TIEULUAN_năng lượng mặt trời

MỤC LỤC

1. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống chiếu sáng bằng đèn LED
sử dụng pin năng lượng mặt trời (PNLMT)
Như ta đã biết nguồn năng lượng tái tạo thích hợp cho chiếu sáng là dàn
PNLMT. Quá trình chiếu sáng sử dụng PNLMT được mô tả theo sơ đồ hình 1 và
hình 2 là sơ đồ nối dây cho đèn đường LED sử dụng PNLMT. Trong đó dàn
PNLMT nạp điện cho acquy vào ban ngày và từ acquy điện năng cung cấp chiếu
sáng cho đèn vào ban đêm.


Hình1:Sơ đồ khối hệ thống chiếu sáng đèn LED sử dụng năng lượng mặt trời
Bộ đèn LED

Dàn pin MT

Vi điều khiển

Acquy

Hình 2: Sơ đồ nối dây cho đèn đường LED sử dụng PNLMT
Công suất của đèn được lựa chọn tùy theo loại đèn sử dụng. Với bộ đèn
đường LED PNLMT thường có công suất vài chục wat. Tuy nhiên người ta đã
sản xuất bộ đèn đường led với công suất lớn hơn.
Bộ vi điều khiển làm nhiệm vụ điều khiển bật tắt đèn theo thời gian và
điều khiển quá trình phóng nạp của acquy, bảo vệ hệ thống. Ưu điểm lớn nhất
của hệ thống là không cần nguồn điện lưới. Phương án rất thích hợp cho chiếu


sáng các xa lộ nằm ngoài đô thị vì dàn pin mặt trời nói chung ảnh hưởng tới mỹ
quan toàn tuyến đường.

Hình 2: Chiếu sáng đường bằng LED sử dụng PNLMT
2. Các giải pháp thực hiện các khối trong hệ thống
Từ sơ đồ khối trên ta có thể tổng hợp các thành phần trong hệ thống như
TT Tên thành phần
Ghi chú
bảng 1 sau:
a
Modul năng lượng mặt trời
(Solar Module)
b
Khung lắp pin năng lượng mặt trời
(Solar Panel Support Frame)
c
Acquy
d
Vỏ đựng bình acquy
(Battery Box)
e
Đèn LED
f
Dây cáp và vật liệu lắp đặt khác
(Cable and other installation material)
g
Bộ điều khiển
Bảng 1: Các thành phần của hệ thống
Ta sẽ đi cụ thể vào từng phần xem đặc điểm và cách thức lựa chọn chúng.
a. Modul năng lượng mặt trời
Hình 3 là hình ảnh về một tấm pin năng lượng mặt trời về mặt trước và
mặt sau, thông số về kích thước.

Hình 3. Tấm pin năng lượng mặt trời
Pin năng lượng mặt trời 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. Các Pin năng lượng mặt trời được thiết kế như
những modul thành phần, được ghép lại với nhau tạo thành các tấm năng lượng
mặt trời có diện tích lớn, thường được đặt trên nóc các tòa nhà nơi chúng có thể
có thể đó ánh sáng nhiều nhất, và kết nối với bộ chuyển đổi của mạng lưới điện.
Các tấm pin Mặt Trời lớn ngày nay được lắp thêm bộ phận tự động điều khiển
để có thể xoay theo hướng ánh sáng, giống như cây xanh hướng về ánh sáng mặt
trời.
Công nghệ chế tạo các pin mặt trời có hiệu quả nhất dựa trên công nghệ
màng mỏng. Thế hệ PV thứ nhất dựa trên Silic đơn tinh thể. Thế hệ thứ hai bắt
đầu từ năm 1970 với màng mỏng GaAs do nhà vật lý Nga Zhore Alferov chế
tạo. Có ba loại công nghệ màng mỏng có triển vọng là: Silic vô định hình (a-Si),
Hợp chất CIS, Hợp chất CeTd. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng của chúng vào
khoảng 10% và sẽ đạt tới 13-15% trong tương lai gần. Thế hệ thứ ba liên quan
đến công nghệ nano và hi vọng sẽ đạt được hiệu suất biến đổi năng lượng 36%
vào những năm tới.
Về giá thành công nghệ Silic đơn tinh thể cao nhất, vô định hình rẻ nhất.
Hiện nay giá thành vào khoảng 7USD /W. Đức, Hoa Kỳ, Tây Ban Nha và Nhật
Bản là những nước chế tạo dàn pin PV hàng đầu. Để tạo điều kiện phát triển dàn
PV Trung Quốc khuyến khích 3 USD/W cho các hãng sản xuất dàn pin mặt trời.
Tới cuối năm 2009 tổng công suất các dàn pin mặt trời thế giới vượt quá 21
GW. Tháng 12-2008 hệ thống dàn pin mặt trời cấp điện cho đèn đường đầu tiên


ở Oregon Department Hoa Kỳ dài 108 km. Đặc tính kỹ thuật của một số dàn pin

mặt trời theo công nghệ màng mỏng được cho trong bảng 2 sau đây:
Công ty

Vật liệu

Hiệu suất

Công

Kích cỡ

(%)

suất

(cm2)

(W)
Solar Cells

CdTe

9,1

63,1

6728

Solarex

e-Si

7,6

56,0

7117

ARCO solar

CIS

11,1

10,4

938

Siemens Solar

CIS

10,2

39,3

3859

Matsushita

CdTe

8,7

10,4

1200

Golden

CdTe

9,2

31,3

3366

Ins

Photon
b. Khung lắp pin năng lượng mặt trời
Cấu trúc của khung được làm bằng kim loại kẽm rất cứng và được thiết kế
có thể hỗ trợ đến 2 modul với góc nghiêng vị trí sao cho tôt nhất.
Hướng của khung được thiết lập theo vĩ độ để tối ưu hóa quá trình tạo
năng lượng mặt trời. Vật liệu được làm bằng nhôm và kẽm để có khả năng
chống ăn mòn của khí hậu đồng thời lại dễ vận chuyển. Nó được thiết kế chịu
được tốc độ gió lên đến 180 Km/h. Việc lắp đặt là đơn giản và dễ dàng để lắp
ráp và chỉ đòi hỏi kỹ năng kỹ thuật ở mức độ thấp.

Hình 4: Khung lắp pin năng lượng mặt trời
c. Acquy
Acquy lưu trữ năng lượng điện của pin năng lượng mặt trời tạo ra và cung
cấp cho đèn LED.
Acquy có nhiều loại, nhưng ở đây thông thường người ta sử dụng loại
acquy miễn bảo dưỡng (MF - Maintainence Free). Miễn bảo dưỡng có nghĩa là
người dùng không cần phải can thiệp bằng cách châm nước như dòng sản phẩm
khác. Đối với loại này, khi nạp (charge) khí vẫn thoát ra ngoài nhưng vẫn ít hơn
các dòng sản phẩm châm nước.

Hình 5. Acquy
Việc tính dung lượng của acquy tùy theo thời gian sử dụng dài hay ngắn
và được tính theo biểu thức sau:
Dung lượng accu(Ah)= P (công suất tiêu thụ - watt) x T (thời gian hoạt động
- h) /0.7 (hệ số sử dụng) x U (điện áp của ắc quy- volt)
Giả sử ta sử dụng loại đèn LED có điện áp DC là 24V và công suất cần
dùng để hoạt động trong 5h là 1KW thì: Dung lượng accu cần phải có là = 1000
x 5/0.7x 24 = 297.61 Ah (tương đương với 4 accu 12V/150Ah).
Bảng dưới đây là các thông số kỹ thuật của acquy loại 6-FMJ-100.


Bảng 3: Thông số kỹ thuật của acquy loại 6-FMJ-100

Hình 6. Vỏ đựng bình acquy
d. Đèn LED
Trước đây LED chủ yếu được dùng làm đèn hiệu và trong chiếu sáng
trang trí do công suất nhỏ. Muốn tạo nên màu trắng phải phối hợp 3 LED
màu RGB. Bước ngoặt trong công nghệ đèn LED là việc sản xuất LED màu
trắng siêu sáng ra đời năm 1993 do Nakamura của công ty Nichia Nhật Bản

sáng chế. Bằng việc phủ phốt pho lên chip LED màu blue có thể tạo nên
LED màu trắng và tăng công suất chip LED lên vài W. Đã xuất kiện các bộ
đèn pha LED có quang thông tới 11.000 lm gồm nhiều chip LED siêu sáng
tổ hợp lại. Hình 3 là đèn đường bằng LED còn hình 4 là chiếu sáng đường
phố dùng LED được cấp điện bằng dàn pin mặt trời. Từ đấy đã xuất hiện
mọi kiểu đèn chiếu sáng, trong đó các chip LED được bố trí thành mảng.
So với các đèn phóng điện HID đèn LED có ưu điểm:


- Hiệu suất năng lượng cao (khoảng 100 lm/W) hơn các đèn có khí
tốt nhất.
- Màu sắc trung thực (CRI>75).
- Không phát thải chất độc hại (không sử dụng thuỷ ngân, khí trơ...).
- Tuổi thọ rất cao gấp 5 lần đèn có khí (50.000h).
Hiện nay giá thành đèn LED siêu sáng cao gấp đôi đèn có khí. Theo
thời gian chắc chắn giá sẽ giảm đi. Tuy nhiên lợi ích tiết kiệm điện do bộ
đèn LED mang lại sẽ hoàn vốn nhanh. Theo dự án thay thế chiếu sáng
đường ở Trung tâm Bắc Kinh bằng đèn LED siêu sáng thời gian thu hồi
vốn khoảng 4 năm.

Hình 7. Bộ đèn đường LED
Ví dụ về các thông số của bộ đèn LED dùng cho đường phố JB920 40W
12V
Model: JB920
Công suất: 40W
Hiệu suất:> 90%
Điện áp: AC 85V 265V) DC 12V
Hiệu quả phát sáng: 80lm/watt
Ban đầu sáng Flux: 3200lm (40W)
Tần số: 50 60Hz

Hiệu quả Góc chiếu sáng: 65 Degrees
Chỉ số hoàn màu: Ra = 80
Nhiệt độ màu: 2700K 7000K
Tuổi thọ:> 50000 h

Hình 8. Đèn LED JB920 40W 12V


Cấp bảo vệ: IP 65
Trọng lượng (kg): 9.7kg
f. Cáp
Chức năng của cáp là kết nối tất cả các bộ phận của hệ thống lại với nhau.
Nhiệt độ làm việc của các loại cáp là -20 ~ +500C.
Cáp cho hệ thống này bao gồm:
- PV mô-đun để điều khiển
- Điều khiển acquy
- Điều khiển đèn

Hình 9. Cáp

g. Bộ điều khiển
Bộ điều khiển với vi xử lý điều khiển tất cả các quá trình làm việc của hệ
thống. Nhưng nói chung có thể quy r aba nhiệm vụ chính sau đây:
1. Điều khiển tấm pin năng lượng mặt trời
Đặc tính I(V) của PNLMT khi cường độ sáng và nhiệt độ thay đổi:

Hình 10. Đặc tính I(V) của PNLMT


Hình 11. Quỹ đạo điểm công suất cực đại (MPPT – Maximal Power Point

Tracking) của PNLMT.
Phương pháp mà để cho bộ điều khiển PNLMT làm cho các tấm pin năng
lượng mặt trời luôn phải làm việc tại các điểm có công suất cực đại giúp cho các
tấm pin mặt trời có thể hấp thụ tối đa năng lượng, phương pháp này gọi là
phương pháp MPPT.
Có các phương pháp MPPT sau:
• Phương pháp điện áp hở mạch (OCVM - Open Circuit Voltage Method)

Voc:
VMPPT = k1.VOC, với k1 = 0.71 – 0.78.

Hình 12
Nhược điểm:
- Độ chính xác kém
- Đáp ứng chậm
• Phương pháp dòng ngắn mạch (SCCM - Short Circuit Current Method)

ISC


IMPPT = k2.ISC, với k2 = 0.78 – 0.92
Nhược điểm:
- Độ chính xác không cao
- Hiệu suất thấp
• Phương pháp nhiễu loạn và giám sát (P&O –Perturb and Observe

method):
Là phương pháp so sánh, xem xét sự tăng giảm của điện áp theo chu kỳ để
tìm được điểm làm việc có công suất lớn nhất. Khi điểm làm việc có công suất
lớn nhất được xác định trên đường cong đặc tính thì sự biến thiên điện áp điện

sẽ dao động xung quanh (điểm MPP) điểm làm việc có công suất lớn nhất.

Hình 13
Ưu điểm:
- Độ chính xác cao
- Thuật toán đơn giản, dễ thực hiện
Nhược điểm:
- Hệ làm việc dao động quanh MPP
• Phương pháp tăng độ truyền dẫn (INC –Incremental Conductance

method):
Nội dung phương pháp: Theo đặc tính P(v), tại MPP thì đạo hàm của P theo v =
0. Giám sát (đo lường) giá trị V và I


Tại MPP ta có:

Hình 14
Ưu điểm:
- Làm việc đúng tại MPP
Nhược điểm:
- Không chính xác khi ánh sáng thay đổi nhanh
• Phương pháp hiện đại:

- Điều khiển logic mờ(Fuzzy Logic)
- Điều khiển mạng nơron (Neural Network)
Ưu điểm:
- Độ chính xác cao
- Hiệu suất cao
Nhược điểm:

- Thực hiện phức tạp
- Chi phí lớn
Tổng hợp lại ta được bảng so sánh các phương pháp điều khiển MPPT


Bảng 4
2. Điều khiển đèn LED
Bảng 5 là một ví dụ về các thông số của bộ điều khiển đèn LED
STT
1
2
3
4
5
6

Thông số
Điện áp đầu vào
Dòng điện lớn nhất của
LED
Điện áp đầu ra
Độ điều chỉnh dòng điện
Dòng điện dư của LED
Hiệu suất

Đặc điểm
7 ~ 12VDC
0,3A
28~35V (dùng với 10 LED nối tiếp)
±5%

0,36 Ap-p
93%
Bảng 5

Bộ điều khiển kiểm soát một dãy đèn LED với độ sáng được điều chỉnh
bằng dòng điện. Ví dụ: bộ biến đổi tăng áp có thể sử dụng điều khiển 10 đèn
LED nối tiếp với dòng điều chỉnh ở mức 350mA. Với loại này, dòng điện của
dãy đèn được điều chỉnh bằng cách thêm một biến trở nối tiếp với các đèn LED
và sử dụng điện áp đặt này để phản hồi lại bộ điều khiển PMW.
Sơ đồ bộ điều khiển đèn LED có cấu trúc như hình dưới đây:


Bộ điều khiển trên thiết kế đặc biệt cho ứng dụng đèn LED được thực
hiện
với15:
điện
hồiđổi
giảm
0,26V.
Vớidòng
điệnđiện
áp của
phảnđèn
hồiLED
giảm làm giảm
Hình
Sơáp
đồphản
bộ biến
tăngcòn

áp điều
chỉnh
tổn hao năng lượng tại biến trở của hệ đèn LED và cải thiện được hiệu suất. Một
điện trở nối tiếp với công tắc đóng mở MOSFET (Q13) cho cảm biến dòng đối
với điều khiển chế độ dòng điện nó dễ dàng làm nhiệm vụ ổn định vòng khép
kín.
3. Điều khiển nạp acquy
Hệ thống đèn LED bao gồm mạch điều khiển đèn LED đóng cắt bằng một
tín hiệu điều khiển cung cấp đến MOSFET nối nối tiếp với ácquy. Ở chế độ
ngắt, hệ thống đèn cách ly và khử các dòng điện rò có thể phóng vào ácquy.
Việc cung cấp tín hiệu điều khiển cung cấp nguồn cho đèn dựa trên đầu vào rời
rạc như điện áp của Ác quy hoặc của hệ thống đèn năng lượng mặt trời PV, việc
kết nối tải được mô tả như bảng 6:
T
T

Chức năng

1

Kết nối tải (LED
on)

2

Kết nối PV và bộ
sạc ác quy Bulk

3

Bộ sạc ác quy
loại nhỏ

Điều kiện tích
cực
Vacquy >12,5V &
VPV < 5V
(VPV - VAcquy)
>3,4V và VAcquy
<14,4V
VAcquy > 14,4V

Điều kiện
không tích cực
VAcquy <11,9V
hoặc VPV >10V
(VPV - VAcquy)
<0,7V và VAcquy
>14,4V
VAcquy < 14,4V

Nhận xét
Ngắt công tắc khi
cung cấp tải
Có nguồn cung
cấp, sạc điện cho
ác quy
Ngắt công tắc, sạc
bộ sạc ác quy loại

nhỏ
4

Bảo vệ điện áp
thấp của ác quy

VAcquy < 5V

VAcquy > 5V

5

Cảm biến nhiệt
độ của ác quy

Nhiệt điện trở

Nhiệt điện trở
<500kΩ

6

Bảo vệ quá áp
của ác quy

VBộ sạc > 17V

VBộ sạc < 15,4V

Ngắt công tắc
Ngắt công tắc,
tránh nạp vượt
mức
Ngắt bộ sạc ác
quy loại nhỏ

Bảng 6

Hình 16. Bộ sạc nguồn acquy
Việc kết nối tải, ác quy cần đảm bảo ở trạng thái đã được sạc với điện áp
đủ và điện áp đầu ra của hệ đèn pin PV phải ở mức thấp, tức là khi trong điều
kiện trời tối. Và không được kết nối giữa tải (LED on) khi ác quy đang ở chế độ
sạc bởi PV.


3. Kết luận
Xu hướng sử dụng LED trong chiếu sáng công cộng đang tỏ ra ưu thế so
với các nguồn sáng khác. Với sự phát triển của công nghệ LED trong vài năm
tới LED sẽ hoàn toàn thay thế các đèn phóng điện chất khí. Phối hợp LED và
dàn pin mặt trời là xu hướng phát triển tất yếu trong chiếu sáng đô thị công cộng
tiết kiệm và hiệu quả. Riêng chiếu sáng cảnh quan và lễ hội LED đã là sự lựa
chọn hàng đầu ngay từ bây giờ. Các nhà chế tạo đèn Việt Nam và các công ty
chiếu sáng đô thị phải nhanh chóng nắm bắt công nghệ này.


Tài liệu tham khảo
1. Bài giảng: Cấu trúc điển hình của thiết bị điều khiển máy điện – Thầy

Nguyễn Thế Công

2. Solar Techpro LED street lights.
3. />