TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG =====  ===== ®å ¸n tèt nghiÖp ®¹i häc §Ò tµi: NGUYÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI THÀNH NĂNG LƯỢNG ĐIỆN PHỤC VỤ CHIẾU SÁNG GIA ĐÌNH Người hươ ́ ng dâ ̃ n : ThS. TẠ HÙNG CƯỜNG Sinh viên thư ̣ c hiê ̣ n : BÙI ĐỨC CHUNG Lơ ́ p : 49K - ĐTVT Mã số sinh viên : 0751080428 NGHỆ AN - 01/2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH CỘNG HÒA Xà HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: Bùi Đức Chung Số hiệu sinh viên: 0751080428 Ngành: Điện tử - Viễn thông Khoá: 49 1. Đầu đề đồ án: . . 2. Các số liệu và dữ liệu ban đầu: . . . . 3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: . . . . 4. Các bản vẽ, đồ thị (ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ): . . . . Họ tên giảng viên hướng dẫn: ThS. Tạ Hùng Cường 1. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: / /20 2. Ngày hoàn thành đồ án: / /20 Ngày tháng năm 2013 TRƯỞNG BỘ MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày tháng năm 2013 CÁN BỘ PHẢN BIỆN BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: Bùi Đức Chung Số hiệu sinh viên: 0751080428 Ngành: Điện tử - Viễn thông Khoá: 49 Giảng viên hướng dẫn: ThS. Tạ Hùng Cường Cán bộ phản biện: 1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp: 2. Nhận xét của cán bộ phản biện: Ngày tháng năm 2013 Cán bộ phản biện Ký, ghi rõ họ và tên ) MỤC LỤC Trang 1.1. Mặt trời và nguồn bức xạ mặt trời .1 1.2. Tiềm năng năng lượng mặt trời Việt Nam 3 1.3. Ưu điểm và nhược điểm của điện năng lượng mặt trời .5 1.3.1Ưu điểm .5 1.3.2.Nhược điểm: 6 1.4. Ứng dụng năng lượng mặt trời để sản xuất điện ở Việt Nam .6 2.1. Pin năng lượng mặt trời .7 2.1.1.Cấu tạo 7 2.1.2.Sơ đồ tương đương của pin mặt trời .14 2.1.3.Tấm pin mặt trời 21 2.1.4.Điểm công suất cực đại MPP (max power point) .23 2.1.5.Hệ số lấp đầy và hiệu suất của pin mặt trời 25 2.1.6.Khảo sát đặc tính pin mặt trời ở điều kiện lý tưởng 25 2.3.1. Giới thiệu chung về ắc quy 32 2.3.2. Cấu tạo của ắc-quy .33 2.3.3.Phân loại và nguyên lý hoạt động của ắc quy .33 2.3.4. Một số đặc tính của ắc quy .36 2.3.4.So sánh hai loại ắc quy thông dụng .38 3.2.Tính toán,thiết kế, thi công bộ chuyển đổi DC-AC công suất 600W .44 LỜI NÓI ĐẦU Việc sử dụng năng lượng đã đánh dấu một mốc rất quan trọng trong sự phát triển của khoa học kỹ thuật. Từ đó đến nay, năng lượng được sự dụng ngày càng nhiều, nhất là trong những thập niên gần đây. Trong cơ cấu năng lượng hiện nay, nguồn năng lượng chủ yếu than đá, dầu mỏ, khí tự nhiên. Tiếp đó là nguồn năng lượng nước thủy điện, năng lượng hạt nhân, năng lượng sinh khối (bio.gas, …) năng lượng mặt trời, năng lượng gió chỉ chiếm một phần khiêm tốn. Nhu cầu ngồn năng lượng phục vụ con người ngày càng cao. Tuy nhiên, năng lượng hóa thạch, năng lượng không tái sinh ngày càng kiệt, ảnh hưởng xấu đến sự phát triển kinh tế xã hội và môi trường sống. Việc tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế là nhiệm vụ cấp bách. Nguồn năng lượng thay thế đó cần thân thiện với môi trường, chi phí thấp, có thể tái sinh, và dễ sử dụng. Từ lâu, loài người đã sử dụng năng lượng mặt trời. Nguồn năng lượng hầu như vô tận, đáp ứng hầu hết các tiêu chí nêu trên. Nhiều công trình nghiêng cứu đã được thực hiện, năng lượng mặt trời không chỉ là năng lượng của tương lai mà còn là năng lượng của hiện tại. Do đó em đã lựa chọn đề tài “Nguyên cứu, thiết kế, chế tạo bộ biến đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện phục vụ chiếu sáng gia đình”. Đồ án này trình bày tổng quan về hệ thống biến đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện. Đồ án gồm 3 chương với nội dung sau: Chương 1. Tổng quan về năng lượng mặt trời. Chương 2. Các thành phần của hệ thống biến đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện. Chương 3. Thiết kế, chế tạo bộ biến đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện phục vụ chiếu sáng gia đình. Do thời gian có hạn, kinh nghiệm, kiến thức bản thân còn hạn chế nên đồ án không tránh khỏi những thiếu sót, em mong được sự góp ý của thầy cô và các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến ThS. Tạ Hùng Cường và các thầy cô đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em hoàn thành đồ án này. Sinh viên thực hiện Bùi Đức Chung i TÓM TẮT ĐỀ TÀI Đồ án đã trình bày tổng quan về hệ thống biến đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện, cũng như trình bày tổng quan về các thành phần trong hệ thống biến đổi năng lượng hiện nay, từ đó tính toán thiết kế thi công bộ biến đổi năng lượng mặt trời thành điện năng phục vụ chiếu sáng. ABSTRACT Thesis presents about overview of solar conversion system to electrical energy, as well as presents about overview of elements in electrical energy conversion system at the moment. From this basis, we calculate, execute solar conversion system to electrical energy for home lighting ii DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 2.1: Các thành phần trong hệ thống biến đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện .7 Bảng 2.2: Sự phụ thuộc dung lượng vào mức điện áp .37 Bảng 2.3: Dung lượng của ắc quy phụ thuộc vào cường độ dòng phóng 37 Bảng 2.4: So sánh ắc quy axít kiểu hở và ắc quy axít thiết kế theo kiểu kín khí .39 Bảng3.1: Thông số, điều kiện hoạt động của transistor H1061 50 Bảng 3.2: Bảng thông số, điều kiện hoạt động transistor 2SC5200 52 Bảng 3.3: Thông số hoạt động của IC LM317 56 Bảng 3.4: Thông số hoạt động của transistor B688 57 Bảng 4.1: Thống kê cường độ bức xạ năm 2011 của thành phố Buôn Mê Thuột 63 Bảng 4.2: Thống kê cường độ bức xạ năm 2011 của thành phố Đà Nẵng .64 Bảng 4.3: Thống kê cường độ bức xạ năm 2011 của thành phố Hà Nội 65 Bảng 4.4: Thống kê cường độ bức xạ năm 2011 của thành phố Hồ Chí Minh .66 Bảng 4.5: Thống kê cường độ bức xạ năm 2011 của thành phố Huế .67 iii DANH MỤC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1: Cấu trúc mặt trời [9] .1 Hình 1.2: Dải bức xạ điện từ 2 Hình 2.1: Các thành phần của một hệ thống điện năng lượng mặt trời 7 Hình 2.2: Cấu tạo của pin năng lượng mặt trời .7 Hình 2.3: Các loại cấu trúc tinh thể của pin mặt trời 8 Hình 2.4: Cấu tạo tinh thể silic 9 Hình 2.5: Cấu tạo tinh thể silic pha tạp Buron .10 Hình 2.6: Cấu tạo tinh thể silic pha tạp photpho 10 Hình 2.8: Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời [9] .11 Hình 2.9: Hệ thống 2 mức năng lượng trong đó E1 < E2 11 Hình 2.10: Các vùng năng lượng 12 Hình 2.11: Hiện tượng quang điện xảy ra trên lớp tiếp xúc p-n .13 Hình 2.12: Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời .14 Hình 2.13: Sơ đồ tương đương của pin mặt trời .15 Hình 2.14: Sơ đồ tương đương của pin mặt trời gồm một nguồn dòng mắc song song với một diode lý tưởng 16 Hình 2.15: Dòng ngắn mạch ISC 16 Hình 2.16: Dòng hở mạch ISC 16 Hình 2.17: Đồ thị V-A của pin mặt trời [9] 17 Hình 2.18: Đồ thị V-A của ví dụ [9] .18 Hình 2.19: Sơ đồ tương đương đơn giản với Rsh mắc song song 18 Hình 2.20: Đồ thị V-A của sơ đồ tương đương có Rsh mắc song song [9] 19 Hình 2.21: Sơ đồ tương đương đơn giản với RS mắc nối tiếp 19 Hình 2.22: Đồ thị V - A của mạch điện tương đương có Rs mắc nối tiếp [9] 20 Hình 2.23: Sơ đồ tương đương gồm Rsh và Rs 20 Hình 2.24: Đồ thị V - A của sơ đồ tương đương trên với Rsh = 1Ω, Rs = 0,05Ω [9] 21 Hình 2.25: Mắc nối tiếp hoặc song song các pin mặt trời .21 Hình 2.26: Đồ thị V - A của một tấm pin mặt trời [9] 22 Hình 2.27: Tấm pin mặt trời .22 iv Hình 2.28: Mắc nối tiếp các tấm pin mặt trời [9] 22 Hình 2.29: Mắc song song các tấm pin mặt trời [9] 23 Hình 2.30: Các giá trị chuẩn của một tấm pin mặt trời trong điều kiện chuẩn .23 Hình 2.31: Đồ thị V - A và đồ thị công suất của pin mặt trời .24 Hình 2.32: Xác định điểm MPP [9] 24 Hình 2.33: Đặc tuyến V-A của pin mặt trời [9] 26 Hình 2.34: Đường đặc tuyến V-A, đồ thị công suất và điểm cực đại công suất MPP [9] 26 Hình 2.35: Đồ thị V - A với sự thay đổi của cường độ ánh sáng [9] 27 Hình 2.36: Đặc tuyến V - A dưới sự thay đổi của nhiệt độ [9] .27 Hình 2.37: Đồ thị V - A khi mắc nối tiếp các pin lại với nhau [9] 28 Hình 2.38: Đồ thị V - A khi các pin được mắc song song [9] 28 Hình 2.39: Mạch Inverter dùng cổng NAND IC SN7400 .29 Hình 2.40: Mạch Inverter dùng 2N3055 .29 Hình 2.41: Mạch Inverter sử dụng dao động đơn ổn 30 Hình 2.42: Sơ đồ mạch cầu H .30 Hình 2.43: Dạng sóng đầu ra .31 Hình 2.44: Một số loại ắc quy .32 Hình 2.45: Cấu tạo ắc quy .33 Hình 2.46: Mô phỏng bản cực ắc quy a-xít .34 Hình 2.47: Các trạng thái hóa học trong các quá trình phóng - nạp 34 Hình 2.48: Các bản cực của ắc quy được gắn song song nhau .35 Hình 2.49: Bố trí các ngắn ắc quy .36 Hình 2.50: Sự phụ thuộc dung lượng vào mức điện áp 36 Hình 3.1: Ngôi nhà sử dụng năng lượng mặt trời .41 Hình 3.2: Sơ đồ khối mạch inverter 44 Các thành phần chính: .44 Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển đổi 45 Hình 3.4: Sơ đồ chân IC CD4047 .46 Hình 3.5: Sơ đồ khối bên trong IC CD4047 .47 Hình 3.6: Dạng sóng đầu ra của Ic CD 4047 48 v