Luận văn Thiết kế hệ thống chiếu sáng độc lập sử dụng năng lượng mặt trời

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU
I Sự cần thiết của đề tài
Do sự phát triển ngày càng nhanh chóng của nền kinh tế kéo theo nhu
cầu tiêu thụ nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng tăng. Việc đẩy mạnh khai
thác nguồn nhiên liệu hóa thạch lại làm mất đi sự cân bằng sinh thái, gây ô
1
nhiễm môi trường và ảnh hưởng trực tiếp tới đời sống con người. Nguồn nhiên
liệu hóa thạch không phải là vô tận, trong khi phải cần một thời gian dài thì mới
hình thành các nguồn năng lượng hóa thạch mới, rồi sẽ tới một ngày con người
phải đối mặt với việc thiếu hụt trầm trọng nguồn năng lượng phục vụ cho nền
kinh tế và cuộc sống con người. Hiện nay một số nước trên thế giới có nền khoa
học tiên tiến đang đẩy mạnh việc nghiên cứu và phát triển hệ thống điện hạt
nhân. Tuy nhiên vấn đề đặt ra khi phát triển nguồn năng lượng này đó là tính an
toàn, cụ thể là an toàn trong kỹ thuật và rác thải hạt nhân. Ngoài ra các yếu tố
như nguy cơ phổ biến vũ khí hạt nhân, việc đảm bảo an ninh cho các cơ sở hạt
nhân quốc gia. Vấn đề về nguồn nhân lực có trình độ cao và kinh nghiệm, đặc
biệt là những chuyên gia quản lý và kỹ thuật cũng là những rào cản lớn khi sử
dụng và phát triển nguồn năng lượng này.
Trong những điều kiện kể trên thì việc phát triển và sử dụng nguồn năng
lượng mặt trời là một biện pháp tốt đáp ứng về các yếu tố như an toàn, môi
trường … Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng vô tận mà khi khai thác và
tận dụng chúng một cách có hiệu quả sẽ đem lại những lợi ích to lớn cho con
người. Sử dụng năng lượng mặt trời thay cho năng lượng hóa thạch sẽ giảm
lượng khí thải ô nhiễm môi trường, bớt phụ thuộc vào việc khai thác năng lượng
hóa thạch từ đó hạn chế xấu nhất tới việc thay đổi môi trường sinh thái. Hiện
nay đã có nhiều quốc gia tập trung nghiên cứu, phát triển và khai thác nguồn
năng lương mặt trời phục vụ cho đời sống. Việc nghiên cứu và ứng dụng năng
lượng mặt trời đã trở nên phổ biến chính vì thế giá cả các thiết bị trong hệ thống
ngày càng có hiệu suất cao hơn và ổn định hơn. Trước kia giá thành chính là rào
cản trong việc ứng dụng năng lượng mặt trời, tuy nhiên những năm gần đây đã

có nhiều công ty, các tổ chức, các quốc gia đẩy mạnh việc nghiên nghiên cứu,
chế tạo và làm giá thành trở nên rẻ hơn.
2
Từ những lý do kể trên em đã lựa chọn đề tài “ Thiết kế hệ thống chiếu
sáng độc lập sử dụng năng lượng mặt trời”.
II Mục tiêu của đề tài
Nghiên cứu các vấn đề của hệ thống điện mặt độc lập, đánh giá tiềm năng
sử dụng của hệ thống. Thiết kế hệ thống điện mặt trời độc lập.
III Kết cấu của đề tài
Chương 1: Ứng dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam và trên thế giới
Chương 2: Nguyên lý hoạt động của các phần tử trong hệ thồng điện sử
dụng năng lượng mặt trời
Chương 3: Phương án thiết kế hệ thống điện mặt trời độc lập
Trong quá trình tìm hiểu và hoàn thành đề tài này, em đã nhận được
sự giúp đỡ tận tình của cùng sự hướng dẫn vô cùng quý báu của giảng viên
hướng dẫn TS. Lê Lăng Vân. Em xin chân thành cảm ơn Thầy đã giúp em hoàn
thành bài đề tài. Do thời gian có hạn sự hạn chế về kinh nghiệm và kiến thức
nên bài viết của em không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được
sự góp ý của thầy cô để bài viết được hoàn thiện hơn.
CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
1.1 Khái quát về năng lượng mặt trời
Trong tất cả các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng mặt trời là phong
phú và ít biến đổi nhất trong thời kì biến đổi khí hậu hiện nay. Năng lượng mặt
trời, bức xạ mặt trời và nhiệt từ mặt trời đã được khai thác bởi con người từ cổ
đại cho tới bây giờ như việc sưởi ấm, làm khô quần áo, khử trùng nước, nấu
ăn…
3
Bức xạ mặt trời là sức nóng, ánh sáng dưới dạng các chùm tia do mặt
trời phát ra trong quá trình tự đốt mình. Bức xạ mặt trời chứa đựng một nguồn

năng lượng khổng lồ và là nguồn gốc của quá trình tự nhiên trên trái đất.
Năng lượng mặt trời có những ưu điểm như: sạch, chi phí nhiên liệu và
bảo dưỡng thấp, an toàn cho người sử dụng. Đồng thời phát triển ngành công
nghiệp sản xuất pin mặt trời sẽ góp phần thay thế các nguồn năng lượng hóa
thạch, giảm khí thải nhà kính giúp bảo vệ môi trường.
Đơn vị được sử dụng để thể hiện mức độ hấp thụ nhiệt:
Các giá trị được thể hiện tổng quát bằng kWh/m²/ngày. Đây chính là lượng
năng lượng mặt trời chiếu vào 1m² trên bề mặt trái đất trong 1 ngày. Tất nhiên
giá trị này được tính trung bình cho các giá trị khác nhau đo được trong độ dài
thời gian 1 ngày (kWh/m²/ngày).
1 kWh/m²/ngày = 317.1 btu/ft2/ngày = 3.6MJ/m²/ngày
(1Btu = 1055J , 1ft = 0,3048m )
Năng lượng mặt trời dù rất rồi dào nhưng việc khai thác một cách hiệu
quả nguồn năng lượng này thì là còn cả một bài toán dài.
1.2 Ứng dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam và trên thế giới
1.2.1 Ứng dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam
Việt Nam nằm trong khu vực nhiệt đới, một trong những khu vực có
cường độ mặt trời tương đối cao trên thế giới. Tổng số ngày nắng trong năm và
cường độ bức xạ mặt trời khá cao. Đây là một trong những thuận lợi cho việc
ứng dụng và khai thác nguồn năng lượng vô tận đem lại lợi ích to lớn cho nền
kinh tế, môi trường và đời sống của con người. Chính vì lẽ đó hiện nay tại Việt
Nam đã và đang ứng dụng và khai thác rất nhiều các công trình, hạng mục để
khai thác nguồn năng lượng mặt trời.
+ Tại Hà Nội
Trạm pin mặt trời nối lưới lắp đặt trên mái nhà làm việc Bộ Công
thương, 54 Hai Bà Trưng, Quận Hoàn Kiếm, Hà Nội. Công suất lắp đặt 2.700
Wp.
4
- Trung tâm Hội nghị Quốc gia sử dụng hệ thống Pin mặt trời công suất 154
KWp là công trình Pin mặt trời lớn nhất ở Việt Nam.

- Hiện nay một số khu đô thị mới, các công trình giao thông cũng đã đưa vào sử
dụng các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời như cột đèn sử dụng năng lượng
mặt trời ở khu đô thị Ciputra-Nam Thăng Long, trung tâm sát hạch lái xe Sơn
Tây, Hà Nội…
- Ngoài ra hàng loạt các hộ dân trên toàn bộ địa bàn Thành Phố đã
và đang sử dụng các hệ thống sử dụng năng lương mặt trời như: bình nước
nóng năng lượng mặt trời, một số hộ dân đã mạnh dạn triển khai và sử dụng
dàn pin năng lượng mặt trời.
Hình 1.1 Máy nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời
( ảnh chụp thực tế khu đô thị Dịch Vọng )
5
Hình 1.2 Đèn chiếu sáng sử dụng năng lượng mặt trời
( ảnh chụp thực tế khu đô thị Ciputra-Nam Thăng Long)
+ Tại TP.Hồ Chí Minh
6
Từ năm 1990, Phân viện Vật lý Tp.HCM đã triển khai các dự án điện mặt
trời áp dụng vào các công trình công cộng như nhà văn hóa, bệnh viện tại Bình
Chánh, Cần Giờ, Củ Chi, nơi mà lưới điện và tình hình kinh tế của người dân
còn gặp nhiều khó khăn. Trên một số vùng hải đảo, như đảo Thiềng Liềng - xã
Cần Gáo - huyện Cần Giờ, công trình điện mặt trời cũng đã cung cấp điện được
cho hơn 50% hộ dân sống trên đảo. Đến năm 1995, hơn 180 nhà dân và một số
công trình công cộng tại buôn Chăm - xã Eahsol - huyện Eahleo - tỉnh Đắk Lắk
đã sử dụng điện mặt trời.
Ngày 23/4/2012 hệ thống điện mặt trời được lắp đặt tại nhà máy Intel,
hoạt động trên tổng diện tích 3270 m² (do Tập đoàn GES Vietnam thiết kế và thi
công, là đơn vị chuyên cung cấp giải pháp năng lượng xanh và xây dựng ngành
công nghiệp năng lượng mặt trời kỹ thuật cao) được vận hành từ 1.092 tấm pin
năng lượng mặt trời cùng 21 bộ biến điện, có công suất phát điện khoảng
321.000 kWh/năm, hạn chế hơn 220 kg lượng khí thải CO thải ra hàng năm.
+ Các tỉnh thành khác

Viện năng lượng EVN kết hợp với Trung tâm năng lượng mới của
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tiếp tục triển khai ứng dụng dàn pin mặt
trời tại các hộ dân và trạm biên phòng của đảo Cô Tô (tỉnh Quảng Ninh). Đồng
thời, thực hiện dự án “Ứng dụng thí điểm điện mặt trời cho vùng sâu, vùng xa”
tại xã Ái Quốc, huyện Lộc Bì, tỉnh Lạng Sơn.
Công nghệ năng lượng mặt trời ứng dụng vào quy trình nuôi tôm công
nghiệp tại Bạc Liêu, Đầm Dơi - Cà Mau. Thiết bị là những tấm thu năng lượng
mặt trời, năng lượng hấp thu chuyển đến hệ thống bình ắc quy. Nguồn điện tích
trữ trong bình ắc quy cung cấp dòng năng lượng để các thiết bị thổi khí oxy vận
hành.
- Năm 2000 - 2005, Trung tâm nghiên cứu thiết bị áp lực và năng lượng mới
(ĐH Đà Nẵng) cùng với tổ chức phục vụ năng lượng mặt trời đã triển khai sản
7
xuất các loại bếp năng lượng mặt trời cho các hộ dân tại làng Bình Kỳ 2 -
Phường Hòa Quý - Quận Ngũ Hành Sơn (Đà Nẵng).
- Tháng 6 năm 2007, tại Công viên nước Đà Nẵng đã diễn ra ngày hội nấu ăn
bằng loại bếp này do Solar Serve tổ chức. Ngoài ra, Solar Serve đã cung cấp
miễn phí hơn 1.200 bếp năng lượng mặt trời cho người nghèo tại vùng sâu
vùng xa. Đây là một tổ chức phi lợi nhuận, được thành lập nhằm giúp đỡ và
phổ biến việc sử dụng năng lượng mặt trời cho người dân. Các sản phẩm năng
lượng mặt trời của Solar Serve đều do chính các người nghèo và người khuyết
tật tại địa phương chế tạo.
- Ngoài ra Sở Khoa học và Công nghệ Tp.Đà Nẵng còn phối hợp với Công ty
Quản lý vận hành điện chiếu sáng công cộng, quyết định thí điểm một năm
trong việc lắp đặt 10 bộ đèn chiếu sáng đường phố bằng năng lượng gió và
mặt trời tại đường Trường Sa, Tp.Đà Nẵng. Được biết, Đà Nẵng là một trong
những nơi được đánh giá là có tiềm năng phát triển năng lượng mặt trời tốt
nhất tại Việt Nam, với 177 giờ nắng trung bình trong tháng và cường độ bức
xạ nhiệt đạt 4,89 kWh/m
2

/ngày.
Ngoài ra tại Việt Nam, còn có khá nhiều doanh nghiệp đầu tư sản xuất
loại máy nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời như Polarsun, Megasun, Sơn
Hà, Sunflower, Thái Dương Năng… Khác với các thiết bị được chế tạo dành
cho người nghèo, đây là loại sản phẩm nhắm đến những hộ gia đình có thu nhập
trung bình khá. Mặc dù chi phí lắp đặt ban đầu khá cao (tối thiểu 5 triệu đồng),
đây vẫn được xem là bài toán kinh tế cho người dân tại các thành phố có nắng
quanh năm, khi mà giá điện vẫn liên tục leo thang.
1.2.2 Ứng dụng năng lượng mặt trời trên thế giới.
Ở Nhật Bản, chỉ riêng năm 2000 đã tăng lượng điện mặt trời lên tới 128
MW (gấp 4 lần trước đó); Philipines điện mặt trời đảm bảo nhu cầu sinh hoạt
8
cho 400.000 dân. Từ những năm 90 ở Đức, Thụy Sỹ đã có hàng ngàn toà nhà
được lắp đặt các tấm pin thu năng lượng mặt trời theo chương trình hỗ trợ tài
chính của Chính phủ. Khối EU có trên 25 triệu m
2
thu năng lượng mặt trời dùng
để phát điện và đun nước nóng. Israel có luật bắt buộc nhà ở phải có bình đun
nước nóng bằng năng lượng mặt trời và có những khu phố giờ cao điểm sẽ
cúp điện quốc gia.
Trên thế giới đã có rất nhiều lĩnh vực ứng dụng năng lượng mặt trời như :
thùng rác tự nén sử dụng năng lượng mặt trời ở Anh, đèn tín hiệu giao thông,
đèn chiếu sáng công cộng sử dụng năng lượng mặt trời ở Nhật Bản, các cao ốc
sử dụng năng lượng mặt trời ở Trung Quốc
Tại Thái Lan, Malaysia, Trung Quốc, Hàn quốc từ nhiều năm nay đã coi
hướng phát triển năng lượng tái tạo như một quốc sách vì thế năng lượng mặt
trời ở đây có sự tăng trưởng rất mạnh và chiếm một tỷ lệ đáng kể trong cơ cấu
phân bổ điện năng.
Tại Mỹ, Hungary, Đức, Thụy Sỹ từ nhiều năm nay cũng đã tăng nhanh
tốc độ xây dựng các nhà máy sản xuất pin mặt trời.

Hệ thống Pin Năng lượng mặt trời 600W được lắp đặt tại Victoria Peak,
đỉnh Peak, một điểm du lịch hấp dẫn của thành phố Hồng Kông. Hệ thống Pin
mặt trời cung cấp điện cho hệ thống các thiết bị viễn thông quan sát trên đỉnh
Peak này và được sử dụng hàng ngày…
Hệ thống Tubine Gió và Pin Năng lượng mặt trời 4000W tại khu
Philipin năm 2009. Hệ thống cung cấp điện cho hệ thống BTS viễn thông trên
đảo, đáp ứng đủ yêu cầu của trạm BTS sử dụng hàng ngày…
Hệ thống Pin Năng lượng mặt trời 80KW được lắp đặt cho khách hàng
tại thành phố Thâm Quyến – Trung Quốc năm 2010. Hệ thống pin mặt trời hòa
vào hệ thống điện lưới của tòa nhà, cung cấp điện cho hệ thống điện của tòa nhà
sử dụng đèn, quạt, máy tính, điều hòa làm giảm chi phí điện hàng ngày …
9
Hệ thống Pin Năng lượng mặt trời 300KW được lắp đặt cho khách hàng
tại thành phố Thượng Hải – Trung Quốc năm 2010. Hệ thống pin mặt trời hòa
vào hệ thống điện lưới của tòa nhà, cung cấp điện cho hệ thống điện của tòa nhà
sử dụng đèn, quạt, máy tính, điều hòa làm giảm chi phí điện hàng ngày …
Tại Đan Mạch, năm 2000 hơn 30% hộ dân sử dụng tấm thu năng lượng
mặt trời, có tác dụng làm nóng nước. Ở Brazil, những vùng xa xôi hiểm trở như
Amazon, điện năng lượng mặt trời luôn chiếm vị trí hàng đầu. Ngay tại Đông
Nam Á, điện mặt trời ở Philipines cũng đảm bảo nhu cầu sinh hoạt cho 400.000
dân.
Hiện nay trên thế giới việc sử dụng năng lượng mặt trời là rất rộng rãi
nhưng chủ yếu tập trung lớn ở một số quốc gia phát triển như Nhật Bản, Hàn
Quốc, Đức
1.3 Một số hạn chế trong việc ứng dụng năng lượng mặt trời vào
phục vụ sinh hoạt.
• Các chi phí ban đầu là rào cản chính của việc cài đặt một hệ thống năng
lượng mặt trời, phần lớn là vì chi phí cao của các vật liệu bán dẫn và sự
phức tạp của các thiết kế liên quan.
• Chi phí năng lượng mặt trời cũng là cao so với tiện ích cung cấp điện

không tái tạo. Như tình trạng thiếu năng lượng đang trở nên phổ biến
hơn, năng lượng mặt trời ngày càng trở nên giá cạnh tranh.
• Tấm năng lượng mặt trời có giá thành khá đắt tiền và đòi hỏi có một
vùng rộng lớn để lắp đặt để đạt được một mức độ tốt hiệu quả.
• Việc sản xuất năng lượng mặt trời bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như đám
mây, mưa, ô nhiễm trong không khí.
• Tương tự như vậy, sẽ không có năng lượng mặt trời được sản xuất vào
ban đêm mặc dù một hệ thống pin dự phòng sẽ được sử dụng.
10
1.4 Tiềm năng phát triển năng lượng mặt trời
- Trên thế giới, với việc phát triển mạnh về khoa học công nghệ, cho phép
khai thác tốt hơn nguồn năng lượng vô hạn này. Đây cũng là xu hướng thúc đẩy
việc sử dụng năng lượng mặt trời vì hiện tại các nguồn năng lượng hóa thạch
đang cạn dần và trước vấn đề về ô nhiễm môi trường, sự xung đột tranh giành
tài nguyên của các quốc gia.
- Việt Nam nằm trong khu vực khí hậu nhiệt đới, một trong những khu
vực nhận được lượng bức xạ nhiều nhất trong năm trên bản đồ bức xạ mặt trời
của thế giới.
Bảng 1.1. Số liệu bức xạ mặt trời ở các khu vực tại Việt Nam
( tạp chí năng lượng Việt Nam 2012)
Vùng Giờ nắng
trong năm
Cường độ
BXMT
(kWh/m²,ngày)
Ứng dụng
ĐôngBắc 1600 – 1750 3,3 – 4,1 Trung bình
Tây Bắc 1750 – 1800 4,1 – 4,9 Trung bình
Bắc Trung Bộ 1700 – 2000 4,6 – 5,2 Tốt
Tây Nguyên và

Nam Trung Bộ
2000 – 2600 4,9 – 5,7 Rất tốt
Nam Bộ 2200 – 2500 4,3 – 4,9 Rất tốt
Trung
bình cả nước
1700 – 2500 4,6 Tốt

Bảng 1.2: Tổng lượng bức xạ Mặt Trời của các tháng trong năm ở Hà
Nội và TP.Hồ Chí Minh (Tạp chí năng lượng Việt Nam-đơn vị: MJ/m².ngày)
11
Tháng Hà Nội TP.Hồ Chí Minh
1 8,76 16,56
2 8,63 22,68
3 9,09 21,60
4 12,44 20,16
5 18,94 15,12
6 19,11 12,60
7 20,11 11,88
8 18,23 12,96
9 17,22 12,60
10 15,04 13,68
11 12,40 14,40
12 10,66 14,04

Từ những số liệu về nguồn bức xạ dồi dào kể trên đã chỉ ra những tiềm
năng to lớn và cơ hội để tận dụng nguồn năng lượng mặt trời vô tận.
Hiện nay, giá điện và giá cả của các nguồn năng lượng hóa thạch ngày
càng tăng dẫn tới áp lực đáp ứng nhu cầu nguồn năng lượng của con người. Tuy
nhiên việc sử dụng năng lượng hóa thạch gây nên những hệ lụy xấu đối với môi
trường. Hiện nay việc phát triển năng lượng mặt trời đã được nhân rộng trên

nhiều quốc gia và vùng lãnh thổ. Một số quốc gia đã tạo ra những quy chuẩn đối
với việc phát triển năng lượng mặt trời như việc các tòa nhà mới xây dựng từ
năm 2012 phải thiết kế hệ thống pin mặt trời kèm theo nhằm giảm gánh nặng sử
dụng điện lưới ở Tây Ban Nha, Đức…
Bảng 1.3 Bảng giá điện theo từng năm ( Số liệu Điện lực Việt Nam)
12
Năm Giá điện (vnđ) Tỷ lệ tăng
(%)
2010 1.004 -
2011 1.242 23,705
2012 1.284
1.350
8,7
2013 1.418 5,04
6/2014
1.600
12,835
Nhờ chính sách khuyến khích đầu tư khai thác năng lượng mặt trời, giá
thành 1 Kwh điện mặt trời hiện nay chỉ còn 0,2-0,3USD so với 20 năm trước
người sử dụng phải tốn 2,5 USD cho 1Kwh. Với việc giá thành của các hệ thống
điện mặt trời ngày càng giảm xuống trong khi giá thành của nhiên liệu hóa thạch
cũng như chính sách quan tâm đầu tư vào năng lượng sạch của các quốc gia
mang lại những tiềm năng to lớn cho việc thúc đẩy phát triển năng lượng mặt
trời.
Ở Việt Nam, năng lượng mặt trời tuy được sử dụng nhưng còn hạn chế do
những nguyên nhân khách quan như: giá thành thiết bị còn cao, sự hỗ trợ của
nhà nước chưa có hoặc đang còn hạn chế, việc triển khai ứng dụng thực tế còn
hạn chế nhưng vẫn có chung xu hướng là tăng cường sử dụng năng lượng mặt
trời để thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch.
13





 !"#$%&
''()*+,(-
CHƯƠNG 2
HỆ THỐNG ĐIỆN SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
2.1 Nguyên lý hoạt động của hệ thống điện sử dụng năng lượng mặt
trời.
Nguyên lý hoạt động của Hệ thống điện mặt trời:
Từ hệ thống pin mặt trời, ánh sáng được biến đổi thành điện năng, tạo ra
dòng điện một chiều (DC). Dòng điện này được truyền dẫn tới bộ điều khiển
xạc năng lượng mặt trời (Solar Charger Controller) là một thiết bị điện tử có
chức năng điều khiển tự động quá trình nạp điện vào ắc-quy và phóng điện từ
ắc-quy ra các thiết bị điện một chiều (DC).
Trường hợp công suất hệ thống pin mặt trời và điện được tích trữ trong
các ắc quy đủ lớn, trong hệ thống sẽ có thêm bộ kích điện (Inverter) để biến đổi
dòng điện một chiều (DC) thành dòng điện xoay chiều (AC) 220V, có thể sử
dụng cho hầu hết các thiết bị điện gia đình (đèn, quạt, máy tính, TV…)
2.2 Các hệ thống điện mặt trời.
Trong việc thiết kế và sử dụng điện mặt trời người ta phân ra làm 3 hệ
thống chính:
• Điện mặt trời độc lập
• Điện mặt trời lai
• Điện mặt trời hòa lưới,điện mặt trời nối lưới điện
2.2.1 Điện mặt trời độc lập
Điện mặt trời độc lập là hệ thống nguồn cung cấp điện mặt trời độc lập
hoàn toàn với điện lưới quốc gia.
Hệ thống điện mặt trời độc lập (cách ly với lưới điện)

14


./01%&


''()*+,(-


Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời độc lập
( với biến tần tích hợp bộ sạc)
Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời độc lập( với biến tần tách
rời bộ sạc)
- Hệ thống điện mặt trời độc lập bao gồm các thành phần cơ bản:
1 Pin Mặt Trời (Solar Panels)
2 Ắc quy lưu trữ điện
3 Bộ điều khiển sạc điện từ pin mặt trời vào ắc quy (Solar Charger)
4 Bộ chuyển điện từ ắc quy thành điện xoay chiều cấp cho thiết bị (Inverter)
5 Dây dẫn và linh kiện đồng bộ.
- Nguyên lý hoạt động:
Pin mặt trời chuyển hóa Năng Lượng Mặt Trời dưới dạng Quang
Năng thành Điện Năng. Điện năng một chiều (DC) này được nạp vào ắc quy
thông qua một bộ điều khiển sạc. Điện năng này sau đó lại được chuyển hóa
thành điện xoay chiều nhờ vào bộ Inverter và cung cấp cho thiết bị tiêu thụ điện.
- Ưu điểm:
15
• Mất điện vẫn có điện.
• Độc lập với điện lưới nên có thể sử dụng cho các ứng dụng lưu động.
- Nhược điểm:
Do sử dụng nhiều thiết bị phụ trợ đi kèm nên toàn hệ thống có chung

các nhược điểm là:
• Chi phí bảo trì ,bảo dưỡng cao
• Hiệu suất chuyển đổi không cao
• Lượng điện phụ thuộc vào thời tiết ( mưa gió, nhiều mây…)
- Ứng dụng:
• Cấp điện độc lập cho một tòa nhà
• Cấp điện độc lập cho một văn phòng làm việc
• Cấp điện độc lập cho một thiết bị điện
- Điều kiện áp dụng:
• Những vùng chưa có điện lưới hoặc thường xuyên bị cúp điện.
• Sử dụng cho hộ gia đình, nhà di động, thiết bị di động.
2.3. Hệ thống điện mặt trời độc lập
Hệ thống điện mặt trời độc lập bao gồm các thành phần cơ bản:
• Pin Mặt Trời (Solar Panels)
• Ắc quy lưu trữ điện
• Bộ điều khiển sạc điện từ pin mặt trời vào ắc quy (Solar Charger)
• Bộ chuyển điện từ ắc quy thành điện xoay chiều cấp cho thiết bị (Inverter)
• Dây dẫn và linh kiện đồng bộ.
2.3.1. Tấm pin mặt trời (Solar Panel)
a. Phân loại, cấu tạo
Cho tới nay thì vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời (và cho các thiết bị bán
dẫn) là các silic tinh thể. Pin mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại:
16
Hình 2.3: Hình ảnh một số loại Pin mặt trời
- Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình
Czochralski. Trong quá trình này Silic đa tinh thể được nấu chảy ở 2500 °F
(1370 °C) để loại bỏ tạp chất và hình thành đơn tinh thể.
Một mẫu silic đơn tinh thể được nhúng vào silic nóng chảy, mẫu này được
quay đều và nâng dần lên với tốc độ 1,5 mm/phút. Từ đó khối silic đơn tinh thể
dần được hình thành, quá trình này có tên Czochralski

- Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16%. Chúng thường rất đắt tiền
do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc
nối các module.
- Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc-đúc từ silic nung chảy cẩn thận được
làm nguội và làm rắn. Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên
hiệu suất kém hơn. Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề
mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó.
17
- Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc
đa tinh thể, Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhất
trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon. Các công nghệ trên là sản
suất tấm, nói cách khác, các loại trên có độ dày 300 μm tạo thành và xếp lại để
tạo nên module.
b. Nguyên lý hoạt động.
Pin năng lượng mặt là thiết bị giúp chuyển hóa trực tiếp năng lượng
ánh sáng mặt trời (quang năng) thành năng lượng điện (điện năng) dựa trên hiệu
ứng quang điện. Hiệu ứng quang điện là khả năng phát ra điện tử (electron) khi
được ánh sáng chiếu vào của vật chất. Silicon là một thành phần quan trọng
trong cấu tạo của pin năng lượng mặt trời.
Ánh sáng mặt trời bao gồm các hạt rất nhỏ gọi là photon được tỏa ra
từ mặt trời. Khi va chạm với các nguyên tử silicon của pin năng lượng mặt trời,
những hạt photon truyền năng lượng của chúng tới các electron rời rạc, kích
thích làm cho electron đang liên kết với nguyên tử bị bật ra khỏi nguyên tử,
đồng thời ở nguyên tử xuất hiện chỗ trống vì thiếu electron. Điều này liên quan
đến việc tạo ra một sự mất cân bằng điện trong pin mặt trời, có tác dụng giống
như xây một con dốc để các electron chảy theo cùng một hướng.
Sự mất cân bằng này có thể được tạo ra bởi tổ chức bên trong của
silicon. Nguyên tử silicon được sắp xếp cùng nhau trong một cấu trúc ràng buộc
chặt chẽ. Bằng cách ép một số lượng nhỏ các nguyên tố khác vào cấu trúc này,
sẽ có hai loại silicon khác nhau được tạo ra: loại n và loại p. Chất bán dẫn loại n

(bán dẫn âm - Negative) có tạp chất là các nguyên tố thuộc nhóm V, các nguyên
tử này dùng 4 electron tạo liên kết và một electron lớp ngoài liên kết lỏng lẻo
với nhân, đấy chính là các electron dẫn chính. Chất bán dẫn loại p (bán dẫn
18
dương - Positive) có tạp chất là các nguyên tố thuộc nhóm III, dẫn điện chủ yếu
bằng các lỗ trống.
Khi hai loại bán dẫn này được đặt cạnh nhau trong một pin năng
lượng mặt trời, electron dẫn chính của loại n sẽ nhảy qua để lấp đầy những
khoảng trống của loại p. Điều này có nghĩa là silicon loại n tích điện dương và
silicon loại p được tích điện âm, tạo ra một điện trường trên pin mặt trời. Vì
silicon là một chất bán dẫn nên có thể hoạt động như một chất cách điện và duy
trì sự mất cân bằng này.
Khi làm cho electron đang liên kết với nguyên tử bị bật ra khỏi nguyên tử
silicon, photon trong ánh sáng mặt trời đưa các electron này vào một trật tự nhất
định, cung cấp dòng điện cho máy tính, vệ tinh và tất cả các thiết bị ở giữa.

c. Một số thông tin cơ bản về tấm pin mặt trời sử dụng trong hệ
thống điện mặt trời:
• Hiệu suất: từ 15% - 18%
• Công suất: từ 25Wp đến 175 Wp
• Số lượng cells trên mỗi tấm pin: 72 cells
• Kích thước cells: 5" – 6"
• Loại : monocrystalline và polycrystalline
• Chất liệu của khung: nhôm
• Tuổi thọ trung bình của tấm pin: 25-30 năm
Trong một ngày nắng, mặt trời cung cấp khoảng 1 kW/m² đến mặt đất
(khi mặt trời đứng bóng và quang mây). Công suất và điện áp của một hệ thống
sẽ phụ thuộc và cách chúng ta nối ghép các tấm pin mặt trời lại với nhau.
Các tấm pin mặt trời được lắp đặt ở ngoài trời để có thể hứng được ánh
nắng tốt nhất từ mặt trời nên được thiết kế với những tính năng và chất liệu đặc

biệt, có thể chịu đựng được sự khắc nghiệt của thời tiết, khí hậu, nhiệt độ…
19
2.3.2. Bộ điều khiển sạc mặt trời (Solar Charger Controller)
Là thiết bị thực hiện chức năng điều tiết sạc cho ắc-quy, bảo vệ cho
ắc-quy chống nạp quá tải và xả quá sâu nhằm nâng cao tuổi thọ của bình ắc-quy
và giúp hệ thống pin mặt trời sử dụng hiệu quả và lâu dài. Bộ điều khiển cho
biết tình trạng nạp điện của Panel mặt trời vào ắc-quy giúp cho người sử dụng
kiểm soát được các phụ tải. Bộ điều khiển còn thực hiện việc bảo vệ nạp quá
điện thế (>13,8V) hoặc điện thế thấp (<10,5v).
Nhiệm vụ
- Bảo vệ bình ắc quy.
Khi bình ắc quy đầy (13.8V - 14V đối với ắc quy 12V) thì bộ điều khiển
sạc ngăn không cho nguồn điện tiếp tục nạp vào ắc quy có thể gây nóng bình và
làm ảnh hưởng đến tuổi thọ của bình. Khi bình ắc quy gần cạn đến ngưỡng phải
ngắt để bảo vệ bình ( 10.5V đối với ắc quy 12V), bộ điều khiển sạc sẽ ngắt
không cho sử dụng tải để tránh trường hợp bình ắc quy bị “kiệt”.
- Bảo vệ tấm pin mặt trời.
Nguyên lý của dòng điện là chảy từ nơi điện áp cao đến nơi điện áp thấp.
Ban ngày trời nắng thì điện áp tấm pin loại 12V sẽ từ khoảng 15 đến hơn 20V,
cao hơn điện áp ắc quy nên dòng điện sẽ đi từ pin xuống ắc quy. Nhưng ban
đêm khi không có ánh nắng, điện áp của pin sẽ thấp hơn điện áp của ắc quy và
dòng điện sẽ đi từ ắc quy lên ngược tấm pin và "đốt" tấm pin, làm giảm hiệu
suất tấm pin và có thể hỏng tấm pin. Vậy nên bộ điều khiển sẽ ngăn một cách
triệt để không để cho dòng điện có thể đi ngược lên tấm pin để tránh hiện tượng
trên.
- Nâng cao hiệu suất tấm pin mặt trời.
Có chức năng này thì thiết bi này mới có tên gọi là "điều khiển", nghĩa là
thiết bị này điều khiển làm sao để công suất sạc đạt cực đại Pmax, nâng cao hiệu
20
suất sử dụng của tấm pin mặt trời. Các bộ điều khiển sạc kiểu cũ đơn giản thì

chỉ điều khiển đóng cắt khi bình đầy hoặc bình cạn và bảo vệ không cho điện
trào lên pin, hiện đại hơn là sử dụng phương pháp điều khiển điều rộng xung
PWM (Pulse - Width - Modulation) sử dụng mạch transitor đóng cắt liên tục để
ổn áp sạc cho ắc quy, phương pháp này có nhược điểm lớn là làm hao phí
khoảng trên dưới 20% lượng điện sạc từ pin mặt trời. Các bộ điều khiển sạc hiện
đại sử dụng phương pháp điều rộng xung không hao phí, có bộ vi xử lý và thiết
bị đo chọn được điểm có công suất cực đại MPP (Max Power Point) Pmax để
sạc cho ắc quy. Công suất cực đại minh họa trong hình dưới đây là diện tích
hình chữ nhật màu xám
2.3.3. Bộ kích điện DC-AC (Solar Inverter)
Bộ kích điện là một thiết bị biến đổi điện áp một chiều (DC) của bình
ắcquy (12V – 24V - 48V hoặc lên đến 240V) thành điện áp xoay chiều (AC) có
tần số phù hợp với lưới điện Việt Nam đang sử dụng là 220V, 50Hz. Bộ kích
điện được thiết kế với nhiều loại công suất từ 300VA – 10kVA tuỳ yêu cầu sử
dụng.
A Phân loại
Bộ kích điện chia thành 2 loại chính:
• Loại sóng sin chuẩn (true sine wave)
• Loại sóng mô phỏng hình sin (Modified sine wave or square wave).
Inverter sin chuẩn (True sine wave): là dạng inverter cho ra sóng sin dạng
chuẩn như sin thật. Hầu như không có khác biệt giữa điện lưới và nguồn output
của inverter này. Dạng sóng này có biến đổi thêm để hòa vào lưới điện. Inverter
nối lưới chắc chắn phải dùng dạng này. Nhược điểm lớn nhất của dạng này là
tiêu hao cho không tải thường rất cao, nên chỉ thích hợp cho các hệ thống lớn
hoặc các thiết bị y tế, hệ thống âm thanh nổi cần âm thanh chuẩn hoặc khi nối
lưới.
21
Hình 2.5 Mô phỏng Sine chuẩn
Inverter sóng vuông (square wave): là dạng kích điện cho ra sóng vuông
như hình dưới đây. Đây là dạng kích điện rẻ và dễ làm nhất. Dạng này dùng

được cho hầu hết các thiết bị điện tần số 50-60Hz nhưng nếu sử dụng lâu cho
các thiết bị sẽ làm hỏng thiết bị…
22
Hình 2.6 Mô phỏng sóng vuông

Hầu hết các thiết bị điện gia dụng đều hoạt động tốt với một trong hai loại
trên. Nếu chỉ có nhu cầu thắp sáng đèn, bộ xạc cho điện thoại di động hoặc lò
nướng thì bộ kích điện mô phỏng hình sin có thể đáp ứng tốt nhu cầu này.
Nhưng nếu sử dụng các thiết bị điện – điện tử có hiệu suất cao hoặc có động cơ
như : quạt, máy tính xách tay, màn hình LCD, cửa cuốn thì bắt buộc phải sử
dụng bộ kích điện sin chuẩn để các thiết bị hoạt động ổn định hơn.
Trên thực tế bộ kích điện (inverter) dạng mô phỏng hình sin hoặc sóng
vuông được dùng cho ôtô và các ứng dụng trên ôtô như chiếu sáng, xạc điện
thoại di động, bật lửa điện… Loại này có kích thước khá nhỏ, chỉ to hơn hoặc
bằng bàn tay người lớn bình thường. Về cơ bản thiết bị dạng này chất lượng
cũng đảm bảo, nhưng khi sử dụng phải thích hợp với thiết bị có công suất nhỏ.
23
B Nguyên lý cơ bản của kích điện dân dụng:
• Biến đổi một bước từ điện một chiều sang điện xoay chiều 220V thông qua
các transitor công suất và một biến áp sắt từ ở tần số 50 Hz (bước biến đổi
DC-AC).
• Biến đổi hai bước: từ điện một chiều ắc quy ở mức thấp (12, 24Vdc) sang
điện một chiều ở mức điện áp cao (khoảng 300Vdc) thông qua mạch dao
động tần số cao và biến áp xung (bước biến đổi DC-DC), rồi từ điện một
chiều (lúc này có điện thế cao) dao động thành điện xoay chiều 220Vac (tức
bước biến đổi DC-AC).
Tuỳ loại nguyên lý mà kích điện được tạm phân ra thành hai loại: Loại biến đổi
một bước và loại biến đổi hai bước – thường gọi là kích “điện tử”.
Các kích điện kiểu “điện tử” luôn có kích thước và trọng lượng nhỏ hơn
nhiều lần so với loại kích còn lại nếu cùng công suất.

Khi dùng bộ kích điện, người tiêu dùng phải đặt tại vị trí thoáng mát,
tránh các nơi ẩm ướt hoặc dễ cháy. Người tiêu dùng tuyệt đối không được nối
đầu ra 220V của bộ kích điện với hệ thống điện lưới toàn nhà. Tránh trường hợp
cắm ngược vào nguồn điện, khi có điện lưới dập cầu dao gây chập cháy vì điện
xông ngược vào máy. Dùng đúng công suất của máy, không được dùng quá tải.
Khi dùng nhiều giờ liên tục thì chỉ nên dùng tối đa là 80% công suất máy.
Ngoài ra còn có một số tiêu chí khi lựa chọn bộ kích điện như sau:
Bảng 2.1 Các tiêu chí lựa chọn bộ kích điện
24
Tiêu chí Kích “điện tử” Kích điện 1 bước
Công suất Dễ chế tạo loại công suất lớn
hơn
Chế tạo loại công suất lớn khó khăn
hơn do kích thước lớn.
Khả năng
chịu quá tải
Khả năng chịu quá tải thấp hơn
do sử dụng linh kiện điện tử để
điều tiết dạng sóng đầu ra. Tuy
nhiên có thể khắc phục được
nếu thiết kế tốt.
Có khả năng chịu quá tải cao hơn
Độ tin cậy Độ tin cậy thường thấp hơn do
các linh kiện điện tử dễ hư
hỏng. Tuy nhiên độ tn cậy này
có thể khắc phục được nếu
thiết kế tốt.
Có độ tin cậy cao hơn do ít bước sử
dụng linh kiện điện tử.
Mức độ gây

nhiễu điện
Thường gây nhiễu điện nhiều
hơn do sử dụng tần số cao để
biến đổi điện một chiều thành
xoay chiều. Tuy nhiên hiện
tượng gây nhiễu điện này có
thể xử lý được ở bởi các nhà
sản xuất.
Ít gây nhiễu điện bởi tần số giao
động là 50 Hz
Dạng sóng
điện đầu ra
Giả lập dạng sóng hình sin tốt
hơn (nếu mạch điện thiết kế
cho dạng này).
Đầu ra thường là dạng sóng xung
vuông, một vài loại người ta dùng
hệ L-C để làm méo cho giống dạng
sin.
Hiệu suất
kích điện
Hiệu suất cao hơn, dòng điện
tiêu thụ khi không tải thấp hơn
Hiệu suất thấp hơn, dòng điện không
tải lớn (có nghĩa là bật kích điện dù
có sử dụng hay không cũng tiêu tốn
25