NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HÓA HỆ THỐNG SỰ DỤNG ĐIỆN MẶT TRỜI CHIẾU SÁNG BỐN TRỤ ĐÈN TRÊN ĐƯỜNG NỘI BỘ TRONG TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

i
GIỚI THIỆU CHUNG
Việc sử dụng năng lượng sạch vào trong cuộc sống hiện nay không còn là vấn đề
mới nữa. Xung quanh chúng ta có rất nhiều công trình ứng dụng những tiến bộ khoa học
kỹ thuật, sử dụng nguồn năng lượng sạch đưa vào cuộc sống, “Hệ Thống Điện Mặt Trời
Chiếu Sáng Công Cộng Bằng Led” là một công trình như vậy. Đây là hệ thống chiếu sáng
đường nội bộ gồm 4 trụ đèn từ cổng đến khu nhà A8 của trường Đại Học Nha Trang, sử
dụng năng lượng mặt trời do sinh viên Nguyễn Quang Hải khóa 52 Khoa Điện - điện tử
thiết kế lắp đặt.
Ứng dụng các nguồn năng lượng sạch vào cuộc sống đã được triển khai nghiên cứu
và đưa vào cuộc sống từ lâu nhưng việc làm sao để sử dụng các nguồn năng lượng này
với hiệu quả cao nhất lại không hề dễ dàng. Nghiên Cứu Tối Ưu Hóa Hệ Thống Sử Dụng
Điện Mặt Trời Chiếu Sáng Bốn Trụ Đèn Trên Đường Nội Bộ Trong Trường Đại Học Nha
Trang là đồ án môn học 2 của nhóm sinh viên lớp 53DDT được thực hiện với mục đích
tối ưu hóa hệ thống chiếu sáng sử dụng điện mặt trời này, nhằm làm cho hệ thống hoạt
động ổn định với hiệu quả cao nhất.
 TÍNH CẤP THIẾT ĐỀ TÀI
Sau 30 năm đưa vào sử dụng, các cột đèn chiếu trên tuyến đường đôi từ cổng lên
nhà hiệu bộ đã xuống cấp. 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. Trước tình trạng xuống
cấp của 4 cột đèn, sinh viên Nguyễn Quang Hải khóa 52 Trường Đại học Nha Trang đã
cải tạo hệ thống chiếu sáng này bằng hệ thống đèn LED sử dụng năng lượng mặt trời trên
truyến đường đôi từ cổng lên nhà hiệu bộ. Đưa công trình chiếu sáng công cộng của
trường đi theo xu hướng sử dụng nguồn năng lượng sạch phù hợp với sự phát triển chung
của đất nước và thế giới.
Sinh viên Nguyễn Quang Hải đã đưa hệ thống chiếu sáng bằng đèn LED sử dụng
năng lượng mặt trời thay thế hệ thống chiếu sáng cũ tuy nhiên hệ thống mới này chưa sử
dụng thực sự hiệu quả nguồn năng lượng mặt trời. Vì vậy cần phải tối ưu hệ thống chiếu
GVHD: Trần Tiến Phức
ii
sáng để nâng cao chất lượng chiếu sáng và sử dụng hiệu quả hơn nữa nguồn năng lượng

mặt trời, đảm bảo hệ thống làm việc với hiệu suất cao nhất.
 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI CỦA ĐỀ TÀI
Tối ưu hóa 4 trụ đèn chiếu sáng giao thông từ Cổng trường Đại học Nha Trang. Cải
tạo lại hệ thống dây, thiết kế lại mối nối làm tăng hiệu suất, giảm tối đa độ sụt áp khi
truyền tải.
Tiến hành đo đạc các số liệu của hệ thống, điện áp của từng trụ đèn khi mở đèn hằng
ngày và đo độ sáng trên mặt đường.
Từ những số liệu thu thập được đưa ra những nhận xét, khắc phục những vấn đề
chưa đạt tiêu chuẩn, để ra hướng giải quyết những vấn đề chưa khắc phục được.
 Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI
Tối ưu hóa hệ thống sử dụng điện mặt trời chiếu sáng 4 trụ đèn trên đường nội bộ
trường Đại học Nha Trang mang nhiều ý nghĩa, tìm hiểu về hệ thống tiết kiệm năng lượng
sử dụng năng lượng sạch, duy trì cho hệ thống làm việc ổn định đạt hiệu suất tối ưu, tìm
ra những mặt hạn chế rồi khắc phục hoặc đưa ra hướng khắc phục những hạn chế đó.
 LỜI CẢM ƠN
Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy TS. Trần Tiến Phức đã tận tình hướng dẫn,
chỉ bảo chúng em trong suốt quá trình thực hiện đồ án, để chúng em có thể hoàn thành đồ
án một cách nhanh nhất với hiệu quả cao nhất. Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các thầy
(cô) đã truyền đạt kiến thức cho chúng em trong suốt những năm học đã qua, để em có đủ
kiến thức để hoàn thành đồ án. Xin cảm ơn các bác, các chú, các anh bên Tổ điện Trung
tâm phục vụ trường học, tổ bảo vệ trường Đại học Nha trang đã nhiệt tình giúp đỡ nhiều
vấn đề liên quan đến đồ án, tạo điều kiện thuận lợi để chúng em hoàn thành tốt đồ án môn
học 2 của mình.
GVHD: Trần Tiến Phức
iii
TÓM TẮT
“NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HÓA HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI CHIẾU SÁNG BỐN
TRỤ ĐÈN TRÊN ĐƯỜNG NỘI BỘ TRONG TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG” là đồ án
môm học 2 được thực hiện với mục đích tối ưu hóa hóa hệ thống 4 trụ đèn trụ đèn chiếu
sáng bằng LED sử dụng điện mặt trời của dự án “HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI CHIẾU

SÁNG CÔNG CỘNG BẰNG LED” tối ưu hóa, tăng hiệu suất làm việc cho hệ thống, nhằm
đưa hệ thống làm việc ổn định với hiệu quả cao nhất. Tìm ra những mặt hạn chế để khắc
phục hoặc đề ra hướng khác phục những hạn chế đó.
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, năng lượng gió… 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 đồ án môn học 2 nhằm tối ưu hóa hệ thống chiếu sáng đường nội bộ Trường
Đại học Nha Trang bằng điện mặt trời có nhiều vấn đề liên quan cần giải quyết, có nhiều
yếu tố tác động, nhiều vấn đề đã được giải quyết, bên cạnh đó một số vấn để chưa giải
quyết được.
Vì vậy hoàn thành đồn án chỉ dừng lại ở mức thành công nhất định, đòi hỏi phải
hoàn chỉnh hơn về sau nếu như có thêm thời gian. Vì hệ thông cần thời gian hoạt động
mới có thể bộc lộ hết những mặt, những khía cạnh chưa hoàn thiện.
GVHD: Trần Tiến Phức
iv
MỤC LỤC
GIỚI THIỆU CHUNG i
TÓM TẮT iii
MỤC LỤC iv
DANH SÁCH BẢNG v
DANH SÁCH HÌNH vi
TỔNG QUAN viii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI CHIẾU SÁNG CÔNG
CỘNG 1
1.1.PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1
1.1.1.Cấu tạo 1

1.1.2.Nguyên lý hoạt động 4
1.2.THIẾT BỊ LƯU TRỮ ĐIỆN NĂNG 7
1.2.1.Giới thiệu về ACU 7
1.2.2.Phóng và nạp ACU 11
1.2.3.Bộ điều khiển sạc ACU 13
1.3.CHIẾU SÁNG HIỆU SUẤT CAO BẰNG LED 15
1.3.1.Giới thiệu về LED 15
1.3.2.Ứng dụng của LED 17
CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG SỬ DỤNG ĐIỆN MẶT TRỜI TỪ CỔNG
ĐẾN KHU NHÀ A8 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG 19
2.1.KHẢO SÁT THỰC TRẠNG HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG HIỆN TẠI 19
2.1.1.Kế hoạch khảo sát 19
2.1.2.Kết quả khảo sát 19
2.2:GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG 21
2.2.1.Các nhược điểm đã khắc phục 21
2.2.2.Các nhược điểm chưa được khắc phục và hướng giải quyết 23
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 24
3.1:Phần cứng của hệ thống 24
3.1.1.Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển 24
GVHD: Trần Tiến Phức
v
3.1.2.Mạch in bộ điều khiển 26
3.1.3.Phần cứng hệ thống trên thực tế 28
3.2.Phần mềm của hệ thống 30
3.2.1.Giới thiệu về Chip Atmega16 30
3.2.2.Giới thiệu về phần mềm lập trình cho AVR – CodeVision 30
3.2.3.Chương trình của bộ điều khiển 31
3.3.Kết nối hoàn thiện hệ thống 34
KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ 36
TÀI LIỆU THAM KHẢO 37

DANH SÁCH BẢNG
Bảng Trang
Bảng 1. 1: Tỷ trọng bình ACU ở 25
0
C 9
Bảng 1. 2: Dòng nạp của một số ACU 12
Bảng 1. 3: Điện áp các trụ đèn 19
Bảng 1. 4: Độ sáng các trụ đèn 22
GVHD: Trần Tiến Phức
vi
DANH SÁCH HÌNH
Hình Trang
Hình 1. 1: Pin mặt trời sản xuất từ tinh thể Silic 2
Hình 1. 2: Các loại cấu trúc tinh thể của PNLMT 3
Hình 1. 3: Cấu tạo Pin năng lượng mặt trời 4
Hình 1. 4: 2 mức trạng thái năng lượng của điện tử 5
Hình 1. 5: Phân vùng năng lượng của điện tử trong chất bán dẫn 5
Hình 1. 6: Sự hình thành hai điện cực của bán dẫn p-n 6
Hình 1. 7: Nguyên lý hoạt động của Pin năng lượng mặt trời 7
GVHD: Trần Tiến Phức
vii
Hình 1. 8: Cấu tạo ACU chì – acid 8
Hình 1. 9: Sự biến đổi thông số bình ACU qua quá trình phóng nạp 10
Hình 1. 10: Quá trình phóng điện của ACU 11
Hình 1. 11: Quá trình nạp điện cho ACU 12
Hình 1. 12: Cấu tạo bên trong và hình dạng cơ bản của LED 15
Hình 1. 13: Phân loại LED theo công suất 17
Hình 2. 1: Các khe thông khí của tủ điện đã được nới rộng 22
Hình 2. 2: Lắp nắp nhựa cho các trạm bên trong trụ điện 23
Hình 2. 3: Điện trở của mối nối truớc và sau khi gắn cos và hàn mối nối 23

Hình 2. 4: Lỗi ghi dữ liệu 24
Hình 3. 1: Sơ đồ nguyên lý bộ phận xử lý trung tâm dùng Atmega16 25
Hình 3. 2: Sơ đồ nguyên lý bộ phận chấp hành (rơ-le) 26
Hình 3. 3: Mạch in bộ xử lý trung tâm 27
Hình 3. 4: Mạch in bộ phận chấp hành 28
Hình 3. 5: Phần cứng Bộ điều khiển 29
Hình 3. 6: Phần cứng bộ chấp hành theo chuẩn công nghiệp 30
Hình 3. 7: Bộ điều khiển sau khi được đóng vỏ hộp 30
Hình 3. 8: Sơ đồ khối Bộ điều khiển và kết nối các thiết bị của hệ thống 36
Hình 3. 9: Cấu trúc kết nối bên trong tủ điện 37
Hình 3. 10: Toàn cảnh nơi lắp đặt tủ điện 38
GVHD: Trần Tiến Phức
viii
TỔNG QUAN
Ngay từ những ngày đầu được đưa vào thị trường Việt Nam, LED đã khẳng định
được tầm quan trọng trong lĩnh vực chiếu sáng bởi những điểm mạnh của mình, đó là sự
tiện dụng, tiết kiệm năng lượng, tuổi thọ và tính thầm mỹ cao. LED có mặt ở khắp mọi
nơi, công trình nhà cửa, văn phòng, trang trí, du lịch – giải trí – nghệ thuật – quảng cáo …
Pin năng lượng mặt trời là một lĩnh vực có tiềm năng phát triển mạnh tại nước ta,
bởi vì nước ta nằm trong giải phân bố ánh nắng mặt trời nhiều nhất trong năm trên bản đồ
phân bố bức xạ của thế giới. Năng lượng mặt trời tại Việt Nam khá ổn định và phân bố
GVHD: Trần Tiến Phức
ix
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.
Sự kết hợp của các yếu tố trên là điều kiện thuận lợi cho các công trình, dự án
chiếu sáng bằng LED sử dụng năng lượng mặt trời phát triển mạnh. Đã có rất nhiều công
trình như vậy được xây dựng và đi vào hoạt động đạt hiệu quả cao điển hình như:
- Dự án xây dựng hệ thống pin mặt trời trên nóc nhà bộ công thương do Đức tài trợ
sản xuất khoảng 16000 kWh điện/năm.

- 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.
- 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.
- 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, trên thực tế đã có nhiều công trình ứng dụng, phát triển LED, Pin mặt trời và
cả những công trình kết hợp LED – Pin mặt trời được ứng dụng vào cuộc sống. Chứng tỏ
tầm ảnh hưởng của LED – Pin mặt trời là không hề nhỏ đối với sự phát triển của đất
nước.
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.
Đây chính là những điều kiện thuận lợi để phát triển những dự án, triển khai những
công trình LED – Pin mặt trời vào cuộc sống tại Việt Nam nói chung và thành phố biển
Nha Trang nói riêng.
“Hệ Thống Điện Mặt Trời Chiếu Sáng Công Cộng Bằng Led” là một công trình như
vậy. Đây là hệ thống chiếu sáng đường nội bộ gồm 4 trụ đèn từ cổng đến khu nhà A8
GVHD: Trần Tiến Phức
x
trường Đại Học Nha Trang sử dụng năng lượng mặt trời, do chính sinh viên của trường
thực hiện, đó là sinh viên Nguyễn Quang Hải khóa 52 Khoa Điện điện tử thiết kế lắp đặt.
Tuy nhiên đây là một dự án lớn đối với một sinh viên, liên quan đến nhiều lĩnh vực,
đòi hỏi kiến thức đa ngành, liên ngành chứ không đơn thuần là của chuyên ngành điện
-điện tử nữa. Chính vì vậy, khi dự án hoàn thành còn nhiều vất đề chưa được giải quyết
triệt để, đồng thời trong quá trình sử dụng có nhiều vấn đề mới phát sinh. Đây chính là lý

do mà nhóm chúng em được giao chủ đề đồ án 2: Nghiên Cứu Tối Ưu Hóa Hệ Thống
Sử Dụng Điện Mặt Trời Chiếu Sáng Bốn Trụ Đèn Trên Đường Nội Bộ Trong
Trường Đại Học Nha Trang. Trong nội dung đồ án 2 này, chúng em sẽ khái quát lại hệ
thống chiếu sáng sử dụng điện mặt trời đang hoạt động, tiến hành theo dõi hoạt động của
hệ thống, đo đạc các thông số của hệ thống từ đó tìm ra những nhược điểm, những sự cố
trong quá trình hoạt động. Đồng thời giải quyết hoặc đưa ra hướng giải quyết cho các vấn
đề đó.
GVHD: Trần Tiến Phức
1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI CHIẾU SÁNG
CÔNG CỘNG
1.1. PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Pin năng lượng Mặt trời
[1]
(hay pin quang điện, tế bào quang điện), là phần tử bán
dẫn quang có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các linh kiện cảm biến ánh sáng là các
dạng diod p-n, dùng biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện. Sự chuyển đổi
này gọi là hiệu ứng quang điện.
1.1.1. Cấu tạo
1.1.1.1. Vật liệu
Nhiều lọai vật liệu khác nhau được thử nghiệm cho pin mặt trời. Và hai tiêu chuẩn,
hiệu suất và giá cả.
Hiệu suất là tỉ số của năng lượng điện từ ánh sáng mặt trời. Vào buổi trưa một ngày
trời trong, ánh mặt trời tỏa nhiệt khoảng 1000 W/m². trong đó 10% hiệu suất của 1
module 1 m² cung cấp năng lượng khoảng 100 W. hiệu suất của pin mặt trời thay đổi từ
6% từ pin mặt trời làm từ silic không thù hình, và có thể lên đến 30% hay cao hơn nữa, sử
dụng pin có nhiều mối nối nghiên cứu trong phòng thí nghiệm.
Có nhiều cách để nói đến giá cả của hệ thống tạo điện, là tính toán cụ thể trên từng
kilo Watt giờ (kWh). Hiệu suất của pin mặt trời kết hợp với sự bức xạ là 1 yếu tố quyết
định trong giá thành.

Vật liệu được coi là tối ưu nhất để làm pin Mặt Trời là các chất bán dẫn.
Chất bán dẫn (Semiconductor)
[1]
là vật liệu trung gian giữa chất dẫn điện và chất
cách điện chất bán dẫn cụ thể ở đây là 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, 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
GVHD: Trần Tiến Phức
2
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. 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.
Hình 1.1: Pin mặt trời sản xuất từ tinh thể Silic
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.
GVHD: Trần Tiến Phức
3
Hình 1.2: Các loại cấu trúc tinh thể của PNLMT
Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski. Đơn
tinh thể loại này có hiệu suất tới 16%. Chúng thường rất mắc 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, nhưng 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.
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.
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, như hình Hình 1.3.
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
GVHD: Trần Tiến Phức
4

pin bị nóng thì giảm hiệu suất hoạt động vì thế nên phải làm giảm thiểu nhiệt năng.
Hình 1.3: Cấu tạo Pin năng lượng mặt trời
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
1.1.2. Nguyên lý hoạt động
Để nói về nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời trước tiên ta nói về hiệu
ứng quang điện.
Hiệu ứng quang điện
[1]
là một hiện tượng điện - lượng tử, trong đó các điện tử được
thoát ra khỏi nguyên tử (quang điện trong) hay vật chất (quang điện thường) sau khi hấp
thụ năng lượng từ các photon trong ánh sáng làm nguyên tử chuyển sáng trạng thái kích
thích làm bắn electron ra ngoài. Hiệu ứng quang điện đôi khi được người ta dùng với cái
tên Hiệu ứng Hertz, do nhà khoa học Heinrich Hertz tìm ra.
Đó là hiện tượng mà một điện tử đang ở trạng thái E
2
khi ánh sáng mặt trời gồm các
hạt nhỏ gọi là photon mang năng lượng hv (h là hằng số Plank, v là tần số ánh sáng) chiếu
vào điện tử đó sẽ hấp thu năng lượng và nhảy lên trạng thái E
2
GVHD: Trần Tiến Phức
5
Hình 1.4: 2 mức trạng thái năng lượng của điện tử
Trong chất bán dẫn các điện tử ở trạng thái cần bằng về về năng lượng nằm ở vùng
năng lượng thấp hay vùng hóa trị có mức năng lượng E

V
. Còn những điện tử ở trạng thái
hấp thụ năng lượng nằm ở vùng năng lượng cao hơn hay vùng dẫn có mức năng lượng E
C
.
Không gian giữa hai vùng này là vùng cấm, có mức năng lượng E
g.
Hình 1.5: Phân vùng năng lượng của điện tử trong chất bán dẫn
Khi ánh sáng chiếu đến một chất bán dẫn, photon có năng lượng hv của ánh sáng
chiếu tới được điện tử của vùng hoá trị hấp thụ và nó có thể chuyển lên vùng dẫn để trở
thành điện tử tự do, lúc này vùng hoá trị sẽ có một lỗ trống có thể di chuyển như “hạt“
mang điện tích dương. Lỗ trống này có thể di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện.
Nguyên lý hoạt động của Pin Mặt trời chính là hiện tượng quang điện sảy ra khi có
ánh sáng chiếu vào lớp bán dẫn p-n. Điện tử ở vùng hóa trị sẽ hấp thụ năng lượng hv của
các photon từ ánh sáng chiếu tới và nhảy lên vùng dẫn. Như vậy ở dùng dẫn sẽ có những
electron (e
-
) còn ở vùng hóa trị sẽ tồn tại những lỗ trống (h
+
). Tương đương với việc hình
thành 2 bán cực âm (vùng dẫn) và bán cực dương (vùng hóa trị)
GVHD: Trần Tiến Phức
6
Hình 1.6: Sự hình thành hai điện cực của bán dẫn p-n
Nguyên lý hoạt động của Pin Năng Lượng Mặ Trời:
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 1.7 trình bày nguyên lý hoạt động của
PNLMT.
GVHD: Trần Tiến Phức
7
Hình 1. 7: Nguyên lý hoạt động của Pin năng lượng mặt trời
1.2. THIẾT BỊ LƯU TRỮ ĐIỆN NĂNG
Điện năng là một dạng năng lượng đặc biệt, khi sản xuất ra mà không sử dụng hết
thì phần dư thừa đó sẽ biến mất. Vì vậy cần có thiết bị lưu trữ điện năng để dụng trong
các trường hợp mất nguồn cấp do cắt điện hay hư hỏng…
Thiết bị lưu trữ thông dụng và hiệu quả nhất hiện nay là Ắc quy (ACU), thiết bị có
khả năng tích trữ điện trong thời gian dài. ACU cũng là thiết bị cơ động có thể dễ dàng
vận chuyển và sử dụng.
1.2.1. Giới thiệu về ACU
Ắc quy (ACU) là thiết bị lưu trữ điện một chiều, lưu trữ điện năng ở dạng hóa năng.
Hiện nay thị trường ắc quy vô cùng phong phú, với chất lượng giá thành rất khác

nhau (axit chì, chì khô, khí kín, niken….) Nhưng về cơ bản có thể chia thành hai loại
ACU chính là ACU chì – axit và ACU sắt – kiềm. Trong khuôn khổ đồ án này ta tập
trung nghiên cứu ACU chì – axit, sản xuất theo công nghệ kín khí, không cần bảo dưỡng,
GVHD: Trần Tiến Phức
8
đây cũng là loại ACU sử dụng trong hệ thống chiếu sáng đường nội bộ trường Đại học
Nha Trang sử dụng điện mặt trời.
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 1.8 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
GVHD: Trần Tiến Phức
Hình 1.8: Cấu tạo ACU chì - acid
9
Bảng 1. 1: Tỷ trọng bình ACU ở 25
0
C
Loại bình accu Tỷ trọng điện
Bình accu làm việc ở chế độ tải nặng, thí dụ các xe tải điện 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 1.9
.
GVHD: Trần Tiến Phức
10
Trước khi dùng làm nguồn điện ta phải nạp điện cho ACU. Lúc này ACU đóng
vai trò một máy thu, tích trữ điện năng dưới dạng hóa năng. Khi nạp điện cho ACU
người ta cho dòng điện một chiều đi vào ACU. Dung dịch Axit Sunfuric bị điện phân,
làm xuất hiện Hiđrô và Ôxit ở hai bản chì. Ở bản nối với cực âm (-) của nguồn điện
Chì đi-ôxit (PbO

2
) khử mất ôxi và thành chì Pb, bản này sẽ thành cực âm (-) của
ACU. Còn ở bản nối với cực dương (+) của nguồn điện thì có ôxit bám vào, ôxi hóa
Pb
3
O
4
thành Chì đi-ôxit (PbO
2
), bản này sẽ trở thành cực dương (+) của ACU. Khi hai
cực đã trở thành Pb và PbO
2
thì giữa chúng có một hiệu điện thế, ACU trở thành nguồn
điện và bây giờ tự nó có thể phát ra dòng điện.
Nếu ta nối hai cực của ACU đã được nạp điện bằng một dây dẫn thì dòng điện
chạy trong dây sẽ có chiều ngược với dòng điện lúc nạp vào ACU. Dòng điện này sẽ
gây ra quá trình hóa học ngược lại, dung dịch axit lại bị điện phân nhưng lần này các ion
chuyển dời ngược chiều với lúc đầu, Hiđrô sẽ chạy về bản PbO
2
và khử ôxi, làm cho bản
này chở thành chì ôxit PbO. Cho đến khi hai cực đã hoàn toàn giống nhau thì dòng điện
tắt. Bây giờ muốn ACU lại phát điện, ta phải nạp điện cho nó để hai cực trở thành Pb và
PbO
2
.
GVHD: Trần Tiến Phức
Hình 1.9: Sự biến đổi thông số bình ACU qua quá trình phóng nạp
11
1.2.2. Phóng và nạp ACU
1.2.2.1. Phóng ACU

Khi cấp tải vào accu thì dòng đi từ cực (+) sang cưc (-). Quá trình phóng thể hiện
trong Hình 1.10
Phóng điện có thể tiến hành vào bất kỳ thời điểm nào và bất kỳ dòng điện nào
nhỏ hơn trị số ghi trong bảng chỉ dẫn của nhà chế tạo.
Khi phóng điện bằng chế độ 3 giờ hoặc dài hơn, có thể phóng liên tục
cho
đến
khi điện thế ở mỗi ngăn giảm xuống đến 1,8V.
Khi phóng với chế độ 1,2 giờ, thì ngừng phóng khi điện thế ở mỗi
ngăn
xuống
đến 1,75V.
Khi phóng với dòng điện nhỏ thì không xác định việc kết thúc phóng theo điện thế.
Trong trường hợp này, việc kết thúc phóng được xác định theo tỷ trọng chất điện
phân. Việc phóng được kết thúc khi tỷ trọng giảm đi từ 0,03 đến 0,06 g/cm
3
so với
tỷ trọng ban đầu (nhưng cũng không được để điện thế mỗi ngăn giảm xuống thấp hơn
1,75V).
GVHD: Trần Tiến Phức
Hình 1.10: Quá trình phóng điện của ACU
12
1.2.2.2. Nạp ACU
Tuỳ theo phương pháp vận hành accu, thiết bị nạp và thời gian cho phép nạp,
phương pháp nạp, việc nạp có thể được thực hiện theo các cách như sau:
• Nạp với dòng điện không đổi.
• Nạp với dòng điện giảm dần.
• Nạp với điện thế không đổi.
• Nạp thay đổi với điện thế không đổi.
Khi nạp điện dòng đi từ cực (–) sang cực

(+):
Bảng 1. 2: Dòng nạp của một số ACU
Loại accu Dòng điện nap A) Thời gian nạp (giờ)
12V.60Ah
5 12
12V.100Ah
10 10
12V.200Ah
10 18
GVHD: Trần Tiến Phức
Hình 1. 11: Quá trình nạp điện cho ACU
13
1.2.2.3. Chế độ hoạt động
Có hai chế độ vận hành chính đó là: Chế độ nạp thường xuyên và chết độ phóng nạp
xem kẽ:
 Chế độ nạp thường xuyên:
Đối với các loại bình ACU tĩnh điện, việc vận hành ACU được tiến hành theo chế
độ phụ nạp thường xuyên. ACU được đấu vào thanh cái một chiều song song với thiết
bị nạp. Nhờ vậy, tuổi thọ và độ tin cậy của ACU tăng lên và hạ thấp cho phí bảo dưỡng.
Để bảo đảm chất lượng ACU, trước khi đưa vào chế độ phụ nạp thường
xuyên phải phóng nạp tập dợt 4 lần. Trong quá trình vận hành ACU ở chế độ phụ nạp
thường xuyên. ACU không cần phóng tập dợt cũng như nạp lại. Trường hợp sau một
thời gian dài làm việc ở chế độ phụ nạp thường xuyên mà thấy chất lượng ACU bị giảm
thì phải thực hiện việc phóng nạp đột xuất.
Ở

chế độ phụ nạp thường xuyên cần duy trì điện thế trên mỗi
ACU

là

2,2±0,5V để bù trừ sự tự phóng và duy trì ACU ở trạng thái luôn được nạp đầy.
Dòng điện phụ nạp thông thường được duy trì từ 50-100 mA cho mỗi 100Ah dung
lượng.
Ở

chế độ phụ nạp này, điện thế trên ACU phải được duy trì
tự

động
trong khoảng ±
2%.
 Chế độ phóng nạp xen kẽ:
ACU làm việc ở chế độ phóng nạp xen kẽ là ACU thường xuyên cấp vào phụ tải
sau khi đã ngưng nạp. Sau khi phóng đến một giá trị nào đó thì phải nạp trở lại. Trường
hợp sử dụng ACU không nhiều thì mỗi tháng phải tiến hành phụ nạp với dòng điện
không đổi là 0,1xC. Việc nạp lại này nhằm loại trừ việc Sunfat hóa ở các bản cực.
1.2.3. Bộ điều khiển sạc ACU
Để có thể tích trữ điện năng vào ACU một cách an toàn và tránh làm hư hại ACU
người ta sử dụng bộ điều khiển sạc. Trước đây, khi chưa có khái niệm về PNLMT người
ta chủ yếu trữ điện vào ACU bằng bộ điều khiển sạc AC – DC (220VAC -
12VDC/24VDC/48VDC). Và kể từ khi PNLMT ra đời, bộ sạc ACU được thiết kế thêm
GVHD: Trần Tiến Phức
14
cho phù hợp với việc nạp trực tiếp điện năng tạo ra từ PNLMT mà không cần chuyển đổi
AC – DC nữa (PNLMT tạo ra nguồn điện DC < = 24V). Bộ điều khiển sạc sẽ đảm nhận
nhiệm vụ chuyển toàn bộ năng lượng mà PNLMT tạo ra nạp đầy vào ACU theo đúng
dung lượng và điện áp của ACU, tự động ngắt khi ACU đến ngưỡng đầy (U
Max
) và tự
động nạp lại khi điện áp ACU đến ngưỡng nạp (U

Min
). Như vậy, ACU sẽ được nạp và
phóng một cách an toàn để kéo dài tuổi thọ.
Các thông số kỹ thuật cần được quan tâm:
 Ngưỡng điện thế cắt V
Max
:
Ngưỡng điện thế cắt V
max
là giá trị hiệu điện thế trên hai cực của bộ ACU đã
được nạp điện đầy, dụng lượng đạt 100%, khi đó nếu tiếp tục nạp điện cho acquy thì
ACU sẽ bị quá đầy, dung dịch ACU sẽ bị sôi dẫn đến sự bay hơi dung dịch dẫn điện
và làm hư hỏng các bản cực. Vì vậy khi có dấu hiệu accu đã được nạp đầy, hiệu điện thế
trên các cực bộ ACU đạt đến V=V
max
, thì bộ điều khiển sẽ tự động cắt hoặc hạn chế
dòng nạp điện từ dàn pin Mặt Trời. Sau đó khi hiệu điện thế bộ accu giảm xuống dưới giá
trị ngưỡng, bộ điều khiển lại tự động đóng mạch nạp lại.
 Ngưỡng điện thế cắt - nạp V
Min
:
Ngưỡng điện thế nạp V
min
là giá trị hiệu điện thế trên hai cực bộ ACU, khi ACU đã
phóng điện đến giá trị cận dưới của dung lượng accu (ví dụ: đối với ACU Chì – axit, khi
trong ACU chỉ còn lại 30% dung lượng). Nếu tiếp tục sử dụng thì ACU sẽ bị phóng điện
quá kiệt dẫn đến hư hỏng ACU. Vì vậy, Khi bộ điều khiển nhận thấy hiệu điện thế
bộ ACU V ≤ V
min
thì nó sẽ tự động cắt mạch tải tiêu thụ và tiến hành nạp điện vào

ACU. Sau đó nếu hiệu điện thế bộ ACU tăng lên trên giá trị ngưỡng trên (đầy), bộ điều
khiển lại tự động cắt nạp.
Đối với ACU Chì – axit, hiệu điện thế chuẩn trên các cực của một bình là
V=12V, thì thông thường người ta chọn V
max
= 14,0÷14,5V, còn V
min
= 10,5÷11,0V.
GVHD: Trần Tiến Phức
15
1.3. CHIẾU SÁNG HIỆU SUẤT CAO BẰNG LED
LED (Light Emitting Diode) là diode phát quang được sử dụng khá rộng rãi trong
lĩnh vực chiếu sáng ngày nay vì chỉ sử dụng nguồn điện một chiều cao nhất là 24VDC và
có hiệu suất rất cao (khoảng 90%)
1.3.1. Giới thiệu về LED
LED được xem như là một diode, có khả năng phát ra các bức xạ nằm trong vùng
ánh sáng nhìn thấy (ở đây ta chỉ nói về LED phát ra ánh sáng nhìn thấy). LED được cấu
tạo từ các chất bán dẫn bằng cách cho bán dẫn p tiếp xúc với bán dẫn n, tạo thành lớp tiếp
xúc p-n, giống như modul PMLMT đã đề cập ở phần 1, tuy nhiên kích thướng nhỏ hơn
nhiều. Khi ta cho nguồn điện một chiều (DC) chạy qua lớp tiếp xúc p-n thì nó sẽ phát ra
bức xạ dưới dạng ánh sáng với nhiều màu sắc khác nhau.
1.3.1.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Bản chất của LED là một diode , nó chứa một chíp bán dẫn có pha các tạp chất để
tạo ra một tiếp giáp P-N, khi chất bán dẫn Silicon cho pha Indium (có 3 nối hóa trị, khi
gắn nó vào mạng Silicon cần 4 nối, sẽ có một nối thiếu điện tử và cho ra 1 lỗ trống) chúng
ta sẽ có chất bán dẫn loại P và khi cho pha với Phosphor (có 5 nối hóa trị, khi gắn nó vào
mạng Silicon cần 4 nối, sẽ dư ra 1 hạt điện tử), chúng ta có chất bán dẫn loại N. Kênh P
chứa lỗ trống, kênh N chứa điện tử, dòng điện truyền từ A-nốt (A) ( kênh P) đến K-tốt
GVHD: Trần Tiến Phức
Hình 1.12: Cấu tạo bên trong và hình dạng cơ bản của LED