesis tilted “Design, fabrication and evaluation of efficiency of the solar tracking system” in order to enhance the solar power efficiency. In addtion, the power accquired from the solar tracking system are compared the the fixed one to perform the working efficiency as well as economic effects. Key word: solar power; solar panel; tracking system; experiment, performance evaluation. MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Lý do chọn đề tài .........................................................................................................1 2. Mục đích nghiên cứu ...................................................................................................1 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...............................................................................1 4. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................. 2 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.....................................................................2 6. Cấu trúc của luận văn ..................................................................................................2 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG HƢỚNG SÁNG TẤM PIN MẶT TRỜI. .............................................................................................................................. 4 1.1. Nhu cầu sử dụng năng lượng mặt trời ......................................................................4 1.1.1. Nhu cầu sử dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam.....................................4 1.1.2. Nhu cầu sử dụng năng lượng mặt trời trên thế giới ......................................7 1.2. Giới thiệu chung về hệ thống hướng sáng tấm pin mặt trời .....................................9 1.3. Các ứng dụng ..........................................................................................................10 CHƢƠNG 2 : TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG HƢỚNG SÁNG TẤM PIN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI ..............................................................................14 2.1. Lựa chọn số bậc tự do cho hệ thống. ......................................................................15 2.1.1. Phương án 1: Hệ thống hướng sáng theo trục đơn với cơ cấu một bậc tự do. ............................................................................................................................... 15 2.1.1.1. Đặc điểm .........................................................................................15 2.1.1.2. Ưu và nhược điểm ...........................................................................15 2.1.2. Phương án 2: Hệ thống hướng sáng theo hai trục với cơ cấu hai bậc tự do ............................................................................................................................... 16 2.1.2.1. Đặc điểm .........................................................................................16 2.1.2.2. Ưu và nhược điểm ...........................................................................16 2.1.3. Lựa chọn phương án ...................................................................................17 2.2. Chọn hệ thống truyền động. ...................................................................................17 2.2.1. Phương án 1: Truyền động bằng đai ........................................................... 17 2.2.1.1. Giới thiệu bộ truyền đai ..................................................................18 2.2.1.2. Ưu và nhược điểm ...........................................................................20 2.2.2. Phương án 2: Truyền động bằng xích. ........................................................21 2.2.2.1 Giới thiệu bộ truyền xích .................................................................21 2.2.2.2 Ưu và nhược điểm ............................................................................23 2.2.3. Phương án 3: Truyền động bằng bánh răng ...............................................24 2.2.3.1. Giới thiệu và phân loại bộ truyền bánh răng ...................................24 2.2.3.2. Ưu và nhược điểm ...........................................................................26 2.2.4. Phương án 4: Truyền động trục vít bánh vít ...............................................26 2.2.4.1. Giới thiệu và phân loại bộ truyền trục vít .......................................27 2.2.4.2. Ưu và nhược điểm ...........................................................................29 2.2.5. Lựa chọn phương án: ..................................................................................30 2.3. Tính toán và thiết kế phần cơ khí và chọn động cơ. ...............................................30 2.3.1. Chọn động cơ. ............................................................................................. 31 2.3.2. Thiết lập bộ truyền xích cho động cơ .........................................................31 2.3.2.1. Thiết lập bộ truyền xích cho động cơ .............................................31 2.3.2.2.Xác định số răng đĩa xích .................................................................31 2.3.2.3. Xác định bước xích .........................................................................31 2.3.2.4. Xác định khoảng cách trục và số mắc xích .....................................32 2.3.2.5. Tính đường kính vòng chia của đĩa xích.........................................33 2.3.2.6. Lắp ráp bộ truyền xích ....................................................................33 2.3.3. Chọn trục quay ............................................................................................ 35 2.3.4. Chọn ổ bi. ....................................................................................................35 CHƢƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN HƢỚNG SÁNG TẤM PIN MẶT TRỜI ....................................................................................37 3.1. Ý tưởng thiết kế ......................................................................................................37 3.2. Phương án điều khiển ............................................................................................. 37 3.3. Các linh kiện sử dụng trong hệ thống .....................................................................38 3.3.1. Quang trở ....................................................................................................38 3.3.2. Biến trở .......................................................................................................39 3.3.3. Pin năng lượng mặt trời ..............................................................................40 3.3.4. Arduino Uno R3.......................................................................................... 45 3.3.5. Mạch cầu H - L298N ..................................................................................47 3.4. Bộ điều khiển và nguyên lý hoạt động ...................................................................49 3.5. Bộ lưu trữ ................................................................................................................51 3.6. Phần mềm Matlab ...................................................................................................54 3.6.1. Giới thiệu về phần mềm Matlab. ................................................................ 54 3.6.2. Tạo giao diện .............................................................................................. 56 CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ .................................................................58 4.1. Xây dựng chương trình đo đạc và thu thập dữ liệu ................................................58 4.2. Thí nghiệm và kết quả ............................................................................................ 59 4.3. Nhận xét, đánh giá ..................................................................................................64 KẾT LUẬN ..................................................................................................................65 1. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ...................................................................................65 2. Những kết quả đạt được ............................................................................................ 65 3. Những hạn chế và hướng khắc phục. ........................................................................65 4. Định hướng phát triển ................................................................................................ 65 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (BẢN SAO) PHỤ LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng 4.1 Tên hình vẽ Kết quả các lần thực nghiệm Trang 64 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Số hiệu hình vẽ Tên hình vẽ Trang 1.1 Nhiều người dân tại Thành phố Hồ Chí Minh đầu tư cho hệ thống điện năng lượng mặt trời tại gia đình để giảm tiền điện hàng tháng và sử dụng nguồn năng lượng tái tạo, thân thiện môi trường 4 1.2 Đèn cảnh báo giao thông bằng năng lượng mặt trời được đặt tại ngã ba Long Sơn (Thành phố Vũng Tàu) 5 1.3 Ứng dụng pin năng lượng mặt trời bơm nước cung cấp nước cho cây lúa tại Đồng bằng sông Cửu Long 6 1.4 Pin mặt trời tích nguồn điện cho việc tưới tiêu cây thanh long và cung cấp đèn điện thắp sáng vào ban đêm tại Ninh Thuậnbelow 6 1.5 Xe SION sử dụng năng lượng mặt trời có giá 18.000 USD 7 1.6 Solar Impulse 2 (Si2) - Máy bay đầu tiên trong lịch sử chỉ sử dụnghoàn toàn năng lượng mặt trời hoàn thành chuyến bay vòng quanh thế giới 8 1.7 Pin Powerwall 2 của hãng Tesla 8 1.8 Trạm sạc xe điện lớn nhất nước Mỹ của Tesla 9 1.9 Sơ đồ nguyên lý hệ thống hướng sáng tấm pin mặt trời 10 1.10 Hệ thống năng lượng của nhà máy Desert Sunlight Solar Farm 10 1.11 Nhà máy điện mặt trời Ivanpah tại Mỹ 11 1.12 Nhà máy điện mặt trời Topaz công suất 550 MW 12 1.13 Các tấm gương thu ánh sáng mặt trời theo công nghệ tập trung năng lượng mặt trời 13 2.1 Hệ thống hướng sáng tấm pin năng lượng mặt trời 1 trục (a) và 2 trục (b) 14 2.2 Sơ đồ động cơ cấu một bậc tự do 15 2.3 Sơ đồ động cơ cấu hai bậc tự do 16 2.4 Bộ truyền động bằng đai 17 2.5 Bộ truyền đai 18 2.6 Bộ truyền đai dùng thêm bánh căng đai 18 2.7 Bộ truyền đai có động cơ được đặt trên tấm lắc 19 2.8 Bộ truyền đai dùng cơ cấu vít để đẩy động cơ dịch chuyển trên rãnh trượt 19 2.9 Hai trục quay song song và ngược chiều nhau 20 2.10 Hai trục quay chéo nhau 20 2.11 Phân loại đai dựa trên hình dạng tiết diện đaiPhân loại đai dựa trên hình dạng tiết diện đai 20 2.12 Đai răng 20 2.13 Bộ truyền động bằng xích 21 2.14 Bộ truyền xích đơn giản 22 2.15 Truyền động từ một đĩa dẫn sang nhiều đĩa bị dẫn 22 2.16 Truyền động nhờ sự ăn khớp giữa các mắt xích với các răng của đĩa xích 23 2.17 Các loại bộ truyền bánh răng 24 2.18 Bộ truyền bánh răng ăn khớp ngoài và ăn khớp trong 25 2.19 Sơ đồ bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng 26 2.20 Sơ đồ bộ truyền bánh răng trụ răng nghiêng 26 2.21 Sơ đồ bộ truyền bánh răng nón răng thẳng 26 2.22 Bộ truyền trục vít bánh vít 26 2.23 Trục vít trụ 27 2.24 Trục vít lõm (Globoit) 27 2.25 Sơ đồ động bộ truyền trục vít trụ 27 2.26 Hộp giảm tốc trục vít một cấp 28 2.27 Phân loại trục vít 28 2.28 Các thông số của bộ truyền trục vít bánh vít 29 2.29 Bộ truyền lựa chọn 30 2.30 Sơ đồ động hệ thống hướng sáng pin mặt trời 30 2.31 Phương pháp lắp đặt bộ truyền xích dọc được đề xuất 34 2.32 Phương pháp lắp đặt không được khuyến nghị 34 2.33 Kích thước trục 35 2.34 Ổ bi của trục 35 2.35 Bản vẽ tổng thể cơ khí hệ thống hướng sáng 36 3.1 Hệ thống cảm biến quang sử dụng 2 quang trở 37 3.2 Hệ thống cảm biến quang sử dụng 4 quang trở 38 3.3 Quang trở 38 3.4 Một số loại biến trở 39 3.5 Cấu tạo của biến trở 40 3.6 Pin năng lượng mặt trời 40 3.7 Cấu tạo tấm pin mặt trời. 42 3.8 Mô hình nối dây song song 43 3.9 Mô hình nối dây nối tiếp 44 3.10 Mô hình nối dây nối tiếp và song song 44 3.11 Arduino Uno R3 45 3.12 Mạch cầu H-L298N 48 3.13 Hệ thống cảm biến 49 3.14 Sơ đồ mạch điều khiển 51 3.15 Biến trở được sử dụng như cảm biến góc xoay 51 3.16 Cấu tạo bình ắc quy 52 3.17 Giao diện làm việc của Matlab 55 3.18 Cảm biến đo dòng điện ASC712 56 3.19 Sơ đồ nối dây của ASC712 56 4.1 Tiến hành thí nghiệm để thu nhận dữ liệu 59 4.2 Đồ thị công suất ngày 17/08/2018 60 4.3 Đồ thị công suất ngày 20/8/2018 61 4.4 Đồ thị công suất ngày 22/08/2018 62 4.5 Đồ thị công suất ngày 31/08/2018 63 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Năng lượng mặt trời là nguồn tài nguyên vô cùng phong phú và bất tận. 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 hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng chưa cao do năng lượng mặt trời sẽ chỉ đạt cực đại khi chiếu vuông góc với bề mặt thu. Bên cạnh đó, giá thành các tấm pin mặt trời thường rất đắt . Do vậy phải tìm cách nâng cao hiệu suất của chúng. Khi ánh sáng chiếu tới pin mặt trời càng lớn tức là cường độ ánh sáng chiếu tới tấm pin càng lớn thì càng có nhiều năng lượng mặt trời biến đổi thành điện năng và pin mặt trời chỉ đạt hiệu suất lớn nhất khi ánh sáng mặt trời chiếu vuông góc với bề mặt hấp thụ ánh sáng của tấm pin. Vào những ngày có nắng, mặt trời di chuyển một góc khoảng 180° so với một điểm cố định trên mặt đất. Rõ ràng, một dàn pin mặt trời đặt cố định sẽ thu được quang năng ít hơn nhiều so với một dàn pin có xu hướng hứng trọn ánh sáng mặt trời. Giải pháp đưa ra để nâng cao hiệu suất của pin mặt trời là hệ thống hướng sáng tấm pin mặt trời luôn giữ cho các tia bức xạ chiếu vuông góc lên bề mặt tấm pin trong suốt thời gian chiếu sáng ban ngày. Qua đó thấy được sự cần thiết của việc phát triển đề tài “Thiết kế, chế tạo và đánh giá hiệu suất hệ thống hƣớng sáng tấm pin năng lƣợng mặt trời” nhằm so sánh hiệu quả về năng lượng giữa hệ thống hướng sáng tấm pin năng lượng mặt trời và hệ thống pin năng lượng mặt trời cố định. 2. Mục đ ch nghiên cứu Mục đích của đề tài là tìm hiểu nguyên lý, tính năng, cấu tạo, các vấn đề kỹ thuât nhằm thiết kế và chế tạo hệ thống hướng sáng tấm pin mặt trời. Xây dựng phần mềm đo đạc và lưu trữ dữ liệu năng lượng thu được. Từ đó so sánh hiệu quả về năng lượng giữa hệ thống hướng sáng tấm pin năng lượng mặt trời và hệ thống pin năng lượng mặt trời cố định. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu  Đối tƣợng nghiên cứu Tập trung chính vào thiết kế, chế tạo, đánh giá hiệu suất hệ thống hướng sáng tấm pin mặt trời trên cơ sở nghiên cứu: - Các hệ thống pin năng lượng mặt trời tự xoay. 2 - Kết cấu giá đỡ, hệ truyền động cơ khí cho hệ thống pin mặt trời có khả năng tự xoay theo hướng mặt trời. - Thiết kế, chế tạo mô hình thử nghiệm. Từ đó hoàn thiện hệ thống hướng sáng tấm pin mặt trời. - Xây dựng phần mềm thu thập dự liệu năng lượng thu được. - Đánh giá hiệu suất của hệ thống hướng sáng tấm pin mặt trời so với hệ thống pin mặt trời cố định.  Phạm vi nghiên cứu - Thiết kế, chế tạo hệ thống hướng sáng tấm pin mặt trời dùng cho nghiên cứu và thực tiễn. - Tổng hợp dự liệu năng lượng thu được làm cơ sở đánh giá hiệu suất giữa hệ thống hướng sáng tấm pin mặt trời so với hệ thống pin mặt trời cố định. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu - Phân tích lý thuyết và các mô hình chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng và các công cụ phần mềm để thiết kế, điều khiển, tính toán. - Lựa chọn phương án truyền động và kết cấu hệ thống hướng sáng tấm pin mặt trời. - Ứng dụng các kiến thức về điều khiển tự động, truyền động cơ khí để thiết kế và chế tạo mô hình thực nghiệm. - Sử dụng phần mềm phân tích kết quả vận hành thực nghiệm để đưa ra các đánh giá về hiệu suất hoạt động và hiệu quả kinh tế. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài  Ý nghĩa khoa học - Góp phần hoàn thiện cơ sở khoa học về việc thiết kế và chế tạo hệ thống hướng sáng tấm pin mặt trời. - Đánh giá hiệu suất của hệ thống hướng sáng tấm pin mặt trời so với hệ thống pin mặt trời cố định. Từ đó đưa ra kiến nghị đối với hệ thống pin năng lượng mặt trời.  Ý nghĩa thực tiễn Nâng cao hiệu quả sử dụng hệ thống pin năng lượng mặt trời trong cuộc sống. 6. Cấu trúc của luận văn Luận văn gồm có 4 chương với các nội dung chính như sau: 3 - Chƣơng 1: Chương này giới thiệu tổng quan về nhu cầu sử dụng nguồn năng lượng mặt trời và hệ thống hướng sáng tấm pin năng lượng mặt trời. Tiếp đó, tác giả trình bày tính cấp thiết và các ứng dụng về đề tài đã lựa chọn. Cuối cùng là lý do lựa chọn đề tài. - Chƣơng 2: Chương này trình bày các phương án thiết kế, phân tích ưu nhược điểm của từng phương án. Từ đó, đưa ra phương án phù hợp với mục đích nghiên cứu. Sau đó là phần tính toán phần kết cấu cơ khí, thiết kế, chế tạo và vận hành thử nghiệm hệ thống hướng sáng cho tấm pin mặt trời. - Chƣơng 3: Chương này đưa ra các phương án điều khiển hệ thống hướng sáng phù hợp, đáp ứng yêu cầu của đề tài với độ chính xác và hiệu quả cao. Phần thiết kế mạch, lựa chọn linh kiện, lập trình và kiểm thử hoạt động của hệ thống sẽ được trình bày ở cuối chương. - Chƣơng 4: Xây dựng chương trình đo đạc và thu thập dữ liệu công suất, điện áp, dòng điện thu được từ hệ thống pin năng lượng mặt trời thông qua phần mềm chuyên dụng MATLAB. Sau đó, tác giả tổng hợp dữ liệu thu được để làm cơ sở so sánh, đánh giá sự chênh lệch điện năng, hiệu quả kinh tế thu được, hiệu suất hoạt động của hệ thống hướng sáng tấm pin năng lượng mặt trời và hệ thống pin năng lượng mặt trời cố định. 4 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG HƢỚNG SÁNG TẤM PIN MẶT TRỜI. 1.1. Nhu cầu sử dụng năng lƣợng mặt trời 1.1.1. Nhu cầu sử dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam Việt Nam là một trong những nước đang phát triển ở Đông Nam Á có mức độ gia tăng nhu cầu sử dụng điện khá cao, đồng thời tỷ trọng năng lượng hóa thạch sử dụng trong phát điện vẫn còn khá lớn. Bên cạnh nguy cơ thiếu hụt nguồn năng lượng hóa thạch do trữ lượng đang dần cạn kiệt thì việc sử dụng năng lượng hóa thạch đang gây ô nhiễm, ảnh hưởng lớn đến môi trường cũng là một thực trạng mà Việt Nam phải đối mặt. Do đó, muốn đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia, Việt Nam phải tích cực phát triển các nguồn năng lượng tái tạo để thay thế như gió, mặt trời, sinh khối, địa nhiệt, thuỷ triều, sóng biển, ... Việt Nam với lợi thế là một trong những nước nằm trong giải phân bổ ánh nắng mặt trời nhiều nhất trong năm trên bản đồ bức xạ mặt trời của thế giới. Đó là cơ sở rất lớn để đất nước chúng ta phát triển ngành công nghiệp điện mặt trời. Hiện nay, ngành điện Thành phố Hồ Chí Minh đang khuyến khích người dân và các doanh nghiệp triển khai lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời trên mái nhà. Sử dụng hệ thống này, người dân không những không phải trả tiền điện hàng tháng mà còn có thể bán lại sản lượng điện dư thừa. Theo báo điện tử dantri.com.vn, tính từ tháng 9/2017 đến tháng 5/2018, số hộ dân sử dụng hệ thống điện năng lượng mặt trời và đăng ký bán lại phần điện dư tại thành phố đã tăng khoảng 2,7 lần. Hình 1. 1: Nhiều người dân tại Thành phố Hồ Chí Minh đầu tư cho hệ thống điện năng lượng mặt trời tại gia đình để giảm tiền điện hàng tháng và sử dụng nguồn năng lượng tái tạo, thân thiện môi trường [7] 5 Những năm gần đây, Sở Giao thông Vận tải tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu đã cho lắp đặt hệ thống đèn nháy màu vàng để cảnh báo giao thông nhằm giảm số vụ tai nạn tại nhiều nút giao thông hay xảy ra tai nạn giao thông như Quốc lộ 51, 55, 56 và một số tuyến đường nội thành Thành phố Vũng Tàu, Thành phố Bà Rịa. Đặc biệt, hệ thống đèn tín hiệu này đều chạy bằng năng lượng mặt trời, được thiết kế gồm hệ thống trụ đỡ bên trên gắn tấm pin năng lượng mặt trời, ắc quy, mạch điện, đóng trong một khối kín. Nhờ vào tấm pin nên đèn có thể hoạt động nháy 45-60 lần/phút. Không sử dụng điện, không tốn công sức vận hành. Hình 1. 2: Đèn cảnh báo giao thông bằng năng lượng mặt trời được đặt tại ngã ba Long Sơn (Thành phố Vũng Tàu) [8] Phát triển nông nghiệp là lợi thế to lớn của Việt Nam. Ngày nay, những người nông dân đã vận dụng những kỹ thuật tiên tiến của khoa học như máy cấy, máy cắt, máy làm đất, máy tưới tiêu, … đem vào phục vụ trong sản xuất và đời sống nhằm nâng cao sản lượng và làm giàu cho gia đình. Người ta cũng đã bước sử dụng những tấm pin năng lượng mặt trời tạo ra điện năng để nâng cao hiệu quả kinh tế. Điển hình là việc ứng dụng điện năng lượng mặt trời trong trồng lúa nước ở Đồng bằng sông Cửu Long và trồng cây thanh long tại Ninh Thuận. 6 Hình 1. 3: Ứng dụng pin năng lượng mặt trời bơm nước cung cấp nước cho cây lúa tại Đồng bằng sông Cửu Long [9] Hình 1. 4: Pin mặt trời tích nguồn điện cho việc tưới tiêu cây thanh long và cung cấp đèn điện thắp sáng vào ban đêm tại Ninh Thuận [10] Sử dụng năng lượng mặt trời như một nguồn năng lượng tại chỗ để thay thế cho các dạng năng lượng truyền thống, đáp ứng nhu cầu của các vùng dân cư này là một kế sách có ý nghĩa về mặt kinh tế, an ninh quốc phòng. Với nhu cầu và tiềm năng to lớn, việc ứng dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam sẽ phát triển mạnh trong tương lai. 7 1.1.2. Nhu cầu sử dụng năng lượng mặt trời trên thế giới Trong các năm gần đây, các công nghệ năng lượng tái tạo, trong đó có các công nghệ năng lượng mặt trời có tốc độ tăng trưởng cao và liên tục. Công nghệ ngày càng hoàn thiện nên giá năng lượng mặt trời càng ngày càng giảm sâu. Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng địa phương nên không phụ thuộc vào nguồn nhập khẩu, và do đó không phụ thuộc vào các biến đổi chính trị và các tác động khác. Các nguồn năng hóa thạch đã dần cạn kiệt, trong lúc nhu cầu năng lượng không ngừng tăng. Ô nhiễm môi trường do khai thác sử dụng năng lượng hóa thạch đã đến mức báo động, dẫn đến các hiện tượng biến đổi khí hậu trên toàn cầu. Do vậy, việc phát triển các nguồn năng lượng sạch, năng lượng tái tạo trở nên cấp thiết và càng ngày càng có tính nghĩa vụ đối với các quốc gia. Trong thời đại công nghiệp 4.0, xu thế của phát triển năng lượng mặt trời trên toàn cầu đang chuyển dần sang phát triển các công nghệ năng lượng mặt trời. Công nghệ năng lượng mặt trời đã thúc đẩy mạnh mẽ việc cải thiện hệ thống phương tiện di chuyển cả trên không và mặt đất. Chúng ta tiếp xúc nhiều với ánh năng mặt trời trong lúc lái xe, đi tàu hay bay trên không. Các nhà khoa học đã thử nghiệm rất nhiều cách để khai thác nguồn năng lượng này. Cùng với những sáng chế phương tiện di chuyển chạy bằng điện, đã đến lúc chúng ta nên bắt đầu sử dụng năng lượng mặt trời thay thế năng lượng điện. Sono Motors, công ty khởi nghiệp ở Đức, đã đầu tư để sản xuất chiếc ôtô 5 chỗ ngồi chạy bằng năng lượng mặt trời giá rẻ mang tên SION. Xe được cấu tạo từ 300 tấm pin quang điện nên nó tích trữ đủ năng lượng để có thể di chuyển khoảng 29 km cho một lần sạc. Hãng cho biết chiếc SION chỉ cần 8 giờ đồng hồ để tích đầy năng lượng bằng ánh sáng mặt trời và những tấm pin mặt trời sẽ tự động sạc khi người lái ra khỏi xe Hình 1. 5: Xe SION sử dụng năng lượng mặt trời có giá 18.000 USD 8 Solar Impulse, dự án thử nghiệm máy bay chạy bằng năng lượng Mặt Trời trên quãng đường dài của Thụy Sĩ, đã cho ra đời “Solar Impulse 2” là chiếc máy bay năng lượng mặt trời đầu tiên. Phi công có thể bay đến mọi nơi trên thế giới ngay cả trong đêm cùng với chiếc máy bay được cung cấp nhiên liệu chỉ từ năng lượng mặt trời. Hình 1. 6: Solar Impulse 2 (Si2) - Máy bay đầu tiên trong lịch sử chỉ sử dụnghoàn toàn năng lượng mặt trời hoàn thành chuyến bay vòng quanh thế giới Một thử thách khác khi ứng dụng nguồn điện năng lượng mặt trời tái tạo ngoài chi phí thiết bị cao là công nghệ lưu trữ năng lượng. Lưu trữ năng lượng là chìa khoá để biến năng lượng mặt trời trở nên phổ biến hơn. Tesla, công ty xe điện của tỷ phú công nghệ Elon Musk, đã chế tạo thành công pin Powerwall 2 nhằm lưu trữ năng lượng mặt trời hiệu quả hơn nhưng loại pin khác trên thị trường hiện nay. Pin dày 6.1 inches (khoảng 15cm), nặng 269 pounds (khoảng 120kg) và có thể chứa được 14kWh điện. Hình 1. 7: Pin Powerwall 2 của hãng Tesla