(Đồ án hcmute) thiết kế hệ thống bám cho modul pin năng lượng mặt trời

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG

THIẾT KẾ HỆ THỐNG BÁM CHO MODUL
PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

GVHD: TS. NGUYỄN MINH TÂM
SVTH: NGUYỄN VĂN SƠN
MSSV: 11141176
SVTH: LÊ VĂN TUYỂN
MSSV: 10101163

SKL 0 0 4 1 9 0

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 2/2016

do an


PHẦN A

GIỚI THIỆU

i

do an

TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT
TP. HỒ CHÍ MINH

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

Tp. HCM, ngày 10 tháng 10 năm 2015

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên:

Nguyễn Văn Sơn

MSSV: 11141176

Lớp: 1114DT1D

Lê Văn Tuyể n

MSSV: 10101163

Lớp: 101011A

Chuyên ngành:

Kỹ thuật Điện – Điện tử

Mã ngành:

Hệ đào tạo:

Đại học chính quy

Khóa:

2011

I. TÊN ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ HỆ THỐNG BÁM CHO MODUL PIN NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI

141

II. NHIỆM VỤ
1. Các số liệu ban đầu:
Tìm hiểu về pin năng lượng mặt trời.
Tìm hiểu về lập trình PIC.
Tìm hiểu về một số ma ̣ch điện tử liên quan đế n nguồ n pin năng lượng mă ̣t
trời.
2. Nợi dung thực hiện:
- Tìm hiểu về pin năng lượng mặt trời.
- Thiết kế mạch điều khiển bám.
- Thiết kế mạch cấp nguồn cho hệ thống hoạt động.
- Tìm hiểu về bợ tích trữ điện.
- Tìm hiểu về các sự cố liên quan đến pin mặt trời, bộ tích trự điện.
- Tính tốn, thiết bợ bợ nghịch lưu để sử dụng nguồn điện tích trữ được với

các thiết bị điện xoay chiều.
- Tính tốn, thiết kế mơ hình chiếu sáng tiết kiệm điện cho đường vào 2 khu
C,D.
- Lắp ráp hồn thành mơ hình.
- Điều khiển thử nghiệm hệ thống.
- Chỉnh sửa các lỗi điều khiển, thiết kế…
- Viết báo cáo luận văn.
- Báo cáo đề tài tốt nghiệp.
-

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

10/10/2015

ii

do an


IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 23/01/2016
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

TS. Nguyễn Minh Tâm

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

TS. NGUYỄN MINH TÂM

iii

do an


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT TPHCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Khoa Điện - Điện Tử

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Bộ Mơn Điện Tử Cơng Nghiệp
Tp. Hồ Chí Minh, ngày....tháng.... năm 2015

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên: Nguyễn Văn Sơn
Lê Văn Tuyể n
Tên đề tài:

Tuần/ngày

Lớp: 11141DT1D

MSSV: 11141176

Lớp: 101011A

MSSV: 10101163

THIẾT KẾ HỆ THỐNG BÁM CHO MODUL PIN NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI

Nội dung

Xác nhận GVHD

GV HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)

iv

do an


LỜI NÓI ĐẦU
Nhân loại đang sống trong thế kỷ 21 – kỷ nguyên của sự phát triển vượt bậc về
khoa học công nghệ và ứng dụng các thành quả công nghệ mới. Đồng hành cùng sự phát
triển này là sự tiêu tốn các nguồn năng lượng không tái tạo là dầu mỏ, than đá, điện
năng…
Bên cạnh sự phát triển mạnh mẽ đó nhân loại cũng đang phải đối mặt với nhiểu
nguy cơ do sự phát triển đó mang lại như hiệu ứng nhà kính, ơ nhiễm mơi trường, thiên
tai, địch họa… Theo ước tính của Liên Hợp Quốc thì trong vịng mợt trăm năm qua nhân
loại đã sử dụng 30% tổng trữ lượng dầu mỏ mà thế giới có được và dự báo trong vịng
30% năm tiếp theo thì nhu cầu này sẽ tăng lên gấp ba (số liệu tính đến tháng 5 năm
2008), tuy nhiên đối với mỗi quốc gia và vùng lãnh thổ thì nhu cầu về năng lượng thì
khơng thể khơng có và nó là điều kiện tiên quyết cho sự phát triển của bản thân quốc gia
đó, đặc biệt là đối với các quốc gia đang phát triển. Vì thế, ý thức về việc sử dụng năng
lượng hợp lý, tiết kiệm đã dần trở thành nhu cầu ở mỗi quốc gia và đòi hỏi các quốc gia

phải có những biện pháp tích cực để sử dụng năng lượng hợp lý nhất.
Để làm được việc này, thì bên cạnh việc sử dụng và quản lý nhu cầu năng lượng
hợp lý thì việc nghiên cứu, phát triển, ứng dụng và sử dụng các nguồn năng lượng mới
như năng lượng hạt nhân, năng lượng gió, năng lượng Mặt Trời…là vơ cùng bức thiết
bởi sự dồi dào, sẵn có và đặc biệt là không gây ô nhiễm môi trường của các nguồn năng
lượng này.

v

do an


LỜI CÁM ƠN
Qua một thời gian nghiên cứu và thực hiện, đồ án tốt nghiệp với đề tài: “THIẾT
KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BÁM CHO MODULE PIN NĂNG LƯỢNG MẶT
TRỜI” do giảng viên –TS. Nguyễn Minh Tâm hướng dẫn đã được hoàn thiện. Trong
suốt thời gian nghiên cứu và theo đuổi đề tài, chúng em đã gặp một số vướng mắc nhất
định và đã nhận được nhiều sự giúp đỡ nhiệt thành và quý báu...
Trước tiên, cho phép chúng em gửi lời cảm ơn sâu sắc tới giảng viên
TS. Nguyễn Minh Tâm đã tin tưởng giao đồ án, chỉ đạo và hướng dẫn tận tình trong
suốt quá trình thực hiện đề tài.
Chúng em cũng xin được gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo trong khoa Điện –
Điện Tử, các bạn lớp 1114DT1D đã đợng viên, góp ý, tạo điều kiện thuận lợi nhất giúp
cho chúng em được hoàn thành đề tài đúng tiến độ được giao.
Cảm ơn gia đình, cha mẹ đã là nguồn đợng viên to lớn về vật chất và tinh thần
trong suốt thời gian học hành, để có được tương lai, theo đuổi ước mơ và sự nghiệp.
Đây là một đề tài mới ở Việt Nam trong khi năng lực của nhóm cịn hạn chế nên
việc tìm thêm nhiều tài liệu làm giàu cho đồ án cịn thiếu sót. Chúng em rất mong nhận
được nhiều hơn nữa ý kiến phê bình của các thầy cơ giáo, sự chia sẻ tài liệu của các bạn
sinh viên để chúng em có thể hồn thiện hơn kiến thức của mình.

Chúng em xin chân thành cảm ơn.

vi

do an


MỤC LỤC
Nô ̣i Dung
Trang
PHẦN A .......................................................................................................................... i
GIỚI THIỆU .................................................................................................................... i
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP .............................................................................. ii
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP .................................................... iv
LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................................v
LỜI CÁM ƠN ................................................................................................................ vi
MỤC LỤC .................................................................................................................... vii
DANH SÁNH HÌ NH .......................................................................................................x
DANH MỤC BẢNG .................................................................................................... xii
PHẦN B ...........................................................................................................................1
NỘI DUNG......................................................................................................................1
Chương 1: ........................................................................................................................2
Dẫn nhập ..........................................................................................................................2

1.1

ĐẶT VẤN ĐỀ ........................................................................................ 3

1.2

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI ......................................................................... 3

1.3

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .................................................................. 4

1.4

GIỚI HẠN .............................................................................................. 4

1.5

BỐ CỤC ĐỀ TÀI ................................................................................... 4

Chương 2: ........................................................................................................................5
Cơ sở lý thuyế t .................................................................................................................5

NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI .. 6

2.1

Năng lươ ̣ng mă ̣t trời ....................................................................................6

2.1.1

Cấ u trúc mă ̣t trời ......................................................................................6
Năng lượng mặt trời ................................................................................7
Phổ bức xạ mặt trời .................................................................................7
Phổ bức xạ của năng lượng mặt trời ........................................................9
Pin năng lươ ̣ng mă ̣t trời.............................................................................10

2.1.2

Cơ sở pin năng lượng mặt trời ...............................................................11
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động ............................................................12
2.1.2.2.1 Cấu tạo .........................................................................................12
vii

do an


2.1.2.2.2 Nguyên lý hoạt động ....................................................................12
2.1.2.2.3 Sơ đồ tương đương và các đặc trưng quang điện.........................13
2.1.2.2.4 Hệ thống nguồn pin năng lương mặt trời .....................................14
Vi điề u khiể n 16F877A .............................................................................16

2.1.3

Giới thiê ̣u về vi điề u khiể n PIC .............................................................16
Các dòng PIC và cách lựa cho ̣n vi điề u khiể n PIC ...............................16
Sơ đồ chân vi điề u khiể n PIC16F877A .................................................17
Mô ̣t vài thông số về vi điề u khiể n PIC16F877A ...................................17
Sơ đồ khố i vi điề u khiể n PIC16F877A .................................................18
Tổ chức bô ̣ nhớ ......................................................................................18
Các cổ ng xuấ t nhâ ̣p PIC16F877A .........................................................22
Các bô ̣ đinh thời ....................................................................................24
Bộ chuyển đổi ADC ..............................................................................26
Bộ so sánh COMPARATOR ...............................................................27
Bô ̣ tić h trữ năng lươ ̣ng (ắ c quy) ................................................................27
Quá triǹ h hóa ho ̣c trong Ắc quy Chi/̀ Acid ............................................28

2.1.4

2.1.5

Các sự cố thường gặp ở ắc quy và cách khắc phục ...............................28
Phầ n mề m lâ ̣p triǹ h CCS ...........................................................................29
Giới thiê ̣u ...............................................................................................29
Ta ̣o PROJECT đầ u tiên trong CCS .......................................................30
Ta ̣o PROJECT sử du ̣ng PIC Wizard .....................................................30
Đô ̣ng cơ bước 6 dây ..................................................................................36

2.1.6

Chương 3: ......................................................................................................................37
Thiế t kế hê ̣ thố ng ...........................................................................................................37

3.1

ĐẶT VẤN ĐỀ ...................................................................................... 38

3.2

Ý TƯỞNG THIẾT KẾ VÀ THIẾT BI ̣HIỆN CÓ ............................... 38

3.2.1

Ý tưởng thiế t kế .........................................................................................38

3.2.2

Thiế t bi ̣hiê ̣n có..........................................................................................39

3.3

SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG .................................................................. 40

3.4

THIẾT KẾ MẠCH CẤP NG̀N CHO HỆ THỚNG ........................ 40

3.4.1

Bơ ̣ điề u khiể n na ̣p cho ắ c quy ...................................................................41

3.4.2

Bô ̣ nghich
̣ lưu áp .......................................................................................42

viii

do an


3.4.3

Ma ̣ch PIC điề u khiể n đô ̣ng cơ bước ..........................................................46

3.4.4

Ma ̣ch điề u khiể n đô ̣ng cơ bước .................................................................46

3.4.5

Lưu đồ giải thuâ ̣t điề u khiể n .....................................................................47

Chương 4: ......................................................................................................................48
Kế t quả ...........................................................................................................................48

4.1

KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC PHẦN LÝ THUYẾT ................................... 49

4.2

KẾT QUẢ ĐẶT ĐƯỢC PHẦN THỰC HÀNH .................................. 49

Chương 5: ......................................................................................................................54
Kế t luâ ̣n, hướng phát triể n .............................................................................................54

5.1

KẾT LUẬN .......................................................................................... 55

5.2

HƯỚNG PHÁT TRIỂN ....................................................................... 56

PHẦN C .........................................................................................................................57

PHỤ LỤC ......................................................................................................................57

ix

do an


DANH SÁNH HÌ NH
Hin
̀ h 2.1: Cấ u trúc mă ̣t trời. ............................................................................................6
Hình 2.2: Phổ bức xạ mặt trời. .......................................................................................8
Hình 2.3: Hệ hai mức năng lượng điện tử. ...................................................................11
Hin
̀ h 2.4: Cấ u ta ̣o và nguyên lý hoa ̣t đơ ̣ng của pin năng lươ ̣ng mă ̣t trời......................13
Hình 2.5: Sơ đồ tương đương, đường đặc trưng sáng của pin mặt trời. .......................14
Hình 2.6: Sơ đồ khối hệ thống nguồn điện pin Mặt Trời. .............................................15
Hin
̀ h 2.7: sơ đồ chân vi điề u khiể n PIC16F877A.........................................................17
Hin
̀ h 2.8: Sơ đồ khố i vi điề u khiể n PIC16F877A. .......................................................18
Hin
̀ h 2.9: Bô ̣ nhớ chương trình PIC 16F877A. ............................................................19
Hin
̀ h 2.10: Bô ̣ nhớ dữ liê ̣u. ...........................................................................................20
Hin
̀ h 2.11: Sơ đồ khố i Timer0. .....................................................................................24
Hin
̀ h 2.12: Sơ đồ khố i Timer1. .....................................................................................25
Hin
̀ h 2.13: Phầ n mề m lâ ̣p trình CCS. ...........................................................................29

Hin
̀ h 2.14: Ta ̣o Project sử du ̣ng Winzard. ....................................................................30
Hin
̀ h 2.15: Cửa sổ Save As. ..........................................................................................31
Hin
̀ h 2.16: Tab General. ...............................................................................................32
Hin
̀ h 2.17: Tab Communiications. ...............................................................................33
Hin
̀ h 2.18: Tab SPI và LCD. ........................................................................................34
Hin
̀ h 2.19: Tab Timer. ..................................................................................................34
Hin
̀ h 2.20: Tab Analog. ................................................................................................35
Hin
̀ h 2.21: Đô ̣ng cơ bước 6 dây. ..................................................................................36
Hin
̀ h 3.1: Pin mă ̣t trời AD12 – 18 – P. .........................................................................39
Hin
̀ h 3.2: Sơ đồ khố i hê ̣ thố ng. .....................................................................................40
Hin
̀ h 3.3: Sơ đồ nguyên lý ma ̣ch nguồ n. ......................................................................41
Hin
̀ h 3.4: Sơ đồ nguyên lý ma ̣ch sa ̣c ắ c quy. ...............................................................42
Hin
̣ lưu áp. ........................................................................43
̀ h 3.5: Sơ đồ khố i bô ̣ nghich
Hin
̣ lưu áp. ..........................................................44
̀ h 3.6: Sơ đồ nguyên lý ma ̣ch nghich

Hin
̣ lưu. ..........................................................45
̀ h 3.7: Da ̣ng sóng ngõ ra biế n áp nghich
Hin
̀ h 3.8: Sơ đồ nguyên lý ma ̣ch PIC điề u khiể n đô ̣ng cơ. ..........................................46
Hin
̀ h 3.9: Sơ đồ nguyên lý ma ̣ch điề u khiể n đô ̣ng cơ. .................................................46
Hin
̀ h 3.10: Lưu đồ giải thuâ ̣t điề u khiể n đô ̣ng cơ. ........................................................47
x

do an


Hin
̀ h 4.1: Sơ đồ ma ̣ch in ma ̣ch nguồ n. .........................................................................49
Hin
̀ h 4.2: Sơ đồ ma ̣ch na ̣p ắ c quy. ................................................................................49
Hin
̀ h 4.3: Ma ̣ch na ̣p khi hoàn thành. ............................................................................50
Hin
̣ lưu áp. ............................................................50
̀ h 4.4: Sơ đồ ma ̣ch in ma ̣ch nghich
Hin
̣ lưu áp khi hoàn thành. ............................................................51
̀ h 4.5: Ma ̣ch nghich
Hin
̀ h 4.6: Sơ đồ ma ̣ch in ma ̣ch PIC điề u khiể n đô ̣ng cơ. .............................................51
Hin
̀ h 4.7: Ma ̣ch PIC điề u khiể n đô ̣ng cơ khi hoàn thành. ............................................52

Hin
̀ h 4.8: Sơ đồ ma ̣ch in ma ̣ch điề u khiể n đô ̣ng cơ......................................................52
Hin
̀ h 4.9: Ma ̣ch in ma ̣ch điề u khiể n đô ̣ng cơ khi hoàn thành. ......................................53

xi

do an


DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1.3a: phân bố phổ bức xạ Mặt Trời theo bước sóng. .........................................8
Bảng 2.1.3b: màu sắc và ánh sang của bức xạ Mặt Trời. ...............................................9
Bảng 3.1: Thông số pin năng lươ ̣ng mă ̣t trời AD12 – 18 – P. ......................................39

xii

do an


PHẦN B

NÔỊ DUNG

1

do an

Đồ án tốt nghiê ̣p

Chương 1:

Dẫn nhập

2

do an


Đồ án tốt nghiê ̣p
ĐẶT VẤN ĐỀ
Nhân loại đang sống trong thế kỷ thứ 21- kỷ nguyên của sự phát triển vượt bậc về
khoa học công nghệ và ứng dụng các thành quả công nghệ mới. Đồng hành cùng sự phát
triển này là sự tiêu tốn các nguồn năng lượng không tái tạo là dầu mỏ, than đá, điện
năng...
1.1

Bên cạnh sự phát triển mạnh mẽ đó nhân loại cũng đang phải đối mặt với nhiều
nguy cơ do sự phát triển đó mang lại như hiệu ứng nhà kính, ơ nhiễm mơi trường, thiên
tai, địch hoạ...Theo ước tính của Liên Hợp Quốc thì trong vịng mợt trăm năm qua nhân
loại đã sử dụng khoảng 30% tổng trữ lượng dầu mỏ mà thế giới có được và dự báo trong
vịng 30 năm tiếp theo thì nhu cầu này sẽ tăng lên gấp ba(số liệu tính đến tháng 5 năm
2008), tuy nhiên đối với mỗi quốc gia và vùng lãnh thổ thì nhu cầu về năng lượng là
khơng thể khơng có và nó là điều kiện tiên quyết cho sự phát triển của bản thân quốc gia
đó, đặc biệt là đối với các quốc gia đang phát triển. Vì thế, ý thức về việc sử dụng năng
lượng hợp lý, tiết kiệm đã dần trở thành nhu cầu ở mỗi quốc gia và đòi hỏi các quốc gia
phải có những biện pháp tích cực để sử dụng năng lượng được hợp lý nhất ?
Để có thể làm được việc này, thì bên cạnh việc sử dụng và quản lý nhu cầu năng

lượng hợp lý thì việc nghiên cứu, phát triển, ứng dụng và sử dụng các nguồn năng lượng
mới như năng lượng hạt nhân, năng lượng gió, năng lượng Mặt Trời...là vơ cùng bức
thiết bởi sự dồi dào, sẵn có và đặc biệt là không gây ô nhiễm môi trường của các nguồn
năng lượng này.
LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Đối với năng lượng Mặt Trời nói riêng thì nhân loại đã nghiên cứu và ứng dụng nó
từ những năm 40 của thế kỷ trước để chế tạo các Pin Mặt Trời cung cấp năng lượng cho
các vệ tinh nhân tạo. Tuy nhiên phải đến những năm 70, sau cuộc khủng hoảng dầu lửa
đầu tiên trên thế giới thì việc nghiên cứu, phát triển và ứng dụng Pin năng lượng Mặt
Trời mới được quan tâm thực sự và đã phát triển mạnh mẽ từ đó đến nay. Ở các nước
phát triển như Đức, Mỹ, Nhật Bản...thì việc sử dụng năng lượng Mặt Trời thay cho các
nguồn năng lượng khác đã trở nên phổ biến và nhận được nhiều sự ủng hợ. Cịn với các
nước nghèo hoặc đang phát triển thì việc nghiên cứu, sử dụng các nguồn năng lượng
này mới chỉ đạt được các kết quả ban đầu, bởi chi phí ban đầu của mợt “HỆ THỐNG
NĂNG LƯỢNG MỚI” là khá lớn và để có thể thay đổi được thói quen sinh hoạt của
người dân thì cịn phụ tḥc vào nhiều yếu tố...
1.2

Riêng ở Việt Nam, các hoạt động nghiên cứu, ứng dụng và sử dụng các nguồn năng
lượng mới và năng lượng tái tạo nói chung cũng như năng lượng Mặt Trời nói riêng
trong những năm gần đây được triển khai khá mạnh mẽ. Tuy nhiên chưa được sâu rộng
và mới chỉ dừng ở quy mơ các dự án giành cho người nghèo được chính phủ và các tổ
chức nước ngồi tài trợ, cịn đối với đại đa số người dân thì vẫn khơng muốn sử dụng
nguồn năng lượng này do chưa nhận thức được ích lợi của nó cũng như giá thành chi
phí ban đầu là quá cao trong khi thu nhập bình quân của người dân lại ở mức thấp? Vì

CHƯƠNG 1: DẪN NHẬP

3

do an


Đồ án tốt nghiê ̣p
vậy việc nghiên cứu, triển khai cho sinh viên tiếp cận đối với các hệ thống ứng dụng các
nguồn năng lượng mới là việc cần được sớm thực hiện.
Vì những lý do trên, nhóm sinh viên quyết định thực hiện đề tài “thiết kế hệ thống
bám cho modul pin năng lượng mặt trời”.
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Nhóm sinh viên thiết kế và thi cơng mơ hình hệ thống bám cho modul pin năng
lượng mặt trời làm sao cho tấm pin ln vng góc với ánh sáng mặt trời nhằm mục
đích đạt được hiệu suất cao nhất. Năng lượng thu được sẽ được tích trữ sử dụng với mục
đích khác như ứng dụng làm hệ thống chiếu sáng trên đường đi vào các khu C,D ở
trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM.
1.3

1.4




1.5

GIỚI HẠN
Tìm hiểu về năng lượng mặt trời.
Tìm hiểu về pin năng lượng mặt trời.
Tìm hiểu, thiết kế mạch điều khiển bám cho pin mặt trời.
Thiết kế các mạch mơ hình sử dụng nguồn năng lượng thu được từ pin năng lượng
mặt trời vào các mục đích khác nhau trong cuộc sống.
BỐ CỤC ĐỀ TÀI

CHƯƠNG 1: Dẫn nhập.
CHƯƠNG 2: Cơ sở lý thuyế t.
CHƯƠNG 3: Thiế t kế hê ̣ thố ng.
CHƯƠNG 4: Kế t quả.
CHƯƠNG 5: Kế t luận và hướng phát triể n.

CHƯƠNG 1: DẪN NHẬP

4

do an


Đồ án tốt nghiê ̣p

Chương 2:

Cơ sở lý thuyết

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

do an

5


Đồ án tốt nghiê ̣p
2.1
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
2.1.1 Năng lươ ̣ng mă ̣t trời

Năng lượng Mặt Trời là một trong các nguồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất
mà thiên nhiên ban tặng cho hành tinh chúng ta. Đồng thời nó cũng là nguồn gốc của
các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, năng lượng các dịng sơng…
Năng lượng mặt trời có thể nói là vơ tận. Tuy nhiên để khai thác, sử dụng nguồn năng
lượng này cần phải biết các đặc trưng và tính chất cơ bản của nó, đặc biệt khi tới bề mặt
Trái Đất.
Cấ u trúc mă ̣t trời
Có thể xem mặt trời là mợt quả cầu khí cách quả đất 1,495.108 km. Từ Trái Đất
chúng ta nhìn mặt trời dưới mợt góc mở là 31’59. từ đó có thể tính được bán kính của
Mặt Trời là R=1,4.106km, tức là bằng 109 lần đường kính Trái Đất và do đó thể tích của
Mặt Trời cũng lớn hơn thể tích của Trái Đất khoảng 130.104 lần. Từ định luật Vạn Vật
Hấp Dẫn người ta cũng tính được khối lượng của mặt trời là 1,989.1027 tấn, lớn hơn khối
lượng của Trái Đất là 33.1014 lần. Mật đợ trung bình của mặt trời là 1,4 g/cm3, lớn hơn
khối lượng riêng của nước khoảng 50%. Tuy nhiên mật độ ở các lớp vỏ khác nhau của
Mặt Trời rất khác nhau, ở phần lõi do bị nén với áp suất cao nên mật đợ có thể lên đến
160g/cm3 nhưng càng xa ra phía ngồi thì mật đợ càng giảm và giảm rất nhanh.
Mợt cách khái quát ta có thể chia mặt trời thành hai phần chính là phần phía trong
và phần khí quyển bên ngồi:
-

Phần khí quyển bên ngồi lại chia thành ba miền khác nhau là Quang cầu,
Sắc cầu và Nhật miện.
Phần bên trong được chia thành ba lớp là tầng đối lưu, tầng trung gian, lõi
Mặt Trời.

Hin
̀ h 2.1: Cấ u trúc mă ̣t trời.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

do an

6


Đờ án tốt nghiê ̣p
Từ mặt đất nhìn lên, ta có cảm giác Mặt Trời là mợt quả cầu lửa ổn định. Thực
ra đó là mợt khối khí khổng lồ, bên trong nó ln ln có sự vận đợng mạnh mẽ khơng
ngừng, đó là các phản ứng nhiệt hạch vơ cùng lớn, sự ẩn hiện của các đám đen, sự biến
đổi của các quầng sáng và sự bùng phát dữ dội của khu vực xung quanh các đám đen là
các bằng chứng về sự vận đợng khơng ngừng trong lịng Mặt Trời. Ngồi ra, bằng kính
thiên văn có thể quan sát được cấu trúc hạt, vật thể hình kim, hiện tượng phụt khói, phát
xung sáng...ln ln thay đổi và rất dữ dợi.
Về mặt vật chất thì Mặt Trời chứa đến 78,4% khí hydro(H2), Heli(He) chiếm
19,8%, các nguyên tố khác chiếm 1,8 %. Năng lượng mặt trời do bức xạ là khổng lồ,
mỗi dây nó phát ra 3,865.1026J tương đương với năng lượng đốt cháy hết 1,32.1016 tấn
than đá tiêu chuẩn. Tuy vậy nhưng bề mặt của Trái Đất chỉ nhận được một năng lượng
rất nhỏ khoảng 17,57.1016J tương đương 6.106 tấn than đá.
Năng lượng mặt trời
Năng lượng Mặt Trời được sử dụng trên Trái Đất dưới nhiều dạng khác nhau và
hình thức khác nhau. Thực tế hiện nay, chúng ta sử dụng năng lượng Mặt Trời để cấp
nhiệt và điện:
-

Năng lượng mặt trời dưới dạng nhiệt: sinh nhiệt, giữ nhiệt...
Năng lượng mặt trời dưới dạng điện: tạo ra điện năng…

Năng lượng Mặt Trời được xác định là sản phẩm của các phản ứng nhiệt hạt nhân.
Theo thuyết tương đối của Einstein và qua phản ứng nhiệt hạch, khối lượng có thể
chuyển thành năng lượng. Nhiệt đợ mặt ngồi của Mặt Trời khoảng 6000K(đợ Kenvin),

cịn ở bên trong nhiệt đợ có thể lên đến hàng triệu độ. áp suất bên trong Mặt Trời lớn
hơn 340.108 MPa. Do nhiệt độ và áp suất bên trong Mặt Trời cao như vậy nên vật chất
đã nhanh chóng bị ion hố và chuyển đợng với năng lượng rất lớn, chúng va chạm vào
nhau và gây ra hàng loạt các phản ứng hạt nhân. Người ta đã xác định nguồn năng lượng
Mặt Trời chủ yếu do hai loại phản ứng hạt nhân gây ra; đó là các phản ứng tuần hoàn
giữa các hạt nhân Cacbon và Nitơ(C – N) và phản ứng hạt nhân proton – proton.
Mặt trời là Nguồn năng lượng vô tận mà thiên nhiên ban tặng cho con người, hiện
hữu khắp nơi trên Trái Đất và là người bạn thân thiết của môi trường. Vượt trên tất cả
các dạng năng lượng khác, hiện nay năng lượng mặt trời đang được chọn là nguồn năng
lượng tốt nhất cho tương lai.
Phổ bức xạ mặt trời
Bức xạ Mặt Trời có bản chất là sóng điện từ, là q trình chuyển các dao đợng
điện từ trường trong khơng gian. Trong q trình truyền sóng, các vecteur cường đợ điện
trường và cường đợ từ trường ln vng góc với nhau và vng góc với phương truyền
của sóng điện từ. Quãng đường mà sóng điện từ truyền được sau mợt chu kỳ dao đợng
gọi là bước sóng  .
Trong chân khơng, vận tốc truyền sóng của sóng điện từ đúng bằng tốc đợ của
ánh sáng 3.108m/s. Cịn trong mơi trường vật chất, vận tốc truyền của sóng nhỏ hơn và
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

do an

7


Đờ án tốt nghiê ̣p
bằng v=c/n, trong đó c là vận tốc ánh sáng, n là chiết suất tuyệt đối của mơi trường(n≤1).
Các sóng điện từ có bước sóng trải dài trong một phạm vi rất rộng từ 10-7nm đến hàng
nghìn km.

Hình 2.2: Phổ bức xạ mặt trời.
Ánh sáng nhìn thấy có bước sóng từ 0,4nm đến gần 0,8nm, chỉ chiếm mợt phần
rất nhỏ trong phổ sóng điện từ của bức xạ Mặt Trời. Cần chú ý rằng, mặc dù có cùng
bản chất là sóng điện từ nhưng các loại sóng điện từ có bước sóng khác nhau thì gây ra
các tác dụng lý, hố, sinh khác nhau. Nói riêng trong vùng phổ nhìn thấy được, sự khác
nhau về bước sóng gây cho ta cảm giác và màu sắc khác nhau của ánh sáng. Khi đi từ
bước sóng dài  =0,8nm đến bước sóng ngắn  =0,4nm ta nhận thấy màu sắc của ánh
sáng thay đổi liên tục từ đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím. Mắt người nhạy nhất đối
với ánh sáng màu vàng có bước sóng  =580nm. Sự phân bố năng lượng đối với các
bước sóng khác nhau cũng khác nhau.
Bảng 2.1.3a sau đây sẽ cho chúng ta thấy quan hệ giữa mật độ năng lượng của
bức xạ điện từ phụ tḥc vào bước sóng của nó, còn bảng 2.1.3b là mối quan hệ giữa
màu sắc ánh sáng và bước sóng của nó.
Bảng 2.1.3a: phân bố phổ bức xạ Mặt Trời theo bước sóng.
Quang phổ
Bước sóng
Mật đợ năng lượng
Tỷ lệ(%)
(W/m2)
Tia vũ trụ

< 0,1nm

6,978.10-5

Tia X

0,1nm

6,978.10-7

0,7

Tia tử ngoại C

0,2 ÷ 0,28nm

7,864.106

1,55

Tia tử ngoại B

0,28 ÷ 0,32nm

2,122.101

5,90

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

do an

8


Đờ án tốt nghiê ̣p
Tia tử ngoại A

0,32 ÷ 0,4nm

8,073.101

Tia nhìn thấy

0,4 ÷ 0,52nm

2,240.102

16,39

0,52 ÷ 0,62nm

1,827.102

13,36

0,62 ÷ 0,78nm

2,280.102

16,68

0,78 ÷ 1,4nm

4,125.102

30,18

1,4 ÷ 3,00nm

1,836.102

13,43

3,0 ÷ 100,0nm

2,637.101

1,93

Tia hồng ngoại

0,1 ÷ 10,0cm
Sóng vơ tuyến

10,0 ÷ 100,0cm
1,0 ÷ 20m

Từ bảng trên ta thấy rằng mật độ năng lượng bức xạ Mặt Trời chủ yếu phân bố
trong dải bước sóng từ  =0,2nm (Tử ngoại C, mật độ 0,57%) đến  =0,3nm (Hồng
ngoại, mật độ năng lượng 1,93%), cịn ngồi vùng đó mật đợ năng lượng không đáng
kể.
Bảng 2.1.3b: màu sắc và ánh sang của bức xạ Mặt Trời.
Màu sắc
Bước sóng(nm)
Vùng sóng(nm)
Đỏ
Cam
Vàng

Xanh
Lam
Tím

700
620
580
510
470
420

640 ÷ 760
600 ÷ 640
550 ÷ 600
480 ÷ 550
450 ÷ 480
400 ÷ 450

Phổ bức xạ của năng lượng mặt trời
Trái Đất bị bao bọc bởi mợt tầng khí quyển có chiều dày H khoảng 7991 km, bao
gồm các phần tử khí, hơi nước, các hạt bụi, các hạt chất lỏng, chất rắn và các đám mây,..
Vì vậy khi bức xạ Mặt Trời xuyên qua lớp khí quyển đến mặt đất thì năng lượng và phổ
của nó bị thay đổi rất nhiều.
Ở bên ngồi lớp khí quyển Trái Đất, năng lượng bức xạ Mặt Trời có giá trị là
1353W/m2( là hằng số) và gọi là hằng số Mặt Trời. Phổ của bức xạ Mặt Trời là mợt
đường cong liên tục có năng lượng chủ yếu nằm trong vùng có bước sóng trong khoảng
0,1nm đến 0,3nm. Khi các tia Mặt Trời xuyên vào khí quyển để đến Trái Đất, gặp các
phần tử khí, hơi nước, các hạt bụi,.. sẽ bị tán xạ, phản xạ và hấp thụ nên mợt phần năng
lượng của nó khơng tới được mặt đất và sự suy giảm năng lượng này do các quá trình
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

do an

9


Đồ án tốt nghiê ̣p
vật lý phức tạp gây ra, đặc biệt là đối với những ngày mây mù, mưa giơng thì sự suy
giảm cịn xảy ra mạnh hơn nữa. Năng lượng bức xạ ở mặt đất nhận được(còn gọi là tổng
xạ) gồm hai thành phần: Bức xạ trực tiếp và bức xạ khuyếch tán.
Bức xạ trực tiếp(Trực xạ):Là các tia sáng Mặt Trời đến thẳng mặt đất, không
bị thay đổi hướng khi đi xuyên qua lớp khí quyển. Hướng của tia trực xạ phụ tḥc vào
vị trí của Mặt Trời trên bầu trời, tức là phụ thuộc vào thời gian và địa điểm quan sát.
Bức xạ khuyếch tán(hay nhiễu xạ): gọi tắt là tán xạ là các thành phần các tia
Mặt Trời bị thay đổi hướng ban đầu do các nguyên nhân như khúc xạ, phản xạ,..vì vậy
hướng của nhiễu xạ khơng xác định được.
Do các q trình hấp thụ, tán xạ, phản xạ của tia Mặt Trời xảy ra khi nó đi qua
lớp khí quyển nên cường đợ bức xạ khi tới mặt đất phụ thuộc vào độ dài đường đi của
tia trong lớp khí quyển, đợ dài này phụ thuộc vào độ cao của Mặt Trời hay chính xác
hơn là khoảng cách từ Mặt Trời đến Trái Đất ở mỗi thời điểm trong ngày khác nhau thì
cường độ năng lượng bức xạ Mặt Trời là khác nhau. Ví dụ như ở thời điểm 12h trưa,
khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt Trời là ngắn nhất, vì vậy bức xạ năng lượng bị hấp thụ
và tán xạ là ít nhất. Cịn khi Mặt Trời mọc hoặc lặn thì khoảng cách là xa Trái Đất nhất
nên bức xạ bị hấp thụ và tán xạ là nhiều nhất.
2.1.2 Pin năng lươ ̣ng mă ̣t trời
Năng lượng mặt trời được coi là nguồn năng lượng sạch và vô tận mà thiên nhiên
ban tặng cho chúng ta. Một trong những kỹ thuật sử dụng năng lượng Mặt Trời là sản
xuất điện năng - điện Mặt Trời. Để sản xuất điện Mặt Trời người ta thường sử dụng hai
công nghệ: Công nghệ nhiệt Mặt Trời và công nghệ pin Mặt Trời.
Trong công nghê ̣ nhiệt Mă ̣t Trời người ta thường sử dụng hệ thống các gương

hộ tụ để thu năng lượng Mặt Trời tạo thành các nguồn nhiệt có mật đợ năng lượng cao
và do đó có nhiệt lượng rất cao, có thể làm bốc hơi nước ở nhiệt độ và áp suất lớn. Hơi
sinh ra với áp suất lớn sẽ làm quay các tuabin để sản xuất điện năng.
Trong giới hạn của đề tài chúng em chỉ xin đề cập đến công nghê ̣pin Mặt Trời.
Pin Mặt Trời là thiết bị sử dụng biến đổi trực tiếp năng lượng Mặt Trời thành năng lượng
điện nhờ vào các tế bào quang điện. Các Panel này còn sản xuất ra năng lượng chừng
nào cịn có bức xạ Mặt Trời chiếu tới nó. Các hệ thống Panel hay Pin Mặt Trời rất đơn
giản, không có phần chuyển đợng, khơng cần địi hỏi chăm sóc bảo dưỡng thường xuyên
như những hệ thống khác, đặc biệt không ô nhiễm môi trường nên đã được quan tâm
nghiên cứu, phát triển và ứng dụng ngày càng mạnh mẽ vào khoa học kỹ thuật và cuộc
sống. Sau đây chúng ta sẽ tìm hiểu đơi chút về cấu tạo, ngun lý hoạt động và các đặc
trưng cơ bản của Pin Mặt Trời và ứng dụng mạnh mẽ của nó…

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

do an

10


Đồ án tốt nghiê ̣p
Cơ sở pin năng lượng mặt trời
Xét một hệ hai mức năng lượng điện tử E1 và E2 trong đó E1 < E2 .
Khi chiếu mợt chùm tia sáng vào mức năng lượng E1, các lượng tử ánh sáng hay
cịn gọi là Photon có năng lượng là hv( với h là hằng số Planck, và v là tần số ánh sáng)
sẽ bị điện tử hấp thụ và chuyển sang mức năng lượng cao hơn là E2. . Ta có phương trình
cân bằng năng lượng: hv= E2 - E1 .
Vùng dẫn
E2

Ec
E
hv

hv
E1

g

Ev
Vùng hố trị

a)
b)

Các q trình lượng tử trong hệ hai mức (a)
và hai vùng năng lượng (b)

Hình 2.3: Hệ hai mức năng lượng điện tử.
Trong các vật rắn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vành ngồi
nên mức năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng nhỏ rất sát nhau và tạo
thành các vùng năng lượng. Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm giữ khi ở trạng
thái cân bằng gọi là vùng hoá trị mà bờ trên của nó có năng lượng Ev. Vùng năng lượng
ở phía trên tiếp theo hồn tồn trống hoặc bị chiếm mợt phần nhỏ gọi là vùng dẫn, Vùng
dưới của vùng có năng lượng Ec. Cách ly giữa hai vùng hoá trị và vùng dẫn là mợt vùng
cấm có đợ rợng năng lượng Eg, trong đó khơng có mức năng lượng nào cao nhất của
điện tử.
Khi chiếu sáng vật rắn có cấu trúc vùng năng lượng nói trên, Photon có năng
lượng hv tới hệ thống và bị điện tử ở vùng hoá trị hấp thụ và nó có thể chuyển lên vùng
dẫn để trở thành điện tử tự do e- , đồng thời để lại ở vùng hố trị mợt lỗ trống có thế coi

như “hạt ” điện dương nguyên tố, ký hiệu là h+. Lỗ trống này có thể di chuyển và tham
gia vào quá trình dẫn điện.
Hiệu ứng lượng tử của q trình hấp thụ Photon có thể mơ tả bằng phương trình
sau: ev – hvev → e – + h+
Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lượng của Phơton và chuyển từ vùng
ℎ𝑐

hố trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử – lỗ trống là hv = → Eg = Ec – Ev. Từ đó có
𝜆
thể tính được bước sóng giới hạn  C của ánh sáng để có thể tạo cặp e- - h+ .
 C=

ℎ𝑐
𝐸𝑣 −𝐸𝑐

=

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

do an

hc 1,24
( m)
=
Eg Eg

11


Đồ án tốt nghiê ̣p

Trong thực tế cá hạt dẫn bị kích thích e- và h+ đều tự tham gia q trình “hồi
phục”, chuyển đợng tới bờ của các vùng năng lượng: điện tử e- giải phóng năng lượng
để chuyển tới bờ vùng dẫn 𝐸𝑐 , còn lỗ trống tới bờ vùng dẫn 𝐸𝑣 . Quá trình hồi phục chỉ
xẩy ra trong một thời gian rất ngắn, cỡ 10-12 s đến 10-1 s và gây ra dao động mạng
(Photon). Năng lượng bị tổn hao do quá trình hồi phục sẽ là (hv-Eg).
Tóm lại, khi chiếu sáng vật rắn, điện tử ở vùng hoá trị hấp thụ năng lượng photon
hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử - lỗ trống e- - h+ , tức là đã tạo ra
một điện thế. Hiện tượng này gọi hiện tượng quang điện trong. Lợi dụng hiện tượng này,
người ta đã phát minh ra một loại thiết bị dùng hấp thụ năng lượng Mặt Trời và biến đổi
thành năng lượng điện- gọi là Pin Mặt Trời! Vậy cấu tạo và nguyên lý hoạt động của
Pin Mặt Trời(Solar cell) như thế nào? Ứng dụng của nó ra sao? Và khả năng phát triển
của nó như thế nào? Các nợi dung sẽ được trình bày lần lượt ở phần dưới.
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
2.1.2.2.1 Cấu tạo
Một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ
Mặt Trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện trong gọi là Pin Mặt Trời (solar cell).
Pin Mặt Trời được sản xuất và ứng dụng phổ biến ngày nay đó là nhờ vào khả
năng tuyệt vời mà nó mang lại cho mơi trường khi mà năng lượng điện được sản xuất ra
bằng chính năng lượng mà tạo hóa đã ban cho con người - năng lượng sạch Mặt Trời.
Pin Mặt Trời ngày nay được sản xuất chủ yếu từ vật liệu tinh thể bán dẫn
silicon(Si) có hóa trị 4. Để có vật liệu tinh thể bán dẫn tinh khiết loại n thì người ta pha
vào tinh thể Si tạp chất là Photpho hóa trị 5 gọi là Donor, cịn để tạo ra bán dẫn loại P
thì người ta pha vào Si là Bo hóa trị 3 gọi là Acceptor. Đối với pin Mặt Trời làm từ vật
liệu tinh thể Si, khi được chiếu sáng thì hiệu điện thế hở mạch giữa hai bản cực khoảng
0,55V, dòng đoản mạch của nó dưới bức xạ Mặt Trời 1000W/m2 khoảng 30mA/cm2.
Ngoài pin làm từ vật liệu tinh thể Si, người ta còn nghiên cứu chế tạo thử nghiệm
từ các loại vật liệu khác có nhiều hứa hẹn như hệ bán dẫn hợp chất nhóm 3-5, như hợp
chất đồng-cadimi sunfit(CuCdS), Galium-Arsent(GaAs),.. tuy nhiên hiện nay việc
nghiên cứu và chế tạo các loại pin này mới chỉ dừng ở quy mơ thí nghiệm.
Một hướng khác nhằm nâng cao hiệu suất biến đổi quang điện của pin Mặt Trời

là thiết kế, chế tạo các pin gồm một số lớp tiếp xúc p-n để tăng cường khả năng hấp thụ
proton có năng lượng khác nhau trong phổ bức xạ Mặt Trời.
2.1.2.2.2 Nguyên lý hoạt động
Khi chiếu sáng lớp tiếp xúc p-n, dưới tác dụng của ánh sáng có bước sóng thích
hợp và cường đợ đủ mạnh, các cặp điện tử - lỗ trống được tạo thành, và do tác dụng của
điện trường tiếp xúc ETX nên các cặp bị tách ra và bị gia tốc về các phía đối diện tạo ra
mợt suất điện động quang điện. Nếu nối các đầu bán dẫn p và n bằng mợt dây dẫn thì
trong dây dẫn sẽ xuất hiện mợt dịng điện gọi là dịng quang điện và cho ở mạch ngồi
mợt cơng suất hữu ích. Suất điện động quang điện xuất hiện trong lớp tiếp xúc pn khi
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

do an

12