tối ưu công suất hệ thống điện mặt trời

LỜI CẢM ƠN

Page 1

PHẦN MỞ ĐẦU
Nhu cầu về năng lượng của con người trong thời đại khoa học kỹ thuật phát triển
ngày càng tăng. Trong khi nhiên liệu dự trữ như than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên và ngay
cả thủy điện cũng có hạn nên cả nhân loại đang đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng.
Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn nhiên liệu mới như hạt nhân, năng lượng địa nhiệt,
năng lượng gió, năng lượng mặt trời là hướng quan trọng trong kế hoạch phát triển năng
lượng.
Việc nghiên cứu sử dụng năng lượng mặt trời ngày càng được quan tâm nhất là
trong tình trạng thiếu hụt năng lượng và vấn đề cấp bách về môi trường hiện nay, đây là
nguồn năng lượng sạch, thân thiện với môi trường trữ lượng gần như vô tận. Do vây năng
lượng mặt trời ngày càng được sử dụng rộng dãi nhiều nước trên thế giới.
Là một nước nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa hàng năm nước ta nhận được một
lượng bức xạ mặt trời lớn, cường độ ánh sáng mặt trời trung bình khá cao do đó việt nam
có rất nhiều lợi thế cho việc phát triển công nghệ này tuy nhiên vì điều kiện kinh tế nước
ta chưa phát triển nên công nghệ này còn khá mới mẻ và chưa thực sự phát triển mạnh ở
nước ta để góp phần nhỏ bé của mình vào việc phát triển và phổ biến công nghệ này tại
Việt Nam chúng em đã nghiên cứu và thực hiện đề tài “ Tối ưu công suất hệ thống điện
Mặt Trời ”.
Là một đề tài chỉ nghiên cứu về một mảng nhỏ trong hệ thống pin mặt trời đó là điều
khiển bộ biến đổi DC-DC để đạt công suất tối ưu nuôi tải DC.
Mục đích nghiên cứu của đồ án:
Đồ án hoàn thành nhằm thoả mãn hai mục đích chính: Một là tìm hiểu cơ bản về hệ
thống nguồn năng lượng Mặt Trời, ích lợi mà hệ thống mang lại. Hai là tìm hiểu, nghiên
cứu và chế tạo mô hình hệ thống điện mặt trời với công suất tối ưu.
Page 2

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
Đối tượng của đề tài là khá phong phú và có nhiều mảng, đó là Hệ thống nguồn
năng lượng điện Mặt Trời( Bao gồm năng lượng bức xạ Mặt Trời, Pin Mặt Trời, Bộ tích
trữ năng lượng, mạch điều khiển, bộ biến đổi điện áp DC-DC).
Ý nghĩa thực tế của đồ án:
“Tối ưu công suất hệ thống điện Mặt Trời ” là sử dụng một hoặc một số phương pháp điều
khiển để đạt công suất tối ưu cho tải DC. Hệ thống điện mặt trời là một hệ thống sử dụng
nguồn năng lượng xanh, sạch miễn phí, rất thân thiện với môi trường. Đặc biệt là giảm
hóa được lượng điện tiêu thụ hằng ngày của chúng ta,và cũng sẽ tiếp tục cung cấp điện
trong trường hợp bị mất điện.
Nội dung của đồ án:
Đồ án gồm 3 phần chính:
Phần tổng quan về hệ thống pin năng lượng mặt trời và các phương pháp điều khiển
bộ biến đổi DC-DC để đạt công suất tối ưu.
Phần mô phỏng : mô phỏng hệ thống pin mặt trời nuôi tải DC trên nền
Matlab/Simuilk gồm có: mô phỏng tấm pin mặt trời, mô phỏng bộ biến đổi DC-DC tăng
áp (boost conventer)
Phần thi công: mô hình hệ điện mặt trời với tải DC ( bao gồm mạch biến đổi tăng áp
một chiều, mạch lạp ACQUY tự động).
Page 3

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG PIN
MẶT TRỜI.
Đặt vấn đề.
Hiện nay, những nguồn nhiên liệu chủ yếu để sản xuất ra điện như: than đá, dầu mỏ,
khí tự nhiên… đang có xu hướng cạn kiệt, làm ảnh hưởng đến việc cung cấp điện cho sinh
hoạt, sản xuất của con người. Vì vậy, các nguồn năng lượng dồi dào có thể tái tạo đã được
nghiên cứu và chế tạo để sản xuất ra điện thay thế cho các nguồn nhiên liệu đang dần cạn
kiệt, một trong số đó phải kể đến nguồn bức xạ năng lượng mặt trời. Việc nghiên cứu ra hệ
thống pin năng lượng mặt trời sử dụng bức xạ mặt trời để chế tạo ra điện năng, đang càng

ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất và sinh hoạt của con người.
Pin Mặt Trời là thiết bị sử dụng biến đổi trực tiếp năng lượng Mặt Trời thành năng
lượng điện nhờ vào các tế bào quang điện. Các Panel này còn sản xuất ra năng lượng
chừng nào còn có bức xạ Mặt Trời chiếu tới nó. Các hệ thống Panel hay Pin Mặt Trời rất
đơn giản, không có phần chuyển động, không cần đòi hỏi chăm sóc bảo dưỡng thường
xuyên như những hệ thống khác, đặc biệt không ô nhiễm môi trường nên đã được quan
tâm nghiên cứu, phát triển và ứng dụng ngày càng mạnh mẽ vào khoa học kỹ thuật và cuộc
sống. Sau đây chúng ta sẽ tìm hiểu đôi chút về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các đặc
trưng cơ bản của Pin Mặt Trời, ưu điểm, nhược điểm và ứng dụng mạnh mẽ của nó.
1.1. Mặt trời và nguồn bức xạ Mặt trời
Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1,390.106km (lớn hơn 110 lần
đường kính trái đất), cách xa trái đất 150.106km (bằng một đơn vị thiên văn AU ánh sáng
mặt trời cần khoảng 8 phút để vượt qua khoảng này đến trái đất). Khối lượng mặt trời
khoảng Mo = 2.1030kg. Nhiệt độ T ở trung tâm mặt trời thay đổi trong khoảng từ 10.10
6
K
đến 20.10
6
K, trung bình khoảng 15600000 K. Ở nhiệt độ như vậy vật chất không thể giữ
được cấu trúc trật tự thông thường gồm các nguyên tử và phân tử. Nó trở thành plasma
trong đó các hạt nhân của nguyên tử chuyển động tách biệt với các electron. Khi các hạt
nhân tự do có va chạm với nhau sẽ xuất hiện những vụ nổ nhiệt hạch. Khi quan sát tính
Page 4

chất của vật chất nguội hơn trên bề mặt nhìn thấy được của mặt trời, các nhà khoa học đã
kết luận rằng có phản ứng nhiệt hạch xảy ra ở trong lòng mặt trời. Mặt Trời không có ranh
giới rõ ràng như ở các hành tinh có đất đá. Ngược lại, mật độ các khí giảm dần xuống
theo quan hệ số mũ theo khoảng cách tính từ tâm Mặt Trời. Bán kính của Mặt Trời được
đo từ tâm tới phần rìa ngoài của quang quyển.
Hinh 1.1 : Cấu trúc của mặt trời

Nhiệt độ T
o
tại trung tâm mặt trời thay đổi trong khoảng từ 10.106K đến 20.106K,
trung bình khoảng 15600000 K. Ở nhiệt độ như vậy vật chất không thể giữ được cấu trúc
trật tự thông thường gồm các nguyên tử và phân tử. Nó trở thành plasma trong đó các hạt
nhân của nguyên tử chuyển động tách biệt với các electron. Khi các hạt nhân tự do có va
chạm với nhau sẽ xuất hiện những vụ nổ nhiệt hạch. Khi quan sát tính chất của vật chất
nguội hơn trên bề mặt nhìn thấy được của mặt trời, các nhà khoa học đã kết luận rằng có
phản ứng nhiệt hạch xảy ra ở trong lòng mặt trời.
Về cấu trúc, mặt trời có thể chia làm 4 vùng, tất cả hợp thành một khối cầu khí
khổng lồ. Vùng giữa gọi là nhân hay “lõi” có những chuyển động đối lưu, nơi xảy ra
những phản ứng nhiệt hạt nhân tạo nên nguồn năng lượng mặt trời, vùng này có bán kính
khoảng 175.000km, khối lượng riêng 160kg/dm3, nhiệt độ ước tính từ 14 đến 20 triệu độ,
áp suất vào khoảng hàng trăm tỷ atmotphe. Vùng kế tiếp là vùng trung gian còn gọi là
vùng “đổi ngược” qua đó năng lượng truyền từ trong ra ngoài, vật chất ở vùng này gồm
có sắt (Fe), can xi (Ca), nát ri (Na), stronti (Sr), crôm (Cr), kền (Ni), cácbon ( C), silíc (Si)
và các khí như hiđrô (H2), hêli (He), chiều dày vùng này khoảng 400.000km. Tiếp theo
Page 5

là vùng “đối lưu” dày 125.000km và vùng “quang cầu” có nhiệt độ khoảng 6000K, dày
1000km ở vùng này gồm các bọt khí sôi sục, có chỗ tạo ra các vết đen, là các hố xoáy có
nhiệt độ thấp khoảng 4500K và các tai lửa có nhiệt độ từ 7000K -10000K. Vùng ngoài
cùng là vùng bất định và gọi là “khí quyển” của mặt trời. Ánh sáng nói riêng, hay bức xạ
điện từ nói chung, từ bề mặt của Mặt Trời được xem là nguồn năng lượng chính cho Trái
Đất. Hằng số năng lượng mặt trời được tính bằng công suất của lượng bức xạ trực tiếp
chiếu trên một đơn vị diện tích bề mặt Trái Đất, bằng khoảng 1370 W/m
2
. Ánh sáng Mặt
Trời bị hấp thụ một phần trên bầu khí quyển Trái Đất, nên một phần nhỏ hơn tới được bề
mặt Trái Đất, gần 1000 W/m² năng lượng Mặt Trời tới Trái Đất trong điều kiện trời quang

đãng. Năng lượng này có thể dùng vào các quá trình tự nhiên hay nhân tạo. Quá trình
quang hợp trong cây sử dụng ánh sáng mặt trời và chuyển đổi CO
2
thành ôxy và hợp chất
hữu cơ, trong khi nguồn nhiệt trực tiếp là làm nóng các bình đun nước dùng năng lượng
Mặt Trời, hay chuyển thành điện năng bằng các pin năng lượng Mặt Trời. Năng lượng dự
trữ trong dầu mỏ được giả định rằng là nguồn năng lượng của Mặt Trời được chuyển đổi
từ xa xưa trong quá trình quang hợp và phản ứng hóa sinh của sinh vật cổ. Trong toàn bộ
bức xạ của Mặt trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các phản ứng hạt nhân xảy ra trong
Mặt trời không quá 3%. Bức xạ γ ban đầu khi đi qua 5.10
5
km chiều dầy của lớp vật chất
Mặt trời của biến đổi rất mạnh. Tất cả các dạng của bức xạ điện từ đều có bản chất sóng
và chúng khác nhau ở bước sóng. Bức xạ γ là sóng ngắn nhất trong các sóng đó, tứ tâm
Mặt trời đi ra cho sự va chạm hoặc tán xạ mà năng lượng của chúng giảm đi và bây giờ
chúng ứng với bức xạ có bước sóng dài. Như vậy bức xạ chuyển thành bức xạ Rơnghen
có bước sóng dài hơn. Gần đến bề mặt Mặt trời nơi có nhiệt độ đủ thấp để có thể tồn tại
vật chất trong trạng thái nguyên tử và các cơ chế khác bắt đầu xảy ra.
Page 6

Hình 1. 2 Dải bức xạ điện từ
Đặc trưng của bức xạ Mặt trời truyền trong không gian bên ngoài Mặt trời là một phổ
rộng trong đó cực đại của cường độ bức xạ nằm trong dải 10
-1
– 10 µm và hầu như một
nửa tổng năng lượng Mặt trời tập trung trong khoảng bước sóng 0,38 – 0,78 µm đó là
vùng nhìn thấy của phổ Chùm tia truyền thẳng từ Mặt trời gọi là bức xạ trực xạ. Tổng hợp
các tia trực xạ và tán xạ gọi là tổng xạ. Mật độ dòng bức xạ trực xạ ở ngoài lớp khí quyển,
tính đối với 1m
2

bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ, được tính theo công thức:
q = ϕ
D-T
.C
0
(T/100)
4
(1.1)
trong đó: ϕ
D-T
: hệ số góc bức xạ giửa Trái đất và Mặt trời.
ϕ
D-T
= β
2
/4 (1.2)
β : góc nhìn mặt trời, β 32’
C
0
= 5,67 W/m
2
.K
4
– hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối.
T 5762
0
K – nhiệt độ bề mặt Mặt trời.
⇒q 1353 W/m
2
.

Do khoảng cách giửa Trái đất và Mặt trời thay đổi theo mùa trong năm nên β cũng
thay đổi, do đó q cũng thay đổi nhưng độ thay đổi không lớn lắm nên có thể xem q là
không đổi và được gọi là hằng số Mặt trời.Khi truyền qua lớp khí quyển bao bọc quanh
Trái đất, các chùm tia bức xạ bị hấp thụ và tán xạ ở tầng ozon, hơi nước và bụi trong khí
Page 7

quyển, chỉ một phần năng lượng được truyền trực tiếp đến Trái đất.Toàn bộ bức xạ tử
ngoại được sử dụng để duy trì quá trình phân ly và hợp nhất của O,O
2
và O
3
đó là quá trình
ổn định. Do quá trình này, khi đi qua khí quyển, bức xạ tử ngoại biến đổi thành bức xạ với
năng lượng nhỏ hơn. Các bức xạ với bước sóng ứng với các vùng nhìn thấy và vùng hồng
ngoại của phổ tương tác với các phân tử khí và các hạt bụi của không khí nhưng không
phá vỡ các liên kết của chúng, khi đó các photon bị tán xạ khá đều theo mọi hướng và một
số photon quay trở lại không gian vũ trụ. Bức xạ chịu dạng tán xạ đó chủ yếu là bức xạ có
bước sóng ngắn nhất. Sau khi phản xạ từ các phần khác nhau của khí quyển bức xạ tán xạ
đi đến chúng ta mang theo màu xanh lam của bầu trời trong sáng và có thể quan sát được ở
những độ cao không lớn. Các giọt nước cũng tán xạ rất mạnh bức xạ mặt trời. Bức xạ mặt
trời khi đi qua khí quyển còn gặp một trở ngại đáng kể nữa đó là do sự hấp thụ của các
phần tử hơi nước, khí cacbônic và các hợp chất khác, mức độ của sự hấp thụ này phụ
thuộc vào bước sóng, mạnh nhất ở khoảng giữa vùng hồng ngoại của phổ. Phần năng
lượng bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt trái đất trong những ngày quang đãng (không có
mây) ở thời điểm cao nhất vào khoảng 1000W/m2.
1.2. Ứng dụng của năng lượng Mặt trời
Đối với cuộc sống của loài người, năng lượng Mặt Trời là một nguồn năng lượng
tái tạo quý báu. Có thể trực tiếp thu lấy năng lượng này thông qua hiệu ứng quang điện,
chuyển năng lượng các photon của Mặt Trời thành điện năng, như trong pin Mặt Trời.
Năng lượng của các photon cũng có thể được hấp thụ để làm nóng các vật thể, tức là

chuyển thành nhiệt năng, sử dụng cho bình đun nước Mặt Trời, hoặc làm sôi nước trong
các máy nhiệt điện của tháp Mặt Trời, hoặc vận động các hệ thống nhiệt như máy điều
hòa Mặt Trời. Năng lượng của các photon có thể được hấp thụ và chuyển hóa thành năng
lượng trong các liên kết hóa học của các phản ứng quang hóa. Một phản ứng quang hóa
tự nhiên là quá trình quang hợp. Quá trình này được cho là đã từng dự trữ năng lượng Mặt
Trời vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch không tái sinh mà các nền công nghiệp của thế kỷ
19 đến 21 đã và đang tận dụng. Nó cũng là quá trình cung cấp năng lượng cho mọi hoạt
động sinh học tự nhiên, cho sức kéo gia súc và củi đốt, những nguồn năng lượng sinh học
Page 8

tái tạo truyền thống. Trong tương lai, quá trình này có thể giúp tạo ra nguồn năng lượng tái
tạo ở nhiên liệu sinh học, như các nhiên liệu lỏng (diesel sinh học, nhiên liệu từ dầu thực
vật), khí (khí đốt sinh học) hay rắn.
Năng lượng Mặt Trời cũng được hấp thụ bởi thủy quyển Trái Đất và khí quyển Trái
Đất để sinh ra các hiện tượng khí tượng học chứa các dạng dự trữ năng lượng có thể khai
thác được. Trái Đất, trong mô hình năng lượng này, gần giống bình đun nước của những
động cơ nhiệt đầu tiên, chuyển hóa nhiệt năng hấp thụ từ photon của Mặt Trời, thành động
năng của các dòng chảy của nước, hơi nước và không khí, và thay đổi tính chất hóa học và
vật lý của các dòng chảy này. Thế năng của nước mưa có thể được dự trữ tại các đập nước
và chạy máy phát điện của các công trình thủy điện. Một dạng tận dụng năng lượng dòng
chảy sông suối
Điện năng còn có thể tạo ra từ năng lượng mặt trời dựa trên nguyên tắc tạo nhiệt độ
cao bằng một hệ thống gương phản chiếu và hội tụ để gia nhiệt cho môi chất làm việc
truyền động cho máy phát điện. Hiện nay trong các nhà máy nhiệt điện sử dụng năng
lượng mặt trời có các loại hệthống bộ thu chủ yếu sau đây:Hệ thống dùng parabol trụ để
tập trung tia bức xạ mặt trời vào một ống môi chất đặt dọc theo đường hội tụ của bộ thu,
nhiệt độ có thể đạt tới 400
o
C. Hệ thống nhận nhiệt trung tâm bằng cách sử dụng các gương
phản xạ có định vị theo phương mặt trời để tập trung năng lượng mặt trời đến bộ thu đặt

trên đỉnh tháp cao, nhiệt độ có thể đạt tới trên 1500
o
C. Trong thời đại khoa học kỹ thuật
phát triển, nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng. Trong khi đó các nguồn nhiên liệu dự
trữ như than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên và ngay cả thủy điện thì có hạn khiến cho nhân
loại đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng. Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng
lượng mới như năng lượng hạt nhân, năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió và năng lượng
mặt trời là một trong những hướng quan trọng trong kế hoạch phát triển năng lượng, không
những đối với những nước phát triển mà ngay cả với những nước đang phát triển. Năng
lượng mặt trời - nguồn năng lượng sạch và tiềm tàng nhất - đang được loài người thực sự
đặc biệt quan tâm. Do đó việc nghiên cứu nâng cao hiệu quả các thiết bị sử dụng năng
lượng mặt trời và triển khai ứng dụng chúng vào thực tế là vấn đề có tính thời sự. Việt
Page 9

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

tạo thành công, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng
để tạo nên mạch nối. Russell Ohl được xem là người tạo ra pin năng lượng mặt trời đầu
tiên năm 1946 tuy nhiên nó chỉ có hiệu suất 1%. Pin mặt trời lần đầu tiên được ứng dụng
là trên vệ tinh Vangaurd 1 của Mĩ, được phóng năm 1958. Ngày nay pin mặt trời được sản
xuất trên toàn thế giới đặt biệt là ở các trên toàn thế giới.
1.3.1 Cấu tạo pin mặt trời
Page 10

Hình 1.4: cấu tạo của tấm 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 lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên trong. Cho
tới hiện tại thì vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời (và cho các thiết bị bán dẫn) là các silic
tinh thể. Pin mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại:
- Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski.Pin mặt trời
dơn tinh thể có thể đạt hiệu suất từ 11% - 16% . Chúng thường rất mắctiền do được cắt từ
các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module.
- Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm nguội và làm
rắn. Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn, từ 8% -
11%. Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh
thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó.
- Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể. Loại
này có hiệu suất thấp nhất, từ 3% - 6%, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại vì không
cần phải cắt từ thỏi silicon. Silic thuộc nhóm IV, tức là có 4 electron lớp ngoài cùng. Silic
có thể kết hợp với silicon khác để tạo nên chất rắn. Cơ bản có 2 loại chất rắn silicon, đa thù
hình (không có trật tự sắp xếp) và tinh thể (các nguyên tử sắp xếp theo thứ tự dãy không
gian 3 chiều). Pin năng lượng mặt trời phổ biến nhất dùng đa tinh thể silicon.
Silic là chất bán dẫn. Tức là thể rắn silic, tại một tầng năng lượng nhất định,electron
có thể đạt được, và một số tầng năng lượng khác thì không được. Các tầng năng lượng
Page 11

không được phép này xem là tầng trống. Lý thuyết này căn cứ theo thuyết cơ học lượng tử.
Ở nhiệt độ phòng, Silic nguyên chất có tính dẫn điện kém. Trong cơ học lượng tử,
giải thích thất tế tại mức năng lượng Fermi trong tầng trống. Để tạo ra silic có tính dẫn
điện tốt hơn, có thể thêm vào một lượng nhỏ các nguyên tử nhóm III hay V trong bảng
tuần hoàn hóa học. Các nguyên tử này chiếm vị trí của nguyên tử silic trong mạng tinh thể,
và liên kết với các nguyên tử silic bên cạnh tương tự như là một silic. Tuy nhiên các phân
tử nhóm III có 3 electron ngoài cùng và nguyên tử nhóm V có 5 electron ngoài cùng, vì thế
nên có chỗ trong mạng tinh thể có dư electron còn có chỗ thì thiếu electron. Vì thế các
electron thừa hay thiếu electron (gọi là lỗ trống) không tham gia vào các kết nối mạng tinh
thể. Chúng có thể tự do di chuyển trong khối tinh thể. Silic kết hợp với nguyên tử nhóm
III (nhôm hay gali) được gọi là loại bán dẫn p bởi vì năng lượng chủ yếu mang điện tích
dương (positive), trong khi phần kết hợp với các nguyên tử nhóm V (phốt pho, asen) gọi là
bán dẫn n vì mang năng lượng âm (negative). Lưu ý rằng cả hai loại n và p có năng lượng
trung hòa, tức là chúng có cùng năng lượng dương và âm, loại bán dẫn n, loại âm có thể di
chuyển xung quanh, tương tự ngược lại với loại p.
Các tinh thể silic (Si) hay gali asenua (GaAs) là các vật liệu được sử dụng làm pin
mặt trời. Gali asenua đặc biệt tạo nên để dùng cho pin mặt trời, tuy nhiên thỏi tinh thể silic
cũng có thể dùng được với giá thành thấp hơn, sản xuất chủ yếu để tiêu thụ trong công
nghiệp vi điện tử. Đa tinh thể silic có hiệu quả kém hơn nhưng giá tiền cũng thấp hơn.
Khi để trực tiếp dưới ánh sáng mặt trời, một pin silic có đường kính 6 cm có thể sản
xuất dòng điện khoảng 0,5 ampe ở 0,5 volt.
Các tấm tinh thể mỏng hình đĩa, được đánh bóng để loại bỏ các khuyết tật trong quá
trình cắt, chất kích thích được dùng cho các pin, và các tấm kim loại dẫn truyền đặt vào
một mặt: một lưới mỏng trên bề mặt chiếu ánh sáng mặt trời, và mặt phẳng trên mặt còn
lại. Tấm năng lượng mặt trời tạo thành từ các pin như vậy cắt theo hình dạng thích hợp,
được bảo vệ khỏi tia bức xạ và hư hại trên mặt trước bằng các miếng gương, dán vào chất
nền. Sự liền mạch được tạo nên thành các dãy song song để quyết định năng lượng tạo ra.
Page 12

Chất keo và chất nền phải có tính dẫn nhiệt, vì khi các pin được làm nóng khi hấp thụ năng

lượng hồng ngoại, vốn không thể chuyển hóa thành năng lượng. Một khi các pin bị làm
nóng thì giảm hiệu suất hoạt động vì thế nên phải làm giảm thiểu nhiệt năng.
1.3.2. Nguyên lý hoạt động
Hình 1.5: Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời.
Hình 1.6 sơ đồ hai mức năng lượng
Bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E1 .Khi chiếu sáng hệ thống,
lượng tử ánh sáng (photon) mang năng lượng hv (h là hằng số Plank và v là tần số ánh
sáng) bị điện tử hấp thụ và chuyển lên mức E2. Phương trình cân bằng năng lượng:
hv = E1-E2 (1.3)
Trong các vật rắn ,do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vành ngoài
nên các năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng con rất sát nhau và tạo thành
vùng năng lượng. Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi ở trạng thái cân bằng
Page 13

gọi là vùng hoá trị mà bên trên của nó có năng lượng E
V
. Vùng năng lượng phía trên tiếp
đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn, bên dưới của vùng có
năng lượng là E
C
, cách ly giữa vùng hóa trị và vùng dẫn đó gọi là một vùng cấm có độ
rộng năng lượng là Eg, trong đó không có mức năng lượng cho phép nào của điện tử. Khi
ánh sáng chiếu đến vật rắn có vùng năng lượng nói trên, photon có năng lượng hv tới hệ
thống , bị điện tử của vùng hoá trị hấp thụ và nó có thể chuyển lên vùng dẫn để trở thành
điện tử tự do e
-
,lúc này vùng hoá trị sẽ có một lỗ trống có thể di chuyển như “hạt“ mang
điện tích dương nguyên tố (kí hiệu h+). Lỗ trống này có thể di chuyển và tham gia vào quá
trình dẫn điện.
Phương trình hiệu ứng lượng tử:

eV+hv→ e
-
+ h
+
Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lượng của photon và chuyển từ vùng hoá
trị lên vùng dẫn, tạo ra căp điện tử –lỗ trống là:
hv > Eg = E
C
- E
V
Suy ra bước sóng tới hạn λ
C
của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e
-
- h
+
là:
λ
C
= hc/( E
C
– E
V
)
Vậy khi chiếu sáng vào vật rắn, điện tử ở vùng hoá trị hấp thụ năng lượng photon
hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử – lỗ trống e
-
- h
+
, tức là tạo ra một điện

thế. Hiện tượng đó gọi là hiện tượng quang điện bên trong.
Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời chính là hiện tượng quang điện xảy ra trên lớp
tiếp xúc p-n.
Page 14

Hình 1.7. Các vùng năng lượng
Khi photon chạm vào mảnh SILIC xảy ra một trong hai hiện tượng sau:
Photon truyền trực xuyên qua mảnh silic. Điều này thường xảy ra khi năng lượng
của photon thấp hơn năng lượng đủ để đưa các hạt electron lên mức năng lượng cao hơn.
Năng lượng của photon được hấp thụ bởi silic. Điều này thường xảy ra khi năng
lượng của photon lớn hơn năng lượng để đưa electron lên mức năng lượng cao hơn.
Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các hạt electron trong
màng tinh thể. Thông thường các electron này lớp ngoài cùng, và thường được kết dính với
các nguyên tử lân cận vì thế không thể di chuyển xa. Khi electron được kích thích, trở
thành dẫn điện, các electron này có thể tự do di chuyển trong bán dẫn. Khi đó nguyên tử sẽ
thiếu 1 electron và đó gọi là lỗ trống. Lỗ trống này tạo điều kiện cho các electron của
nguyên tử bên cạnh di chuyển đến điền vào lỗ trống, và điều này tạo ra lỗ trống cho
nguyên tử lân cận có "lỗ trống". Cứ tiếp tục như vậy lỗ trống di chuyển xuyên suốt mạch
bán dẫn.
Một photon chỉ cần có năng lượng lớn hơn năng luợng đủ để kích thích electron
lớp ngoài cùng dẫn điện. Tuy nhiên, tần số của mặt trời thường tương đương 6000°K, vì
thế nên phần lớn năng lượng mặt trời đều được hấp thụ bởi silic. Tuy nhiên hầu hết năng
lượng mặt trời chuyển đổi thành năng lượng nhiệt nhiều hơn là năng lượng điện sử dụng
được
1.4. Hệ thống pin mặt trời
Hệ thống pin mặt trời là một hệ thống bao gồm một số các thành phần như: các tấm pin
mặt trời, các tải tiêu thụ điện, các thiết bị lưu trữ điện năng (acquy) và các thiết bị điều
Page 15

phối điện năng…

Hình 1.8: sơ đồ một hệ thống pin mặt trời
1.4.1. Thiết kế một hệ thống pin mặt trời:
Thiết kế một hệ thống pin mặt trời là xây dựng một quan hệ tương thích giữa các
thành phần của hệ về mặt định tính và định lượng để đảm bảo hiệu quả cao.Các bước thiết
kế:
1.4.1.1. Lựa chọn sơ đồ khối.
Page 16

Hình 1.9. Sơ đồ khối hệ thống pin năng lượng mặt trời.
Từ sự phân tích các yêu cầu và các đặc trưng của các phụ tải điện ta sẽ chọn một sơ
đồ khối thích hợp như hình trên.
1.4.1.2. Tính toán hệ nguồn điện pin mặt trời.
Có nhiều phương pháp tính toán nhưng thông dụng nhất chủ yếu dựa trên sự cân
bằng điện năng trung bình hằng ngày.
1 – Tính phụ tải điện theo yêu cầu
Giả sử hệ cần cấp điện cho các tải T1, T2, T3,… có các công suất tiêu thụ tương
ứng P1, P2, P3,… và thời gian làm việc hàng ngày của chúng là t1, t2, t3,…Tổng điện
năng phải cấp hằng ngày cho các tải:
E
ng
= P1t1+P2t2+P3t3+… (1.4)
Từ E
ng
nếu nhân với số ngày trong tháng hoặc trong năm ta sẽ tính được nhu cầu
điện năng trong các tháng hoặc cả năm.
2 – Tính năng lượng điện mặt trời cần thiết Ec
Năng lượng hằng ngày dàn pin mặt trời cần phải cấp cho hệ được xác định theo
công thức : E
C
= (1.5)

Trong đó η là hiệu suất của cả hệ thống.
3 - Công suất dàn pin mặt trời
Page 17

Công suất của dàn pin mặt trời thường được tính ra công suất đỉnh hay cực đại
(Peak Watt, W
p
), là công suất của dàn pin trong điều kiện chuẩn: : E
w
= (1.6)
Trong đó Es cường độ bức xạ trên mặt phẳng đặt nghiêng một góc β so với mặt
phẳng ngang. h là hiệu suất của pin ở nhiệt độ T.
4 – Tính số module mắc song song và nối tiếp :
Các giá trị đặc trưng cơ bản của module :
- Thế làm việc tối ưu( Vm). Dòng làm việc tối ưu (Im). Công suất đỉnh( Pm ). Số module
cần dùng trong hệ thống: N = Với N= N
NT
.N
SS
N
NT
là số modul mắc nối tiếp trong hệ : N
nt
=
N
SS
là số modun mắc song song trong hệ : N
nt
= `
5 - Dung lượng ACQUY tính theo AMPE-H

Dung lượng của bộ acquy được tính theo công thức: C = (1.7)
Trong đó:
D: số ngày cần dự trữ năng lượng (số ngày không có nắng)
η: hiệu suất nạp phóng điện của acquy.
Page 18

DOS: độ sâu phóng điện thích hợp (khoảng 0,6:0,7).
6 - Các bộ điều phối năng lượng
Các bộ điều phối năng lượng gồm bộ điều khiển quá trình nạp, phóng điện cho Acquy
và bộ biến đổi DC/DC.
Bộ điều khiển là thiết bị có chức năng kiểm soát tự động các quá trình nạp và phóng
điện của bộ acquy. Bộ điều khiển theo dõi trạng thái của acquy thông qua hiệu điện thế
trên cá điện cực của nó
Bộ biến đổi điện có chức năng biến đổi dòng điện một chiều từ dàn pin mặt trời hoặc
từ bộ acquy thành dòng điện một chiều đó là các bộ inventer.
1.5. Ưu ,nhược điểm của năng lượng mặt trời
1.5.1. Ưu điểm
 Giúp bạn tiết kiệm tiền
Sau khi đầu tư ban đầu đã được thu hồi, năng lượng từ mặt trời là thiết thực miễn phí.
- Thời kỳ hoàn vốn cho đầu tư này có thể rất ngắn tùy thuộc vào bao nhiêu hộ gia
đình của bạn sử dụng điện.
- Ưu đãi tài chính có hình thức chính phủ sẽ giảm chi phí của bạn.
- Nếu hệ thống pin mặt trời sản xuất năng lượng nhiều hơn bạn sử dụng, chính phủ
của bạn có thể mua điện từ bạn.
- Nó sẽ giúp bạn tiết kiệm tiền trên hóa đơn điện của bạn hàng tháng.
- Năng lượng mặt trời không đòi hỏi bất cứ nhiên liệu.
- Nó không bị ảnh hưởng bởi việc cung cấp và nhu cầu nhiên liệu và do đó không
phải chịu mức giá ngày càng tăng của xăng dầu.
- Tiết kiệm được ngay lập tức và trong nhiều năm tới.
Việc sử dụng năng lượng mặt trời gián tiếp làm giảm chi phí y tế

Page 19

 Thân thiện với môi trường
- Năng lượng mặt trời sạch, tái tạo (không giống như dầu, khí đốt và than đá) và bền
vững, góp phần bảo vệ môi trường của chúng tôi.
- Nó không gây ô nhiễm không khí do khí carbon dioxide phát hành, oxit nitơ, khí
lưu huỳnh hoặc thủy ngân vào khí quyển giống như nhiều hình thức truyền thống của các
thế hệ điện không.
- Vì vậy năng lượng mặt trời không đóng góp cho sự nóng lên toàn cầu, mưa axit
hoặc sương mù.
- Nó tích cực góp phần vào việc giảm phát thải khí nhà kính có hại.
- Đó là tạo ra nơi cần thiết.
- Bằng cách không sử dụng bất kỳ nhiên liệu, năng lượng mặt trời không đóng góp
cho các chi phí và các vấn đề của việc thu hồi và vận chuyển nhiên liệu hoặc lưu trữ chất
thải phóng xạ.
 Độc lập ,bán độc lập
Năng lượng Mặt trời có thể được sử dụng để bù đắp năng lượng tiêu thụ, cung cấp tiện
ích. Nó không chỉ giúp giảm hóa đơn điện của bạn, nhưng cũng sẽ tiếp tục cung cấp điện
trong trường hợp bị cúp điện.
Một hệ thống năng lượng mặt trời có thể hoạt động hoàn toàn độc lập, không đòi hỏi
một kết nối đến một mạng lưới điện hoặc khí ở tất cả. Hệ thống do đó có thể được cài đặt
trong vị trí từ xa (giống như đăng nhập cabins kỳ nghỉ), làm cho nó thực tế hơn và hiệu
quả hơn tiện ích cung cấp điện cho một trang web mới.
Việc sử dụng năng lượng mặt trời làm giảm sự phụ thuộc vào các nguồn nước ngoài
và / hoặc tập trung năng lượng, ảnh hưởng do thiên tai, các sự kiện quốc tế và vì thế góp
phần vào một tương lai bền vững.
Năng lượng mặt trời hỗ trợ việc làm địa phương và tạo ra sự giàu có, thúc đẩy nền
Page 20

kinh tế địa phương.

Các hệ thống năng lượng mặt trời hầu như bảo dưỡng miễn phí và sẽ kéo dài trong
nhiều thập kỷ.
Sau khi cài đặt, không có chi phí định kỳ.
Họ hoạt động âm thầm, không có bộ phận chuyển động, không có mùi khó chịu phát
hành và không yêu cầu bạn phải thêm bất kỳ nhiên liệu.
Thêm tấm pin mặt trời có thể dễ dàng được thêm vào trong tương lai khi nhu cầu của
gia đình bạn phát triển
1.5.2 Nhược điểm
Các chi phí ban đầu là bất lợi 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 được sử dụng trong việc xây dựng
một.
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 đòi hỏi khá một vùng rộng lớn để cài đặt để đạt được một
mức độ tốt hiệu quả.
Hiệu quả của hệ thống cũng phụ thuộc vào vị trí của mặt trời, mặc dù vấn đề này có
thể được khắc phục với việc cài đặt các thành phần nhất định.
Việc sản xuất năng lượng mặt trời bị ảnh hưởng bởi sự hiện diện của các đám mây,
gây ô nhiễm trong không khí.
Tương tự như vậy, không có năng lượng mặt trời sẽ được sản xuất vào ban đêm
mặc dù một hệ thống pin dự phòng
1.6. Xây dựng mô hình pin mặt trời.
Page 21

Có thể thấy rằng khi được chiếu sáng, nếu ta nối các bán dẫn p và n của một tiếp xúc
p-n bằng một dây dẫn, thì pin Mặt Trời phát ra một dòng quang điện Iph. Vì vậytrước hết
pin mặt trời có thể xem như một nguồn dòng.
Lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có tính chỉnh lưu tương đương như một diode. Tuy nhiên,
khi phân cực ngược, do điện trở lớp tiếp xúc có giới hạn, nên vẫn có một dòng điện được

gọi là dòng rò qua nó. Đặt trưng cho dòng rò qua lớp tiếp xúc p-n người ta đưa vào đại
lượng điện trở shunt R
sh
. Dòng quang điện chạy trong mạch phải đi qua các lớp bán dẫn p
và n, các điện cực, các tiếp xúc,…Đặt trưng cho tổng các điện trở của các lớp đó là một
điện trở R
S
nối tiếp trong mạch (có thể coi là nội trở của pin mặt trời).
Hình 1.10. Sơ đồ tương đương pin mặt trời.
Hinh trên là sơ đồ tương đương của dàn pin năng lượn mặt trời theo Zhao zheng Ming,
Liu Jian Zheng, Sun Xiao Ying và Li Ji Yong từ sơ đồ tương đương của dàn pin năng
lượng mặt trời ta có phương trình đặc tuyến Volt-Ampere của pin mặt trời là
I = I
ph
– I
S
(exp - (1.8)
Trong đó:
Iph : dòng điện do ánh sáng mặt trời và dàn pin năng lượng mặt trời sinh ra (A)
I
D
: dòng điện chảy qua DIODE
I
SH
: dòng điện chạy qua nội trở song song R
SH
I: dòng điện chạy qua tải và nội trở nối tiếp R
S
(A)
Page 22

I
S
: dòng điện bão hòa của diode D ( thường lấy I
S
=8*10^(-4)(A))
Rsh, Rs : là nội trở song song và nội trở nối tiếp của dàn pin năng lượng mặt
trời
V: điện áp trên tải (V)
Q: điện tích (C)
N: hệ số mặt ghép p-n trong giàn pin năng lượng mặt trời. Gần đúng có thể lấy N=1
T: nhiệt độ tuyệt đối của bề mặt dàn pin năng lượng mặt trời giá trị của T=300k
K: hệ số Boltzman(J/K)
1.6.1. Dòng điện ngắn mạch
Dòng điện ngắn mạch I
SC
là dòng điện trong mạch của pin mặt trời khi làm ngắn mạch
ngoài tức là lúc này điện áp V=0. Đặt giá trị V=0 vào phương trình đặc U-I ta được:
I = I
ph
– I
S
(exp - (1.9)
Trong điều kiện chiếu sáng bình thường ( không có hội tụ) thì hiệu ứng điện trở nối
tiếp R
S
có thể bỏ qua, và I
d
=0 và do đó có thể suy ra:
I

SC
=I
ph
=S.α (1.10)
Trong đó
S: là cường độ ánh sáng
Page 23

Α: là hệ số tỷ lệ
Ở điều kiện bình thường dòng ngắn mạch của pin mặt trời tỉ lệ thuận với cường độ bức xạ
chiếu sang
1.6.2. Điện áp hở mạch
Áp hở mạch V
OC
là hiệu điện thế đo được khi mạch ngoài của pin mặt trời hở
mạch. Khi đó dòng điện mạch ngoài I=0. Đặt giá trị này vào đặc tuyến U_I

vá
giả thiết rằng R
SH
rất lớn ta được điện áp hở mạch như sau:
V
oc
= ln( +1) (1.11)
Với mô hình như khi ta đang khảo sát hai giá trị dòng ngắn mạch Isc và áp hở
mạch Voc thì trong một vài trường hợp mô hình không còn đúng nữa. Ví dụ như trường
hợp sau:
Hình 1.11. Mô hình đơn giản với một pin mặt trời bị che khuất.
Như hình 1.11 là mô hình đơn giản của 2 pin mặt trời mắc nối tiếp nhau nhưng chỉ
có 1 pin được chiếu sáng, pin còn lại bị khuất hẳn. Khi đó chỉ có một pin có dòng, pin bị

Page 24

khuất sáng thì hoàn toàn không có (I=0). Mặt khác, diode của các mô hình trên ngăn
không cho dòng chạy ngược qua tấm pin bị khuất sáng nên dòng qua tải lúc này I=0. Điều
này đòi hỏi ta phải xây dựng một mô hình hoàn chỉnh hơn, phù hợp với tất cả các trường
hợp khảo sát thực tế.Qua nghiên cứu người ta đã xây dựng các sơ đồ tương đương sau :
- Sơ đồ có điện trở Rsh mắc song song với diode.
- Sơ đồ có điện trở Rs mắc nối tiếp.
- Sơ đồ có cả hai điện trở trên
Ta có :
I= (ISC – Id) –(V/Rsh) (1.12)
Từ công thức trên ta thấy dòng điện lý tưởng mà pin mặt trời cấp cho tải bị giảm di
một lượng bằng V/Rsh. Để tổn hao trên pin nhỏ hơn 1% thì giá trị của Rsh thỏa điều kiện:
Rsh >[(100.V
OC
/I
SC
)]
Hình 1.12. Sơ đồ tương đương với R
S
mắc nối tiếp
Với sơ đồ tương đương như hình 1.12 ta có:
I = I
SC
– I
d
= I
SC
– I
0

(eqVd/KT – 1) (1.13)
V
d
= V + I.R
S
(1.14)
Đồ thị V – A bị lệch nghiêng về phía bên tráin với một lượng là ∆V = I.Rs. Để tổn
Page 25