Nghiên cứu giải pháp tăng hiệu suất sử dụng năng lượng điện mặt trời để chiếu sáng đường nội bộ trong Trường Đại học Nha Trang

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ


NGUYỄN QUANG HẢI

TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TĂNG HIỆU SUẤT SỬ DỤNG
NĂNG LƢỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI ĐỂ CHIẾU SÁNG
ĐƢỜNG NỘI BỘ TRONG TRƢỜNG ĐẠI HỌC NHA


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
(Ngành: Công nghệ kỹ thuật Điện – Điện tử)






NHA TRANG, THÁNG 6 NĂM 2014




BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

NGUYỄN QUANG HẢI

TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TĂNG HIỆU SUẤT SỬ DỤNG
NĂNG LƢỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI ĐỂ CHIẾU SÁNG
ĐƢỜNG NỘI BỘ TRONG TRƢỜNG ĐẠI HỌC NHA


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
(Ngành: Công nghệ kỹ thuật Điện – Điện tử)
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN:
TS. Trần Tiến Phức




NHA TRANG, THÁNG 6 NĂM 2014


i

GVHD: Ts. Trần Tiến Phức SVTH: Nguyễn Quang Hải
TÓM TẮT
Dự án “Cải tạo hệ thống chiếu sáng công cộng bằng LED sử dụng điện năng
lượng mặt trời trên tuyến đường nội bộ từ Cổng trường đến Nhà A8 của trường Đại
học Nha Trang” đƣợc thực hiện với mục đích sử dụng nguồn năng lƣợng sạch chiếu
sáng đƣờng nội bộ, để cho toàn thể cán bộ viên chức và sinh viên trƣờng Đại học Nha
Trang đƣợc hƣởng thụ những công nghệ mới nhất của thời đại, của tƣơng lai. Mang lại
môi trƣờng sạch – đẹp – không phát thải – an toàn – tiết kiệm. Cải tạo lại hệ thống

chiếu sáng vốn đã và đang xuống cấp từng ngày, không đạt tiêu chuẩn chiếu sáng và an
toàn xây dựng.
Giáo dục ý thức cho sinh viên và cán bộ viên chức về bảo vệ môi trƣờng, hạn chế
sử dụng các nguồn năng lƣợng hóa thạch, hạn chế chất thải, tận dụng và ứng dụng rộng
rãi các nguồn năng lƣợng sạch nhƣ năng lƣợng mặt trời.Hƣởng ứng và chấp hành chủ
trƣơng, chính sách của Nhà nƣớc về
.Chủ động nắm bắt và ứng dụng những
công nghệ - thành tựu của nhân loại vào phục vụ cuộc sống và công việc của chúng ta.
Đây là một dự án cải tạo công trình chiếu sáng công cộng cho Trƣờng Đại học
Nha Trang và cũng là đồ án Tốt Nghiệp của sinh viên ngành Điện – Điện tử, có rất
nhiều vấn đề liên quan cần phải giải quyết, có những kiến thức không còn là chuyên
ngành Điện – Điện tử mà mở rộng ra nhiều lĩnh vực và khía cạnh khác nhau của một
dự án thực sự.Hơn nữa nguồn vốn lại hạn hẹp; nên việc ứng dụng hoàn toàn những
công nghệ mới vào cải tạo là một thách thức và đòi hỏi ngƣời thực hiện hiện phải tính
toán hết sức thận trọng. Chính vì điều đó mà việc hoàn thành đồ án chỉ dừng lại ở một
mức độ thành công nhất định, đòi hỏi cần phải hoàn chỉnh hơn nữa về sau, nếu nhƣ có
thêm kinh phí và thời gian.Sau khi dự án hoàn thành sẽ mang lại ánh sáng đủ tiêu
chuẩn, tiết kiệm, an toàn, sử dụng năng lƣợng sạch và thẩm mỹ cho toàn bộ tuyến
ii

GVHD: Ts. Trần Tiến Phức SVTH: Nguyễn Quang Hải
đƣờng nội bộ từ Cổng trƣờng lên Nhà A8; hệ thống sử dụng nguồn năng lƣợng đƣợc
cung cấp từ PIN năng lƣợng mặt trời cho LED chiếu sáng.
iii

GVHD: Ts. Trần Tiến Phức SVTH: Nguyễn Quang Hải
MỤC LỤC

TÓM TẮT i
MỤC LỤC iii

DANH SÁCH BẢNG vii
DANH SÁCH HÌNH viii
LỜI NÓI ĐẦU 1
TỔNG QUAN 5
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH
SOLAR – ACU – LED 8
1.1. PIN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI (SOLAR) 8
1.1.1. Cấutạo 8
1.1.1.1. Vậtliệu 8
1.1.1.2. Nguyên lý cấu tạo 10
1.1.2. Nguyên lý hoạt động 11
1.1.3. Ứng dụng của Pin năng lƣợng mặt trời 16
1.1.3.1. Sản xuất năng lƣợng từ PNLMT 16
1.1.3.2. Phƣơng tiện giao thông 19
1.1.3.3. Các ứng dụng khác của PNLMT 20
1.2. THIẾT BỊ LƢU TRỮ ĐIỆN NĂNG (ACU/ACQUY) 20
1.2.1. Giới thiệu về ACU 20
1.2.1.1. Cấu tạo 21
1.2.1.2. Dung lƣợng ACU 22
1.2.2. Phóng và nạp ACU 24
1.2.2.1. Phóng điện ACU 24
1.2.2.2. Nạp điện cho ACU 25
1.2.2.3. Các chế độ vận hành ACU 26
1.2.3. Bộ điều khiển sạc ACU 26
iv

GVHD: Ts. Trần Tiến Phức SVTH: Nguyễn Quang Hải
1.3. THIẾT BỊ CHIẾU SÁNG HIỆU SUẤT CAO - LED 27
1.3.1. Giới thiệu về LED (Light Emitting Diode) 29
1.3.1.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 29

1.3.1.2. Phân loại 29
1.3.2. Ứng dụng LED siêu sáng công suất cao trong chiếu sáng 32
1.3.2.1. Sử dụng Led cho chiếu sáng trong nhà 32
1.3.2.2. Sử dụng Led trong chiếu sáng các công trình công cộng 33
1.3.2.3. So sánh công nghệ chiếu sáng bằng Led so với các công nghệ chiếu
sáng trƣớc đây 36
1.3.3. Kết luận 40
1.4. MÔ HÌNH SOLAR – ACU – LED 40
1.4.1. Mô hình Solar – Acu – Led tập trung 40
1.4.1.1. Cấu trúc kết nối 41
1.4.1.2. Điều kiện ứng dụng và lắp đặt 42
1.4.2. Mô hình Solar – Acu – Led đơn (mini) 42
1.4.2.1. Cấu trúc kết nối 42
1.4.2.2. Điều kiện ứng dụng 43
CHƢƠNG 2 ỨNG DỤNG ĐIỆN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI VÀO CHIẾU SÁNG
CÔNG TRÌNH CÔNG CỘNG BẰNG ÁNH SÁNG LED
TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG 44
2.1. KHẢO SÁT TÌNH TRẠNG CHẤT LƢỢNG CỦA HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG
HIỆN TẠI 44
2.1.1. Vị trí khảo sát 44
2.1.2. Kết quả khảo sát 46
2.1.2.1. Hiện trạng về trang thiết bị 46
2.1.2.2. Hiện trạng chất lƣợng ánh sáng 47
2.1.3. Đánh giá hiện trạng 51
2.2. LỰA CHỌN MÔ HÌNH CHIẾU SÁNG 52
2.2.1. So sánh ƣu điểm của mô hình chiếu sáng bằng Led so với các mô hình chiếu
sáng khác 52
v

GVHD: Ts. Trần Tiến Phức SVTH: Nguyễn Quang Hải

2.2.2. Kiểm tra và lựa chọn loại đèn Led 54
2.2.2.1. Kiểm tra chất lƣợng 54
2.2.2.2. Lựa chọn loại Led đạt chất lƣợng 56
2.2.3. Tính toán công suất tiêu thụ của tải và lựa chọn cấu hình Acu, Solar 57
2.2.3.1. Tính toán công suất tiêu thụ của tải 57
2.2.3.2. Tính toán lựa chọn cấu hình Acu 58
2.2.3.3. Tính toán lựa chọn cấu hình Solar 58
2.2.4. Kết luận 58
2.3. TRIỂN KHAI THÍ NGHIỆM TRÊN THỰC TẾ 59
2.3.1. Lắp đặt, triển khai thử nghiệm khả năng đáp ứng của đèn Led đối với đặc
điểm của hệ thống. 59
2.3.1.1. Đặc điểm hệ thống hiện tại của tuyến đƣờng cải tạo 59
2.3.1.2. Triển khai thử nghiệm khả năng đáp ứng độ sáng của Led 59
2.3.2. Kết luận và lựa chọn 61
CHƢƠNG 3 THI CÔNG VÀ LẮP ĐẶT THIẾT BỊ CHO CÔNG TRÌNH 62
3.1. ĐÚC MÓNG VÀ DỰNG TRỤ ĐÈN 62
3.1.1. Thi công đúc móng trụ đèn 62
3.1.1.1. Tiêu chuẩn thiết kế móng trụ đèn 62
3.1.1.2. Thi công đúc móng trụ đèn 63
3.1.2. Tháo dở, vận chuyển và hoàn thiện trụ đèn 64
3.1.3. Dựng trụ đèn 66
3.2. LẮP ĐẶT PHA ĐÈN LED VÀO TRỤ VÀ CHẠY THỬ NGHIỆM 66
3.2.1. Lắp đặt pha đèn vào trụ đèn 66
3.2.2. Chạy thử nghiệm các trụ đèn 67
3.2.3. Kết luận 69
3.3. LẮP ĐẶT PIN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI 69
3.3.1. Tính toán lắp đặt Solar 69
3.3.2. Tiến hành lắp đặt Solar 70
3.4. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG 71
vi

GVHD: Ts. Trần Tiến Phức SVTH: Nguyễn Quang Hải
3.4.1. Xác định chức năng của bộ điều khiển 71
3.4.1.1. Chức năng điều khiển hệ thống 71
3.4.1.2. Chức năng phục vụ nghiên cứu và đào tạo 71
3.4.2. Thiết kế phần cứng cho bộ điều khiển 72
3.4.2.1. Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển 73
3.4.2.2. Mạch in bộ điều khiển 75
3.4.2.3. Thi công phần cứng bộ điều khiển 77
3.4.3. Lập trình chức năng cho bộ điều khiển 79
3.4.3.1. Giới thiệu về Chíp Atmega16 79
3.4.3.2. Giới thiệu về phần mềm lập trình cho Avr – Codevision 80
3.4.4. Chƣơng trình viết cho bộ điều khiển 81
3.4.5. Thi công bộ điều khiển 85
3.5. ĐÓNG VỎ MẠCH ỔN ÁP ĐIỀU TIẾT XUNG 87
3.6. KẾT NỐI HOÀN THIỆN TOÀN BỘ HỆ THỐNG 87
3.7. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC 93
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 96
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 98
PHỤ LỤC 99

vii

GVHD: Ts. Trần Tiến Phức SVTH: Nguyễn Quang Hải
DANH SÁCH BẢNG

Bảng 1. 1: Tỷ trọng bình ACU ở 25
0
C 22
Bảng 1. 2: Dòng nạp của một số ACU 25

Bả
: Lx) 50
Bả
51
Bả ạ
54
Bảng 2. 4: Số liệu đo đƣợc khi kiểm tra 2 loại Led 55
Bảng 2. 5: Số liệu thí nghiệm xác định khả năng đáp ứng của Led 60
Bảng 2. 6: Số liệu độ sáng đèn led sau khi lắp pha 61
Bảng 3. 1: Kết quả độ sáng trên đƣờng của 4 trụ đèn sau khi đƣa vào vận hành
(đơn vị: lx)…………………………………………………………………………… 87



viii

GVHD: Ts. Trần Tiến Phức SVTH: Nguyễn Quang Hải
DANH SÁCH HÌNH

Hình 1. 1: Các loại cấu trúc tinh thể của PNLMT 9
Hình 1. 2: Cấu tạo Pin năng lƣợng mặt trời 10
Hình 1. 3: Quá trình tạo một Panel Pin năng lƣợng mặt trời 11
Hình 1. 4: Nguyên lý hoạt động của Pin năng lƣợng mặt trời 11
Hình 1. 5: Trạng thái 2 mức năng lƣợng của Electron 12
Hình 1. 6: Các vùng năng lƣợng trong phân tử bán dẫn 13
Hình 1. 7: Hiện tƣợng biến đổi quang điện trong phân tử bán dẫn khi có ánh sáng chiếu
vào lớp tiếp xúc p - n 13
Hình 1. 8: Nguyên lý hoạt động của Pin năng lƣợng mặt trời 15
Hình 1. 9: Sân vân động sử dụng 100% năng lƣợng Mặt Trời tại Đài Loan 16
Hình 1. 10: Sản xuất điện năng lƣợng Mặt Trời tại Việt Nam 18

Hình 1. 11: Năng lƣợng Mặt Trời làm nhiên liệu thay thế cho xăng dầu trên phƣơng
tiện giao thông 19
Hình 1. 12: Cấu tạo ACU chì - acid 21
Hình 1. 13: Sự biến đổi thông số bình ACU qua quá trình phóng nạp 23
Hình 1. 14: Quá trình phóng điện của ACU 24
Hình 1. 15: Quá trình nạp điện cho ACU 25
Hình 1. 16: Cấu tạo bên trong và hình dạng cơ bản của LED 29
Hình 1. 17: Các loại LED phân loại theo công suất 30
Hình 1. 18: Chiếu sáng không gian trong nhà băng Led 33
Hình 1. 19: Sử dụng Led trong chiếu sáng văn phòng và nhà xƣởng 33
Hình 1. 20: Cầu đƣờng bộ ở Đà Nẵng sử dụng Led trong chiếu sáng 35
Hình 1. 21: Sử dụng đèn Led trong chiếu sáng ở một số tuyến đƣờng tại TP. HCM 36
Hình 1. 22: Mô hình Solar – Acu – Led tập trung 41
ix

GVHD: Ts. Trần Tiến Phức SVTH: Nguyễn Quang Hải
Hình 1. 23: Cấu trúc mô hình Solar – Acu – Led đơn 42
Hình 1. 24: Ứng dụng của mô hình Solar – Acu – Led đơn 43
45
Hình 2. 2: Tuyến đƣờng từ Cổng trƣờng ĐHNT đến nhà A8 nhìn từ vệ tinh (Google
Maps) 46
Hình 2. 3: Tình trạng các trụ đèn tại tuyến đƣờng từ cổng trƣờng đến Nhà A8 47
Hình 2. 4: Vị trí các điểm lấy độ sáng trên tuyến đƣờng 48
8 48
Hình 2. 6: Biểu đồ phân bố độ sáng tuyến đƣờng đôi từ cổng trƣờng đến Nhà A8 51
Hình 2. 7: Led 20W cần kiểm tra trong thí nghiệm 54
Hình 2. 8: Sơ đồ bố trí thí nghiệm để kiểm tra chất lƣợng LED 54
Hình 2. 9: Led và pha Led sẽ lắp đặt cho công trình 61
Hình 3. 1: Các chi tiết trong bản vẽ thiết kế móng trụ đèn 63
Hình 3. 2: Thi công đúc móng trụ đèn 64

Hình 3. 3: Tháo dở và vận chuyển trụ đèn 65
Hình 3. 4: Các trụ đèn đã đƣợc hoàn thiện 65
Hình 3. 5: Dựng trụ đèn cho công trình 66
Hình 3. 6: Trụ đèn sau khi đƣợc lắp đủ pha đèn 67
Hình 3. 7: Các thiết bị cấp nguồn cho trụ đèn 68
Hình 3. 9: Lắp đặt Pin năng lƣợng Mặt Trời 70
Hình 3. 10: Sơ đồ nguyên lý bộ phận xử lý trung tâm dùng Atmega16 73
Hình 3. 11: Sơ đồ nguyên lý bộ phận chấp hành (rơ-le) 74
Hình 3. 12: Mạch in bộ xử lý trung tâm 76
Hình 3. 13: Mạch in bộ phận chấp hành 77
Hình 3. 14: Bộ điều khiển sau khi thi công 79
x

GVHD: Ts. Trần Tiến Phức SVTH: Nguyễn Quang Hải
Hình 3. 15: Phần cứng Bộ điều khiển theo chuẩn công nghiệp 85
Hình 3. 16: Phần cứng bộ chấp hành theo chuẩn công nghiệp 86
Hình 3. 17: Bộ điều khiển sau khi đƣợc đóng vỏ hộp 86
Hình 3. 18: Đóng vỏ hộp cho mạch ổn áp điều tiết xung 87
Hình 3. 19: Sơ đồ khối Bộ điều khiển và kết nối các thiết bị của hệ thống 88
Hình 3. 20: Cấu trúc kết nối bên trong tủ điện 89
Hình 3. 21: Toàn cảnh nơi lắp đặt tủ điện 90
Hình 3. 22: Tình trạng hoạt động của hệ thống trong buổi tối đầu tiên đƣợc đƣa vào
hoạt động chính thức 91
Hình 3. 23: Đèn đã đƣợc bật khi trời tối 92
Hình 3. 24: Biểu đồ phân bố độ sáng tuyến đƣờng đôi từ cổng trƣờng đến Nhà A8 sau
khi đƣa vào hoạt động………………………………………………… ………88
xi

GVHD: Ts. Trần Tiến Phức SVTH: Nguyễn Quang Hải
1

LỜI NÓI ĐẦU
 GIỚI THIỆU CHUNG
Năm 1907, hiện tƣợng biến điện thành ánh sáng đƣợc H. J. Round phát hiện đầu
tiên. Tuy nhiên, phải đến vài thập kỷ sau đó thì thế hệ LED đầu tiên mới đƣợc ra đời,
gọi là LED hồng ngoại; do các nhà thí nghiệm ngƣời Mỹ Robert Biard và Garry
Pittman phát minh vào năm 1961. Sang năm 1962, Nick Honyak chế tạo ra loại LED
phát ra ánh sáng nhìn thấy là loại Led đỏ và ông đƣợc xem là cha đẻ của LED.
Trải qua nhiều thập kỷ từ thuở sơ khai đến nay, năm 2014 là mốc thời gian mà
LED gần nhƣ đã hoàn thiện lên rất nhiều: từ chất lƣợng ánh sáng, hiệu suất, công suất,
điện năng tiêu thụ, nhiệt độ làm việc, tuổi thọ, và giá cả cũng càng ngày giảm xuống…
LED không còn đắc đỏ nhƣ nhũng ngày đầu ra đời và trở nên phổ biến trong đời sống
bởi sự tiện lợi của nó.
Nếu nhƣ trƣớc đây LED chỉ có mặt trong các thiết bị điện tử nhƣ truyền phát dữ
liệu, thì ngày nay LED đƣợc ứng dụng rông rãi trong lĩnh vực chiếu sáng, trang trí nội
thất trong nhà, sân vƣờn, … Nhiều nơi đã sử dụng LED vào chiếu sáng đƣờng bộ kết
hợp với ứng dụng PIN năng lƣợng mặt trời, tạo thành một cặp đôi hoàn hảo của công
nghệ mới – công nghệ của tƣợng lai: không phát thải, sạch, an toàn, tiết kiệm và bảo vệ
môi trƣờng.
Dự án “Cải tạo hệ thống chiếu sáng công cộng bằng LED sử dụng điện năng
lƣợng mặt trời trên tuyến đƣờng nội bộ từ cổng trƣờng đến Nhà A8 của trƣờng Đại học
Nha Trang” là một bƣớc tiến mới, đƣa các công trình chiếu sáng công cộng của Trƣờng
đi theo xu hƣớng công nghệ của thời đại và tƣơng lai. Mang lại cho cán bộ viên chức
và sinh viên một môi trƣờng xanh – sạch – đẹp – an toàn – công nghệ.

2

GVHD: Ts. Trần Tiến Phức SVTH: Nguyễn Quang Hải
 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
:

-
1990;
-
1990 – 2003;
- .
.
Sau 30 năm đƣợc đƣa vào sử dụng, các cột đèn chiếu sáng trên tuyến đƣờng đôi
từ cổng trƣờng lên nhà hiệu bộ đã thực sự có nhiều dấu hiệu xuống cấp và cần đƣợc
thay thế. Cụ thể độ sáng của các trụ đèn không còn đảm bảo tiêu chuẩn chiếu sáng
đƣờng nội bộ nhƣ quy định của TCXDVN 333:2005; các trụ đèn đã bị các yếu tố
) làm hƣ hạ ảm
bảo đúng tiêu chuẩn BS 5649, TR7 về trụ ếu sáng đƣờng bộ.
, việc thay thế và nâng cấp các trụ đèn là hoàn toàn cần thiết, để đảm bảo
tiêu chuẩn chiếu sáng TCXD 333:2005 của Bộ xây dựng đã ban hành, mang lại hiệu
quả kinh tế trong chiếu sáng, sự trang trọng cũng nhƣ đảm bả
giao thông vào ban đêm ở tuyến đƣờ .

3

GVHD: Ts. Trần Tiến Phức SVTH: Nguyễn Quang Hải
 ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG THỰC TẾ CỦA ĐỀ TÀI
 Đối tƣợng áp dụng
Cải tạo 4 trụ đèn chiếu sáng giao thông theo công nghệ chiếu sáng mới, hiện đại,
tiết kiệm năng lƣợng và không gây phát thải tại tuyến đƣờng đôi từ Cổng trƣờng Đại
học Nha Trang đến Nhà A8.
 Phạm vi ứng dụng thực tế của đề tài
Nâng cấp độ sáng và hiệu suất chiếu sáng của 4 trụ đèn tại tuyến đƣờng đôi từ
Cổng trƣờng Đại học Nha Trang đến Nhà A8 theo tiêu chuẩn chiếu sáng TCXDVN
333:2005 do Bộ xây dựng ban hành. Sử dụng điện năng lƣợng mặt trời làm nguồn
năng lƣợng chính cung cấp cho hệ thống hoạt động.

 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
ứ, ứng dụ
, h
-
trƣờng Đại học Nha Trang nói chung.
Mang lại cho sinh viên, cán bộ viên chức trƣờng Đại học Nha Trang một môi
trƣờng chiếu sáng an toàn – xanh – sạch – đẹp – công nghệ - trang trọng. Là cơ sở để
không chỉ duy nhất trên tuyến đƣờng này mà là trên hầu hết các công trình chiếu sáng
công cộng của trƣờng Đại học Nha Trang đều sẽ lần lƣợt đƣợc cải tạo theo hƣớng
chiếu sáng công nghệ - hiện đại – tiết kiệm nhƣ đề tại này đã thực hiện, nhằm đƣa
trƣờng Đại học Nha Trang trở thành một trong những “thiên đƣờng” của ứng dụng
công nghệ chiếu sáng sạch.


4

GVHD: Ts. Trần Tiến Phức SVTH: Nguyễn Quang Hải
 LỜI CẢM ƠN
Xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến thầy TS. Trần Tiến Phức đã tận
tình hƣớng dẫn, chỉ bảo tôi trong suốt quá trình thực hiện dự án cũng là đồ án Tốt
Nghiệp, để tôi có thể hoàn thành dự án một cách tốt nhất với hiệu quả cao nhất. Xin gửi
lời cảm ơn sâu sắc đến các thầy (cô) đã truyền đạt kiến thức cho tôi trong suốt 4 năm
học, để tôi có đủ kiến thức để hoàn thành dự án. Xin cảm ơn các bác, các chú, các anh
bên Tổ điện Trung tâm phục vụ trƣờng học trƣờng Đại học Nha trang đã nhiệt tình
giúp đỡ nhiều vấn đề liên quan đến dự án, tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành tốt
dự án của mình. Xin cảm ơn toàn thể các bạn trong Lớp 52DDT đã chung sức giúp đỡ
và chia sẻ một phần công việc của dự án.
Do quá trình thực hiện đồ án có quá nhiều vấn đề nằm bên ngoài kiến thức
chuyên ngành, phải vừa làm, vừa học, vừa nghiên cứu, vừa tham khảo nên chắc chắn
sẽ có nhiều thiếu sót. Tôi rất mong sự góp ý nhiệt tình từ thầy cô và các bạn trong

Khoa, trong trƣờng Đại học Nha Trang, để không chỉ dự án này mà còn nhiều dự án
tƣợng tự nữa của sinh viên các khóa sau của khoa Điện – Điện tử sẽ mang lại cho quý
thầy (cô) và các bạn sự thoải mái và hài lòng nhất, khi hƣởng thụ thành quả của các
công trình công cộng.


Nha Trang, ngày 2 tháng 6 năm 2014
Sinh viên


Nguyễn Quang Hải
5

GVHD: Ts. Trần Tiến Phức SVTH: Nguyễn Quang Hải
TỔNG QUAN
Từ khi du nhập vào Việt Nam đến nay, LED dƣờng nhƣ đã có chổ đứng không
thể nào thay thế đƣợc trong lĩnh vực chiếu sáng bởi sự tiện dụng, tiết kiệm điện, tuổi
thọ và tính thẩm mỹ của nó. Nhiều công trình mọc lên không thể thiếu sự góp mặt của
đèn LED nhƣ: nhà cửa, văn phòng, sân vƣờn, trang trí cây cảnh, điểm du lịch - giải trí
– nghỉ mát, các biển hiệu quảng cáo lại không thể thiếu,…cho đến chiếu sáng các công
trình giao thông cầu – đƣờng.
Việt Nam với lợi thế là một trong những nƣớc nằm trong giải phân bố ánh nắng
mặt trời nhiều nhất trong năm trên bản đồ bức xạ của thế giới, năng lƣợng mặt trời ở
Việt Nam có sẵn quanh năm, khá ổn định và phân bố rộng rãi trên các vùng miền. Đặc
biệt, số ngày nắng trung bình trên các tỉnh của miền Trung và miền Nam là khoảng 300
ngày/năm
[6]
.
Sự hội tụ đầy đủ các yếu tố trên là cơ hội để LED đƣợc ứng dụng mạnh mẽ hơn
nữa tại Việt Nam; các công trình, dự án chiếu sáng công cộng với sự kết hợp của điện

năng lƣợng mặt trời và LED đƣợc triển khai nhanh chóng tại nhiều nơi ở nƣớc ta nhƣ:
- Mô hình hệ thống chiếu sáng vƣờn ƣơm bằng bằng LED sử dụng năng lƣợng
mặt trời đầu tiên tại Việt Nam đƣợc lặp đặt tại Trung tâm Ứng dụng khoa học và
công nghệ Lâm Đồng đƣợc tổ chức hợp tác quốc tế Nhật Bản JICA tài trợ vào
tháng 9/2011.
- Dựán năng lƣợng sạch và chiếu sáng bằng LED do SolarBK lắp đặt ở Đảo Trần
– QK3 đƣợc triển khai từ tháng 10/2012 và hoàn thành sau một tháng thi công.
- Dự án tổng thể năng lƣợng sách và chiếu sáng quâng đảo Trƣờng Sa và Nhà dàn
DK lắp đặt: 5.700 tấm Pin năng lƣợng mặt trời, hơn 120 quạt gió, 1.000 bộ đèn
LED sử dụng năng lƣợng mặt trời do Tập đoàn Dầu khí Việt Nam (Petro
Vietnam) và SolarBK lắp đặt, vận hành vào tháng 6/2012.
6

GVHD: Ts. Trần Tiến Phức SVTH: Nguyễn Quang Hải
- Công ty TNHH MTV Quản lý đô thị và môi trƣờng TP.Buôn Ma Thuộc sử dụng
đèn LED trong chiếu sáng công cộng từ tháng 2/2012 đến tháng 7/2012 đã tiết
kiệm đƣợc gần 5.5 tỷ đồng tiền điện.
- Dự án xây dựng nhà máy chuyên sản xuất các loại LED tại lô 18, khu công
nghiệp Thạch Thất – Quốc Oai – Hà Nội, đƣợc cấp vốn từ Đài Loan với tổng
diện tích đƣợc xây dựng đến cuối năm 2014 là 50.000 m
2
do ông James Chen –
Giám đốc công ty Công nghiệp HuaBo (trụ sở tại TP.Chu Hải – Trung Quốc)
đầu tƣ.
- Cầu Thuận Phƣớc, cầu Rồng và cầu mới Trần Thị Lý đều đƣợc chính quyền
TP.Đà Nẵng lắp đặt hệ thống chiếu sáng bằng LED cho cả hệ thống chiếu sáng
mỹ thuật và chiếu sáng giao thông.
- Mô hình chiếu sán đô thị bằng công nghệ LED kết nối, do Ericsson và Royal
Philips kết hợp thực hiện vào tháng 2/2014.
- Tại Hà Nội ngày 22/4/2014, Bộ Giao Thông Vân Tải phối hợp với Đại sứ quán

Vƣơng quốc Bỉ tại Việt Nam tổ chức Hội thảo “Giải pháp chiếu sáng LED cho
các dự án giao thông tại Việt Nam”. Phát triển đến năm 2020 tầm nhìn đến năm
2030.
Nhƣ vậy, đã có rất nhiều công trình chiếu sáng công cộng tại Việt Nam đã đi dần
vào nghiên cứu, mở rộng nghiên cứu, ứng dụng mô hình LED, LED – PIN năng lƣợng
mặt trời, Pin – tích trữ - LED. Đến thời điểm ngày ngƣời ta đã không còn nghi ngờ gì
về khả năng của LED trong chiếu sáng và đang từng bƣớc cải tiến hơn nữa về chất
lƣợng, hiệu suất cũng nhƣ tuổi thọ của LED.
Nha Trang là một trong những địa điểm có tổng số giờ nắng trong năm cao của cả
nƣớc; hơn nữa đại học Nha Trang tọa lạc ở vị trí khá thuận lợi: gần biển, thoáng đản,
cao và lƣợng nắng trong năm cũng đáng kể rất phù hợp để phát triển các loại năng
lƣợng sạch nhƣ năng lƣợng mặt trời.
7

GVHD: Ts. Trần Tiến Phức SVTH: Nguyễn Quang Hải
Đánh giá tuyến đƣờng từ cổng trƣờng đại học Nha Trang đến Nhà A8, mặc dù chỉ
có duy nhất một vị trí trƣớc Nhà A8 là có khả năng lắp đặt Pin năng lƣợng mặt trời.
Tuy nhiên, thực tế đã có một đồ án từ khóa 48 trƣớc của Khoa Điện điện tử đã lắp đặt
và vận hành thành công mô hình Pin năng lƣợng mặt trời – tích trữ - LED để chiếu
sáng giao thông tại vị trí trụ đèn trƣớc Nhà A8, cho đến nay đã đƣợc gần 5 năm. Đây là
tiền đề và cũng là cơ sở để phát triển tiếp tục cho nhiều công trình chiếu sáng công
cộng khác của trƣờng đại học Nha Trang.

8

GVHD: Ts. Trần Tiến Phức SVTH: Nguyễn Quang Hải
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH SOLAR – ACU – LED

Ở phần này chúng ta sẽ đƣợc tìm hiểu những lý thuyết cơ bản về Pin năng lƣợng

Mặt Trời (Solar), Ắc-quy (Acu) và thiết bị chiếu sáng - Led. Ứng dụng của chúng trong
đời sống cũng nhƣ trong công nghệ sản xuất năng lƣợng sạch, sự tối ƣu trong việc kết
hợp các thiết bị trên để tạo ra những mô hình thích hợp trên con đƣờng ứng dụng năng
lƣợng sạch.
1.1. PIN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI (SOLAR)
PinnănglƣợngMặtTrời(PNLMT) (haypinquangđiện,tếbàoquangđiện),
làthiếtbịbándẫnchứalƣợnglớncácdiodep-
n.DuớisựhiệndiệncủaánhsángMặtTrời,PNLMT
cókhảnăngtạoradòngđiệnsửdụngđƣợc.Sựchuyển đổinày gọilàhiệuứngquangđiện.
1.1.1. Cấutạo
1.1.1.1. Vậtliệu
ĐểtìmhiểuvềpinMặtTrờichúngta cần tìmhiểuvềvậtlýchất bán dẫn.Để
đơngiản,tatìmhiểupinnăng lƣợngtinhthểsilic. Silic thuộcnhómIV,tứclàcó4
electronlớpngoàicùng.SiliccóthểkếthợpvớiSiliconkhácđểtạonênchấtrắn. Cơbản có2loại
chất rắnSilicon:vôđịnh hình(khôngcótrậttựsắpxếp)vàđatinh
thể(cácnguyêntửsắpxếptheothứtựdãy khônggian3chiều).PNLMTphổbiến
nhấtlàdùngđatinhthểsilicon, tuy nhiên ngày nay ngƣời ta đã tìm ra nhiều vật liệu khác
có thể thay thế nhƣ sự kết hợp của Vonfram và gốm.
Ở
nhiệtđộphòng,silicnguyênchấtcótínhdẫnđiệnkém.Đểtạora
Siliccó
tínhdẫn
điệntốthơn,có thểthêmvào
mộtlƣợngnhỏcácnguyêntửnhómIIIhayVtrongbảngtuầnhoànhóahọc.Cácnguyêntửnàychi
ếmvịtrícủanguyêntửsilictrongmạngtinhthể,vàliênkếtvớicácnguyêntửsilicbêncạnhtƣơngt
ựnhƣlàmộtsilic.TuynhiêncácphântửnhómIIIcó3electronngoàicùngvànguyêntửnhómVc
9

GVHD: Ts. Trần Tiến Phức SVTH: Nguyễn Quang Hải
ó5electronngoàicùng,nêncóchỗtrongmạngtinhthểthìdƣelectroncòncóchỗthìthiếuelectro

n.Vìthếcácelectronthừahaythiếuelectron(gọilàlỗtrống)khôngthamgiavàocáckếtnốimạng
tinhthể.Chúngcóthểtựdodichuyểntrongkhốitinhthể.Silickếthợp
vớinguyêntửnhómIII(NhômhayGali)đƣợcgọilàloạibándẫnpbởivìnănglƣợngchủyếuman
gđiệntíchdƣơng(positive),trongkhiphầnkếthợpvớicácnguyêntửnhómV(Phốtpho,Asen)g
ọilàbándẫnnvìmangnănglƣợngâm(negative).
Cho tớihiệnnaythìvậtliệuchủyếudùngcho sảnxuất pinMặtTrời(vàcho
cácthiếtbịbándẫn)làcácSilictinhthể.PinMặtTrờitừtinhthểsilicchiarathành
3loại.Hình1.1TrìnhbàycấutrúctinhthểcủaPNLMT.

Hình 1. 1: Các loại cấu trúc tinh thể của PNLMT
-

Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá
trìnhCzochralski.Đơntinhthểloạinàycóhiệusuấttới16%.Chúngthƣờngrấtđắttiềndođƣợcc
ắttừcácthỏihìnhống,cáctấmđơntinhthểnàycócácmặttrốngởgócnốicácmodule.
-

Đatinhthểlàm
từcácthỏiđúc,đƣợcđúctừsilicnungchảycẩnthận,đƣợclàmnguộivàlàmrắn.Cácpinnàythƣờ
ngrẻhơncácđơntinhthể,tuynhiênhiệusuấtkémhơn.
-

DảiSilictạotừcácmiếngphimmỏng,từSilicnóngchảyvàcócấu
trúcđa
tinhthể.Loạinàythƣờngcóhiệusuấtthấpnhất,tuynhiênloạinàyrẻnhấttrong
cácloạivìkhôngcầnphảicắttừthỏiSilicon.
10

GVHD: Ts. Trần Tiến Phức SVTH: Nguyễn Quang Hải
1.1.1.2. Nguyên lý cấu tạo

Cáctấmtinhthểmỏngđƣợc đánhbóngđểloạibỏcáckhuyếttậttrongquá
trìnhcắt.Chấtkíchthíchđƣợcdùngđểtăngsƣhấpthụánhsáng.Cáctấm kimloại dẫntruyền
đặtvàomộtmặt,thêmmộtlƣớimỏngtrênbềmặtchiếuánhsángMặt Trời,vàmộtmặtphẳng
trênmặtcònlại,xem hìnhHình1.2.TấmnănglƣợngMặt
Trờitạothànhtừcácpinnhƣvậycắttheohìnhdạngthíchhợp,đƣợcbảovệ khỏitia
bứcxạvàhƣhạitrênmặttrƣớc bằngcácmiếng gƣơngdánvàochấtnền.Sựliền
mạchđƣợctạonênthànhcácdãy songsongđểquyếtđịnhnănglƣợngtạora.Chất keo
vàchấtnềnphảicótínhdẫnnhiệt, vìkhicác pinbịlàm nóng lênkhihấpthụ
nănglƣợnghồngngoạivốnkhôngthểchuyểnhóathànhnănglƣợng.Mộtkhicác
pinbịnóngthìgiảmhiệusuấthoạtđộngvìthếnênphảilàmgiảmthiểunhiệtnăng.
Tấm nănglƣợngMặtTrờitạothànhtừnhiềupinMặtTrời.Mặc dùmỗipin
chỉcungcấpmộtlƣợngnhỏnănglƣợng, nhƣng nhiềupintrảidàitrênmộtdiệntích
lớntạonênnguồnnănglƣợngđủdùng.Đểđạtđƣợchiệunăngtốtnhất,tấmnăng
lƣợngphảihƣớngtrựctiếpđếnMặtTrời.

Hình 1. 2: Cấu tạo Pin năng lượng mặt trời
11

GVHD: Ts. Trần Tiến Phức SVTH: Nguyễn Quang Hải

Hình 1. 3: Quá trình tạo một Panel Pin năng lượng mặt trời
Côngnghệtrênlàsảnxuấttấm,nóicáchkháccácloạitrêncóđộdày300μmtạo thành
vàxếp lại đểtạo nên module.
1.1.2. Nguyên lý hoạt động

Hình 1. 4: Nguyên lý hoạt động của Pin năng lượng mặt trời
12

GVHD: Ts. Trần Tiến Phức SVTH: Nguyễn Quang Hải

Hệ thống hai mức năng lƣợng:
Bìnhthƣờng điệntửchiếmmứcnănglƣợngthấpE
2
.Khichiếusánghệthống,
lƣợngtửánhsáng(photon) mangnănglƣợnghv(hlàhằngsốPlankvàvlàtầnsố
ánhsáng)bịđiệntửhấpthụvàchuyểnlênmứcE
1
.
Phƣơngtrìnhcânbằngnănglƣợng:

hv=E
1
-E
2
(1.1)

Trong cácvậtrắn,dotƣơng tácrấtmạnhcủamạngtinhthểlênđiệntửvành ngoài,
nêncácnănglƣợng củanóbịtáchranhiềumứcnănglƣợng conrấtsátnhau
vàtạothànhvùngnănglƣợng.Vùngnănglƣợngthấpbịcácđiệntửchiếmđầykhiởtrạngtháicân
bằnggọilàvùnghoátrịmàbêntrêncủa nócónănglƣợng E
V
.Vùng
nănglƣợngphíatrêntiếpđóhoàntoàntrốnghoặcchỉbịchiếmmộtphầngọilà
vùngdẫn,bêndƣớicủavùngcó nănglƣợnglà E
C
.Phầncáchlygiữavùnghóatrịvà vùngdẫn
đógọilàmột vùngcấmcó độrộngnănglƣợnglà E
g
, tạiđókhôngcómức
nănglƣợngchophépnàocủađiệntử.

Khiánhsángchiếu đếnvậtrắncóvùngnănglƣợng nóitrên,photoncónăng
lƣợnghvchiếutớihệthống.Bịđiệntửcủavùnghoátrịhấpthụvà nócóthểchuyển
lênvùngdẫnđể trởthànhđiệntửtựdoe
-
, lúcnàyvùnghoátrị sẽ cómộtlỗ trốngcó
thểdichuyểnnhƣ“hạt“mangđiệntíchdƣơng(kíhiệuh
+
).Lỗtrốngnàycóthểdichuyểnvàthamg
iavàoquátrìnhdẫnđiện.Hình1.6trìnhbày cácvùngnănglƣợngchấtbándẫn.
Hình 1. 5: Trạng thái 2 mức năng lượng của Electron