THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BÁM CHO MODULE PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

LỜI CẢM ƠN
Qua một thời gian nghiên cứu và thưc hiện, đến nay đồ án tốt nghiệp với đề
tài: “THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BÁM CHO MODULE PIN
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI” do giảng viên -Thạc sĩ Đoàn Văn Điện 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 - Thạc
sĩ Đoàn Văn Điện đã tin tưởng giao đồ án, chỉ đạo và hướng dẫn tận tình
trong suốt quá trình thực hiện đề tài.
Chúng em xin được bày tỏ lòng cảm ơn chân thành tới các giảng viên
Nguyễn Thành Long, Nguyễn Ngọc Minh đã tạo điều kiện thuận lợi cho
chúng em được làm việc tại phòng thí nghiệm đo lường và điều khiển góp
phần quan trọng để hoàn thiện đề tài.
Chúng em cũng xin được gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo trong khoa
Điện-Điện tử, các anh chị lớp ĐK1, các bạn sinh viên lớp ĐK2 đã động viên,
góp ý, tạo điều kiện thuận lợi nhất giúp cho chúng em được hoàn thành đề tài
đúng tiến độ được giao.
Đây là một đề tài mới ở Việt Nam trong khi năng lực của nhóm còn hạn
chế nên việc tìm thêm nhiều tài liệu làm giàu cho đồ án còn thiếu sót. Chúng
em rất mong nhận được nhiều hơn nữa ý kiến phê bình của các thầy cô giáo,
sự chia sẻ tài liệu của các bạn sinh viên để chúng em có thể hoàn thiện hơn
kiến thức của mình.
Chúng em xin chân thành cảm ơn.
1
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN 1
MỤC LỤC 2
MỞ ĐẦU 5
PHẦN 1
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 7

1.1 Cấu trúc và nguồn năng lượng Mặt Trời 8
1.1.1 Cấu trúc Mặt Trời 8
1.1.2 Năng lượng Mặt Trời 10
1.1.3 Phổ bức xạ Mặt Trời 11
1.2 Bức xạ của năng lượng Mặt Trời và đo lường bức xạ năng lượng Mặt
Trời0 13
1.2.1 Phổ bức xạ năng lượng Mặt Trời 13
1.2.2 Đo lường bức xạ năng lượng Mặt Trời 14
PHẦN 2
PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ
HỆ THỐNG NGUỒN PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 16
2.1 Mở đầu 16
2.2 Cơ sở pin năng lượng Mặt Trời 17
2.3 Pin Năng lượng Mặt Trời - Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 19
2.3.1 Cấu tạo 19
2.3.2 Nguyên lý hoạt động 20
2.3.3 Sơ đồ tương đương và các đặc trưng quang điện 21
2.4 Hệ thống nguồn pin năng lượng Mặt Trời 22
PHẦN 3
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BÁM
CHO MODUL PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 25
2
3.1 Đặt vấn đề 25
3.2 Ý tưởng thiết kế và thiết bị hiện có 26
3.2.1 Ý tưởng thiết kế 26
3.2.2 Thiết bị hiện có 27
3.3 Mạch điều khiển, nguyên tắc hoạt động 28
3.3.1 Giới thiệu vi chíp LM339 29
3.3.2 Thiết kế mạch điều khiển 32
3.4. Thiết kế mạch cấp nguồn hệ thống hoạt động 35

3.5 Bộ tích trữ năng lượng(Ắc quy) 37
3.5.1 Quá trình hoá học trong ắc quy Chì/ Acid 37
3.5.2 Các sự cố thường gặp ở ắcquy và cách khắc phục 38
3.5.3 Bộ điều khiển nạp cho ắc quy 39
3.6 Bộ nghịch lưu điện áp 41
3.6.1 Tính toán và thiết kế mạch lực 42
3.6.2Tính toán và thiết kế mạch điều khiển 44
PHẦN 4
TÌM HIỂU PHÀN MỀM LABVIEW, CARD PCI-1710,
ỨNG DỤNG CÔNG CỤ ĐO LƯỜNG ẢO - LABVIEW
ĐO BỨC XẠ MẶT TRỜI, ĐO SỨC GIÓ, ĐO ĐỘ ẨM… 48
4.1 Tổng quan hệ thống đo lường ảo Labview 48
4.2 Các thành phần của Labview ứng dụng 50
4.2.1 Bảng giao diện (The Front Panel) 50
4.2.2. Sơ đồ khối (The Block Diagram) 52
4.2.3. Biểu tượng và ô vuông đầu nối 54
4.3 Những công cụ lập trình LabVIEW 54
4.3.1. Tools Palette 54
4.3.2 Bảng điều khiển (Controls Palette) 56
4.3.3. Bảng các hàm chức năng (Function palette) 58
3
4.4 Giới thiệu Labview 8.5 66
4.4.1 Nền tảng kiểm tra và đo lường tự động 66
4.4.2 LabVIEW 8.5 67
4.5 Giới thiệu Card PCI-1710 69
4.5.1 Khái quát chung 69
4.5.2 Bảng mô tả tín hiệu kết nối vào / ra : 71
4.6 Sử dụng phần mềm Labview phiên bản 8.5 đo bức xạ năng lượng Mặt
Trời tác động lên hệ thống 74
4.6.1 Front Panel – Giao diện 74

4.6.2 Block Diagram – Sơ đồ khối 75
6.6 Đo sức gió 78
6.6.1 Năng lượng gió 78
6.6.2 Thiết kế máy đo sức gió 79
4.7 Đo độ ẩm không khí() 80
PHẦN 5
KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ 80
5.1 Kết luận 80
5.2 Kiến nghị 81
TÀI LIỆU THAM KHẢO 82
4
MỞ ĐẦU
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
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, ô nhiễm
môi trường, thiên tai, địch hoạ Theo ước tính của Liên Hợp Quốc thì trong
vòng một trăm năm qua nhân loại đã sử dụng khoảng 30% tổng trữ lượng dầu
mỏ mà thế giới có được và dự báo trong vòng 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 không thể không
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 vô 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.
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
5
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 hộ. Còn 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 một
“HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MỚI” là khá lớn và để có thể thay đổi được
thói quen sinh hoạt của người dân thì còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố
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 mô các dự án giành cho
người nghèo được chính phủ và các tổ chức nước ngoài tài trợ, còn đối với
đại đa số người dân thì vẫn không 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 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.
Mục đích nghiên cứu của đồ án:
Đồ án hoàn thành nhằm thoả mãn ba mục đích chính: Một là thiết kế thành
công hệ thống điều khiển bám cho Module pin năng lượng Mặt Trời. Hai là
thiết kế thành công hệ thống đo lường bức xạ năng lượng Mặt Trời, sức gió,

độ ẩm sử dụng công cụ đo lường ảo Labview. Ba là tìm hiểu cơ bản về hệ
thống nguồn năng lượng Mặt Trời, ích lợi mà hệ thống mang lại.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
Đối tượng của đề tài là khá phong phú và có nhiều mảng: đó là Hệ thống
nguồn năng lượng điện Mặt Trời( Bao gồm năng lượng bức xạ Mặt Trời, Pin
Mặt Trời, Bộ tích trữ năng lượng, bộ biến đổi điện áp ) hai là hệ thống điều
khiển bám cho tấm pin Mặt Trời, ba là phần mềm Labview và card PCI-1710
6
để thông qua đó thiết kế hệ thống đo thông lượng bức xạ năng lượng Mặt
Trời, đo sức gió
Ý nghĩa thực tế của đồ án:
“Hệ thống điều khiển bám cho module pin năng lượng Mặt Trời ” là một hệ
thống có khả năng tự động điều chỉnh và tạo ra chuyển động tương đối của
tấm Pin Mặt Trời so với Mặt Trời, từ đó sẽ cho điện áp ở đầu ra của tấm pin ở
mọi thời điểm trong ngày là tương đương nhau, nghĩa là hiệu suất tạo ra điện
áp của hệ thống pin sẽ là cao nhất. Bên cạnh đó thì việc thiết kế và đo đạc
thành công lượng bức xạ Mặt Trời tác động lên hệ thống, đo độ ẩm, đo sức
gió sẽ là công cụ hữu hiệu để khảo sát thực địa khi lắp đặt hệ thống pin năng
lượng Mặt Trời hoặc lấy kết quả để có thể dự báo thời tiết
Nội dung của đồ án:
Để thoả mãn được các mục tiêu nêu trên, đồ án được trình bày trong 5 phần
Phần 1: Năng lượng Mặt Trời
Phần 2: Pin năng lượng Mặt Trời và hệ thống nguồn pin năng
lượng Mặt Trời
Phần 3: Thiết kế hệ thống điều khiển bám cho modul pin năng
lượng Mặt Trời
Phần 4: Tìm hiểu Labview, card PCI-1710, ứng dụng công cụ đo
lường ảo labview đo bức xạ năng lượng Mặt Trời, đo sức
gió, đo độ ẩm
Phần 5: Kết luận – Khuyến nghị

PHẦN 1
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
7
1.1 Cấu trúc và nguồn năng lượng Mặt 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 dòng sông… Năng lượng mặt trời có thể nói là vô 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.
1.1.1 Cấu trúc Mặt Trời
Có thể xem mặt trời là một quả cầu khí cách quả đất 1,495.10
8
km. Từ Trái
Đất chúng ta nhìn mặt trời dưới một góc mở là 31’59. từ đó có thể tính được
bán kính của Mặt Trời là R=1,4.10
6
km, 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
130.10
4
lần. Từ định luật Vạn Vật Hấp Dẫn người ta cũng tính được khối
lượng của mặt trời là 1,989.10
27
tấn, lớn hơn khối lượng của Trái Đất là
33.10
14
lần. Mật độ trung bình của mặt trời là 1,4 g/cm
3
, 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 độ có thể
lên đến 160g/cm
3
nhưng càng xa ra phía ngoài thì mật độ càng giảm và giảm
rất nhanh.
Một cách khái quát có thể chia mặt trời thành hai phần chính là phần phía
trong và phần khí quyển bên ngoài:
+ Phần khí quyển bên ngoài 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 và
lõi Mặt Trời.
8
Từ mặt đất nhìn lên, ta có cảm giác Mặt Trời là một quả cầu lửa ổn định.
Thực ra đó là một khối khí khổng lồ, bên trong nó luôn luôn có sự vận động
mạnh mẽ không ngừng, đó là các phản ứng nhiệt hạch vô 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 động không
ngừng trong lòng Mặt Trời. Ngoài ra, bằng kính thiên văn có thể quan sát
được cấu trúc hạt, vật thể hình kim, hiện tượng phụt khói, phát xung
sáng luôn luôn thay đổi và rất dữ dội
Về mặt vật chất thì Mặt Trời chứa đến 78,4% khí hydro(H
2
), Heli(He)
chiếm 19,8%, các nguyên tố khác chiếm 1,8 %. Năng lượng mặt trời do bức
9
xạ là khổng lồ, mỗi dây nó phát ra 3,865.10
26
J tương đương với năng lượng
đốt cháy hết 1,32.10

16
tấn than đá tiêu chuẩn. Tuy vậy nhưng bề mặt của Trái
Đất chỉ nhận được một năng lượng rất nhỏ khoảng 17,57.10
16
J tương đương
6.10
6
tấn than đá.
1.1.2 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 độ mặt ngoài của Mặt Trời
khoảng 6000K(độ Kenvin), còn ở bên trong nhiệt độ có thể lên đến hàng triệu
độ. áp suất bên trong Mặt Trời lớn hơn 340.10
8
MPa. Do nhiệt độ và áp suất
bên trong Mặt Trời cao như vậy nên vật chất đã nhanh chóng bị ion hoá và
chuyển động 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.

10
1.1.3 Phổ bức xạ Mặt Trời
Bức xạ Mặt Trời có bản chất là sóng điện từ, là quá trình chuyển các dao
động điện từ trường trong không gian. Trong quá trình truyền sóng, các
vecteur cường độ điện trường và cường độ từ trường luôn vuông góc với nhau
và vuông góc với phương truyền của sóng điện từ. Quãng đường mà sóng
điện từ truyền được sau một chu kỳ dao động gọi là bước sóng
λ
Trong chân không, vận tốc truyền sóng của sóng điện từ đúng bằng tốc độ
của ánh sáng 3.10
8
m/s. Còn trong môi trường vật chất, vận tốc truyền của
sóng nhỏ hơn và bằng v=c/n, trong đó c là vận tốc ánh sáng, n là chiết suất
tuyệt đối của môi trường(n
≥
1). Các sóng điện từ có bước sóng trải dài trong
một phạm vi rất rộng từ 10
-7
nm đến hàng nghìn km.
Ánh sáng nhìn thấy có bước sóng từ 0,4
µ
m đến gần 0,8
µ
m, chỉ chiếm một
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, hoá, 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
λ

=0,8
µ
m
đến bước sóng ngắn
λ
=0,4
µ
m 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
11
ánh sáng màu vàng có bước sóng
λ
=580nm. Sự phân bố năng lượng đối với
các bước sóng khác nhau cũng khác nhau.
Bảng 1.1.3a sau đây sẽ cho chúng ta thấy quan hệ giữa mật độ năng lượng
của bức xạ điện từ phụ thuộc vào bước sóng của nó, còn bảng 1.1.3b là mối
quan hệ giữa màu sắc ánh sáng và bước sóng của nó.
Bảng 1.1.3a: Phân bố phổ bức xạ Mặt Trời theo bước sóng
Quang phổ Bước sóng Mật độ năng lượng
(W/m2)
Tỷ lệ(%)
Tia vũ trụ
Tia X
Tia tử ngoại C
Tia tử ngoại B
Tia tử ngoại A
< 0,1nm
0,1nm
0,2
÷

0,28
m
µ
0,28
÷
0,32
m
µ
0,32
÷
0,4
m
µ
6,978.10-5
6,978.10-7
7,864.106
2,122.101
8,073.101
0,57
1,55
5,90
Tia nhìn thấy
0,4
÷
0,52
m
µ
0,52
÷
0,62

m
µ
0,62
÷
0,78
m
µ
2,240.102
1,827.102
2,280.102
16,39
13,36
16,68
Tia hồng ngoại
0,78
÷
1,4
m
µ
1,4
÷
3,00
m
µ
3,0
÷
100,0
m
µ
4,125.102

1,836.102
2,637.101
30,18
13,43
1,93
Sóng vô tuyến
0,1
÷
10,0
cm
10,0
÷
100,0
cm
1,0
÷
20
m

Từ bảng trên ta thấy rằng mật độ năng lượng bức xạ Mặt Trời chủ yếu phân
bố trong dải bước sóng từ
m
µλ
2,0=
(Tử ngoại C, mật độ 0,57%) đến
12
m
µλ
3,0=
(Hồng ngoại, mật độ năng lượng 1,93%), còn ngoài vùng đó mật độ

năng lượng không đáng kể.
Bảng 1.1.3b:Màu sắc và bước sóng của ánh sáng 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
1.2 Bức xạ của năng lượng Mặt Trời và đo lường bức xạ năng lượng Mặt
Trời0
1.2.1 Phổ bức xạ năng lượng Mặt Trời
Trái Đất bị bao bọc bởi một 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 ngoài lớp khí quyển Trái Đất, năng lượng bức xạ Mặt Trời có giá trị
là 1353W/m
2
( là hằng số) và gọi là hằng số Mặt Trời. Phổ của bức xạ Mặt
Trời là một đường cong liên tục có năng lượng chủ yếu nằm trong vùng có
bước sóng trong khoảng 0,1
m
µ
đến 0,3
m
µ
. 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 một phần năng lượng của nó không tới được
mặt đất và sự suy giảm năng lượng này do các quá trình vật lý phức tạp gây
ra, đặc biệt là đối với những ngày mây mù, mưa giông thì sự suy giảm còn
13
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 thuộc 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 không xác định được.
Do các quá trình hấp thụ, tán xạ, phản xạ của tia Mặt Trời xảy ra khi nó đi
qua lớp khí quyển nên cường độ bức xạ khi tới mặt đất phụ thuộc vào độ dài
đường đi của tia trong lớp khí quyển, độ 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.
Còn 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.
1.2.2 Đo lường bức xạ năng lượng Mặt Trời
Ngoài phương pháp xác định cường độ Mặt trời tại một điểm bất kì dựa
trên vị trí địa lý (độ cao Mặt trời) trong thực tế người ta đó chế tạo các dụng
cụ đo cường độ bức xạ mặt trời trực tiếp tại điểm cần đo. Thiết bị đo bức xạ
Mặt trời thường có 2 loại : đo trực xạ (pyrheliometer, actinometer) và đo tổng
xạ (pyranometer, solarimeter).
Ngày nay người ta dùng các đầu đo hiện đại sử dụng cảm biến hiện đại, cho
độ nhạy và độ chính xác cao hơn rất nhiều.
14
Hình 1.2.2a. Trực xạ kế
Hình 1.22b. Nhật xạ kế
Hình 1.2.2c. Đầu đo bức xạ dùng Sensor
15
PHẦN 2
PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ

HỆ THỐNG NGUỒN PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
2.1 Mở đầu
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 nghệ nhiệt Mặt 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 độ
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 nghệ 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 còn có bức xạ Mặt Trời chiếu tới nó. Các hệ
thống Panel hay Pin Mặt Trời rất đơn giản, không có phần chuyển động,
không cần đòi 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 đôi chút về cấu tạo, nguyên lý hoạt động
và các đặc trưng cơ bản của Pin Mặt Trời và ứng dụng mạnh mẽ của nó…

16
2.2 Cơ sở pin năng lượng Mặt Trời
Xét một hệ hai mức năng lượng điện tử E
1
và E
2
trong đó E

1
< E
2
.(hình vẽ)
Khi chiếu một chùm tia sáng vào mức năng lượng E
1
, các lượng tử ánh
sáng hay còn 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 E
2.
. Ta có phương trình cân bằng năng lượng: hv= E
2


- E
1

Trong các vật rắn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử
vành ngoài 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 hoàn toàn trống
hoặc bị chiếm một 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 một vùng cấm có độ
rộng năng lượng Eg, trong đó không 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
17
hoá trị một 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 quá trình hấp thụ Photon có thể mô tả bằng phương
trình sau: ev - hvev
→
e- + h+
Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lượng của Phôton và chuyển từ
vùng hoá trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử –lỗ trống là hv= hc/
λ
≥
E
g
= E
c
- E
v
. Từ đó có thể tính được bước sóng giới hạn
λ
C
của ánh sáng để có thể tạo
cặp e
-
- h
+

λ
C
=
EvEc
hc
−
=
Eg
hc
=
)(
24,1
m
Eg
µ
Trong thực tế cá hạt dẫn bị kích thích e
-
và h
+
đều tự tham gia quá trình
“hồi phục”, chuyển động 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

÷

10

-1
giây 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 nội dung sẽ được trình bày lần lượt ở phần dưới.
18
2.3 Pin Năng lượng Mặt Trời - Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
2.3.1 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 môi 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.
19
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, còn 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/m
2
khoảng 30mA/cm
2
.
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 mô 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.
2.3.2 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 độ đủ mạnh, các cặp điện tử - lỗ trống được tạo thành, và
do tác dụng của điện trường tiếp xúc E
TX
nên các cặp bị tách ra và bị gia tốc
về các phía đối diện tạo ra một suất điện động quang điện. Nếu nối các đầu
bán dẫn p và n bằng một dây dẫn thì trong dây dẫn sẽ xuất hiện một dòng điện
gọi là dòng quang điện và cho ở mạch ngoài một công suất hữu ích. Suất điện
động quang điện xuất hiện trong lớp tiếp xúc pn khi chiếu sáng nó, phụ thuộc
vào bản chất vật liệu tạo nên bán dẫn, nhiệt độ lớp tiếp xúc, cường độ bức xạ
và bước sóng của ánh sáng tác động.
20
2.3.3 Sơ đồ tương đương và các đặc trưng quang điện
Như chúng ta đã biết, khi được chiếu sáng, nếu ta nối các bán dẫn p và n

của một tiếp xúc p-n bằng một dây dẫn, thì pin Mặt Trời phát ra một dòng
năng lượng quang điện I
ph
. Vì thế ta có thể coi pin Mặt Trời tương đương như
một nguồn dòng.
Lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có tính chỉnh lưu tương đương như một diode, tuy
nhiên khi phân cực ngược, do điện trở lớp tiếp xúc có giới hạn nên vẫn có một
dòng điện được gọi là “dòng điện dò” qua nó. Để đặc trưng cho “dòng điện
dò” qua lớp tiếp xúc p-n người ta đưa vào đại lượng điện trở shun R
sh
Khi dòng quang điện chạy trong mạch, nó phải đi qua các lớp bán dẫn p và
n, các điện cực, các lớp tiếp xúc,… Đặc trưng cho tổng các điện trở của các
lớp đó là một điện trở R
s
nối tiếp trong mạch(có thể gọi là điện trở nội của
pin Mặt Trời), như vậy một pin Mặt Trời khi được chiếu sáng có sơ đồ tương
đương như sau:
Từ sơ đồ tương đương trên, áp dụng định luật Kiếchốp I ta có thể viết được
phương trình đặc trưng sáng Volt-ampe của pin Mặt Trời như sau:
I=
shD
III −−
φ
21
Trong đó:
φ
I
: dòng quang điện(A/m2)
D
I

: dòng qua diode(A/m2)
sh
I
: điện trở sơn(điện trở dò) (
2
/ mΩ
)
SC
I
: dòng đoản mạch
OC
V
: thế hở mạch
PM: điểm làm việc công suất cực đại
- Chú ý:
+Dòng đoản mạch là dòng điện trong mạch của pin Mặt Trời khi làm ngắn
mạch ngoài. Lúc đó hiệu điện thế mạch ngoài của pin bằng 0.
+ Thế hở mạch V
OC
là hiệu điện thế được đo khi mạch ngoài của pin Mặt
Trời hở mạch, khi đó R=
∞
, I=0.
2.4 Hệ thống nguồn pin năng lượng Mặt Trời
Hiện nay có hai công nghệ chế tạo nguồn điện pin Mặt Trời thông dụng.
Đó là hệ nguồn điện pin Mặt Trời nối lưới và hệ nguồn độc lập. Trong hệ
nguồn pin nối lưới, điện năng một chiều từ dàn pin được biến đổi thành dòng
điện xoay chiều và hoà đồng bộ vào mạng lưới điện công nghiệp, ưu điểm của
loại nguồn này là không phải sử dụng bộ tích trữ năng lượng gây tốn kém và
ô nhiễm môi trường. Trong hệ nguồn điện pin Mặt Trời độc lập, người ta

thường sử dụng cho những vùng không có lưới điện hoặc quy mô hộ gia đình.
Công nghệ này phần lớn được ưu tiên sử dụng cho những vùng nông thôn,
vùng sâu vùng xa thuộc quốc gia đang phát triển bởi tính gọn nhẹ, công suất
phù hợp và điều khiển, sử dụng dễ dàng. Trong giới hạn của đề tài, chúng em
chỉ nghiên cứu loại hệ nguồn pin Mặt Trời độc lập
Theo đó, một hệ nguồn pin năng lượng Mặt Trời độc lập được định nghĩa
là một hệ thống các thiết bị bao gồm dàn pin Mặt Trời, bộ tích trữ năng
22
lượng, bộ biến đổi điện và các tải tiêu thụ(bao gồm tải một chiều và xoay
chiều).
Dàn pin Mặt Trời gồm một hoặc một số module pin Mặt Trời ghép song
song, nối tiếp hay hỗn hợp với nhau để có công suất điện, hiệu điện thế phù
hợp với yêu cầu của các tải tiêu thụ. Trong hệ thống nguồn điện pin Mặt Trời
thì dàn pin có vai trò chủ đạo và chiếm đến 60% tổng chi phí đầu tư. Dàn pin
nhận ánh sáng Mặt Trời và biến đổi trực tiếp thành điện năng một chiều, điện
năng này một phần được sử dụng trực tiếp cho tải tiêu thụ, một phần được
tích trữ năng lượng nhờ bộ tích trữ sau đó được biến đổi thành điện xoay
chiều.
Bộ tích trữ năng lượng có vai trò quan trọng khi mà các tải tiêu thụ cần có
năng lượng cung cấp một cách liên tục hoặc vào các thời điểm không có nắng.
Năng lương mà pin Mặt Trời thu được hay cụ thể là điện áp thu được
không ổn định do trời có lúc nắng to, lúc lại âm u, nhiều mây vì thế để có thể
ổn định điện áp hay kiểm soát quá trình nạp điện cho ắcquy thì người ta phải
chế tạo bộ điều phối năng lượng. Bộ điều phối này có thể tự động nạp cho
ắcquy khi ắc quy thiếu điện và tự động dừng nạp khi ắcquy đã đầy tránh hiện
tượng nổ hoặc ảnh hưởng tới tuổi thọ của ăcquy.
23
Các thiết bị sử dụng trong sinh hoạt chủ yếu là các thiết bị điện xoay chiều
như quạt điện, đèn chiếu sáng, Vì thế để có thể sử dụng chúng từ nguồn điện
một chiều thu được chúng ta phải sử dụng một thiết bị biến đổi điện năng từ

một chiều sang xoay chiều hay còn gọi là bộ nghịch lưu điện áp(inverter).
Tất cả các thiết bị điều khiển quá trình phóng-nạp điện cho ắcquy, thiết bị
biến đổi điện…đều có nhiệm vụ chung là phối hợp, điều tiết sự cung cấp và
cân bằng năng lượng trong hệ thống; nên chúng được gọi chung là thành phần
cân bằng năng lượng BOS(Balance Of System).
24
PHẦN 3
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BÁM
CHO MODUL PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
3.1 Đặt vấn đề
Trong hệ nguồn pin Mặt Trời, thành phần quan trọng nhất là dàn Pin. Tùy
thuộc vào công suất của hệ, dàn Pin có thể có diện tích chỉ khoảng 0.5m
2
nhưng cũng có thể diện tích đến hàng chục hay hàng trăm m
2
. Với Pim Mặt
Trời tinh thể silic hiện nay thì 1 Panel Pin công suất khoảng 100W có diện
tích 1m
2
.
Việc định hướng Pin Mặt Trời là công việc cần được quan tâm đặc biệt vì
nó ảnh hưởng trực tiếp đến điện năng do dàn Pin phát ra hàng ngày.
Như chúng ta đã biết, Trái Đất phải thực hiện cùng một lúc hai chuyển
động, một chuyển động quanh chính trục của nó và một chuyển động xung
quanh mặt trời. Vì vậy, từ Trái Đất ta có thể coi Mặt Trời “chuyển động”
hàng ngày trên bầu trời từ Đông sang Tây và lệch theo hướng Bắc – Nam so
với đường Xích Đạo theo một đường hình sin, đạt vị trí cực bắc ở vĩ độ 23,45
vào ngày Hạ Chí(21-6) và đạt vị trí cực nam ở vĩ độ -23,45 vào ngày Đông
Chí(21-12) hàng năm. Do vậy phương tới của Mặt Trời đối với một mặt cố
định nào đó đặt trên mặt đất biến thiên liên tục và phức tạp.

Về mặt lý thuyết, để thu được năng lượng Mặt Trời một cách triệt để, tức là
làm cho lượng bức xạ Mặt Trời chiếu vào dàn Pin là tối đa ở mọi thời điểm
trong ngày thì ta phải làm cho dàn Pin luôn hướng về phía Mặt Trời. Muốn
vậy dàn Pin phải quay theo hai trục: trục Bắc-Nam để hướng tấm Pin Mặt
Trời từ Đông sang Tây tương ứng với vị trí hàng ngày của Mặt Trời trên bầu
trời; trục Đông-Tây để quay tấm Pin Mặt Trời lên xuống theo hướng Bắc-
Nam. Hơn thế nữa, khi trời mưa, hệ thống có thể tự nghiêng một góc
α
để
25