ĐỒ ÁN : NÂNG CAO HIỆU SUẤT PIN MẶT TRỜI VÀ ỨNG DỤNG VÀO ĐỜI SỐNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: Th.S Nguyễn Nhân Bổn

Phần A
GIỚI THIỆU


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: Th.S Nguyễn Nhân Bổn

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM

Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam

Khoa Điện-Điện Tử

Độc lập – Tự do –Hạnh phúc

-----***----

----***---Tp. Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 7 năm 2014

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: Võ Nguyễn Ngân............MSSV:10902035...................
Chuyên ngành: Điện Công Nghiệp...................Lớp:

109020C...................

Giáo viên hướng dẫn: Th.S Nguyễn Nhân Bổn...............................................

Ngày giao đề tài:.................................Ngày nộp đề tài:....................................
1. Tên đề tài:
NÂNG CAO HIỆU SUẤT PIN MẶT TRỜI
VÀ ỨNG DỤNG VÀO ĐỜI SỐNG
2. Các số liệu, tài liệu ban đầu
3. Nội dung thuyết minh và tính tốn
- Nghiên cứu về đặc tính của Pin năng lượng Mặt Trời.
- Nghiên cứu lý thuyết về phương pháp dị tìm cơng suất cực đại của Pin Mặt Trời.
- Thiết kế mơ hình Pin Mặt Trời tự xoay theo hướng ánh sáng.
- Thiết kế mạch dị tìm cơng suất cực đại và các mạch điện khác cho mơ hình.
4. Sản phẩm
- Mơ hình Pin Mặt Trời tự xoay theo hướng ánh sáng
- Tủ điều khiển và giám sát các thông số hoạt động
Bộ Môn Điện Công Nghiệp

Giáo viên hướng dẫn


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: Th.S Nguyễn Nhân Bổn

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………

TP.Hồ Chí Minh,ngày…..,tháng……,năm 2014
Giáo viên hướng dẫn

Th.s Nguyễn Nhân Bổn


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: Th.S Nguyễn Nhân Bổn

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: Th.S Nguyễn Nhân Bổn

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………
TP.Hồ Chí Minh,ngày…..,tháng……,năm 2014
Giáo viên phản biện

Th.s Lê Tấn Thanh Tùng


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: Th.S Nguyễn Nhân Bổn

LỜI CẢM ƠN
Kính thưa q thầy cơ!
Em xin chân thành gởi lời cảm ơn đến Ban Giám Hiệu và các thầy cô trong
trường, đặc biệt là các thầy cô trong khoa Điện-ĐiệnTử trường Đại Học Sư Phạm Kỹ
Thuật TPHCM, đã tận tình chỉ dạy,truyền đạt kiến thức cũng như tạo điện kiện thuận
lợi cho em trong suốt quá trình học tập vừa qua.
Trước hết, em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy Ths. NGUYỄN NHÂN BỔN
đã giành nhiều thời gian, công sức, quan tâm theo dõi, tận tình hướng dẫn, động viên
và nhắc nhở em hoàn thành tốt luận văn này.
Qua đây,em cũng xin gởi lời cảm ơn đến tất cả các bạn bè và người thân xung
quanh đã động viên , giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình học tập.
Cuối cùng em kính chúc q Thầy, Cơ dồi dào sức khỏe và thành công trong sự
nghiệp cao quý.
Trân trọng kính chào!

TP.HCM, tháng 7 năm 2014
Sinh Viên

Võ Nguyễn Ngân


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: Th.S Nguyễn Nhân Bổn

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Đầu tiên, Luận văn trình bày một cách tổng quan về tình hình sử dụng nguồn
năng lượng mặt trời ở nước ta. Nước ta nằm gần đường xích đạo, có nhiều lợi thế để
khai thác năng lượng mặt trời. Việt Nam nước giàu nguồn năng lượng mặt trời.Hàng
năm các vùng phía bắc có khoảng 1400-2000 giờ nắng và các vùng miền Trung và một
số vùng miền Nam có từ 2000-3000 giờ nắng.Tuy nhiên Việt Nam chỉ mới khai thác
được 25% nguồn năng lượng tái tạo(trong đó có năng lượng mặt trời) cịn lại 75% vẫn
chưa khai thác đó là một sự lãng phí lớn.Năng lượng mặt trời đem lại lợi ích kinh
tế,bảo vệ môi trường và bảo vệ sức khỏe con người.Luận văn “NÂNG CAO HIỆU
SUẤT PIN MẶT TRỜI VÀ ỨNG DỤNG VÀO ĐỜI SỐNG” là một đề tài chỉ
nghiên cứu một mảng nhỏ trong hệ thống pin mặt trời,đó là ni tải DC, luận văn cịn
nêu ra những phương pháp nâng cao hiệu suất của pin năng lượng mặt trời.
Thứ hai, Luận văn giới thiệu một số lý thuyết về hệ thống pin năng lượng mặt
trời, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin quang điện. Hệ thống dị tìm điểm cơng
suất cực đại, và hệ thống xoay panel theo hướng ánh sáng được thiết kế trong luận văn.
Thiết kế được bộ converter chuyển đổi DC/DC và mạch sạc 3 giai đoạn bảo vệ Ắc-quy
tránh quá dòng, quá áp, đấu ngược cực.
Thứ ba, bộ khung được thiết kế phù hợp với vị trí địa lý, nhằm giúp ánh sáng
hướng vào tấm pin. Bên cạnh đó, các linh kiện điện tử được lựa chọn để thiết kế các
mạch điện trong hệ thống điều khiển. Đây là một trong những phần quan trọng của
luận văn giúp hệ thống có thể hoạt động chính xác và mang lại hiệu suất cho pin cao
nhất. Thuật tốn điều khiển và chương trình là phần kế tiếp trong luận văn, thuật toán
điều khiển giúp panel xoay theo hướng ánh sáng và bộ dị tìm điểm đạt công suất cực

đại làm việc theo mong muốn, nhằm tăng hiệu suất pin quang điện khi phục vụ trong
sinh hoạt, và đời sống.
Cuối cùng, Luận văn báo cáo kết quả và hướng phát triển trong tương lai.


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: Th.S Nguyễn Nhân Bổn

MỤC LỤC
PHẦN A GIỚI THIỆU....................................................................................................
Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp…………………………………………………………..
Lời nhận xét của giáo viên hướng dẫn………………………………………………
Lời nhận xét của giáo viên phản biện……………………………………………….
Lời cảm ơn……………………………………………………………………………
Tóm tắt Luận Văn……………………………………………………………………
Mục lục………………………………………………………………………………..
Danh mục hình vẽ……………………………………………………………………
Danh mục các từ viết tắt…………………………………………………………….
PHẦN B NỘI DUNG…………………………………………………………………1
Chương1:TỔNG QUAN………………………………………………………….... 2
1.1 Đặt vấn đề……………………………………………………………………….2
1.2 Mục tiêu luận văn………………………………………………………………..2
1.3 Giới hạn luận văn………………………………………………………………..3
1.4 Ý nghĩa thực tiễn………………………………………………………………...3
1.5 Phương pháp nghiên cứu………………………………………………………...4
Chương 2:CƠ SỞ LÝ THUYẾT…………………………………………………...5
2.1 Giới thiệu về hệ thống pin năng lượng mặt trời…………………………………5
2.2 Hệ thống điều khiển góc xoay pin mặt trời theo ánh sáng………………………6
2.3 Bộ lưu điện (Accu) và bộ sạc bảo vệ Accu……………………………...............7

2.3.1 Khái niệm Accu……………………………………………………………...7
2.3.2 Phân loại và cấu tạo Accu…………………………………………………...7
2.3.3 Bộ sạc bảo vệ Accu………………………………………………………….8
2.4 Bộ biến đổi DC/DC…………………………………………………………......9
2.4.1 Mạch Buck…………………………………………………………………10
2.4.2 Mạch Boost………………………………………………………………...13


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: Th.S Nguyễn Nhân Bổn

2.4.3. Mạch Buck – Boost…………………………..……………………………15
2.5 Bộ dị tìm cơng suất cực đại…………………………………………………....17
2.5.1 giới thiệu về MPPT...…………………………………….............................17
2.5.2 Nguyên lý hợp dung tải….…………………………………………………19
2.5.3 Thuật toán xác định điểm làm việc có cơng suất lớn nhất MPPT…...……..20
2.5.3.1Phương pháp nhiễu loạn và quan sát P&O…………………………….22
2.5.3.2 Phương Pháp điện dẫn gia tăng INC….………………………………24
2.6 Bộ ổn áp DC/DC Converter……………………………………………………26
2.7 Pin mặt trời..……………………………………………………………………27
2.7.1Cấu tạo………………………………………………………………………27
2.7.2 Nguyên lý hoạt động của pin…….…………………………………………27
Chương 3:THIẾT KẾ PHẦN CỨNG……………………………………………30
3.1 Hệ thống xoay panel theo hướng ánh sáng.……………………………………30
3.1.1 Yêu cầu của hệ thống.………………………………………………………30
3.1.2 Bộ khung đỡ tấm panel mặt trời……………………………………………30
3.1.3 Mạch cảm biến hướng chiếu sáng.…………………………………………31
3.1.4 Động cơ và cơ cấu truyền động…………………………………………….32
3.2 Hệ thống dò điểm công suất cực đại...…………………………………………33

3.3 Mạch sạc Ắc-quy ba giai đoạn....………………………………………………34
3.4 Mạch ổn áp xung.………………………………………………………………35
3.5 Mạch hiển thị áp-dòng…………………………………………………………37
Chương 4:THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN..………………………………………39
4.1 Lưu đồ giải thuật cho hệ thống..……………………………………………….39
4.2 Chương trình..………………………………………………………………….39
Chương 5:KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN...............................................40
5.1Kết quả…………………………………………………………………………40
5.2 Hướng phát triển………………………………………………………………45
5.3 Kết luận……..…………………………………………………………………46


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: Th.S Nguyễn Nhân Bổn

Tài Liệu Tham Khảo…............................................................................................47

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 2.1.Sơ đồ khối hệ thống pin năng lượng mặt trời..……………………………5
Hình 2.2.Sơ đồ khối hệ pin mặt trời làm nối lưới...…………………………………6
Hình 2.3. Sơ đồ khối hệ pin mặt trời làm việc độc lập...……………………............6
Hình 2.4.Mơ phỏng 2 bản cực Accu axit……………………………………………8
Hình 2.5.Sơ đồ bộ biến đổi DC/DC..………………………………………………..9
Hình 2.6.Sơ đồ ngun lý bộ giảm áp Buck……………………………………….10
Hình 2.7.Sóng điện áp và dịng điện của mạch Buck....…………………………...13
Hình 2.8.Sơ đồ ngun lý bộ tăng áp Boost..……………………………………..14
Hình 2.9.Sơ đồ nguyên lý mạch Buck-Boost....……………………………………15
Hình 2.10.Bộ điều khiển MPPT trong hệ thống pin mặt trời…..…………………..17
Hình 2.11.Tấm pin mặt trời mắc nối tiếp với tải thuần trở có giá trị thay đổi......…18

Hình 2.12.Đường đặc tính làm việc của pin và tải thuần trở………………………18
Hình 2.13.Tổng trở vào Rin được điều chỉnh bằng D...…………………………….20
Hình 2.14.Đặc tính I-V ứng với bức xạ thay đổi và quỹ đạo của các điểm cơng suất
cực đại (25oC)………………………………………………………………………..20
Hình 2.15.Đặc tính I-V ứng với bức xạ thay đổi và quỹ đạo của điểm công suất cực
đại (50oC)……………………………………………………………………………21
Hình 2.16.Đặc tính cơng suất- điện áp của pin…………………………………….22
Hình 2.17.Lưu đồ thuật tốn P&O…………………………………………………23
Hình 2.18.Phản ứng của P&O trong điều kiện bức xạ tăng dần…………………...24
Hình 2.19.Phương pháp điện dẫn gia tăng…………………………………………25
Hình 2.20.Lưu đồ giải thuật IncCond……………………………………………...26
Hình 2.21.Cấu tạo pin năng lượng mặt trời………………………………………..27
Hình 2.22.Nguyên lý hoạt động của pin…………………………………………...27
Hình 2.23.Hệ hai mức năng lượng…………………………………………………28
Hình 2.24.Các vùng năng lượng…………………………………………………...28
Hình 3.1.Mơ hình khung nâng đỡ panel mặt trời…………………………………31


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: Th.S Nguyễn Nhân Bổn

Hình 3.2.Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến hướng chiếu sáng…………………….31
Hình 3.3.Động cơ điện 12VDC ……………………………………………………32
Hình 3.4.Cơ cấu bánh răng giảm tốc……………………………………………….33
Hình 3.5.Sơ đồ ngun lý mạch dị tìm cơng suất cực đại…………………………34
Hình 3.6.Sơ đồ nguyên lý mạch sạc Ắc-quy……………………………………….35
Hình 3.7.Sơ đồ nguyên lý IC LM2576…………………………………………….36
Hình 3.8.Sơ đồ nguyên lý mạch ổn áp xung………………………………………36
Hình 3.9.Giản đồ xung PWM……………………………………………………...37

Hình 3.10.Sơ đồ nguyên lý mạch hiển thị số trên LCD……………………………38
Hình 4.1.Lưu đồ thuật tốn điều khiển mơ ………………………………………..39
Hình 5.1.Mơ hình pin mặt trời tự xoay theo hướng ánh sáng……………………...41
Hình 5.2.Mơ hình điều khiển và giám sát…………………………………………42
Hình 5.3.Board chính của mơ hình………………………………………………..43
Hình 5.4.Mạch đèn led 12VDC……………………………………………………43
Hình 5.5.Sơ đồ mạch in……………………………………………………………44
Hình 5.6.Mặt sau của board mạch chính…………………………………………..44
Hình 5.7.Hình ảnh tổng thể của mơ hình tự xoay………………………………….45
Hình 5.8.Động cơ và bánh răng truyền động……………………………………....45
Hình 5.9.Mạch cảm biến hướng chiếu sáng………………………………………..46
Hình 5.10.Cận cảnh trục xoay và cơ cấu truyền động……………………………..46


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: Th.S Nguyễn Nhân Bổn

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
P&O:

Perturb & Observe

Inc Cond: Incremental Conductance
PWM:

Pulse Width Modulation

DC:

Direct Current

AC:

Alternating Current

ADC:

Analog to Digital Converter

NL:

Năng Lượng


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD:Th.S Nguyễn Nhân Bổn

Phần B
NỘI DUNG

Trang 1


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD:Th.S Nguyễn Nhân Bổn

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN

1.1. Đăt vấn đề
Ngày nay, nhu cầu sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo đang tăng lên mạnh mẽ
do các nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt và chúng gây ra những hậu quả
về môi trường như hiệu ứng nhà kính,lũ lụt…Trong các nguồn năng lượng tái tạo,năng
lượng mặt trời đang dần trở nên rất phổ biến bởi vì chúng có nhiều ưu điểm như nguồn
năng lượng này là sạch, có sẵn trong thiên nhiên, khơng gây ơ nhiễm, không bị cạn
kiệt và là giải pháp tốt nhất nhằm tiết kiệm năng lượng hóa thạch cho tương lai
Mục tiêu của đề tài nghiên cứu là làm sao có thể tận thu được tối đa nguồn năng
lượng đó. Nước ta có vị trí địa lý gần vùng xích đạo nên năng lượng mặt trời chiếu
xuống hằng ngày là rất lớn, chúng ta cần phát triển hệ thống thu nhận nguồn năng
lượng “vĩnh cữu” này. Trong các hệ thống về năng lượng mặt trời không thể không đề
cập đến điện mặt trời. Hiệu suất của các tấm pin năng lượng mặt trời (dân dụng) hiện
nay là khoảng 16%, công nghệ mới dùng pin CX-75 có thể đạt đến 26% trong điều
kiện ánh sáng chiếu vng góc. Các loại pin dùng Silic đơn tinh thể có thể đạt đến
35% trên mặt đất và 40% trên vũ trụ.
Nguồn năng lượng mặt trời có thể coi là nguồn năng lượng vô tận, sạch, và hồn
tồn miễn phí. Vấn đề đặt ra là giá cả của của tấm pin năng lượng mặt trời hiện nay
còn cao, ứng dụng vẫn còn hạn chế. Ở Việt Nam pin mặt trời có giá bán rất cao
khoảng 2-2.5 USD/1W,chất lượng tấm pin của các hãng khác nhau thì có giá khác
nhau,trong thời gian tới gian giá của mỗi tấm pin sẽ giảm xuống nước ta đã có nhà
máy sản xuất pin đặt tại Long An. Chi phí đầu tư ban đầu khá cao nhưng bù vào đó
nguồn năng lượng mặt trời sạch và góp phần bảo vệ mơi trường. Sau thời gian hoàn
vốn đầu tư ban đầu, năng lượng mặt trời sẽ hồn tồn miễn phí vì ít bảo trì.
Đề tài này chủ yếu tập trung vào các giải pháp để có thể tận thu điện năng từ mặt
trời. Như đã biết để hiệu suất pin mặt trời lớn nhất phải đặt tấm pin cho vng góc với
hướng chiếu sáng của mặt trời. Vấn đề đặt ra là làm như thế nào để pin mặt trời ln
vng góc với hướng chiếu sáng. Thứ 2, theo đặt tính năng lượng của pin mặt trời để
đạt được hiệu suất tối đa, ta phải sử dụng tải sao cho công suất đạt được điểm cực đại
của pin. Thứ 3, năng lượng mặt trời khơng liên tục vì thế cần phải lưu trữ hoặc kết hợp
với một nguồn năng lượng khác để đảm bảo cung cấp điện.

1.2.Mục tiêu của luận văn
Những vấn đề cần giải quyết trong luận văn này

Trang 2


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD:Th.S Nguyễn Nhân Bổn

-Thiết kế được bộ khung đỡ cho tấm panel,và cơ cấu truyền động giúp panel
xoay quanh theo hướng mặt trời.
-Thiết kế được mạch cảm biến điều khiển panel theo hướng ánh sáng mặt trời.
- Thiết kế mạch dị tìm cơng suất cực đại dùng vi điều khiển PIC16F887.
-Thiết kế mạch sạc Ắc-quy theo phương pháp 3 giai đoạn,có bảo vệ q
dịng,q áp và đấu ngược cực Ắc-quy.
-Thiết kế bộ chuyển đổi DC/DC theo phương pháp PWM với hiệu suất cao.
-Thiết kế được mạch hiển thị các thơng số như dịng điện,điện áp khi hoạt động.
1.3. Giới hạn luận án
Thời gian làm luận văn có phần hơi hạn hẹp nên chỉ thiết kế được mô hình hoạt
động với cơng suất nhỏ như cho chiếu sáng,quạt làm mát, radio, sạc các thiết bị di
động…
1.4 .Ý nghĩa thực tiễn
Năng lượng chính là nguồn sống của mỗi quốc gia.Do vậy nhu cầu sử dụng năng
lượng ngày càng cao.Năng lượng là nhu cầu thiết yếu của cuộc sống.Năng lượng từ
than,dầu hỏa…ngày càng cạn kiệt và khan hiếm.Thực tế,có nguồn năng lượng khác
thay thế hứa hẹn tiềm năng cung cấp rất lớn đó là năng lượng hạt nhân.Nhưng việc sử
dụng nguồn năng lượng này vẫn là một vấn đề tranh cãi vì sự an tồn và ảnh hưởng
đến mơi trường sống, gần đây nhất là vụ sóng thần tại Nhật Bản đã phá hủy nhà máy
điện hạt nhân gây thiệt hai về người và kinh tế

Vì vậy,năng lượng tái tạo là sự lựa chọn tốt nhất ,nguồn năng lượng xanh,nguồn
năng lượng thân thiện với môi trường.Nguồn năng lượng tái tạo (năng lượng mặt trời)
được sử dụng ở những nơi chưa có lưới điện như cung cấp điện cho vùng xâu,vùng
xa,hải đảo…Năng lượng mặt trời có sẵn trong tự nhiên và vơ tận do đó khơng sợ bị
cạn kiệt như các nguồn năng lượng than đá ,dầu mỏ.Những lợi ích to lớn mà nguồn
năng lượng mặt trời đem lại giúp cho con người ứng dụng vào thực tiễn ngày càng
rộng rãi.Nhưng chi phí đầu tư ban đầu cịn lớn đó là ràn cản mà năng lượng mặt trời
chưa được thực sự chú ý ở nước ta,nhưng những năm gần đây được sự hỗ trợ của các
tổ chưc nước ngoài và các cơ quan nhà nước ta thì năng lượng mặt trời ngày càng
được sử dụng nhiều.
Luận văn nhằm mục đích phục vụ cho việc sử dụng nguồn năng lượng mặt trời
trong hộ gia đình.Trong đó,việc thực hiệnbiến đổi năng lượng điện quang năng thành
năng lượng một chiều,đặc biệt là phương pháp dị điểm cơng suất cực đại quay quanh

Trang 3


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD:Th.S Nguyễn Nhân Bổn

pin mặt trời và phương pháp sạc dự trữ năng lượng để thuận tiện cho việc sử dụng, lưu
trữ và duy chuyển nhằm phục vụ cho nền công nghiệp ngày càng phát triển

1.5. Phương pháp nghiên cứu
Để giải quyết các mục tiêu được đặt ra ta cần các biện pháp như: để đảm bảo hiệu
suất hấp thụ cao nhất ta cần một hệ thống “ hướng sáng” luôn xoay tấm pin theo
hướng mặt trời. Để đạt hiệu suất cực đại của pin ta cần dùng hệ thống “dị tìm điểm
cực đại” để tận thu hiệu suất của pin là lớn nhất.
Đối với hệ thống năng lượng mặt trời có cơng suất lớn,thơng thường sẽ được

chuyển đổi thành nguồn AC và hòa vào lưới quốc gia, vì vậy khơng cần hệ thống dự
trữ năng lượng để tiết kiệm chi phí, nhưng hệ thống mặt trời đạt được cơng suất đủ hịa
vào lưới thì chi phí đầu tư ban đầu là rất lớn.
Đối với hệ thống pin mặt trời công suất nhỏ, sử dụng cho hộ gia đình ta có vài
giải pháp như sau:
- Sử dụng kết hợp với nguồn điện lưới, hai hệ thống hoạt động song song với
nhau để đảm bảo cung cấp điện và không cần nguồn lưu trữ (không cần Ắc-quy).
- Vùng xa khu vực điện lưới, hệ thống mặt trời hoạt động độc lập,vì vậy việc
cung cấp điện khơng liên tục do ban đêm khơng có ánh sáng từ mặt trời. Cần phải có
hệ thống Ắc-quy để lưu giữ điện vào ban ngày và cung cấp cho tải vào ban đêm. Hệ
thống này có đặc điểm là khơng phụ thuộc vào lưới điện, nhưng chi phí đầu tư khá
cao, ngồi ra cịn chi phí bảo dưỡng, thay thế Ắc-quy. Ắc-quy chì hư hỏng sẽ trở thành
tác nhân gây ô nhiễm môi trường, như vậy năng lượng mặt trời khơng cịn “sạch” nữa.
- Vào ban ngày, năng lượng từ các tấm pin sinh ra có thể dư dùng và cần lưu trữ
để dùng vào ban đêm.Về mặt lưu trữ điện ta có nhiều giải pháp như sau:
+ Năng lượng được nạp vào Ắc-quy dự trữ với hiệu suất đạt 80% – 85%.
+ Dùng lượng năng lượng dư đó để điện phân nước thành H2 và O2 lưu trữ lại rồi
khi cần sẽ dùng “pin nhiên liệu” để chuyển hóa lại thành điện với hiệu suất đạt 90% .
+ Có thể dùng năng lượng đó chuyển qua dạng thế năng như bơm nước lên hồ
chứa trên cao và lấy năng lượng dưới dạng thủy điện khi cần với hiệu suất khá thấp,
chỉ khoảng 30% -35%.
Có nhiều giải pháp được đặt ra, và khi ứng dụng vào từng điều kiện cụ thể mà áp
dụng cho phù hợp. Ngồi ra cịn cân nhắc giữa vấn đề giá thành và hiệu suất. Hiện nay,
năng lượng mặt trời vẫn còn đang là nguồn năng lượng “xa xỉ”, nhưng trong tương lai
gần nó có thể trở thành nguồn năng lượng chính cung cấp cho tồn thế giới.
Trang 4


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD:Th.S Nguyễn Nhân Bổn

CHƯƠNG 2:CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1.Giới thiệu về hệ thống pin năng lượng mặt trời
Hình dưới đây mô tả hệ thống pin năng lượng mặt trời cung cấp năng lượng cho
tải một chiều

Hình 2.1:Sơ đồ khối của hệ thống pin năng lượng mặt trời
Hệ thống pin năng lượng mặt trời như hình 2.1 trên rất đơn giản và gồm có khối
pin quang điện, một bộ dị tìm cơng suất cực đại và tải DC
Pin mặt trời được ghép nối từ nhiều tế bào quang điện, tế bào quang điện là thiết
bị bán dẫn chứa lớp tiếp giáp p-n,dưới ánh sáng mặt trời có khả năng tạo ra dịng điện
tức là có khả năng chuyển đổi quang năng thành điện năng .Sự chuyển đổi này gọi là
hiệu ứng quang điện.Đặc tuyến ngõ ra của hệ thống pin quang điện phụ thuộc vào
cường độ bức xạ mặt trời, nhiệt độ pin và điện áp ngõ ra của hệ thống.
Hệ pin năng lượng mặt trời nhìn chung được chia làm 2 loại cơ bản
- Hệ Pin năng lượng mặt trời làm việc độc lập
- Hệ Pin năng lượng mặt trời làm việc nối lưới
Hệ thống pin năng lượng mặt trời độc lập thường được sử dụng ở những vùng xa,
miền núi, hải đảo nơi mà lưới điện kéo đến.
Còn trong hệ thống pin năng lượng mặt trời làm việc với lưới, mạng lưới pin
mặt trời được mắc với lưới điện qua bộ biến đổi mà không cần bộ dự trữ năng lượng.
Trong hệ này, bộ biến đổi DC/AC làm việc với lưới phải đồng bộ với lưới điện về tần
số và điện áp.
Trang 5


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD:Th.S Nguyễn Nhân Bổn

Hình 2.2:Sơ đồ khối của hệ pin mặt trời nối lưới
Hình dưới đây mơ tả một hệ thống pin năng lượng mặt trời hoạt động độc lập
cung cấp năng lượng cho tải một chiều, xoay chiều.

Hình 2.3:Sơ đồ khối hệ pin mặt trời làm việc độc lập
2.2.Hệ thống xoay panel theo hướng ánh sáng
Hệ pin quang điện hoạt động đạt được hiệu suất hấp thu năng lượng từ mặt trời
cao nhất khi tấm panel được đặt vng góc với hướng chiếu sáng.Thơng thường người
ta thường đặt panel hướng về đường xích đạo với góc nghiêng tương ứng với vĩ độ tại
nơi lắp đặt. Nhưng để đạt được hiệu suất hấp thụ lớn hơn, ta cần điều khiển tấm panel
xoay theo hướng Đông-Tây phù hợp với hướng chiếu sáng từ Mặt trời.
Hệ thống điều khiển góc xoay hoạt động nhờ vào hai cảm biến quang trở kết hợp
với động cơ và cơ cấu truyền động trên khung đỡ tấm Panel, giúp panel luôn luôn
Trang 6


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD:Th.S Nguyễn Nhân Bổn

hướng về Mặt trời.Nhờ hệ thống xoay tấm panel theo hướng ánh sáng hiệu suất của
pin mặt trời được nâng cao.
2.3.Bộ lưu điện (Accu) và bộ sạc bảo vệ Accu.
2.3.1.Khái niệm Accu.
Accu là loại nguồn điện hóa học,có thể biến đổi điện năng thành hóa năng và
ngược lại biến đổi hóa năng thành điện năng.Qúa trình biến đổi hóa năng thành điện
năng gọi là q trình phóng điện và q trình biến đổi điện năng thành hóa năng gọi là
q trình nạp điện
Accu là nguồn điện một chiều được sử dụng rộng rãi và làm việc dựa trên hiện

tượng điện-hóa học.Accu sản xuất ra phải đảm bảo các tính năng về điện theo qui
định.
-Sức điện động lớn và ít thay đổi khi phóng, nạp điện.
-Accu phải làm việc thuận nghịch nghĩa là hiệu suất gần bằng 100%.
-Điện trở trong nhỏ.
-Dung lượng cho một đơn vị trọng lượng và đơn vị thể tích phải lớn.
-Tự phóng điện.
2.3.2 .Phân loại và cấu tạo của Accu
Nếu điểm qua các loai Accu thì có thể có nhiều cách gọi khác nhau như:Accu
nước, Accu axit: Accu axit kiểu hở,Accu kiểu kín khí, Accu khơng cần bảo dưỡng,
Accu khơ, Accu GEL, Accu kiềm…Trên thực tế thường phân biệt thành 2 loại Accu
thông dụng hiện nay là Accu sử dụng điện mơi axit và Accu sử dụng điện mơi bằng
kiềm.Tuy có hai loại chính như vậy nhưng Accu kiềm có vẻ ít gặp nên đa số trên thị
trường là Accu axit.
Cấu tạo của Ắc-quy gồm hai điện cực khác nhau đặt trong dung dịch điện phân,
có màng ngăn cách. Do điện thế của mỗi điện cực đối với dung dịch khác nhau nên
giữa hai điện cực có hiệu điện thế, nếu nối với mạch ngồi có thể sinh ra dịng điện.

Trang 7


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD:Th.S Nguyễn Nhân Bổn

Hình 2.4:Mơ phỏng 2 bản cực Accu axit
2.3.3. Bộ sạc bảo vệ Accu
Hệ pin quang điện làm việc độc lập cần phải có khâu lưu giữ điện năng để có thể
phục vụ cho tải trong những thời gian thiếu ánh sáng hay vào ban đêm. Có nhiều
phương pháp lưu trữ năng lượng trong hệ pin quang điện, tuy nhiên phổ biến nhất vẫn

là sử dụng Ắc-quy để lưu trữ năng lượng. Ắc-quy là thiết bị điện hóa, tồn trữ năng
lượng dưới dạng hố năng và khi có phụ tải sử dụng đấu nối vào, hố năng được giải
phóng dưới dạng điện năng. Bộ Ắc-quy giúp lưu giữ điện năng chưa sử dụng và sẽ
cung cấp cho bộ biến đổi DC/AC trong trường hợp thời tiết xấu, trời nhiều mây, mưa
không cung cấp đủ ánh sáng. Bộ Ắc-quy cũng đồng thời trực tiếp cung cấp điện một
chiều cho các thiết bị sử dụng điện một chiều.
Ắc-quy là thiết bị lưu trữ năng lượng và có giá trị khá lớn trong toàn bộ hệ thống.
Nhưng Ắc-quy có tuổi thọ khá ngắn đặc biệt là khi dùng và sạc khơng đúng cách, vì
vậy để Ắc-quy hoạt động tốt và có tuổi thọ cao nhất cần có bộ sạc theo tiêu chuẩn và
có thể bảo vệ Ắc-quy tránh quá dòng, quá áp, hoặc đấu ngược cực Ắc-quy.
Hiện nay có khá nhiều phương pháp sạc Ắc-quy, như sạc ở chế độ thả nổi (Float),
phương pháp này có giá thành rẽ, dể lắp đặt, nhưng có thời gian sạc dài và khơng có
khả năng bảo vệ Ắc-quy tránh q dịng cũng như quá áp. Một phương pháp khác là
sạc bằng nguồn dịng ở giai đoạn đầu, sau đó ghim áp ở mức phù hợp với Ắc-quy,
phương pháp này có ưu điểm hơn phương pháp Float vì có thời gian sạc nhanh hơn,
nhưng mạch điện cũng phức tạp hơn. Phương pháp tối ưu nhất hiện nay là phương
pháp sạc 3 giai đoạn, phương pháp này là sự kết hợp giữa hai phương pháp nói trên, nó
có ưu điểm là thời gian sạc rất nhanh và các chức năng bảo vệ Ắc-quy đều được tích
hợp, phương pháp này có rất nhiều ưu điểm nhưng mạch điều khiển khá phức tạp.
Trong mơ hình này, bộ sạc được thiết kế theo phương pháp tốt nhất, đó là phương pháp
Trang 8


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD:Th.S Nguyễn Nhân Bổn

sạc Ắc-quy 3 giai đoạn, với tính chất sạc trong thời gian ngắn, tăng tuổi thọ Ắc-quy và
có các chức năng chống q dịng, quá áp.
2.4. Bộ biến đổi DC/DC

Bộ DC/DC được dùng để xác định điểm làm việc có cơng suất lớn nhất của pin
và làm ổn định nguồn điện một chiều lấy từ pin mặt trời để cung cấp cho tải và ắc quy.
Bộ biến đổi DC/DC cịn có tác dụng điều khiển chế độ nạp và phóng để bảo
vệ và nâng cao tuổi thọ cho ắc quy. Có nhiều loại bộ biến đổi DC/DC được sử dụng
nhưng phổ biến nhất vẫn là 3 loại là: Bộ tăng áp Boost, Bộ giảm áp Buck ,Bộ hỗn hợp
tăng giảm Boost – Buck và bộ biến đổi Cuk. Cả 3 loại DC/DC trên đều sử dụng
nguyên tắc đóng mở khóa điện tử theo một chu kỳ được tính tốn sẵn để đạt được mục
đích sử dụng. Tùy theo mục đích và nhu cầu mà bộ DC/DC được lựa chọn cho thích
hợp.

Hình 2.5:Sơ đồ các bộ biến đổi DC/DC
a:bộ Buck , b:bộ Boost , c:bộ Buck-Boost , d:bộ Cuk
nhận xét:
Với bộ biến đổi Buck, biến đổi điện áp một chiều thành điện áp một chiều thấp
hơn.Bộ Buck được ứng dụng trong các bộ ổn định điện áp thay cho các mạch analog
truyền thống.Công thức biến đổi.
(2.4)
Với sơ đồ biến đổi Boost,biến đổi điện áp một chiều thành điện áp một chiều lớn
hơn,dùng trong các thiết bị nguồn nuôi với công suất nhỏ như mobile,notebook…Công
thức biến đổi.

Trang 9


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD:Th.S Nguyễn Nhân Bổn

(2.5)
Với bộ biển đổi Buck-Boost, biến điện áp một chiều thành điện áp một chiều có

biên độ cao hơn hoặc thấp hơn biện độ điện áp vào.Công thức biển đổi.
(2.6)
Với bộ biển đổi Cuk, biến đổi điện áp một chiều thành điện áp một chiều có biên
độ thấp hơn hoặc lớn hơn điện áp vào.Bộ Cuk cho cơng suất lớn hơn và có khả năng
tận dụng tối đa công suất nguồn.Công thức biển đổi:
(2.7)
Các sơ đồ biến đổi khơng cách li có cơng suất nhỏ phù hợp với mơ hình trong
luận văn nên được sử dụng.
2.4.1.Mạch Buck.
Khóa K trong mạch là những khóa điện tử BJT, MOSFET, hay IGBT. Mạch
Buck có chức năng giảm điện áp đầu vào xuống thành điện áp nạp ắc quy. Khóa
MOSFET được đóng mở với tần số cao. Hệ số làm việc D của khóa được xác định
theo cơng thức sau: D = = Ton x f

Hình 2.6:Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp Buck
Bộ biến đổi Buck hoạt động theo nguyên tắc sau: khi khóa (van) đóng, điện áp
chênh lệch giữa ngõ vào và ngõ ra đặt lên điện cảm, làm dòng điện trong điện cảm
tăng dần theo thời gian. Khi khóa (van) ngắt, điện cảm có khuynh hướng duy trì dịng
điện qua nó sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để diode phân cực thuận. Điện áp đặt vào điện
cảm lúc này ngược dấu với khi khóa (van) đóng, và có độ lớn bằng điện áp ngõ ra
cộng với điện áp rơi trên diode, khiến cho dòng điện qua điện cảm giảm dần theo thời
gian. Tụ điện ngõ ra có giá trị đủ lớn để dao động điện áp tại ngõ ra nằm trong giới hạn
cho phép.
Ở trạng thái xác lập, dòng điện đi qua điện cảm sẽ thay đổi tuần hồn, với giá trị
của dịng điện ở cuối chu kỳ trước bằng với giá trị của dòng điện ở đầu chu kỳ sau. Xét
trường hợp dòng điện tải có giá trị đủ lớn để dịng điện qua điện cảm là liên tục. Vì
điện cảm khơng tiêu thụ năng lượng (điện cảm lý tưởng), hay công suất trung bình trên
Trang 10

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD:Th.S Nguyễn Nhân Bổn

điện cảm là bằng 0, và dịng điện trung bình của điện cảm là khác 0, điện áp rơi trung
bình trên điện cảm phải là 0.
Gọi T là chu kỳ chuyển mạch (switching cycle), T 1 là thời gian đóng khóa (van),
và T2 là thời gian ngắt khóa (van). Như vậy, T = T 1 + T2. Giả sử điện áp rơi trên diode,
và dao động điện áp ngõ ra là khá nhỏ so với giá trị của điện áp ngõ vào và ngõ ra.
Khi đó, điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi đóng khóa (van) là
VL= (T1/T)×(Vin − Vout)

(2.4.1)

Cịn điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi ngắt khóa (van) là
VL= −(T2/T)×Vout

(2.4.2)

Điều kiện điện áp rơi trung bình trên điện cảm bằng 0 có thể được biểu diễn:
(T1/T)×(Vin − Vout) − (T2/T)×Vout = 0 (2.4.3)
hay
(T1/T)×Vin − ((T1 + T2)/T)×Vout = 0 ⇔ (T1/T)×Vin = Vout

(2.4.4)

Giá trị D = T1/T thường được gọi là chu kỳ nhiệm vụ (duty cycle).
Như vậy, Vout = Vin×D.

( 2.4.5)

D thay đổi từ 0 đến 1 (khơng bao gồm các giá trị 0 và 1)
Do đó 0 < Vout < Vin.
Với các bộ biến đổi buck, vấn đề thường được đặt ra như sau: cho biết phạm vi
thay đổi của điện áp ngõ vào Vin, giá trị điện áp ngõ ra Vout, độ dao động điện áp ngõ ra
cho phép, dòng điện tải tối thiểu Iout,min, xác định giá trị của điện cảm, tụ điện, tần số
chuyển mạch và phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ, để đảm bảo ổn định được điện
áp ngõ ra.
Phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào và giá trị điện áp ngõ ra xác định phạm vi
thay đổi của chu kỳ công tác D:
Dmin = Vout/Vin,max, và Dmax = Vout/Vin,min.

(2.4.6)

Thông thường, các bộ biến đổi Buck chỉ nên làm việc ở chế độ dòng điện liên tục
qua điện cảm. Tại biên của chế độ dòng điện liên tục và gián đoạn, độ thay đổi dòng
điện sẽ bằng 2 lần dòng điện tải. Như vậy, độ thay đổi dòng điện cho phép bằng 2 lần
dòng điện tải tối thiểu. Điện cảm phải đủ lớn để giới hạn độ thay đổi dòng điện ở giá
trị này trong điều kiện xấu nhất, tức là khi D = D min (vì thời gian giảm dòng điện là T 2,
với điện áp rơi không thay đổi là Vout). Một cách cụ thể, chúng ta có đẳng thức sau:
(1 − Dmin)×T×Vout = Lmin×2×Iout,min (2.4.7)
Trang 11


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD:Th.S Nguyễn Nhân Bổn

Hai thông số cần được lựa chọn ở đây là L min và T. Nếu chúng ta chọn tần số
chuyển mạch nhỏ, tức là T lớn (T = 1/f, f là tần số chuyển mạch), thì L min cũng cần

phải lớn.
Thành phần xoay chiều của dòng điện qua điện cảm sẽ đi qua tụ điện ngõ ra. Với
dịng điện qua điện cảm có dạng tam giác, điện áp trên tụ điện ngõ ra sẽ là các đoạn đa
thức bậc hai nối với nhau (xét trong một chu kỳ chuyển mạch). Lượng điện tích được
nạp vào tụ điện khi dòng điện qua điện cảm lớn hơn dịng điện trung bình sẽ là
ΔI×T/8. Nếu biểu diễn theo điện dung và điện áp trên tụ điện thì lượng điện tích này
bằng C×ΔV. Trong đó, ΔI là biên độ của thành phần xoay chiều của dòng điện qua
điện cảm, còn ΔV là độ thay đổi điện áp trên tụ khi nạp (cũng như khi xả, xét ở trạng
thái xác lập). Như vậy, chúng ta có thể xác định giá trị của tụ điện dựa vào đẳng thức
sau:
ΔI×T/8 = C×ΔV
ΔI đã được xác định ở trên, bằng 2 lần dòng điện tải tối thiểu, và T đã được chọn
ở bước trước đó. Tùy theo giá trị độ dao động điện áp ngõ ra cho phép ΔV mà chúng ta
chọn giá trị C cho thích hợp.
Dạng sóng điện áp và dòng điện mạch Buck

Trang 12


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD:Th.S Nguyễn Nhân Bổn

Hình 2.7:Dạng sóng điện áp và dòng điện mạch Buck
Trong 3 loại bộ biến đổi DC/DC trên, bộ Buck được sử dụng nhiều trong hệ
thống pin mặt trời nhất vì nhiều ưu điểm phù hợp với các đặc điểm của hệ pin mặt trời.
2.4.2. Mạch Boost
Bộ biến đổi Boost hoạt động theo nguyên tắc sau: khi khóa (van) đóng, điện áp
ngõ vào đặt lên điện cảm, làm dòng điện trong điện cảm tăng dần theo thời gian. Khi
khóa (van) ngắt, điện cảm có khuynh hướng duy trì dịng điện qua nó sẽ tạo điện áp

cảm ứng đủ để diode phân cực thuận. Ở điều kiện làm việc bình thường, điện áp ngõ ra
có giá trị lớn hơn điện áp ngõ vào, do đó điện áp đặt vào điện cảm lúc này ngược dấu
với khóa (van) đóng, và có độ lớn bằng chênh lệch giữa điện áp ngõ ra và điện áp ngõ
vào, cộng với điện áp rơi trên diode. Dòng điện qua điện cảm lúc này giảm dần theo
thời gian. Tụ điện ngõ ra có giá trị đủ lớn để dao động điện áp tại ngõ ra nằm trong
giới hạn cho phép.

Trang 13