Tài liệu Tính toán thiết kế, xây dựng mô hình nhà kính thông minh sử dụng năng lượng mặt trời

TRANG TÓM TẮT THÔNG TIN TIẾNG ANH TÍNH TOÁN THIẾT KẾ, XÂY DỰNG MÔ HÌNH NHÀ KÍNH THÔNG MINH SỬ DỤNG HỆ THỐNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI Học viên: Trần Thị Khánh Hoàng Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 60520202 Khóa: K33 tại Nha Trang. Trường Đại học Bách khoa-ĐHĐN Tóm tắt - Hiện nay nhu cầu s dụng n ng lượng của con người ng y c ng t ng nhất l n ng lượng điện. Con người cần n ng lượng điện đ phục vụ cho nhu cầu đời sống sinh hoạt sản xuất. T nh ng nhu cầu đ n giản như chiếu s ng sinh hoạt cho đến c c d y chuyền sản xuất hiện đại. Trong khi đ c c nguồn nhi n liệu truyền thống đứng trước nguy c thiếu hụt n ng lượng. Ngo i ra c c dạng n ng lượng n y g y ra nhi m m i trường xung quanh v l m t ng hiệu ứng nh k nh. N ng lượng tái tạo trong đ c n ng lượng mặt trời đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực đem lại nh ng lợi ích vô cùng to lớn. Xu hướng sản xuất nông nghiệp công nghệ cao và sạch trong nước và thế giới đang tr n đ ph t tri n mạnh. Thiết kế, xây dựng mô hình nhà kính thông minh là giải ph p t ng cường n ng cao đa dạng hóa các mô hình hệ thống dây chuyền sản xuất nông nghiệp công nghệ cao và sạch phục vụ quá trình học tập của học sinh – sinh viên trong c c trường dạy nghề với các môn học PLC c bản PLC n ng cao Điều khi n tự động và Tự động hóa, Công nghệ sinh học, Kỹ thuật trồng rau hoa công nghệ cao,... Với nh ng lợi ích to lớn, đề tài này nhằm thiết kế, xây dựng mô hình nhà kính thông minh với hệ thống điều khi n giám sát và thu thập d liệu SCADA cho dây chuyền sản xuất nông nghiệp công nghệ cao và sạch s dụng n ng lượng mặt trời theo xu hướng hiện đại hóa phù hợp h n với thực ti n ngày nay. Từ khóa – Nh k nh th ng minh; Hệ thống n ng lượng mặt trời; N ng lượng t i tạo; Lưu tr trong pin. CALCULATING THE DESIGN AND BUILDING SMART HOUSE MODEL USING THE SUN ENERGY SYSTEM Summary - Currently the demand for human energy is increasing electrical energy. People need electric energy to serve the needs of livelihood, production. From the simple needs such as lighting work until the modern production line. Meanwhile the traditional fuel sources stood before the risk of energy shortage. Besides this form of energy pollute the surrounding environment and increase greenhouse. Renewable energy including solar energy is being studied and widely used in many areas that bring the benefits enormous. Trends in agricultural production and clean tech in the country and the world is on track to thrive. Design, modeling greenhouse intelligent solution to strengthen, enhance and diversify the system model production line agricultural high technology and clean serving the learning process of students - students Teachers of vocational schools with the basic PLC courses, Advanced PLC, Automatic Control and Automation, Biotechnology, Engineering high-tech growing vegetables and flowers, ... With these great benefits, subject to design, build models of greenhouse intelligent control system monitoring and data acquisition SCADA for production lines of agricultural high technology and clean energy use solar modernization trend more in line with today's reality. Keywords - smart greenhouses; Solar system; Recycled energy; Stored in the battery. MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN....................................................................................................... 1 TRANG TÓM TẮT THÔNG TIN TIẾNG ANH ...................................................... 2 MỤC LỤC .................................................................................................................. 1 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT ....................................... 4 DANH MỤC CÁC BẢNG......................................................................................... 6 DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ........................................................................ 7 MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài ............................................................................................ 1 2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu ................................................................. 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................................. 2 4. Phư ng ph p nghi n cứu ................................................................................ 3 5. Ý nghĩa khoa học và thực ti n của đề tài ....................................................... 3 6. Bố cục đề tài .................................................................................................... 3 CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NHÀ KÍNH THÔNG MINH VÀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ..................................................................................... 4 1.1. Tổng quan về hệ thống nhà kính thông minh...................................................... 4 1.1.1. Kết cấu cơ khí – điện – nước của nhà kính ..................................................... 4 1.1.2. Hệ thống điều khiển của nhà kính thông minh................................................. 4 1.2. Tổng quan về n ng lượng mặt trời và các ứng dụng của n ng lượng mặt trời............. 5 1.2.1. Nguồn năng lượng mặt trời .............................................................................. 5 1.2.1.1. Bức xạ mặt trời ..................................................................................... 5 1.2.1.2. Nguồn gốc n ng lượng mặt trời ........................................................... 5 1.2.2. Tổng quan các công nghệ khai thác và sử dụng năng lượng mặt trời............. 7 1.2.2.1. Qu tr nh ph t tri n v tri n khai ứng dụng n ng lượng mặt trời ........ 7 1.2.2.2. Tình hình ứng dụng n ng lượng mặt trời trên thế giới ......................... 8 CHƯƠNG 2 - HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ GIỚI THIỆU TỔNG QUAN MÔ HÌNH NHÀ KÍNH THÔNG MINH KẾT HỢP VỚI HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ................................................................................... 13 2.1. Hệ thống pin n ng lượng mặt trời ..................................................................... 13 2.1.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin mặt trời .......................................... 13 2.1.1.1. Cấu tạo của pin mặt trời ..................................................................... 13 2.1.1.2. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời ............................................... 14 2.1.1.3. Đặc tính làm việc của pin mặt trời ..................................................... 16 2.1.1.4. Dàn pin mặt trời.................................................................................. 19 2.1.2. Ắc quy (Hệ thống dự trữ điện năng) ............................................................. 22 2.1.2.1. Cấu tạo của ắc quy.............................................................................. 22 2.1.2.2. C c phư ng ph p ph ng v nạp ắc quy.............................................. 23 2.1.2.3. Các chế độ vận hành ắc quy ............................................................... 23 2.1.3. Hệ thống điều phối điện mặt trời ................................................................... 24 2.1.3.1. Bộ điều khi n sạc................................................................................ 24 2.1.3.2. Bộ nghịch lưu ..................................................................................... 25 2.1.4. Các mô hình cơ bản của hệ thống pin mặt trời.............................................. 26 2.1.4.1. Vận h nh độc lập với lưới (Off Grid)................................................. 26 2.1.4.2. Vận hành ki u lai (Hybrid) ................................................................. 26 2.1.4.3. Vận hành kết nối với lưới điện (grid tie) ............................................ 26 2.2 Giới thiệu tổng quan mô hình nhà kính thông minh kết hợp với n ng lượng mặt trời ..................................................................................................................... 27 2.2.1. Thiết kế, lắp đặt phần cứng cho mô hình nhà kính ........................................ 28 2.2.1.1. Khung b n đ mô hình ....................................................................... 28 2.2.1.2. Khung mô hình nhà kính thông minh ................................................. 28 2.2.1.3.Mô hình nhà kính thông minh ............................................................. 29 2.2.2. Mô tả yêu cầu công nghệ ............................................................................... 29 2.3. Kết luận ............................................................................................................ 30 CHƯƠNG 3 – TÍNH TOÁN THIẾT KẾ, XÂY DỰNG MÔ HÌNH NHÀ KÍNH THÔNG MINH SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ..................................... 31 3.1. Tính toán, lựa chọn đặc tính kỹ thuật của thiết bị trong mô hình nhà kính thông minh, khảo sát tiềm n ng điện mặt trời tại Khánh Hòa và xây dựng hệ thống pin mặt trời cấp điện cho mô hình nhà kính. .................................................................. 31 3.1.1 Thiết bị trong mô hình nhà kính thông minh: ................................................. 31 3.1.1.1 Tủ điều khi n ....................................................................................... 31 3.1.1.2. Các cảm biến v c cấu chấp hành ..................................................... 32 3.1.1.3. Hệ thống n ng lượng mặt trời ............................................................ 36 3.1.2. Tiềm năng điện mặt trời tại Khánh Hòa ........................................................ 37 3.1.3. Xây dựng hệ thống pin mặt trời cấp điện cho mô hình nhà kính ................... 40 3.1.3.1. C sở tính toán các thông số của nhà kính. ........................................ 40 3.1.3.2. Chọn loại pin mặt trời và lựa chọn các thông số cụ th của hệ thống pin n ng lượng mặt trời. .............................................................................. 42 3.2. Xây dựng thuật toán – Lập trình PLC cho mô hình .......................................... 45 3.2.1. Xây dựng thuật toán ....................................................................................... 45 3.2.2. Lập trình PLC. ............................................................................................... 50 3.2.2.1. Quy ước c c địa chỉ vào/ ra và các module của PLC ........................ 50 3.2.2.2. Viết chư ng tr nh điều khi n hệ thống .............................................. 52 3.3. Xây dựng giao diện scada và kết nối với máy tính – điện thoại thông minh. .......... 52 3.3.1. Yêu cầu công nghệ. ........................................................................................ 52 3.3.2. Thiết lập thuộc tính cho các đối tượng .......................................................... 52 3.3.3. Kết nối máy tính – điện thoại thông minh ...................................................... 55 3.4. Lập trình phần mềm thu thập – điều khi n và giám sát mô hình nhà kính thông minh s dụng n ng lượng mặt trời tr n m y t nh v điện thoại thông minh (smartphone) ..................................................................................................... 57 3.4.1. Thiết lập cho HMI và PC Access. .................................................................. 57 3.4.1.1. Thiết lập các màn hình cho HMI ....................................................... 57 3.4.1.2. Thiết lập PC Access ............................................................................ 61 3.4.2. Lập trình cho PLC .......................................................................................... 61 3.4.3. Lập trình cho WinCC ..................................................................................... 61 3.4.4. Lập trình cho Smart Phone ............................................................................ 61 3.5. Kết luận ............................................................................................................. 61 Chư ng 4 - KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................. 62 4.1. Các vấn đề đã thực hiện trong luận v n ............................................................ 62 4.2. Hướng mở rộng của đề tài ................................................................................. 62 4.3. Kiến nghị ........................................................................................................... 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 64 PHỤ LỤC QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (BẢN SAO) BẢN SAO CÁC KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG CHẤM, NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Giải thích PLC Programmable Logic Controller SCADA Supervisory Control And Data Acquisition HMI Human Machine Interface WinCC Windows Control Center OPC OLE for Process Control DCS Distributed Control System AC/DC Alternating Current/Direct Current TD 200 Text Display 200 LCS Local Control Unit PS Process Station OS Operator Station ES Engineering Station I/O Input/Output CPU Central Processing Unit ECC Error Chechking and Correcting PROFIBUS-DP Process Field Bus – Decentralised Peripherals PROFIBUS-PA Process Field Bus – Process Automation PROFIBUS-FMS Process Field Bus – Field bus Message Specification AS-I Actuato Sensor Interface TCP/IP Transmission Control Protocol /Internet Protocol DDE Dynamic Data Exchange OLE Object Linking and Embedding ODBC Open Data Base Connection FBD Function Block Diagram CFC Continuous Function Chart SFC Sequential Function Chart CAD/CAM Computer Aided Design/Computer Aided Manufacturing MES Manufacturing Execution System CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect VAC Voltage Alternating Current VDC Voltage Direct Current NO Normal Open ASCII American Standard Code for Information Interchange API Application Programming Interface RTU Remote Terminal Unit CSP Concentrated Solar Power PV Photovoltaic effect FIT Feed - intariff STC Standard Test Condition NLMT N ng lượng mặt trời BXMT Bức xạ mặt trời DANH MỤC CÁC BẢNG Số Tên bảng hiệu 1.1 1.2 C c nước c nh m y điện t pin mặt trời cỡ lớn (c ng suất trên 1MWp). C c số liệu về hệ thống cung cấp nước n ng bằng n ng lượng mặt trời đã lắp đặt tại một số nước. Trang 9 10 1.3 C c nh m y điện mặt trời PV lớn nhất thế giới (tr n 50MW 10 1.4 C c nh m y điện t pin mặt trời lớn nhất thế giới 11 3.1 Bảng số liệu về bức xạ mặt trời tại c c tỉnh th nh ở Việt Nam 39 3.2 Quy ước địa chỉ v o/ra của c c thiết bị 50 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu 1.1 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 3.17 3.18 Tên bảng C c th nh phần c bản của nh k nh th ng minh C c vùng n ng lượng Hệ 2 mức n ng lượng Đường đặc trưng theo độ chiếu s ng của pin mặt trời Đi m l m việc v đi m c ng suất cực đại Ghép nối tiếp hai module pin mặt trời (a v đường đặc trưng VA của c c module v của cả hệ (b Ghép song song hai module pin mặt trời (a v đường đặc trưng VA của c c module v của cả hệ (b D n pin n ng lượng mặt trời M h nh nh k nh c gắn pin n ng lượng mặt trời K ch thước b n đ m h nh nh k nh Khung mô hình nhà kính thông minh Khung m h nh nh k nh đ tr n khung b n PLC Siemens Simatic S7 – 200 CPU 224 Module Analog EM 235 M n h nh hi n thị TD 200 Bộ nguồn DC OMRON S8JX Cảm biến độ ẩm đất YL69 Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm kh ng kh Cảm biến lưu lượng nước YF-S201 Cảm biến nh s ng LOXONE B m nước Brushless OGIHARA B m phun sư ng HEADON HF – 8367 Béc tưới nhỏ giọt Béc tưới phun sư ng tạo ẩm Động c PITTMAN/AMETEK GM9232C113 – R3 Quạt hút gắn tường MEETING SOON Đèn HALOGEN OSRAM t ng cường nh s ng Tấm pin n ng lượng mặt trời UPS and Inverter Ắc quy dự tr Trang 4 14 15 17 18 20 21 22 27 28 28 29 31 31 32 32 32 33 33 33 34 34 34 35 35 35 36 36 36 37 Số hiệu 3.19 3.20 3.21 3.22 3.23 3.24 3.25 3.26 3.27 3.28 3.29 3.30 3.31 3.32 3.33 3.34 3.35 3.36 3.37 3.38 3.39 3.40 3.41 3.42 3.43 3.44 3.45 3.46 Tên bảng Bảng cường độ bức xạ b nh qu n trong ng y tại c c tỉnh th nh ở Việt Nam (Nguồn: bản đồ n ng lượng bức xạ mặt trời tại Việt Nam . S đồ c ng nghệ điều khi n cho nh k nh S đồ c ng nghệ điều khi n hệ thống t ng - giảm nhiệt độ S đồ c ng nghệ điều khi n hệ thống t ng - giảm độ ẩm không khí S đồ c ng nghệ điều khi n hệ thống t ng - giảm nh s ng S đồ c ng nghệ điều khi n hệ thống t ng – giảm độ ẩm đất S đồ chư ng tr nh đếm ng y hoạt động Giao diện m h nh nh k nh th ng minh tr n PC Thiết lập thuộc t nh cho m y b m Thiết lập thuộc t nh cho đèn Thiết lập thuộc t nh cho quạt Thiết lập thuộc t nh cho m i n c Thiết lập thuộc t nh cho nút nhấn Thiết lập thuộc t nh cho c c bảng hi n thị Lập tr nh v chạy giả lập tr n m y t nh Kết nối với m y t nh v điện thoại th ng minh Màn hình 1 Màn hình 2 Màn hình 3 Màn hình 4 Màn hình 5 Màn hình 6 Màn hình 7 Màn hình 8 Màn hình 9 Màn hình 10 Màn hình 11 Thiết lập c c tag v th ng số tr n PC Access Trang 38 45 46 47 48 49 50 52 52 53 53 53 54 55 55 56 57 57 57 58 58 58 59 59 59 60 60 61 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Thứ nhất: Hiện nay ngành nông nghiệp vẫn là chủ lực trong nền kinh tế nước ta nhưng vẫn mang tính chất lao động tay chân thuần tuý, chất lượng sản xuất thấp trong khi thực tế đã c nh ng công ty hoặc nông hộ áp dụng công nghệ mới vào hoạt động sản xuất nông nghiệp v đã đạt được hiệu quả kinh tế rõ rệt. Tuy nhi n đ đ p ứng về số lượng th chưa đủ. Hiện tại chỉ một phần rất bé diện t ch đất nông nghiệp áp dụng công nghệ cao. Do đ việc ứng dụng công nghệ cao vào hoạt động sản xuất gặp nhiều kh kh n như: - Cần một số lượng lớn nh ng thiết kế nhà kính công nghệ cao s dụng n ng lượng tái tạo, hoạt động ổn định. - Hiện tại nh ng nhà kính công nghệ cao nếu có s dụng n ng lượng mặt trời đều được lắp ráp theo công nghệ của nước ngoài. V a đắt tiền, lại khó bảo trì s a ch a nhưng c ng nghệ của ta vẫn chưa c được ưu thế nhất định nên việc ứng dụng rộng rãi thật sự gặp kh kh n. - Chưa đủ đội ngũ c ng nh n kỹ thuật đạt tiêu chuẩn điều khi n, giám sát hoạt động sản xuất đ đưa ra p dụng rộng rãi. Thứ hai: Các mô hình do các nhà sản xuất thiết bị dạy học cung cấp thường ít chú trọng đến yêu cầu sư phạm và giáo viên s dụng c c m h nh thường gặp khó kh n ban đầu do chưa l m chủ được công nghệ (Kh kh n trong việc tri n khai giảng dạy, bảo trì và s a ch a) Thứ ba: N ng lượng truyền thống ngày càng cạn kiệt v c c ưu đi m khi tri n khai xây dựng th nh c ng được Mô hình nhà kính thông minh s dụng n ng lượng mặt trời. - Thuận tiện trong việc thí nghiệm. - Gi th nh đầu tư thấp. - Thuận tiện trong việc tri n khai hàng loạt các thiết bị. - D dàng tháo lắp nên thuận lợi cho việc thay thế nhiều thiết bị trên cùng một mô hình. - Thuận tiện trong việc bảo trì, và s a ch a. - Có th chứng tỏ được sự ổn định của hệ thống đ t ng độ tin cậy và khả n ng đầu tư của các nông hộ. - Thiết bị ứng dụng giảng dạy được cả ngành Công nghệ sinh học v Điện công nghiệp nằm trong chư ng tr nh giảng dạy của c c trường dạy nghề (các môn Công 2 nghệ sinh học, Bảo vệ thực vật, Kỹ thuật rau hoa công nghệ cao PLC c bản, PLC nâng cao, Tự động hóa). Chính vì nh ng lý do trên học viên chọn xây dựng Mô hình mô phỏng trực quan nhà kính thông minh s dụng n ng lượng mặt trời được thiết kế theo mô hình nhà kính hiện đại với k ch thước thu nhỏ. Mô hình ứng dụng công nghệ tự động hóa trong việc quản lý các yếu tố về độ ẩm nh s ng v dinh dưỡng t đ c th chủ động chuy n giao cho c c trường có giảng dạy các môn học li n quan đến đề t i theo đúng yêu cầu sư phạm cũng như bảo trì, s a ch a. 2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu - Mục tiêu: Xây dựng Mô hình phục vụ đ o tạo nghề Điện công nghiệp và Công nghệ Sinh học tại c c trường dạy nghề, là giải ph p t ng cường, nâng cao chất lượng giảng dạy của giáo viên, phục vụ quá trình học tập của Học sinh – sinh viên (Công nghệ sinh học, Bảo vệ thực vật, Kỹ thuật rau hoa công nghệ cao PLC c bản, PLC nâng cao) với chi phí thấp nhưng vẫn đ p ứng yêu cầu kỹ thuật, công nghệ v sư phạm. - Nhiệm vụ nghiên cứu: + Nghiên cứu, xây dựng, lắp ráp và hoàn thiện mô hình nhà kính thông minh s dụng n ng lượng mặt trời dùng PLC của Siemens nhằm đa dạng hóa các mô hình áp dụng trong việc đ o tạo môn học PLC Điều khi n tự động ng nh điện công nghiệp, sản xuất nông nghiệp công nghệ cao tại c c trường đ o tạo nghề. + Nghiên cứu tìm hi u mô hình nhà kính thông minh s dụng n ng lượng mặt trời. + Nghiên cứu bộ điều khi n PLC của SIMATIC S7 – 200, các màn hình HMI trong hệ SCADA, nghiên cứu phần mềm WinCC, nghiên cứu Hệ thống điều khi n giám sát và thu thập d liệu SCADA. + Tìm hi u được công nghệ điều khi n tự động và khả n ng p dụng đ phát tri n chất lượng chuyên môn. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghi n cứu l hệ thống n ng lượng mặt trời cung cấp cho nhà kính thông minh và nghiên cứu thực hiện hệ thống tự động điều khi n và giám sát cho cây trồng trong mô hình nhà kính. - Phạm vi nghi n cứu: + Đặc tính làm việc của hệ thống pin n ng lượng mặt trời + Các thông số c bản của hệ thống pin n ng lượng mặt trời 3 + Mô phỏng hệ thống pin n ng lượng mặt trời và hoạt động của mô hình nhà kính thông minh. + Quy trình công nghệ của nhà kính công nghệ cao và hệ thống tự động hoá – hiện đại hoá trong nông nghiệp. + Hệ SCADA tự động thu thập d liệu điều khi n và giám sát nhà kính. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu Đ giải quyết các mục tiêu nêu trên, luận v n đưa ra phư ng ph p nghi n cứu như sau: - Nghiên cứu lý thuyết: các lý thuyết về n ng lượng mặt trời, cấu tạo, nguyên lý làm việc của hệ thống pin mặt trời. Các lý thuyết về PLC, các phần mềm điều khi n (Step7 MicroWin, PC Access, WinCC,...) và hệ thống thu thập d liệu điều khi n và giám sát (SCADA). - Xây dựng hệ thống pin n ng lượng mặt trời cung cấp cho một mô hình nhà kính thông minh cụ th . - Lập trình cho mô hình nhà kính thông minh thu thập d liệu điều khi n và gi m s t tr n M y t nh (PC v điện thoại thông minh (Smartphone). 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học: Ứng dụng được công nghệ mới vào sản xuất nông nghiệp công nghệ cao, góp phần phát triền n ng lượng mặt trời, là nguồn n ng lượng tái tạo, sạch v được nh nước khuyến kh ch đầu tư. Thiết kế, tính toán, mô phỏng được sự hoạt động của hệ thống pin n ng lượng mặt trời và hoạt động của nhà kính, t đ c c sở đ nh gi t nh hiệu quả về mặt kinh tế và kỹ thuật của hệ thống trước khi đầu tư x y dựng. Tính thực ti n: Góp phần phát tri n mô hình nhà kính s dụng n ng lượng mặt trời, ứng dụng vào thực tế cuộc sống. Ứng dụng công nghệ mới vào hoạt động sản xuất nông nghiệp, góp phần nâng cao chất lượng sản xuất và chất lượng chuyên môn của bản thân. 6. Bố cục đề tài Mở đầu. Chư ng 1: Tổng quan về n ng lượng mặt trời và hệ thống nhà kính thông minh. Chư ng 2: C c c ng nghệ đi n hình hiện nay s dụng trong nhà kính và hệ thống pin n ng lượng mặt trời. Chư ng 3: T nh to n thiết kế, xây dựng mô hình nhà kính thông minh s dụng n ng lượng mặt trời Chư ng 4: Kết luận v kiến nghị 4 CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NHÀ KÍNH THÔNG MINH VÀ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI 1.1. Tổng quan về hệ thống nhà kính thông minh Các nhà kính hiện đại thường ứng dụng công nghệ tự động hóa trong việc quản lý các yếu tố về nhiệt độ độ ẩm nh s ng tưới nhỏ giọt tưới phun sư ng kết hợp dinh dưỡng. Nh k nh th ng minh c khả n ng tư cung cấp chất dinh dưỡng cho c y theo chu k thời gian tư động điều khi n c c yếu tố nhiệt độ độ ẩm nh s ng do h thống c trang bị c c cảm biến nhi t đ đ ẩm nh s ng hệ thống tưới nhỏ giọt h thống phun sư ng quạt v được điều khi n thông qua máy tính cá nhân và Tablet, Smart Phone. 1.1.1. Kết cấu cơ khí – điện – nước của nhà kính Th ng thường khung nh k nh được lắp ráp bằng các vật liệu như sắt, thép và vách nhựa hoặc bạt ni l ng ng n nắng kết hợp với các thiết bị điện nước theo yêu cầu cụ th . Th ng thường thì Kết cấu c kh – điện – nước của nhà kính bao gồm các thành phần c bản sau: Hình 1.1: Các thành phần cơ bản của nhà kính thông minh 1.1.2. Hệ thống điều khiển của nhà kính thông minh Hệ thống điều khi n của nh k nh th ng minh th ng thường bao gồm các thiết bị điện thông minh tích hợp, hoặc s dụng các bộ điều khi n logic có th lập trình được như PLC vi điều khi n đ điều khi n – thu thập d liệu và giám sát. Tùy theo yêu cầu v điều kiện cụ th tại n i lắp đặt mà ta chọn mô hình vận hành của hệ thống điện pin mặt trời thích hợp đ t đ t nh to n v thiết kế hệ thống. 5 1.2. Tổng quan về năng lƣợng mặt trời và các ứng dụng của năng lƣợng mặt trời 1.2.1. Nguồn năng lượng mặt trời 1.2.1.1. Bức xạ mặt trời Mặt trời là quả cầu l a khổng lồ với đường kính trung bình khoảng 1,36 triệu km và ở c ch Tr i đất khoảng 150 triệu km. Theo các số liệu hiện có, nhiệt độ bề mặt của mặt trời vào khoảng 6.000K trong khi đ nhiệt độ ở vùng trung tâm của mặt trời rất lớn, vào khoảng 8.106K đến 40.106K. Mặt trời được xem là một lò phản ứng nhiệt hạch hoạt động liên tục. Do luôn luôn bức xạ n ng lượng v o trong vũ trụ nên khối lượng của mặt trời sẽ giảm dần. Điều này dẫn đến kết quả l đến một ng y n o đ mặt trời sẽ thôi không tồn tại n a. Tuy nhiên, do khối lượng của mặt trời vô cùng lớn, , nên thời gian đ mặt trời còn tồn tại cũng v cùng lớn. Bên cạnh sự biến đổi nhiệt độ rất đ ng k theo hướng kính, một đi m đặc biệt khác của mặt trời là sự phân bố khối lượng rất kh ng đồng đều. Ví dụ, khối lượng riêng ở vị trí gần tâm mặt trời vào khoảng 100g/cm3 trong khi đ khối lượng riêng trung bình của mặt trời chỉ vào khoảng 1,41g/cm3. Các kết quả nghiên cứu cho thấy, khoảng cách t mặt trời đến Tr i đất không hoàn toàn ổn định m dao động trong khoảng ±1,7% xoay quanh giá trị trung b nh đã trình bày ở trên. Trong kỹ thuật NLMT người ta rất chú ý đến khái niệm hằng số mặt trời (Solar Constant). Về mặt định nghĩa hằng số mặt trời được hi u l lượng bức xạ mặt trời (BXMT) nhận được trên bề mặt có diện tích 1m2 đặt bên ngoài bầu khí quy n và thẳng góc với tia tới. Tùy theo nguồn tài liệu mà hằng số mặt trời sẽ có một giá trị cụ th n o đ c c gi trị này có th khác nhau tuy nhiên sự sai biệt không nhiều. Trong tài liệu này ta thống nhất lấy giá trị hằng số mặt trời là 1353W/m2. Có 2 loại bức xạ mặt trời: BXMT đến bên ngoài bầu khí quy n v BXMT đến trên mặt đất. Trong mục này ta cần phân biệt ý nghĩa của các ký hiệu được dùng đ bi u di n giá trị của lượng bức xạ khảo s t l G I v H. Đ n vị của G l W/m2 đ n vị của I và H là J/m2, trong đ thời gian tư ng ứng với các ký hiệu I và H lần lượt là giờ và ngày. Khái niệm ngày trong kỹ thuật NLMT được hi u là khoảng thời gian t lúc mặt trời mọc cho đến lúc mặt trời lặn. 1.2.1.2. Nguồn gốc năng lượng mặt trời NLMT có vai trò quan trọng đối với sự tồn tại và tồn tại và phát tri n của các yến tố sự sống tr n tr i đất. Trước hết, NLMT là nguồn n ng lượng khổng lồ c t nh t i sinh. NLMT được sinh ra do các phản ứng nhiệt hạt nhân tổng hợp các hạt nh n đồng vị Hydro (H đ tạo ra các hạt nhân Heli (He) liên tục xảy ra trên mặt trời . Công suất bức xạ của mặt 6 trời l 3 865.1026W tư ng đư ng với n ng lượng đốt cháy hết 1,32.1016 tấn than đ tiêu chuẩn. Nhưng phần NLMT đến bề mặt tr i đất chỉ l 17 57.1016J/s hay tư ng ứng với n ng lượng đốt cháy hết 6.106 tấn than đ . Ngoài khí quy n tr i đất (hay còn gọi l ngo i vũ trụ) mật độ NLMT là 1.353W/m2. Nhưng khi tới mặt đất các tia mặt trời phải đi qua lớp khí quy n tr i đất (chiều dày khoảng 16km) nên bị mất mát khoảng 30% do các hiện tượng hấp thụ, tán xạ bởi các phân t kh h i nước... của lớp khí quy n. Vì vậy trên bề mặt tr i đất, mật độ bức xạ mặt trời chỉ còn khoảng 1.000W/m2. Mặc dù ở c c vĩ độ khác nhau thì NLMT kh c nhau nhưng nh n chung NLMT ph n bố khắp trên bề mặt tr i đất. Ở đ u cũng c th khai thác và ứng dụng nguồn n ng lượng này. Bản chất của BXMT l s ng điện t có phổ bước sóng trải t 10-10m đến 1014m trong đ mắt người có th nhận biết được giải s ng c bước sóng t 0 4 đến 0,7m v được gọi là áng sáng nhìn thấy (vùng khả kiến). Vùng bức xạ điện t có bước sóng nhỏ h n 0 4m được gọi là vùng sóng t ngoại. Còn vùng c bước sóng lớn h n 0 7m được gọi là vùng hồng ngoại. Do bản chất của s ng điện t nên NLMT là nguồn n ng lượng không có phát thải, không gây ô nhi m m i trường hay được gọi là nguồn n ng lượng sạch. Các thành phần của BXMT trên mặt đất: Ngo i lớp kh quy n tr i đất bức xạ mặt trời chỉ c một th nh phần. Đ l c c tia mặt trời đi thẳng ph t ra t mặt trời. Nhưng khi tới mặt đất do c c hiện tượng t n xạ trong lớp kh quy n quả đất bức xạ mặt trời bị biến đổi v gồm 3 th nh phần: - Th nh phần trực xạ gồm c c tia mặt trời đi thẳng t mặt trời đến mặt đất. Nhờ c c tia trực xạ n y m ta c th nh n thấy mặt trời; - Th nh phần nhi u hay t n xạ gồm c c tia mặt trời tới mặt đất t mọi phư ng tr n bầu trời do hiện tường t n xạ của tia mặt trời tr n c c ph n t kh h i nước c c hạt bụi . Nhờ c c tia t n xạ n y m chúng ta vẫn c nh s ng ngay cả nh ng ng y m y mù kh ng th nh n thấy mặt trời ở trong nh dưới b ng c y ; Tổng hai th nh phần tr n được gọi l tổng xạ của bức xạ mặt trời ở mặt đất. C c Trạm Kh tượng thường đo c c th nh phần n y nhiều lần trong một ng y v li n tục trong nhiều n m đ c số liệu đ nh gi tiềm n ng NLMT. T lệ của c c th nh phần trực xạ v t n xạ trong tổng xạ phụ thuộc v o điều kiện tự nhi n v trạng th i thời tiết của địa đi m v thời đi m quan s t hay đo đạc. V dụ ở nước ta trong c c th ng mùa Hè t th ng 5 đến th ng 8 th th nh phần trực xạ chiếm ưu thế (tr n 50 còn trong mùa Đ ng t th ng 12 đến th ng 2 n m sau th nh phần t n xạ lại chiếm ưu thế. 7 Th nh phần phản xạ t mặt nền ở n i quan s t hay n i đặt bộ thu NLMT n phụ thuộc v o hệ số phản xạ của mặt nền v tổng xạ tới. Th nh phần n y chỉ được ph n biệt khi thiết kế t nh to n c c bộ thu NLMT. Trong trường hợp chung n l một phần rất nhỏ trong th nh phần bức xạ t n xạ. 1.2.2. Tổng quan các công nghệ khai thác và sử dụng năng lượng mặt trời 1.2.2.1. Quá trình phát triển và triển khai ứng dụng năng lượng mặt trời NLMT trung b nh tr n bề mặt quả đất nằm trong khoảng 150 đến 300W/m2 hay t 3 5 đến 7 0kWh/m2 ng y. NLMT t l u đã được con người khai th c s dụng bằng c c phư ng ph p tự nhi n trực tiếp v đ n giản như ph i sấy (quần o vật dụng; n ng l m hải sản; sưởi ấm . Tuy nhi n c ch s dụng NLMT theo c c phư ng c ch tự nhi n n i tr n c hiệu quả thấp v ho n to n thụ động. NLMT c th s dụng dưới dạng nhiệt hay biến đổi th nh điện. Điện t mặt trời l dạng điện n ng được tạo ra khi biến đổi NLMT th nh điện n ng nhờ hiệu ứng quang điện (photovoltaic effect viết tắt PV một c ch trực tiếp hoặc nhờ c c hệ thống nhiệt điện th ng qua hiệu ứng hội tụ tia mặt trời (concentrated solar power CSP một c ch gi n tiếp. C c hệ thống CSP s dụng c c thấu k nh hay c c gư ng hội tụ v hệ thống d i theo mặt trời (solar tracking systems đ hội tụ một diện t ch lớn c c tia mặt trời v o một diện t ch nhỏ h n (gọi l đi m hay đường hội tụ . Nguồn nhiệt hội tụ n y sau đ được s dụng đ ph t điện. C c hệ thống n y gọi l hệ nhiệt điện mặt trời. Còn c c hệ thống PV biến đổi nh s ng th nh điện n ng khi dùng hiệu ứng quang điện được gọi l hệ thống điện PV. Ứng dụng quan trọng đầu ti n của pin mặt trời l nguồn dự phòng (back-up cho về tinh nh n tạo Vanguard I v o n m 1958 n đã cho phép truyền t n hiệu về quả đất h n một n m sau khi nguồn ắc qui điện h a đã bị kiệt. Sự hoạt động th nh c ng n y của pin mặt trời tr n vệ tinh đã được lặp lại trong nhiều về tinh kh c của Li n X v Mỹ. V o cuối nh ng n m 1960 PV đã trở th nh nguồn n ng lượng được được s dụng ri ng cho về tinh. PV đã c một vai trò rất quan trọng c ng nghệ vệ tinh thư ng mại v n vẫn gi vị tr đ đối với hạ tầng vi n thong ng y nay. Nhờ sự ph t tri n của khoa học c ng nghệ n n hiện nay con người đã biết khai th c NLMT một c ch hiệu quả v chủ động h n nhờ c c c ng nghệ hiện đại. Nh m y nhiệt điện mặt trời thư ng mại đầu ti n được x y dựng trong nh ng n m 1980. Nh m y c c ng suất lớn nhất l 354MW x y dựng tại Sa mạc Mojave ở California (Mỹ . C c nh m y lớn kh c như nh m y Solnova (150MW v Andasol (100MW cả hai đều ở T y Ban Nha 4 . 8 Nh ng ph t tri n giai đoạn đầu của c ng nghệ n ng lượng mặt trời (CN NLMT bắt đầu trong nh ng n m thập ni n 1980 đã được k ch th ch bởi sự kiện rằng than sẽ kh ng l u n a sẽ bị cạn kiệt. Tuy nhi n sự ph t tri n của CN NLMT sau đ bị chậm lại v o thời gian đầu của thế k 20 do phải đối mặt với c c vấn đề về gi t nh kinh tế v t nh tiện dụng của than v dầu. N m 1974 người ta đã ước t nh rằng chỉ c 6 hộ ở tất cả khu vực Bắc Mỹ s dụng ho n to n n ng lượng cho sưởi ấm v l m lạnh nhờ c c hệ thống thiết bị NLMT. Sự cấm vận dầu n m 1973 v sự khủng hoảng n ng lượng n m 1979 đã l m thay đổi ch nh s ch n ng lượng tr n phạm vi thế giới v CN NLMT lại được quan t m thúc đẩy ph t tri n. Chiến lược tri n khai tập trung v o c c chư ng tr nh t ng tốc như Chư ng tr nh s dụng PV Li n Bang ở Mỹ Chư ng tr nh NLMT ở Nhật. C c cố gắng kh c gồm c sự x y dựng c c c sở nghi n cứu ở Mỹ (SERI nay l NREL Nhật (NEDO v Đức (Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE). Gi a c c n m 1970 v 1983 c c lắp đặt PV t ng rất nhanh nhưng đầu nh ng n m 1980 do gi dầu giảm n n l m giảm nhịp độ ph t tri n của PV t 1984 đến 1996. T 1997 sự ph t tri n của PV lại được gia tốc do c c vấn đề kh kh n về cung cấp dầu v kh do sự n ng l n của quả đất v sự cải thiện của c ng nghệ sản xuất PV dẫn đến t nh t nh tế của PV trở n n tốt h n. Sản xuất PV t ng trung b nh 40 /n m t n m 2000 v c ng suất lắp đặt đã đạt đến 10 6GW v o cuối n m 2007 v 14 73GW v o n m 2008. N m 2010 c c nh m y điện PV lớn nhất tr n thế giới l Sania Power plant ở Canada. 1.2.2.2. Tình hình ứng dụng năng lượng mặt trời trên thế giới Tới nay, rất nhiều quốc gia đã nghi n cứu v đang ứng dụng thành công nguồn NLMT trong nhiều lĩnh vực của đời sống. Tại Hoa Kì, các hoạt động quảng bá NLMT di n ra rất sôi nổi. H ng n m c c ti u bang ở miền đ ng đều mở hội nghị về n ng lượng xanh với mục đ ch giới thiệu công nghệ mới về các thiết bị áp dụng NLMT cho các hộ gia đ nh v c sở kinh doanh nhỏ. Ở Pháp, t nh ng n m của thập niên 60 thế kỉ trước, họ đã rất chú trọng tới việc giải quyết thiếu hụt n ng lượng cho quốc gia phát tri n. Họ đã th nh c ng trong việc thiết kế và lắp đặt các hệ thống biến NLMT th nh điện n ng cung ứng cho các làng xã có quy mô 1.000 hộ. Nhờ đ một số quốc gia vùng Trung Mỹ đã th a hưởng thành tựu này vì d lắp r p v chi ph tư ng đối rẻ. Đan Mạch được cho là quốc gia s dụng n ng lượng hiệu quả nhất thế giới. Ở Đan Mạch ước tính có tới 30% các hộ s dụng tấm thu NLMT. Đan Mạch l nước đầu tiên tri n khai c chế buộc c c nh m y điện lớn phải mua điện xanh t c c địa phư ng với giá cao (Feed - in tariff - FIT). Với c chế n y c c địa phư ng h o hứng 9 sản xuất điện xanh. M h nh đã được 30 nước áp dụng như: Đức, Tây Ba Nha, Nhật Bản Đức trở th nh nước dẫn đầu thị trường PV thế giới (chiến 45 k t khi điều chỉnh lại hệ thống gi điện (Feed-in tariff như l một phần của Chư ng tr nh H nh động nguồn n ng lượng t i tạo (Renewable Energy Sources Act . C ng suất lắp đặt PV đã t ng t 100MW n m 2000 l n gần 4150MW v o cuối n m 2007 (bảng 1.5 . Sau n m 2007 T y Ban Nha trở th nh nước có sự phát tri n s i động nhất. C c nước Ph p Italy H n Quốc v Mỹ cũng đã t ng c ng suất lắp đặt l n rất nhanh trong c c n m mới đ y nhờ c c chư ng tr nh k ch th ch v c c điều kiện thị trường địa phư ng. C c nghi n cứu mới đ y đã cho thấy rằng thị trường PV thế giới được dự b o vượt qu 16GW v o n m 2010. Bảng 1.1. Các nước có nhà máy điện từ pin mặt trời cỡ lớn (công suất trên 1MWp) Tổng công suất STT Tên nƣớc 1 Đức 400 45 2 Tây Ban Nha 245 28 3 Mỹ 142 16 4 Italy 17 2 5 Nhật Bản 17 2 6 H n Quốc 13 2 7 Bồ Đ o Nha 12 1,5 8 Hà Lan 9 1 9 Thụy Sỹ 5 1 10 Bỉ 3 0,5 11 Úc 2 0,5 12 Trung Quốc 2 0,2 13 Áo 1,5 0,2 14 Cộng hòa Séc 1,4 0,2 15 Philipines 1,1 0,1 16 Réunion 1 0,1 (MWp) Thị phần (%) 10 Ở Trung Quốc, sự hưởng ứng mang tính tự phát của người dân trong việc lắp đặt các tấm thu NLMT cũng đang đưa nước n y vượt qua Đức trở thành thị trường tấm thu NLMT lớn nhất thế giới. Trung Quốc cũng đã ban h nh luật n ng lượng tái tạo (n m 2005 tạo c sở cho các hoạt động về dạng n ng lượng này trở nên sôi nổi h n. Cho tới cuối n m 2005 tổng công suất lắp đặt các hệ thống cung cấp nước nóng bằng NLMT trên toàn thế giới vào khoảng 88GWth trong đ phần lớn được lắp đặt ở Trung Quốc v c c nước thuộc khối EU. Đặc biệt trong nh ng n m gần đ y, tốc độ lắp đặt các hệ thống nước nóng NLMT ở c c nước đứng đầu trong bảng 1.4 dưới đ y gia t ng rất đ ng k (1m2 collector có th được qui đổi thành 0,7kWth). Bảng 1.2. Các số liệu về hệ thống cung cấp nước nóng bằng năng lượng mặt trời đã lắp đặt tại một số nước Nƣớc Diện tích collector (106 m2) Trung Quốc EU Thổ Nhĩ Kỳ Nhật Bản Israel Brazil Mỹ 79,3 16 8,1 7,2 4,7 2,3 2,3 ảng 1.3. Các nhà máy điện mặt trời Công suất đã lắp đặt, GWth 55,5 11,2 5,7 5 3,3 1,6 1,6 lớn nhất thế giới trên 50MW) TT Nhà má PV Công suất DC cực đại (MW) Ghi ch 1 Sarnia PV Power Plant (Canada) 97 Đã được x y dựng 2009-2010 2 Montalto di Castro PV Station (Italy) 84,2 Đã được x y dựng 2009-2010 3 Finsterwalde Solar Park (Đức 80,7 Pha 1 ho n th nh 2009, pha 2 và 3, 2010 4 Rovigo PV Power Plant (Italia) 70 Ho n th nh 11/2010 5 Olmedilla PV Park (Tây Ban Nha) 60 Ho n th nh 9/2008 6 Strasskirchen Solar Park (Đức 54 7 Lieberose PV Park (Đức 53 Ho n th nh 2009 8 Puertollano PV Park (Tây Ban Nha) 50 Khởi c ng 2008