Nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời vào đời sống sinh hoạt

DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hình
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
2.10
2.11
2.12
2.13
2.14
2.15
2.16
2.17
2.18
2.19
2.20
2.21
2.22
3.1

3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
3.10

Tên hình
Cấu tạo pin mặt trời
Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời
Ứng dụng pin mặt trời lên điện thoại di động
Ứng dụng pin mặt trời vào túi sách
Ứng dụng pin mặt trời cho tòa nhà
Nhà máy điện mặt trời
Sơ đồ khối nạp ắc quy
Sơ đồ chân vi điều khiển pic16F877A
Cấu trúc bên trong của Pic 16F877A
Bộ nhớ chương trình của Pic
Bộ nhớ của pic16F877A
Biểu đồ thể hiện dung lượng acquy phụ thuộc vào mức điện áp
Thông số thể hiện mối quan hệ giữa dung lượng acquy và mức điện áp
Đặc tính phóng điện của acquy
Đặc tính nạp của ắc quy
Sơ đồ xung của van điều khiển và đầu ra
Cảm biến dòng điện ACS712
Sơ đồ mắc pin mặt trời với tải
Đặc tính làm việc của pin mặt trời và tải trở

Tổng trở Rin được điều chỉnh bằng D
Đường đặc tính làm việc của pin khi cường độ bức xạ thay đổi ở
cùng một mức nhiệt độ
Đặc tính làm việc I-V của pin khi nhiệt độ thay đổi ở cùng một mức
bức xạ
Phương pháp tìm điểm làm việc công suất lớn nhất P&O
Lưu đồ thuật toán phương páp P&O
Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển trực tiếp MPPT
Mối quan hệ giữa tổng trở vào của mạch Boost và hệ số làm việc D
Lưu đồ thuật toán P&O dùng trong phương pháp điều khiển đo trực
tiếp tín hiệu ra
Sơ đồ mạch nguyên lý
Phương pháp điều chế SPWM
Dạng sóng đầu ra theo phương pháp điều chế độ rộng xung
Nguyên lý điều chế độ rộng xung đơn cực
Nguyên lý điều chế độ rộng xung lưỡng cực
Sơ đồ khối bộ điều khiển một chiều - xoay chiều SIN dùng vi điều khiển
Vi mạch ổn áp 7805 và sơ đồ kết nối
Vi mạch ổn áp 7812 và sơ đồ kết nối
Sơ đồ kết nối vi điều khiển PIC16F877A
Đồ thị điều chế PWM
Đồ thị sau điều chế SPWM
1

Trang
4
5
8
9
9

10
12
15
21
22
23
28
28
29
30
34
35
37
37
39
40
40
42
42
43
44
45
46
51
51
52
52
53
55
56

56
57
58


3.11
3.12
3.13
3.14
3.15
3.16
3.17
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5

Vi mạch IR2112 và sơ đồ cấu trúc chân
Sơ đồ chân và kết nối vào ra vi mạch IR2112
Sơ đồ nguyên lý cầu H
Nguyên lý hoạt động của mạch cầu H
Cầu H dùng Mosfet
Cấu tạo và ký hiệu của MOSFET kênh N
Cầu H ghép 3 MOSFET
Sơ đồ mô phỏng bộ Inverter
Dạng xung điều khiển mosfet
Đo thực nghiệm sóng không tải
Giá trị điện áp ra của bộ DC-AC
Thử nghiệm với tải thuần trở là bóng đèn sợi đốt (220V-10W)

60
61
62
63
63
64
66
70
71
73
74
74

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU..........................................................................................................................1
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI..........................................................3
1.1. Pin năng lượng mặt trời..........................................................................................3
1.2. Cấu tạo của pin mặt trời.........................................................................................3
1.3. Nguyên lý hoạt động................................................................................................5
1.4. Cách ghép nối các tấm pin mặt trời.......................................................................6
1.5. Phân loại....................................................................................................................7
1.6. Ưu nhược điểm của điện mặt trời..........................................................................7
1.7. Ứng dụng của pin mặt trời......................................................................................8
1.8. Tiềm năng sử dụng điện mặt trời ở Việt Nam....................................................10
Chương 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG NẠP ẮC QUY TỪ PIN MẶT TRỜI............12
2.1. Sơ đồ khối hệ thống..............................................................................................12
2.2. Giới thiệu về vi điều khiển pic16F877A.............................................................13
2.2.1. Sơ đồ chân vi điều khiển ic16F877A.................................................................15
2.2.2. Một vài thông số về vi điều khiển Pic16F877A................................................19

2.3. Giới thiệu về ắc quy...............................................................................................23
2.3.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của acquy axit.................................................23
2


2.3.2. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của acquy kiềm...............................................25
2.3.3. Các thông số cơ bản của acquy.........................................................................26
2.3.4. Đặc tính phóng điện của acquy.........................................................................28
2.3.5. Đặc tính nạp của acquy......................................................................................29
2.3.6. Các phương pháp nạp của acquy......................................................................31
2.4. Nguyên lý mạch nạp ắc quy..................................................................................33
2.4.1. Nạp ắc quy bằng phương pháp điều chế độ rộng xung..................................33
2.5. Giới thiệu về cảm biến dòng điện ACS712..........................................................35
2.6. Thiết kế mạch nạp..................................................................................................37
2.6.1. Thuật toán xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất MPPT.................37
2.6.2. Thuật toán mạch nạp ăcquy..............................................................................41
2.6.2. Xây dựng mạch nguyên lý và nguyên lý hoạt động của mạch.......................46
2.7.Chọn các thiết bị cho hệ thống nạp.......................................................................48
Chương 3: THIẾT KẾ MẠCH BIẾN ĐỔI DC/AC – INVERTER SIN.................50
3..1. Các phương pháp điều chế SPWM.....................................................................50
3.1.1. Phương pháp điều chế độ rộng xung đơn cực.................................................51
3.1.2. Phương pháp điều chế độ rộng xung lưỡng cực..............................................52
3.2. Sơ đồ khối bộ đổi điện SIN dùng vi điều khiển..................................................53
3.3. Khối nguồn.............................................................................................................53
3.3.1. Nguồn một chiều 12V-DC..................................................................................53
3.2.2 . Nguồn ổn áp 05V, 12V-DC...............................................................................54
3.4. Khối điều khiển PIC16F877A...............................................................................56
3.5. Mạch tách xung......................................................................................................60
3.6. Khối công suất........................................................................................................61
3.6.1. Cầu H...................................................................................................................61

3.7. Máy biến áp lực......................................................................................................66
3.8. Thiết kế mạch điều khiển dùng PIC16F877A.....................................................68
Chương 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM.....................................70
4.1.Sử dụng phần mềm Proteus để mô phỏng hoạt động của mạch.......................70
4.2. Kết quả thực nghiệm.............................................................................................72
4.2.1. Sơ đồ mạch thực..................................................................................................72
3


4.2.2. Đo thực nghiệm...................................................................................................73
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................................76
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................77
PHỤ LỤC.......................................................................................................................78

4


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
DC-DC: Bộ biến đổi điện áp một chiều
DC-AC: Bộ biến đổi một chiều sang xoay chiều
NCKH: Nghiên cứu khoa học
MPPT: Maximum power pointtracking
PV: Pin năng lượng mặt trời

5


MỞ ĐẦU
1.Lý do chọn đề tài nghiên cứu
Trong sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước vấn đề đảm bảo nguồn

cung cấp năng lượng điện cho sản xuất và sinh hoạt có vai trò đặc biệt quan trọng.
Để tạo ra năng lượng điện con người sử dụng nhiều nguồn năng lượng hóa thạch
như: thạn đá, khí đốt, dầu mỏ và đang ngày càng cạn kiệt khi bị khai thác quá mức,
cùng với tốc độ công nghiệp ngày càng cao thì việc đốt các nguồn năng lượng hóa
thạch đang làm ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, do đó việc khai thác và sử dụng các
nguồn năng lượng sạch, bền vững đang là mối quan tâm hàng đầu không chỉ của các
nhà lãnh đạo, mà nó còn là mối quan tâm lớn của các gia đình.
Cùng với việc ứng dụng những năng lượng sạch đặc biệt là năng lượng mặt trời để
tạo ra năng lượng điện đã được khai thác bằng các trạm pin đã được khẳng định rõ
ràng trên thế giới. Tại Việt Nam, việc ứng các trạm pin mặt trời vào đời sống cũng đã
được triển khai từ nhiều năm nay ở nhiều địa phuơng, nhưng chưa được nhiều. Lý
do cơ bản là chi phí cho mỗi trạm pin còn khá đắt, đặc biệt là giá thành các
tấm pin còn khá cao do phải nhập từ nước ngoài.
Với mục đích tạo thêm điều kiện mở rộng khai thác một dạng năng lượng tiềm tàng và
sạch sẽ, góp phần bảo vệ môi trường nói chung và giảm thiểu quá tải cho hệ thống
điện Quốc gia do điện năng tiêu thụ của hộ gia đình với chi phí không quá. Nhóm
nghiên cứu đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời vào đời
sống sinh hoạt” để nghiên cứu và tìm ra những phương pháp để thiết kế, chế tạo ra
sản phẩm ứng dụng được trong đời sống sinh hoạt hộ gia đình.
2. Mục đích nghiên cứu
- Tìm hiểu tổng quan về pin mặt trời và các ứng dụng của nó
- Tìm hiểu về vi điều khiển PIC16F877A, cảm biến dòng điện và cáp phương pháp nạp
cho ắcquy.
- Nghiên cứu thiết kế mạch nạp cho ắcquy trên nền vi điều khiển PIC16F877A.
- Nghiên cứu thiết kế mạch biến đổi điện áp DC/AC trên nền vi điều khiển
PIC16F877A.

1

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu:
- Pin mặt trời và vi điều khiển PIC16F877A.
- Mạch nạp và mạch biến đổi DC/AC.
Phạm vi nghiên cứu
- Tìm hiểu về vi điều khiển PIC16F877A, cảm biến dòng điện và các phương pháp nạp
cho ắcquy.
- Nghiên cứu thiết kế mạch nạp cho ắcquy trên nền vi điều khiển PIC16F877A.
- Nghiên cứu thiết kế mạch biến đổi điện áp DC/AC trên nền vi điều khiển
PIC16F877A.
4. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết:
- Nghiên cứu tổng quan pin mặt trời.
- Nghiên cứu các phương pháp nạp cho ắcquy và tổng quan về vi điều khiển
PIC16F877A .
- Nghiên cứu sự kết hợp các linh kiện điện tử tạo thành các mạch nạp và mạch biến đổi
điện áp DC/AC.
Phương pháp thực nghiệm:
- Sử dụng phần mềm proteus làm công cụ xây dựng mô hình và mô phỏng hệ thống.
- Xây dựng mô hình thực nghiệm của hệ thống.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Mô hình ứng dụng năng lượng mặt trời vào đời sống sinh hoạt là tiền đề để ứng dụng
rộng rãi một dạng năng lượng sạch vào đời sống cũng như công nghiệp. Mô hình được
xây dựng giúp cho sinh viên kiểm chứng lý thuyết đã được học và qua quá trình xây
dựng mô hình sinh viên phát triển được tư duy sáng tạo, vận dụng linh hoạt kiến thức
đã học vào thực tiễn. Mô hình được xây dựng là tài liệu tham khảo cho sinh viên
chuyên ngành từ đó sinh viên khóa sau có thể phát triển và hoàn thiện sản phẩm.
Hải Phòng, ngày tháng 04 năm 2016
Nhóm sinh viên thực hiện

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI
1.1. Pin năng lượng mặt trời

2


Pin năng lượng Mặt trời hay pin mặt trời hay pin quang điện (Solar panel) bao
gồm nhiều tế bào quang điện (solar cells) - là phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một
số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là điốt quang, thực hiện biến đổi năng lượng ánh
sáng thành năng lượng điện, Sự chuyển đổi này thực hiện theo hiệu ứng quang điện.
Hiệu ứng quang điện 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.
Các pin năng lượng mặt trời có nhiều ứng dụng trong thực tế. Do giá thành còn
đắt, chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng mà điện lưới khó vươn tới như núi cao,
ngoài đảo xa, hoặc phục vụ các hoạt động trên không gian, cụ thể như các vệ tinh quay
xung quanh quỹ đạo trái đất, máy tính cầm tay, các máy điện thoại cầm tay từ xa, thiết
bị bơm nước... 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.
1.2. Cấu tạo của pin mặt trời
Nguyên tố Silic thuộc nhóm IVA trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học,
tức là có 4 electron lớp ngoài cùng. Silic nguyên tố không tìm thấy trong tự nhiên mà
tồn tại dạng hợp chất phân tử ở thể rắn. Cơ bản có 2 loại chất rắn silic, là đa thù hình

và tinh thể. Pin năng lượng mặt trời phổ biến nhất là dạng đa tinh thể silic.

3


Hình 1-1. Cấu tạo pin mặt trời
Silic là vật liệu bán dẫn, nghĩa là trong thể rắn của silic, tại một tầng năng lượng
nhất định. Đơn giản hiểu là có lúc dẫn điện, có lúc không dẫn điện. Lý thuyết này căn
cứ theo thuyết cơ học lượng tử.
Ở nhiệt độ phòng thí nghiệm (khoảng 28 °C), Silic nguyên chất có tính dẫn điện
kém. Trong thực tế, để tạo ra các phân tử silic có tính dẫn điện tốt hơn, chúng được
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 tạo thành một mạng silic (mạng tinh thể). 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, trong khi phần kết hợp với các
nguyên tử nhóm V (phốt pho, asen) gọi là bán dẫn n vì mang năng lượng âm. 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.
Để làm pin mặt trời từ bán dẫn silic người ta phải làm ra bán dẫn loại n và bán dẫn
loại p rồi ghép lại với nhau cho nó có được tiếp xúc p - n.
Ở chỗ tiếp xúc p - n này một ít electron ở bán dẫn loại n chạy sang bán dẫn loại p
lấp vào lỗ trống thiếu electron, kết quả là ở lớp tiếp xúc p-n có một vùng thiếu electron
cũng thiếu cả lỗ trống, người ta gọi đó là vùng nghèo. Sự dịch chuyển điện tử để lấp
vào lỗ trống tạo ra vùng nghèo này cũng tạo nên hiệu thế gọi là hiệu thế ở tiếp xúc p n, đây là hiệu thế sinh ra ở chỗ tiếp xúc không tạo ra dòng điện được.

1.3. Nguyên lý hoạt động

4


Hình 1-2. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời
Khi một photon chạm vào một mảnh silic, một trong hai điều sau 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.
Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các hạt electron
trong mạng tinh thể. Thông thường các electron này là 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 và đó 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". Cứ tiếp
tục như vậy "lỗ trống" di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn.
1.4. Cách ghép nối các tấm pin mặt trời
Các tấm pin mặt trời đều có công suất và điện áp xác định từ nhà sản xuất, để tạo
ra các tấm pin có công suất và điện áp theo yêu cầu thì phải ghép các nhiều modun lại
với nhau. Có hai cách ghép cơ bản:
• Ghép nối tiếp các tấm modun lại với nhau để có điện áp lớn hơn: Nếu các
modun pin mặt trời giống hệt nhau và cường độ chiếu sangstreen các tấm modun này
là như nhau, thì khi ghép nối tiếp các tấm modun lại với nhau ta sẽ có:
I = I1 = I2 = …. Ii
U=

(1.1)
(1.2)

P = U.I =

=

Trong đó:
I, P, U Lần lượt là dòng điện, công suất và điện áp của cả hệ.
Ii, Pi, Ui Lần lượt là dòng điện, công suất và điện áp của modun thứ i.
5

(1.3)


• Ghép song song các tấm modun lại với nhau sẽ cho dòng điện ra lớn hơn: Với
cách ghép này, giả sử nếu các modun là giống hệt nhau và cường độ chiếu nắng trên
các modun này là như nhau, thì khi đó ta có:
U = U1 = U2 = …… = Ui
I=

(1.4)
(1.5)

P = U.I =

=

(1.6)

Thực tế để phù hợp với hệ thống người ta thường áp dụng cùng lúc cả hai cách
ghép nối trên để vừa có thể đạt được điện áp và dòng điện mong muốn.
Khi ghép nối các modun không giống nhau, sẽ xảy ra hiện tựng gọi là “điểm
nóng”, nghĩa là khi ghép nối các modun có các thông số không giống nhau sẽ xảy ra
hiện tượng điểm nóng. Đây là hiện tượng các tấm pin yếu hơn ( chất lượng kém hơn
hoặc các modun không được chiếu nắng đồng đều ) sẽ hấp thụ hoàn toàn công suất
điện do các tấm pin khỏe hơn trong cùng hệ thống phát ra, điều này làm cho công suất
mạch ngoài bằng 0, phần năng lượng mà tấm pin yếu hơn hấp thụ được sẽ biến thành
nhiệt, làm hư hỏng hoặc giảm hiệu suất biến đổi quang điện của hệ.
Để tránh hiệu ứng “điểm nóng” khi thiết kế cần phải sử dụng các modun có cùng
thông số trong một giàn pin mặt trời. Vị trí đặt dàn pin mặt trời cần phải tránh các
bóng che do cây cối, nhà cửa.
Để đạt được hiệu năng lớn nhất các tấm pin năng lượng mặt trời phải luôn được
phơi nắng và hướng trực tiếp về phía mặt trời. Hiệu suất thu điện năng từ pin mặt trời
tại mỗi vùng là khác nhau, do bức xạ mặt trời trên bề mặt trái đất là không đồng đều.
Hiệu suất của các tấm pin mặt trời còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như:
•
•
•
•

Chất liệu bán dẫn làm pin mặt trời.
Vị trí đặt các tấm pin mặt trời.
Thời điểm trong ngày: sáng, trưa, chiều, tối.
Thời tiết, khí hậu.

1.5. Phân loại
Cho tới nay thì vật liệu chủ yếu cho 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:
• Một tinh thể hay đơn tinh thể: 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.
6


• Đa tinh thể: Làm từ các thỏi 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.
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 silic.
1.6. Ưu nhược điểm của điện mặt trời
 Ưu điểm.
• Lắp đặt, vận hành đơn giản, dễ dàng, hầu như không cần bảo trì, bảo
dưỡng.

•
•
•
•

Không cần nhiên liệu, không gây ô nhiễm môi trường.
Có thể lắp đặt ở nhiều nơi, nhất là khu vực miến núi, hải đảo.
Hoạt động tin cậy, lâu dài.
Tiết kiệm tiền điện, không cần phải trả các hóa đôn tiền điện từ hệ thống

điện mặt trời này ( nếu là hộ gia đình lắp đặt ).
• Nhận được nhiều ưu đãi từ chính phủ khi xây dựng hệ thống điện mặt trời
( hiện nay chính phủ Việt Nam đang khuyến khích mô hình điện mặt trời ).

 Nhược điểm.
• Chi phí đầu tư ban đầu còn cao.
• Độ bền của ắc quy bị giảm, phải thay ắc quy nhiều.
• Hiệu quả của hệ thống điện mặt trời còn phụ thuộc vào vị trí lắp đặt, và
điều kiện khí hậu, thời tiết.
1.7. Ứng dụng của pin mặt trời
 Tích hợp vào thiết bị.

Hình 1-3. Ứng dụng pin

mặt trời lên điện thoại di
động

Pin mặt trời thường được tích hợp vào các thiết bị như máy tính bỏ túi, laptop,
đồng hồ đeo tay, điện thoại di động, đèn trang trí, đèn sân vườn, đèn tín hiệu, đèn
đường, các loại xe, xáy bay, robot tự hành, vệ tinh nhân tạo.
Từ chiếc đồng hồ đeo tay nhỏ bé, chiếc điện thoại dắt trong túi quần cho đến
những chiếc xe điện mặt trời chạy trên mặt đất hay những chú robot trên sao hỏa... Sự
7


tích hợp của pin mặt trời mang lại một sự khác biệt cho các thiết bị: Vừa thẩm mỹ, vừa
tiện dụng và thân thiện với môi trường.
 Nguồn điện di động.
Các ứng dụng nguồn điện di động có thể kể đến đó là bộ sạc năng lượng mặt trời,
cặp năng lượng mặt trời, áo năng lượng mặt trời, trạm điện mặt trời di động.
Nguồn điện này sẽ cấp điện cho các thiết bị điện tại bất cứ nơi đâu, đặc biệt là
những nơi không có điện lưới như vùng sâu vùng xa, hải đảo, trên biển, ..

Hình 1-4. Ứng

dụng pin mặt
trời vào túi sách.

 Nguồn điện cho tòa nhà.
Nguồn điện cho tòa nhà là một trong những giải pháp vừa giúp giảm hóa đơn tiền
điện hàng tháng, vừa giúp giảm đầu tư của xã hội cho các công trình nhà máy điện
khổng lồ bằng cách kết hợp sức mạnh của toàn dân trong việc tạo ra điện phục vụ đời
sống sản xuất chung.
Nguồn điện cho tòa nhà hiện tại được chia thành 2 loại đó là nguồn điện mặt trời
cục bộ và nguồn điện mặt trời hòa lưới quốc gia. Riêng nguồn điện mặt trời hòa lưới
quốc gia có nhiều ưu điểm và mang lại hiệu quả kinh tế cao nếu được nhà nước
khuyến khích sử dụng.
8


Sử dụng nguồn điện mặt trời trong gia đình vừa giúp bảo vệ môi trường, vừa thể
hiện một phong cách sống hiện đại trong một xã hội hiện đại.

Hình 1-5. Ứng

dụng pin

mặt trời cho tòa

nhà.

 Nhà máy điện mặt trời.
Bằng cách kết nối nhiều nguồn điện mặt trời với nhau có thể tạo ra được một tổ
hợp nguồn điện mặt trời có đủ khả năng thay thế một nhà máy phát điện.

Nhà máy điện mặt trời có thể dùng để cấp điện cho một thành phố, một hòn
đảo, ... Hiện tại số lượng nhà máy điện mặt trời trên thế giới còn hạn chế, tuy nhiên
trong tương lai số lượng này sẽ tăng lên khi giá thành sản xuất pin mặt trời giảm
xuống.

Hình 1-6.

Nhà

máy điện

mặt
trời.

1.8. Tiềm năng sử dụng điện mặt trời ở Việt Nam
Ở Việt Nam, việc điều tra đánh giá tiềm năng năng lượng mặt trời đã được nhiều
cơ quan nghiên cứu, trong đó chủ yếu do Viện khí tượng thuỷ văn thực hiện.
9


Tính đến năm 1980, ngành khí tượng thủy văn đã xây lắp hơn 112 trạm đo khí
tượng, trải dài khắp mọi miền tổ quốc từ vùng núi phía Bắc như Cao Bằng, Lai Châu
đến hải đảo xa xôi như Phú Quốc, Côn Đảo. Các trạm khí tường này đã tiến hành đo
trong nhiều năm các số liệu khí tượng phục vụ cho ngành khí tượng thủy văn, như số
liệu về bức xạ mặt trời, số giờ nắng, nhiệt độ, độ ẩm, áp suất khí quyển, tốc độ gió,
lượng mưa… Các số liệu về đo bức xạ mặt trời bao gồm cường độ trực xạ, tán xạ, tổng
xạ, tổng lượng tổng xạ, số giờ nắng trung bình ngày, tháng…
Bức xạ mặt trời trung bình năm của cả nước từ 4,6 kWh/m2/ngày. Số giờ nắng
trung bình cả năm đạt từ 2000 giờ nắng.
Bảng 1-1. Giá trị trung bình cường độ bức xạ mặt trời ngày trong năm và số giờ

nắn của một số khu vực khác nhau ở Việt Nam.

Các số liệu này cho thấy tiềm năng phát triển điện mặt trời ở Việt Nam là rất lớn,
nhất là khu vực Nam Trung Bộ và Tây Nguyên, khu vực này có cường độ bức xạ mặt
trời lên tới 4,9 – 5,7 kwh/m 2.ngày, và có số giờ nắng trung bình lên tới 2000 – 2600
giờ/năm.
Hiện nay ở Việt Nam chính phủ đang khuyến khích đầu tư và phát triển các hệ
thống điện mặt trời, đặc biệt là ở các vùng như hải đảo, miền núi, hay như các hệ
thống chiếu sáng công cộng từ hệ thống điện mặt trời.
Ở khu vực tây bắc nức ta khi mà hệ thống điện lưới quốc gia còn nhiều khó khăn
khi tiếp cận những vùng cao và xa.

10


Hiện nay tại khu vực Tây Bắc có 2 dạng mô hình công nghệ cấp điện bằng pin
mặt trời đó là :Mô hình cấp điện độc lập (ngoài lưới điện) và mô hình cấp điện đấu
lưới quốc gia.
Các mô hình cấp điện độc lập là các hệ không nối lưới, tự phát điện và cung cấp
trực tiếp cho hộ tiêu thụ. Mô hình cấp điện này sử dụng phổ biến 2 loại công nghệ:
công nghệ cấp điện độc lập sử dụng pin mặt trời và công nghệ cấp điện độc lập kết
hợp nguồn điện mặt trời với các loại nguồn điện khác như điện gió, thủy điện nhỏ,
điện diesel.

Chương 2
THIẾT KẾ HỆ THỐNG NẠP ẮC QUY TỪ PIN MẶT TRỜI
2.1. Sơ đồ khối hệ thống

ÁNH NẮNG

PIN MẶT TRỜI

Bộ Ðiều Khiển Nạp
Ắc Quy

ẮC QUY

11


Hình 2-1. Sơ đồ khối nạp ắc quy
Một hệ thống pin mặt trời bản thân nó không thể tự sản sinh ra điện năng, nó chỉ
có thể tạo ra điện năng khi có ánh nắng mặt trời chiếu vào các tấm pin mặt trời, do đó
có thể nói ánh nắng mặt trời là cội nguồn của điện năng trong một hệ thống điện mặt
trời.
Ánh sáng mặt trời chiếu vào các tấm pin mặt trời, tai đây ánh sáng mặt trời được
biến đổi thành điện năng, tạo ra dòng điện một chiều, dòng điện một chiều này được
đưa tới bộ điều khiển nạp, bộ điều khiển nạp là một thiết bị điện tử có chức năng tự
động điều khiển quá trình nạp cho ắc quy, khi ắc quy cạn bộ điều khiển nạp sẽ nạp cho
ắc quy khi pin mặt trời có sinh ra điện năng và tự động ngừng quá trình nạp cho ắc quy
khi ắc quy đã được nạp đầy.
2.2. Giới thiệu về vi điều khiển pic16F877A
PIC bắt nguồn từ chữ viết tắt của “Programmable Intelligent Computer” ( Máy
tính khả trình thông minh) là sản phẩm của hãng General Instrument đặt cho dòng sản
phẩm đầu tiên của họ là PIC 1650. Lúc này Pic dùng để giao tiếp với các thiết bị
ngoại vi cho máy chủ 16 bit CP1600, vì vậy người ta gọi PIC với tên là “
Peripheral Interface Controller” ( bộ điều khiển giao tiếp ngoại vi) .
Năm 1985 General Instrument bán bộ phận vi điện tử của họ, và chủ sở hữu mới
(Microchip Technology) huỷ bỏ hầu hết các dự án – lúc đó đã quá lỗi thời. Tuy nhiên
PIC được bổ sung EEPROM để tạo thành một bộ điều khiển vào ra khả trình. Ngày

nay có rất nhiều dòng PIC được sản xuất với hàng loạt các modul ngoại vi được tích
hợp sẵn ( như :USART, PWM, ADC…) với bộ nhớ chương trình từ 512 word đến 32k
word.
PIC sử dụng tập lệnh RISC, với dòng PIC low-end (độ dài mã lệnh 12 Bit ví dụ
PIC12Cxxx) và mid-range (độ dài mã lệnh 14 bit , ví dụ PIC16Fxxx), tập lệnh bao
gồm khoảng 35 lệnh, và 70 lệnh đối với dòng PIC high-end( có độ dài mã lệnh 16bit
PIC18Fxxxx). Tập lệnh bao gồm các lệnh tính toán trên các thanh ghi, và các hằng số,
hoặc các vị trí ô nhớ, cũng như có các lệnh điều kiện, nhảy/ gọi hàm, và các lệnh quay
trở về, nó cũng có các chức năng phần cứng khác như ngắt hoặc sleep( chế độ hoạt
động tiết kiệm điện ). Microchip cung cấp môi trường lập trình MPLAB0, nó bao gồm
phần mềm mô phỏng và trình dịch ASM.
12


Hiện nay có khá nhiều dòng PIC và có rất nhiều khác biệt về phần cứng, nhưng
chúng ta có thể điểm qua một vài nét như sau :
• 8/16/24/32 bit CPU, xây dựng theo kiến trúc Harvard.
• Flash và Rom có thể tuỳ chọn 256 byte đến 256 kbybe.
• Bộ nhớ nội EEPROM - có thể ghi/ xoá lên tới hàng triệu lần.
• Các cổng xuất/nhập (mức lôgic thường từ 0v đến 5v, ứng với mức logic 0 và
1, dòng khoảng vài chục mA).
• 8/16 bit timer .
• Modun giao tiếp ngoại vi nối tiếp không đồng bộ: USART.
• Modun giao tiếp ngoại vi song song (kiểu máy in).
• Bộ chuyển đổi ADC 10 bit nội gồm 8 kênh đầu vào.
• Module ngoại vi MSSP dùng cho các giao tiếp I2C, SPI .
• Modul CCP có chức năng.
o Comparator (so sánh).
o Capture.
o PWM: dùng trong điều khiển động cơ.

Một số dòng vi điều khiển PIC hỗ trợ thêm:
• Hỗ trợ điều khiển động cơ 3 pha, 1 pha
• Hỗ trợ giao tiếp USB
• Hỗ trợ điều khiển Ethernet
• Hỗ trợ giao tiếp CAN
• Hỗ trợ giao tiếp LIN
• Hỗ trợ giao tiếp IRDA
• DSP những tính năng xử lý tín hiệu số.
PIC16F8X là nhóm PIC trong họ PIC16XX của họ Vi điều khiển 8-bit, tiêu hao
năng lượngthấp, đáp ứng nhanh, chế tạo theo công nghệ CMOS, chống tĩnh điện tuyệt
đối. Nhóm bao gồm các thiết bị sau:
• Pic 16F83
• Pic 16CR83
• Pic 16F84
PIC16CR84- Tất cả các PIC16/17 đều có cấu trúc RISC. PIC16CXX các đặc tính
nổi bậc, 8 mức ngănxếp Stack, nhiều nguồn ngắt tích hợp bên trong lẫn ngoài. Có cấu
13


trúc Havard với các bus dữ liệu và bus thực thi chương trình riêng biệt nhau cho phép
độ dài 1 lệnh là 14-bit và busdữ liệu 8-bit cách biệt nhau. Tất cả các lệnh đều mất 1
chu kỳ lệnh ngoại trừ các lệnh rẽ nhánh chương trình mất 2 chu kỳ lệnh. Chỉ có 35
lệnh và 1 lượng lớn các thanh ghi cho phép đáp ứng cao trong ứng dụng.
Họ PIC16F8X có nhiều tính năng đặc biệt làm giảm thiểu các thiết bị ngoại vi, vì
vậykinh tế cao, có hệ thống nổi bật đáng tin cậy và sự tiêu thụ năng lượng thấp. Ở đây
có 4 sựlựa chọn bộ dao dộng và chỉ có 1 chân kết nối bộ dao động RC nên có giải
pháp tiết kiệmcao. Chế độ SLEEP tiết kiệm nguồn và có thể được đánh thức bởi các
nguồn reset. Và cònnhiều phần khác đó được giới thiệu bên trên sẽ được nói rõ ở các
phần kế tiếp.

2.2.1. Sơ đồ chân vi điều khiển ic16F877A

Hình 2-2. Sơ đồ chân vi điều khiển pic16F877A.
Chức năng các chân của Pic16F877A.
• Chân số 1:
 MCLR: Hoạt động reset ở mức thấp.
 Vpp: Ngõ vào áp lập trình.
• Chân số 2:
 RA0: Xuất, nhập số.
14


 AN0: Ngõ vào tương tự.
• Chân số 3:
 RA1: Xuất, nhập số.
 AN1: Ngõ vào tương tự.
• Chân số 4:
 RA2: Xuất, nhập số.
 AN2: Ngõ vào tương tự.
 VREF-: Ngõ vào điện áp chuẩn (mức thấp) của bộ A/D.
• Chân số 5:
 RA3: Xuất, nhập số.
 AN3: Ngõ vào tương tự.
 VREF+: Ngõ vào điện áp chuẩn (mức cao) của bộ A/D.
• Chân số 6:
 RA4: Xuất, nhập số.
 TOCKI: Ngõ vào xung clock bên ngoài cho timer0.
 C1 OUT : Ngõ ra bộ so sánh 1.
• Chân số 7:
 RA5: Xuất, nhập số.

 AN4 : Ngõ vào tương tự.
 SS : Ngõ vào chọn lựa SPI phụ.
 C2 OUT : Ngõ ra bộ so sánh 2.
• Chân số 8:
 RE0: Xuất, nhập số.
 AN5 : Ngõ vào tương tự.
 RD : Điều khiển việc đọc ở port nhánh song song.
• Chân số 9:
 RE1: Xuất, nhập số.
 AN6 : Ngõ vào tương tự.
 WR : Điều khiển việc ghi ở port nhánh song song.
• Chân số 10:
 RE2: Xuất, nhập số.
 AN7 : Ngõ vào tương tự.
 CS : Chip lựa chọn sự điều khiển ở port nhánh song song.
• Chân số 11: VDD : Chân nguần của pic.
• Chân số 12: Vss: Chân nối đất.
• Chân số 13:

OSC1 : Ngõ vào dao động thạch anh hoặc xung clock bên
ngoài. Ngõ vào Schmit trigger khi được cấutạo ở chế độ RC ; một cách
khác của CMOS.

CLKI : Ngõ vào nguồn xung bên ngoài. Luôn đượckết hợp
với chức năng OSC1.
• Chân số 14:

OSC2 : Ngõ vào dao động thạch anh. Kết nối đến thạch
anh hoặc bộ cộng hưởng.
15




































CLKO : Ở chế độ RC, ngõ ra của OSC2, bằng tần số của

OSC1 và chỉ ra tốc độ của chu kỳ lệnh.
• Chân số 15:
RC0: Xuất, nhập số.
T1OCO : Ngõ vào bộ dao động Timer 1.
T1CKI : Ngõ vào xung clock bên ngoài Timer 1.
• Chân số 16:
RC1: Xuất, nhập số.
T1OSI : Ngõ vào bộ dao động Timer 1.
CCP2 : Ngõ vào Capture 2, ngõ ra compare 2, ngõ ra PWM2.
• Chân số 17:
RC2: Xuất, nhập số.
CCP1 : Ngõ vào Capture 1, ngõ ra compare 1, ngõ raPWM1.
• Chân số 18:
RC3: Xuất, nhập số.
SCK : Ngõ vào xung clock nối tiếp đồng bộ/ngõ racủa chế độ SPI.
SCL : Ngõ vào xung clock nối tiếp đồng bộ/ ngõ racủa chế độ I2C.
• Chân số 19:
RD0: Xuất, nhập số.
PSP0 : Dữ liệu port nhánh song song.
• Chân số 20:
RD1: Xuất, nhập số.
PSP1 : Dữ liệu port nhánh song song.

• Chân số 21:
RD2: Xuất, nhập số.
PSP2 : Dữ liệu port nhánh song song.
• Chân số 22:
RD3: Xuất, nhập số.
PSP3 : Dữ liệu port nhánh song song.
• Chân số 23:
RC4: Xuất, nhập số.
SDI : Dữ liệu vào SPI.
SDA : Xuất/nhập dữ liệu vào I2C.
• Chân số 24:
RC5: Xuất, nhập số.
SDO : Dữ liệu ra SPI.
• Chân số 25:
RC6: Xuất, nhập số.
TX : Truyền bất đồng bộ USART.
CK : Xung đồng bộ USART.
• Chân số 26:
RC7: Xuất, nhập số.
RX : Nhận bất đồng USART.
DT : Dữ liệu đồng bộ USART.
• Chân số 27:
RD4: Xuất, nhập số.
16


 PSP4 : Dữ liệu port nhánh song song.
• Chân số 28:
 RD5: Xuất, nhập số.
 PSP5 : Dữ liệu port nhánh song song.

• Chân số 29:
 RD6: Xuất, nhập số.
 PSP6 : Dữ liệu port nhánh song song.
• Chân số 30:
 RD7: Xuất, nhập số.
 PSP7 : Dữ liệu port nhánh song song.
• Chân số 31: Vss: Chân nối đất.
• Chân số 32: Vdd: Chân nguần của pic.
• Chân số 33:
 RB0: Xuất, nhập số.
 INT : Ngắt ngoài.
• Chân số 34: RB1: Xuất, nhập số.
• Chân số 35: RB2: Xuất, nhập số.
• Chân số 36:
 RB3: Xuất, nhập số.
 Chân cho phép lập trình điện áp thấp ICPS.
• Chân số 37:
 RB4: Xuất, nhập số.
 Ngắt portB.
• Chân số 38:
 RB5: Xuất, nhập số.
 Ngắt portB.
• Chân số 39:
 RB6: Xuất, nhập số.
 Ngắt portB.
 PGC : Mạch vi sai và xung clock lập trình ICSP.
• Chân số 40:
 RB7: Xuất, nhập số.
 Ngắt portB.
 PGD : Mạch vi sai và dữ liệu lập trình ICSP.

2.2.2. Một vài thông số về vi điều khiển Pic16F877A
Đây là vi điều khiển thuộc họ PIC16Fxxx với tập lệnh gồm 35 lệnh có độ dài 14
bit. Mỗi lệnh đều được thực thi trong một chu kì xung clock. Tốc độ hoạt động tối đa
cho phép là 20 MHz với một chu kì lệnh là 200ns. Bộ nhớ chương trình 8Kx14 bit, bộ
nhớ dữ liệu 368x8 byte RAM và bộ nhớ dữ liệu EEPROM với dung lượng 256x8 byte.
Số PORT I/O là5 với 33pin I/O.
Các đặc tính ngoại vi bao gồmcác khối chức năng sau:
+ Timer0: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số 8 bit.
17


+ Timer1: bộ đếm 16 bit với bộ chia tần số, có thể thực hiện chức năng đếm dựa
vàoxung clock ngoại vi ngay khi vi điều khiển hoạt động ở chế độ sleep.
+ Timer2: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số, bộ postcaler.
Hai bộ Capture/so sánh/điều chế độ rông xung. Các chuẩn giao tiếp nối tiếp SSP
(Synchronous Serial Port), SPI và I2C. Chuẩn giao tiếp nối tiếp USART với 9 bit địa
chỉ. Cổng giao tiếp song song PSP (Parallel Slave Port) với các chân điều khiển RD,
WR,CS ở bên ngoài. Các đặc tính Analog:8 kênh chuyển đổi ADC 10 bit. Hai bộ so
sánh.
Bên cạnh đó là một vài đặc tính khác của vi điều khiển như:Bộ nhớ flash với khả
năng ghi xóa được 100.000 lần. Bộ nhớ EEPROM với khả năng ghi xóa được
1.000.000 lần. Dữ liệu bộ nhớ EEPROM , có 256 byte (có địa chỉ 00h÷FFh), có thể
lưu trữ trên 40 năm.
 Sơ đồ khối vi điều khiển Pic16F877A.
Như đã nói ở trên, vi điều khiển PIC có kiến trúc Harvard, trong đó CPU truy cập
chương trình và dữ liệu được trên hai bus riêng biệt, nên làm tăng đáng kể băng thông
so với kiến trúc Von Neumann trong đó CPU truy cập chương trình và dữ liệu trên
cùng một bus. Việc tách riêng bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu cho phép số bit
của từ lệnh có thể khác với số bit của dữ liệu. Ở PIC 16F877A, từ lệnh dài 14 bit , từ
dữ liệu 8 bit.PIC 16F877A chứa một bộ ALU 8 bit và thanh ghi làm việc WR

(working register). ALU là đơn vị tính toán số học và logic, nó thực hiên các phép tình
số và đại số Boole trên thanh ghi làm việc WR và các thanh ghi dữ liệu. ALU có thể
thực hiện các phép cộng, trừ, dịch bit và các phép toán logic.

18


Hình 2-3. Cấu trúc bên trong của Pic 16F877A.
* Tổ chức bộ nhớ.
Bộ nhớ chương trình: Bộ nhớ chương trình của vi điều khiển PIC16F877A là bộ nhớ
flash, dung lượng bộ nhớ 8K word (1 word = 14 bit) và được phân thành nhiều trang
(từ page 0 đến page 3). Như vậy bộ nhớ chương trình có khả năng chứa được 8*1024
= 8192 lệnh (vì một lệnh sau khi mã hóa sẽ có dung lượng 1 word (14bit).
Để mã hóa được địa chỉ của 8K word bộ nhớ chương trình, bộ đếm chương trình
có dung lượng 13 bit (PC<12:0>).
Khi vi điều khiển được reset, bộ nhớ chương trình sẽ chỉ đến địa chỉ 0000h. Khi
có ngắt sảy ra , bộ nhớ chương trình sẽ chỉ đến địa chỉ 0004h.
Bộ nhớ chương trình không bao gồm bộ nhớ stack và không được địa chỉ hóa bởi
bộ đếm chương trình. Bộ nhớ stack sẽ được đề cập cụ thể trong phần sau.
19


Hình 2-4. Bộ nhớ chương trình của Pic.
* Bộ nhớ dữ liệu: Bộ nhớ dữ liệu của PIC là bộ nhớ EEPROM được chia ra làm nhiều
bank. Đối với PIC16F877A bộ nhớ dữ liệu được chia ra làm 4 bank. Mỗi bank có dung
lượng 128 byte, bao gồm các thanh ghi có chức năng đặc biệt SFG (Special Function
Register) nằm ở các vùng địa chỉ thấp và các thanh ghi mục đích chung GPR (General
Purpose Register) nằm ở vùng địa chỉ còn lại trong bank. Các thanh ghi SFR thường
xuyên được sử dụng (ví dụ như thanh ghi STATUS) sẽ được đặt ở tất cà các bank của
bộ nhớ dữ liệu giúp thuận tiện trong quá trình truy xuất và làm giảm bớt lệnh của

chương trình. Sơ đồ cụ thể của bộ nhớ dữ liệu PIC16F877A như sau:

20