Tài liệu Thiết kế hệ thống nối lưới nguồn năng lượng mặt trời sử dụng cho căn hộ (Luận văn thạc sĩ)

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN SỸ NGỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG NỐI LƯỚI NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI SỬ DỤNG CHO CĂN HỘ Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 60520126 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN 2015 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ii LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là Nguyễn Sỹ Ngọc Sinh ngày 07 tháng 06 năm 1981 Học viên lớp cao học khóa 15 – Tự động hóa – Trƣờng đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên Hiện đang công tác tại Điện Lực Phú Bình - Công ty điện lực Thái Nguyên Tôi xin cam đoan những vấn đề đƣợc trình bày trong bản luận văn này là những nghiên cứu của riêng cá nhân tôi, có tham khảo một số tài liệu và bài báo của các tác giả trong và ngoài nƣớc đã đƣợc xuất bản. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm nếu có sử dụng lại kết quả của ngƣời khác. Tác giả Nguyễn Sỹ Ngọc Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iii MỞ ĐẦU Thế giới đang đứng trƣớc một lựa chọn khó khăn cho sự phát triển bền vững trong tƣơng lai khi các nguồn năng lƣợng đang dần cạn kiệt. Ngành công nghiệp điện chủ yếu dựa trên công nghệ nhiệt điện và thủy điện, đã mang đến cho nhân loại nền văn minh điện, nhƣng cũng đã bộc lộ mặt trái của nó đối với môi trƣờng, và dần cạn kiệt. Công nghệ điện hạt nhân lại không an toàn và gây ra những hiểm họa phóng xạ để lại tác hại lâu dài cho môi trƣờng. Vì vậy, với chiến lƣợc phát triển bền vững trên toàn cầu, đặc biệt là thời kỳ phát triển „ kinh tế xanh‟, „ năng lƣợng xanh‟ đã bắt đầu chứng kiến những công nghệ mới để sản xuất điện, trong đó việc sản xuất điện từ các nguồn năng lƣợng tái tạo trong tự nhiên đang là hƣớng đi mới trong ngành công nghiệp năng lƣợng, nguồn năng lƣợng tái tạo khá dồi dào, nó có khả năng thay thế các nguồn năng lƣợng hóa thạch, giảm thiểu tác hại tới môi trƣờng, đặc biệt là năng lƣợng mặt trời. Năng lƣợng tái tạo là dạng năng lƣợng mà nguồn nhiêu liệu của nó liên tục đƣợc tái sinh từ những quá trình tự nhiên. Năng lƣợng mặt trời là nguồn gốc của các nguồn năng lƣợng tái tạo khác nhƣ năng lƣợng gió, năng lƣợng sinh khối, năng lƣợng các dòng sông...và cung cấp năng lƣợng gần nhƣ vô tận cho hành tinh chúng ta. Sức nóng của ánh sáng mặt trời đƣợc tập trung lại bằng những thiết bị đặc biệt để đun nƣớc nóng sử dụng trong gia đình hay sản xuất ra điện năng phục vụ cho các nhu cầu thiết yếu khác của con ngƣời...Đây là nguồn năng lƣợng vô tận và gần nhƣ hoàn toàn miễn phí cũng nhƣ không sản sinh ra chất thải ô nhiễm môi trƣờng. Ở Việt Nam, năng lƣợng mặt trời có tiềm năng rất lớn, với lƣợng bức xạ trung bình cao khoảng 5kW/m2/ngày với khoảng 2000 giờ nắng/năm. Tuy nhiên việc phát triển và sử dụng nguồn năng lƣợng mặt trời ở Việt Nam vẫn còn hạn chế, chủ yếu năng lƣợng mặt trời sử dụng dụng cho các mục đích nhƣ: Đun nƣớc nóng, phát điện...Trong những năm gần đây đã có nhiều nghiên cứu, ứng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv dụng nhằm sản xuất và tích trữ năng lƣợng mặt trời, tuy nhiên, việc sử dụng nguồn năng lƣợng này chủ yếu chỉ dừng lại ở mức cục bộ, năng lƣợng dƣ thừa chƣa hòa đƣợc lên lƣới điện quốc gia (chủ yếu là nguồn điện pin mặt trời độc lập). Đối với đời sống con ngƣời hiện nay nhu cầu sử dụng điện hàng ngày đó là nhu cầu thiết yếu không thể thiếu đƣợc để đáp ứng những nhu cầu sử dụng điện. Do vậy chi phí cho sử dụng điện hàng tháng chiếm một tỷ trọng đáng kể trong chi phí sinh hoạt của con ngƣời. Bên cạnh đó nguồn năng lƣợng mặt trời là một nguồn năng lƣợng tái tạo vô tận. Chính vì vậy mà tôi đã lựa chọn đề tài: „Thiết kế hệ thống nối lƣới nguồn năng lƣợng mặt trời sử dụng cho căn hộ‟, để hòa vào lƣới điện Quốc gia, chủ động đƣợc trong việc sử dụng điện khi mất điện lƣới, cung cấp năng lƣợng dƣ thừa phát lên lƣới điện, tiết kiệm đƣợc điện năng, ứng dụng rộng rãi trong toàn dân. Luận văn thực hiện theo bố cục gồm 3 chƣơng: Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI Chƣơng 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƢỚI Chƣơng 3: ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƢỚI Sau một thời gian nghiên cứu, đến nay luận văn đã hoàn thành. Tôi xin bày tỏ trân thành lòng biết ơn sâu sắc của mình đối với sự giúp đỡ tận tình của thày giáo PGS.TS. Lại Khắc Lãi. Xin trân thành cảm ơn các thầy, các cô trong Bộ môn Tự động hóa – Trƣờng ĐHKT công nghiệp – Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện giúp đỡ trong suốt quá trình tham gia khóa học. Xin trân thành cảm ơn Phòng sau đại học, bạn bè đồng nghiệp và ngƣời thân đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành luân văn này. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ v Do hạn chế về thời gian, trình độ có hạn nên luận văn không thể tránh khỏi sai sót. Rất mong nhận đƣợc chỉ dẫn, góp ý của các thầy giáo, cô giáo cũng nhƣ các đồng nghiệp để luận văn đƣợc hoàn thiện hơn. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn và trân thành cảm ơn! Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vi MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN.................................................................................................. ii MỞ ĐẦU .............................................................................................................. iii MỤC LỤC ............................................................................................................ vi Ý NGHĨA CÁC TỪ TIẾNG ANH VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................... x TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI ................................................. 1 1.1. NĂNG LƢỢNG TÁI TẠO ......................................................................... 1 1.1.1. Khái niệm năng lƣợng tái tạo................................................................ 1 1.1.2. Phân loại năng lƣợng tái tạo ................................................................. 2 1.2. ...................................................................... 5 1.2.1. Khái niệm năng lƣợng Mặt trời ............................................................ 5 1.2.2. Vai trò và lợi ích của năng lƣợng mặt trời ............................................ 6 ................................................................................................................... 7 1.3.1. Các phƣơng pháp khai thác ................................................................... 7 1.3.2. Các thiết bị sử dụng năng lƣợng mặt trời ............................................. 8 1.4. ..... 15 1.4.1. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................ 15 1.4.2. Mục tiêu của đề tài .............................................................................. 16 1.4.3. Nội dung nghiên cứu........................................................................... 16 1.5. KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 ......................................................................... 18 CHƢƠNG 2......................................................................................................... 19 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƢỚI .................................... 19 2.1. MÔ TẢ HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƢỚI .............................. 19 2.1.1. Sơ đồ khối hệ thống ............................................................................ 19 2.1.2. Ý nghĩa của các khối trong sơ đồ........................................................ 19 2.2. PIN MẶT TRỜI (PV – Photovoltaic) ....................................................... 20 2.3 ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ........................................... 23 2.3.1. Thông số kỹ thuật................................................................................ 23 2.3.2. Sơ đồ nguyên lý chung ....................................................................... 24 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vii 2.3.3. Bộ chuyển đổi DC – DC .................................................................... 26 2.3.4. Bộ chuyển đổi DC – AC ..................................................................... 34 2.4. ............................................................................... 37 2.4.1. Vi điều khiển MEGA8 ........................................................................ 37 2.4.2. Mạch giao tiếp với máy tính ............................................................... 38 2.4.3. Các mạch phụ trợ ................................................................................ 39 2.5. THÔNG SỐ CÁC LINH KIỆN (Bảng 2.5) .............................................. 43 ..................................................................... 44 2.7. KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 ......................................................................... 44 CHƢƠNG 3......................................................................................................... 45 ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƢỚI............................... 45 ........................................................................................................ 45 ............................................................................ 45 ..................................... 46 ................................................ 48 ..................... 49 3.4. ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƢỚI .......................................................................................................................... 51 3.4.1 Mở đầu ................................................................................................. 51 3.4.2. Công suất tác dụng và công suất phản kháng một pha trên hệ qui chiếu ảo 2 trục ......................................................................................................... 53 3.4.3. Cấu trúc mạch điều khiển công suất ................................................... 55 3.4.4. Kết quả mô phỏng ............................................................................... 58 3.4.5. Nhận xét và kết luận ........................................................................... 59 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ............................................................................. 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 61 PHỤ LỤC ............................................................................................................ 62 a. Tìm điểm công suất cực đại của hệ thống ................................................. 62 b. Phần mềm chính hệ thống ......................................................................... 64 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ viii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Pin mặt trời Hình 1.2: Nhà máy nhiệt điện mặt trời Hình 1.3: Hệ thống nước nóng dùng năng lượng mặt trời Hình 1.4: Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời Hình 1.5: Lò sấy dùng năng lượng mặt trời Hình 1.6: Thiết bị chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời Hình 1.7: Động cơ stirling chạy bằng năng lượng mặt trời Hình 1.8: Điều hòa sử dụng năng lượng mặt trời Hình 1.9: Chuột không dây sử dụng năng lượng mặt trời Hình 1.10: Xe đạp điện mặt trời Hình 1.11: Điện mặt trời nối lưới cho hộ gia đình Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới Hình 2.2: Mạch tương đương của modul PV Hình 2.3: Quan hệ I(U) và P(U) của PV Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý chung Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý chuyển đổi DC-DC Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý chuyển đổi DC-AC Hình 2.7: Sơ đồ bộ vi điều khiển ATMEGA Hình 2.8: Mạch giao tiếp với máy tính Hình 2.9: Sơ đồ mạch nguồn nuôi Hình 2.10: Mạch ổn áp Hình 2.11: Mạch hồi tiếp và khóa pha Hình 2.12: Mạch đo điện áp vào Hình 2.13 : Mạch hiển thị trạng thái Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ix Hình 3.1:Vòng lặp khóa pha cơ bản Hình 3.2 Quan hệ I(U) và P(U) của PV Hình 3.3: Đặc tính V-A của tải và của pin mặt trời Hình 3.4: Lưu đồ thuật toán P&Q. Hình 3.5 : Sơ đồ khối của nghịch lưu nối lưới Hình 3.6: Đồ thị véc tơ điện áp và dòng điện của biến tần Hình 3.7: Vòng điều khiển dòng điện Hình 3.8: Bộ điều khiển công suất Hình 3.9: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển công suất nghịch lưu 1 pha nối lưới Hình 3.10: Công suất tác dụng Hình 3.11: Công suất phản kháng Hình 3.12: Dạng sóng điện áp Hình 3.13: Dạng sóng dòng điện Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ x Ý NGHĨA CÁC TỪ TIẾNG ANH VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT Solar Power Năng lƣợng mặt trời Inverter Biến tấn Grid Lƣới điện PV - Photovoltaic Pin mặt trời PLL – Phase Lock Loop Vòng khóa pha SPWM Điều chế độ rộng xung hình sin MPPT - Maximum Power Point Tracking Thuật toán dò điểm công suất tối đa MPP - Maximum Power Point Điểm công suất cực đại P&O – Perturb and Observe Thuật toán xáo trộn và quan sát NLMT Năng lƣợng mặt trời DC - DC Biến đổi một chiều sang một chiều DC - AC Biến đổi một chiều sang xoay chiều Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 1 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.1. NĂNG LƢỢNG TÁI TẠO 1.1.1. Khái niệm năng lượng tái tạo Năng lƣợng tái tạo là những nguồn năng lƣợng hay những phƣơng pháp khai thác năng lƣợng mà nếu đo bằng các chuẩn mực của con ngƣời thì là vô hạn, theo hai nghĩa: Hoặc là năng lƣợng tồn tại nhiều đến mức mà không thể trở thành cạn kiệt vì sử dụng của con ngƣời (Năng lƣợng mặt trời) hoặc là năng lƣợng tự tái tạo trong thời gian ngắn và liên tục (năng lƣợng sinh khối) trong các quy trình còn diễn tiến trong một thời gian dài trên Trái đất. Theo ý nghĩa về vật lý, năng lƣợng không đƣợc tái tạo mà trƣớc tiên là do Mặt trời mang lại và đƣợc biến đổi thành các dạng năng lƣợng hay các vật mang năng lƣợng khác nhau. Tùy theo trƣờng hợp mà năng lƣợng này đƣợc sử dụng ngay tức khắc hay đƣợc dự trữ tạm thời. Việc sử dụng khái niệm “Tái tạo” theo cách nói thông thƣờng là dùng để chỉ đến các chu kỳ tái tạo mà đối với con ngƣời là ngắn đi rất nhiều (thí dụ nhƣ khí sinh học so với năng lƣợng hóa thạch). Trong cảm giác về thời gian của con ngƣời thì Mặt trời sẽ còn là một nguồn cung cấp năng lƣợng trong một thời gian gần nhƣ là vô tận. Mặt trời cũng là nguồn cung cấp năng lƣợng liên tục cho nhiều quy trình diễn tiến trong bầu sinh quyển Trái đất. Những quy trình này có thể cung cấp năng lƣợng cho con ngƣời và cũng mang lại những cái gọi là nguyên liệu tái tăng trƣởng. Luồng gió thổi, dòng nƣớc chảy và nhiệt lƣợng của Mặt trời đã đƣợc con ngƣời sử dụng trong quá khứ. Quan trọng nhất trong thời đại công nghiệp là sức nƣớc nhìn theo phƣơng diện sử dụng kỹ thuật và theo phƣơng diện phí tổn sinh thái. Ngƣợc lại với việc sử dụng các quy trình này là việc khai thác các nguồn năng lƣợng nhƣ than đá hay dầu mỏ, những nguồn năng lƣợng mà ngày nay Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 2 đƣợc tiêu dùng nhanh hơn là đƣợc tạo ra rất nhiều. Theo ý nghĩa của định nghĩa tồn tại vô tận thì phản ứng tổng hợp hạt nhân (phản ứng nhiệt hạch), khi có thể thực hiện trên bình diện kỹ thuật và phản ứng rã hạt nhân (phản ứng phân hạch) với các lò phản ứng tái sinh, khi năng lƣợng hao tốn lúc khai thác uranium hay thorium có thể đƣợc giữ ở mức thấp, đều là những nguồn năng lƣợng tái tạo mặc dù là thƣờng thì chúng không đƣợc tính vào loại năng lƣợng này. 1.1.2. Phân loại năng lượng tái tạo Năng lƣợng tái tạo bao gồm: Năng lƣợng gió, năng lƣợng mặt trời, năng lƣợng thủy triều (sóng), thủy điện, địa nhiệt, sinh khối, nhiên liệu sinh học. Theo nguồn gốc suất sứ ta phân năng lƣợng tái tạo thành 3 loại nhƣ sau: a) Nguồn gốc từ bức xạ mặt trời Năng lƣợng Mặt trời thu đƣợc trên Trái đất là năng lƣợng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ Mặt trời đến Trái đất. Chúng ta sẽ tiếp tục nhận đƣợc dòng năng lƣợng này cho đến khi phản ứng hạt nhân trên Mặt trời hết nhiên liệu, vào khoảng 5 tỷ năm nữa. Có thể trực tiếp thu năng lƣợng này thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển năng lƣợng các photon của Mặt trời thành điện năng, nhƣ trong pin Mặt trời. Năng lƣợng của các photon cũng có thể đƣợc hấp thụ để làm nóng các vật thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, sử dụng cho bình đun nƣớc bằng mặt trời, hoặc làm sôi nƣớc trong các máy nhiệt điện của tháp Mặt trời, hoặc vận động các hệ thống nhiệt nhƣ máy điều hòa Mặt trời. Năng lƣợng của các photon có thể đƣợc hấp thụ và chuyển hóa thành năng lƣợng trong các liên kết hóa học của các phản ứng quang hóa. Một phản ứng quang hóa tự nhiên là quá trình quang hợp. Quá trình này đƣợc cho là đã từng dự trữ năng lƣợng Mặt trời vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch không tái sinh mà các nền công nghiệp của thế kỷ 19 đến 21 đã và đang tận dụng. Nó cũng là quá trình cung cấp năng lƣợng cho mọi hoạt động sinh học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 3 tự nhiên, cho sức kéo gia súc và củi đốt, những nguồn năng lƣợng sinh học tái tạo truyền thống. Trong tƣơng lai, quá trình này có thể giúp tạo ra nguồn năng lƣợng tái tạo ở nhiên liệu sinh học, nhƣ các nhiên liệu lỏng, khí hay rắn. Năng lƣợng mặt trời cũng đƣợc hấp thụ bởi thủy quển Trái đất và khí quyển Trái đất để sinh ra các hiện tƣợng khí tƣợng học chứa các dạng dự trữ năng lƣợng có thể khai thác đƣợc. Trái đất, trong mô hình năng lƣợng này, gần giống bình đun nƣớc của những động cơ nhiệt đầu tiên, chuyển hóa nhiệt năng hấp thụ từ photon của Mặt trời thành động năng của các dòng chảy của nƣớc, hơi nƣớc và không khí, và thay đổi tính chất hóa học và vật lý của các dòng chảy này. Thế năng của nƣớc mƣa có thể đƣợc dự trữ tại các đập nƣớc và chạy máy phát điện của các công trình thủy điện. Một dạng tận dụng năng lƣợng dòng chảy sông suối có trƣớc khi thủy điện ra đời là cối xay nƣớc. Dòng chảy của biển cũng có thể làm chuyển động máy phát của nhà máy điện dùng dòng chảy của biển. Dòng chảy của không khí hay gió có thể sinh ra điện khi làm quay tuốc bin gió. Trƣớc khi máy phát điện dùng năng lƣợng gió ra đời, cối xay gió đã đƣợc ứng dụng để xay ngũ cốc. Năng lƣợng gió cũng gây ra nhiều chuyển động sóng trên mặt biển. Chuyển động này có thể đƣợc tận dụng trong các nhà máy điện dùng sóng biển. Đại dƣơng trên trái đất có nhiệt dung riêng lớn hơn không khí và do đó thay đổi độ chậm hơn không khí khi hấp thụ cùng nhiệt lƣợng của Mặt trời. Đại dƣơng nóng hơn không khí vào ban đêm và lạnh hơn không khí vào ban ngày. Sự chênh lệch nhiệt độ này có thể đƣợc khai thác để chạy các động cơ nhiệt trong các nhà máy dùng nhiệt lƣợng của biển. Khi nhiệt năng hấp thụ từ photon của Mặt trời làm bốc hơi nƣớc biển, một phần năng lƣợng đó đã đƣợc dự trữ trong việc tách muối ra khỏi nƣớc mặn của Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 4 biển. Nhà máy điện dùng phản ứng nƣớc ngọt - nƣớc mặn thu lại phần năng lƣợng này khi đƣa nƣớc ngọt của dòng sông trở về biển. b) Nguồn gốc từ nhiệt năng của trái đất Nhiệt năng của trái đất, gọi là địa nhiệt, là năng lƣợng nhiệt mà Trái đất có đƣợc thông qua các phản ứng hạt nhân âm ỉ trong lòng. Nhiệt năng này làm nóng chảy các lớp đất đá trong lòng Trái đất, gây ra hiện tƣợng di dời thềm lục địa và sinh ra núi lửa. Các phản ứng hạt nhân trong lòng trái đất sẽ tắt dần và nhiệt độ lòng Trái đất sẽ nguội dần, nhanh hơn nhiều so với tuổi thọ của Mặt trời. Địa nhiệt có thể là nguồn năng lƣợng sản xuất công nghiệp quy mô vừa trong các lĩnh vực nhƣ: nhà máy điện địa nhiệt, sƣởi ấm địa nhiệt c) Nguồn gốc từ động năng hệ Trái đất – Mặt trăng Trƣờng hấp dẫn không đều trên bề mặt trái đất gây ra bởi Mặt trăng, cộng với trƣờng lực quán tính ly tâm không đều tạo nên bề mặt hình elipsoit của thủy quyển Trái đất (và ở mức độ yếu hơn, của khí quyển Trái đất và thạch quyển Trái đất). Hình elipsoit này cố định so với đƣờng nối Mặt trăng và Trái đất, trong khi trái đất tự quay quanh nó, dẫn đến mực nƣớc biển trên một điểm của bề mặt Trái đất dâng lên hạ xuống trong ngày, tạo ra hiện tƣợng thủy triều. Sự nâng hạ của nƣớc biển có thể làm chuyển động các máy phát điện trong các nhà máy điện thủy triều. Về lâu dài, hiện tƣợng thủy triều sẽ giảm dần mức độ, do tiêu thụ dần động năng tự quay của trái đất, cho đến lúc Trái đất luôn hƣớng một mặt về phía Mặt trăng. Thời gian kéo dài của hiện tƣợng thủy triều cũng nhỏ hơn so với tuổi thọ của Mặt trời. d) Các nguồn năng lượng tái tạo nhỏ Ngoài các nguồn nêu trên dành cho mức độ công nghiệp, còn có các nguồn năng lƣợng tái tạo nhỏ dùng trong một số vật dụng: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 5 - Một số đồng hồ đeo tay dự trữ năng lƣợng lắc lƣ của tay khi con ngƣời hoạt động thành thế năng của lò xo, thông qua sự lúc lắc của một con quay. Năng lƣợng này đƣợc dùng để làm chuyển động kim đồng hồ. - Một số động cơ có dung động lớn đƣợc gắn tinh thể áp điện chuyển hóa biến dạng cơ học thành điện năng, làm giảm rung động cho động cơ và tạo nguồn điện phụ. Tinh thể này cũng có thể đƣợc gắn vào đế giầy, tận dụng chuyển động tự nhiên của ngƣời để phát điện cho các thiết bị cá nhân nhỏ nhƣ PDA, điện thoại di động… - Hiệu ứng điện động giúp tạo ra dòng điện từ vòi nƣớc hay các nguồn nƣớc chảy, khi nƣớc đi qua các kênh nhỏ xíu làm bằng vật liệu thích hợp. - Các ăng ten thu dao động điện từ (thƣờng ở phổ radio) trong môi trƣờng sang năng lƣợng điện xoay chiều hay điện một chiều. Một số đèn nhấp nháy gắn vào điện thoại di động thu năng lƣợng sóng vi ba phát ra từ điện thoại để phát sáng, hoạt động theo cơ chế này. 1.2. 1.2.1. Khái niệm năng lượng Mặt trời Năng lƣợng mặt trời là một trong các nguồn năng lƣợng tái tạo quan trọng nhất mà thiên nhiên ban tặng cho hành tinh chúng ta. Đồng thời nó cũng là nguồn gốc của các nguồn năng lƣợng tái tạo khác nhƣ năng lƣợng gió, năng lƣợng sinh khối, năng lƣợng các dòng sông…Năng lƣợng mặt trời có thể nói là vô tận. Tuy nhiên để khai thác, sử dụng nguồn năng lƣợng này cần phải biết các đặc trƣng và tính chất cơ bản của nó, đặc biệt khi tới bề mặt quả đất. Về mặt vật chất thì mặt trời chứa đến 78,4% khí Hydro(H 2), Heli(He) chiếm 19,8%, các nguyên tố kim loại và các nguyên tố khác chỉ chiếm 1,8%. Năng lƣợng do mặt trời bức xạ ra vũ trụ là một lƣợng khổng lồ, mỗi giây nó phát ra 3,865.1026J, tƣơng đƣơng với năng lƣợng đốt cháy hết 1,3210 16 tấn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 6 than đá tiêu chuẩn. Nhƣng bề mặt quả đất chỉ nhận đƣợc một năng lƣợng rất nhỏ và bằng 17,57.1016J hay tƣơng đƣơng năng lƣợng đốt cháy của 6.106 tấn than đá. Năng lƣợng khổng lồ từ mặt trời đƣợc xác định là sản phẩm của các phản ứng nhiệt hạt nhân. Theo thuyết tƣơng đối của Anhstanh và qua phản ứng nhiệt nhiệt hạt nhân khối lƣợng có thể chuyển thành năng lƣợng. Nhiệt độ mặt ngoài của mặt trời khoảng 60000K, còn ở bên trong mặt trời nhiệt độ có thể lên đến hàng triệu độ. Áp suất bên trong mặt trời cao hơn 340.10 18Mpa. Do nhiệt độ và áp suất bên trong mặt trời cao nhƣ vậy nên vật chất đã nhanh chóng bị ion hóa và chuyển động với năng lƣợng rất lớn. Chúng va chạm vào nhau và gây ra hàng loạt các phản ứng hạt nhân. Ngƣời ta đã xác định đƣợc nguồn năng lƣợng của mặt trời chủ yếu do hai loại phản ứng hạt nhân gây ra. Đó là các phản ứng tuần hoàn giữa các hạt nhân cacbon và Nito(C.N) và phản ứng hạt nhân ProtonProton. Khối lƣợng mặt trời xấp xỉ 2.1027tấn. Nhƣ vậy để mặt trời chuyển hóa hết khối lƣợng của nó thành năng lƣợng cần một khoảng thời gian là 15.10 13 năm. Từ đó có thể thấy rằng nguồn năng lƣợng mặt trời là khổng lồ và lâu dài. 1.2.2. Vai trò và lợi ích của năng lượng mặt trời Năng lƣợng mặt trời có tiềm năng thay thế các nguồn năng lƣợng hóa thạch và năng lƣợng nguyên tử. Trên lý thuyết, chỉ với một hiệu suất chuyển đổi là 10% và trên một diện tích 700x700km ở sa mạc Sahara thì đã có thể đáp ứng đƣợc nhu cầu năng lƣợng trên toàn thế giới bằng cách sử dụng năng lƣợng mặt trời. Sử dụng một cách triệt để các thiết bị cung cấp nhiệt từ năng lƣợng mặt trời cũng có thể đáp ứng nhu cầu nƣớc nóng. Việc sử dụng năng lƣợng tái tạo đặc biệt là năng lƣợng mặt trời sẽ mang lại nhiều lợi ích về sinh thái cũng nhƣ là lợi ích gián tiếp cho kinh tế. So với các Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 7 nguồn năng lƣợng khác, năng lƣợng tái tạo có nhiều ƣu điểm hơn vì tránh đƣợc các hậu quả có hại đến môi trƣờng. 1.3. ,S 1.3.1. Các phương pháp khai thác Năng lƣợng mặt trời (Solar Power): cho đến gần đây, sức nóng mặt trời đƣợc chú trọng trong việc ứng dụng vào việc chuyển hóa sang nhiệt năng, điện năng phục vụ nhu cầu của cuộc sống. Sức nóng của ánh nắng mặt trời đƣợc tập trung lại bằng những thiết bị đặc biệt để đun nƣớc nóng sử dụng trong sinh hoạt hay tạo ra hơi nƣớc để sản xuất điện. Đây là nguồn năng lƣợng vô tận và gần nhƣ hoàn toàn miễn phí cũng nhƣ không sản sinh ra chất thải hủy hoại môi trƣờng. Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật ngƣời ta đã biết tận dụng và sử dụng nguồn năng lƣợng mặt trời vô tận này với các thiết bị, hệ thống sử dụng năng lƣợng mặt trời nhƣ : Pin mặt trời, tấm kính mặt trời.. Hiện nay có hai công nghệ nguồn pin mặt trời thông dụng. Đó là hệ thống nguồn điện pin mặt trời nối lƣới và hệ nguồn độc lập. Đối với các khu vực không có lƣới điện hoặc sử dụng điện với quy mô nhỏ, ngƣời ta dùng công nghệ nguồn pin mặt trời độc lập. Trong hệ nguồn pin mặt trời nối lƣới, điện năng một chiều từ dàn pin mặt trời đƣợc biến đổi thành dòng điện xoay chiều và đƣợc hòa vào mạng điện công nghiệp. Đứng đầu trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học công nghệ, sản xuất và ứng dụng các thiết bị sử dụng năng lƣợng mặt trời là các quốc gia nhƣ Mỹ, Nhật bản, Đức, một số nƣớc thuộc EU và Trung quốc. Việt nam là quốc gia đang phát triển, do đó nhu cấu năng lƣợng ngày càng tăng với tốc độ tăng trƣởng khoảng 15-20%. Hiện tại chính sách quốc gia Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 8 của Việt nam về nhu cầu năng lƣợng dựa vào việc thiết lập hệ thống các nhà thủy điện, nhà máy nhiệt điện tua bin hơi và tua bin khí… Các hệ thống phát năng lƣợng điện mặt trời ở Việt nam chƣa phát triển đƣợc thành nhà máy phát điện. Tuy nhiên đã có một số hệ thống phát điện năng lƣợng mặt trời công suất nhỏ. Việc khai thác nguồn năng lƣợng mặt trời ở nƣớc ta còn nhiều hạn chế, khai thác và sử dụng năng lƣợng mặt trời còn đang ở quy mô nhỏ lẻ và tập trung chủ yếu vào việc nghiên cứu, sử dụng trực tiếp năng lƣợng mặt trời (hệ thống đun nƣớc nóng), các hệ thống pin mặt trời và hòa vào lƣới điện hầu nhƣ chƣa có. Nguồn năng lƣợng từ mặt trời có thể khai thác đƣợc ở nhiều nơi. Có nhiều hƣớng khai thác năng lƣợng mặt trời phục vụ cho sinh hoạt con ngƣời, trong đó xu hƣớng biến đổi năng lƣợng mặt trời thành điện năng chiếm xu thế chủ đạo. Tuy nhiên để đảm bảo phát triển bền vững và đặc biệt cân bằng đƣợc năng lƣợng của quốc gia trong tƣơng lai, Việt nam đã và đang tập trung nghiên cứu phát triển các nguồn năng lƣợng mới trong đó Năng lƣợng mặt trời vẫn là một nguồn năng lƣợng tối ƣu trong tƣơng lai cho điều kiện Việt nam đứng về phƣơng diện địa dƣ và nhu cầu phát triển kinh tế. 1.3.2. Các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời 1.3.2.1. Pin mặt trời Pin mặt trời là phƣơng pháp sản xuất điện trực tiếp từ năng lƣợng mặt trời qua thiết bị biến đổi quang điện. Pin mặt trời có ƣu điểm là gọn nhẹ, có thể lắp bất kì đâu có ánh sáng mặt trời, đặc biệt trong lĩnh vực tầu vũ trụ. Ứng dụng năng lƣợng mặt trời dƣới dạng này đƣợc phát triển với tốc độ rất nhanh, nhất là ở các nƣớc phát triển. Tuy nhiên giá thành thiết bị pin mặt trời còn khá cao nên ở những nƣớc đang phát triển, pin mặt trời mới chỉ có khả năng là cung cấp năng lƣợng điện sử dụng cho các vùng sâu vùng xa mà đƣờng điện quốc gia chƣa có. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 9 Hình 1.1: Pin mặt trời 1.3.2.2. Nhà máy điện sử dụng năng lượng mặt trời Điện năng còn có thể tạo ra từ NLMT dựa trên nguyên tắc tạo nhiệt độ cao bằng một hệ thống gƣơng phản chiếu và hội tụ để gia nhiệt cho môi chất làm việc truyền động cho máy phát điện. Hình 1.2: Nhà máy nhiệt điện mặt trời Hiện nay, trong các nhà máy nhiệt điện sử dụng NLMT có các loại hệ thống bộ thu chủ yếu sau đây: Hệ thống dùng parabol trụ để tập trung tia bức xạ mặt trời vào một ống môi chất đặt dọc theo đƣờng hội tụ của bộ thu, nhiệt độ có thể đạt tới 4000C. Hệ thống nhận nhiệt trung tâm bằng cách sử dụng các gƣơng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 10 phản xạ có định vị theo phƣơng mặt trời để tập trung NLMT vào một bộ thu đặt ở tiêu điểm của gƣơng, nhiệt độ có thể đạt trên 15000C. Hiện nay ngƣời ta còn dùng năng lƣợng mặt trời để phát điện theo kiểu tháp năng lƣợng mặt trời – Solar power tower. 1.3.2.3. Thiết bị đun nước nóng bằng NLMT Ứng dụng đơn giản, phổ biến và hiệu quả nhất hiện nay của NLMT là dùng để đun nƣớc nóng. Các hệ thống nƣớc nóng dùng NLMT đã đƣợc dùng rộng rãi ở nhiều nƣớc trên thế giới. Hình 1.3: Hệ thống nước nóng dùng năng lượng mặt trời Hệ thống cung cấp nƣớc nóng dùng NLMT hiện nay ở việt nam cũng nhƣ trên thế giới chủ yếu dùng bộ thu cố định kiểu tấm phẳng hoặc dãy ống có cánh nhận nhiệt độ nƣớc sử dụng 600C thì hiệu suất của bộ thu khoảng 45%, còn nếu sử dụng ở nhiệt độ cao hơn thì hiệu suất còn thấp hơn. 1.3.2.4 . Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời Bếp sử dụng năng lƣợng mặt trời đƣợc sử dụng rộng rãi ở các nƣớc nhiều năng lƣợng mặt trời nhƣ các nƣớc châu phi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/