(Đồ án hcmute) thiết kế bộ nạp acquy từ pin mặt trời và giám sát tải

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 - ĐIỆN TỬ

THIẾT KẾ BỘ NẠP ACQUY
TỪ PIN MẶT TRỜI VÀ GIÁM SÁT TẢI

GVHD: Th.S NGUYỄN ĐÌNH PHÚ
SVTH: NGƠ VĂN KHÁNH
MSSV: 09901032
SVTH: LÊ NGỌC KHOA
MSSV: 09901033

SKL 0 0 4 2 3 8

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 1/2016

do an


BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ-CÔNG NGHIỆP
---------------------------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ BỘ NẠP ACQUY TỪ PIN
MẶT TRỜI VÀ GIÁM SÁT TẢI
GVHD: Th.S NGUYỄN ĐÌNH PHÚ
SVTH1: NGÔ VĂN KHÁNH
MSSV: 09901032
SVTH2: LÊ NGỌC KHOA
MSSV: 09901033
Lớp:

099011A

Tp. Hồ Chí Minh - 1/2016

do an


TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT
TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
Tp. HCM, ngày 10 tháng 1 năm 2016

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên:
Chuyên ngành:
Hệ đào tạo:

Khóa:

Ngơ Văn Khánh
Lê Ngọc Khoa
Sư Phạm Điện - Điện tử
Đại học chính quy
2009

MSSV: 09901032
MSSV: 09901033

Lớp:

099011A

I. TÊNĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ NẠP ACQUY TỪ PIN MẶT TRỜI
VÀ GIÁM SÁT TẢI
II. NHIỆM VỤ
1. Các số liệu ban đầu:
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
2. Nội dung thực hiện:
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................

......................................................................................................................................
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
10/10/2015
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 10/01/2016
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
Ths. Nguyễn Đình Phú
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

BM. ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP

ii

do an


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT TPHCM
Khoa Điện - Điện Tử
Bộ Môn Điện Tử Cơng Nghiệp

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
Tp. HồChí Minh, ngày.....tháng...... năm 2016

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên 1: ...........................................................................................................
Lớp: ............................................................................... MSSV: .......................................
Họ tên sinh viên 2: ...........................................................................................................
Lớp: ............................................................................... MSSV: .......................................
Tên đề tài: .........................................................................................................................
...........................................................................................................................................

Tuần/ngày

Nội dung

Xác nhận
GVHD

GV HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)
iii

do an


LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong bộ môn Điện Tử Công Nghiệp đã trang
bị cho em kiến thức và giúp đỡ em giải quyết những khó khăn trong q trình làm đồ án.
Đặt biệt em xin chân thành cảm ơn Thầy hướng dẫn, Th.S Nguyễn Đình Phú đã tận
tình giúp đỡ trong quá trình lựa chọn đề tài và hỗ trợ em trong quá trình thực hiện.

Người thực hiện đề tài
Ngơ Văn Khánh
Lê Ngọc Khoa

v

do an


MỤC LỤC

Trang bìa ........................................................................................................................ i
Nhiệm vụ đồ án ............................................................................................................. ii
Lịch trình...................................................................................................................... iii
Cam đoan ..................................................................................................................... iv
Lời cảm ơn .................................................................................................................... v
Mục lục ........................................................................................................................ vi
Liệt kê hình vẽ ............................................................................................................. ix
Liệt kê bảng ................................................................................................................ xi
Tóm tắt ........................................................................................................................ xii

CHƯƠNG 1. DẪN NHẬP ................................................................................ 1
1.1. Đặt vấn đề .......................................................................................................... 1
1.2. Lý do chọn đề tài ............................................................................................... 1
1.3. Nội dung nghiên cứu .......................................................................................... 2
1.4. Giới hạn .............................................................................................................. 2
1.5. Bố cục đề tài ....................................................................................................... 2

CHƯƠNG 2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................ 4
2.1. Pin mặt trời ....................................................................................................... 4
2.1.1. Cấu tạo pin mặt trời ....................................................................................... 5
2.1.2. Nguyên lý hoạt động của tấm pin mặt trời ............................................... 7
2.1.3. Đặc tính làm việc của pin mặt trời .......................................................... 10
2.1.3.1. Dòng qua diode........................................................................................ 11
2.1.3.2. Dòng ngắn mạch ISC................................................................................ 11
2.1.3.3. Điện áp hở mạch VOC.............................................................................. 13
2.1.3.4. Điểm công suất cực đại ......................................................................... 14
2.2. Acquy ............................................................................................................. 17
2.2.1. Giới thiệu về Acquy ................................................................................... 17
2.2.2. Các phương pháp phóng nạp Acquy ........................................................... 18

do an


2.2.2.1. Phóng điện Acquy ................................................................................... 18
2.2.2.2. Các phương pháp nạp Acquy ................................................................... 19
2.3. LCD ................................................................................................................ 20
2.4. IC cảm biến dòng ACS712 ............................................................................. 22
2.5. Board Arduino Mega 2560 ............................................................................ 23
2.5.1. Giới thiệu chung về Arduino ........................................................................ 23
2.5.2. Giới thiệu về board Arduino Mega 2560 ................................................... 24
2.6. Động cơ bước ................................................................................................ 25
2.6.1. Đặc điểm chung ............................................................................................ 25
2.6.2.Phân loại động cơ bước ................................................................................. 25
2.6.3. Nguyên lý hoạt động của động cơ bước ...................................................... 26

CHƯƠNG 3.THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ – ĐIỆN TỬ .................... 30
3.1. Yêu cầu điều khiển .......................................................................................... 30
3.2. Sơ đồ khối hệ thống ........................................................................................ 31
3.3. Thiết kế chế tạo kết cấu cơ khí cho hệ thống ................................................... 31
3.4. Thiết kế mạch điều khiển và mạch công suất ................................................. 35
3.4.1. Mạch đo điện áp ........................................................................................... 35
3.4.2. Mạch đo dòng điện ...................................................................................... 36
3.4.3. Mạch hướng ánh sáng ................................................................................. 37
3.4.4. Mạch điều khiển và hiển thị ........................................................................ 38
3.4.5. Mạch driver điều khiển động cơ bước ......................................................... 39
3.4.6. Mạch nạp Cuk converter .............................................................................. 40
3.4.7. Mạch nghịch lưu một pha ............................................................................ 41

CHƯƠNG 4.LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN ................................. 43
4.1. Yêu cầu điều khiển .......................................................................................... 43

4.2. Lưu đồ điều khiển ........................................................................................... 44

CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU. ................................................... 48
CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN. ........................... 49
vii

do an


6.1. Kết luận ............................................................................................................. 49
6.2. Hướng phát triển ............................................................................................... 49

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................
PHU LỤC

..............................................................................................................

viii

do an


LIỆT KÊ HÌNH VẼ
Hình

Trang

Hình 2.1: Tồn tại điện trường giữa hai lớp tiếp giáp P-N ............................................. 4
Hình 2.2: Cấu tạo tổng thể pin mặt trời ........................................................................ 5
Hình 2.3: Các loại cấu trúc tinh thể pin mặt trời ........................................................... 6

Hình 2.4: Quá trình tạo một Panel pin mặt trời............................................................. 6
Hình 2.5: Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời........................................................... 7
Hình 2.6: Hệ thống 2 mức năng lượng E1 < E2 ........................................................... 7
Hình 2.7 Các vùng năng lượng ..................................................................................... 8
Hình 2.8: Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời........................................................... 9
Hình 2.9: Đồ thị biểu diễn đặc tính làm việcA – V của pin mặt trời ........................... 10
Hình 2.10: Sơ đồ tương đương của pin mặt trời .......................................................... 11
Hình 2.11: Sơ đồ tương đương đơn giản của pin mặt trời ........................................... 12
Hình 2.12: Dịng ngắn mạch ISC .................................................................................... 12
Hình 2.13: Điện áp hở mạch VOC .................................................................................. 13
Hình 2.14: Đồ thị điện áp hở mạch VOC và ISC.............................................................. 14
Hình 2.15: Pin mặt trời khi ngắn mạch, hở mạch và gắn với tải .................................. 14
Hình 2.16: Đồ thị V – A – P của pin mặt trời ............................................................... 15
Hình 2.17: Xác định điểm MPP của pin mặt trời .......................................................... 15
Hình 2.18: Ghép 2 tấm pin song song với nhau và đặc tuyến U-I ................................ 16
Hình 2.19: Ghép 2 tấm pin nối tiếp với nhau và đặc tuyến U-I .................................... 16
Hình 2.20: Cấu tạo Acquy chì ....................................................................................... 17
Hình 2.21: Sơ đồ chân của LCD ................................................................................... 20
Hình 2.22: Sơ đồ chân ACS712 .................................................................................... 21
Hình 2.23: Sơ đồ kết nối ACS712 ................................................................................ 23
Hình 2.24: Board Arduino Mega 2560 ......................................................................... 24
Hình 2.25: Cấu tạo động cơ bước đơn cực ................................................................... 27
Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống ...................................................................................... 31
Hình 3.2: Chuyển động quay của 2 trục tọa độ ............................................................. 32
Hình 3.3: Mơ hình cơ khí - điên tử sau khi lắp ráp ....................................................... 34
Hình 3.4: Giới thiệu về phần cứng ................................................................................ 35
ix

do an

Hình 3.5: Sơ đồ mạch đo điện áp .................................................................................. 35
Hình 3.6: Sơ đồ mạch đo dịng điện .............................................................................. 36
Hình 3.7: Sơ đồ mạch hướng ánh sáng ......................................................................... 37
Hình 3.8: Sơ đồ mạch điều khiển và hiển thị ................................................................ 38
Hình 3.9: Sơ đồ mạch driver điều khiển động cơ bước ................................................ 39
Hình 3.10: Sơ đồ mạch Cuk converter .......................................................................... 40
Hình 3.11: Sơ đồ mạch nghịch lưu một pha ................................................................. 41
Hình 4.1: Lưu đồ giải thuật ........................................................................................... 42

ii

do an


LIỆT KÊ BẢNG
Bảng

Trang

Bảng 2.1: Trị số tỷ trọng chất điện phân của Acquy ...................................................... 18
Bảng 2.2: Chức năng các chân của LCD ........................................................................ 21
Bảng 2.3: Cách điều khiển các cực của động cơ bước chế độ bước đủ (Full-Step) ....... 28
Bảng 2.4: Cách điều khiển các cực của động cơ bước chế độ nửa bước (Half-Step)..... 29
Bảng 5.1: Bảng giá trị thực tế đo được của mơ hình ..................................................... 45

xi

do an

TĨM TẮT

Ngày nay, con người khơng ngừng khai thác các nguồn tài nguyên để phục vụ đời sống
cũng như sản xuất, làm cho các nguồn nhiên liệu như than đá, dầu mỏ, khí đốt cạn kiệt dần.
Việc tìm kiếm nguồn năng lượng mới như năng lượng mặt trời, gió, hạt nhân … là rất cần
thiết. Với một đất nước đang trên đà phát triển như nước ta thì việc khai thác các nguồn năng
lượng mới để giảm sự phụ thuộc vào các nguồn năng lượng truyền thống cũng đang được áp
dụng. Năng lượng mặt trời được coi là nguồn năng lượng sạch và dồi dào. Tuy nhiên, việc
sử dụng triệt để nguồn năng lượng mặt trời này đã không được chú trọng. Đa số các tấm pin
mặt trời được lắp đặt cố định làm giảm hiệu suất của tấm pin.
Vì vậy, nhóm đã chọn đề tài: “THIẾT KẾ BỘ NẠP ACQUY TỪ PIN MẶT TRỜI
VÀ GIÁM SÁT TẢI”.
Đề tài sử dụng board Arduino Mega 2560 để điều khiển, dùng động cơ bước để quay
tấm pin vng góc với mặt trời, nạp cho acquy bằng mạch Cuk converter, có thể cấp nguồn
cho tải AC với công suất < 40W, hiển thị năng lượng của acquy và dòng tải trên LCD.

xii

do an


THIẾT KẾ BỘ NẠP ACQUY TỪ PIN MẶT TRỜI VÀ GIÁM SÁT TẢI

2016

Chương 1
DẪN NHẬP
1.1.

ĐẶT VẤN ĐỀ
Năng lƣợng tái tạo, trong đó có năng lƣợng mặt trời đã và đang đƣợc cả thế giới

quantâm nghiên cứu và sử dụng. Trên thế giới, các nƣớc phát triển đã có rất nhiều ứng
dụng trongđời sống và trong công nghiệp để thu đƣợc các nguồn năng lƣợng này. Với ƣu
điểm là sẵn có,dồi dào, là nguồn năng lƣợng sạch, thân thiện với môi trƣờng, năng lƣợng
mặt trời đang là giảipháp thay thế cho các nguồn năng lƣợng khác đang ngày cạn kiệt trên
Trái Đất. Tại các nƣớcđang phát triển, trong đó có Việt Nam việc sử dụng năng lƣợng mặt
trời đã đƣợc quan tâm vàkhích lệ, tuy nhiên những ứng dụng cịn rất hạn chế.

1.2.

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Nhu cầu về năng lƣợng của con ngƣời trong thời đại khoa học kỹ thuật phát triển

ngàycàng tăng. Trong khi đó các nguồn nhiên liệu dự trữ nhƣ than đá, dầu mỏ, khí thiên
nhiên vàthủy điện đều có hạn, khiến cho nhân loại đứng trƣớc nguy cơ thiếu hụt năng
lƣợng. Con ngƣờicần tìm ra các nguồn năng lƣợng mới. Cùng với nănglƣợng gió, thủy
triều, năng lƣợng mặttrời là hƣớng phát triển năng lƣợng quan trọng trong tƣơng lai.
Hiện nay hệ thống pin mặt trời thƣờng đƣợc lắp cố định, do đó pin chỉ đạt hiệu suất
lớnnhất khi ánh sáng mặt trời vng góc với mặt phẳng của tấm pin. Các vùng khác, hiệu
suất củatấm pin mặt trời sẽ giảm. Để nâng cao hiệu suất của pin mặt trời, cần một hệ
thống cảm biếnxác định hƣớng chiếu của ánh sáng mặt trời, từ đó điều khiển cho mặt
phẳng của tấm pinhƣớng vng góc với ánh sáng mặt trời.
Với mong muốn đƣa những ứng dụng sử dụng năng lƣợng mặt trời ở Việt Nam
đƣợcphổ biến và phát triển hơn nữa, đem những kiến thức đã học đƣợc áp dụng vào thực
CHƢƠNG 1 : DẪN NHẬP

1

do an


THIẾT KẾ BỘ NẠP ACQUY TỪ PIN MẶT TRỜI VÀ GIÁM SÁT TẢI

2016

tế sảnxuất, vì vậy nhóm sinh viên chúng em đã thực hiện đề tài:“ THIẾT KẾ BỘ NẠP
ACQUY TỪ PIN MẶT TRỜI VÀ GIÁM SÁT TẢI” .

1.3.

NỘ DUNG NGHIÊN CỨU
Sản phẩm làm ra là sự kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và triển khai thực tế trên

cơ sởlàm việc theo nhóm. Đề tài là sự kết hợp giữa cơ khí- điện tử, thiết kế kết cấu cơ
khí,chọn động cơ và thiết kế chế tạo mạch điều khiển.
Với mục tiêu thiết kế và chế tạo hệ thốngnạpacquytừ pin mặt trời vàgiámsáttảinhƣng
do điều kiện thời gian,kinh phí có hạn đề tài chỉ giới hạn trong phạm vi sau:
 Mô hình hóa hệ thống định hƣớng pin mặt trời dùng cho học tập và nghiên cứu
 Động cơ dẫn động cơ khí là động cơ bƣớc.
 Mạchnạpnạpchoacquy 4Ah.

1.4.

GIỚI HẠN

 Nângcaohiệusuấtchuyểnđổicủatấm pin thơng qua việcđiềukhiểnvịtrítấm pin.
 Tảigiámsátlàtải DC.
 Hiểnthịmứcnănglƣợngcủaacquyvàdịngtảitrên LCD.

1.5.

BỐ CỤC ĐỀ TÀI

- Chương 1:Dẫnnhập
Trìnhbàylý do chọnđềtài, ucầucủađềtài,so sánhvớimộtsốđềtàitƣơngtựtrƣớcđây,
ngƣờiđọcsẽhiểuthêmvềnhiệmvụcủađềtài,
giớihạnmànhómlàmcũngnhƣphƣơngphápthựchiệnvàtiếpcậnvềkiếnthứcvàkỹthuậthiện nay .
- Chương2:Cơsởlýthuyết
Cấutạo,

nguyênlýlàmviệcvàđặctínhcủa

pin

mặttrời

,Nguyênlýlàmviệccủađộngcơbƣớc , board Arduino Mega 2560.
- Chương 3:Thiếtkếchếtạohệthốngcơkhí – điệntử

CHƢƠNG 1 : DẪN NHẬP

2

do an


THIẾT KẾ BỘ NẠP ACQUY TỪ PIN MẶT TRỜI VÀ GIÁM SÁT TẢI
Cấutạo,

ngunlý,

cácthànhphầncủahệthốngnạpacquytừ

mặttrờicủanhómsẽđƣợcnóirõ.Từ

ý

2016
pin

tƣởngbắtđầuvềphầncứng,

chƣơngtrìnhđiềukhiểntớikhihồnthànhmơhình.
- Chương 4:Lưuđồgiảithuậtđiềukhiển
Trìnhbàylƣuđồgiảithuậtđiềukhiểncủahệthống.
- Chương 5:Kếtquảnghiêncứu
Trìnhbàykếtquảqtrìnhnhómnghiêncứuvàthicơnghệthống,
- Chương 6:Kếtluậnvàhướngpháttriển
Trìnhbàynhữnggìđãđạtđƣợcvànhữnghạnchếcủađềtàivànêurahƣớngpháttriển.

CHƢƠNG 1 : DẪN NHẬP

3

do an


THIẾT KẾ BỘ NẠP ACQUY TỪ PIN MẶT TRỜI VÀ GIÁM SÁT TẢI

2016

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1

Pin Mặt Trời
Pin mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện), là thiết bị bán dẫn chứa một

số lƣợng lớn các diode p-n, đặt dƣới sự chiếu sáng của mặt trời có thể tạo ra dòng điện sử
dụng đƣợc. Loại pin mặt trời thông dụng nhất hiện nay là loại sử dụng Silic tinh thể. Tinh
thể Silic tinh khiết là chất bán dẫn điện rất kém vì các điện tử bị giam giữ bởi liên kết
mạng, khơng có điện tử tự do.
Khi chiếu ánh sáng vào pin quang điện một phần sẽ bị phản xạ (do đó trên bề mặt
pin quang điện có một lớp chống phản xạ ) và một phần bị hấp thụ khi truyền qua lớp N.
Một phần may mắn hơn đến đƣợc lớp chuyển tiếp, nơi có các cặp e và lỗ trống nằm
trong điện trƣờng của bề mặt giới hạn p-n. Với các bƣớc sóng thích hợp sẽ truyền cho e
một năng lƣợng đủ lớn để bật khỏi liên kết. Sẽ khơng thể có chuyện gì nếu khơng có điện
trƣờng nhỏ tạo bởi lớp chuyển tiếp. Đó là lí do giải thích vì sao nếu ta chiếu ánh sáng vào
một vật bán dẫn thì khơng thể sinh ra dịng điện.
Bán dẫn loại N

Bán dẫn loại P

Hình 2.1 Tồn tại điện trường giữa hai lớp tiếp giáp P-N
Những cặp e và lỗ trống này nằm trong tác dụng của điện trƣờng do đó e sẽ bị kéo về
phía bán dẫn loại n còn lỗ trống bị kéo về phía bán dẫn loại p. Kết quả là nếu ta nối hai
cực vào hai phần bán dẫn loại n và p sẽ đo đƣợc một hiệu điện thế. Giá trị hiệu điện thế

CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

do an

4


THIẾT KẾ BỘ NẠP ACQUY TỪ PIN MẶT TRỜI VÀ GIÁM SÁT TẢI

2016

này phụ thuộc vào bản chất của chất làm bán dẫn và tạp chấp đƣợc hấp phụ . Với Si (
B;P) thì giá trị này ở khoảng 0,6V.

2.1.1

Cấu tạo pin mặt trời

Cấu tạo của pin mặt trời là một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n, có khả năng biến đổi trực
tiếp năng lƣợng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên trong. Cấu
tạo tổng thể của pin mặt trời đƣợc trình bày trong hình sau:

Hình 2.2 Cấu tạo tổng thể pin mặt trời
Một tấm pin mặt trời điển hình có những thành phần chính sau đây: 2 điện cực, lớp
chống phản quang, lớp bán dẫn loại n, lớp bán dẫn loại p.
Pin mặt trời từ tinh thể Silic chia làm 3 loại:
+ Một tinh thể hay đơn tinh thể module: đƣợc sản xuất dựa trên q trình
Czochralski. Pin mặt trời loại này có thể đạt hiệu suất 11% - 16%, giá thành rất cao do
chúng đƣợc cắt từ những thỏi hình ống, các tấm đơn tinh thể này có mặt trống ở góc nối
các module.

CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

do an

5


THIẾT KẾ BỘ NẠP ACQUY TỪ PIN MẶT TRỜI VÀ GIÁM SÁT TẢI

2016

+ Đa tinh thể: đƣợc làm từ các thỏi đúc bằng Silic nung chảy cẩn thận đƣợc làm
nguội và làm rắn. Các pin loại này thƣờng rẻ hơn so với pin loại đơn tinh thể, tuy nhiên
hiệu suất kém hơn, nó chỉ đạt 8% - 11%. Nhƣng chúng có thể tạo thành các tấm vng có
độ che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể, bù lại cho hiệu suất thấp của nó.
+ Dãi Silic: cấu tạo từ các miếng phim Silic mỏng nóng chảy và có cấu trúc đa tinh
thể. Loại này có hiệu suất thấp nhất khoảng 3% - 6%, nhƣng lại có giá thành rẻ nhất.

Hình 2.3 Các loại cấu trúc tinh thể pin mặt trời
Quá trình chế tạo một tấm pin năng lƣợng mặt trời nhƣ hình sau:

Hình 2.4 Quá trình tạo một Panel pin mặt trời

CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

do an

6

THIẾT KẾ BỘ NẠP ACQUY TỪ PIN MẶT TRỜI VÀ GIÁM SÁT TẢI

2016

Hình 2.5 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

2.1.2 Nguyên lý hoạt động của tấm pin mặt trời

Hình 2.6 Hệ thống 2 mức năng lượng E1 < E2.
CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

do an

7


THIẾT KẾ BỘ NẠP ACQUY TỪ PIN MẶT TRỜI VÀ GIÁM SÁT TẢI

2016

Bình thƣờng điện tử chiếm mức năng lƣợng thấp E1. Khi đƣợc năng lƣợng mặt trời
chiếu sáng, các lƣợng tử ánh sáng mang năng lƣợng (photon) bị điện tử hấp thụ và chuyển
lên mức năng lƣợng E2. Phƣơng trình cân bằng:
hv = E2 - E1
Trong đó:

(2.1)

h: hằng số plank

v: vận tốc ánh sáng

Trong các vật rắn, do lực tƣơng tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử ở vành
ngồi, nên các năng lƣợng của nó bị tách ra nhiều mức năng lƣợng con rất sát nhau và tạo
thành vùng năng lƣợng. Vùng năng lƣợng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi ở trạng thái
cân bằng, gọi là vùng hóa trị mà bên trên của nó có mức năng lƣợng EV, vùng năng lƣợng
phía trên tiếp đó hồn tồn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn, bên dƣới
của vùng có mức năng lƣợng EC, cách ly giữa vùng hóa trị và vùng dẫn là vùng cấm có độ
rộng năng lƣợng Eg, trong đó khơng có mức năng lƣợng cho phép nào của điện tử.
Khi ánh sáng chiếu đến cùng có mức năng lƣợng nói trên, photon có mức năng
lƣợng hv tới hệ thống, bị điện tử của vùng hóa trị hấp thụ và nó có thể chuyển lên vùng
dẫn để trở thành điện tử tự do e-, lúc này vùng hóa trị sẽ có một lỗ trống có thể di
chuyển nhƣ “hạt” mang điện tích dƣơng (kí hiệu là h+). Lỗ trống này có thể di chuyển và
tham gia vào q trình dẫn điện.

Hình 2.7 Các vùng năng lượng

Phƣơng trình hiệu ứng lƣợng tử:
eV + hv → e- + h+

(2.2)

CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

do an

8


THIẾT KẾ BỘ NẠP ACQUY TỪ PIN MẶT TRỜI VÀ GIÁM SÁT TẢI

2016

Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lƣợng của photon và chuyển từ vùng hóa
trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử cà lỗ trống là:
hv > Eg = EC – EV

(2.3)

Suy ra bƣớc sóng tới hạn λC của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e- - h+ là:
λC = hc/( EC – EV)

(2.4)

Vậy khi chiếu sáng vào vật rắn, điện tử ở vùng hóa trị hấp thụ năng lƣợng 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 tƣợng đó gọi là quang điện bên trong.
Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời chính là hiện tƣợng quang điện xảy ra trên
lớp tiếp xúc p – n.

Hình 2.8 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời
Khi một photon chạm vào mảnh silic, một trong hai điều sẽ xảy ra:
+ Photon truyền trực tiếp xuyên qua mảnh silic. Điều này thƣờng xảy ra khi năng
lƣợng của photon thấp hơn năng lƣợng cần thiết để đƣa các hạt electron lên mức năng
lƣợng cao hơn.
+ Năng lƣợng của photon đƣợc hấp thụ bởi silic. Điều này thƣờng xảy ra khi năng
lƣợng của photon lớn hơn năng lƣợng để đƣa electron lên mức năng lƣợng cao hơn.

CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

do an

9


THIẾT KẾ BỘ NẠP ACQUY TỪ PIN MẶT TRỜI VÀ GIÁM SÁT TẢI

2016

Khi photon đƣợc hấp thụ, năng lƣợng của nó đƣợc truyền đến các hạt electron
trong màng tinh thể. Thơng thƣờng các electron này lớp ngồi cùng, và thƣờng đƣợc kết
dính với các ngun tử lân cận vì thế khơng thể di chuyển xa. Khi electron đƣợc kích
thích, trở thành dẫn điện, các electron này có thể tự do di chuyển trong bán dẫn.
Khi đó nguyên tử sẽ thiếu một electron và đó gọi là lỗ trống. Lỗ trống này tạo điều
kiện cho các electron của nguyên tử bên cạnh di chuyển đến lấp vào lỗ trống, và điều này
tạo ra lỗ trống cho nguyên tử lân cận có "lỗ trống". Cứ tiếp tục nhƣ vậy lỗ trống di chuyển
xuyên suốt mạch bán dẫn.
Một photon chỉ cần năng lƣợng lớn hơn năng lƣợng đủ để kích thích electron lớp
ngồi cùng dẫn điện. Tuy nhiên, tần số của mặt trời thƣờng tƣơng đƣơng 6000oK vì thế
phần lớn năng lƣợng mặt trời đƣợc hấp thụ bởi Silic. Nhƣng hầu hết năng lƣợng mặt trời
chuyển đổi thành lƣợng nhiệt nhiều hơn là chuyển đổi thành lƣợng điện để sử dụng.

2.1.3 Đặc tính làm việc của pin mặt trời
Đặc tính làm việc của pin mặt trời thể hiện qua hai thông số là điện áp hở mạch lớn
nhất VOC lúc dòng ra bằng 0 và dòng điện ngắn mạch ISC khi điện áp ra bằng 0. Cơng suất
của pin đƣợc tính theo cơng thức:
P = I.U

(2.5)

Tại điểm làm việc U = UOC/I = 0 và U = 0/I = ISC, công suất làm việc của pin cũng
có giá trị bằng 0.

Hình 2.9 Đồ thị biểu diễn đặc tính làm việcA – V của pin mặt trời

CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

do an

10


THIẾT KẾ BỘ NẠP ACQUY TỪ PIN MẶT TRỜI VÀ GIÁM SÁT TẢI

2016

Hình 2.10 Sơ đồ tương đương của pin mặt trời

2.1.3.1

Dịng qua diode :

Id = IS(exp
Trong đó:

𝑞𝑉𝑑
𝑛𝑘𝑇

-1)

(2.6)

Id : dịng qua diode

(A/m2)

IS : dòng bão hòa của diode

(A/m2)

q : điện tích electron, q = 1,602 . 10-19

(C)

k : hằng số Boltzmann’s, k = 1,381 . 10-23 (J/K)
T : nhiệt độ lớp tiếp xúc

(K)

n : hệ số lý tƣởng của diode phụ thuộc vào các mức độ hồn thiện cơng
nghệ chế tạo pin mặt trời. Gần đúng có thể lấy bằng n = 1.


I = Iph - Id – Ish = Iph – I s  e

q .(v  IRs )
kT



Trong đó:

2.1.3.2

 (V  IRs )
 1 
Rs h

(2.7)

RS : nội trở của pin mặt trời

(ohm)

RSh : điện trở Shunt

(ohm)

Dòng ngắn mạch ISC

CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

do an

11


THIẾT KẾ BỘ NẠP ACQUY TỪ PIN MẶT TRỜI VÀ GIÁM SÁT TẢI

2016

Hình 2.11 Sơ đồ tương đương đơn giản của pin mặt trời gồm một nguồn dòng mắc song
song với một diode lý tưởng

Hình 2.12 Dịng ngắn mạch ISC
Dịng ngắn mạch ISC là dòng điện trong mạch của pin trời khi làm ngắn mạch ngoài
(chập các ra của pin). Lúc đó hiệu điện thế mạch ngồi của pin V = 0. Đặt giá trị V = 0
vào phƣơng trình (2.6) ta đƣợc :
 IRs )
 q.(vkT
 IRs

 1 
I = Iph - Id – Ish = Iph – I s  e

 Rs h

(2.8)

Ở các điều kiện chiếu sáng bình thƣờng (khơng có hội tụ) thì hiệu ứng điện trở nối
tiếp RS có thể bỏ qua, và Id = 0 và do đó có thể suy ra:
ISC = Iph = α . E

(2.9)

Trong đó : E : là cƣờng độ sáng
α : là hệ số tỷ lệ

CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

do an

12


THIẾT KẾ BỘ NẠP ACQUY TỪ PIN MẶT TRỜI VÀ GIÁM SÁT TẢI

2016

Ở điều kiện bình thƣờng dịng ngắn mạch của pin mặt trời tỷ lệ thuận với cƣờng độ
bức xạ chiếu sáng.

2.1.3.3

Điện áp hở mạch VOC

Hình 2.13 Điện áp hở mạch VOC
Áp hở mạch VOC là hiệu điện thế đƣợc đo khi mạch ngoài của pin mặt trời hở mạch (R =
∞). Khi đó dịng mạch ngồi I = 0. Thay I = 0 vào phƣơng trình (2.6) và giả sử RSh rất lớn
ta đƣợc biểu thức xác định VOC nhƣ sau:
VOC =

𝑛𝑘𝑇
𝑞

ln(

𝐼𝑝ℎ
𝐼𝑠

+ 1)

(2.10)

CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

do an

13