Hệ thống panel hướng ánh sáng mặt trời

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN PANEL HƯỚNG ÁNH SÁNG MẶT TRỜI
CHƯƠNG DẪN NHẬP
I.Đặt vấn đề:
Trái đất của chúng ta đang đối mặt với sự khai thác quá mức các tài nguyên thiên
nhiên.Nhất là với các tài nguyên có hạn như dầu khí,than, khoáng sản…Trong đó quan
trọng nhất là các tài nguyên năng lượng đang ngày càng được cư dân trên hành tinh có
khoảng 6 tỷ người này khai thác sử dụng 1 cách quá mức.Trong tương lai chúng ta có thể
mất hoàn toàn nguồn năng lượng phuc vụ cho sản xuất và các nhu cầu sinh hoạt chủ yếu
hàng ngày như sưởi ấm,di chuyển, vận tải
Còn trên các nơi không dễ dàng đưa các nguồn năng lượng đến được như vùng núi
cao, rừng sâu,hải đảo xa xôi,nơi các chiến sĩ đang ngày đêm canh gác bảo vệ tổ quốc thì
năng lượng là vô cùng cần thiết và quan trọng.
Đất nước chúng ta là nước nhiệt đới gió mùa nên ánh sáng mặt trời luôn mạnh mẽ và
dồi dào.Chính vì vậy nên chúng em quyết định nghiên cứu và thiết kế mô hình điều khiển
góc quay của motor bước hứng ánh sáng mặt trời để tối ưu hoá khả năng tân dụng nguồn
năng lượng mặt trời mạnh mẽ và dồi dào trên đất nước chúng ta để góp phần xây dựng đất
nước phát triển cũng như giúp hạn chế nạn khai thác quá mức trái đất thân yêu của chúng ta.
Hiện nay đã có trên thị trường những tấm pin mặt trời chuyển năng lượng quang
thành năng lượng điện phục vụ cho sản xuất và sinh hoạt của người dân.Tuy nhiên các tấm
pin này có nhược điểm là chỉ nàm chết ở 1 góc độ nào đó do người đặt định hướng sẵn.Mà
mặt trời thì chuyển đổi vị trí liên tục so với mặt đất,do đó không thể hấp thụ toàn bô lượng
ánh sáng mặt trời trong ngày hiệu quả công suất tối đa, sẽ là 1 sự lãng phí lớn.
Được sự đồng ý của khoa Điện Tử - Tin Học Trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Cao
Thắng. Chúng em tiến hành làm đề tài tốt nghiệp “Hệ thống panel hướng ánh sáng mặt trời
” để có thể tìm hiểu và nghiên cứu sâu hơn về hệ thống này
II. Giới hạn đề tài:
Với thời gian gần năm tuần thực hiện đề tài cũng như trình độ chuyên môn có hạn, chúng
em đã cố gắng hết sức để hoàn thành đồ án này nhưng chỉ giải quyết được những vấn đề
sau:
 Tìm hiểu về hệ thống pin năng lượng mặt trời
 Thiết kế và thi công hệ thống định vị theo vị trí mặt trời .

GVHD: TỐNG THANH NHÂN SVTH: Võ Hồng Thành & Lê Quốc Dũng
6
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN PANEL HƯỚNG ÁNH SÁNG MẶT TRỜI
III. Mục đích nghiên cứu :
Cụ thể khi nghiên cứu đề tài là chúng em muốn tìm hiểu và khai thác tối đa công
suất hệ thống pin mặt trời . Việc nghiên cứu sử dụng năng lượng mặt trời ngày càng được
quan tâm , nhất là trong tình trạng thiếu hụt năng lượng như hiện nay . Năng lượng mặt trời
được xem như là nguồn năng lượng ưu việt trong tương lai , đó là nguồn năng lượng sẵn có
siêu sạch và miễn phí . Do đó năng lượng mặt trời ngày càng được sử dụng rộng rãi ở các
nước trên thế giới .
Ngoài ra quá trình thực hiện đề tài là một cơ hội để chúng em tự kiểm tra lại những
kiến thức đã học ở trường .Đồng thời phát huy tính sáng tạo, khả năng giải quyết một vấn đề
theo nhu cầu đặt ra .Và đây cũng là dịp để chúng em khẳng định mình trước khi ra trường
để tham gia vào các hoạt động sản xuất của xã hội.
GVHD: TỐNG THANH NHÂN SVTH: Võ Hồng Thành & Lê Quốc Dũng
7
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN PANEL HƯỚNG ÁNH SÁNG MẶT TRỜI
Chương 1: GIỚI THIỆU VỀ NĂNG
LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ HỆ
THỐNG PIN MẶT TRỜI.
1.1 Mặt trời và nguồn bức xạ Mặt trời :
Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1,390.106km (lớn hơn 110 lần
đường kính trái đất), cách xa trái đất 150.106km (bằng một đơn vị thiên văn AU ánh
sáng mặt trời cần khoảng 8 phút để vượt qua khoảng này đến trái đất). Khối lượng
mặt trời khoảng Mo =
2.1030kg. Nhiệt độ T ở trung tâm mặt trời thay đổi trong khoảng từ 10.10
6
K đến
20.10
6

K,
trung bình khoảng 15600000 K. Ở nhiệt độ như vậy vật chất không thể giữ được cấu
trúc trật tự thông thường gồm các nguyên tử và phân tử. Nó trở thành plasma trong đó
các hạt nhân của nguyên tử chuyển động tách biệt với các electron. Khi các hạt nhân
tự do có va chạm với nhau sẽ xuất hiện những vụ nổ nhiệt hạch. Khi quan sát tính
chất của vật chất nguội hơn trên bề mặt nhìn thấy được của mặt trời, các nhà khoa học
đã kết luận rằng có phản ứng nhiệt
hạch xảy ra ở trong lòng mặt trời. Mặt Trời không có ranh giới rõ ràng như ở các
hành tinh có đất đá. Ngược lại, mật độ các khí giảm dần xuống theo quan hệ số mũ
theo khoảng cách tính từ tâm Mặt Trời. Bán kính của Mặt Trời được đo từ tâm tới
phần rìa ngoài của quang
quyển.
GVHD: TỐNG THANH NHÂN SVTH: Võ Hồng Thành & Lê Quốc Dũng
8
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN PANEL HƯỚNG ÁNH SÁNG MẶT TRỜI
Hình 1.1 Cấu trúc của mặt trời.
Nhiệt độ T
o
tại trung tâm mặt trời thay đổi trong khoảng từ 10.106K đến
20.106K, trung bình khoảng 15600000 K. Ở nhiệt độ như vậy vật chất không
thể giữ được cấu trúc trật tự thông thường gồm các nguyên tử và phân tử. Nó
trở thành plasma trong đó các hạt nhân của nguyên tử chuyển động tách biệt
với các electron. Khi
các
hạt nhân tự do có va chạm với nhau sẽ xuất hiện
những vụ nổ nhiệt hạch. Khi quan sát tính chất của vật chất nguội hơn trên bề
mặt nhìn thấy được của mặt trời, các nhà khoa học đã kết luận rằng có phản
ứng nhiệt hạch xảy ra ở trong lòng mặt trời.
GVHD: TỐNG THANH NHÂN SVTH: Võ Hồng Thành & Lê Quốc Dũng
9

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN PANEL HƯỚNG ÁNH SÁNG MẶT TRỜI
Về cấu trúc, mặt trời có thể chia làm 4 vùng, tất cả hợp thành một khối cầu khí
khổng lồ. Vùng giữa gọi là nhân hay “lõi” có những chuyển động đối lưu, nơi xảy ra
những phản ứng nhiệt hạt nhân tạo nên nguồn năng lượng mặt trời, vùng này có bán
kính khoảng 175.000km, khối lượng riêng 160kg/dm3, nhiệt độ ước tính từ 14 đến 20
triệu độ, áp suất vào khoảng hàng trăm tỷ atmotphe. Vùng kế tiếp là vùng trung gian
còn gọi là vùng “đổi ngược” qua đó năng lượng truyền từ trong ra ngoài, vật chất ở
vùng này gồm có sắt (Fe), can xi (Ca), nát ri (Na), stronti (Sr), crôm (Cr), kền (Ni),
cácbon ( C), silíc (Si) và các khí như hiđrô (H2), hêli (He), chiều dày vùng này
khoảng
400.000km. Tiếp theo là vùng “đối lưu” dày 125.000km và vùng “quang cầu” có
nhiệt độ khoảng 6000K, dày 1000km ở vùng này gồm các bọt khí sôi sục, có chỗ tạo
ra các vết đen, là các hố xoáy có nhiệt độ thấp khoảng 4500K và các tai lửa có nhiệt
độ từ
7000K -10000K. Vùng ngoài cùng là vùng bất định và gọi là “khí quyển” của mặt trời.
Ánh sáng nói riêng, hay bức xạ điện từ nói chung, từ bề mặt của Mặt Trời được
xem là nguồn năng lượng chính cho Trái Đất. Hằng số năng lượng mặt trời được
tính bằng công suất của lượng bức xạ trực tiếp chiếu trên một đơn vị diện tích bề
mặt Trái Đất, bằng khoảng 1370 W/m
2
. Ánh sáng Mặt Trời bị hấp thụ một phần trên
bầu khí quyển Trái Đất, nên một phần nhỏ hơn tới được bề mặt Trái Đất, gần 1000
W/m² năng lượng Mặt Trời tới Trái Đất trong điều kiện trời quang đãng. Năng lượng
này có thể
dùng vào các quá trình tự nhiên hay nhân tạo. Quá trình quang hợp trong cây sử dụng
ánh sáng mặt trời và chuyển đổi CO
2
thành ôxy và hợp chất hữu cơ, trong khi nguồn
nhiệt trực tiếp là làm nóng các bình đun nước dùng năng lượng Mặt Trời, hay chuyển
thành điện năng bằng các pin năng lượng Mặt Trời. Năng lượng dự trữ trong dầu mỏ

được giả định rằng là nguồn năng lượng của Mặt Trời được chuyển đổi từ xa xưa
trong quá trình quang hợp và phản ứng hóa sinh của sinh vật cổ.
Trong toàn bộ bức xạ của Mặt trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các phản
ứng hạt nhân xảy ra trong Mặt trời không quá 3%. Bức xạ
γ
ban đầu khi đi qua 5.10
5
km chiều dầy của lớp vật chất Mặt trời của biến đổi rất mạnh. Tất cả các dạng của
bức xạ điện từ đều có bản chất sóng và chúng khác nhau ở bước sóng. Bức xạ
γ
là
sóng ngắn nhất trong các sóng đó, tứ tâm Mặt trời đi ra cho sự va chạm hoặc tán xạ
mà năng
lượng của chúng giảm đi và bây giờ chúng ứng với bức xạ có bước sóng dài. Như
vậy bức xạ chuyển thành bức xạ Rơnghen có bước sóng dài hơn. Gần đến bề mặt
Mặt trời nơi có nhiệt độ đủ thấp để có thể tồn tại vật chất trong trạng thái nguyên tử
và các cơ chế khác bắt đầu xảy ra.
GVHD: TỐNG THANH NHÂN SVTH: Võ Hồng Thành & Lê Quốc Dũng
10
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN PANEL HƯỚNG ÁNH SÁNG MẶT TRỜI
Hình 1.2 Dải bức xạ điện từ.
Đặc trưng của bức xạ Mặt trời truyền trong không gian bên ngoài Mặt trời là một
phổ rộng trong đó cực đại của cường độ bức xạ nằm trong dải 10
-1
– 10 µm và hầu như
một nửa tổng năng lượng Mặt trời tập trung trong khoảng bước sóng 0,38 – 0,78 µm
đó là vùng nhìn thấy của phổ.
Chùm tia truyền thẳng từ Mặt trời gọi là bức xạ trực xạ.Tổng hợp các tia trực xạ
và tán xạ gọi là tổng xạ. Mật độ dòng bức xạ trực xạ ở ngoài lớp khí quyển, tính đối
với 1m

2
bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ, được tính theo công thức:
q =
ϕ
D-T
.C
0
(T/100)
4
(1.1)
Trong đó:
ϕ
D-T
: hệ số góc bức xạ giửa Trái đất và Mặt trời.
ϕ
D-T
=
β
2
/4 (1.2)
β : góc nhìn mặt trời, β 32’
C
0
= 5,67 W/m
2
.K
4
– hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối.
T 5762
0

K – nhiệt độ bề mặt Mặt trời.
⇒q 1353 W/m
2
.
Do khoảng cách giửa Trái đất và Mặt trời thay đổi theo mùa trong năm nên β
cũng thay đổi, do đó q cũng thay đổi nhưng độ thay đổi không lớn lắm nên có thể xem
q là không đổi và được gọi là hằng số Mặt trời.
Khi truyền qua lớp khí quyển bao bọc quanh Trái đất, các chùm tia bức xạ bị hấp
thụ và tán xạ ở tầng ozon, hơi nước và bụi trong khí quyển, chỉ một phần năng lượng
được truyền trực tiếp đến Trái đất.Toàn bộ bức xạ tử ngoại được sử dụng để duy trì
quá trình phân ly và hợp nhất của O,O
2
và O
3
đó là quá trình ổn định. Do quá trình
này, khi đi qua khí quyển, bức xạ tử ngoại biến đổi thành bức xạ với năng lượng nhỏ
hơn.
Các bức xạ với bước sóng ứng với các vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoại của
phổ tương tác với các phân tử khí và các hạt bụi của không khí nhưng không phá vỡ
GVHD: TỐNG THANH NHÂN SVTH: Võ Hồng Thành & Lê Quốc Dũng
11
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN PANEL HƯỚNG ÁNH SÁNG MẶT TRỜI
các liên kết của chúng, khi đó các photon bị tán xạ khá đều theo mọi hướng và một số
photon quay trở lại không gian vũ trụ. Bức xạ chịu dạng tán xạ đó chủ yếu là bức xạ có
bước sóng ngắn nhất. Sau khi phản xạ từ các phần khác nhau của khí quyển bức xạ tán
xạ đi đến chúng ta mang theo màu xanh lam của bầu trời trong sáng và có thể quan sát
được ở những độ cao không lớn. Các giọt nước cũng tán xạ rất mạnh bức xạ mặt trời.
Bức xạ mặt trời khi đi qua khí quyển còn gặp một trở ngại đáng kể nữa đó là do sự hấp
thụ của các phần tử hơi nước, khí cacbônic và các hợp chất khác, mức độ của sự
hấp

thụ
này phụ thuộc vào bước sóng, mạnh nhất ở khoảng giữa vùng hồng ngoại của phổ.
Phần năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt trái đất trong những ngày
quang đãng (không có mây) ở thời điểm cao nhất vào khoảng 1000W/m2.
1.2 Ứng dụng của năng lượng Mặt trời:
Đối với cuộc sống của loài người, năng lượng Mặt Trời là một nguồn năng lượng
tái tạo quý báu.
Có thể trực tiếp thu lấy năng lượng này thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển
năng lượng các photon của Mặt Trời thành điện năng, như trong pin Mặt Trời. Năng
lượng của các photon cũng có thể được hấp thụ để làm nóng các vật thể, tức là chuyển
thành nhiệt năng, sử dụng cho bình đun nước Mặt Trời, hoặc làm sôi nước trong các
máy nhiệt điện của tháp Mặt Trời, hoặc vận động các hệ thống nhiệt như máy điều hòa
Mặt Trời.
Năng lượng của các photon có thể được hấp thụ và chuyển hóa thành năng lượng
trong các liên kết hóa học của các phản ứng quang hóa.
Một phản ứng quang hóa tự nhiên là quá trình quang hợp. Quá trình này được cho
là đã từng dự trữ năng lượng Mặt Trời vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch không tái
sinh mà các nền công nghiệp của thế kỷ 19 đến 21 đã và đang tận dụng. Nó cũng là quá
trình cung cấp năng lượng cho mọi hoạt động sinh học tự nhiên, cho sức kéo gia súc và
củi đốt, những nguồn năng lượng sinh học tái tạo truyền thống. Trong tương lai, quá
trình này có thể giúp tạo ra nguồn năng lượng tái tạo ở nhiên liệu sinh học, như
các nhiên liệu lỏng (diesel sinh học, nhiên liệu từ dầu thực vật), khí (khí đốt sinh học)
hay rắn.
Năng lượng Mặt Trời cũng được hấp thụ bởi thủy quyển Trái Đất và khí quyển
Trái Đất để sinh ra các hiện tượng khí tượng học chứa các dạng dự trữ năng lượng có
thể khai thác được. Trái Đất, trong mô hình năng lượng này, gần giống bình đun nước
của những động cơ nhiệt đầu tiên, chuyển hóa nhiệt năng hấp thụ từ photon của Mặt
Trời, thành động năng của các dòng chảy của nước, hơi nước và không khí, và thay
đổi
tính chất hóa học và vật lý của các dòng chảy này.

Thế năng của nước mưa có thể được dự trữ tại các đập nước và chạy máy phát
điện của các công trình thủy điện. Một dạng tận dụng năng lượng dòng chảy sông suối
có trước khi thủy điện ra đời là cối xay nước. Dòng chảy của biển cũng có thể làm
chuyển động máy phát của nhà máy điện dùng dòng chảy của biển.
GVHD: TỐNG THANH NHÂN SVTH: Võ Hồng Thành & Lê Quốc Dũng
12
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN PANEL HƯỚNG ÁNH SÁNG MẶT TRỜI
Hình 1.3 Các tuốc bin gió phát điện nhờ sức gió và thủy triều, tận thu một
cách gián tiếp năng lượng Mặt Trời.
Dòng chảy của không khí, hay gió, có thể sinh ra điện khi làm quay tuốc bin
gió. Trước khi máy phát điện dùng năng lượng gió ra đời, cối xay gió đã được ứng
dụng để xay ngũ cốc. Năng lượng gió cũng gây ra chuyển động sóng trên mặt biển.
Chuyển động này có thể được tận dụng trong các nhà máy điện dùng sóng biển.
Đại dương trên Trái Đất có nhiệt dung riêng lớn hơn không khí và do đó thay
đổi nhiệt độ chậm hơn không khí khi hấp thụ cùng nhiệt lượng của Mặt Trời. Đại
dương nóng hơn không khí vào ban đêm và lạnh hơn không khí vào ban ngày. Sự
chênh lệch nhiệt độ này có thể được khai thác để chạy các động cơ nhiệt trong các
nhà máy điện dùng nhiệt lượng của
biển.
Khi nhiệt năng hấp thụ từ photon của Mặt Trời làm bốc hơi nước biển, một phần
năng lượng đó đã được dự trữ trong việc tách muối ra khỏi nước mặn của biển. Nhà
máy điện dùng phản ứng nước ngọt - nước mặn thu lại phần năng lượng này khi đưa
nước ngọt của dòng
sông trở về biển.
Hình 1.4 Nhà máy điện mặt trời.
Điện năng còn có thể tạo ra từ năng lượng mặt trời dựa trên nguyên tắc tạo
nhiệt độ cao bằng một hệ thống gương phản chiếu và hội tụ để gia nhiệt cho môi chất
làm việc
truyền động
cho máy phát điện.

GVHD: TỐNG THANH NHÂN SVTH: Võ Hồng Thành & Lê Quốc Dũng
13
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN PANEL HƯỚNG ÁNH SÁNG MẶT TRỜI
Hiện nay trong các nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời có các loại
hệ
thống bộ thu chủ yếu
sau đây:
Hệ thống dùng parabol trụ để tập trung tia bức xạ mặt trời vào một ống môi
chất đặt dọc theo đường hội tụ của bộ thu, nhiệt độ có thể đạt tới 400
o
C.
Hệ thống nhận nhiệt trung tâm bằng cách sử dụng các gương phản xạ có định vị
theo phương mặt trời để tập trung năng lượng mặt trời đến bộ thu đặt trên đỉnh tháp
cao, nhiệt độ có thể đạt tới trên 1500
o
C.
Trong thời đại khoa học kỹ thuật phát triển, nhu cầu về năng lượng ngày càng
tăng. Trong khi đó các nguồn nhiên liệu dự trữ như than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên
và ngay cả thủy điện thì có hạn khiến cho nhân loại đứng trước nguy cơ thiếu hụt
năng lượng. Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới như năng lượng
hạt nhân, năng lượng
địa nhiệt,
năng lượng gió và năng lượng mặt trời là một trong
những hướng quan trọng trong kế hoạch phát triển năng lượng, không những đối với
những nước phát triển mà ngay cả với những nước đang phát triển.
Năng lượng mặt trời - nguồn năng lượng sạch và tiềm tàng nhất - đang được
loài người thực sự đặc biệt quan tâm. Do đó việc nghiên cứu nâng cao hiệu quả các
thiết bị sử dụng
năng
lượng mặt trời và triển khai ứng dụng chúng vào thực tế là vấn

đề có tính thời sự.
Việt Nam là nước có tiềm năng về năng lượng mặt trời, trải dài từ vĩ độ 8” Bắc
đến 23” Bắc, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao, với trị số
tổng xạ khá
lớn từ 100-175 kcal/cm2.năm (4,2 -7,3GJ/m2.năm) do đó việc sử dụng năng lượng
mặt trời
ở nước ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế
rất lớn.
1.3 Pin mặt trời, cấu tạo và nguyên lý hoạt động :
Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện), là thiết bị
bán dẫn chứa lượng lớn các diod p-n, duới sự hiện diện của ánh sáng mặt trời có
khả năng tạo ra dòng điện sử dụng được. Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng
quang điện.
Các pin năng lượng mặt trời có nhiều ứng dụng. Chúng đặc biệt thích hợp cho
các
vùng mà điện năng trong mạng lưới chưa vươn tới, các vệ tinh quay xung quanh quỹ
đạo trái đất, máy tính cầm tay, các máy từ xa, thiết bị bơm nước Pin năng lượng mặt
trời (tạo thành các module hay các tấm năng lượng mặt trời) xuất hiện trên nóc các tòa
nhà nơi chúng có
thể kết nối với bộ chuyển đổi của mạng
lưới điện.
GVHD: TỐNG THANH NHÂN SVTH: Võ Hồng Thành & Lê Quốc Dũng
14
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN PANEL HƯỚNG ÁNH SÁNG MẶT TRỜI
Hình 1.5 Một cell pin
mặt
trời.
Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý
Pháp Alexandre Edmond Becquerel. Tuy nhiên cho đến 1883 một pin năng
lượng mới được chế tạo thành công, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán

dẫn selen một lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối. Russell Ohl được xem là
người tạo ra pin năng lượng mặt trời đầu tiên năm 1946 tuy nhiên nó chỉ có hiệu
suất 1%. Pin mặt trời lần đầu tiên được ứng dụng là trên vệ tinh Vangaurd 1 của
Mĩ, được phóng năm 1958. Ngày nay pin mặt trời được sản xuất trên toàn thế
giới đặt biệt là ở các nước tiên tiến như Mĩ, Đức, Tây Ban Nha…
1.3.1 Cấu tạo :
Cấu tạo của pin mặt trời là 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 bên trong.
Hình 1.6 Cấu tạo của pin
mặt
trời.
GVHD: TỐNG THANH NHÂN SVTH: Võ Hồng Thành & Lê Quốc Dũng
15
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN PANEL HƯỚNG ÁNH SÁNG MẶT TRỜI
Cho tới hiện tại thì vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời (và cho các thiết bị
bán dẫn) là các silic tinh thể. Pin mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại:
- Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình
Czochralski. Pin mặt trời dơn tinh thể có thể đạt hiệu suất từ 11% - 16% .
Chúng thường rất mắc tiền do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể
này có các mặt trống ở góc nối các module.
- Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc đúc từ silic nung chảy cẩn thận được
làm nguội và làm rắn. Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên
hiệu suất kém hơn, từ 8% - 11%. Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm
vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó.
- Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc
đa tinh thể. Loại này có hiệu suất thấp nhất, từ 3% - 6%, tuy nhiên loại này rẻ
nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon.
Hình 1.7 Các loại cấu trúc tinh thể của pin mặt trời.
Silic thuộc nhóm IV, tức là có 4 electron lớp ngoài cùng. Silic có thể kết

hợp với silicon khác để tạo nên chất rắn. Cơ bản có 2 loại chất rắn silicon, đa
thù hình (không có trật tự sắp xếp) và tinh thể (các nguyên tử sắp xếp theo thứ
tự dãy không gian 3 chiều). Pin năng lượng mặt trời phổ biến nhất dùng đa tinh
thể silicon.
Silic là chất bán dẫn. Tức là thể rắn silic, tại một tầng năng lượng nhất
định, electron có thể đạt được, và một số tầng năng lượng khác thì không được.
Các tầng năng lượng không được phép này xem là tầng trống. Lý thuyết này
căn cứ theo thuyết cơ học lượng tử.
Ở nhiệt độ phòng, Silic nguyên chất có tính dẫn điện kém. Trong cơ học
lượng tử, giải thích thất tế tại mức năng lượng Fermi trong tầng trống. Để tạo
ra silic có tính dẫn điện tốt hơn, có thể thêm vào một lượng nhỏ các nguyên tử
nhóm III hay V trong bảng tuần hoàn hóa học. Các nguyên tử này chiếm vị trí
của nguyên tử silic trong mạng tinh thể, và liên kết với các nguyên tử silic bên
cạnh tương tự như là một silic. Tuy nhiên các phân tử nhóm III có 3 electron
ngoài cùng và nguyên tử nhóm V có 5
GVHD: TỐNG THANH NHÂN SVTH: Võ Hồng Thành & Lê Quốc Dũng
16
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN PANEL HƯỚNG ÁNH SÁNG MẶT TRỜI
electron ngoài cùng, vì thế nên có chỗ trong mạng tinh thể có dư electron còn có
chỗ
thì
thiếu electron. Vì thế các electron thừa hay thiếu electron (gọi là lỗ trống) không
tham gia vào các kết nối mạng tinh thể. Chúng có thể tự do di chuyển trong khối tinh
thể. Silic kết hợp với nguyên tử nhóm III (nhôm hay gali) được gọi là loại bán dẫn p
bởi vì năng lượng chủ yếu mang điện tích dương (positive), trong khi phần kết hợp với
các nguyên tử nhóm V (phốt pho, asen) gọi là bán dẫn n vì mang năng lượng âm
(negative). Lưu ý rằng cả hai loại n và p có năng lượng trung hòa, tức là chúng có
cùng năng lượng dương và âm, loại bán dẫn n, loại âm có thể di chuyển xung quanh,
tương tự ngược lại với loại p.
Các tinh thể silic (Si) hay gali asenua (GaAs) là các vật liệu được sử dụng làm

pin mặt trời. Gali asenua đặc biệt tạo nên để dùng cho pin mặt trời, tuy nhiên thỏi tinh
thể silic cũng có thể dùng được với giá thành thấp hơn, sản xuất chủ yếu để tiêu thụ
trong công nghiệp vi điện tử. Đa tinh thể silic có hiệu quả kém hơn nhưng giá tiền
cũng thấp hơn.
Khi để trực tiếp dưới ánh sáng mặt trời, một pin silic có đường kính 6 cm có thể
sản xuất dòng điện khoảng 0,5 ampe ở 0,5 volt.
Các tấm tinh thể mỏng hình đĩa, được đánh bóng để loại bỏ các khuyết tật trong
quá trình cắt, chất kích thích được dùng cho các pin, và các tấm kim loại dẫn truyền
đặt vào một mặt: một lưới mỏng trên bề mặt chiếu ánh sáng mặt trời, và mặt phẳng
trên mặt còn lại. Tấm năng lượng mặt trời tạo thành từ các pin như vậy cắt theo hình
dạng thích hợp, được bảo vệ khỏi tia bức xạ và hư hại trên mặt trước bằng các miếng
gương, dán vào chất nền. Sự liền mạch được tạo nên thành các dãy song song để quyết
định năng lượng tạo ra. Chất keo và chất nền phải có tính dẫn nhiệt, vì khi các pin
được làm nóng khi hấp thụ năng lượng hồng ngoại, vốn không thể chuyển hóa thành
năng lượng. Một khi các pin bị làm nóng thì giảm hiệu suất hoạt động vì thế nên phải
làm giảm thiểu nhiệt năng.
Hình 1.8 Một số loại panel pin mặt trời.
GVHD: TỐNG THANH NHÂN SVTH: Võ Hồng Thành & Lê Quốc Dũng
17
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN PANEL HƯỚNG ÁNH SÁNG MẶT TRỜI
Hình 1.9 Quá trình tạo một panel pin mặt trời.
1.3.2 Nguyên lý hoạt động :
GVHD: TỐNG THANH NHÂN SVTH: Võ Hồng Thành & Lê Quốc Dũng
18
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN PANEL HƯỚNG ÁNH SÁNG MẶT TRỜI
Hình 1.10 Nguyên lý hoạt động của pin
mặt
trời.
Hình 1.11 Hệ thống 2 mức năng lượng trong đó
E1 <

E2.
Bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E1 .Khi chiếu sáng hệ
thống, lượng tử ánh sáng (photon) mang năng lượng hv (h là hằng số Plank và v là
tần số ánh sáng) bị điện tử hấp thụ và chuyển lên mức E2.
Phương trình cân bằng năng lượng:
hv = E1-E2 (1.3)
Trong các vật rắn ,do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vành
ngoài
, nên
các năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng con rất sát nhau
và tạo thành vùng năng lượng. Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi ở
trạng thái cân bằng gọi là vùng hoá trị mà bên trên của nó có năng lượng E
V
. Vùng
năng lượng phía trên
tiếp đó
hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là
vùng dẫn, bên dưới của vùng có năng lượng là E
C
, cách ly giữa vùng hóa trị và vùng
dẫn đó gọi là một vùng cấm có độ rộng năng lượng là Eg, trong đó không có mức
năng lượng cho phép nào của điện tử.
Khi ánh sáng chiếu đến vật rắn có vùng năng lượng nói trên, photon có năng
lượng hv tới hệ thống , bị điện tử của vùng hoá trị hấp thụ và nó có thể chuyển lên
vùng dẫn để trở thành điện tử tự do e
-
,lúc này vùng hoá trị sẽ có một lỗ trống có thể di
chuyển như “hạt“ mang điện tích dương nguyên tố (kí hiệu h+). Lỗ trống này có thể
di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện.
Hình 1.12 Các vùng năng

lượng.
Phương trình hiệu ứng lượng tử:
eV+hv→ e
-
+ h
+
(1.4)
GVHD: TỐNG THANH NHÂN SVTH: Võ Hồng Thành & Lê Quốc Dũng
19
E
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN PANEL HƯỚNG ÁNH SÁNG MẶT TRỜI
Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lượng của photon và chuyển từ vùng
hoá trị
lên vùng dẫn, tạo ra căp điện tử –lỗ trống là:
hv
>
Eg = E
C
- E
V

(1.5) Suy ra bước sóng tới hạn λ
C
của ánh sáng để có thể tạo ra cặp
e
-
- h
+
là:
λ

C
= hc/( E
C
– E
V
) (1.6)
Vậy khi chiếu sáng vào 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 tạo ra một điện thế. Hiện tượng đó gọi là hiện tượng quang điện bên trong.
Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời chính là hiện tượng quang điện xảy ra trên
lớp
tiếp xúc p-n.
Điện
tử
(vùng dẫn)
c
photon
Vùng cấm
E
v
Lỗ trống
(vùng hóa trị)
Khi một photon chạm vào mảnh silic, một trong hai điều sau sẽ xảy ra:
Photon truyền trực xuyên qua mảnh silic. Điều này thường xảy ra khi
năng lượng của photon thấp hơn năng lượng đủ để đưa các hạt electron lên mức
năng lượng cao

hơn.
Năng lượng của photon được hấp thụ bởi silic. Điều này thường xảy ra
khi năng lượng của photon lớn hơn năng lượng để đưa electron lên mức năng
lượng cao hơn.
Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các hạt
electron trong màng tinh thể. Thông thường các electron này lớp ngoài cùng,
và thường được kết dính với các nguyên tử lân cận vì thế không thể di chuyển
xa. Khi electron được kích thích, trở thành dẫn điện, các electron này có thể tự
do di chuyển trong bán dẫn. Khi đó nguyên tử sẽ thiếu 1 electron và đó gọi là
lỗ trống. Lỗ trống này tạo điều kiện cho các electron của nguyên tử bên cạnh
di chuyển đến điền vào lỗ trống, và điều này tạo ra lỗ trống cho nguyên tử lân
GVHD: TỐNG THANH NHÂN SVTH: Võ Hồng Thành & Lê Quốc Dũng
20
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN PANEL HƯỚNG ÁNH SÁNG MẶT TRỜI
cận có "lỗ trống". Cứ tiếp tục như vậy lỗ trống di chuyển xuyên suốt mạch bán
dẫn.
Một photon chỉ cần có năng lượng lớn hơn năng luợng đủ để kích thích
electron lớp ngoài cùng dẫn điện. Tuy nhiên, tần số của mặt trời thường tương
đương 6000°K,
GVHD: TỐNG THANH NHÂN SVTH: Võ Hồng Thành & Lê Quốc Dũng
21
vì thế nên phần lớn năng lượng mặt trời đều được hấp thụ bởi silic. Tuy nhiên
hầu hết năng lượng mặt trời chuyển đổi thành năng lượng nhiệt nhiều hơn là
năng lượng điện sử dụng được.
Hình 1.13 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời.
1.4 Hệ thống pin mặt trời :
Hệ thống pin mặt trời là một hệ thống bao gồm một số các thành phần
như: các tấm pin mặt trời, các tải tiêu thụ điện, các thiết bị lưu trữ điện năng
(acquy) và các thiết bị điều phối điện năng…
Hình 1.14 Sơ đồ khối hệ thống pin mặt trời

độc
lập.
1.4.1 Thiết kế một hệ thống pin mặt trời:
Thiết kế một hệ thống pin mặt trời là xây dựng một quan hệ tương thích giữa
các thành phần của hệ về mặt định tính và định lượng để đảm bảo hiệu quả cao.
Các bước thiết kế:
1.4.1.1 Lựa chọn sơ đồ khối:
Từ sự phân tích các yêu cầu và các đặc trưng của các phụ tải điện ta sẽ chọn một
sơ đồ
khối thích hợp.
Hình 1.15 Sơ đồ khối hệ thống pin
mặt
trời.
Hình 1.12 là một sơ đồ khối thường dùng đối với các hệ thống pin mặt trời.
1.4.1.2 Tính toán hệ nguồn điện pin mặt trời:
Có nhiều phương pháp tính toán nhưng thông dụng nhất chủ yếu dựa trên
sự cân bằng điện năng trung bình hằng ngày.
1 – Tính phụ tải điện theo yêu cầu:
Giả sử hệ cần cấp điện cho các tải T1, T2, T3,… có các công suất tiêu thụ tương
ứng P1, P2, P3,… và thời gian làm việc hàng ngày của chúng là t1,
t2, t3,… Tổng điện năng phải cấp hằng ngày cho các tải:
E
ng
= P1t1+P2t2+P3t3+…= .
(1.7)
Từ E
ng
nếu nhân với số ngày trong tháng hoặc trong năm ta sẽ tính được nhu cầu
điện năng trong các tháng hoặc cả năm.
2 – Tính năng lượng điện mặt trời cần thiết Ec :

Năng lượng hằng ngày dàn pin mặt trời cần phải cấp cho hệ được xác định theo
công thức :
Ec = (1.8) Trong đó η là
hiệu suất của cả hệ thống.
3 – Công suất của dàn pin mặt trời :
Công suất của dàn pin mặt trời thường được tính ra công suất đỉnh hay cực đại
(Peak Watt, W
p
), là công suất của dàn pin trong điều kiện chuẩn.
E
(Wp)
= (1.9) Trong đó Eβ
cường độ bức xạ trên mặt phẳng đặt nghiêng một góc β so với mặt
phẳng ngang.
η
m
là hiệu suất của pin ở nhiệt độ T.
4 – Tính số module mắc song song và nối tiếp :
Các giá trị đặc trưng cơ bản của module :
- Thế làm việc tối ưu : Vm.
- Dòng làm việc tối ưu : Im.
- Công suất đỉnh : Pm.
Số module cần dùng trong hệ thống :
N = với N = Ns.Np (1.10)
Số module mắc nối tiếp:
Ns = (1.11) V: điện thế
yêu
cầu
của hệ.
Số module mắc song song:

Np = (1.12) I: điện thế
yêu cầu của hệ.
5 – Tính dung lượng của bộ acquy:
Dung lượng của bộ acquy được tính theo công thức:
C = (A.h) (1.13)
D: số ngày cần dự trữ năng lượng (số ngày không có nắng)
η
b
: hiệu suất nạp phóng điện của acquy.
DOS: độ sâu phóng điện thích hợp (khoảng 0,6 0,7).
Hình 1.16 Bộ Acquy của hãng
KesslerSun.
1.4.1.3 Các bộ điều phối năng lượng:
Các bộ điều phối năng lượng gồm bộ điều khiển quá trình nạp, phóng điện cho
Acquy và bộ biến đổi DC/AC.
Bộ điều khiển là thiết bị có chức năng kiểm soát tự động các quá trình nạp và
phóng điện của bộ acquy. Bộ điều khiển theo dõi trạng thái của acquy thông qua hiệu
điện thế trên cá điện cực của nó.
Hình 1.17 Bộ điều
khiển.
Bộ biến đổi điện có chức năng biến đổi dòng điện một chiều từ dàn pin mặt trời
hoặc từ bộ acquy thành dòng điện xoay chiều.
Hình 1.18 Inverter của Sunny Boy.
1.4.2 Ứng dụng của pin mặt trời:
Pin mặt trời có ưu điểm là gọn nhẹ có thể lắp bất kì đâu có ánh sáng mặt trời, đặc
biệt là trong lĩnh vực hàng không vũ trụ. Ứng dụng của pin mặt trời phát triển rất
nhanh, nhất là ở các nước phát triển. Ngày nay pin mặt trời được ứng dụng trong nhiều
dụng cụ cá nhân như máy tính, đồng hồ và các đồ dùng hằng ngày. Pin mặt trời còn
được dùng để chạy xe ôtô thay thế dần các nguồn năgn lượng truyền thống, dùng thắp
sáng đèn đường, đèn sân vườn và sử dụng trong từng hộ gia đình.

Hình 1.19 Trạm vũ trụ ISS.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN PANEL HƯỚNG ÁNH SÁNG MẶT TRỜI
Hình 1.20 Robot tự hành trên sao hỏa và vệ tinh nhân
tạo.
Hiện giá thành thiết bị của pin mặt trời còn khá cao, trung bình hiện nay
khoảng
5USD/Wp, nên ở các nước đang phát triển pin mặt trời hiện mới chỉ có khả năng duy
nhất là cung cấp năng lượng điện sử dụng cho các vùng sâu, vùng xa mà đường điện
quốc gia chưa có.
Hình 1.21 Pin mặt trời được ứng dụng tại các hộ gia đình và trong nông
nghiệp.
Ở Việt Nam, với sự hỗ trợ của một số tổ chức quốc tế đã thực hiện xây dựng các
trạm điện dùng pin mặt trời phục vụ nhu cầu sinh hoạt và văn hóa của các địa phương
vùng sâu, vùng xa nhất là đồng bằng sông Cửu Long và Tây Nguyên. Tuy nhiên giá
thành của pin mặt trời còn quá cao so với thu nhập của người dân.
GVHD: TỐNG THANH NHÂN SVTH: Võ Hồng Thành & Lê Quốc Dũng
25
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN PANEL HƯỚNG ÁNH SÁNG MẶT TRỜI
Chương 2: KHẢO SÁT VI ĐIỀU KHIỂN
8951
MCS_51 là họ vi điều khiển (Microcontroller) do hãng Intel sản xuất. Vi mạch tổng quát
của họ MSC_51 là 8051.
2.1.Sơ đồ khối của chip MCS51 được trình bày như sau
Chúng có các đặc trưng được tóm tắt như sau
 4Kbyte ROM (được lập trình bởi nhà sản xuất, chỉ có ở 8051).
 128 byte RAM
 4 PORT xuất nhập (I/O PORT) 8 bit.
 2 bộ đếm/ đònh thời 16 bit.
 Mạch giao tiếp nối tiếp.
 64 Kbyte không gian bộ nhớ chương trình mở rộng.

GVHD: TỐNG THANH NHÂN SVTH: Võ Hồng Thành & Lê Quốc Dũng
26
OTHER
REGISTERS
128 byte
RAM
128 byte
RAM
8032/8052
ROM
0K:8031
& 8032
4K:8951
8K:8052
INTERRUPT
CONTROL
INT1\
INT0\
SERIAL PORT
TIMER0
TIMER1
TIMER2
(8032/8052)
CPU
OSCILLATOR
BUS
CONTROL
I/O PORTS
SERIAL
PORT

EA\
RST
ALE
PSEN\
P
0
P
1
P
2
P
3
Address/Data
TXD RXD
TIMER2
8032/8052
TIMER1
TIMER1
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN PANEL HƯỚNG ÁNH SÁNG MẶT TRỜI
 64k byte không gian bộ nhớ dữ liệu mở rộng.
 Một bộ xử lý luận lý (thao tác trên các bit riêng lẻ).
 210 vò trí nhớ được đònh đòa chỉ, mỗi vò trí một bit.
 Bộ nhân / chia 4.
2.2.Vi điều khiển AT89C51
2.2.1 Mô tả
AT89C51 là một hệ vi tính đơn chip CMOS có hiệu suất cao, công suất nguồn tiêu
thụ thấp và có 4 Kbyte bộ nhớ ROM Flash xoá được /lập trình được. Chip này được sản
xuất dựa vào công nghệ bộ nhớ không mất nội dung có độ tích hợp cao của Atmel.
Chip AT89C51 cũng tương thích với tập lệnh và các chân ra của chuẩn công
nghiệp MSC51. Flash trên chip này cho phép bộ nhớ chương trình được lập trình lại trên

hệ thống hoặc bằng bộ lập trình bộ nhớ không mất nội dung quy ước. Bằng cách kết hợp
một CPU linh hoạt 8 bit với flash trên một chip đơn thể, AT89C51 là một hệ vi tính 8 bit
đơn chip mạnh cho ta một giải pháp có hiệu quả về chi phí và rất linh hoạt đối với các
ứng dụng điều khiển.
AT89C51 có các đặc trưng chuẩn sau:
 4 Kbyte flash.
 128 byte RAM.
 32 đường xuất/nhập.
 Hai bộ đònh thời / đếm 16 bit .
 Một cấu trúc ngắt hai mức ưu tiên và 5 nguyên nhân ngắt .
 Một PORT nối tiếp song công .
 Mạch dao động và tạo xung clock trên chip.
Ngoài ra, AT89C51 được thiết kế với logic tónh cho hoạt động có tần số giảm
xuống 0 và hỗ trợ hai chế độ tiết kiệm năng lượng được lựa chọn bằng phần mềm.
Chế độ nghỉ dừng CPU trong khi vẫn cho phép RAM, các bộ đònh thời đếm,
PORT nối tiếp và hệ thống ngắt liên tục hoạt động.
Chế độ nguồn giảm duy trì nội dung của RAM nhưng không cho mạch dao động
cung cấp xung clock nhằm vô hiệu hoá các hoạt động khác của chip cho đến khi có tín
hiệu reset cứng tiếp theo.
Các cấu hình chân ra:
AT89C51 có ba loại cấu hình chân ra, nhưng sử dụng phổ biến nhất là loại PDIP
40 chân có dạng như sau :
GVHD: TỐNG THANH NHÂN SVTH: Võ Hồng Thành & Lê Quốc Dũng
27