Hệ tracking năng lượng mặt trời tự động = the tracking system for solar car

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN PHAN ANH QUỐC

HỆ TRACKING NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TỰ ĐỘNG
= THE TRACKING SYSTEM FOR SOLAR CAR

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270

S K C0 0 3 0 9 9

Tp. Hồ Chí Minh, năm 2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN PHAN ANH QUỐC

HỆ TRACKING NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TỰ
ĐỘNG = THE TRACKING SYSTEM FOR
SOLAR CAR

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270
Hướng dẫn khoa học:
TS. NGUYỄN VĂN HIẾU

Tp. Hồ Chí Minh, năm 2011


LÝ LỊCH CÁ NHÂN

I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:
Họ & tên: NGUYỄN PHAN ANH QUỐC

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 18/08/1979.

Nơi sinh: Ninh Thuận

Quê quán: Phan Rang – Ninh Thuận.

Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 04 Mai Xuân Thưởng – KP4 – phường Tấn
Tài – Tp. Phan Rang – Tháp Chàm – Ninh Thuận
Điện thoại: 0975595972
E-mail:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Cao đẳng:

Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo từ 9/1998 đến 9/2001

Nơi học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM.
Ngành học: Kỹ thuật Điện - Điện tử.
2. Đại học:

Hệ đào tạo: chính quy.

Thời gian đào tạo từ 2002 đến 2004

Thời gian đào tạo: từ năm 2001 đến năm 2004.
Nơi học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM.
Ngành học: Kỹ thuật Điện - Điện tử.
Tên luận văn tốt nghiệp: ĐIỀU KHIỂN GIAO THÔNG ĐƯỜNG THỦY.
Nơi bảo vệ : Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM.
Người hướng dẫn: TS. Trần Thu Hà

i


III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC:
Thời gian

Nơi công tác

Công tác đảm nhiệm

Từ tháng

Trường Trung cấp nghề

+ Phó trưởng khoa KHCB

9/2004 đến nay

Ninh Thuận

+ Giáo viên giảng dạy điện tử

ii


LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công
bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 15tháng05 năm 2011.

Nguyễn Phan Anh Quốc

iii


LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Văn Hiếu, Trưởng Bộ môn Vật
lý Điện tử (Trường Đại học Khoa học Tự nhiên-ĐHKHTN), người trực tiếp hướng
dẫn, đôn đốc và tận tình hỗ trợ tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài. Tôi đã học
được nhiều điều từ thầy như tinh thần hăng say làm việc, những đam mê nghiên cứu

khoa học và kỹ năng quản lý. Cảm ơn quý thầy,cô của Bộ môn Vật lý điện tử, nơi
tôi đã thực hành và đo các kết quả của mô hình.
Tôi cũng chân thành cảm ơn quý thầy,cô đã giảng dạy cho tôi trong chương
trình cao học. Xin trân trọng cảm ơn BGH Trường và giáo viên Khoa Điện – Điện
tử, Khoa Khoa học cơ bản của Trường Trung cấp nghề Tỉnh Ninh Thuận đã tạo điều
kiện thuận lợi cho tôi đi học.
Tôi cảm ơn đến ông Diệp Bảo Cánh, TGĐ Công ty REDSUN, ông Nguyễn
Thanh Hùng, GĐ công ty Điện tử Hai Sao đã giúp đỡ tôi trong việc tìm hiểu về quy
trình sản xuất tấm pin mặt trời, hỗ trợ các trang thiết bị cho tôi hoàn thành đề tài.
Xin cảm ơn anh,chị học viên lớp Kỹ thuật Điện tử khóa 2009 – 2011 đã chia sẽ,
cung cấp tài liệu, góp ý quý báu trong suốt quá trình học và hoàn thành luận văn
thạc sỹ.
Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn gia đình, người thân, bạn bè, những người đã
giúp đỡ tôi cả về tinh thần và vật chất trong thời gian học tập.
Một lần nữa, tôi xin chân thành cảm ơn!
Học viên cao học

Nguyễn Phan Anh Quốc

iv


TÓM TẮT LUẬN VĂN


Luận văn này thực hiện các nội dung nghiên cứu cho việc thiết kế hệ thống
Solar Tracking hướng tới các ứng dụng cho những tấm pano pin năng lượng mặt
trời cố định hoặc các xe tự hành có hệ tracking năng lượng mặt trời.
Hệ thống solar tracking là hệ thống điều khiển tấm pin mặt trời xoay theo
hướng ánh sáng, nhằm giảm thiểu góc tới giữa tia nắng và pháp tuyến của tấm pin.

Điều này làm tăng khả năng chuyển đổi quang – điện so với tấm pin đặt cố định.
Một hệ tracking 2 trục được thực hiện bởi 2 động cơ bước kiểu lưỡng cực
thông qua cơ cấu truyền lực trục vít, bánh răng. Linh kiện IC L297 và L298 được
sử dụng điều khiển động cơ. Tín hiệu điều khiển được thực hiện bởi vi điều khiển
PIC 18F4550 nhằm xử lý các dữ liệu điện áp được gửi từ các cảm biến ánh sáng
(LDR) và từ tấm pin.
Trong đề tài này, chúng tôi thực hiện hệ tracking được ứng dụng trong hai
trường hợp, đặt cố định và di động. Với ứng dụng tracking động, hệ tracking cần
phải gắn trên một xe để có thể di chuyển đến nơi có nắng to.
Đề tài này đã được thực hiện tại Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư
phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh và Bộ môn Vật lý điện tử, Trường Đại học
Khoa học Tự nhiên Tp.HCM trong suốt thời gian 6 tháng. Chúng tôi đã hoàn thành
thiết kế, chế tạo và khảo sát thực nghiệm. Các kết quả cho thấy khả năng nạp điện
cho accu của tấm pin có tracking cao hơn tấp pin cố định. Chúng tôi cũng so sánh
với các hệ tracking đã công bố để khẳng định tính khả thi của kết quả nghiên cứu.
Tác giả
Nguyễn Phan Anh Quốc

v


ABSTRACT

This master thesis were studied about the research topic on the design of solar
tracking system toward the application of solar panels and solar cars with tracking
solar panel.
Tracking solar equipment is an Electro Mechanic System that drives the solar
panel to be directed toward the sun. It can be reduced the minimum of angle
between the light ray and the normal of solar panel. Consequently, the effective of
photo-electric transformation of tracking solar system will be higher that static

solar panel.
The two-axes solar tracking system was operated by the two bipolar step
motor with the mechanism of transfer force of screws and begel gears. The
electronic devices of IC L297 and L298 were applied to drive the motors.
The control signals were done by the micro processor of PIC 18F4550 to
process the voltage levels which obtained from light dependent resistors (LDR)
and solar cell panels.
In this work, we studied and made the tracking solar equipment with the both
applications of static and dynamic solar devices. For the dynamic solar tracking
device, a toy car or remote car must be used to move to the sunlight.
This work was done in some laboratories of Faculty of Electric and Electronic
Engineering, Ho Chi Minh City University of Technical Education and department
of physics and Electronic Engineering, University of Science in during 6-months.
We already finished in the research, design, manufacture and measurement for our
solar tracking system. The measurement data demonstrated the capacity of charge
for accu from solar tracking panel was better than the normal solar panel. The
comparison with other solar tracking system was done to affirm the feasible of our
studies in this solar tracking work.
Author
Nguyen Phan Anh Quoc

vi


MỤC LỤC
Trang tựa

Trang

Quyết định giao đề tài

Lý lịch cá nhân ..................................................................................................... i
Lời cam đoan ........................................................................................................ iii
Lời cảm ơn ........................................................................................................... iv
Tóm tắt ................................................................................................................. v
Abtract ................................................................................................................... vi
Mục lục ................................................................................................................. viii
Danh sách các hình ............................................................................................... xi
Danh sách các bảng .............................................................................................. xv
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Các nghiên cứu và ứng dụng năng lượng mặt trời hiện nay ........................... 1
1.2. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài............................................................ 4
1.3. Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài. ..................................................................... 7
1.3.1. Nhiệm vụ của đề tài. ......................................................................... 7
1.3.2. Giới hạn đề tài ................................................................................... 7
1.4. Phương pháp nghiên cứu................................................................................. 7
1.5. Dự kiến kết quả đạt được ................................................................................ 8
1.6. Kế hoạch thực hiện đề tài. ............................................................................... 8
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Các thông số năng lượng mặt trời tại Việt Nam ............................................. 9
2.2. Cấu tạo, nguyên lý, tính chất của pin mặt trời. ............................................. 13

vii


2.2.1. Cấu tạo của pin mặt trời: ................................................................. 13
2.2.2. Nguyên lý hoạt động pin năng lượng mặt trời:............................... 15
2.3. Nguyên lý tracking và điều khiển. ............................................................... 16
2.4. Các hệ solar tracking đã công bố. ............................................................... 17
2.5. Nguyên lý nạp điện accu ............................................................................... 17
2.5.1. Nguyên lý nạp điện cho accu từ tấm pin mặt trời ........................... 18

2.5.2. Phương pháp nạp accu .................................................................... 19
2.5.3. Tốc độ nạp ....................................................................................... 20
2.6. Solar car và các ứng dụng ............................................................................. 20
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG SOLAR TRACKING
3.1.Giới thiệu và sơ đồ khối ................................................................................. 26
3.2. Hệ thống cơ khí ............................................................................................. 27
3.3. Hệ solar tracking ........................................................................................... 29
3.3.1. Thiết kế bộ cảm biến ánh sáng. ....................................................... 29
3.3.2. Điều khiển động cơ ......................................................................... 31
3.3.3. Mạch điều khiển trung tâm ............................................................. 32
3.4. Giải thuật và chương trình điều khiển ........................................................... 33
3.4.1. Giải thuật chương trình chính ......................................................... 35
3.4.2. Giải thuật chương manual ............................................................... 36
3.4.3. Giải thuật chương trình quét phím .................................................. 37
3.4.4. Giải thuật chương trình dò vị trí ban đầu ........................................ 38
3.4.5. Giải thuật chương trình check sensor .............................................. 39
3.4.6. Chương trình điều khiển.................................................................. 40

viii


3.5. Mô hình xe chở hệ tracking........................................................................... 40
3.5.1. Phần khung xe ................................................................................. 41
3.5.2. Bộ thu phát RF ................................................................................ 41
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
4.1. Khảo sát chuyển động và hoạt động tracking ............................................... 42
4.1.1. Chế độ hoạt động bằng tay (manual) .............................................. 42
4.1.2. Đo điện áp tấm pin với vị trí khác nhau .......................................... 42
4.1.3. Chế độ tự động (automatic) ............................................................. 46
4.2. Nạp điện từ solar cell .................................................................................... 51

4.2.1. Nạp điện từ tấm pin cố định (chưa tracking) .................................. 51
4.2.2. Nạp điện từ tấm pin có tracking ...................................................... 57
4.2.3. Phân tích kết quả ............................................................................. 61
4.3. So sánh với các hệ tracking khác ................................................................. 62
CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ PHÁT TRIỂN
5.1. Kết luận về hệ tracking ................................................................................. 64
5.1.1. Những công việc đã thực hiện......................................................... 64
5.1.2. Những tồn đọng ............................................................................... 65
5.2. Hướng phát triển ........................................................................................... 65
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 67
PHỤ LỤC ............................................................................................................ 68

ix


DANH SÁCH CÁC HÌNH TRONG LUẬN VĂN

HÌNH

TRANG

Hình 1.1. Sơ đồ khối Hệ thống điện mặt trời ........................................................ 5
Hình 1.2. Góc đặt tấm pin mặt trời ........................................................................ 6
Hình 2.1. Cấu tạo của pin mặt trời. ..................................................................... 14
Hình 2.2. Nguyên lý của pin mặt trời .................................................................. 16
Hình 2.3. Mạch tương đương quá trình nạp ........................................................ 18
Hình 2.4. Xe năng lượng mặt trời........................................................................ 20
Hình 2.5. Xe chạy trong sân golf......................................................................... 23
Hình 2.6. Xe scooter chạy bằng điện nạp từ năng lượng mặt trời....................... 24
Hình 2.7. Xe điện mặt trời hybrid Astrolab. ........................................................ 25

Hình 3.1. Sơ đồ khối Hệ pin mặt trời tự xoay (solar tracking system). .............. 27
Hình 3.2. Động cơ 1 ........................................................................................... 27
Hình 3.3. Động cơ 2 ........................................................................................... 28
Hình 3.4. Hệ thống cơ khí hoàn chỉnh................................................................. 28
Hình 3.5. Quang trở. ............................................................................................ 29
Hình 3.6. Vị trí cảm biến khi hướng ánh sáng thay đổi ...................................... 29
Hình 3.7. Mạch quang trở dùng transistor ổn dòng ............................................. 30
Hình 3.8. Bộ cảm biến hoàn chỉnh ...................................................................... 30
Hình 3.9. Động cơ lưỡng cực. ............................................................................. 31
Hình 3.10. Mạch cầu H với transistor. ................................................................ 31
Hình 3.11. Sơ đồ chân IC L298. .......................................................................... 32

x


Hình 3.12. Mạch hệ tracking hoàn chỉnh. ........................................................... 33
Hình 3.13. Động cơ 1 điều khiển hai bánh sau. .................................................. 40
Hình 3.14. Hộp số. ............................................................................................... 41
Hình 3.15. Mô hình xe – hệ tracking hoàn thiện. ................................................ 41
Hình 4.1. Bộ nút nhấn.......................................................................................... 42
Hình 4.2. Mạch đo điện áp pin. ........................................................................... 43
Hình 4.3. Đồ thị dòng điện, điện áp khi xoay trục 1 ........................................... 44
Hình 4.4. Đồ thị dòng điện, điện áp khi xoay trục 1 ........................................... 45
Hình 4.5. Hiệu chỉnh điện áp cảm biến. .............................................................. 46
Hình 4.6. Chọn chế độ tự động............................................................................ 46
Hình 4.7. Bốn cảm biến. ...................................................................................... 47
Hình 4.8. Đo điện áp pin, accu. ........................................................................... 47
Hình 4.9. Kết nối máy tính qua cổng COM. ....................................................... 48
Hình 4.10. Đọc dữ liệu bằng CodeVisionAVR. .................................................. 48
Hình 4.11. Vị trí tấm pin lúc 9h00. ..................................................................... 49

Hình 4.12. Vị trí tấm pin lúc 11h50. ................................................................... 49
Hình 4.13. Vị trí tấm pin lúc 14h00. ................................................................... 50
Hình 4.14. Các vị trí tấm pin khi xe di chuyển. .................................................. 50
Hình 4.15. Mạch nạp cho accu từ solar cell. ....................................................... 51
Hình 4.16. Đo dòng điện, điện áp. ....................................................................... 52
Hình 4.17. Điện thế nạp từ tấm pin mặt trời theo các thời điểm từ 07:00 đến 14:20
tại Quận 2 Tp.HCM.............................................................................................. 54
Hình 4.18. Cường độ dòng điện nạp từ tấm pin mặt trời theo các thời điểm từ
07:00 đến 14:20 tại Quận 2 Tp.HCM. ................................................................. 54

xi


Hình 4.19. Điện thế nạp từ tấm pin mặt trời theo các thời điểm từ 08:05 đến 15:35
tại Quận 2 Tp.HCM.............................................................................................. 56
Hình 4. 20. Cường độ dòng điện nạp từ tấm pin mặt trời theo các thời điểm từ 08:05 đến
15:35 tại Quận 2 Tp.HCM. ............................................................................................. 56

Hình 4.21. Điện thế nạp từ tấm pin mặt trời theo các thời điểm từ 09:15 đến 15:15
tại Quận 2 Tp.HCM...................................................................................................... 58
Hình 4.22. Cường độ dòng điện nạp từ tấm pin mặt trời theo các thời điểm từ
09:15 đến 15:15 tại Quận 2 Tp.HCM. ...................................................................... 58
Hình 4.23. Điện thế nạp từ tấm pin mặt trời theo các thời điểm từ 08:25 đến 15:15
tại Quận 2 Tp.HCM.............................................................................................. 60
Hình 4.24. Cường độ dòng điện nạp từ tấm pin mặt trời theo các thời điểm từ
08:25 đến 15:15 tại Quận 2 Tp.HCM. ................................................................ 60
Hình 4.25. Cường độ dòng điện nạp từ tấm pin mặt trời so sánh khi có tracking và
không có tracking ................................................................................................. 61
Hình 4.26. Điện thế nạp từ tấm pin mặt trời so sánh khi có tracking và không có
tracking. ................................................................................................................ 62

Hình 4.27. Phương pháp so sánh hai cảm biến. .................................................. 63

xii


DANH SÁCH CÁC BẢNG TRONG LUẬN VĂN

BẢNG

TRANG

Bảng 1.1. Giá trị điện áp, dòng điện phụ thuộc góc lệch...................................... 7
Bảng 2.1. Giờ tại địa phương ứng với giờ mặt trời là 12 giờ. ............................. 10
Bảng 2.2. Bức xạ mặt trời (W/m2) lên bề mặt Trái đất ứng với giờ mặt trời là 12 giờ.
.............................................................................................................................. 11
Bảng 2.3. Bức xạ mặt trời lên dàn pin mặt trời ứng với giờ mặt trời là 12 giờ. .. 12
Bảng 4.1. Dòng điện, điện áp khi xoay trục 1. .................................................... 43
Bảng 4.2. Dòng điện, điện áp khi xoay trục 2. .................................................... 44
Bảng 4.3. Độ nhạy của tấm pin............................................................................ 45
Bảng 4.4. Cường độ dòng và điện thế nạp vào accu từ tấm pin khi đo ngày
31/03/2011............................................................................................................ 52
Bảng 4.5. Cường độ dòng và điện thế nạp vào accu từ tấm pin khi đo ngày
05/04/2011............................................................................................................ 55
Bảng 4.6. Cường độ dòng và điện thế nạp vào accu từ tấm pin khi đo ngày
06/04/2011............................................................................................................ 57
Bảng 4.7. Cường độ dòng và điện thế nạp vào accu từ tấm pin khi đo ngày
07/04/2011............................................................................................................ 59

xiii

Luận văn Thạc sỹ

Solar tracking system

Chương 1

TỔNG QUAN
1.1 Các nghiên cứu và ứng dụng năng lượng mặt trời hiện nay
Trong thời đại khoa học phát triển, nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng.
Trong khi các nguồn nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ, khí thiên và ngay cả
thủy điện cũng có hạn khiến nhân loại đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng
trong tương lai không xa. Do đó, vấn đề tìm kiếm và khai thác các nguồn năng
lượng mới như năng lượng hạt nhân, năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió và năng
lượng mặt trời là một trong những hướng quan trọng trong kế hoạch phát triển năng
lượng.
Năng lượng mặt trời (Solar Energy) là nguồn năng lượng sạch và tiềm tàng
nhất, đang được loài người thật sự quan tâm. Do đó việc nghiên cứu và nâng cao
hiệu quả các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời và triển khai ứng dụng chúng vào
thực tế là vấn đề mang tính thời sự.Các ứng dụng năng lượng mặt trời phổ biến hiện
nay bao gồm 2 lĩnh vực chủ yếu.
Thứ nhất là năng lượng mặt trời được sử dụng ở dạng nhiệt năng, người ta
dùng các thiết bị thu bức xạ nhiệt mặt trời và tích trữ nó dưới dạng nhiệt năng dùng
vào các mục đích khác nhau như: Nhà máy nhiệt điện, thiết bị xấy khô, bếp nấu,
thiết bị chưng cất nước, động cơ Stirling, thiết bị đun nước nóng, thiết bị làm lạnh
và điều hòa không khí.
Thứ hai, năng lượng mặt trời được biến đổi thành điện năng nhờ các tế bào
quang điện bán dẫn, còn gọi là Pin mặt trời (Soalr Cell), các Pin mặt trời sản xuất
điện năng một cách liên tục khi có bức xạ mặt trời chiếu tới. Pin mặt trời có ưu
điểm là gon nhẹ, có thể lắp bất kỳ nơi đâu có ánh sáng mặt trời, đặc biệt trong lĩnh

vực tàu vũ trụ. Ứng dụng năng lượng mặt trời dưới dạng này được phát triển rất
nhanh, nhất là ở các nước phát triển. Ngày nay con người đã ứng dụng pin mặt trời
trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, giao thông (Solar Car) và trong sinh hoạt nhằm

Chương 1

Trang 1


Luận văn Thạc sỹ

Solar tracking system

thay thế dần nguồn năng lượng truyền thống.
Thế giới sử dụng năng lượng mặt trời:
Khi mà các quốc gia trên thế giới quan tâm đến việc bảo vệ môi trường và
ngăn chặn hiệu ứng nhà kính và hiện tượng nóng dần lên của vỏ Trái đất thì các
quốc gia bắt dầu nghiên cứu các phương pháp khác nhau để ngăn chặn hiện tượng
trên và năng lượng chính là ngành được quan tâm và phát triển. Trong đó phải kể
đến ngành năng lượng mặt trời, bởi năng lượng mặt trời là khá lớn và không gây ra
hiệu ứng nhà kính nên đang được đầu tư và phát triển. Do đó, ngành công nghiệp
pin mặt trời rất được quan tâm phát triển ở nhiều nước trên thế giới, trong đó có thể
kể đến Nhật Bản, Đức, Mỹ, Tây Ban Nha, Hàn Quốc, Trung Quốc là những nước
đứng đầu về sản lượng cells và modules.
Pin mặt trời được phát triển trong khá nhiều lĩnh vực: máy tính (thiết bị sạc
đa năng sử dụng năng lượng mặt trời có thể dùng để sạc pin cho nhiều loại di động
và máy tính khác nhau), đồng hồ (PRW-1500 của Casio…), đồ dùng cá nhân (túi,
ba lô có gắn pin mặt trời, điện thoại di động tích hợp bộ sạc pin năng lượng mặt
trời…), đồ dung hàng ngày (LCD cảm ứng tích hợp các tấm pin mặt trời trên bề
mặt, thiết bị chiếu sáng sử dụng pin mặt trời…). Pin mặt trời còn được dùng trong

một số hệ thống khác ví dụ để chạy ô tô thay thế dần nguồn năng lượng truyền
thống, dùng thắp sáng đèn đường, làm nguồn năng lượng cho cá vệ tinh hoạt
động,.. [1]
Trong công nghiệp, người ta cũng bắt đầu lắp đặt các hệ thống điện dùng pin
mặt trời với công suất lớn, hiện tại các hệ thống này đang cung cấp 0,5% nhu cầu
điện của thế giới và sẽ tăng lên 2,5% vào năm 2025, sau đó tăng vọt lên 16% vào
năm 2040.
Nhật Bản là quốc gia đứng đầu về sản lượng cell và modules pin mặt trời.
Tính đến năm 2010, Nhật Bản đã sản xuất được 4,82G W điện mặt trời, chiếm 50%
thị phần quốc tế.
Đức, một trong các nước đi tiên phong trong lĩnh vực phát triển nguồn năng
lượng sạch, đã theo đuổi mục tiêu cắt giảm mạnh lượng khí thải CO2 nhằm thực

Chương 1

Trang 2


Luận văn Thạc sỹ

Solar tracking system

hiện chiến lược bảo vệ khí hậu toàn cầu. Kể từ năm 1997, ngành công nghiệp quang
điện ở Đức đã giảm 50% chi phí cho các nhà máy điện mặt trời, năm 2006 đã có
2000 GW được lắp đặt so với chỉ 76 GW trong năm 2001. Dự tính đến năm 2050
các nhà máy điện mặt trời có thể cung cấp 15% tổng nhu cầu điện năng của châu
Âu.
Mỹ là quốc gia đứng thứ ba thế giới về sản lượng cells và modules, với tốc
độ phát triển cells khá lớn, tăng khoảng 25% mỗi năm. Theo dự tính đến năm 2020,
điện năng lượng mặt trời ở Mỹ sẽ đảm bảo 15% trên tổng nhu cầu điện quốc gia.

Tây Ban Nha là nước sản xuất năng lượng mặt trời lớn thứ tư thế giới và
xuất khẩu 80% điện năng này sang Đức. Tây Ban Nha có nhà máy năng lượng mặt
trời lớn nhất thế giới, với 1255 chiếc gương phẳng, đạt công suất 20 MW. Dự tính
đến năm 2013 sẽ có nhiều ngọn tháp mặt trời được xây dựng và sẽ tạo ra một “trang
trại năng lượng mặt trời” với sản lượng 300 MW, đủ điện cung cấp cho 180 nghìn
hộ gia đình, hoặc tương đương với toàn bộ dân số quanh vùng Seville.
Ở Trung Quốc, có tòa nhà sử dụng năng lượng mặt trời lớn nhất thế giới tọa
lạc ở Đức Châu, tỉnh Sơn Đông, Trung Quốc, tòa nhà có tổng diện tích là 75 nghìn
m2, được dùng cho các buổi triển lãm, khách sạn, họp báo, văn phòng, nghiên cứu
khoa học,… Ở Đài Loan (Trung Quốc), sân vận động sử dụng năng lượng mặt trời
để sản xuất điện đầu tiên trên thế giới đã ra đời, sân vận động với 8844 tấm pin mặt
trời sẽ sản xuất 1,14 triệu kWh điện mỗi năm, đủ để thắp sáng 3300 bóng đèn và
hai màn hình tivi khổng lồ trong sân vận động, giảm 660 tấn khí thải CO2 mỗi năm.
Tình hình sử dụng pin mặt trời ở Việt Nam:
Đi theo xu hướng phát triển của thế giới thì Việt Nam cũng đã đầu tư và phát
triển ngành công nghiệp mặt trời này. Đi đầu trong việc phát triển ứng dụng này là
ngành bưu chính viễn thông: các trạm pin mặt trời làm nguồn cấp điện cho các thiết
bị thu phát sóng, trạm thu phát truyền hình thông qua vệ tinh.
Ở ngành hàng hải trạm pin mặt trời sử dụng làm nguồn cấp điện cho các
thiết bị chiếu sáng, cột hải đăng, đèn báo sông. Trong ngành công nghiệp, các trạm
pin mặt trời phát điện sử dụng làm nguồn cấp điện dự phòng cho các thiết bị điều

Chương 1

Trang 3


Luận văn Thạc sỹ

Solar tracking system

khiển trạm biến áp 500 kV, thiết bị máy tính và sử dụng làm nguồn cấp điện nối với
điện lưới quốc gia.
Ở khu vực phía Nam, các dàn pin mặt trời được đưa vào phục vụ thắp sáng
và sinh hoạt văn hóa tại một số vùng nông thôn xa lưới điện: có công suất từ
500÷1000W được lắp đặt ở trung tâm xã, nạp điện vào acquy cho các hộ gia đình
sử dụng. Các dàn pin mặt trời có công suất từ 250 – 500 W phục vụ thắp sáng cho
các bệnh viện, trạm xá và các cụm văn hoá xã.. Pin mặt trời cũng được dùng trong
việc thắp sáng đèn đường tại tỉnh Tiền Giang, hệ thống đèn có khả năng tự phát
sáng vào ban đêm với thời lượng trung bình 12 giờ, đèn có tuổi thọ đến 50.000 giờ,
không cần bảo trì hoặc sửa chữa trong vòng 10 năm.
Khu vực miền Trung có bức xạ mặt trời khá tốt và số giờ nắng cao, rất thích
hợp cho việc ứng dụng pin mặt trời. Có nhiều dàn pin mặt trời đã được lắp đặt thí
điểm ở một số tỉnh như: Gia Lai, Bình Định, Quảng Ngãi và Khánh Hòa, Ninh
Thuận, với công suất 40 – 50 W ở các hộ gia đình và 200 – 800 W ở tại các trung
tâm cụm xã và các trạm y tế.
Ở khu vực phía Bắc, việc ứng dụng các dàn pin mặt trời phát triển với tốc độ
khá nhanh, phục vụ các hộ gia đình ở các vùng núi cao, hải đảo và cho các trạm
biên phòng. Công suất của dàn pin tại các hộ gia đình từ 40 – 75 W, tại các trạm
biên phòng, nơi hải đảo có công suất từ 165 – 300 W và tại các trạm xá và các cụm
văn hoá thôn, xã là 165 – 525 W. Một số công trình khác sử dụng pin mặt trời như:
trung tâm Hội nghị Quốc gia có hệ thống pin mặt trời công suất 154 kW, trạm pin
mặt trời nối lưới Viện Năng lượng công suất 1,08 kW bao gồm 8 môđun, trạm pin
mặt trời nối lưới lắp đặt trên mái nhà làm việc Bộ Công Thương - Hà Nội có công
suất lắp đặt 2,7k W, hai cột đèn năng lượng mặt trời kết hợp năng lượng gió được
lắp đặt tại Ban quản lý dự án Công nghệ cao Hòa Lạc, trị giá 8.000 USD, có thể sử
dụng trong 10h mỗi ngày, có thể thắp sáng 4 ngày liền trong điều kiện không có
nắng và gió.
1.2 Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài
Một hệ thống điện năng lượng mặt trời cần phải có: pin mặt trời, thiết bị tích

Chương 1

Trang 4


Luận văn Thạc sỹ

Solar tracking system

trữ (accu), thiết bị điều phối, tải tiêu thụ,…
Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời:

Hình 1.1: Sơ đồ khối Hệ thống điện mặt trời
Để thiết kế, tính toán một hệ thống điện mặt trời, trước hết cần các thông số
sau đây:
-

Yêu cầu và các đặc trưng của phụ tải:
Hệ thống gồm bao nhiêu thiết bị, đặc trưng của mỗi thiết bị, thời gian hoạt

động của các thiết bị trong ngày, trong tháng và trong năm. Thiết bị nào được ưu
tiên, thiết bị nào được ngưng tạm thời,…
-

Vị trí lắp đặt hệ thống:
Bức xạ mặt trời phụ thuộc vào từng địa điểm trên trái đất và điều kiện tự

nhiên của địa điểm đó. Để hệ thống điện mặt trời có thể cung cấp đủ cho phụ tải
trong suốt một năm thì cần phải lấy giá trị tổng cường độ của tháng thấp nhất làm

cơ sở. Tuy nhiên, những tháng mùa hè thì năng lượng lại dư thừa gây lãng phí. Do
đó để giảm diện tích tấm pin (giảm giá thành) thì người ta kết hợp thêm máy phát
dùng năng lượng gió gọi là công nghệ tổ hợp (hybrid system technology). [2]
Vị trí lắp đặt hệ thống điện mặt trời còn dùng để xác định góc nghiên của dàn
pin mặt trời sao cho khi đặt cố định thì tổng năng lượng của hệ thống là lớn nhất.
Góc nghiên β so với phương nằm ngang, thông thường chọn: β = α ± 10º, với α là vĩ
độ nơi lắp đặt. Nếu ở bán cầu Nam thì quay về hướng Bắc và ngược lại, ở bán cầu
Bắc thì quay về hướng Nam.

Chương 1

Trang 5


Luận văn Thạc sỹ

Solar tracking system

Hình 1.2 Góc đặt tấm pin mặt trời
Như đã trình bày ở trên, để lắp đặt một tấm pin cố định tại một địa điểm nào
đó, cần phải có các thông số để tính toán góc đặt như: các số liệu về tổng bức xạ
mặt trời, khí hậu, thời tiết được ghi nhận qua hàng chục năm, thậm chí hàng trăm
năm của địa điểm đó; giờ mặt trời, bức xạ mặt trời lên dàn pin. Từ đó sẽ tính được
góc nghiên β tối ưu [1].
Tuy nhiên, năng lượng bức xạ mặt trời trong ngày thay đổi, đạt giá trị cực đại
, khi đó tia nắng có hướng trực điện với tấm pin. Bảng 1.1 cho thấy sự

khi

phụ thuộc của điện áp (Voltage Received) , dòng điện (Current Received) đối với

góc tới (Angle of Incidence) θz.
Vì vậy, để điện áp, dòng điện luôn cực đại (công suất cực đại), tấm pin phải
được thay đổi để luôn luôn vuông góc với hướng tia nắng. Hệ thống điều khiển như
vậy gọi là Hệ tracking năng lượng mặt trời (Solar Tracking System).

Chương 1

Trang 6


S

K

L

0

0

2

1

5

4