Nghiên cứu ứng dụng điện mặt trời cung cấp cho phòng máy chủ trường đại học nha trang

i


GVHD: Ts. Trần Tiến Phức

SVTH: Cao Văn Thịnh
MỞ ĐẦU
 GIỚI THIỆU CHUNG
Việt Nam là một quốc gia có tiềm năng rất lớn về năng lượng Mặt Trời, đặc
biệt ở miền Trung và miền Nam của đất nước, với cường độ bức xạ Mặt Trời trung
bình khoảng 5 kWh/m
2
, ở các vùng phía Bắc cường độ bức xạ Mặt Trời thấp hơn,
ước tính khoảng 4 kWh/m
2
do điều kiện thời tiết với trời nhiều mây và mưa phùn vào
mùa đông và mùa xuân.
Ở Việt nam, bức xạ Mặt Trời trung bình 150 kcal/m2 chiếm khoảng 2.000 –
5.000 giờ/năm. Năng lượng Mặt Trời có sẵn quanh năm, khá ổn định và phân bố rộng
rãi trên các vùng miền khác nhau của đất nước. Đặc biệt, số ngày nắng trung bình
trên các tỉnh của miền Trung và miền Nam là khoảng 300 ngày/năm. Năng lượng Mặt
Trời được khai thác để sản xuất điện và cung cấp nhiệt.
 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Việc tiếp cận để tận dụng nguồn năng lượng mới này không chỉ góp phần cung
ứng kịp thời nhu cầu năng lượng của xã hội mà còn giúp tiết kiệm điện năng và giảm
thiểu ô nhiễm môi trường.
Trường Đại học Nha Trang bao gồm nhiều khu giảng đường, ký túc xá, thư
viện và nhiều khu thí nghiệm, hành chính khác nên nhu cầu sử dụng điện là rất lớn.
Mặt khác, cơ sở vật chất của trường ngày càng được mở rộng. Cụ thể là việc xây thêm
các khu ký túc xá, nhà đa năng và các phòng thí nghiệm khiến cho nhu cầu sử dụng
điện ngày càng cao với phụ tải lớn.

Từ những tình hình thực tế trên việc thay thế nguồn điện lưới đang sử dụng
bằng điện Mặt Trời sẽ góp phần tiết kiệm tiền điện cho nhà trường, tạo môi trường
học tập cho sinh viên, đồng thời có tác dụng giáo dục sinh viên học sinh trong vấn đề
tiết kiệm năng lượng và sử dụng nguồn năng lượng sạch, mới. 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 thành tựu công nghệ của nhân loại vào phục vụ cuộc sống và công việc
của chúng ta.
ii


GVHD: Ts. Trần Tiến Phức

SVTH: Cao Văn Thịnh
 NHIỆM VỤ VÀ PHẠM VI CỦA ĐỀ TÀI
 Nhiệm vụ
“Nghiên cứu ứng dụng điện Mặt Trời cung cấp cho Phòng Máy chủ Trường
Đại học Nha Trang”
 Phạm vi
Đề tài thực hiện trong phạm vi trường Đại học Nha Trang.
 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Biến năng lượng Mặt Trời thành năng lượng điện là một dạng năng lượng sạch,
thân thiện với môi trường không ảnh hưởng đến sức khỏe của con người, cũng như
không làm thay đổi hệ sinh thái trong khu vực, điều này đang phù hợp với xu thế phát
triển nguồn năng lượng của quốc gia và thế giới.
Dự án sử dụng điện Mặt Trời hòa lưới điện với mục đích làm phổ biến hơn
việc sử dụng năng lượng sạch, cung cấp môi trường hiện đại, thuận lợi cho quá trình
làm việc của cán bộ nhân viên và học tập nghiên cứu của sinh viên khoa Điện-Điện
tử. Đề tài được nghiên cứu và ứng dụng ngay tại trường Đại học Nha Trang.
Dự án “Nghiên cứu ứng dụng điện Mặt Trời cung cấp cho Phòng Máy chủ

Trường Đại học Nha Trang” mang nhiều ý nghĩa ứng dụng và giáo dục về tiết kiệm
năng lượng, sử dụng nguồn năng lượng sạch cho mọi người. Là cơ sở để không chỉ ở
phòng Máy Chủ của Trường Đại học Nha Trang mà còn mở rộng ra nhiều khu vực
khác nữa.
Góp phần mở rộng phạm vi ứng dụng của các đề tài nghiên cứu khoa học gắn
liền với nhu cầu thực tế từ các cơ sở sản xuất ở địa phương có tiềm năng về điện Mặt
Trời trong cả nước.
 LỜI CÁM ƠN
Em xin gửi lời cám ơn sâu sắc nhất đến Thầy TS. Trần Tiến Phức đã tận tình
hướng dẫn, chỉ bảo trong suốt quá trình thực hiện đồ án Tốt Nghiệp, để em có thể
hoàn thành đồ án một cách tốt nhất với hiệu quả cao nhất. Xin gửi lời cám ơn sâu sắc
đến các thầy cô đã truyền đạt kiến thức cho em suốt 4 năm đại học, để em đủ kiến
thức để hoàn thành đồ án.
iii


GVHD: Ts. Trần Tiến Phức

SVTH: Cao Văn Thịnh
Xin cám ơn các bác, các chú, các anh trong Tổ bảo vệ và Tổ điện và Trung tâm
Máy tính Trường Đại học Nha Trang đã nhiệt tình giúp đỡ nhiều vấn đề liên quan
đến đồ án, tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành tốt đồ án của mình. Xin cám ơn
toàn thể các bạn trong lớp 53DDT đã góp ý, chia sẻ một phần công việc của đồ án.
Do quá trình thực hiện đồ án có nhiều vấn đề nằm ngoài kiến thức chuyên
ngành, phải vừa làm vừa tìm hiểu nghiên cứu, nên chắc chắn sẽ có nhiều thiếu sót.
Rất mong sự góp ý nhiệt tình từ thầy cô và các bạn trong khoa để đồ án được hoàn
thiện hơn nữa.

Nha Trang, ngày tháng năm 2015

Sinh viên


CAO VĂN THỊNH

iv


GVHD: Ts. Trần Tiến Phức

SVTH: Cao Văn Thịnh
TÓM TẮT
Đề tài “Nghiên cứu ứng dụng điện Mặt Trời cung cấp cho phòng máy chủ
Trường Đại học Nha Trang” là đồ án tốt nghiệp được thực hiện với mục đích ứng
dụng nguồn năng lượng Mặt Trời vào cuộc sống, biến nguồn năng lượng Mặt Trời
thành điện năng cung cấp cho phòng Máy Chủ của trường. Cải tạo hệ thống điện vốn
có của phòng Máy Chủ Trường Đại học Nha Trang, thay vào đó bằng hệ thống điện
Mặt Trời, năng lượng sạch, không phát thải, an toàn, tiết kiệm.
Xây dựng hệ thống điện Mặt Trời hòa lưới điện cung cấp phòng máy chủ
Trường Đại học Nha Trang là một đồ án thực tiễn, giáo dục ý thức của sinh viên và
cán bộ viên chức nhà trường về bảo vệ môi trường, hạn chế sử dụng 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 chủ trương và
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 thành
tựu về khoa học – công nghệ vào cuộc sống hằng ngày.

Mục tiêu của đề tài là khảo sát thực trạng hệ thống điện tại phòng máy chủ,
lấy số liệu đo dòng điện, điện áp, công suất. Từ những số liệu đó, tiến hành thiết kế
hệ thống điện Mặt Trời hòa lưới. Sau đó xây dựng một hệ thống thực tế quy mô nhỏ
nằm trong phạm vi dự án. Tuy nhiên, trong quá trình thực hiện cũng gặp những vấn
đề liên quan cần giải quyết, những kiến thức liên ngành ở những khía cạnh và lĩnh
vực khác nhau. Vì vậy, việc hoàn thành đồ án chỉ dừng lại ở mức thành công nhất
định, đòi hỏi mở rộng và hoàn chỉnh hơn sau này.
v


GVHD: Ts. Trần Tiến Phức

SVTH: Cao Văn Thịnh
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU i
TÓM TẮT iv
MỤC LỤC v
DANH SÁCH BẢNG viii
DANH MỤC HÌNH ix
TỔNG QUAN 1
CHƯƠNG 1: CỞ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI 3
1.1. PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 3
1.1.1. Cấu tạo 3
1.1.1.1. Vật liệu 3
1.1.1.2. Nguyên lý cấu tạo 4
1.1.2. Nguyên lý hoạt động 5
1.1.3. Ứng dụng 10
1.1.3.1. Sản xuất điện năng từ Pin Năng lượng Mặt Trời 11
1.1.3.2. Ứng dụng Pin Năng lượng Mặt Trời vào phương tiện giao thông 12
1.2. THIẾT BỊ LƯU TRỮ ĐIỆN NĂNG AC-QUY (ACU) 14

1.2.1. Tổng quan về ACU 14
1.2.2.1. Cấu tạo 14
1.2.2.2. Dung lượng ACU 16
1.2.2. Phóng nạp ACU 17
1.2.2.1. Phóng điện ACU 17
1.2.2.2. Nạp điện ACU 18
1.2.3. Chế độ vận hành ACU 19
1.2.4. Bộ điều khiển sạc ACU 20
1.3. HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI 22
1.3.1. Phân loại hệ thống điện Mặt Trời 22
1.3.1.1. Hệ thống điện Mặt Trời độc lập (off grid solar system) 22
1.3.1.2. Hệ thống điện Mặt Trời nối lưới (on grid solar system) 23
1.3.1.3. Hệ thống điện Mặt Trời hòa lưới có lưu trữ 24
1.3.2. Một số hệ thống điện Mặt Trời đã đưa vào hoạt động trên thế giới 24
vi


GVHD: Ts. Trần Tiến Phức

SVTH: Cao Văn Thịnh
1.3.2.1. Hệ thống điện Mặt Trời hộ gia đình hòa lưới tại Nhật 24
1.3.2.2. Hệ thống điện Mặt Trời hộ gia đình tại Đức 25
1.3.2.3. Mô hình điện Mặt Trời tại Việt Nam 26
CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI CUNG CẤP CHO
PHÒNG MÁY CHỦ TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG 29
2.1.1. Lựa chọn sơ đồ khối 29
2.1.2. Tính toán phụ tải điện yêu cầu 30
2.1.3. Tính toán lựa chọn PNLMT 30
2.1.4. Tính toán lựa chọn Inverter 32
2.1.5. Tính toán lựa chọn ACU 34

2.1.6. Tính toán lựa chọn bộ điều khiển sạc ACU (Solar charge controller) . 35
2.1.7. Vị trí lắp đặt 35
2.2. Khảo sát hệ thống điện tại phòng máy chủ 37
2.3. Thiết kế hệ thống điện mặt cung cấp cho Phòng Máy chủ 41
2.3.1. Lựa chọn mô hình cung cấp điện 41
2.3.2. Tính tổng điện năng tiêu thụ của tất cả các thiết bị mà hệ thống Solar
phải cung cấp 43
2.3.3. Tính số Watt-hour các tấm pin Mặt Trời phải cung cấp cho toàn tải mỗi
ngày 44
2.3.4. Tính toán chọn Inverter 44
2.3.5. Tính toán ắc quy (ACU) 45
2.3.6. Tính toán bộ điều khiển nạp ACU 45
2.3.7. Tính toán bộ hòa lưới 45
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN HỆ THỐNG BẰNG PHẦN MỀM 46
3.1. Tính toán bằng phần mềm PVGIS 46
3.2. Tính toán bằng phần mềm PV Calculator 48
CHƯƠNG 4: KHẢO SÁT HIỆU SUẤT INVERTER CỦA BỘ BACK-UPS PRO
1400 50
4.1. BACK-UPS PRO 1400 50
4.2. Nguyên lý hoạt động 50
4.3. Khảo sát hiệu suất ủa bộ Inverter 51
4.3.1. Tiến hành đo mẫu 1 52
vii


GVHD: Ts. Trần Tiến Phức

SVTH: Cao Văn Thịnh
4.3.2. Tiến hành đo mẫu 2 53
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56
PHỤ LỤC 57


viii


GVHD: Ts. Trần Tiến Phức

SVTH: Cao Văn Thịnh
DANH SÁCH BẢNG
Bảng Trang
Bảng 1.1:Tỷ trọng bình ACU ở 25
0
C 15
Bảng 1. 2: Dòng nạp của một số ACU 19
Bảng 1.3: Kết quả đo lần 1 ngày 5 tháng 2 năm 2015 38
Bảng 1.4: Kết quả đo lần 2 ngày 24 tháng 4 năm 2015 38
Bảng 1.5: Kết quả đo lần 3 ngày 25 tháng 4 năm 2015 39
Bảng 1.6: Kết quả đo lần 4 ngày 26 tháng 4 năm 2015 40
Bảng 1.7: Kết quả so sánh điện năng tạo ra và bức xạ của hệ thống 48
Bảng 1.8: Kết quả đo UPS 1 53
Bảng 1.9: Kết quả đo UPS 2 53



ix


GVHD: Ts. Trần Tiến Phức

SVTH: Cao Văn Thịnh
DANH MỤC HÌNH
Hình
Trang
Hình 1. 1: Các loại cấu trúc tinh thể của PNLMT 4
Hình 1. 2: Cấu tạo Pin năng lượng Mặt Trời 5
Hình 1.3: Trạng thái hai mức năng lượng của Electron 6
Hình 1. 4: Các vùng năng lượng trong phân tử bán dẫn 7
Hình 1. 5: Hiện tượng biến đổi quang điện trong phân tử bán dẫn khi có ánh sáng
chiếu vào lớp tiếp xúc p - n 7
Hình 1. 6: Nguyên lý hoạt động của Pin năng lượng Mặt Trời 8
Hình 1.7: Pin quang điện được ghép từ nhiều lớp 9
Hình 1.8: Pin quang điện nhiều lớp hấp thụ cả dãi phổ của ánh sáng Mặt Trời 10
Hình 1.9: Sân vân động sử dụng năng lượng Mặt Trời tại Ý 11
Hình 1.10: Sản xuất điện năng lượng Mặt Trời tại Việt Nam 12
Hình 1.11: Ứng dụng Pin Năng lượng Mặt Trời vào phương tiện giao thông 13
Hình 1.12: Cấu tạo ACU chì - acid 15
Hình 1.13: Sự biến đổi thông số bình ACU qua quá trình phóng nạp 16
Hình 1.14: Quá trình phóng điện của ACU 17
Hình 1.15: Quá trình nạp điện cho ACU 19
Hình 1.16: Hệ thống điện Mặt Trời độc lập 22
Hình 1.17: Hệ thống điện Mặt Trời hòa lưới 23
Hình 1.18: Mô hình điện Mặt Trời hộ gia đình tại Nhật Bản 25
Hình 1.19: Điện Mặt Trời hộ gia đình tại Đức 26
Hình 1.20: Phát triển điện Mặt Trời tại Việt Nam 28
Hình 2.1: Hướng lắp đặt hệ thống với góc nghiêng β 36
x

GVHD: Ts. Trần Tiến Phức

SVTH: Cao Văn Thịnh
Hình 2.2: Thiết bị đo công suất kiểu kẹp HIOKI 3286-20 37
Hình 2.3: Sơ đồ khối mô hình điện Mặt Trời hòa lưới có lưu trữ 41
Hình 2.4: Mô hình điện Mặt Trời hòa lưới có lưu trữ 42
Hình 3.1: Vị trí lắp đặt hệ thống trên Google Map 46
Hình 3.2: Nhập thông số vào phần mềm PVGIS 47
Hình: 3.3: Kết quả tính toán sử dụng phần mềm PV Calculator 49
Hình 4.1: BACK-UPS PRO 1400 50
Hình 4.2: Nguyên lý hoạt động của bộ UPS 51
Hình 4.3: Kết nối hệ thống Back-UPS Pro 1400 51
Hình 4.4: Lắp đặt đồng hồ đo dòng điện DC vào Back-UPS Pro 1400 52
Hình 4.5: Điện áp và dòng điện AC sau khi qua bộ Inverter 52


1


GVHD: Ts. Trần Tiến Phức

SVTH: Cao Văn Thịnh
TỔNG QUAN
Từ khi được đưa vào ứng dụng, điện Mặt Trời đã nhanh chóng khẳng định
được tầm ảnh hưởng to lớn của nó. Hiện nay khi các nguồn năng lượng hóa thạch
trên thế giới ngành càng cạn kiệt thì năng lượng Mặt Trời là một hướng phát triển đầy
hứa hẹn cho tương lai.
Việt Nam với lợi thế là một trong những quốc gia nằm trong giải phân bố ánh
nắng Mặt Trời nhiều nhất trong năm trên bản đồ bức xạ 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 ở các tỉnh miền Trung, miền Nam là khoảng 300
ngày/năm.
Đã có rất nhiều hệ thống Mặt Trời được đưa vào hoạt động phục vụ cuộc sống
con người, và lợi ích từ các công trình này mang lại là không thể phủ nhận.
- Năm 1995, hơn 180 nhà dân và một số công trình công cộng tại Buôn Chăm,
xã Eahsol, huyện Eahleo tỉnh Đắk Lắk đã sử dụng điện Mặt Trời, nơi mà điện lưới
chưa thể vươn tới.
- Viện năng lượng (ENV) và trung tâm năng lượng mới (Trường Đại học Bách
Khoa Hà Nội) triển khai ứng dụng dàn pin Mặt Trời nhằm cung cấp điện cho một
số hộ gia đình và các trạn biên phòng ở Cô Tô (Quảng Ninh) tháng 11/2002
- 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.
- Hệ thống điện mặt trời tại trên sân thượng tòa nhà Intel Việt Nam được làm từ
1092 tấm năng lượng mặt trời cùng 21 bộ biến điện được kết nối với nhau bởi hơn
10.000 m dây cáp. Dự án có sự tham gia của hơn 30 kĩ sư chuyên về năng lượng
mặt trời cùng 5.000 giờ cả thiết kế và lắp đặt. Dự án hiện có khả năng phát được
321.000 KWh điện và hạn chế tới 221.300 kg lượng khí CO2 thải ra hàng năm.
2


GVHD: Ts. Trần Tiến Phức

SVTH: Cao Văn Thịnh
- Dự án xây dựng hệ thống pin năng lượng mặt trời trên nóc nhà Bộ Công thương
do Đức tài trợ sản xuất khoảng 16000 kWh điện/năm được khánh thành vào ngày
19 tháng 11 năm 2010.
Như vậy đã có rất nhiều công trình ứng dụng điện Mặt Trời vào cuộc sống. Cho
đến nay, tầm ảnh hưởng của điện Mặt Trời đối với cuộc sống hiện nay là không thể

phủ nhận. Đây là một hướng giải quyết vấn đề về năng lượng đầy hứa hẹn cho tương
lai.
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
đãng, cao và lượng nắng trong năm cũng đáng kể, phù hợp cho việc phát triển điện
Mặt Trời. Việc phát triển các hệ thông điện Mặt Trời ở nơi đây có nhiều thuận lợi. Vì
vậy cần phát triển nhiều hơn nữa các hệ thông điện mặ trời phục vụ cuộc sống.
Đồ án tốt nghiệp “ Nghiên cứu ứng dụng điện Mặt Trời cung cấp cho phòng
Máy chủ Trường Đại học Nha Trang” là một dự án ứng dụng điện Mặt Trời vào cuộc
sống hằng ngày, chấp hành chủ trương của nhà nước về tiết kiệm năng lượng, sử dụng
nguồn năng lượng sạch, chống phát thải, tạo môi trường sạch, đẹp, hiện đại cho nhà
Trường.


3


GVHD: Ts. Trần Tiến Phức

SVTH: Cao Văn Thịnh
CHƯƠNG 1
CỞ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI
1.1. PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Pin năng lượng Mặt Trời (PNLMT)
[7]
(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 điện sử dụng được. Sự chuyển đổi này
gọi là hiệu ứng quang điện.
1.1.1. Cấu tạo

1.1.1.1. Vật liệu
Trước khi tìm hiểu về pin Mặt Trời chúng ta hãy tìm hiểu về vật lý chất bán
dẫn. Để đơn giản, ta tìm hiểu pin năng lượng tinh 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 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, nên có chỗ trong mạng tinh thể thì dư electron
còn có chỗ thì thiếu electron. Vì thế các electron thừa hay thiếu electron (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).
Cho tới hiện nay thì vật liệu chủ yếu dùng cho sản xuất pin Mặt Trời (và cho
4


GVHD: Ts. Trần Tiến Phức

SVTH: Cao Văn Thịnh

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. 1: 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 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.
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
5


GVHD: Ts. Trần Tiến Phức

SVTH: Cao Văn Thịnh
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 lượng, 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.
1.1.2. Nguyên lý hoạt động
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)

Hình 1. 2: Cấu tạo Pin năng lượng Mặt Trời
6


GVHD: Ts. Trần Tiến Phức

SVTH: Cao Văn Thịnh

Hình 1.3: Trạng thái hai mức năng lượng của Electron
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 1.4 trình bày các vùng năng lượng
chất bán dẫn.
Hứng 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)
7


GVHD: Ts. Trần Tiến Phức

SVTH: Cao Văn Thịnh
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 1.5 trình bày hiện tượng biến đổi năng lượng khi ánh
sáng chiếu vào lớp bán dẫn.
Sự chuyển đổi ánh sáng:
Khi một photon 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

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.
Hình 1. 4: Các vùng năng lượng trong phân tử bán dẫn
Hình 1. 5: Hiện tượng biến đổi quang điện trong phân tử bán dẫn khi
có ánh sáng chiếu vào lớp tiếp xúc p - n
8


GVHD: Ts. Trần Tiến Phức

SVTH: Cao Văn Thịnh
Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các hạt
electron trong màng tinh thể. Thông thường các electron này ở 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 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 1.6
trình bày nguyên lý hoạt động của PNLMT.

Hình 1. 6: Nguyên lý hoạt động của Pin năng lượng Mặt Trời
9


GVHD: Ts. Trần Tiến Phức

SVTH: Cao Văn Thịnh
Hay nói một cách đơn giản thì khi chiếu ánh sáng có bức sóng ngắn hơn giới
hạn quang điện vào tiếp giáp p-n thì sẽ xuất hiện nhiều electron và lỗ trống, quá trình
khuếch tán lớn dần làm cho hiệu điện thế của lớp tiếp giáp tăng lên.
Suất điện động của mỗi tế bào pin quang điện (tức là một lớp tiếp xúc p-n n) là
từ 0,5 V đến 0,8 V. Đo đó, người ta phải ghép rất nhiều tế bào pin quang điện với
nhau thành bộ vừa song song vừa nối tiếp để có hiệu điện thế và cường độ dòng điện
đủ lớn, đáp ứng nhu cầu sử dụng.
Với công nghệ Nano ngày nay, người ta có thế ghép nhiều lớp bán dẫn trên từ
nhiều nguyên tố hóa học khác nhau và đặt chúng trên cùng một tấm pin quang điện,
để tăng hiệu suất chuyển đổi ánh sáng thành điện năng Hình 1.7.
Khi ánh sáng (gồm nhiếu sóng ánh sáng ghép lại) được chiếu vào một tấm pin
quang điện, các nguyên tố sẽ hấp thụ ánh sáng có bức sóng tương thích.

Hình 1.7: Pin quang điện được ghép từ nhiều lớp
Có thể ghép nhiều lớp để hấp thụ hết dải phổ của ánh sáng Mặt Trời vừa tăng
hiệu suất (hơn 42%) vừa tiếp tục nâng cao điện thế trên mỗi tế bào (cell).

10


GVHD: Ts. Trần Tiến Phức

SVTH: Cao Văn Thịnh

1.1.3. Ứng dụng
Năng lượng Mặt Trời là nguồn năng lượng mà con người biết khai thác và sử
dụng từ rất sớm.Nhưng việc ứng dụng vào sản xuất trên quy mô lớn, cũng như cuộc
sống hàng ngày thì mới chỉ thực sự bắt đầu vào cuối thế kỷ 18, và tập trung chủ yếu
ở các nước có tiềm năng lớn năng lượng Mặt Trời. Từ các cuộc khủng hoảng năng
lượng thế giới năm 1968 và 1973, Năng lượng mặt trời càng được quan tâm hơn.

Hình 1.8: Pin quang điện nhiều lớp hấp thụ cả dãi phổ của ánh sáng Mặt Trời

11


GVHD: Ts. Trần Tiến Phức

SVTH: Cao Văn Thịnh
1.1.3.1. Sản xuất điện năng từ Pin Năng lượng Mặt Trời
Sân vận động Verona’s Bentegoldi là khu phức hợp thể thao lớn nhất nước Ý
có lắp đặt hệ thống quang năng. Hơn 13.000 tấm quang năng được lắp đặt tại sân
vận động này đã cung cấp trên 1 MegaWatt/năm cho nhu cầu sử dụng điện của sân
vận động, ước tính làm giảm phát thải CO2 trên 550 tấn/năm.

Hình 1.9: Sân vân động sử dụng năng lượng Mặt Trời tại Ý
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.


12


GVHD: Ts. Trần Tiến Phức

SVTH: Cao Văn Thịnh










1.1.3.2. Ứng dụng Pin Năng lượng Mặt Trời vào 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 đối với chúng ta, 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.
a)
b)
Hình 1.10: 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

13


GVHD: Ts. Trần Tiến Phức

SVTH: Cao Văn Thịnh


a)
b)
c)
Hình 1.11: Ứng dụng Pin Năng lượng Mặt Trời vào phương tiện giao thông
a) Xe chạy bằng năng lượng Mặt Trời
b) Máy bay sử dụng năng lượng Mặt Trời
c) Vệ tinh hoạt động bằng năng lượng Mặt Trời
14


GVHD: Ts. Trần Tiến Phức

SVTH: Cao Văn Thịnh
1.2. THIẾT BỊ LƯU TRỮ ĐIỆN NĂNG AC-QUY (ACU)
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. Tổng quan 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.
1.2.2.1. Cấu tạo
ACU chì gồm có các bản cực bằng chì đi-ô-xít chì ngâm trong dung dịch
acid Sulfuric.
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
15


GVHD: Ts. Trần Tiến Phức

SVTH: Cao Văn Thịnh
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
Bảng 1.1: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 cơ.
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
Hình 1.12: Cấu tạo ACU chì - acid