Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống điện năng lượng mặt trời theo phương pháp tự động dò bám

Sử dụng nguồn năng lượng sạch là giải pháp góp phần giải quyết hai vấn đề thời sự là bảo vệ môi trường và đáp ứng nhu cầu tiêu thụ năng lượng ngày càng tăng. Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng dồi dào và sạch được chuyển đổi thành điện năng cung cấp cho các thiết bị điện. Năng lượng mặt trời đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi, đặc biệt khi xuất hiện các lo ngại về mức độ an toàn của điện hạt nhân, sự cạn kiệt của các nguồn năng lượng hóa thạch, sự thay đổi dòng chảy và điều kiện tự nhiên của thủy điện cũng như các yếu tố chính trị ảnh hưởng đến an ninh năng lượng của mỗi quốc gia.

Một hệ bám mặt trời (solar tracker) là thiết bị giữ cho PV luôn vuông góc với tia sáng tới của mặt trời trong suốt thời gian chiếu sáng trong ngày. Hệ thống tự động định hướng bám mặt trời để bù lại sự di chuyển biểu kiến của mặt trời, giữ cho các tia sáng tới luôn vuông góc với bề mặt PV, có thể làm tăng hiệu suất thu năng lượng từ 10-100%. Hệ bám mặt trời được thiết kế dạng một bậc tự do và hai bậc tự do. Hệ thống một bậc tự do có cấu tạo đơn giản và giá thành thấp so với hệ hai bậc tự do nên được áp dụng rộng rãi. Tuy nhiên, hệ thống hai bậc tự do cho hiệu suất thu năng lượng cao hơn trên cùng đơn vị diện tích. Bộ chuyển đổi điện (DC-DC, DC-AC), đóng vai trò kết nối giữa nguồn điện từ PV và thiết bị sử dụng điện. Bộ chuyển đổi điện được thiết kế để hòa lưới hoặc không hòa lưới. Với những bộ chuyển đổi điện công suất nhỏ sử dụng cho gia đình thường là loại độc lập không hòa lưới. Bộ chuyển đổi điện phải thỏa mãn những tiêu chuẩn về hiệu suất biến đổi, chất lượng và dạng sóng đầu ra, giá thành, kích thước. Bộ chuyển đổi điện cho dạng sóng ra vuông hoặc gần sin chứa nhiều hài gây hư hại cho thiết bị điện. Bộ chuyển đổi điện tạo sóng dạng sin sử dụng kỹ thuật điều chế độ rộng xung dạng sin (SPWM). Do đặc điểm địa hình phức tạp, nhiều đảo, dân cư phân bố rải rác ở vùng sâu, vùng xa, nhiều nơi người dân chưa được hưởng nguồn điện lưới quốc gia. Cùng với phát triển các dự án lớn đấu nối với lưới điện quốc gia, các hệ thống điện năng lượng mặt trời ở quy mô hộ gia đình đã được triển khai nhưng chưa phổ biến. Sử dụng hệ thống điện năng lượng mặt trời tại hộ gia đình nơi chưa có điện lưới quốc gia sẽ góp phần nâng cao đời sống vật chất và tinh thần cho đồng bào.

Nhằm nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống điện năng lượng mặt trời công suất nhỏ, hoạt động độc lập, thu năng lượng mặt trời theo phương pháp tự động dò bám, phục vụ đào tạo ngành Công nghệ kỹ thuật Điện, Điện tử tại các trường Đại học, Cao đẳng, nhóm nghiên cứu do TS. Hoàng Thị Phương, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định, Bộ Lao động - Thương binh và Xã hội làm chủ nhiệm đề tài đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống điện năng lượng mặt trời theo phương pháp tự động dò bám”.

1. Đối với hệ tự động bám mặt trời

Kết quả khảo sát cho thấy, hệ thống đã đạt được các yêu cầu đặt ra. Với sai số về góc ngẩng +/-30 và góc định hướng +/-50 là chấp nhận được trong hệ thống thu nhận ánh sáng mặt trời. Theo các tài liệu nghiên cứu, góc tới của tia sáng mặt trời có thể lệch lên đến 100 vẫn cho công suất sấp xỉ khi góc tới vuông góc với tấm pin quang điện. Các nguyên nhân của sai số này bao gồm: 1) việc lựa chọn các phương trình tính toán vị trí mặt trời có độ phức tạp thấp để phù hợp với khả năng của vi điều khiển, 2) sai số của cảm biến gia tốc và cảm biến la bàn số, 3) sai số trong lắp đặt, căn chuẩn cảm biến khi gắn lên hệ cơ khí.

Kết quả so sánh đối chứng giữa hệ bám mặt trời và hệ cố định cho thấy rõ ràng hiệu quả của hệ thống bám mặt trời tại những thời điểm vào buổi sáng và buổi chiều khi góc tới của tia sáng mặt trời có độ lệch lớn tới bề mặt tấm pin của hệ cố định. Tại thời điểm buổi trưa, khi góc tới ánh sáng mặt trời tới các tấm pin trên cả hai hệ cố định và tự động gần vuông góc thì công suất ra của cả hai hệ như nhau.

2. Đối với bộ nạp ắc-quy và chuyển đổi điện áp

Kết quả khảo sát cho thấy, hệ thống đã đạt được các yêu cầu đặt ra. Bên cạnh đó mô hình còn tồn tại một số sai số nhất định như sai số thời gian thực, dòng điện nạp, điện áp ra của bộ nghịch lưu đều nằm trong ngưỡng cho phép của các thiết bị điện tử dân dụng.

Kết quả mô phỏng, đo đạc thực tế bằng các dụng cụ đo lường chuyên dụng để khảo sát mạch nạp, mạch nghịch lưu cho thấy mô hình hoàn toàn đáp ứng được các mục tiêu đã được nhóm đề ra trong báo cáo của đề cương.

Hoạt động nghiên cứu được thực hiện tại Trung tâm thực hành và Khoa Điện - Điện tử, trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật Nam Định với các nội dung chính:

- Tìm hiểu cơ sở lý thuyết thu năng lượng mặt trời. Các tài liệu về tính toán vị trí mặt trời đã được thu thập, xử lý để lựa chọn các phương trình tính toán có độ chính xác và thời gian tính toán phù hợp. Trên cơ sở đó, mô phỏng, lựa chọn được các phương trình tính toán xác định vị trí mặt trời phù hợp với yêu cầu về độ chính xác và tốc độ tính toán của vi điều khiển.

- Các mô hình tự động điều khiển bám mặt trời đã được công bố trên các công trình khoa học được phân tích, đánh giá.

Từ những ưu, nhược điểm của từng hệ thống, nhóm tác giả đã đề xuất được một mô hình hệ thống điều khiển bám mặt trời dựa trên tính toán vị trí mặt trời sử dụng các công nghệ tiên tiến tại thời điểm hiện tại mà trước đây do điều kiện kinh tế, kỹ thuật chưa áp dụng được. Cụ thể:

- Xây dựng cơ cấu chấp hành 2 bậc tự do theo phương và góc ngẩng để hướng tấm pin mặt trời luôn vuông góc với tia sáng mặt trời.

- Thiết kế mạch điều khiển, mạch giao tiếp cảm biến, giao tiếp công suất điều khiển động cơ.

- Tìm hiểu nguyên tắc hoạt động, thu thập dữ liệu từ mô-đun GPS, cảm biến gia tốc và cảm biến la bàn số. Đây là các cảm biến dựa trên công nghệ vi cơ điện tử có năng lượng tiêu thụ thấp, độ chính xác cao. Trên cơ sở dữ liệu thu được, tính toán thu được các thông tin về vị trí mặt trời, góc phương và góc hướng hiện tại của hệ thống.

- Thiết kế lưu đồ thuật toán và viết chương trình giao tiếp, tính toán, điều khiển hệ thống bám theo mặt trời.

- Xây dựng thành công mô hình hệ thống hoàn chỉnh, tiến hành đo đạc dữ liệu để đánh giá hệ thống.

- Tìm hiểu cơ sở lý thuyết về ắc-quy, cơ chế nạp ắc-quy từ đó xây dựng được mạch nạp ắc-quy theo phương pháp MPPT.

- Xây dựng được mô hình bộ nạp ắc-quy và bộ nghịch lưu ra dạng sóng sine tích hợp trong một dưới sự điều khiển của mạch điều khiển trung tâm nên đã giảm được chi phí chế tạo khung hộp cũng như việc phải lựa chọn bộ nạp, bộ nghịch lưu để ghép lại gây khó khăn cho khách hàng nếu mô hình được thương mại hóa.

- Tìm hiểu nguyên tắc hoạt động, thu thập dữ liệu từ cảm biến nhiệt, dòng điện nguyên tắc nạp MPPT, phương pháp nghịch lưu có dạng sóng đầu ra sine chuẩn.

- Thiết kế lưu đồ thuật toán và viết chương trình giao tiếp, tính toán, điều khiển mô hình nạp ắc-quy, nghịch lưu và giám sát điều khiển.

- Xây dựng thành công mô hình hệ thống hoàn chỉnh, tiến hành đo đạc dữ liệu để đánh giá hệ thống.

Như vậy, kết quả của đề tài đã góp phần phát triển bước đầu mô hình bộ lưu trữ, chuyển đổi năng lượng mặt trời và sẽ tiếp tục được khai thác phục vụ nghiên cứu và đào tạo.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 17392/2020) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.

P.T.T (NASATI)