nghiên cứu và thi công đèn chiếu sáng hiệu suất cao dùng năng lượng mặt trời

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

NGHIÊN CỨU VÀ THI CÔNG ĐÈN CHIẾU SÁNG
HIỆU SUẤT CAO DÙNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
S

K

C

0

0

3

9

5

9

MÃ SỐ: T2011 - 27

S KC 0 0 3 6 8 0

Tp. Hồ Chí Minh, 2011


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

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU VÀ THI CÔNG ĐÈN
CHIẾU SÁNG HIỆU SUẤT CAO

DÙNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Mã số: T2011 – 27

Chủ nhiệm đề tài: ThS. TRẦN QUANG THỌ

Tp. HCM, 2011


T2011-27

1

Chương Mở đầu
I. ĐẶT VẤN ĐỀ
Điện năng là loại năng lượng được sử dụng phổ biến nhất hiện nay vì có

những ưu điểm vượt trội mà các dạng năng lượng khác khó có thể so sánh được. Đó
là: rẻ tiền, mọi lúc, mọi nơi, dễ điều khiển, tự động hóa ở mức độ cao, an toàn và
“tương đối sạch”. Mặt khác, do ngành công nghiệp điện năng ngày càng rất phát
triển, trong khi đó công nghệ vật liệu cũng rất phát triển làm cho giá thành thiết bị
điện ngày càng hạ. Đó cũng là lý do làm cho thiết bị điện được sử dụng ngày càng
phổ biến nên ngày càng thiếu điện là tất yếu. Giải pháp thực hiện vấn đề này là xây
dựng thêm nguồn điện mới, tiết kiệm điện và tìm kiếm thêm năng lượng điện như
năng lượng sạch càng trở nên bức thiết hơn. Việc dùng pin mặt trời ở trên thế giới
được sử dụng nhiều ở các nước phát triển. Ở các nước nghèo thì ít sử dụng vì lý do
giá thành còn quá cao. Đức là một trong những nước sử dụng pin mặt trời nhiều
nhất. Thống kê [1] vào cuối năm 2009 cho thấy nước Đức đã lắp đặt chiếm 47%
trong 24GWp của thế toàn thế giới. Đứng thứ 2 là Tây Ban Nha chiếm 16%.
Nhu cầu điện năng tại Việt Nam tăng ở mức khoảng 28%/năm, trong khi đó
khả năng đáp ứng của EVN chỉ khoảng 15%/năm. Điều đó cũng có nghĩa là càng
ngày càng thiếu điện. Việc sử dụng các nguồn năng lượng khác càng trở nên rất phổ
biến. Một trong các dạng đó là năng lượng từ pin mặt trời. Hiện ở Việt Nam có 2
nhà máy sản xuất pin mặt trời (First Solar của Mỹ khởi công ngày 22/3/2011 tại Củ
Chi với công suất 250MWp, công ty Mặt Trời Đỏ tại Đức Hòa Hạ, Đức Hòa, Long
An khánh thành ngày 27/4/2009 với công suất 25MWp/năm) nhưng trong tương lai
sẽ còn nhiều nữa. Giá thành càng ngày càng rẻ nên việc sử dụng pin mặt trời ngày
càng nhiều là tất yếu, làm thế nào để sử dụng hiệu quả pin này có ý nghĩa to lớn
trong thực tế.
II. TÍNH CẤP THIẾT: Từ trước đến nay việc nghiên cứu về pin mặt trời rất hạn
chế, nhưng trong điều kiện hiện nay (mất điện thường xuyên, giá điện tăng cao, …)
làm cho nhu cầu sử dụng nguồn năng lượng từ pin mặt mặt trời tăng lên rất nhanh.
Ở các nước phát triển, hàng năm có hàng trăm công trình nghiên cứu chỉ riêng về sử
dụng pin mặt trời. Trong khi ở Việt Nam chỉ toàn mua về sử dụng mà không thấy có
nhiều nghiên cứu sâu sử dụng sao cho hiệu quả. Trong khuôn khổ đề tài sẽ Nghiên
cứu và thi công đèn chiếu sáng hiệu suất cao dùng năng lượng mặt trời. Nghiên
cứu sâu ứng dụng là một nhu cầu bức thiết nhằm mang lại hiệu quả cao trong sử

dụng.
III. MỤC TIÊU:
Nghiên cứu tổng quan về pin mặt trời
Nghiên cứu các loại đèn chiếu sáng tiết kiệm
Thiết kế thi công mô hình tiêu biểu ứng dụng pin mặt trời để chiếu sáng.
Khảo sát đánh giá kết quả mô hình
ThS. Trần Quang Thọ


T2011-27

2

IV. CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU:
Từ phương pháp tham khảo tài liệu, thực nghiệm, biên dịch, tổng hợp, phân
tích, đánh giá các tài liệu, giáo trình, tài liệu mạng, các bài báo, các báo cáo khoa
học đã có trong lĩnh vực chiếu sáng và năng lượng mặt trời sau đó xây dựng lý
thuyết và cuối cùng là thiết kế và thi công mô hình chiếu sáng tiết kiệm điện sử
dụng năng lượng mặt trời. Vì giới hạn của thời gian nên mô hình này được thực
hiện với mục đích thí điểm cho một trong những phương pháp chiếu sáng tiết kiệm
điện hiệu quả nhất. Mô hình này sẽ là hình mẫu cho các sinh viên, giáo viên và
những người đang làm việc trong ngành điện tham khảo, nghiên cứu và phát triển.
Trong quá trình thực hiện mô hình, nhóm đã nghiên cứu và đưa ra những phương án
và giải pháp kỹ thuật để có được mô hình mang lại hiệu quả chiếu sáng và giá thành
cạnh tranh nhất. Do đó, đây cũng chính là một mẫu thiết kế cho các tổ chức, doanh
nghiệp có thể ứng dụng đại trà cho hệ thống chiếu sáng công cộng của mình để
mang lại hiệu quả tiết kiệm điện nhất. Đề tài này cũng có thể được coi là cẩm nang
cho những ai muốn chế tạo một thiết bị chiếu sáng hiệu quả, tiết kiệm. Do đó:
Cách tiếp cận:
Đảm bảo tính khoa học

Đảm bảo tính thực tiễn
Đảm bảo tính mở rộng cho các nghiên cứu liên quan
Phương pháp:
Tham khảo tài liệu
Thực nghiệm
V. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Đề tài tập trung nghiên cứu:
Tổng quan về pin mặt trời
Đèn led dùng trong chiếu sáng
Xây dựng mô hình ứng dụng pin mặt trời để chiếu sáng
VI. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Nội dung nghiên cứu của đề tài thể hiện qua các chương sau:
Chương 1: Tổng quan về pin mặt trời và đèn led chiếu sáng, trên cơ sở ưu - nhược
điểm của pin mặt trời và đèn led để đề xuất mô hình chiếu sáng tiết kiệm dùng pin
mặt trời
Chương 2: Xây dựng mô hình và thi công hoàn chỉnh mô hình
Chương 3: khảo sát – đánh giá kết quả
VII. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
Đặc điểm của pin mặt trời và giải thuật điều khiển để có công suất cực đại (MPPT)
Đặc điểm của led chiếu sáng
ThS. Trần Quang Thọ


T2011-27

3

Mô hình chiếu sáng tiết kiệm dùng pin mặt trời hoàn chỉnh với nhiều tính năng và
giá thành rẻ
VIII. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Kết luận
- Đã xây dựng được mô hình đèn chiếu sáng tiết kiệm dùng pin mặt trời đạt yêu cầu
đề ra
- Để có được hiệu suất tốt nhất của pin mặt trời thì việc thực hiện tính năng MPPT
và dò hướng nắng mặt trời để quay tấm pin theo đúng hướng là cần thiết.
- Tấm pin nên đặt gần bộ thu năng lượng, nên thiết kế để có điện áp cao (48V) để
giảm tổn thất điện áp
- Đèn led trên thị trường không phải là loại đèn cho hiệu suất quang thông cao nhất.

Kiến nghị
Từ kết quả đạt được của mô hình, tác giả kiến nghị hướng phát triển đề tài như sau:
- Giá pin mặt trời ngày càng rẻ nên việc dùng pin mặt trời sẽ góp phần cải thiện môi
trường. Việc sạc pin mặt trời phải có tính năng dò công suất cực đại để nâng cao
hiệu suất
- Cần có nhiều nghiên cứu ứng dụng pin mặt trời hơn nữa để tuyên truyền nhận thức
tiết kiệm năng lượng
- Cần có nhận thức đúng đắn về đèn tiết kiệm điện: đèn compact không phải tối ưu
nên có những tư vấn chính xác về đèn compact.
- Đèn led nên sử dụng những nơi cần độ bền và môi trường khắc nghiệt. Nếu sử
dụng không hợp lý sẽ không mang lại hiệu quả kinh tế.
- Nên phát triển pin mặt trời nối lưới: vì thời điểm pin mặt trời phát công suất lớn
chủ yếu vào buổi trưa, cũng trong lúc đó phụ tải cũng là tải đỉnh. Việc phát điện vào
lưới lúc trưa là sử dụng pin mặt trời kinh tế nhất vì giá bán điện sẽ cao nhất và giảm
dung lượng acqui dự trữ và làm giảm vốn đầu tư.
- Các tấm pin nên đặt trên mái nhà để giảm chi phí lắp đặt.
- Nhà nước cần có chính sách ưu đãi thiết thực để phát triển năng lượng mặt trời.

ThS. Trần Quang Thọ

T2011-27

4

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI VÀ LED CHIẾU SÁNG
1.1 Khái niệm về pin mặt trời
1.1.1 Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của pin mặt trời:
Năng lượng Mặt Trời: Là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ
Mặt Trời, cộng với một phần nhỏ năng lượng của các hạt nguyên tử khác phóng ra
từ ngôi sao này. Dòng năng lượng này sẽ tiếp tục phát ra cho đến khi phản ứng hạt
nhân trên Mặt Trời hết nhiên liệu, vào khoảng 5 tỷ năm nữa.
Năng lượng bức xạ điện từ của Mặt Trời tập trung tại vùng quang phổ nhìn
thấy. Mỗi giây nó phát ra 3,865.1026J, tương đương với năng lượng đốt cháy hết
1,32.1016 tấn than đá tiêu chuẩn. Nhưng bề mặt quả đất chỉ nhận được một phần
năng lượng rất nhỏ và bằng 17,57. 1016 J hay tương đương năng lượng đốt cháy của
6.106 tấn than đá.

Hình 1.1. Năng lượng Mặt Trời ngay ngoài khí quyển Trái Đất: cường độ ánh
sáng (W/ m2/ nm) từ bước sóng ánh sáng 300 nm đến 1000 nm.
Năng lượng Mặt Trời là một nguồn năng lượng quan trọng điều khiển các
quá trình khí tượng học và duy trì sự sống trên Trái Đất. Ngay ngoài khí quyển Trái
Đất, cứ mỗi một mét vuông diện tích vuông góc với ánh nắng Mặt Trời, chúng ta
thu được dòng năng lượng khoảng 1.400 joule trong một giây.
Bức xạ mặt trời:Bức xạ mặt trời có bản chất là sóng điện từ

ThS. Trần Quang Thọ


T2011-27

5

Sóng điện từ (hay Bức xạ điện từ) là sự kết hợp của dao động điện trường và từ
trường vuông góc với nhau, lan truyền trong không gian như sóng. Sóng điện từ cũng
bị lượng tử hoá thành những "đợt sóng" có tính chất như các hạt chuyển động gọi là
photon.
Khi lan truyền, sóng điện từ mang theo năng lượng, động lượng và thông tin.
Sóng điện từ với bước sóng nằm trong khoảng 400 nm và 700 nm có thể được quan
sát bằng mắt người và gọi là ánh sáng.
Bảng 1.1. Phân bố bức xạ điện từ theo bước sóng
Bước sóng

Mật độ năng lượng (W/m 2 )

Tia vũ trụ

< 1nm

6,978.10 −5

Tia x

0,1 nm

6,978.10 −7

Quang phổ

Tỷ lệ (%)

Tia tử ngoại C

0,2 ÷ 0,28 µm

7,864.10-6

0,57

Tia tử ngoại B

0,28 ÷ 0,32 µm

2,122.10 1

1,55

Tia tử ngoại A

0,32 ÷ 0,4 µm

8,073.10 1

5,90

0,4 ÷ 0,52 µm

2,24.10 2

16,39

0,52 ÷ 0,62 µm

1,827.10 2

13,36

0,62 ÷ 0,78 µm

2,280.10 2

16,68

0,78 ÷1,4 µm

4,125.102

30,18

1,4 ÷3 µm

1,836.102

13,43

3 ÷100 µm

2,637.101

1,93

0,1 ÷10 cm

6,987.10-9

10 ÷100 cm

6,987.10-10

1 ÷ 20 m

6,987.10-9

Tia nhìn thấy

Tia hồng ngoại

Sóng vô tuyến
điện

Mặc dù có cùng bản chất là sóng điện từ nhưng loại sóng điện từ có bước sóng
khác nhau thì gây ra các tác dụng lý học, hóa học, sinh học rất khác nhau.
Các ứng dụng của năng lượng mặt trời
Ứng dụng năng lượng mặt trời bao gồm 2 lĩnh vực chủ yếu:

ThS. Trần Quang Thọ


T2011-27

6

• Năng lượng mặt trời được biến đổi trực tiếp thành điện năng nhờ các tế bào
quang điện bán dẫn hay còn gọi là pin mặt trời, các pin mặt trời sản xuất ra điện
năng một cách liên tục chừng nào còn bức xạ mặt trời chiếu tới.
• Năng lượng mặt trời được sử dụng dưới dạng nhiệt năng, ta dùng thiết bị thu
nhiệt lượng bức xạ nhiệt Mặt Trời chiếu tới, và dùng tích trữ nó dưới dạng nhiệt
năng dùng vào các mục đích khác nhau.
Pin mặt trời:
Pin mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện) là thiết bị bán dẫn chứa
lượng lớn các diod p-n. Lớp tiếp xúc P-N có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng
ánh sáng mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên trong.

Hình 1.2. Pin mặt trời
Pin Mặt Trời có ưu điểm là gọn nhẹ và có thể lắp đặt ở bất kỳ nơi nào có ánh
sáng mặt trời
Cấu tạo pin Mặt Trời:
Cho tới hiện tại 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:

Hình 1.3. Cấu tạo pin Mặt Trời
ThS. Trần Quang Thọ


T2011-27

7

Vật liệu chính cho tế bào quang điện được dùng để chuyển hoá năng lượng mặt
trời thành điện năng là silicon (Si). Silicon là một nguyên tố nhiều thứ hai sau oxygen

trên quả địa cầu. Đây là cũng là một nguồn thiên nhiên phong phú gần như vô tận. Nó
chiếm gần 30 % của vỏ quả đất dưới dạng silica (SiO2), và là một hợp chất chính trong
cát.
Vật liệu silicon nguyên chất là một mạng nối kết các nguyên tố silicon và mạng
này trung tính về điện nên không hữu dụng. Khi silicon được kết hợp một lượng nhỏ
(vài phần triệu) "chất tạp", mạng sinh ra điện tích. Silicon mang điện tích là vật liệu
cho nhiều áp dụng cực kỳ quan trọng. Khi silicon kết hợp với chất tạp (dopant) có
khả năng lấy điện tử (electron acceptor) từ mạng silicon, mạng silicon sẽ có những lỗ
trống mang điện tích dương (+). Đây là p-silicon (p = positive, dương). Lỗ trống (+)
vốn dĩ là "nhà" của điện tử, cho nên khi điều kiện cho phép điện tử sẽ chiếm đóng trở
lại. Mặt khác, khi silicon được kết hợp với chất tạp có khả năng cho điện tử, mạng
silicon sẽ dư điện tử. Đây là n-silicon (n = negative, âm). Silicon dùng trong mọi linh
kiện điện tử (thí dụ: transistor, đèn diode) là một vật liệu hỗn hợp liên kết giữa psilicon và n-silicon.
Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời
Hiệu ứng quang điện: Là một hiện tượng trong đó các điện tử được thoát ra
khỏi vật chất sau khi hấp thụ năng lượng từ các bức xạ điện từ (hình 1.5).

Hình1.4. Hiệu ứng quang điện
Pin mặt trời hoạt động theo nguyên lý biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ
mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện.

ThS. Trần Quang Thọ


T2011-27

8

Hình 1.5. Nguyên lý họat động pin mặt trời
Xét hệ gồm hai mức năng lượng điện tử (hình 1.7) với E1

điện tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E1.

Hình 1.6. Hệ hai mức năng lượng
Khi nhận bức xạ mặt trời, lượng tử ánh sáng photon có năng lượng hv (trong
đó h là hằng số Planck, v là tần số 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

(1.1)

Trong các vật thể rắn do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử bên
ngoài, nên mức năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng sát nhau và tạo
thành các vùng năng lượng (hình 1.5)

ThS. Trần Quang Thọ


T2011-27

9

Hình 1.7. Các vùng năng lượng
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 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 Ec. Cách ly giữa hai vùng hóa trị và vùng dẫn là một vùng có
năng lượng là Eg, trong đó không có mức năng lượng nào cho phép của điện tử.
Khi nhận bức xạ mặt trời, photon có năng lượng hv tới hệ thống và bị điện tử
hấp thụ và chuyển lên vùng dẫn để chuyển thành điện tử tự do e-, để lại ở vùng hóa
trị một lỗ trống có thể coi như hạt mạng điện dương h+. Lỗ trống này có thể di

chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện.
Hiệu ứng lượng tử của quá trình hấp thụ photon có thể mô tả bằng phương trình
sau:
Ev + hv → e- + h+ (1.2)
Điều kiện để lượng 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 = hc / λ ≥ E g = E c − E v

(1.3)

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

hc
hc 1,24
=
=
(µm )
Ec − Ev Eg
Eg

(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 vùng năng lượng: điện tử e- giải phóng
năng lượng để chuyển đến mặt vùng dẫn Ec, còn lỗ trống h+ chuyển đến bề mặt của
Ev, quá trình hồi phục xảy ra trong thời gian rất ngắn 10-12 ÷ 10-1 giây và gây ra giao
động mạnh (photon). Năng lượng bị tổn hao trong quá trình hồi phục sẽ là
E = hν – E (1.5)
ph

g
ThS. Trần Quang Thọ


T2011-27

10

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

Hình 1.8 một số công nghệ chế tạo pin mặt trời

1.1.2 Ứng dụng pin mặt trời hiện nay:
Ứng dụng trên thế giới:
Theo [1] thì Đức là nước sử dụng pin mặt trời nhiều nhất hiện nay. Trong khi đó,
Trung Quốc là nước sản xuất nhiều pin mặt trời nhất thế giới

ThS. Trần Quang Thọ


T2011-27

11

Hình 1.9 thống kê lắp pin mặt trời trên thế giới

Hình 1.10 thống kê sản xuất pin mặt trời trên thế giới

ThS. Trần Quang Thọ


T2011-27

12

Hình 1.11 thống kê các công ty sản xuất pin mặt trời
Pin mặt trời đã được ứng dụng trong không gian từ thập kỷ 60 của thế kỷ 20 và hiện
nay rất phổ biến trong các lĩnh vực khác nhau:

Hình 1.12 các ứng dụng pin mặt trời

ThS. Trần Quang Thọ


T2011-27

13

Hình 1.13 Tàu MS Turanor PlanetSolar tới Nha Trang tối 30/8/11

Tàu MS Turanor PlanetSolar mang cờ Thụy Sĩ, được sản xuất tại xưởng
đóng tàu Knierim Yachtbau ở Kiel, Đức trong 14 tháng với chi phí 17 triệu USD.
Tàu có trọng lượng 60 tấn, dài 31 mét, rộng gần 16m, được phủ bằng tấm pin mặt
trời trên diện tích hơn 500m2, có thể đạt tốc độ tối đa khoảng 25 km/h. Khoang của
tàu có đủ chỗ cho thủy thủ đoàn gồm 6 người. Trong những chuyến du hành ngắn ở
các điểm dừng chân, tàu có thể chở 40 khách
Ứng dụng tại Việt Nam:
Vị trí địa lý đã ưu ái cho Việt Nam một nguồn năng lượng tái tạo vô cùng

lớn, đặc biệt là năng lượng mặt trời. Việt Nam nằm trong khu vực có cường độ bức
xạ mặt trời tương đối cao. Trong đó, nhiều nhất phải kể đến thành phố Hồ Chí
Minh, tiếp đến là các vùng Tây Bắc (Lai Châu, Sơn La, Lào Cai) và vùng Bắc
Trung Bộ (Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh)…
Theo thống kê của các đài khí tượng thủy văn, tại miền Nam, cụ thể là
TP.HCM, số giờ nắng trung bình trong năm đạt 5,2Kw/m2/ngày. Tại miền Trung
(Đà Nẵng) là 4,3Kw/m2/ngày. Như vậy nếu dùng các thiết bị năng lượng mặt trời,
rõ ràng hiệu quả khi dùng tại miền Trung sẽ kém hơn so với miền Nam.
So sánh con số này với các nước ôn đới như tại miền nam nước Đức thì chỉ
khoảng 3,0Kw/m2/ngày, nhưng mức độ sử dụng năng lượng mặt trời cũng rất phổ
ThS. Trần Quang Thọ


T2011-27

14

biến. Vậy câu trả lời sẽ là: tại miền Trung, tuy không hiệu quả như miền Nam,
nhưng ta vẫn có thể sử dụng các thiết bị năng lượng mặt trời trong sinh hoạt.

Hình 1.14 mức độ khí thải của các nguồn năng lượng
`
Năng lượng mặt trời có những ưu điểm như: sạch, chi phí nhiên liệu và bảo
dưỡng thấp, an toàn cho người sử dụng… Đồng thời, phát triển ngành công nghiệp
sản xuất pin mặt trời sẽ góp phần thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch, giảm
phát khí thải nhà kính, bảo vệ môi trường. Vì thế, đây được coi là nguồn năng lượng
quý giá, có thể thay thế những dạng năng lượng cũ đang ngày càng cạn kiệt. Từ lâu,
nhiều nơi trên thế giới đã sử dụng năng lượng mặt trời như một giải pháp thay thế
những nguồn tài nguyên truyền thống. Tại Việt Nam, theo các nhà khoa học, nếu
phát triển tốt điện mặt trời sẽ góp phần đẩy nhanh Chương trình điện khí hóa nông

thôn (Dự kiến đến năm 2020, cung cấp điện cho toàn bộ 100% hộ dân nông thôn,
miền núi, hải đảo…).
Từ những năm 1990, khi nhiều thôn xóm ngoại thành chưa có lưới điện
quốc gia, Phân viện Vật lý TP Hồ Chí Minh đã triển khai các sản phẩm từ điện mặt
trời. Tại một số huyện như: Bình Chánh, Cần Giờ, Củ Chi, điện mặt trời được sử
dụng khá nhiều trong một số nhà văn hoá, bệnh viện… Đặc biệt, công trình điện
mặt trời trên đảo Thiềng Liềng, xã Cán Gáo, huyện Cần Giờ cung cấp điện cho 50%
số hộ dân sống trên đảo.
Năm 1995, hơn 180 nhà dân và một số công trình công cộng tại buôn
Chăm, xã Eahsol, huyện Eahleo tỉnh Đắk Lắk đã sử dụng điện mặt trời. Gần đây, dự
án phát điện ghép giữa pin mặt trời và thuỷ điện nhỏ, công suất 125 kW được lắp
đặt tại xã Trang, huyện Mang Yang, tỉnh Gia Lai, và dự án phát điện lai ghép giữa
pin mặt trời và động cơ gió với công suất 9 kW đặt tại làng Kongu 2, huyện Đăk
ThS. Trần Quang Thọ


T2011-27

15

Hà, tỉnh Kon Tum, do Viện Năng lượng (EVN) thực hiện, góp phần cung cấp điện
cho khu vực đồng bào dân tộc thiểu số.
Từ thành công của Dự án này, Viện Năng lượng (EVN) và Trung tâm Năng
lượng mới (Trường Đại học Bách khoa Hà Nội) tiếp tục triển khai ứng dụng giàn
pin mặt trời nhằm cung cấp điện cho một số hộ gia đình và các trạm biên phòng ở
đảo Cô Tô (Quảng Ninh), đồng thời thực hiện Dự án “Ứng dụng thí điểm điện mặt
trời cho vùng sâu, vùng xa” tại xã Ái Quốc, tỉnh Lạng Sơn. Dự án được hoàn thành
vào tháng 11/2002.
Ngoài chiếu sáng, năng lượng mặt trời còn có thể ứng dụng trong lĩnh vực
nhiệt, đun nấu. Từ năm 2000 – 2005, Trung tâm Nghiên cứu thiết bị áp lực và năng

lượng mới (Đại học Đà Nẵng), phối hợp với Tổ chức phục vụ năng lượng mặt trời
triển khai Dự án “Bếp năng lượng mặt trời” cho các hộ dân tại làng Bình Kỳ 2,
Phường Hòa Quý, Quận Ngũ Hành Sơn (Đà Nẵng). Bên cạnh đó, Trung tâm nghiên
cứu năng lượng mới cũng nghiên cứu năng lượng mặt trời để đun nước nóng và đưa
loại bình đun nước nóng này vào ứng dụng tại một số tỉnh: Hải Phòng, Quảng Ninh,
Nam Định, Thanh Hóa, Sơn La…
Cuộc thi xe năng lượng mặt trời solar car racing 2011 do trung tâm tiết
kiệm năng lượng Tp. HCM cùng phối hợp tổ chức đang diễn ra hiện nay cũng thể
hiện định hướng ứng dụng pin mặt trời.
Các tồn tại: mặc dù có nhiều ưu điểm, nhưng thời gian qua, các sản phẩm sử dụng
năng lượng mặt trời vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi mà chỉ tập trung tại nông
thôn, miền núi, nơi mà mức sống tương đối thấp. Hiện nước ta có hơn 3.000 hộ dân
vùng sâu, vùng xa được điện khí hóa bằng hệ điện mặt trời gia đình, 8.500 hộ sử
dụng điện mặt trời qua các trạm sạc ắc quy… nhưng tại khu vực nội thành như
thành phố Hồ Chí Minh, chỉ có duy nhất ngôi nhà sử dụng điện mặt trời (của kỹ sư
Trịnh Quang Dũng do tổ chức SIDA Thụy Điển tài trợ). Ở Hà Nội, số công trình sử
dụng pin mặt trời mới chỉ đếm trên đầu ngón tay như: Hệ thống pin mặt trời hòa vào
mạng điện chung của Trung tâm Hội nghị Quốc gia, trạm pin mặt trời nối lưới lắp
đặt trên mái nhà làm việc Bộ Công Thương, hai cột đèn năng lượng mặt trời kết hợp
năng lượng gió đầu tiên được lắp đặt tại Ban quản lý dự án Công nghệ cao Hòa Lạc,
ở Nha Trang cũng có vài trụ đèn pin mặt trời cũng do các doanh nghiệp tài trợ nhân
dịp festival biển 2011, pin mặt trời trên cabin cáp treo của Vinpearlland,… tất cả
đều mang tính nhỏ lẻ hoặc do tài trợ mà có.
Khó khăn lớn nhất của vấn đề này bắt nguồn từ kinh phí. Dù năng lượng
mặt trời ở dạng “nguyên liệu thô”, nhưng chi phí đầu tư để khai thác, sử dụng lại rất
cao do công nghệ, thiết bị sản xuất đều nhập từ nước ngoài. Phần lớn những dự án
điện mặt trời đã và đang triển khai đều sử dụng nguồn vốn tài trợ hoặc vốn vay
nước ngoài. Do đó, mới chỉ có một vài tổ chức, viện nghiên cứu và các trường đại
học tham gia, còn phía doanh nghiệp, cá nhân vẫn chưa “mặn mà” với việc ứng
dụng, sản xuất cũng như sử dụng các thiết bị năng lượng mặt trời vì không kinh tế.

ThS. Trần Quang Thọ


T2011-27

16

Ở Việt Nam chỉ có công ty RedSun chủ yếu gia công lắp ráp với qui mô
nhỏ nên giá thành còn rất cao. Còn FirstSolar thì đang xây dựng cũng chưa có sản
phẩm.
Gần đây các nước phát triển ở Châu Âu đa số cam kết sẽ chấm dứt điện hạt
nhân vào khoản năm 2015 đến 2020 nhằm giảm khí thải toàn cầu. Chính phủ Việt
Nam chúng ta cũng thể hiện quan tâm đến biến đổi khí hậu trong APEC vừa qua.
1.2 Các loại đèn chiếu sáng tiết kiệm
1.2.1 Các loại đèn chiếu sáng thông dụng:
Đèn sợi đốt

Bức xạ có thể
nhìn thấy
Thất thoát do dẫn
nhiệt và đối lưu

Bức xạ tia hồng ngoại

Hình 1.15 Đèn sợi đốt và sơ đồ năng lượng của đèn sợi đốt

Hiệu suất – 12 lumen/Oát
Chỉ số hoàn màu – 1A
Nhiệt độ màu – Ấm (2.500K – 3.600K)

Tuổi thọ của đèn – 1 – 2.000 giờ
Ưu điểm

Nhược điểm

Giá thành thấp

Không tiết kiệm điện năng

Sơ đồ đơn giản

Hiệu suất quang thông thấp

Ánh sang ấm áp

tuổi thọ đèn thấp

Không cần các thiết bị phụ trợ
Có nhiều loại công suất
- Thường ứng dụng cho các khu vực khó thay bóng đèn
- Để đọc sách vì ánh sang nó như ánh sang mặt trời
- Thích hợp với mạng điện lưới ít ổn định
- Cỏ thể dung để sấy, sưởi ẩm trong y khoa, ấp trứng gà.
ThS. Trần Quang Thọ


T2011-27

17

Đèn huỳnh quang compact
Loại đèn huỳnh quang compact xuất hiện gần đây đã mở ra một thị trường hoàn
toàn mới của nguồn sáng huỳnh quang. Những chiếc đèn này cho phép thiết kế
bộ đèn nhỏ hơn nhiều, có thể cạnh tranh với loại đèn nóng sáng và đèn hơi thủy
ngân trên thị trường đồ chiếu sáng có hình tròn hoặc vuông.
Hiệu suất – 60 lumen/Oát
Chỉ số hoàn màu – 1B
Nhiệt độ màu- Ấm, Trung bình
Tuổi thọ của đèn – 7 – 10.000 giờ
Ưu điểm

Nhược điểm

- Nhỏ gọn

Nhiều tia cực tím

- Vận hành linh hoạt

Hàm lượng thủy ngân cao, gây độc hại

- Bảo trì, thay thể đễ dàng

Tuổi thọ không cao

- hiệu suất quang thông cao

Chưa có chính sách đảm bảo môi trường

Đèn hơi Natri

Đèn hơi Natri cao áp

Hình 1.16 Đèn hơi Natri cao áp
Đèn hơi Natri cao áp (HPS) được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng chiếu
sáng ngoài trời và chiếu sáng công nghiệp. Hiệu suất cao là đặc điểm ưu việt hơn
của loại đèn này so với đèn halogen kim loại vì những ứng dụng này không đòi hỏi
độ hoàn màu cao. Khác với đèn thủy ngân và đèn hologen kim loại, đèn HPS không
có các điện cực khởi động, balat chấn lưu bao gồm tác-te điện tử cao áp.Ống hồ

ThS. Trần Quang Thọ


T2011-27

18

quang được làm bằng gốm, có thể chịu được nhiệt độ lên đến 2372F. Ống được
nạp khí xenon giúp tạo hồ quang cũng như hỗn hợp khí thủy ngân và natri.
Hiệu suất – 50 - 90 lumens/Watt (chỉ số hoàn màu tốt hơn, hiệu suất thấp hơn)
Chỉ số hoàn màu – 1 – 2
Nhiệt độ màu – Ấm
Tuổi thọ của đèn – 24.000 giờ, duy trì quang thông đặc biệt tốt
Làm nóng – 10 phút, làm nóng trở lại – trong vòng 60 giây
Sử dụng đèn sodium tại áp suất và nhiệt độ cao hơn sẽ làm đèn phản ứng cao hơn.
Bao gồm 1-6 mg natri và 20mg thủy ngân
Khí nạp là Xenon.Tăng lượng khí sẽ cho phép giảm lượng thủy ngân, nhưng sẽ
khó khởi động đèn hơn.
Ống hồ quang được đặt trong một bóng đèn có lớp khuyếch tán để giảm chói.
Áp suất càng cao, dải bước sóng càng rộng và chỉ số hoàn màu càng tốt, hiệu
suất càng thấp.

-

Thường dùng cho chiếu sáng các khu vực cần vận chuyển, các địa điểm công
nghiệp, cầu tàu bến bãi, trong xướng công nghiệp nặng

-

Chiếu sáng quảng trường, đường giao thông

Đèn hơi Natri hạ áp
Hiệu suất – 100 – 200 lumen/Oát
Chỉ số hoàn màu – 3
Nhiệt độ màu – Vàng (2,200K)
Tuổi thọ của đèn – 16,000 giờ
Khởi động – 10 phút, làm nóng trở lại – lên đến 3 phút
Chiếu sáng rất kinh tế đổi với các loại đường giao thông: xa lộ, đường cao tốc,
đường hầm

ThS. Trần Quang Thọ


T2011-27

1.2.2 Đèn led và ứng dụng:

Hình 1.17 cấu tạo led

ThS. Trần Quang Thọ

19

T2011-27

20

Nguyên lý hoạt động:

Hình 1.18 nguyên lý hoạt động led
LED là chất dẫn điện 1 chiều, phần tử dẫn diện bên trong là lớp bán dẫn P - N được
tạo từ 2 chất bán dẫn (AlInGaP và InGaN). Dòng điện chỉ chạy theo chiều từ bán
dẫn P sang bán dẫn N. Ở giữa miền tiếp xúc giữa 2 lớp bán dẫn có ánh sáng phát ra,
vì điểm phát sáng rất bé nên phía trên phải có dạng nửa hình cầu để có thể phát ánh
sáng tán xạ trong phạm vi 180 độ về mọi hướng giúp người ta nhìn thấy nó.
Để có màu sáng khác nhau, người ta sẽ đưa thêm một số tạp chất khác nhau vào
hoặc là trong lớp "nhựa" cho thêm các chất huỳnh quang. LED 1W có dòng định
mức là 350mA và có hiệu điện thế định mức là 3.4V. Thường LED làm bằng chất
bán dẫn (vô cơ hay hữu cơ - OLED). Người ta tìm cách dùng điện thế trực tiếp đưa
điện tử trong bán dẫn từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao. Hiện nay
dùng OLED tức là LED hữu cơ (organic) để làm LED cho ánh sáng trắng. Đưa
thêm một số tạp chất khác nhau vào hoặc trong lớp nhựa cho thêm các chất huỳnh
quang để có màu sáng khác nhau.
Ưu điểm của LED công suất dùng cho chiếu sáng
Sáng hơn đèn led thông thường do sử dụng led công suất công nghệ tiên tiến
Thay thế hầu hết đèn dây tóc, đèn halogen, đèn huỳnh quang
Tiết kiệm điện, tuổi thọ cao (trên 50.000h) nên giảm chi phí bảo trì và thay
thế
Không tia cực tím và thủy ngân nên kinh tế và thân thiện với môi trường.
Không quạt làm mát do dùng tản nhiệt bằng nhôm
Không chói lóa do dùng thấu kính epoxy, nhiều loại màu sắc

Không thủy tinh, mãnh vỡ nên an toàn hơn các loại đèn thông thường
ThS. Trần Quang Thọ


T2011-27

21

Có nhiều cấp công suất và cấp điện áp sử dụng
An toàn cho người sử dụng. Chất lượng ánh sáng thân thiện với con người.
Tuy nhiên nhược điểm duy nhất của đèn led là giá thành cao
1.3 Đề xuất giải pháp chiếu sáng tiết kiệm điện
Ở Việt Nam năm 2010, Quốc hội đã thông qua Luật Sử dụng năng lượng tiết
kiệm và hiệu quả, Chính phủ cũng đã ban hành nghị định số 21/2011/NĐ-CP quy
định chi tiết và biện pháp thi hành luật là các cơ sở để hướng dẫn việc sử dụng tiết
kiệm hiệu quả các nguồn năng lượng này. Luật và nghị định đã đưa ra các quy định
về việc khai thác sử dụng năng lượng điện hiệu quả và tiết kiệm trong sản xuất, sử
dụng cho mục đích công cũng như các mục đích tiêu dùng...
Đáp án cho chiến lược phát triển: trên góc độ kinh tế, trong bối cảnh đi tắt đón
đầu công nghệ cao, đa số các công ty đa quốc gia trên thế giới đều chứng tỏ hiệu
quả kinh tế của mình bằng những công nghệ nguồn đặc thù khác nhau. Công nghệ
nguồn càng cơ bản thì càng đưa đến nhiều ứng dụng khác nhau và đưa đến siêu lợi
nhuận. Một trong những công nghệ nguồn cơ bản là công nghệ bán dẫn vi mạch, đã
đưa đến những cuộc cách mạng khoa học công nghệ trong lãnh vực công nghệ
thông tin, công nghệ tự động hóa và cơ khí chính xác, công nghệ sinh học. Ngày
nay, vốn đầu tư cho công nghệ bán dẫn vi mạch để làm ra sản phẩm chip điện tử
trong máy tính, các thiết bị cầm tay được số hóa (digital equipments) vẫn còn rất
cao. Do đó nếu phải đưa ra một đáp án cho chiến lược đầu tư phát triển công nghệ
cao cho Việt Nam thì câu trả lời chính là công nghệ đèn LED nói riêng và công
nghệ bán dẫn phát sáng nói chung.

Sự phát triển ưu việt của công nghệ bán dẫn sẽ đưa đến một cuộc cách mạng khoa
học kỹ thuật mới trong thắp sáng, hứa hẹn một thị trường công nghệ cao mới, đó là
thị trường thắp sáng trên toàn cầu bằng công nghệ đèn LED trắng. Đây là một công
nghệ không đòi hỏi nhiều vốn đầu tư như công nghệ bán dẫn vi mạch, một công
nghệ cao của thế giới mà đất nước ta cần nhanh chóng tham gia để tạo ra những đột
phá mới trong kinh tế thị trường kinh tế toàn cầu, để bù đắp lại những thời cơ phát
triển đã đi qua trong thị trường bán dẫn vi mạch.
Đèn LED có mặt khắp nơi:đèn LED trắng khác với các đèn LED màu đã được
biết đến ở đất nước ta qua các bóng đèn nhỏ nhiều màu: xanh, trắng, đỏ, vàng... gắn
ThS. Trần Quang Thọ


T2011-27

22

trên cây Noel trong mùa Giáng sinh, các bảng hiển thị giao thông nằm gần các trạm
thu phí trên các tuyến đường lớn, các màn hình phẳng khổng lồ để trên nóc nhà các
biệt thự ở thủ đô hoặc trong TPHCM. Các hiển thị màu bằng đèn LED cũng đã xuất
hiện khắp các cửa hiệu, phố phường, siêu thị, tiệm ăn ở các TP lớn trong nước.
Lựa chọn LED - phương án tối tưu tiết kiệm điện vào bảo vệ môi trường
Hướng quan trọng để tiết kiệm điện chiếu sáng chính là sử dụng những kỹ thuật
chiếu sáng mới, năng lượng điện tiêu thụ ít hơn nhiều nhưng kết quả chiếu sáng
không giảm. Đó là chiếu sáng bằng LED. Theo báo cáo của cơ quan năng lượng
quốc tế IEA năm 2006: để có điện thắp sáng như hiện nay trên toàn thế giới mỗi
năm phải thải ra 1900 nghìn tỷ tấn khí CO2, ba lần lớn hơn lượng khí CO2 do máy
bay trên toàn thế giới thải ra, bằng 70% lượng khí CO2 do tòan bộ xe ô tô thải ra
trong 1 năm. Như vậy, việc ứng dụng đèn LED điện năng tiêu thụ giảm đáng kể, mà
lại không gây ảnh hưởng môi trường.
Về tuổi thọ, trung bình khoảng 100.000 giờ. Dễ dàng sử dụng với những nguồn điện

là ăcquy, là điện tái tạo như pin mặt trời, pin nhiệt điện, thủy điện nhỏ, điện gió ...
Đây là đèn lý tưởng để chiếu sáng nhờ pin mặt trời.
Đầu thế kỷ XXI, đèn LED trắng đủ loại công suất ra đời đáp ứng nhiều yêu cầu
chiếu sáng: gia đình, công xưởng, đèn trước của xe ôtô, đèn đầu tàu hoả, thắp sáng
đèn đường...
Tại Anh, toàn bộ cung điện Buckingham để tiết kiệm điện và cho ánh sáng dễ chịu
họ thắp toàn bộ bóng LED. Trung Quốc đã có kế hoạch chiếu sáng bằng đèn LED
cả bên trong lẫn bên ngoài các toà nhà nhân dịp Olympic 2008 và từ đó về sau đẩy
mạnh việc chiếu sáng bằng LED thay các cách chiếu sáng khác hiện nay.
Hiện nay, xu hướng ở các nước tiên tiến là đẩy mạnh kế hoạch chiếu sáng bằng
LED và hy vọng đến năm 2025 trên 50% đèn chiếu sáng là LED. Để tiết kiệm điện
và thân thiện với môi trường, người tiêu dùng nên lựa chọn những sản phẩm có ứng
dụng LED. Để ứng dụng rộng rãi pin mặt trời, Nhà nước nên có chính sách (giống
như Đức từ 2001) hỗ trợ các doanh nghiệp tham gia đầu tư, phát triển ngành năng
lượng mới này lên quy mô công nghiệp. Cần sớm ban hành chính sách phát triển
năng lượng tái tạo, quy định rõ vấn đề, phạm vi cần hỗ trợ, chỉ tiêu định lượng…
Phía các nhà sản xuất, nên quan tâm thường xuyên đến các dịch vụ sau bán hàng,
bảo trì, bảo dưỡng, có giải pháp thuận lợi trong việc lắp đặt thiết bị tại các ngôi nhà
đã hoàn thiện, để sản phẩm có tính cạnh tranh cao hơn và mở rộng được thị trường
tiêu thụ…

ThS. Trần Quang Thọ


T2011-27

23

So với các đèn compact, hiệu quả năng lượng của LED đạt được đến 70%, chưa kể
độ suy giảm quang thông rất nhanh, trong khi đó LED đảm bảo tuổi thọ 50.000 giờ

theo tiêu chuẩn L70, tức là sau 50.000 giờ thì lượng quang thông còn lại của LED là
70%.
Tóm lại:
Nội dung chương 1 đã trình bày ưu điểm của đèn led khi sử dụng chiếu sáng khi kết
hợp với pin mặt trời sẽ cho hiệu quả cao nhất: pin mặt trời phát ra điện áp thấp một
chiều, led cần điện áp thấp một chiều nên khi kết hợp không cần các bộ biến đổi,
làm giảm tổn hao và vốn đầu tư. Cả 2 là bán dẫn nên có tuổi thọ rất cao. Như vậy,
đề xuất mô hình chiếu sáng tiết kiệm điện như sau:

Pin mặt
trời

Bộ điều
khiển

acqui

Hình 1.19 mô hình chiếu sáng tiết kiệm đề nghị

ThS. Trần Quang Thọ

Đèn
led