pin mặt trời và bộ lưu điện cho xe điện hoạt động ở khí hậu việt nam

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

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG

PIN MẶT TRỜI VÀ BỘ LƯU ĐIỆN
CHO XE ĐIỆN HOẠT ĐỘNG Ở KHÍ HẬU VIỆT NAM
S

K

C

0

0

3

9

5

9

MÃ SỐ: T2011 - 23

S KC 0 0 3 6 2 5

Tp. Hồ Chí Minh, 2011


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG

PIN MẶT TRỜI VÀ BỘ LƯU ĐIỆN CHO XE
ĐIỆN HOẠT ĐỘNG Ở KHÍ HẬU VIỆT NAM

Mã số: T2011-23

Chủ nhiệm đề tài:Nguyễn Mạnh Hùng
Thành viên đề tài:PGS-TS Quyền Huy Ánh

TP. HCM, 11/2011


DANH SÁCH THÀNH VIÊN VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH
1. KS Nguyễn Mạnh Hùng
2. PGS-TS Quyền Huy Ánh


MỤC LỤC
Trang
Trang bìa phụ ............................................................................................................. ... i

Danh sách những thành viên tham gia NCĐT và đơn vị phối hợp chính................... .. ii
Mục lục .....................................................................................................................I .. ii
Danh mục hình vẽ ....................................................................................................... .. 1
Danh mục bảng biểu ................................................................................................... .. 4
Thông tin kết quả nghiên cứu bằng tiếng Việt và tiếng Anh ...................................... .. 5
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 07
0.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước .............................. 07
0.2 Tính cấp thiết của đề tài .............................................................................. 07
0.3 Mục tiêu của đề tài ..................................................................................... 07
0.4 Cách tiếp cận ............................................................................................... 08
0.5 Phương pháp nghiên cứu ............................................................................. 08
0.6 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .............................................................. 08
0.7 Nội dung nghiên cứu .................................................................................. 08
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI .................................................... 09
1.1. Giới thiệu ............................................................................................................. 09
1.2. Pin mặt trời .......................................................................................................... 09
1.2.1. Cấu tạo pin mặt trời .................................................................................... 09
1.2.2. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời ........................................................ 10
1.3. Mô hình hóa pin mặt trời ..................................................................................... 13
1.3.1. Mô hình pin mặt trời đơn giản ................................................................... 13
1.3.2. Mô hình pin mặt trời chính xác .................................................................. 16
1.4. Bộ pin mặt trời ..................................................................................................... 18
1.5. Vấn đề dò công suất cực đại ................................................................................ 19
Chương 02: PIN MẶT TRỜI ................................................................................... 21
2.1 Sơ lược các công nghệ chế tạo pin Mặt Trời ........................................................ 21
2.1.1 Các công nghệ chế tạo pin Mặt Trời trên thế giới .................................... 21
2.1.1.1Chế tạo pin Mặt Trời bằng Silic .......................................................... 21
a)

Silic đơn tinh thể ....................................................................... 22

b)

Silic đa tinh thể ......................................................................... 22

c)

Silic vô định hình ...................................................................... 24

2.1.1.2 Công nghệ GaAs ................................................................................. 28
2.1.1.3 Công nghệ chế tạo pin Mặt Trời bằng Polymer ................................. 30
2.1.1.4 Công nghệ chế tạo pin Mặt Trời làm từ mực ..................................... 31
2.1.1.5 Công nghệ PETE ................................................................................ 32
2.1.1.6 Công nghệ DYE .................................................................................. 33
2.1.1.7 Công nghệ chế tạo pin Mặt Trời bằng đồng ôxít ................................ 34
2.1.2 Các công trình nghiên cứu pin năng lượng mặt trời ở Việt Nam ............. 34
2.1.2.1 Chế tạo pin mặt trời hữu cơ ................................................................ 34
2.1.2.2 Pin Mặt Trời “lá cây” ......................................................................... 36
2.2 Lựa chọn công nghệ nghiên cứu chế tạo pin ........................................................ 37
2.2.1 Công nghệ DYE ........................................................................................ 37
2.2.1.1Nguyên lý hoạt động ............................................................................ 38
2.2.1.2Tiến hành .............................................................................................. 39
a) Chuẩn bị ............................................................................................... 39
b) Thực hiện .............................................................................................. 39
c) Kết luận ................................................................................................. 44
2.2.2

Công nghệ đồng oxit ................................................................................. 45

2.2.2.1 Nguyên lý hoạt động ............................................................................ 45
2.2.2.2 Tiến hành ............................................................................................. 45
a) Chuẩn bị ................................................................................................ 45
b) Thực hiện .............................................................................................. 45
c) Lắp ráp .................................................................................................. 49
d) Kiểm tra ................................................................................................ 50
2.3 Lựa chọn công nghệ áp dụng cho xe điện ............................................................ 51

Chương 03: TÍNH TOÁN DIỆN TÍCH PIN ......................................................... 52
3.1 Mô hình module solar panel 270W ..................................................................... 52
3.2 Bộ dò công suất cực đại ....................................................................................... 53
3.2.1 Thuật toán dò công suất cực đại ................................................................ 53


3.2.1.1 Thuật toán Perturb & Observe (PO) .................................................... 53
3.2.1.2 Giải thuật Incremental Conductance (incCond) .................................. 58
3.2.2 Bộ dò Công Suất Cực Đại ........................................................................... 61
3.2.2.1 Mạch chuyển đổi DC/DC .................................................................... 61
3.2.2.2 Bộ dò CSCĐ kết hợp điều khiển PI ..................................................... 62
3.2.2.3 Bộ dò công suất cực đại tích hợp ......................................................... 63
3.3 Dữ liệu độ chói trong ngày tại Việt Nam ............................................................ 65
3.4 Tính toán diện tích pin .......................................................................................... 67
3.5 Phương án lắp đặt pin trên xe điện .................................................................... 70
Chương 04: KẾT LUẬN .......................................................................................... 73


Đề tài nghiên cứu khoa học 2011

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Cấu tạo của pin mặt trời ............................................................................... 10

Hình 1.2 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời .........................................................10
Hình 1.3 Hệ hai mức năng lượng .................................................................................11
Hình 1.4 Các vùng năng lượng ....................................................................................12
Hình 1.5 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời ..............................................................
......................................................................................................................................13
Hình 1.7 Mạch tương đương đơn giản của pin mặt trời ..............................................14
Hình 1.8a Dòng điện ngắn mạch .................................................................................14
Hình 1.8b Điện áp hở mạch .........................................................................................14
Hình 1.9 Đặc tính I-V của pin quang điện tại hai mức bức xạ khác nhau (25oC) .......16
Hình 1.10 Mô hình mạch tương đương của pin mặt trời .............................................18
Hình 1.11 Các tấm pin quang điện mắc nối tiếp nhau tạo thành bộ pin ......................36
Hình 2.1 Pin Mặt Trời được chế tạo từ Silic ...............................................................21
Hình 2.2 Các công đoạn chế tạo pin Mặt Trời từ Silic đa tinh thể .............................24
Hình 2.3 Module cắt ngang và mặt cắt ngang của tế bào nối đôi thực tế ....................25
Hình 2.4 Cấu trúc Silic vô định hình và cấu trúc module kính cán mỏng ...................26
Hình 2.5 Mô tả sơ lược công nghệ sản xuất pin Mặt Trời bằng công nghệ A-Si ........27
Hình 2.6 Công nghệ chế tạo Pin Mặt trời bằng polymer ............................................30
Hình 2.7 Pin Mặt Trời của Korgel có dạng giống như một loại mực – được tạo thành bởi
những hạt nano ............................................................................................................31
Hình 2.8 Pin quang điện DYE ....................................................................................34
Nguyễn Mạnh Hùng

1


Đề tài nghiên cứu khoa học 2011

Hình 2.9 Pin mặt trời hữu cơ ......................................................................................35
Hình 2.10 Quá trình quang hợp của lá cây .................................................................36
Hình 2.11 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời theo công nghệ DYE..................... 38

Hình 2.12 Tạo viền hai bên cho tấm kính ...................................................................40
Hình 2.13 Tạo viền trên cho tấm kính ........................................................................40
Hình 2.14 Tráng hỗn hợp TiO2 .................................................................................................................................... 41
Hình 2.15 Tấm kính sau khi được tráng hỗn hợp TiO2 .......................................................................... 41
Hình 2.16 Bóc các lớp băng keo ra khỏi bề mặt kính .................................................42
Hình 2.17 Nhúng tấm film TiO2 vào dung dich nhuộm .............................................43
Hình 2.18 Tạo lớp Counter electrode .........................................................................43
Hình 2.19 Tiến hành lắp ráp .......................................................................................44
Hình 2.20 Rửa bề mặt tấm đồng bằng dung dich axit nitric .......................................46
Hình 2.21 Nướng tấm đồng ........................................................................................46
Hình 2.22 Quá trình oxy hóa bắt đầu ..........................................................................47
Hình 2.23 Lớp oxit đồng màu đen bắt đầu hình thành ...............................................47
Hình 2.24 Lớp oxit đồng màu đen hình thành hoàn toàn khi bếp nóng đỏ ................48
Hình 2.25 Để tấm đồng nguội .....................................................................................48
Hình 2.26 Quá trình oxit đồng đen bị tróc ra ..............................................................49
Hình 2.27 Đóng hộp ....................................................................................................49
Hình 2.28 Thử nghiệm dưới điều kiện ánh sáng bình thường ....................................50
Hình 2.29 Thử nghiệm dưới điều kiện ánh sáng mặt trời ...........................................50
Hình 3.1: Đặc tính kỹ thuật của panel 270W redsun ..................................................53
Nguyễn Mạnh Hùng

2


Đề tài nghiên cứu khoa học 2011

Hình 3.2 Đặc tính kỹ thuật của mô hình tấm panel 270W trên máy tính ..................53
Hình 2.3 Đặc tính công suất – điện áp của pin RS-P636-270W (1KW/m2,25oC) .....54
Hình 3.4 Lưu đồ giải thuật P&O .................................................................................55
Hình 3.5 Phản ứng của giải thuật P&O trong điều kiện bức xạ tăng dần ................... 57

Hình 3.6 Lưu đồ giải thuật incCond ...........................................................................61
Hình 3.7: Mạch chuyển đổi DC/DC SEPIC và tỉ số ngõ vào ngõ ra ..........................62
Hình 3.8: Mạch SEPIC thi công .................................................................................62
Hình 3.9 Sơ đồ khối bộ dò công suất cực đại tích hợp với bộ điều khiển PI .............63
Hình 3.10 Lưu đồ giải thuật P&O dùng phương pháp điều khiển trực tiếp dò ngõ ra 64
Hình 3.11 Dữ liệu thời tiết tại thành phố Hồ Chí Minh ..............................................67
Hình 3.12 Lưu đồ tính toán diện tích pin ....................................................................68
Hình 3.13 Lưu đồ tính tổng công suất từ pin mặt trời ................................................69
Hình 3.14 Điểm làm việc của pin ...............................................................................69
Hình 3.15 Giao diện chương trình hỗ trợ tính toán ............................................ 71
Hình 3.16 Lắp dặt các cell tế bào quang điện ...................................................72
Hình 3.17 Lắp dặt các panel quang điện .........................................................72

Nguyễn Mạnh Hùng

3


Đề tài nghiên cứu khoa học 2011

Nguyễn Mạnh Hùng

4


Đề tài nghiên cứu khoa học 2011

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 thống kê một số đặc tính của các module trên thị trường có thể áp dụng trên xe
điện ..............................................................................................................................51

Bảng 3.1 Số liệu độ chói theo giờ tại miền Nam Việt Nam .......................................66

Nguyễn Mạnh Hùng

5


Đề tài nghiên cứu khoa học 2011

THÔNG TIN- KẾT QUẢ
1 Thông tin chung
Tên đề tài: Pin mặt trời và bộ lưu điện hoạt động ở khí hậu Việt Nam
Mã số: T2011-23
Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Mạnh Hùng
Cơ quan chủ trì: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh
Thời gian thực hiện: T3-2011

T11- 2011

2 Mục tiêu
Xây dựng giải thuật tính toán diện tích pin mặt trời cần dùng cho xe điện dựa trên nhu
cầu công suất động cơ của xe và lựa chọn phương án lắp đặt tấm pin mặt trời. Lựa chọn
loại panel phù hợp trên thị trường cho xe điện và lắp đặt lên xe.
3 Tính mới và sáng tạo
Đề tài nghiên cứu các phương pháp chế tạo pin mặt trời và các loại pin mặt trời trên thị
trường , từ đó tính toán loại pin và lượng pin cần thiết để đáp ứng cho xe điện hoạt động.

Nguyễn Mạnh Hùng

6

Đề tài nghiên cứu khoa học 2011

4 Kết quả nghiên cứu:
Tính toán diện tích panel mặt trời cần để xe điện hoạt động
5 Sản phẩm
Tấm pin năng lượng mặt trời cho xe điện
Chương trình máy tính mô phỏng pin năng lượng mặt trời.
Chương trình máy tính mô phỏng giải thuật công suất cực đại
6 Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng.
- Làm cơ sở cho các nhà nghiên cứu và các sinh viên sau đại học.
Trưởng Đơn vị

Nguyễn Mạnh Hùng

Chủ nhiệm đề tài

7


Đề tài nghiên cứu khoa học 2011

MỞ ĐẦU
0.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Các nghiên cứu về ứng dụng của pin năng lượng mặt trời hiện nay tập trung nghiên cứu
về ứng dụng độc lập tại những vùng mà lưới điện chưa kéo tới. Trong các ứng dụng tại
khu đô thị, việc áp dụng còn hạn chế vì chi phí đầu tư cao. Các nghiên cứu ứng dụng hiện
chỉ phát triển ở mức chung chứ chưa đi vào ứng dụng cụ thể. Đề tài này tập trung làm rõ
ứng dụng của pin năng lượng mặt trời vào xe oto điện áp sử dụng trong các khu độ thị.

0.2 Tính cấp thiết của đề tài
Trong điều kiện các nguồn năng lượng truyền thống đang có nguy cơ cạn kiệt, việc
nghiên cứu các ứng dụng về năng lượng mới là điều cần thiết phải thực hiện để đảm bảo
an ninh năng lượng và phát triển bền vững. Với điều khiện khí hậu nhiệt đới, Việt Nam
có số ngày nắng trong năm cao và đó là điều kiện thuận lợi để phát triển năng lượng mặt
trời. Hiện tại các nghiên cứu về năng lượng mặt trời thường tập trung về các ứng dụng ở
các vùng nông thôn nơi lưới điện chưa thể kéo tới để phục vụ sinh hoạt. Tại các thành
phố lớn, năng lượng mặt trời còn chưa được phát triển rộng rãi vì chi phí phát triển cho
một tải lớn còn quá cao và hệ thống biến đổi DC-AC còn phức tạp để có thể nối lưới. Đề
tài này tập trung khai thác ứng dụng của pin năng lượng mặt trời và bộ lưu điện cho xe
điện vì tính linh hoạt và đơn giản do không phải sử dụng các bộ biến đổi DC-AC
0.3 Mục tiêu của đề tài
- Nghiên cứu các công nghệ chế tạo pin năng lượng
- Tính toán diện tích cần sử dụng.
- Phương pháp lắp đặt tấm pin quang điện trên xe điện.

Nguyễn Mạnh Hùng

8


Đề tài nghiên cứu khoa học 2011

0.4 Cách tiếp cận
Nghiên cứu các công nghệ chế tạo pin và chế tạo thử bằng một số công nghệ đơn
giản.
Nghiên cứu các mô hình pin năng lượng mặt trời và các giải thuật dò công suất
cực đại
Khảo sát các số liệu độ chói, nhiệt độ.
0.5 Phương pháp nghiên cứu

Tham khảo tài liệu
Thực nghiệm
Mô hình hóa mô phỏng
Thống kê
0.6 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Pin năng lượng mặt trời
0.7 Nội dung nghiên cứu
Chương 1: Tổng quan về pin mặt trời
Chương 2: Các công nghệ chế tạo pin mặt trời
Chương 3: Tính toán diện tích pin
Chương 4: Kết luận
Tài liệu tham khảo.

Nguyễn Mạnh Hùng

9


Đề tài nghiên cứu khoa học 2011

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI
1.1 Giới thiệu
Năm 1839, nhà vật lý học người Pháp tên là Edmund Becquerel, lần đầu tiên khám
phá ra hiệu ứng quang điện khi ông chiếu một chùm sáng vào một điện cực kim loại
trong một dung dịch điện phân. Ba mươi bảy năm sau, 1876, một nhà vật lý người Anh,
William Adams, cùng với cộng sự của ông, Richard Day, đã tìm ra vật liệu quang điện
Selenium, và đã chế tạo thành công pin mặt trờiở thể rắn với hiệu suất 1÷2%, ngay sau đó
được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực chế tạo các điện quang kế của máy chụp ảnh.
Năm 1954, thế hệ đầu tiên của pin mặt trời dựa trên công nghệ bán dẫn được khai
sinh, với hiệu suất cao hơn khoảng 6%, được đưa vào ứng dụng trong ngành công nghiệp

không gian. Ngày nay, công nghệ chế tạo pin mặt trời không ngừng được cải tiến và nâng
cao đặc biệt kể từ cuối thập niên 80 góp phần tăng cao hiệu suất pin và giảm giá thành
một cách nhanh chóng.
Nội dung chương này sẽ đề cập đến nguyên lý hoạt động của pin quang điện, cũng
như việc mô hình hóa pin mặt trời bằng mạch điện tương đương. Các mô hình này sẽ
được thực thi trong chương trình MATLAB nhằm nghiên cứu và mô phỏng một hệ thống
pin mặt trời thực tế.
1.2 Pin mặt trời
1.2.1 Cấu tạo pin mặt trời
Về cơ bản cấu tạo của pin mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện) là một
lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ Mặt Trời thành
điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên trong.

Nguyễn Mạnh Hùng

10


Đề tài nghiên cứu khoa học 2011

Hình 1.1 Cấu tạo của pin mặt trời

1.2.2 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

Hình 1.2 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời
Nguyễn Mạnh Hùng

11

Đề tài nghiên cứu khoa học 2011

Xét một hệ hai mức năng lượng điện tử (Hình 2.3) E1 < E2, bình thường điện tử
chiếm mức năng lượng thấp hơn E1. Khi nhận bức xạ Mặt Trời, lượng tử ánh sáng photon
có năng lượng hv ( trong đó h là hằng số Planck, v là vận tốc ánh sáng) bị điện tử hấp thụ
và chuyển lên mức năng lượng E2. Ta có phương trình cân bằng năng lượng:
hv= E2-E1`

(2.1)

Hình 1.3 Hệ hai mức năng lượng
Trong các vật thể rắn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vòng
ngoài, nên các mức năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng sát nhau và tạo
thành các vùng năng lượng (Hình 1.4). Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy
khi ở trạng thái cân bằng gọi là vùng hóa trị, mà mặt trên của nó có mức năng lượng Ev.
Vùng năng lượng phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là
vùng dẫn, mặt dưới của vùng có năng lượng là Ec. Cách ly giữa hai vùng hóa trị và vùng
dẫn là một vùng cấp có độ rộng với năng lượng là Eg, trong đó không có mức năng lượng
cho phép nào của điện tử.
Khi nhận bức xạ Mặt Trời, photon có năng lượng hv tới hệ thống và bị điện tử ở
vùng hóa trị thấp hấp thu và nó có thể chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự do e-,
để lại ở vùng hóa trị một lỗ trống có thể coi như hạt mang điện dương, ký hiệu h+. Lỗ
trống này có thể di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện.
Nguyễn Mạnh Hùng

12


Đề tài nghiên cứu khoa học 2011

Hình 1.4 Các vùng năng lượng
Hiệu ứng lượng tử của quá trình hấp thụ photon có thể mô tả bằng phương trình:
Ev + hv

e- + h +

(1.2)

Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lượng của photon và chuyển từ vùng hóa
trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử - lỗ trống là:
hv =

≥ Eg = Ec - Ev

(1.3)

Từ đó có thể tính được bước sóng tới hạn λc của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e- h +:

c

=

=

=

(µm)

(1.4)

Trong thực tế các hạt dẫn bị kích thích e- và h+ đều tự phát tham gia vào quá trình
phục hồi, chuyển động đến mặt của các vùng năng lượng: điện tử e- giải phóng năng
lượng để chuyển đến mặt của vùng dẫn Ec, còn lỗ trống h+ chuyển đến mặt của Ev, qua
trình phục hồi chỉ xảy ra trong thời gian rất ngắn 10-12 ÷ 10-1 giây và gây ra dao động
mạnh (photon). Năng lượng bị tổn hao do quá trình phục hồi sẽ là Eph = hv –Eg.

Nguyễn Mạnh Hùng

13


Đề tài nghiên cứu khoa học 2011

Tóm lại, khi vật rắn nhận tia bức xạ mặt trời, điện tử ở vùng hóa trị hấp thu năng lượng
photon hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt điện tử - lỗ trống e- - h+, tức là đã tạo ra
một điện thế. Hiện tượng đó gọi là hiệu ứng quang điện bên trong.

Hình 1.5 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời
1.3

Mô hình hóa pin mặt trời
Việc sử dụng các mạch điện tương đương cho phép mô hình hóa các đặc tính điện

của pin quang điện. Phương pháp mô phỏng dưới đây được thực thi trong chương trình
Matlab. Chúng ta cũng có thể áp dụng kỹ thuật này để mô phỏng một hệ pin quang điện.
1.3.1 Mô hình pin mặt trời đơn giản
Nguyễn Mạnh Hùng

14

Đề tài nghiên cứu khoa học 2011

Mạch điện tương đương bên dưới mô tả một pin mặt trờigồm có một nguồn dòng lý
tưởng và một diode lý tưởng mắc song song với nguồn dòng đó. Nguồn dòng lý tưởng
thay thế cho dòng điện phát ra bởi các photon (thường ký hiệu là Ih hay IL). Nguồn dòng
này không đổi nếu nhiệt độ môi trường và cường độ chùm sáng chiếu vào cũng không
đổi.

Hình 1.7 Mạch tương đương đơn giản của pin mặt trời
Hai thông số quan trọng mô tả đặc tính của pin mặt trờilà dòng điện ngắn mạch (Isc) và
điện áp không tải (Voc). Khi thử nghiệm nối tắt hai đầu của pin mặt trờinhư Hình 2.8a,
dòng điện phát ra dưới sự kích thích của các photon sẽ tạo nên dòng điện ngắn mạch Isc,
lúc này Iph = Isc. Khi pin không kết nối với tải, tức là trường hợp hở mạch như Hình 2.8b,
dòng điện phát ra dưới sự kích thích của các photon chính là dòng điện Id chảy qua diode
tạo nên điện áp hở mạch (Voc). Các thông số này thường được nhà sản xuất pin mặt
trờicung cấp trong các tài liệu đính kèm.

Hình 1.8a Dòng điện ngắn mạch
Nguyễn Mạnh Hùng

Hình 1.8b Điện áp hở mạch
15


Đề tài nghiên cứu khoa học 2011

Áp dụng định luật Kirchoff 1(dòng điện) cho mạch tương đương như Hình 1.7,
dòng điện ngõ ra I của pin mặt trờiđược tính như sau:
I = Isc - Id

(1.6)

Trong đó: Isc là dòng ngắn mạch bằng với dòng điện phát ra dưới sự kích thích của
các photon, Id là dòng điện chảy qua diode.
Dòng điện chảy qua diode được tính bởi phương trình Shockley như sau:
Id = I0 (
Trong đó:

)

(1.7)

I0 là dòng bão hòa ngược của diode (A)
q là điện tích electron (1.602e-19 C)
Vd là điện áp rơi trên diode (V)
k là hằng số Boltzmann (1.381e-23 J/K)
T là nhiệt độ mối nối thang đo Kelvin (K)

Thay thế Id từ phương trình 2.6 bằng phương trình 2.7, ta suy ra mối quan hệ dòng
điện – điện áp trong pin mặt trời như sau:
I = Isc - I0(

)

(1.8)

Với: V là điện áp của pin mặt trời và I là dòng điện ngõ ra.
Từ Hình 1.8b, và phương trình 2.8 (với I=0, do hở mạch) ta tìm được dòng điện
bão hòa ngược I0 như sau:

0 = Isc - I0(

Nguyễn Mạnh Hùng

)

(1.9)

16


Đề tài nghiên cứu khoa học 2011

Isc - I0(

)

I0 =

(1.10)
(1.11)

Với: Voc là điện áp hở mạch
Có thể xấp xỉ xem như dòng điện phát ra dưới sự kích thích của các photon (bằng
với dòng ngắn mạch) tỉ lệ thuận với bức xạ ánh sáng (độ rọi sáng) chiếu vào pin quang
điện. Do đó, nếu biết trước dòng điện ngắn mạch Isc (thường cho trong sổ tay) ở điều kiện
tiêu chuẩn G0 = 1000W/m2, khối lượng không khí AM = 1.5, ta có thể tính được dòng
điện phát ra dưới sự kích thích của các photon ứng với bất kỳ độ rọi sáng nào (G, W/m2)
theo công thức sau:
Isc |G =

Isc |G0

(1.12)

Công thức 1.10 mô tả mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp của pin mặt trời lý
tưởng, được mô phỏng trong chương trình Matlab dùng mô hình mạch điện tương đương
đơn giản.

Hình 1.9 Đặc tính I-V của pin quang điện tại hai mức bức xạ khác nhau (25oC)
Nguyễn Mạnh Hùng

17


Đề tài nghiên cứu khoa học 2011

1.3.2 Mô hình pin mặt trời chính xác
Trong mô hình đơn giản, có một vài số liệu chưa được kể đến, do đó độ chính xác của
mô hình chưa cao so với pin mặt trờithực tế. Sau đây, ta xét mô hình chính xác hơn.
a. Điện trở nối tiếp
Trong pin mặt trời thực tế, có một điện trở nối tiếp đại diện cho vật liệu bán dẫn, chỗ
tiếp xúc, mối nối và thanh dẫn dòng điện chính. Tổn thất trên các điện trở này cộng lại
xem như một điện trở nối tiếp (Rs). Ảnh hưởng của điện trở này càng nổi bật hơn trong
các hệ thống gồm nhiều pin mặt trời mắc nối tiếp, giá trị của điện trở này được nhân lên
với số lượng pin trong hệ.
b. Điện trở song song
Điện trở song song (Rp) đại diện cho tổn thất liên quan đến dòng rò rất nhỏ bên trong
pin. So với điện trở nối tiếp, ảnh hưởng của điện trở song song khó thấy hơn. Điện trở
này chỉ đáng quan tâm khi có một lượng lớn pin mặt trờimắc song song với nhau trong

một hệ thống lớn.
c. Sự tái hợp
Sự tái hợp trong vùng nghèo của pin mặt trời tạo ra các kênh dẫn dòng không thuần
trở song song nhau bên trong pin. Hiện tượng này có thể được mô tả bằng một diode thứ
hai mắc song song (D2) trong mạch điện tương đương.

Nguyễn Mạnh Hùng

18


Đề tài nghiên cứu khoa học 2011

Hình 1.10 Mô hình mạch tương đương của pin mặt trời
Tổng hợp tất cả các ảnh hương nói trên, ta có thể viết lại mối quan hệ dòng điện –
điện áp của pin mặt trời như sau:

I = Isc – I01(

1) - I02(

1) -

(1.13)

Hai diode D1 và D2 có thể được kết hợp lại, phương trình 2.13 được rút gọn như
sau:

I = Isc – I0(

1) -

(1.14)

Với: n là hệ số lý tưởng, mang giá trị từ 1 đến 2.
1.4

Bộ pin mặt trời

Một tấm pin mặt trời chỉ sinh ra điện áp dưới 1V (chẳng hạn đối với pin crystallinesilicon là 0.6V). Do đó, muốn đạt được điện áp theo yêu cầu cần phải mắc nối tiếp các
pin lại với nhau. Các tấm pin mắc nối tiếp nhau này được đặt trong một hộp kín gọi là bộ
pin. Đa số các bộ pin mặt trời bán trên thị trường loại crystalline-silicon chứa 36 hoặc 72
tấm pin mắc nối tiếp. Bộ 36 pin phù hợp để nạp điện cho ăcquy 12V, tương tự bộ 72 pin
Nguyễn Mạnh Hùng

19