NGHIÊN CỨU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI - ỨNG DỤNG TRONG HỘ GIA ĐÌNH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG NAM
KHOA: LÝ-HÓA-SINH
----------

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI - ỨNG DỤNG
TRONG HỘ GIA ĐÌNH

Sinh viên thực hiện
NGUYỄN THỊ LÀI
MSSV: 2116020125
CHUYÊN NGÀNH: SƯ PHẠM VẬT LÝ
KHÓA 2016 - 2020
Cán bộ hướng dẫn
ThS. NGÔ THỊ HỒNG NGA
MSCB:………….

Quảng Nam, tháng 6 năm 2020

LỜI CẢM ƠN
Để hồn thành khóa luận tốt nghiệp này, tơi xin bày tỏ lịng kính trọng và biết ơn
sâu sắc đến Ban Giám hiệu nhà trường , quý thầy cô khoa Lí-Hóa-Sinh trường Đại học
Quảng Nam đã cùng với tri thức và tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức
quý báu cho tôi trong suốt thời gian học tập tại trường. Đặc biệt, tôi xin gửi lời cảm ơn
sâu sắc đến cô giáo ThS. Ngô Thị Hồng Nga người đã trực tiếp hướng dẫn, tận tình
dạy dỗ, giúp đỡ tơi trong q trình học tập và hồn thành bài khóa luận này. Với vốn
kiến thức được tiếp thu trong q trình học tập khơng chỉ là nền tảng cho q trình
nghiên cứu khóa luận mà cịn là hành trang quý báu để tôi bước vào đời một cách
vững chắc và tự tin.

Từ đáy lòng mình, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn vơ hạn tới gia đình thân u của tơi,
cản ơn bạn bè và các bạn sinh viên trong lớp sư phạm Vật lí K16 đã động viên, chia sẽ
những khó khăn, thơng cảm, hỗ trợ về tinh thần cũng như vật chất trong suốt thời gian
tơi nghiên cứu và thực hiện khóa luận này.
Mặc dù đã rất cố gắng nhưng khóa luận này sẽ khơng tránh khỏi những thiếu sót,
rất mong nhận được sự đóng góp, chỉ bảo từ q thầy cơ để khóa luận được hồn thiện
hơn.
Xin kính chúc quý thầy cô giáo trường Đại học Quảng Nam thật dồi dào sức khỏe
để tiếp tục thực hiện sứ mệnh cao đẹp của mình!

Quảng Nam, ngày tháng năm 2020
Tác giả khóa luận

Nguyễn Thị Lài

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan khóa luận có tên đề tài “Nghiên cứu năng lượng mặt trời-
ứng dụng trong hộ gia đình” là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi và được sự hướng
dẫn khoa học của ThS. Ngô Thị Hồng Nga. Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong
đề tài này là trung thực và chưa công bố dưới bất kì hình thức nào trước đây. Nếu
phát hiện điều gì khơng đúng tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm về nội dung khóa
luận của mình.

Quảng Nam, ngày tháng năm 2020
Người nghiên cứu khóa luận

Nguyễn Thị Lài

MỤC LỤC
PHẦN 1: MỞ ĐẦU .........................................................................................................1

1. Lý do chọn đề tài .........................................................................................................1
2. Mục tiêu của đề tài ......................................................................................................2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ..............................................................................2
4. Nhiệm vụ nghiên cứu ..................................................................................................2
5. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................................2
6. Cấu trúc tổng quan của đề tài ......................................................................................3
PHẦN 2: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ...........................................................................4
CHƯƠNG 1. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ CẤU TẠO CỦA PIN NĂNG
LƯỢNG MẶT TRỜI.......................................................................................................4
1.1. Cấu trúc của mặt trời ................................................................................................4
1.2. Bức xạ mặt trời .........................................................................................................6
1.3. Cơ sở lý thuyết pin năng lượng mặt trời...................................................................8
1.3.1. Cấu tạo của pin mặt trời ........................................................................................8
1.3.2. Hiệu ứng quang điện ..........................................................................................10
1.3.3. Thông số pin năng lượng mặt trời .......................................................................12
1.3.4. Đặc tính làm việc.................................................................................................13
1.3.5. Tấm năng lượng mặt trời .....................................................................................14
1.3.6. Cách ghép nối các tấm năng lượng mặt trời........................................................15
1.3.6.1 Phương pháp ghép nối tiếp các tấm pin mođun mặt trời...................................15
1.3.6.2 Phương pháp ghép nối pin mặt trời song song ..................................................16
1.3.7. Công thức tính dàn pin năng lượng mặt trời .......................................................16
Kết luận chương 1 .........................................................................................................19
CHƯƠNG 2: CÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG VÀ ỨNG DỤNG PIN
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI. .......................................................................................20
2.1. Bộ điều khiển sạc năng lượng ................................................................................20
2.1.1. Giới thiệu .............................................................................................................20
2.1.2. Nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển sạc năng lượng.....................................20
2.1.3. Công thức tính số bộ điều khiển sạc....................................................................20
2.2. Bộ hịa lưới Inveter.................................................................................................21
2.2.1. Giới thiệu .............................................................................................................21

2.2.2. Nguyên lý hoạt động của bộ hòa lưới điện mặt trời. ...........................................21
2.2.3. Cơng thức tính số bộ hịa lưới Inverter................................................................21
2.3. Bộ lưu trữ năng lượng (ac - quy)............................................................................21
2.3.1. Giới thiệu .............................................................................................................21
2.3.2. Các loại ac - quy ..................................................................................................22
2.3.2.1 Ac-quy chì – axit ...............................................................................................22
2.3.2.2. Ac-quy kiềm .....................................................................................................23
2.3.3. Nguyên lý hoạt động của acquy .........................................................................24
2.3.4. Các đặc tính của ac-quy.......................................................................................25
2.3.4.1. Dung lượng .......................................................................................................25
2.3.4.2. Điện áp ngưỡng thấp nhất ................................................................................26
2.3.4.3. Điện áp hở mạch...............................................................................................26
2.3.5. Chế độ làm việc của ac-quy (xét acquy chì - axit) ..............................................26
2.3.5.1. Nạp ac-quy........................................................................................................26
2.3.5.2. Ac-quy phóng ...................................................................................................26
2.3.6. Cơng thức tính ac-quy .........................................................................................27
2.4. Bộ điều phối năng lượng ........................................................................................27
2.4.1. Bộ điều khiển nạp – phóng điện ..........................................................................27
2.4.2. Bộ biến đổi DC- AC ............................................................................................28
2.4.3. Hộp nối và dây nối điện.......................................................................................29
2.5. Các ứng dụng..........................................................................................................30
2.5.1. Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời ......................................................................30
2.5.2. Hệ thống cung cấp nước nóng dùng năng lượng mặt trời ...................................32
2.5.3. Hệ thống sấy khô các sản phẩm nông nghiệp .....................................................33
Kết luận chương 2 .........................................................................................................35
Chương 3: THIẾT KẾ VÀ LẮP RÁP MƠ HÌNH ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
CHO HỘ GIA ĐÌNH.....................................................................................................36
3.1. Các thơng số cần thiết để thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời ...........................36
3.1.1. Tính tốn phụ tải..................................................................................................36

3.1.2. Tính cơng suất bức xạ mặt trời tỉnh Quảng Nam - thành phố Đà Nẵng .............39
3.1.2.1. Phương công suất bức xạ mặt trời ....................................................................39
3.1.2.2. Tính cơng suất bức xạ ngày tỉnh Quảng Nam –thành phố Đà Nẵng................40

3.1.3. Lựa chọn dây dẫn cho các thiết bị và ví trí lắp đặt tấm pin năng lượng ............44
3.1.3.1. Lựa chọn dây dẫn cho các thiết bị ....................................................................44
3.1.3.2. Vị trí lắp đặt tấm pin năng lượng .....................................................................44
3.2. Các bước thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời ............................................45
3.2.1. Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời .......................................................................45
3.2.2. Tính năng lượng điện mặt trời cần thiết 𝑬𝒄ấ𝒑 ....................................................45
3.2.3. Tính cơng suất của tấm pin mặt trời cần sử dụng................................................46
3.2.4. Tính tốn dung lượng của ac-quy........................................................................47
3.2.5. Tính tốn bộ hịa lưới inverter .............................................................................47
3.3. Tính tốn thiết bị sử dụng trong hệ thống điện mặt trời.........................................48
3.3.1. Tính dàn pin năng lượng mặt trời........................................................................48
3.3.2. Số bình acquy ......................................................................................................49
3.3.3. Số lượng bộ hịa lưới Inverter..............................................................................50
3.3.4. Tính tốn chọn lựa bộ điều khiển sạc ..................................................................51
3.4. Nguyên lý hoạt động của toàn hệ thống điện mặt trời ...........................................52
3.5. Lắp ráp mơ hình điện năng lượng mặt trời cho hộ gia đình ...................................53
3.5.1. Danh sách các linh kiện trong hệ thống ..............................................................53
3.5.2. Lắp ráp mơ hình thực tế.......................................................................................55
Kết luận chương 3 ........................................................................................................56
PHẦN 3: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................57
1. Kết luận......................................................................................................................57
2. Kiến nghị ...................................................................................................................57
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................58

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Mặt trời ............................................................................................................4

Hình 1.2. Cấu trúc của mặt trời. ......................................................................................5
Hình 1.3. Thành phần tán xạ vùng khí quyển trái đất. ....................................................7
Hình 1.4. Pin mặt trời đơn và đa tinh thể ........................................................................9
Hình 1.5. Pin mặt trời dạng màng mỏng .........................................................................9
Hình 1.6. Cấu tạo của pin mặt trời ................................................................................10
Hình 1.7. Hệ 2 mức năng lượng ....................................................................................10
Hình 1.8. Các vùng năng lượng.....................................................................................11
Hình 1.9. Hiện tượng của hiệu ứng quang điện.............................................................12
Hình 1.10. Đường đặc tính U – I của pin mặt trời. .......................................................13
Hình 1.11. Sự phu thuộc đặc VA pin mặt trời vào cường độ xạ Mặt trời.....................13
Hình 1.12. Sự phụ thuộc của đường đặc tính của pin mặt trời vào nhiệt độ của pin. ...14
Hình 1.13. Ghép nối tiếp tấm pin mặt trời.....................................................................15
Hình 1.14. Ghép song song tấm pin mặt trời ................................................................16
Hình 2.1. Ac-quy chì-axit ..............................................................................................22
Hình 2.2. Ac-quy kiềm ..................................................................................................23
Hình 2.3. Bếp parabol dùng năng lượng mặt trời..........................................................31
Hình 2.4. Bếp hộp dùng năng lượng mặt trời................................................................31
Hình 2.5. Máy nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời ...............................................33
Hình 2.6. Năng lượng mặt trời trong sấy khơ................................................................34
Hình 3.1. Bức xạ trực xạ bề mặt ngang (a) nghiêng (b) ................................................40
Hình 3.2. Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời .................................................................45
Hình 3.3. Tấm pin năng lượng mặt trời 330W Mono ...................................................48
Hình 3.4. Bình Ac-quy mã hiệu LFD230 của hãng Varta.............................................49
Hình 3.5. Bộ hịa lưới Đức SMA sunny Tripower 15kw ..............................................50
Hình 3.6. Bộ điều khiển xạc năng lượng mặt trời .........................................................51
Hình 3.7. Hình ảnh mơ hình điện năng lượng mặt trời khi chưa hoạt động .................55
Hình 3.8. Hình ảnh mơ hình điện năng lượng mặt trời khi hoạt động ..........................55

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Hệ hấp thụ, phản xạ bức xạ mặt trời. ..............................................................8

Bảng 3.1. Thống kê các thiết bị và cơng suất phịng khách ..........................................36
Bảng 3.2. Thống kê các thiết bị và công suất của cả hai phòng ngủ.............................37
Bảng 3.3. Thống kê các thiết bị và cơng suất phịng ăn và bếp ....................................38
Bảng 3.4. Thống kê các thiết bị và công suất WC và nhà tắm......................................38
Bảng 3.5. Tổng lượng bức xạ trung bình ngày năm......................................................40
Bảng 3.6. Tổng giờ nắng trung bình năm......................................................................41
Bảng 3.7. Tổng xạ trực xạ trung bình tỉnh Quảng Nam – thành phố Đà Nẵng ;
kWh/m2.ngày .................................................................................................................42
Bảng 3.8. Danh sách các linh kiện trong hệ thống ........................................................53

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Kí hiệu, chữ viết tắt Ý nghĩa
AC Xoay chiều
DC Một chiều
EVN Tập đoàn điện lực
PVC (Polyvinyl Chloride) là chất cách điện dẻo
NXB Nhà xuất bản

PHẦN 1: MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài

Hiện nay với sự phát triển mạnh mẽ của thế giới về mọi mặt, trong đó khoa học
nói chung và ngành cơng nghệ kỹ thuật điện tử nói riêng đang trên đà phát triển vượt
bậc, góp phần làm cho thế giới ngày càng hiện đại và văn minh hơn. Nhu cầu sử dụng
năng lượng trong tất cả các lĩnh vực ngày càng tăng. Có thể nói rằng ngày nay không
một quốc gia nào trên thế giới không sản xuất và tiêu thụ điện năng và trong tương lai
thì nhu cầu của con người về nguồn năng lượng đặc biệt này sẽ tiếp tục được nâng cao.

Do đó năng lượng càng thể hiện rõ vai trò quan trọng và trở thành yếu tố không

thể thiếu trong cuộc sống. Tuy nhiên, trong khi nhu cầu sử dụng năng lượng đang ngày
càng gia tăng thì các nguồn năng lượng truyền thống được khai thác sử dụng hàng
ngày đang dần cạn kiệt và trở nên khan hiếm. Một số nguồn năng lượng đang được sử
dụng như nguồn nguyên liệu hoá thạch (dầu mỏ, than đá…) đang cho thấy những tác
động xấu đến môi trường, gây ơ nhiễm bầu khí quyển như gây hiệu ứng nhà kính,
thủng tầng ozơn, là một trong những ngun nhân làm trái đất ấm dần lên. Các khí thải
ra từ việc đốt các nguyên liệu này đã gây ra mưa axit, gây hại cho mơi trường
sống của con người. Cịn nguồn năng lượng thuỷ điện (vốn cũng được coi là một loại
năng lượng sạch) thì cũng khơng đáp ứng được nhu cầu tiêu thụ điện hiện nay trong
khi tình trạng mức nước trong hồ chứa thường xuyên xuống dưới mực nước chết. Ví
dụ như đồng bằng sơng Cửu Long thiếu nước ngọt thừa nước mặn, nhà máy thủy điện
Thừa Thiên-Huế đứng trước nguy cơ ngừng hoạt động, con sông tại Quảng Nam khơ
hạn trong đợt nắng nóng tháng 6, tháng 7 năm 2019. Trước tình hình đó, vấn đề phải
tìm được những nguồn năng lượng mới để đáp ứng nhu cầu sử dụng năng lượng đang
lớn mạnh hàng ngày, thay thế những nguồn năng lượng có hại cho mơi trường hoặc
đang cạn kiệt đang trở nên cấp thiết, đòi hỏi nhiều sự quan tâm. Những nguồn năng
lượng mới đang được khai thác sử dụng như năng lượng hạt nhân, năng lượng địa
nhiệt, năng lượng sóng biển, 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 những nước đang phát triển.

Năng lượng mặt trời được coi là một nguồn năng lượng rẻ, vô tận, là một nguồn
năng lượng sạch không gây hại cho môi trường đang thu hút sự quan tâm của rất nhiều
nhà khoa học, nhà nghiên cứu và sẽ trở thành nguồn năng lượng tốt nhất trong tương

1

lai. Hệ thống quang điện sử dụng năng lượng mặt trời có nhiều ưu điểm như: khơng
gây tiếng ồn, khơng gây ơ nhiễm khơng khí, khơng cần ngun liệu, giảm hóa đơn tiền
điện, ít bảo dưỡng…

Hiện nay năng lượng mặt trời đã được khai thác và đưa vào ứng dụng trong các
hộ gia đình. Việc sử dụng năng lượng mặt trời trong các hộ gia đình vẫn có thể đảm
bảo đáp ứng các sinh hoạt hằng ngày mà không cần phải tiêu tốn điện năng bên ngồi.
Khơng chỉ vậy, vào mùa nắng năng lượng phát ra lớn hơn nhu cầu tiêu thụ, nguồn
năng lượng dư thừa sẽ được điện lực EVN mua lại. Ngoài ra, thiết kế hệ thống điện
mặt trời cũng giúp giảm nhiệt cho ngơi nhà, nhờ đó mà nhu cầu sử dụng máy lạnh
cũng giảm thiểu hơn, tiết kiệm điện hơn.

Chính vì những lý do trên nên tôi chọn đề tài “Điện năng lượng mặt trời - ứng
dụng trong hộ gia đình” để làm đề tài khóa luận tốt nghiệp với mong muốn áp dụng
những kiến thức đã học vào thực tế phục vụ nhu cầu đời sống.
2. Mục tiêu của đề tài

- Tổng quan về hệ thống điện năng lượng mặt trời.
- Lắp được mơ hình điện năng lượng mặt trời ứng dụng trong hộ gia đình.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu:
- Nghiên cứu pin năng lượng mặt trời.
- Hệ thống năng lượng mặt trời.
Phạm vi nghiên cứu:
- Điện năng lượng trong các hộ gia đình tại tỉnh Quảng Nam.
4. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Xây dựng cơ sở lý thuyết phục vụ cho việc lắp mơ hình điện năng lượng mặt
trời.
- Lắp mơ hình thực tế năng lượng mặt trời ứng dụng trong hộ gia đình.
5. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lí thuyết: tổng hợp và phân tích lí thuyết dựa trên sách vở, giáo
trình, trang web… để hiểu về năng lượng mặt trời, hiểu được nguyên lý hoạt động của
pin năng lượng mặt trời.

- Nghiên cứu thực nghiệm: thực hành lắp ráp mơ hình điện năng lượng mặt
trời ứng dụng trong hộ gia đình.

2

6. Cấu trúc tổng quan của đề tài
Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo, phụ lục thì khóa luận gồm có 3

chương:
Chương 1: Nguyên lý hoạt động và cấu tạo của pin năng lượng mặt trời.
Chương 2: Các thành phần trong hệ thống và ứng dụng pin năng lượng mặt trời.
Chương 3: Thiết kế và lắp ráp mơ hình điện năng lượng mặt trời cho hộ gia đình.

3

PHẦN 2: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
CHƯƠNG 1. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ CẤU TẠO

CỦA PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI.
1.1. Cấu trúc của mặt trời

Mặt trời luôn phát ra một nguồn năng lượng khổng lồ và một phần nguồn năng
lượng đó bức xạ đến Trái Đất chúng ta. Trái đất và Mặt trời có mối quan hệ chặt chẽ,
chính bức xạ mặt trời là yếu tố quyết định cho sự tồn tại của sự sống trên hành tinh
của ta.

Hình 1.1. Mặt trời
Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1,390.106 (lớn hơn 110 lần
đường kính trái đất), cách xa trái đất 150.106 km (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 = 2.1030 kg. Nhiệt độ T ở trung tâm mặt trời thay đổi trong khoảng từ
10.106 K đến 20.106 K, trung bình khoảng 156.105 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. Mà
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.
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
kình khoảng 175.000 km, khối lượng riêng 160kg/dm3, nhiệt độ ước tính từ 14 đến 20
triệu đơ, áp suất vào khoảng hằng trăm tỷ atmotphe. Vùng kế tiếp là vùng trung gian

4

cịn gọi là vùng “đổi ngược” qua đó năng lượng truyền từ trong ra ngoài, vật chất ở
vùng này gồm có sắt (Fe), canxi (Ca), natri (Na), stronti (Sr), crơm (Cr), niken (Ni),
cacbon (C), silic (Si) và các khi như hiđrô (H2), heli (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 sơi sục, có chỗ tạo ra các
vết đen, là các hố xốy có nhiệt độ thấp khoảng 4500K và các tai lửa có nhiệt độ từ
7000K -1000K. Vùng ngoài cùng là vùng bất định và gọi là “khí quyển”.[2]

Nhiệt độ bề mặt của mặt trời khoảng 5762K nghĩa là có giá trị đủ lớn để các
nguyên tử tồn tại trong trạng thái kích thích, đồng thời đủ nhỏ để ở đây thỉnh thoảng
lại xuất hiện những nguyên tử bình thường và các cấu trúc phân tử. Dựa trên cơ sở
phân tích các phổ bức xạ và hấp thụ của mặt trời người ta xác định được rằng trên mặt
trời có ít nhất 2/3 số nguyên tố tìm thấy trên trái đất. Nguyên tố phổ biến nhất trên mặt
trời là nguyên tố nhẹ nhất Hiđro. Vật chất của mặt trời bao gồm chừng 92,1% là Hiđro

và gần 7,8% là Heli, 0,1% là nguyên tố khác. Nguồn năng lượng bức xạ chủ yếu của
mặt trời là do phản ứng nhiệt hạch tổng hợp hạt nhân Hidro, phản ứng này đưa đến sự
tạo thành Heli. Hạt nhân của Hidro có một hạt mang điện dương là proton. Thông
thường những hạt mang điện cùng dấu đẩy nhau, nhưng ở nhiệt độ đủ cao chuyển
động của chúng sẽ nhanh tới mức chúng có thể tiến gần tới nhau ở một khoảng cách
mà ở đó có thể kết hợp với nhau dưới tác dụng của các lực hút. Khi đó cứ 4 hạt nhân
Hidro lại tạo ra một hạt nhân Heli, 2 neutrino và một lượng bức xạ 𝛾.[2]

Hình 1.2. Cấu trúc của mặt trời.
Neutrino là hạt không mang điện, rất bền và có khả năng đâm xuyên rất lớn. Sau
phản ứng, các Neutrino lập tức rời khỏi phạm vi mặt trời và không tham gia vào các
“biến cố” sau đó.

5

Trong quá trình diễn biến của phản ứng có một lượng vật chất của mặt trời bị mất
đi. Khối lượng của mặt trời do đó mỗi giây giảm chừng 4.106 tấn, tuy nhiên theo các
nhà nghiên cứu, trạng thái của mặt trời vẫn không thay đổi trong thời gian hàng tỷ năm
nữa. Mỗi ngày mặt trời sản xuất một nguồn năng lượng qua phản ứng nhiệt hạch lên
tới 9.1024kWh (tức là chưa đầy một phần triệu giây mặt trời đã giải phóng ra một
lượng năng lượng tương đương với tổng số điện năng sản xuất trong một năm trên
Trái đất).[2]
1.2. Bức xạ mặt trời

Nhờ nằm ở vị trí trung tâm khu vực Đơng Nam Á nên Việt Nam nhận được
lượng bức xạ tương đối lớn vào khoảng 5Kw/m2/ngày ở các tỉnh miền Trung và miền
Nam, vào khoảng 4Kw/m2/ngày ở các tỉnh miền Bắc. Đây là nguồn tài nguyên quý
báu.

Quá trình diễn biến phản ứng nhiệt hạch lượng vật chất Mặt trời bị mất đi để

sinh ra một nhiệt lượng. Khối lượng Mặt trời mỗi giây giảm chừng 4,106 tấn, trạng
thái Mặt trời không thay đổi hàng tỷ năm nữa. Mỗi ngày Mặt trời sản xuất nguồn năng
lượng phản ứng nhiệt hạch đến 9.1024kWh (tức chưa đầy một phần triệu giây, Mặt
trời giải phóng một lượng năng lượng tương đương với tổng điện năng sản xuất một
năm trên Trái đất).
Các định nghĩa

Hằng mặt trời: cường độ bức xạ chiếu 1m2 bề mặt ngồi tầng khí quyển
Is=1353W/ m2.

Năng suất bức xạ E (W/m2): năng lượng bức xạ mặt trời đơn vị diện tích bề mặt,
trong 1giây. Năng suất bức xạ gồm nâng suất bức xạ trực xa Etrx nâng suất bức xạ tán
xạ Etx. Dưới điều kiện khí quyển mùa hè, trước chính ngọ (khoảng 11-13 giờ), nâng
suất bức xạ mặt trời chiếu 1Sun = 1000W/m2.

Năng lượng bức xạ Q (J/m2): năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới một đơn
diện tích bề mặt một thời gian, chính là đại lượng tích phân của năng suất bức xạ trong
một khoảng thời gian nhất định (thường 1 giờ hay 1 ngày).

Ngồi biên tầng khí quyển cường độ bức xạ mặt trời ổn định cả ngày đêm, trong
tầng khí quyển tác dụng hấp thụ bầu khí quyển bức xạ mặt trời yếu (có sự hấp thụ bức
xạ khi ba nguyên tử trở lên, hơi nước, hạt bụi… bầu khí quyển). Cường độ suy yếu tia
bức xạ phụ thuộc chiều dài qng đường xun khối khơng khí dài ngắn được đặc

6

trưng bằng trị số m (air mas-hệ số khối không khí). Khi mặt trời chính ngọ qng
đường đó ngắn nhất.
Tổng cường độ bức xạ mặt trời trên bề mặt trái đất:

Tổng cường độ bức xạ mặt trời lên bề mặt trái đất (tổng xạ) gồm hai thành phần:
bức xạ trực xạ và tán xạ. Phần trực xạ đã được khảo sát ở trên, cịn thành phần tán xạ
thì khá phức tạp. Hướng của bức xạ khuyếch tán truyền tới bề mặt là hàm số của độ
mây và độ trong suốt của khí quyển, các đại dương này lại thay đổi khá nhiều. Có thể
xem bức xạ là tổng hợp của 3 thành phần như hình 1.3

Hình 1.3. Thành phần tán xạ vùng khí quyển trái đất.
- Thành phần tán xạ đẳng hướng: tán xạ nhận đồng đều toàn bầu trời.
- Thành phần tán xạ tia: tán xạ bị phát tán tia mặt trời.
- Thành phần tán xạ chân trời: tán xạ phát ra đường chân trời.
Ngoài ra cịn có thành phần bức xạ các bề mặt cận (mặt đất, cây cối, nhà cửa …).
Cường độ tán xạ phụ thuộc độ phản xạ mặt đất Rg nhiều. Những bề mặt độ phản
cao (như bề tuyết khoảng Rg =0,7) sẽ phản xạ các tia trở lại bầu trời sau đó bị phát tán
trở thành tán chân trời. Hệ số phản xạ các bề hiệt độ 300°K bảng sau:

7

Bảng 1.1. Hệ hấp thụ, phản xạ bức xạ mặt trời.

Hệ hấp thụ bức xạ mặt trời Hệ phản xạ bức xạ mặt

Vật liệu trời

Nhơm đánh bóng 0,2 0,8

Crom đánh bóng 0,4 0,6

Đồng đánh bóng 0,18 0,82

Giấy dầu 0,82 0,18

Lá cây, mặt đất 0,72 - 0,79 0,29 - 0,2

Tuyến 0,2 – 0,35 0,80 – 0,65

Gạch đỏ 0,75 0,65

Sơn trắng kẽm 0,22 0,78

Sơn đen dầu 0,9 0,1

1.3. Cơ sở lý thuyết pin năng lượng mặt trời
1.3.1. Cấu tạo của pin mặt trời

Pin mặt trời còn gọi là pin quang điện là thiết bị ứng dụng hiệu ứng quang điện
trong bán dẫn (thường gọi là hiệu ứng quang điện trong – quang dẫn) để tạo ra dòng
điện một chiều từ ánh sáng mặt trời. 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 bị ánh sáng hay nhiệt độ
kích thích, các điện tử bị bứt ra khỏi liên kết, hay là các điện tử tích điện âm nhảy từ
vùng hoá trị lên vùng dẫn và để lại một lỗ trống tích điện dương trong vùng hố trị.
Lúc này chất bán dẫn mới dẫn điện.

Hiện nay, vật liệu chủ yếu để cấu tạo tấm pin năng lượng mặt trời là các silic tinh
thể. Các silic tinh thể này được chia là 3 loại đó là: đơn tinh thể, đa tinh thể và dạng
phim mỏng. Cụ thể như sau:

+ Đơn tinh thể: Được sản xuất dựa trên quá trình Czochralski. Đây là loại vật liệu
đắt tiền nhất do được cắt từ các thỏi hình ống. Tuy nhiên, hiệu suất của tấm đơn tinh
thể này khá cao lên đến 16%.

+ Đa tinh thể: Được sản xuất từ các thỏi đúc silic nóng chảy sau đó được làm rắn.
Các tấm đa tinh thể có hiệu suất kém hơn so với đơn tinh thể và đương nhiên, giá
thành của chúng cũng rẻ hơn.

8

+ Miếng phim mỏng: Loại này tương tự như đa tinh thể nhưng chúng không cần
phải cắt từ thỏi silic. So với 2 loại trên thì giá thành của loại này rẻ hơn. Đồng thời,
hiệu suất cũng đạt thấp nhất.

Hình 1.4. Pin mặt trời đơn và đa tinh thể

Hình 1.5. Pin mặt trời dạng màng mỏng
Về bản chất pin mặt trời là một điốt bán dẫn bao gồm hai tấm bán dẫn loại p
và loại n đặt sát cạnh nhau, khác ở chỗ pin quang điện có diện tích bề mặt rộng và có
lớp n cực mỏng để ánh sáng có thể truyền qua. Trên bề mặt của pin quang điện có
một lớp chống phản xạ vì khi chiếu ánh sáng vào pin quang điện, sẽ có một phần ánh
sáng bị hấp thụ khi truyền qua lớp n và một phần ánh sáng sẽ bị phản xạ ngược lại
còn một phần ánh sáng sẽ đến được lớp chuyển tiếp, nơi có các cặp electron và lỗ
trống nằm trong điện trường của bề mặt giới hạn. Với các bước sóng thích hợp sẽ
truyền cho electron một năng lượng đủ lớn để thoát khỏi liên kết. Khi thoát khỏi liên
kết, dưới tác dụng của điện trường, electron sẽ bị kéo về phía bán dẫn loại n, cịn lỗ
trống bị kéo về phía bán dẫn loại p. Khi đó nếu nối hai cực vào hai phần bán dẫn loại
n và p sẽ đo được một hiệu điện thế. Giá trị của hiệu điện thế này phụ thuộc vào bản
chất của chất làm bán dẫn và tạp chất được hấp thụ.

9

Hình 1.6. Cấu tạo của pin mặt trời

1.3.2. Hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bới nhà vật lý học Pháp
Alexandre Edmond Becquerel. Tuy nhiên cho đến năm 1883 một pin năng lượng mới
được tạo thành bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng
vàng để tạo nên mạch nối. Thiết bị chỉ có hiệu suất 1%, Russell Ohl xem là người tạo ra
pin năng lượng mặt trời đầu tiên 1946. Sau đó Sven Ason Berglunl đã có các phương
pháp liên quan đến việc tăng khả năng cảm nhận ánh sáng của pin.

E2

E1

Hình 1.7. Hệ 2 mức năng lượng

Xét một hệ hai mức năng lượng điện tử (hình 1.7) E1< E2, bình thường điện tử

chiếm mức năng lượng thấp hơn E1. Khi nhận bức xạ mặt trời, lượng tử ánh sáng

photon có năng lượng hѵ (trong đó h là hằng số Planck, ѵ là tần số ánh sáng) bị điện

tử hấp thụ và chuyển lên mức năng lượng E2. Ta có phương trình cân bằng năng

lượng:

hѵ = E2 − E1 (1.1)

Trong các vật thể rắn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vịng

ngồi, nên các mức năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng sát nhau và

tạo thành các mức năng lượng (hình 1.8). Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm

đầy khi ở trang thái cân bằng gọi là vùng hóa trị, mà mặt trên của nó có mức năng

10

lượng Ev. Vùng năng lượng phía trên tiếp đó hồn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một
phần gọi là vùng dẫn, mặt dưới của vùng có năng lượng là Ec. Cách ly giữa vùng hóa
trị và vùng dẫn là một vùng cấp có độ rộng với năng lượng cho phép nào của điện tử.

Hình 1.8. Các vùng năng lượng

Khi nhận bức xạ mặt trời, photon có năng lượng hѵ tới hệ thống và bị điện tử ở

vùng hóa trị thấp hấp thu và có thể chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự do e-, để

lại ở vùng hóa trị một lỗ trống có thể coi như hạt mạng điện dương, 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 mơ tả bằng phương trình:

Ev + hѵ → e− + h+ (1.2)

Điều kiện điện tử có hấp thu nâng lượng của photon chuyển vùng hóa trị lên

vùng dẫn, tạo ra cập điện tử - lỗ trống là hv = hc/λ ≥ Eg = Ec – Ev. Từ có thể tính bước

sóng hạn λc ánh sáng có thể ra cặp e– - h+: (1.3)

λ𝑐 = ℎ𝑐 𝐸𝑐−𝐸𝑣 = ℎ𝑐 𝐸𝑔 = 1,24 𝐸𝑔

Trong thực tế điện tử lỗ trống bị kích thích, e- và h+ đều tự phát tham gia quá

trình phục hồi, chuyển động đến mặt của các vùng năng lượng: điện tử e- giải phóng

năng lượng để chuyển đến mặt của vùng dẫn Ec, cịn lỗ trống h+ chuyển mặt Ev, q

trình phục hồi xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn 10-12 ÷ 10-1 giây. Năng lượng bị

tổn hao do quá trình phục hồi sẽ là: Eph= hѵ – Eg.

Tóm lại khi vật rắn nhận tia bức xạ mặt trời, điện tử ở vùng hóa trị hấp thụ năng

lượng photon hѵ và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử - lỗ trống e– - h+,

tức là đã tạo ra một điện thế. Hiệu tượng tự đó gọi là hiệu ứng quang điện bên trong.

11