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

1
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” được thực hiện với mục đích sử dụng nguồn năng lượng sạch chiếu
sáng đường nội bộ, để cho toàn thể cán bộ viên chức và sinh viên trường Đại học Nha
Trang được hưởng thụ những công nghệ mới nhất của thời đại, của tương lai. Mang lại
môi trường 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 trường, hạn chế
sử dụng các nguồn năng lượng hóa thạch, hạn chế chất thải, tận dụng và ứng dụng rộng
rãi các nguồn năng lượng sạch như năng lượng mặt trời. Hưởng ứng và chấp hành chủ
trương, chính sách của Nhà nước về tiết kiệm điện năng, sử dụng nguồn năng lượng
sạch, chủ động ứng phó với biến đổi khí hậu. 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 Trường 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 người 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 như 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 lượng sạch và thẩm mỹ cho toàn bộ tuyến
đường nội bộ từ Cổng trường lên Nhà A8; hệ thống sử dụng nguồn năng lượng được
cung cấp từ PIN năng lượng mặt trời cho LED chiếu sáng.
2
MỤC LỤC
GVHD: Ts. Trần Tiến Phức SVTH: Nguyễn Quang Hải

3
DANH SÁCH BẢNG
Kết quả độ sáng trên đường của 4 trụ đèn sau khi đưa vào vận hành
(đơn vị: lx)…………………………………………………………………………… 87
GVHD: Ts. Trần Tiến Phức SVTH: Nguyễn Quang Hải
4
DANH SÁCH HÌNH
GVHD: Ts. Trần Tiến Phức SVTH: Nguyễn Quang Hải
5
LỜI NÓI ĐẦU
 GIỚI THIỆU CHUNG
Năm 1907, hiện tượng biến điện thành ánh sáng được H. J. Round phát hiện đầu
tiên. Tuy nhiên, phải đến vài thập kỷ sau đó thì thế hệ LED đầu tiên mới được ra đời,
gọi là LED hồng ngoại; do các nhà thí nghiệm người 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 được 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 như đã hoàn thiện lên rất nhiều: từ chất lượng 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 như nhũng ngày đầu ra đời và trở nên phổ biến trong đời sống
bởi sự tiện lợi của nó.
Nếu như trước đây LED chỉ có mặt trong các thiết bị điện tử như truyền phát dữ
liệu, thì ngày nay LED được ứng dụng rông rãi trong lĩnh vực chiếu sáng, trang trí nội
thất trong nhà, sân vườn, … Nhiều nơi đã sử dụng LED vào chiếu sáng đường bộ kết
hợp với ứng dụng PIN năng lượng mặt trời, tạo thành một cặp đôi hoàn hảo của công
nghệ mới – công nghệ của tượng lai: không phát thải, sạch, an toàn, tiết kiệm và bảo vệ
môi trường.
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” là một bước tiến mới, đưa các công trình chiếu sáng công cộng của Trường

đi theo xu hướng công nghệ của thời đại và tương lai. Mang lại cho cán bộ viên chức
và sinh viên một môi trường xanh – sạch – đẹp – an toàn – công nghệ.
 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
6
Các cột đèn chiếu sáng trong trường có thể chia làm 3 loại theo thời gian xây dựng:
- Trụ đèn chiếu sáng công cộng tận dụng ống cấp nước bằng sắt mạ kẽm xây
dựng từ trước năm 1990;
- Trụ đèn chiếu sáng công cộng kết hợp với trụ điện hạ thế bằng bê tông ly tâm,
xây dựng trong khoảng thời gian 1990 – 2003;
- Trụ đèn chiếu sáng công cộng bằng thép nhúng trong bể kẽm nóng.
Những trụ đèn xây dựng từ trước năm 1990 đã xuống cấp, không còn phù hợp với
tiêu chuẩn về xây dựng hiện hành và đặt biệt nó lại ở trên tuyến đường chính từ Cổng
trường lên Nhà hiệu bộ nên cần được đầu tư cải tạo. Mặc khác, Nhà nước ta đang có
chủ trương, chính sách về tiết kiệm điện, sử dụng năng lượng sạch, chủ động ứng phó
về biến đổi khí hậu, bảo vệ môi trường. Trong khi đó, các trụ đèn chiếu sáng công cộng
trong Trường đang sử dụng các công nghệ chiếu sáng cũ (bóng cao áp công suất lớn,
đèn huỳnh quang) hiệu suất phát sáng thấp, tuổi thọ ngắn cần được thay thế động bộ.
Sau 30 năm được đưa vào sử dụng, các cột đèn chiếu sáng trên tuyến đường đôi
từ cổng trường lên nhà hiệu bộ đã thực sự có nhiều dấu hiệu xuống cấp và cần được
thay thế. Cụ thể độ sáng của các trụ đèn không còn đảm bảo tiêu chuẩn chiếu sáng
đường nội bộ như quy định của TCXDVN 333:2005; các trụ đèn đã bị các yếu tố từ
bên ngoài (thiên nhiên) và bên trong (tuổi thọ linh kiện) làm hư hại, không còn đảm
bảo đúng tiêu chuẩn BS 5649, TR7 về trụ đèn và chất lượng chiếu sáng đường bộ.
Vì vậy, 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 như đảm bảo an toàn cho người và
giao thông vào ban đêm ở tuyến đường từ Cổng trường đến nhà Hiệu Bộ.
 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG THỰC TẾ CỦA ĐỀ TÀI
 Đối tượng áp dụng
Cải tạo 4 trụ đèn chiếu sáng giao thông theo công nghệ chiếu sáng mới, hiện đại,

tiết kiệm năng lượng và không gây phát thải tại tuyến đường đôi từ Cổng trường Đại
học Nha Trang đến Nhà A8.
 Phạm vi ứng dụng thực tế của đề tài
7
Nâng cấp độ sáng và hiệu suất chiếu sáng của 4 trụ đèn tại tuyến đường đôi từ
Cổng trường 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 lượng mặt trời làm nguồn
năng lượng chính cung cấp cho hệ thống hoạt động.
 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Việc cải hệ thống chiếu sáng công cộng bằng LED dùng điện mặt trời trong
Trường Đại học Nha Trang mà cụ thể trên truyến đường từ Cổng trường đến nhà A8
mang nhiều ý nghĩa nghiên cứ, ứng dụng và giáo dục về tiết kiệm năng lượng, sử dụng
năng lượng sạch cho mọi người và là bài học về công nghệ chiếu sáng hiện đại, hiệu
suất cao cho sinh viên ngành Công nghệ kỹ thuật điện - điện tử nói riêng và sinh viên
trường Đại học Nha Trang nói chung.
Mang lại cho sinh viên, cán bộ viên chức trường Đại học Nha Trang một môi
trường chiếu sáng an toàn – xanh – sạch – đẹp – công nghệ - trang trọng. Là cơ sở để
không chỉ duy nhất trên tuyến đường này mà là trên hầu hết các công trình chiếu sáng
công cộng của trường Đại học Nha Trang đều sẽ lần lượt được cải tạo theo hướng
chiếu sáng công nghệ - hiện đại – tiết kiệm như đề tại này đã thực hiện, nhằm đưa
trường Đại học Nha Trang trở thành một trong những “thiên đường” của ứng dụng
công nghệ chiếu sáng sạch.
 LỜI CẢM ƠN
Xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến thầy TS. Trần Tiến Phức đã tận
tình hướng 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 trường học trường 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

8
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 trường Đại học Nha Trang, để không chỉ dự án này mà còn nhiều dự án
tượng 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 hưởng thụ thành quả của các
công trình công cộng.
Nha Trang, ngày 2 tháng 6 năm 2014
Sinh viên
Nguyễn Quang Hải
9
TỔNG QUAN
Từ khi du nhập vào Việt Nam đến nay, LED dường như đã có chổ
đứng không thể nào thay thế được 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 như: nhà cửa,
văn phòng, sân vườn, 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 – đường.
Việt Nam với lợi thế là một trong những nước nằm trong giải phân
bố ánh nắng mặt trời nhiều nhất trong năm trên bản đồ bức xạ của thế
giới, năng lượng 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 được 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 lượng mặt trời và LED được triển
khai nhanh chóng tại nhiều nơi ở nước ta như:
- Mô hình hệ thống chiếu sáng vườn ươm bằng bằng LED sử dụng năng lượng mặt trời
đầu tiên tại Việt Nam được lặp đặt tại Trung tâm Ứng dụng khoa học và công nghệ
Lâm Đồng được tổ chức hợp tác quốc tế Nhật Bản JICA tài trợ vào tháng 9/2011.
- Dự án năng lượng sạch và chiếu sáng bằng LED do SolarBK lắp đặt ở Đảo Trần –
QK3 được triển khai từ tháng 10/2012 và hoàn thành sau một tháng thi công.
10
- Dự án tổng thể năng lượng sách và chiếu sáng quâng đảo Trường Sa và Nhà dàn DK
lắp đặt: 5.700 tấm Pin năng lượng mặt trời, hơn 120 quạt gió, 1.000 bộ đèn LED sử
dụng năng lượng mặt trời do Tập đoàn Dầu khí Việt Nam (Petro Vietnam) và SolarBK
lắp đặt, vận hành vào tháng 6/2012.
- Công ty TNHH MTV Quản lý đô thị và môi trường TP.Buôn Ma Thuộc sử dụng đèn
LED trong chiếu sáng công cộng từ tháng 2/2012 đến tháng 7/2012 đã tiết kiệm được
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, được cấp vốn từ Đài Loan với tổng diện tích được
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 tư.
- Cầu Thuận Phước, cầu Rồng và cầu mới Trần Thị Lý đều được 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 Vương
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.
Như 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 lượng mặt trời,
Pin – tích trữ - LED. Đến thời điểm ngày người ta đã không còn nghi ngờ gì về khả năng của
LED trong chiếu sáng và đang từng bước cải tiến hơn nữa về chất lượng, hiệu suất cũng như
tuổi thọ của LED.
Nha Trang là một trong những địa điểm có tổng số giờ nắng trong năm cao của cả nước;
hơn nữa đại học Nha Trang tọa lạc ở vị trí khá thuận lợi: gần biển, thoáng đản, cao và lượng
nắng trong năm cũng đáng kể rất phù hợp để phát triển các loại năng lượng sạch như năng
lượng mặt trời.
Đánh giá tuyến đường từ cổng trường đại học Nha Trang đến Nhà A8, mặc dù chỉ có
duy nhất một vị trí trước Nhà A8 là có khả năng lắp đặt Pin năng lượng mặt trời. Tuy nhiên,
thực tế đã có một đồ án từ khóa 48 trước của Khoa Điện điện tử đã lắp đặt và vận hành thành
công mô hình Pin năng lượng mặt trời – tích trữ - LED để chiếu sáng giao thông tại vị trí trụ
11
đèn trước Nhà A8, cho đến nay đã được 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 trường đại học Nha Trang.
12
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH SOLAR – ACU –
LED
Ở phần này chúng ta sẽ được tìm hiểu những lý thuyết cơ bản về Pin năng lượng Mặt
Trời (Solar), Ắc-quy (Acu) và thiết bị chiếu sáng - Led. Ứng dụng của chúng trong đời sống
cũng như trong công nghệ sản xuất năng lượng sạch, sự tối ưu trong việc kết hợp các thiết bị
trên để tạo ra những mô hình thích hợp trên con đường ứng dụng năng lượng sạch.
1.1. PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI (SOLAR)
Pin năng lượng Mặt Trời (PNLMT) (hay pin quang điện, tế bào quang điện), là
thiết bị bán

dẫn

chứa lượng lớn các diode

p

-

n . Duới sự hiện diện của ánh

sáng Mặt
Trời, PNLMT có khả năng tạo ra dòng đ

iện

sử dụng được. Sự chuyển đổi này gọi là
hiệu ứ

ng quang điệ n

.
1.1.1. Cấu tạo
1.1.1.1. Vật liệu
Để tìm hiểu về pin Mặt Trời chúng ta cần tìm hiểu về vật lý chất bán dẫn. Để đơn
giản, ta tìm hiểu pin năng lượng ti n

h

thể

silic . 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: vô định hình (không có trật tự sắp xếp) và đa tinh thể (các
nguyên tử sắp xếp theo thứ tự dãy không gian 3 chiều). PNLMT phổ biến nhất là
dùng đa tinh thể silicon, tuy nhiên ngày nay người ta đã tìm ra nhiều vật liệu khác có
thể thay thế như sự kết hợp của Vonfram và gốm.
Ở
nhiệt

độ

phòng, silic nguyên chất có tính

d

ẫn

điện

kém. 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

họ c

. Các ng u

y ên

t

ử

này chiếm vị trí của nguyên tử silic trong
m ạng

ti n

h

th ể

, 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, nên có chỗ trong mạng tinh thể thì dư electron còn có
13
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 (Nh ô

m

hay G

ali ) 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 , A s

en ) gọi là bán

dẫn

n

vì mang năng
lượng âm (negative).
Cho tới hiện nay thì vật liệu chủ yếu dùng cho sản xuất 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. Hình 1.1 Trình bày cấu trúc tinh thể của PNLMT.

Hình 1. : Các loại cấu trúc tinh thể của PNLMT
- Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá

trì n

h
Czochralsk i

. 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 tinh thể này có các mặt trống ở góc nối
các module.
- Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc, được 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.
- 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.
14
1.1.1.2. Nguyên lý cấu tạo
Các tấm tinh thể mỏng được đánh bóng để loại bỏ các khuyết tật trong quá trình
cắt. Chất kích thích được dùng để tăng sư hấp thụ ánh sáng. Các tấm kim loại dẫn
truyền đặt vào một mặt, thêm một lưới mỏng trên bề mặt chiếu ánh sáng Mặt Trời, và
một mặt phẳng trên mặt còn lại, xem hình Hình 1.2. 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. Chất keo và chất nền
phải có tính dẫn nhiệt, vì khi các pin bị làm nóng lên khi hấp thụ năng lượng hồng

ngoại vốn không thể chuyển hóa thành năng lượng. Một khi các pin bị nóng thì giảm
hiệu suất hoạt động vì thế nên phải làm giảm thiểu nhiệt năng.
Tấm năng lượng Mặt Trời tạo thành từ nhiều pin Mặt Trời. Mặc dù mỗi pin chỉ
cung cấp một lượng nhỏ năng

l ư

ợng , nhưng nhiều pin trải dài trên một diện tích lớn
tạo nên nguồn năng lượng đủ dùng. Để đạt được hiệu năng tốt nhất, tấm năng
lượng phải hướng trực tiếp đến Mặt Trời.
Hình 1. : Cấu tạo Pin năng lượng mặt trời
15
Hình 1. : Quá trình tạo một Panel Pin năng lượng mặt trời
Công nghệ trên là sản xuất tấm, nói cách khác các loại trên có độ dày 300 μm
tạo thành và xếp lại để tạo nên module.
1.1.2. Nguyên lý hoạt động
Hình 1. : Nguyên lý hoạt động của Pin năng lượng mặt
16
Hệ thống hai mức năng lượng:
Bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp E
2
. 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 E
1
.
Phương trình cân bằng năng lượng:
hv = E
1
- E

2
(1.1)
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 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
. Phần cách ly giữa vùng hóa trị và
vùng dẫn đó gọi là một vùng cấm có độ rộng năng lượng là E
g
, tại 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 chiếu 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 (kí hiệu h
+
). Lỗ trống này có thể di
chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện. Hình 1.6 trình bày các vùng năng lượng
chất bán dẫn.
Hình 1. : Trạng thái 2 mức năng lượng của Electron
17
Hiệu ứng lượng tử của quá trình hấp thụ Photon được mô tả bằng phương trình:
E

v
+ hv→ e
-
+ h
+
(1.2)
Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lượng của Photon và chuyển vùng hóa
trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử lỗ trống là:
hv > E
g
= E
C
– E
v
(1.3)
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
) (1.4)
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. Hình 1.7 trình bày hiện tượng biến đổi năng lượng khi ánh sáng
chiếu vào lớp bán dẫn.
Hình 1. : Các vùng năng lượng trong phân tử bán dẫn
Hình 1. : Hiện tượng biến đổi quang điện trong phân tử bán dẫn
18
Sự chuyển đổi ánh sáng:
Khi một pho t

on chạm vào mảnh silic, một trong hai trường hợp sẽ xảy ra:
- Photon truyền trực xuyên qua mảnh silic. Điều này thường xảy ra
khi

năng
l ư

ợng

của photon thấp hơn năng lượng đủ để đưa các hạt electr o

n

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 t i

nh

th ể

. Thông thường các electron này ở lớp ngoài cùng, và
thường được kết dính với các ng u

y ên 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 ng u

y ên tử

sẽ thiếu 1 electron 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 tạo nên dòng điện. Hình 1.8 trình bày
nguyên lý hoạt động của PNLMT.
1.1.3. Ứng dụng của Pin năng lượng mặt trời
Năng lượng Mặt Trời là nguồn năng lượng mà con người biết khai thác và sử
dụng từ rất sớm. Nhưng việc ứng dụng NLMT vào sản xuất trên quy mô lớn, cũng
Hình 1. : Nguyên lý hoạt động của Pin năng lượng mặt trời
19
như cuộc sống hàng ngày thì mới chỉ thực sự bắt đầu vào cuối thế kỷ 18, và tập chung
chủ yếu ở các nước có nhiều năng lượng Mặt Trời. Từ các cuộc khủng hoảng năng
lượng thế giới năm 1968 và 1973, NLMT càng được quan tâm hơn. Tuy nhiên, ở đây
chúng ta chỉ bàn đến những ứng dụng mạnh mẽ của PNLMT trong những năm gần đây
và tập trung vào khía cạnh PNLMT kết hợp với LED trong chiếu sáng các công trình
công cộng.
1.1.3.1. Sản xuất năng lượng từ PNLMT
Được hình thành từ ý tưởng của kiến trúc sư Toyo Ito, sân vận động với sức chứa
hơn 50.000 người này mang hình dáng một con rồng uốn lượn (Hình 1.9), sử dụng đến
8.844 tấm pin thu năng lượng mặt trời. Đây được xem như là một nhà máy năng lượng
mặt trời thu nhỏ, có thể cung cấp lượng điên năng khoảng 1.14 triệu kW/năm.
Hình 1. : Sân vân động sử dụng 100% năng lượng Mặt Trời tại Đài Loan
20
Tại Việt Nam các dự án về sản xuất điện từ PNLMT liên tục được các nhà đầu tư
nước ngoài kết hợp triển khai, Hình 1.10 a) là hệ thống cung cấp điện năng lượng Mặt
trời được lắp đặt trên nóc nhà Bộ Công Thương với công suất 120 kW do CHLB Đức
tài trợ và Hình 1.10 b) là hệ thống sản xuất điện năng lượng Mặt Trời do chính Intel lắp
đặt trên tòa nhà trụ sở của mình tại Việt Nam. Ngoài ra, còn rất nhiều dự án khác được
tài trợ từ các công ty, tập Đoàn năng lượng sạch của nước ngoài được thực hiện tại Việt

Nam.
a)
b)
Hình 1. : Sản xuất điện năng lượng Mặt Trời tại Việt Nam
a) Hệ thống điện năng lượng Mặt Trời nối lưới trên nóc nhà
Bộ Công Thương
b) Hệ thống sản xuất điện từ năng lượng Mặt Trời trên sân thượng Intel Việt
Nam
21
1.1.3.2. Phương tiện giao thông
Sử dụng năng lượng Mặt Trời làm nguồn năng lượng vận hành các phương tiện
giao thông là một hướng phát triển trong lĩnh vực tìm kiếm và sử dụng năng lượng
sạch. Trong tương lai, chắc chắn các phương tiện di chuyển đi lại hay vận chuyển hàng
hóa sử dụng PNLMT sẽ không còn xa lạ mà sẽ trở nên phổ biến như nhiều loại phương
tiện sử dụng động cơ xăng hay nhiên liệu hóa thạch khác, vì đây là hướng phát triển
bền vững của tương lai mà Thế Giới đang hương đến. Hình 1.11 là những ví dụ điển
hình cho việc các phương tiện sử dụng PNLMT sẽ đi vào đời sống một cách phổ biến
trong tương lai không xa.
Hình 1. : Năng lượng Mặt Trời làm
nhiên liệu thay thế cho xăng dầu trên phương tiện giao thông
a) Máy bay chạy bằng năng lượng Mặt Trời
b) Tàu thủy chạy bằng năng lượng Mặt Trời
c) Ôto chạy bằng Pin năng lượng mặt trời
b)
22
a)
c)
23
1.1.3.3. Các ứng dụng khác của PNLMT
Ngoài việc sử dụng tập hợp với quy mô lớn như sản xuất điện năng hay tích hợp

vào các phương tiện giao thông thì PNLMT còn rất nhiều ứng dụng thiết thực khác
như: tích hợp vào điện thoại di động để sạc Pin khi di chuyển ngoài trời, đèn học tập
chạy bằng PNLMT; máy tính cầm tay sử dụng PNLMT, sạc điện thoại bằng NLMT,
Laptop sử dụng PNLMT,… và còn rất nhiều ứng dụng khác sẽ được con người đã và
đang tiếp tục nghiên cứu để cho ra những sản phẩm công nghệ của tương lai, không chỉ
tính ứng dụng cao mà quan trọng hơn nữa nó là một “thiết bị công nghệ sạch”.
1.2. THIẾT BỊ LƯU TRỮ ĐIỆN NĂNG (ACU/ACQUY)
Điện năng là một loại hàng hóa đặc biệt trong đó sản xuất và tiêu dùng đi đôi với
nhau, để lưu trữ/dự trữ được điện năng người ta đã chế tạo ra ăc-quy (ACU) – thiết bị
có khả năng tích trữ điện trong thời gian lâu dài; ACU là một thiết bị rất cơ động,
người ta có thể mang nó đi đến bất kỳ vị trí nào để sử dụng như một “nhà máy phát
điện mini”, miễn là trước đó người ta đã dự trữ đủ điện ứng với dung lượng của nó.
Cũng giống như điện năng được sản xuất từ thủy điện hay nhiệt điện,… điện năng
sản xuất ra từ PNLMT cũng cần được dự trữ lại để sử dụng cho những lúc trời không
nắng hay không có đủ ánh sáng Măt Trời. Ở mục này ta sẽ tìm hiểu về ACU, cách lựa
chọn ACU, nạp điện và sử dụng ACU cũng như cách bảo quản, bảo vệ ACUnhư thế
nào để lưu trữ điện năng một cách hiệu quả nhất và tuổi thọ ACU là cao nhất.
1.2.1. Giới thiệu về ACU
Bình ACU là thiết bị lưu trữ điện
[7]
- một dạng nguồn điện hóa học, dùng để lưu
trữ điện năng dưới dạng hóa năng. Khi có phụ tải nối vào, hóa năng được giải
phóng dưới dạng điện năng.
Hiện nay có rất nhiều loại accu với những chất lượng, tính năng và giá thành rất
khác nhau. (axit chì, kín khí, chì khô, cadium, niken, Lithium….) Nhưng xét tổng
thể thì có hai loại ACU chính là ACU chì- acid và ACU sắt- kiềm. Trong khuôn khổ
đồ án này ta tập trung nghiên cứu ACU chì – acid sản xuất theo công nghệ kín khí,
đây là loại ACU không cần bảo dưỡng.
24
1.2.1.1. Cấu tạo

ACU chì gồm có các bản cực bằng chì đi-ô-xít chì ngâm trong dung dịch
acid Sulfuric. Hình 1.12 trình bày cấu tạo của ACU.
Các bản cực thường có cấu trúc phẳng, dẹp, dạng khung lưới, làm bằng hợp kim
chì - Antimone, có nhồi các hạt hóa chất tích cực. Các hóa chất này khi được nạp đầy
là dioxit chì ở cực dương, và chì nguyên chất ở cực âm. Các bản cực được nối với
nhau bằng những thanh chì ở phía trên, bản cực dương nối với bản cực dương, bản
cực âm nối với bản cực âm. Thông thường, các bản cực âm được đặt ở bên ngoài, do
đó số lượng các bản cực âm nhiều hơn bản cực dương. Các bản cực âm ngoài cùng
thường mỏng hơn, vì chúng sử dụng diện tích tiếp xúc ít hơn.
Chất lỏng dùng trong bình accu này là dung dịch acid Sulfuric. Nồng độ của
dung dịch biểu trưng bằng tỷ trọng đo được, tuỳ thuộc vào loại bình accu, và tình
trạng phóng nạp của bình.
Trị số tỷ trọng của bình accu khi được nạp đầy được quy ra ở 25⁰C (77⁰F) được
cho ở Bảng 1.1
Hình 1. : Cấu tạo ACU chì - acid
25
Bảng 1. : Tỷ trọng bình ACU ở 25
0
C
Loại bình accu Tỷ trọng điện
phân
Bình accu làm việc ở chế độ tải nặng, thí dụ các xe tải điện
công nghiệp
1,275
Bình accu dùng cho xe ôtô, phi c

ơ . 1,260
Bình accu dùng cho tải không nặng lắm: thí dụ như chiếu
sáng , hoặc khởi động các động cơ lớn…
1,245

Bình accu tĩnh, hoặc dùng cho các ứng dụng dự phòng 1,215
1.2.1.2. Dung lượng ACU
Dung lượng của accu là lượng điện (điện tích) mà ACU đó sau khi đã được nạp
đầy sẽ phát ra được trước khi hiệu điện thế giảm xuống đến mức ngừng. Mức ngừng là
mức mà không nên bắt accu phát điện tiếp, nếu cứ để accu phát điện ở dưới mức
ngừng thì sẽ giảm tuổi thọ của accu, thậm chí có thể làm accu chết ngay lập tức. Đó là
trường hợp dùng nhiều accu mắc nối tiếp nhau khi 1 accu đã phát hết điện mà những
cái khác chưa hết điện và ta tiếp tục dùng thì cái hết điện trước sẽ bị đảo cực và hỏng
hoàn toàn. Với accu chì thông thường thì mức ngừng là 1,67V cho mỗi ngăn; hay
là 10V cho cả 6 ngăn.
Dung lượng của bình accu thường được tính bằng Ampe giờ (Ah). Ah là tích số
giữa dòng điện phóng với thời gian phóng điện. Dung lượng này thay đổi tùy theo
nhiều điều kiện như dòng điện phóng, nhiệt độ chất điện phân, tỷ trọng của dung dịch,
và điện thế cuối cùng sau khi phóng. Nhà sản xuất thường đặt số dung lượng trong ký
hiệu của accu.
Các biến đổi của thông số của bình accu được cho trên các biểu đồ hình 1.13
.