Hệ thống điều khiển bám nắng năng lượng mặt trời

Văn bản khẳng định năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo vô hạn và thân thiện với môi trường. Tuy nhiên, mặc dù trên thế giới công nghệ này đã phát triển, ở Việt Nam, việc nghiên cứu và ứng dụng vẫn còn ở giai đoạn đầu. Mặt trời cung cấp năng lượng khổng lồ: trong 10 phút, Trái đất nhận được lượng năng lượng tương đương với nhu cầu tiêu thụ của toàn nhân loại trong một năm; trong 36 giờ, lượng năng lượng nhận được bằng tổng lượng dầu mỏ trên Trái đất. Điều này cho thấy tiềm năng to lớn của năng lượng mặt trời như một nguồn năng lượng sạch, thay thế cho nhiên liệu hóa thạch đang cạn kiệt. Tuy nhiên, việc thu hoạch năng lượng mặt trời hiện nay vẫn gặp nhiều thách thức. Việc khai thác dầu mỏ dự đoán sẽ giảm mạnh sau năm 2050, thúc đẩy nhu cầu tìm kiếm các nguồn năng lượng tái tạo thay thế, trong đó có năng lượng mặt trời. Hiện nay, hơn 85% năng lượng toàn cầu đến từ dầu hỏa và khí đốt, nhưng nguồn nhiên liệu này sẽ cạn kiệt trong tương lai gần.

Một trong những thách thức lớn nhất của việc ứng dụng rộng rãi năng lượng mặt trời là chi phí. Hiện nay, giá thành thu năng lượng mặt trời (tính theo kilowatt-giờ) cao hơn nhiều so với năng lượng từ gió và khí đốt tự nhiên (0,30 USD/kWh so với 0,05 USD/kWh và 0,03 USD/kWh). Một hệ thống chuyển đổi năng lượng mặt trời đủ cung cấp điện cho một hộ gia đình bình thường có giá lên đến 18.000 USD (năm 2005). Chi phí cao này là rào cản lớn khiến người tiêu dùng e ngại sử dụng năng lượng mặt trời, dẫn đến tỷ lệ sử dụng rất thấp, ví dụ như ở Mỹ chỉ chiếm 0,02%. Mặc dù thị trường năng lượng mặt trời toàn cầu đang phát triển nhanh với tốc độ tăng trưởng 30%/năm, nhờ vào những nghiên cứu giảm giá thành tế bào quang điện, nhưng việc giảm chi phí và tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng vẫn là bài toán nan giải cần giải quyết để năng lượng mặt trời trở nên phổ biến hơn.

Việt Nam cũng đang chú trọng phát triển năng lượng mặt trời, đặc biệt là ứng dụng pin mặt trời (PMT) để sản xuất điện trực tiếp từ ánh sáng mặt trời. PMT có ưu điểm gọn nhẹ, dễ lắp đặt, và đã được ứng dụng rộng rãi ở các nước phát triển. Ở Việt Nam, các ứng dụng năng lượng mặt trời tập trung vào các lĩnh vực: viễn thông (cung cấp điện cho trạm thu phát sóng), hàng hải (chiếu sáng, hải đăng), công nghiệp (nguồn điện dự phòng), và đặc biệt là ở các vùng sâu vùng xa thiếu điện lưới quốc gia. Một số dự án tiêu biểu được đề cập là dự án phát điện lai ghép tại Kon Tum (9 kW), các dàn pin mặt trời ở Gia Lai, Quảng Nam, Bình Định, Quảng Ngãi, Khánh Hòa, và dự án cho các đơn vị bộ đội trên đảo. Năng lượng mặt trời cũng được sử dụng trong nông nghiệp để sấy nông sản, góp phần nâng cao chất lượng và giảm hao hụt sản phẩm. Tuy nhiên, giá thành cao của thiết bị (khoảng 5 USD/Wp) vẫn là rào cản chính đối với việc ứng dụng rộng rãi ở các nước đang phát triển như Việt Nam.

Tại Việt Nam, năng lượng mặt trời đã được ứng dụng đáng kể trong lĩnh vực viễn thông và hàng hải. Cụ thể, các trạm pin mặt trời được sử dụng làm nguồn điện chính hoặc dự phòng cho các thiết bị thu phát sóng của các bưu điện lớn, trạm thu phát truyền hình vệ tinh. Trong ngành hàng hải, năng lượng mặt trời cung cấp điện cho hệ thống chiếu sáng, cột hải đăng, và đèn báo sông, đảm bảo an toàn giao thông đường thủy. Điều này cho thấy năng lượng mặt trời đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hoạt động ổn định của các hệ thống hạ tầng quan trọng, đặc biệt ở những khu vực khó khăn về điện lưới.

Trong lĩnh vực công nghiệp, năng lượng mặt trời được sử dụng làm nguồn điện dự phòng cho các thiết bị điều khiển trạm biến áp 500 kV, thiết bị máy tính, và kết nối với điện lưới quốc gia. Đây là một bước tiến quan trọng trong việc tăng cường độ tin cậy của hệ thống điện, giảm thiểu rủi ro mất điện. Bên cạnh đó, năng lượng mặt trời cũng được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong các hộ gia đình, đặc biệt ở vùng sâu vùng xa. Các hệ thống pin mặt trời nhỏ gọn được sử dụng để thắp sáng, nghe đài, xem truyền hình, mang lại tiện nghi cho người dân. Trong giao thông đường bộ, năng lượng mặt trời cũng được dùng để cung cấp điện cho các cột đèn đường chiếu sáng, góp phần tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường.

Tài liệu nêu ra một số dự án năng lượng mặt trời tiêu biểu tại Việt Nam, minh chứng cho khả năng ứng dụng thực tiễn của công nghệ này. Dự án phát điện lai ghép giữa pin mặt trời (PMT) và động cơ gió tại làng Kongu 2, huyện Đak Hà, tỉnh Kon Tum (công suất 9 kW, trong đó PMT 7 kW) đã được vận hành từ tháng 11/2000, cung cấp điện cho 42 hộ gia đình. Các dàn pin mặt trời cũng được lắp đặt tại nhiều tỉnh thành khác như Gia Lai, Quảng Nam, Bình Định, Quảng Ngãi, Khánh Hòa, phục vụ cho các hộ gia đình, trung tâm xã, và trạm y tế. Ngoài ra, còn có dự án cung cấp năng lượng mặt trời cho đơn vị bộ đội tại các đảo vùng Đông Bắc (20 kWp) và dự án cho cơ quan hành chính và hộ dân huyện đảo Cô Tô (15 kWp). Những dự án này cho thấy sự nỗ lực của Việt Nam trong việc phát triển và ứng dụng năng lượng mặt trời, tuy nhiên, quy mô vẫn còn hạn chế.

Một lĩnh vực ứng dụng quan trọng của năng lượng mặt trời tại Việt Nam là nông nghiệp. Năng lượng mặt trời được sử dụng để sấy các sản phẩm nông nghiệp như ngũ cốc, thực phẩm, và các loại vật liệu khác như gỗ. Việc sử dụng năng lượng mặt trời trong sấy giúp giảm tỷ lệ hao hụt, nâng cao chất lượng sản phẩm, và thân thiện với môi trường hơn so với các phương pháp sấy truyền thống sử dụng nhiên liệu hóa thạch. ThS. Hoàng Trí (Khoa Chế tạo máy, ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM) đã nghiên cứu và chế tạo thành công thiết bị sấy nhãn bằng năng lượng mặt trời, cho thấy hiệu quả kinh tế đáng kể so với phương pháp sấy truyền thống (giảm chi phí hơn 33.000 đ/tấn sản phẩm). Đây là một hướng ứng dụng đầy tiềm năng của năng lượng mặt trời trong việc hiện đại hóa nông nghiệp Việt Nam.

Hệ thống điều khiển bám mặt trời được thiết kế dựa trên nguyên lý tự động xoay theo hướng chuyển động của ánh sáng mặt trời. Khi hướng ánh sáng thay đổi, hệ thống sẽ tự động điều chỉnh hướng của gương để luôn giữ cho gương vuông góc với tia sáng tới. Điều này được thực hiện thông qua việc sử dụng cảm biến ánh sáng, cụ thể là quang điện trở. Quang điện trở hoạt động dựa trên nguyên tắc khi ánh sáng chiếu vào chất bán dẫn (CdS, CdSe), điện trở của chất bán dẫn giảm, tạo ra tín hiệu điều khiển. Tín hiệu này được xử lý bởi mạch điện tử để điều khiển động cơ xoay gương. Năng lượng ánh sáng cung cấp năng lượng cần thiết (E=h.f) để điện tử nhảy từ dải hóa trị lên dải dẫn điện, và năng lượng này phải lớn hơn năng lượng của dải cấm.

Hệ thống sử dụng một mạch cảm biến ánh sáng để dò tìm và xác định hướng của ánh sáng mặt trời. Mạch này bao gồm quang điện trở, transistor và rơle để điều khiển tín hiệu. Khi ánh sáng chiếu vào quang điện trở, điện trở giảm, transistor dẫn, và rơle đóng mạch. Việc thu năng lượng mặt trời được thực hiện thông qua một gương lõm hình parabol làm bằng inox. Trên gương được gắn các cảm biến ánh sáng để xác định vị trí của gương. Quán tính quay của gương phụ thuộc vào khối lượng và phân bố khối lượng của gương so với trục quay. Để đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả, cần tính toán tỷ số truyền và lựa chọn động cơ phù hợp, thỏa mãn điều kiện quán tính quay. Trong quá trình thử nghiệm, bóng đèn 200W được sử dụng để mô phỏng ánh sáng mặt trời, và hệ thống đã hoạt động tốt.

Hệ thống điều khiển bám mặt trời đã đạt được một số kết quả quan trọng: bám được hướng đi của mặt trời; thu nhiệt của mặt trời vào tâm gương và đốt nóng tại tiêu cự; chế tạo được cảm biến ánh sáng. Hệ thống cơ khí cũng được thiết kế lại và thêm sensor để hệ thống bám được mặt trời ở bất cứ điểm nào. Tuy nhiên, do thời gian thực hiện ngắn, một số hạn chế vẫn còn tồn tại. Tín hiệu ánh sáng mặt trời thay đổi chậm, nên cần phát triển thêm bộ điều khiển dùng chip vi xử lý khả trình để tăng khả năng thông minh và tốc độ phản hồi. Việc sử dụng cảm biến quang tốt hơn cũng cần thiết để tăng độ nhạy khi có sự thay đổi góc ánh sáng.

Dự án đã đạt được những kết quả khả quan. Hệ thống đã thành công trong việc bám theo hướng đi của mặt trời, đảm bảo gương luôn hướng về phía mặt trời để tối ưu hóa việc thu năng lượng. Hệ thống có khả năng thu nhiệt của mặt trời vào tâm gương và đốt nóng tại tiêu cự, chứng tỏ hiệu quả của cơ cấu gương parabol trong việc tập trung năng lượng. Một thành tựu quan trọng khác là việc chế tạo thành công cảm biến ánh sáng (sensor), một bộ phận thiết yếu của hệ thống. Cuối cùng, hệ thống cơ khí đã được cải tiến và thêm các sensor để đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả ở nhiều vị trí khác nhau. Những kết quả này chứng minh khả năng hoạt động của hệ thống theo đúng mục tiêu đề ra.

Do thời gian nghiên cứu có hạn, dự án còn tồn tại một số hạn chế. Do tốc độ di chuyển của mặt trời tương đối chậm, tín hiệu ánh sáng nhận được cũng thay đổi chậm. Điều này dẫn đến cần phải cải thiện hệ thống điều khiển, ví dụ bằng việc tích hợp chip vi xử lý để tăng khả năng thông minh và tốc độ phản hồi của hệ thống. Thêm vào đó, việc sử dụng cảm biến quang (cảm biến ánh sáng) chất lượng cao hơn cũng cần thiết để tăng độ nhạy của hệ thống, giúp phản ứng nhanh hơn và chính xác hơn với sự thay đổi góc chiếu của ánh sáng mặt trời. Những hạn chế này sẽ là hướng nghiên cứu và phát triển trong tương lai để hoàn thiện hơn hệ thống.