NGHIÊN cứu THIẾT kế CHIẾU SÁNG đèn LED sử DỤNG NGUỒN PIN mặt TRỜI độc lập

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

BÙI THỊ THU HƯỜNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHIẾU SÁNG ĐÈN LED SỬ DỤNG NGUỒN PIN
MẶT TRỜI ĐỘC LẬP

Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỆN HƯỚNG THIẾT BỊ ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS. NGUYỄN THẾ CÔNG

Hà Nội – Năm 2014

LỜI CAM ĐOAN


Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và là công trình
nghiên cứu của tôi, chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Hà Nội, ngày tháng năm 2014
Tác giả luận văn

Bùi Thị Thu Hường


MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
TT

Ký hiệu, chữ

Ý nghĩa

viết tắt

1.

MPPT

Xác định điểm công suất cực đại

2.

AC/DC

Biến đổi từ xoay chiều sang một chiều

3.

DC/DC

Biến đổi từ một chiều thành một chiều

4.

DC/AC

Biến đổi từ một chiều sang xoay chiều

5.

D

Diot

6.

C

Tụ điện

7.

T

Van bán dẫn

8.

L

Cuộn cảm

9.

R

Tải đầu ra

10.

d

Tỉ lệ mở van

11.

N1

Số vòng dây cuộn sơ cấp

12.

N2

Số vòng dây cuộn thứ cấp

13.

P

Công suất

14.

H

Hiệu suất

15.

Fsw

Tần số chuyển mạch

16.

UV, Vin

17.

Dmax

Độ mở lớn nhất của van

18.

Eng

Năng lượng tích trong cuộn cảm

19.

Ipk

Dòng điện đỉnh

20.

Điện áp đầu vào

Giá trị dao động của dòng điện

21.

J

Mật độ dòng điện

22.

Irms

Dòng điện hiệu dụng

23.

VOC

Điện áp khi hở mạch

Ghi chú

24.

ISC

Dòng điện khi ngắn mạch

25.

t

Thời gian

26.

q

Điện tích điện tử

27.

G

Bức xạ mặt trời

28.

Rs, Rp

29.

I-V

Đặc tính dòng điện, điện áp

30.

P- V

Đặc tính công suất, điện áp

Điện trở nội song song và nối tiếp trong tấm pin mặt
trời

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Với việc trái đất đang ngày càng nóng lên và việc các nhiên liệu hóa thạch đang
trở nên khan hiếm trong thời gian gần đây đã dẫn đến sự chú ý vào việc sử dụng các
nguồn năng lượng tái tạo. Các nguồn năng lượng tái tạo đang trở thành một sự thay thế
tối ưu cho các nguồn năng lượng hóa thạch truyền thống. Các nghiên cứu về các hệ
thống năng lượng mặt trời ngày càng nhiều do nguồn năng lượng này sẵn có ở mọi chỗ
và được xem như là một trong các nguồn năng lượng tái tạo chủ yếu cho tương lai.
Việc ứng dụng năng lượng pin mặt trời vào trong thực tế sản xuất và sinh hoạt
ngày càng được mở rộng. Sử dụng hệ thống pin mặt trời độc lập cho thấy tính tiện
dụng và làm gánh nặng cho lưới điện quốc gia nhất là cho các hệ thống đèn tín hiệu
giao thông, đèn đường. Bên cạnh đó, việc sử dụng đèn Led thay thế cho các loại đèn

truyền thống đang là xu hướng mới do tính tiện dụng, công suất tiêu thụ nhỏ và đảm
bảo tính thẩm mỹ cho môi trường xung quanh.
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Việc nghiên cứu “điều khiển thông minh hệ thống chiếu sáng bằng đèn
Led sử dụng năng lượng mặt trời” sẽ giúp cho việc sử dụng năng lượng mặt trời một
cách hiệu quả, nâng cao tính ổn định, tin cậy trong vận hành của hệ thống chiếu sáng.
3. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Mục đích của đề tài:
Nghiên cứu điều khiển thông minh hệ thống chiếu sáng bằng đèn Led sử dụng
năng lượng mặt trời.
- Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài:
+ Tìm hiểu chi tiết về nguyên lý hoạt động, xây dựng thuật toán điều khiển tối
ưu cho hệ thống chiếu sáng.
+ Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống bằng phần mềm Matlab.
+ Đưa ra kết luận, đề xuất hướng phát triển .

6


4. Cấu trúc của luận văn
Luận văn bao gồm 5 chương:
Chương 1: Tổng quan về năng lượng mặt trời và chiếu sáng bằng đèn Led
Chương 2: Nghiên cứu bộ biến đổi DC/DC
Chương 3: Nghiên cứu điều khiển thông minh hệ thống chiếu sáng bằng đèn
Led sử dụng pin mặt trời dùng bộ biến đổi DC/DC.
Chương 4: Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển của đề tài
Luận văn mang ý nghĩa thực tiễn cao và hi vọng là tài liệu hữu ích cho các sinh
viên, kỹ sư quan tâm đến vấn đề này. Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng do trình độ
còn hạn chế nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong được sự góp ý

để luận văn hoàn thiện hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS. Nguyễn Thế Công, các thầy cô trong bộ
môn Thiết bị điện - Điện tử trường Đại học Bách khoa Hà Nội và các đồng nghiệp đã
giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này.

7


Chương 1. TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ
CHIẾU SÁNG BẰNG ĐÈN LED
1.1.

Khái quát về năng lượng mặt trời [10]
Hiện nay các nguồn năng lượng phổ biến như thủy điện, nhiệt điện đang ngày

một cạn kiệt, và việc sản xuất điện bằng các nhà máy thủy điện, nhiệt điện gây ra ô
nhiễm môi trường và thay đổi môi trường sinh thái. Cùng với sự phát triển của kinh tế
xã hội, nhu cầu về điện ngày càng tăng, con người cần phải tìm ra các nguồn năng
lượng mới để đáp ứng nhu cầu của mình. Năng lượng mặt trời là một trong những giải
pháp được thay thế. Với ưu điểm là nguồn năng lượng sạch, lâu dài, tái tạo và thân
thiện với môi trường.
Mặt Trời là nguồn năng lượng lớn nhất mà con người có thể tận dụng được:
sạch, mạnh mẽ, dồi dào, đáng tin cậy, gần như vô tận, và có ở khắp nơi dù ít hay
nhiều. Việc thu giữ năng lượng Mặt Trời gần như không có ảnh hưởng tiêu cực gì đến
môi trường. Việc sử dụng không thải ra khí và nước độc hại, do đó không góp phần
vào vấn đề ô nhiễm môi trường và hiệu ứng nhà kính.
Mặt Trời là một khối cầu có đường kính khoáng 1,4 triệu km với thành phần
gồm các khí có nhiệt độ rất cao. Nhiệt độ bên trong Mặt Trời đạt đến gần 15 triệu độ,
với áp suất gấp 70 tỷ lần áp suất khí quyển của Trái Đất. Đây là điều kiện lý tưởng cho
các phản ứng phân hạch của các nguyên tử hydro. Bức xạ gamma từ các phản ứng

phân hạch này, trong quá trình được truyền từ tâm Mặt Trời ra ngoài, tương tác với các
nguyên tố khác bên trong Mặt Trời và chuyển thành bức xạ có mức năng lượng thấp
hơn, chủ yếu là ánh sáng và phần nhiệt của phổ năng lượng. Bức xạ điện từ này, với
phổ năng lượng trải dài từ tia cực tím đến hồng ngoại, phát ra không gian ở mọi hướng
khác nhau. Quá trình bức xạ của Mặt Trời diễn ra từ 5 tỷ năm nay, và sẽ còn tiếp tục
trong vài tỷ năm nữa.
Mỗi giây, Mặt Trời phát ra một khối năng lượng khổng lồ vào Thái Dương Hệ,
tuy nhiên chỉ một phần rất nhỏ tổng lượng bức xạ đến được Trái Đất. Tuy nhiên, phần
năng lượng này vẫn được xem là rất lớn, vào khoảng 1.367 MW/m 2 ở ngoại tầng khí
quyển của Trái Đất. Một phần lớn bức xạ Mặt Trời phản xạ lại về không gian trên bề
mặt các đám mây. Còn lại 99% bức xạ Mặt Trời chiếu xuống bề mặt Trái Đất chuyển

8


thành nhiệt và sau đó tỏa nhiệt lại về không gian. Chỉ cần một phần nhỏ năng lượng
Mặt Trời được sử dụng thì có thể đáp ứng được nhu cầu về năng lượng của thế giới.
Việc chuyển hóa năng lượng mặt trời được thực hiện thông qua các tấm pin
quang điện hay còn gọi là pin Mặt Trời. Các tấm pin Mặt Trời này chuyển đổi trực tiếp
ánh sáng thành điện năng, như thường được thấy trong các máy tính cầm tay hay đồng
hồ đeo tay. Chúng được làm từ các vật liệu bán dẫn tương tự như trong các con chíp
điện tử trong máy tính. Một khi ánh sáng Mặt Trời được hấp thụ bởi các vật liệu này,
năng lượng Mặt Trời sẽ đánh bật các hạt điện tích (electron) năng lượng thấp trong
nguyên tử của vật liệu bán dẫn, cho phép các hạt tích điện này di chuyển trong vật liệu
và tạo thành điện. Quá trình chuyển đổi photon thành điện này gọi là hiệu ứng quang
điện. Cho dù được phát hiện từ hơn 200 năm trước, kỹ thuật quang điện chỉ phát triển
rộng rãi trong ứng dụng dân sự kể từ cuộc khủng hoảng dầu mỏ vào năm 1973.
Các pin Mặt Trời thông thường được lắp thành một module khoảng 40 phiến
pin, và 10 module sẽ được lắp gộp lại thành chuỗi Quang điện có thể dài vài mét. Các
chuỗi Pin Mặt Trời dạng phẳng này được lắp ở một góc cố định hướng về phía Nam,

hoặc được lắp trên một hệ thống hiệu chỉnh hướng nắng để luôn bắt được nắng theo sự
thay đổi quĩ đạo của nắng Mặt Trời. Qui mô hệ thống quang điện có thể từ mức 10-20
chuỗi quang điện cho các ứng dụng dân sự, cho đến hệ thống lớn bao gồm hàng trăm
chuỗi quang điện kết nối với nhau để cung cấp cho các cơ sở sản xuất điện hay trong
các

ứng

dụng

công

nghiệp...

Một số dạng pin Mặt Trời được thiết kế để vận hành trong điều kiện ánh sáng
Mặt Trời hội tụ. Các Pin Mặt Trời này được lắp đặt thành các collector tập trung ánh
sáng Mặt Trời sử dụng các lăng kính hội tụ ánh sáng. Phương pháp này có mặt thuật
lợi và bất lợi so với mạng Pin Mặt Trời dạng phẳng (flat-plate PV). Thuận lợi ở điểm
là sử dụng rất ít các vật liệu Pin Mặt Trời bán dẫn đắt tiền trong khi đó hấp tối đa ánh
sáng Mặt Trời. Mặt bất lợi là các lăng kính hội tụ phải được hướng thẳng đến Mặt
Trời, do đó việc sử dụng các hệ hấp thụ tập trung chỉ khai triển ở những khu vực có
nắng nhiều nhất, đa số đòi hỏi việc sử dụng các thiết bị hiệu chỉnh hướng nắng tối tân,
kỹ thuật cao.
Hiệu quả của Pin Mặt Trời phụ thuộc trực tiếp vào hiệu suất chuyển đổi ánh
sáng thành điện năng của phiến pin Mặt Trời. Chỉ có ánh sáng Mặt Trời với mức năng
lượng nhất định mới có thể chuyển đổi một cách hiệu quả thành điện năng, chưa kể
đến một phần lớn lượng ánh sáng bị phản chiếu lại hoặc hấp thụ bởi vật liệu cấu thành

9

phiến pin. Do đó, hiệu suất tiêu biểu cho các loại pin Mặt Trời thương mại hiện nay
vẫn tương đối thấp, khoảng 15% (tương đương với 1/6 bức xạ Mặt Trời chiếu đến pin
được chuyển thành điện). Hiệu suất thấp dẫn đến việc đòi hỏi tăng diện tích lắp đặt để
đạt được công suất đưa ra, tức là tăng giá thành sản xuất. Do đó, mục tiêu hành đầu
hiện nay của ngành công nghiệp điện mặt trời là tăng hiệu quả Pin và giảm giá thành
trên đơn vị phiến pin.
Mỹ, Áo, Tây Ban Nha, Nhật Bản và Pháp là các quốc gia dẫn đầu về khai thác
nhiệt Mặt Trời, năng lượng điện được tạo ra thông qua các hệ thống tập trung ánh sáng
có công suất lắp đặt lên đến hàng trăm MW. Chỉ riêng vào năm 1995, tại Cộng Đồng
Châu Âu đã có 6,5 triệu m2 diện tích lắp đặt gương tập trung ánh sáng Mặt Trời với tốc
độ phát triển là 15% trong năm trước đó.
Việt Nam có bức xạ Mặt Trời vào loại cao trên thế giới, với số giờ nắng dao
động từ 1.600-2.600 giờ/năm, đặc biệt là khu vực phía Nam. Việt Nam hiện có trên
100 trạm quan trắc toàn quốc để theo dõi dữ liệu về năng lượng mặt trời. Tính trung
bình toàn quốc thì bức xạ Mặt Trời dao động từ 3,8-5,2 kWh/m 2/ngày. Tiềm năng điện
Mặt Trời là tốt nhất ở các vùng từ Thừa Thiên Huế trở vào miền Nam (bức xạ dao
động từ 4,0-5,9 kWh/m2/ngày).
Cho đến nay, Việt Nam đã lắp đặt hơn 1000 kW hệ thống Pin mặt trời. Hầu hết
các hệ quang điện được lắp đặt chỉ có công suất tương đối nhỏ, từ 50-1000 Wp.
Các ứng dụng chủ yếu của năng lượng mặt trời hiện nay gồm hai lĩnh vực: năng
lượng mặt trời biến đổi thành điện năng nhờ các tế bào quang điện hoặc bán dẫn gọi là
pin mặt trời và sử dụng năng lượng mặt trời dưới dạng điện năng – dùng các thiết bị
thu bức xạ nhiệt mặt trời và tích nó dưới dạng nhiệt năng.
1.2 Pin mặt trời[2]
Hệ thống pin mặt trời được sử dụng nhằm mục đích sản xuất ra điện trực tiếp từ
năng lượng mặt trời thông qua các tấm pin mặt trời là các tế bào quang điện. Pin mặt
trời có ưu điểm là gọn nhẹ có thể lắp bất kỳ ở đâu có ánh sáng mặt trời, đặc biệt là
trong lĩnh vực tàu vũ trụ. Ứng dụng năng lượng mặt trời dưới dạng này được phát triển
với tốc độ rất nhanh, nhất là ở các nước phát triển. Ngày nay con người đã ứng dụng

pin mặt trời trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, để chạy xe và trong sinh hoạt thay thế
dần nguồn năng lượng truyền thống.
Pin mặt trời làm việc theo nguyên lý là biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ
mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện.

10


Pin mặt trời được chế tạo chủ yếu từ các silic tinh thể, có thể chia làm ba loại
như sau
1.2.1 Loại đơn tinh thể
Được chế tạo dựa trên quá trình Czochralski. Đơn tinh thể này có hiệu suất tới
16%, thường được chế tạo bằng cách cắt từ các thỏi hình ống. Các đơn tinh thể này
thường có các mặt trống ở góc nối các module. Giá thành loại này thường đắt.

1.2.2 Loại đa tinh thể
Đây là loại được chế tạo từ các thỏi đúc, đúc từ silic nung chảy cẩn thận, được
làm nguội và làm rắn. Các pin này có hiệu suất thấp hơn loại pin đơn tinh thể và có giá
thành thấp hơn. Tuy nhiên, chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt
nhiều hơn loại đơn tinh thể để bù lại cho hiệu suất thấp của nó.

Hình 1. 1 Pin mặt trời loại đơn tinh thể (trái) và đa tinh thể (phải)[10]

1.2.3 Loại bán dẫn
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, nhưng có giá thành rẻ nhất trong số các
loại pin mặt trời vì không cần phải cắt thỏi silic.
Cấu tạo của loại pin mặt trời bán dẫn như sau:
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. Pin mặt trời được sản

xuất phổ biến hiện nay thường làm từ vật liệu tinh thể bán dẫn silic (Si) hóa trị 4. Từ
tinh thể Si tinh khiết, để có vật liệu bán dẫn Si loại n, người ta pha tạp chất donor là
photpho có hóa trị 5. Còn để có vật liệu bán dẫn Si loại p thì tạp chất acceptor dùng để
pha vào Si là Bo có hóa trị 3. Đối với pin mặt trời được làm từ vật liệu tinh thể Si, khi

11


bức xạ mặt trời chiếu đến thì hiệu điện thế hở mạch giữa hai cực khoảng 0,55V và
dòng điện ngắn mạch của nó khi bức xạ mặt trời có cường độ 1000W/m 2 vào khoảng
25 – 30mA/cm2.
Hiện nay người ta đã chế tạo pin mặt trời bằng vật liệu silic vô định hình (a-Si).
So với pin mặt trời tinh thể Si thì pin mặt trời a-Si rẻ hơn nhưng hiệu suất thấp và kém
ổn định hơn.
Bên cạnh vật liệu Si, hiện nay người ta đang nghiên cứu và thử nghiệm các loại
vật liệu khác như Sunfit Cadimi – đồng (CuCds), galium-arsenit (GaAs),…
Công nghệ chế tạo pin mặt trời gồm nhiều công đoạn khác nhau, cụ thể để chế
tạo ra pin mặt trời từ Si đa tinh thể cần qua các công đoạn như hình 1.2.

Hình 1. 2 Các bước chế tạo pin mặt trời
1.3 Các dạng hệ thống quang điện [10]
Hiện nay, tồn tại hai dạng hệ thống quang điện là hệ thống quang điện hòa lưới
và hệ thống quang điện độc lập.

1.3.1 Hệ thống quang điện hòa lưới[10]
Có hai dạng hệ thống quang điện hòa lưới (hình 1.3): hệ thống quang điện hòa
lưới trực tiếp và hệ thống quang điện hòa lưới trữ acquy. Trong cả hai hệ thống thì
module quang điện và bộ biến đổi DC/AC là thành phần thiết yếu. Module quang điện
có chức năng biến đổi quang năng thành điện năng (điện một chiều) và bộ biến đổi
DC/AC có vai trò biến đổi điện một chiều (DC) thành điện xoay chiều (AC).

- Hệ thống quang điện hòa lưới trực tiếp là một hệ thống tương đối đơn giản, điện
áp một chiều được biến đổi trực tiếp thành xoay chiều và hòa lưới điện. Hệ thống
này không có thiết bị trữ năng lượng, vì thế, nếu xảy ra sự cố thì tải sẽ mất điện.

12


- Hệ thống quang điện trữ acquy: hệ thống này có thêm acquy nên cải thiện được
tình trạng mất điện trên tải nếu nguồn bị cắt điện. Hệ thống có thêm acquy và thiết
bị điều khiển phức tạp. Khi nguồn điện lưới bị cắt vào ban đêm thì điện dự trữ
trong acquy sẽ được dùng cho đến khi cạn, còn nếu nguồn điện lưới bị cắt điện
vào ban ngày thì hệ thống pin quang điện sẽ tiếp tục nạp điện cho acquy, tăng khả
năng tích điện cho buổi tối. Hệ thống này thường có công suất lớn.

Hệ thống pin mặt trời

Bộ biến đổi DC/DC

Hệ thống acquy

Bộ biến đổi DC/AC
Tải
Hình 1. 3 Sơ đồ hệ thống quang điện hòa lưới

1.3.2 Hệ thống quang điện độc lập[10]

Bộ hòa lưới

Hệ thống quang điện độc lập (hình 1.4) có quy mô và công suất phù hợp với các

tải một chiều và xoay chiều công suất nhỏ. Hệ thống này có thể chỉ gồm các module
quang điện hoặc kết hợp với các dạng nguồn khác như phong điện, máy phát điện
diesel gọi là hệ quang điện liên kết (hybrid system). Vào những ngày không có nắng
hoặc nắng yếu thì tải sẽ được cung cấp điện bởi các nguồn liên kết (phong điện hay
chạy máy phát điện diesel) qua đó nâng cao độ tin cậy trong vận hành cho hệ thống.
Hiện nay, hệ thống quang điện độc lập này được dùng nhiều trong các hộ tiêu
thụ nhỏ và đặc biệt là trong các công trình công cộng như đèn đường, đèn tín hiệu giao
thông, camera giám sát hành trình,… Hệ thống chiếu sáng đường bằng năng lượng mặt
trời thuộc loại hệ thống quang điện độc lập này.

Hệ thống pin mặt trời Bộ biến đổi DC/DC

Hệ thống acquy

Bộ biến đổi DC/AC
Tải

13


Hình 1. 4 Sơ đồ hệ thống quang điện độc lập
1.4 Sử dụng đèn Led trong chiếu sáng bằng năng lượng mặt trời
1.4.1 . Sử dụng đèn Led trong chiếu sáng
Đèn Led là công nghệ đèn sử dụng các diode phát quang (Light emiting diode).
Cũng như các diode thông thường, Led là một chip bằng vật liệu bán dẫn có cấu tạo
tạp chất để tạo thành một chuyển tiếp p-n dẫn điện theo một chiều. Những điện tử và
lỗ trống từ các cực có điện thế khác nhau chảy vào lớp chuyển tiếp. Khi một điện tử
gặp một lỗ trống, nó rơi xuống một mức năng lượng thấp hơn và phát ra năng lượng
dưới dạng một quang tử (photon). Bước sóng của quang bức xạ ra và màu của nó phụ
thuộc vào khoảng cách mức năng lượng của các vật liệu hình thành lớp chuyển tiếp pn.

Hiện nay, Led được dùng trong chiếu sáng ngày càng rộng rãi trong sinh hoạt
và sản xuất. Phương pháp chiếu sáng này có nhiều ưu điểm nổi trội hơn so với các loại
đèn truyền thống. Cụ thể [7]:
 Đây là phương pháp chiếu sáng cho hiệu suất cao, phát ra ít tạp chất hơn so với các
loại đèn thông thường;
 Đèn Led có thể dùng được với điện áp thấp 12VDC hoặc điện xoay chiều dân dụng







120 – 220VAC;
Bóng đèn Led bền, không sợ bị đứt dây tóc hay vỡ bóng;
Tuổi thọ cao, xấp xỉ 100.000h;
Điện năng tiêu thụ ít;
Bức xạ nhiệt thấp, tổn hao do bức xạ nhiệt giảm;
Sử dụng linh hoạt: do có kích thước nhỏ nên có thể ghép thành hình dạng bất kỳ như

thành đèn hay thành mảng, phù hợp cho các không gian khác nhau;
 Thân thiện với môi trường: Do Led không chứa thủy ngân như các loại đèn halogen
truyền thống nên việc sản xuất và sử dụng Led rất an toàn;
 Tuy nhiên, giá thành của đèn Led còn cao hơn so với các loại đèn truyền thống.
1.4.2. Sử dụng Led trong chiếu sáng đường
Cũng như nhiều quốc gia trên thế giới [11], tại Việt Nam, đèn Led được sử
dụng chủ yếu trong ngành công nghiệp quảng cáo và gần đây là dùng chiếu sáng đèn
đường, thay thế đèn sợi đốt, làm tín hiệu giao thông ở nhiều tuyến đường.

14

Việc thay thế đèn đường thông thường bằng đèn Led sử dụng Năng lượng mặt
trời là góp phần tiết kiệm năng lượng và giảm ô nhiễm môi trường. Với sự phát triển
của công nghệ, giải pháp đèn đường dùng năng lượng sạch ngày càng phát triển và
được ứng dụng rộng rãi với các tính năng ưu việt của nó như tiết kiệm, an toàn, hoạt
động ổn định, độ bền cao, dễ lắp đặt, không cần lưới điện, không tốn chi phí tiền điện
hàng tháng, hoạt động hoàn toàn tự động, chi phí bảo trì, bảo dưỡng thấp.
Năm 2008 [11], lần đầu tiên công nghệ đèn Led được ứng dụng cho chiếu sáng
công trình công cộng tại Việt Nam và được lắp tại cầu sông Hàn và Thuận Phước của
thành phố Đà Nẵng. Hệ thống được lắp cho trụ cầu có khả năng điều khiển màu sắc
theo một chương trình phần mềm được thiết kế theo nhu cầu của chủ công trình.

Hình 1. 5 Đèn đường dùng pin mặt trời
Với đặc điểm của hai cây cầu này là gần biển, gió mạnh nên đèn Led được lắp
trên thành cầu có thân bằng nhôm, sử dụng kính chịu nhiệt với mức bảo vệ IP65. Bóng
đèn được tổ hợp từ các hệ thống ma trận đèn Led nhỏ. Theo đó, mỗi bộ đèn chỉ có
công suất tiêu thụ 25W nhưng khoảng cách ánh sáng có thể đưa xa được 20m, góc độ
chùm sáng có thể đạt từ 20-450. Theo các chuyên gia của tập đoàn quốc tế Kim Đỉnhđơn vị thhi công lắp đặt thì tại hao cây cầu này, đơn vị thi công đã chọn bộ điều khiển
DMX để điều chỉnh màu sắc và cường độ sáng, giúp cho hệ thống chiếu sáng hoạt
động linh hoạt hơn, uyển chuyển về màu sắc hơn, nó giúp cho thay đổi hệ thống màu
sắc

đèn

Led

từ

thấp

lên

cao,

từ

trái

sang

phải

và

ngược

lại.

Có thể nói, các đèn LED cho chiếu sáng cầu cảng, mặt tiền, kết cấu kiến trúc và
trang trí thẩm mỹ như đèn LED strip II, đèn LED Dynaflood, Ledbatten (của hãng
Philips) rất phổ biến tại châu Âu cũng đã và đang xâm nhập rộng rãi vào thị trường

15


Việt Nam. Bên cạnh các ưu điểm chung của đèn LED thì các loại đèn này có nhiều
màu sắc, hiệu quả ánh sáng cao và cho phép thực hiện nhiều ý tưởng thiết kế lãng
mạn, đẹp mắt và có tính nghệ thuật. Điều này đã góp phần làm nổi bật các công trình
kiến trúc, tạo vẻ đẹp quyến rũ, huyền bí nhất là đối với các công trình nghệ thuật, lịch

sử, bảo tàng…

Hình 1. 6 Đèn LED ở cầu Thuận Phước được áp dụng công nghệ điều khiển
không dây
Tuy nhiên, việc sử dụng đèn LED thay thế các đèn truyền thống để chiếu sáng
trong nhà và nơi công cộng vẫn còn khá mới mẻ ở nước ta. Hiện tại, chỉ ít địa phương
sử dụng đèn LED trong chiếu sáng ngõ hẻm như: thành phố Đà Nẵng đã thay thế 55
bộ đèn HPS, thành phố Hải Phòng thay 12 bộ đèn HPS bằng bộ đèn chiếu sáng LED
để chiếu sáng ngõ hẻm. Thành phố Cần Thơ là một trong những địa phương đầu tiên
của nước ta sử dụng thử nghiệm đèn LED không dùng điện lưới mà sử dụng dàn pin
mặt trời để chiếu sáng đường. Còn tại Khu công nghệ cao Hoà Lạc, Hà Nội, đèn chiếu
sáng LED được sử dụng turbin phát điện gió và dàn pin mặt trời đã được lắp đặt để
chiếu sáng ngoài nhà. Đặc biệt, tuốc turbin gió này có vận tốc khởi động thấp (chỉ ở

16


1,8m/s) có khả năng tự động điều tiết độ chiếu sáng theo thời gian và nhu cầu sử dụng
trong ngày.
Trong khi đó, tại khu công nghệ cao thành phố Hồ Chí Minh, tháng 4/2010 đã
nghiệm thu và đưa vào sử dụng 28 trụ đèn chiếu sáng sử dụng năng lượng gió và mặt
trời do công ty cổ phần tập đoàn quốc tế Kim Đỉnh và công ty chiếu sáng công cộng
thành phố Hồ Chí Minh lắp đặt. Các trụ đèn này đều sử dụng đèn Led công suất 160W
có

độ

sáng

tương

đương

bóng

đèn

cao

áp

400W

thông

thường.

Như vậy, với khả năng tiết kiệm điện to lớn, tính thẩm mỹ và nghệ thuật cao
trong chiếu sáng công cộng, khả năng ứng dụng đa dạng của công nghệ chiếu sáng
Led, trong những năm tới chắc chắn đèn Led sẽ ngày càng được sử dụng nhiều ở Việt
Nam, góp phần to lớn vào công cuộc đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia cũng như
mục tiêu quốc gia về tiết kiệm và sử dụng năng lượng hiệu quả mà Việt Nam đang
theo đuổi.
1.5 Ưu, nhược điểm của năng lượng mặt trời so với các dạng năng lượng
khác.
1.5.1 . Ưu điểm
Đánh giá năng lượng mặt trời cũng như các dạng năng lượng khác dựa trên các
đáp ứng theo nhu cầu sử dụng trong công nghiệp và dân dụng. Dựa trên các cơ sở đó,
ta nhận thấy năng lượng mặt trời có các ưu điểm nổi bật dưới đây:

 Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng vô tận, có thể tái tạo, luôn sẵn có trong tự
nhiên;
 Dễ dàng triển khai thực hiện trong công nghiệp (công suất lớn) và đặc biệt là trong dân
dụng (công suất nhỏ) do việc lắp đặt dễ dàng, tận dụng không gian tốt, không làm mất
mỹ quan chung và có thể triển khai ở hầu hết mọi nơi trên bề mặt trái đất;
 Chi phí đầu tư lắp đặt thấp;
 Chi phí bảo dưỡng hệ thống thấp: hầu như không phải bảo dưỡng do các tấm pin mặt
trời có độ bền lớn, tuổi thọ cao;
 Là nguồn năng lượng thân thiện với môi trường nhất: không thải ra khí cacbon đi-o-xit
gây hiệu ứng nhà kính như các năng lượng hóa thạch, không gây ra tiếng ồn như năng
lượng gió;

17


 Tính kinh tế cao vì đây là năng lượng có thể dễ dàng triển khai ở những nơi mà điện
lưới khó có thể đi tới hay chi phí lắp đặt đường dây tải điện quá lớn so với nhu cầu sử
dụng như các vùng núi cao, hải đảo hay sa mạc;
 Trong tương lai, giá thành của năng lượng mặt trời sẽ giảm, do sự phát triển của khoa
học công nghệ.
1.5.2. Nhược điểm
Bên cạnh các ưu điểm nổi bật như đã nêu thì năng lượng mặt trời còn tồn tại
một số nhược điểm:

 Năng lượng mặt trời không có hiệu quả ở những nơi ít có nắng, phụ thuộc nhiều vào
thời tiết;
 Năng lượng điện chỉ có thể sản xuất vào ban ngày, khi có ánh sáng mặt trời. Do vậy,
để đáp ứng nhu cầu sử dụng trong cả ngày cần hệ thống acquy, pin dự trữ lớn, gây
cồng kềnh và gia tăng chi phí lắp đặt cho hệ thống;
 Với hệ thống có quy mô lớn thì việc triển khai phức tạp do thiếu không gian lắp đặt

pin mặt trời;
 Quá trình sản xuất ra điện phụ thuộc nhiều vào bức xạ nhiệt. Do đó sản lượng điện
không đều.
1.6 Tính thực tiễn của đề tài
Qua việc phân tích ưu, nhược điểm của năng lượng mặt trời so với các dạng
năng lượng khác và ưu, nhược điểm của đèn Led so với các loại đèn truyền thống ta
nhận thấy việc đưa đèn Led chiếu sáng đường dùng điện mặt trời là một giải pháp hiệu
quả, góp phần làm giảm gánh nặng cho lưới điện tận dụng được tối đa năng lượng mặt
trời. Việc lắp đặt các đèn Led chiếu sáng đường có nhiều ưu điểm nổi bật so với chiếu
sáng truyền thống. Cụ thể:
 Đây là hệ thống độc lập so với lưới điện, chi phí vận hành nhỏ, ít phải bảo dưỡng;
 Hệ thống không sử dụng dây nối ngoài nên các sự cố thông thường về điện như đứt
dây, chạm chập ít xảy ra;
 Các bộ phận của hệ thống có thể dễ dàng tách ra, thuận tiện cho việc di chuyển, lắp
đặt;
 Ngoài ra, đây còn là phương pháp chiếu sáng thân thiện với môi trường, không gây ô
nhiễm môi trường.

18


Với vị trí là nước nằm trong vùng nhiệt đới, số giờ nắng trong năm cao thì việc
thay thế, lắp mới đèn đường bằng đèn Led sử dụng năng lượng mặt trời là một tất yếu
của quá trình hiện đại hóa đất nước và góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường.

19


Chương 2. NGHIÊN CỨU BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC
2.1 Khái quát về bộ biến đổi DC/DC

Bộ biến đổi DC/DC là thiết bị trung gian giữa các tấm pin mặt trời và bình acquy, điều khiển việc sạc bình acquy từ nguồn điện do pin mặt trời sinh ra. Bộ biến đổi
có chức năng sau:

 Bảo vệ bình acquy: Khi acquy đầy, bộ điều khiển ngăn không cho nguồn điện tiếp tục
nạp vào, có thể gây sôi bình và ảnh hưởng đến tuổi thọ của bình. Khi bình acquy gần
cạn đến ngưỡng phải ngắt để bảo vệ bình, bộ điều khiển ac-quy sẽ ngắt không cho sử
dụng tải để đảm bảo bình không bị cạn kiệt;

 Bảo vệ tấm pin mặt trời: Ban ngày trời nắng, điện áp pin loại 12V có thể lên tới 1520V, cao hơn điện áp acquy nên dòng điện sẽ đi từ pin xuống acquy. Về đêm, điện áp
của tấm pin thấp hơn của ac-quy nên dòng điện sẽ đi ngược từ acquy về pin, đốt nóng
tấm pin làm hiệu suất của pin giảm đi và gây hỏng pin. Bộ điều khiển ngăn không để
dòng điện có thể đi ngược lên tấm pin, tránh được hiện tượng trên;
 Đạt được hiệu suất cao nhất từ pin mặt trời.
Bộ biến đổi DC/DC có vai trò quan trọng trong hệ thống năng lượng mặt trời,
điều khiển đóng cắt khi acquy đầy hoặc khi acquy cạn và bảo vệ không cho dòng điện
trào lên pin. Các phương pháp dùng để điều khiển bộ biến đổi DC/DC bao gồm:

- Phương pháp điều khiển độ rộng xung PWM bằng mạch transistor đóng cắt
liên tục để ổn áp sạc cho ac-quy (phương pháp này có tổn hao công suất

-

khoảng 20%);
Phương pháp điều khiển độ rộng xung PWM không tổn hao dùng bộ vi xử
lý và thiết bị đo chọn được thời điểm có công suất cực đại P max để sạc cho

-

ac-quy;
Phương pháp sạc xung: đây là phương pháp sạc qua nhiều giai đoạn nên có

thể kéo dài tuổi thọ của ac-quy.
Như vậy, việc lựa chọn bộ biến đổi và cùng phương pháp điều khiển tương ứng
cho hệ thống năng lượng mặt trời quyết định đến tính ổn định của hệ thống, nâng cao
hiệu suất của quá trình chuyển đổi cũng như kéo dài tuổi thọ cho acquy.
2.2 Các bộ biến đổi DC/DC điển hình

20


2.2.1.Bộ biến đổi Buck [1]
Bộ biến đổi Buck là bộ biến đổi cho điện áp đầu ra nhỏ hơn điện áp đầu vào
Vout < Vin.
Sơ đồ nguyên lý của bộ biến đổi như hình 2.1a

L

T

Vout

+
Vin PWM control

D

C

+
load

t off

ton
a)

Vin

Vin
c)
Hình 2. 1 Sơ b)
đồ nguyên lý bộ biến đổi Buck

•
•
•
•
•

Cấu trúc của bộ Buck bao gồm:
Nguồn áp đầu vào Vin
Diode D song song với nguồn
Khoá chuyển mạch T
Tụ lọc C song song với tải
Cuộn dây L nối tiếp giữa khoá chuyển mạch và tụ C
Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi Buck như sau:
Khi đóng nguồn “t on”, dòng điện qua cuộn cảm L và tăng dần lên. Tại thời
điểm này, tụ C được nạp và đồng thời cung cấp dòng điện cho tải. Chiều dòng điện
như hình 2.1b.
Khi ngắt nguồn “t off” cuộn cảm L tích lũy năng lượng từ trường và tụ C tích
lũy năng lượng điện trường trước đó sẽ phóng qua tải. Cuộn cảm L có xu hướng giữ

cho dòng điện không đổi và giảm dần. Chiều dòng điện như hình 2.1c.
Quá trình đóng cắt liên tục tạo ra trên tải một điện áp trung bình theo luật băm
xung PWM. Dòng điện qua tải có dạng xung tam giác như hình 2.2, đảm bảo cho dòng
điện liên tục qua tải. Tần số đóng cắt khá cao, đảm bảo triệt nhiễu công suất cho mạch.
Van công suất thường sử dụng các van Transistor có tốc độ cao, Mosfet hay IGBT.
Điện áp đầu ra của bộ biến đổi được tính như sau:

21


iout
(2.1)
với là độ rộng xung.

(2.2)

ton

ton

toff

iL = iout

Hình 2. 2 Dòng điện dạng tam giác trong bộ biến đổi Buck
Đặc điểm của bộ biến đổi Buck:

0

• Công suất đầu ra rất lớn so với công suất đầu vào vì sử dụng cuộn cảm, tổn hao công

c)

suất thấp nên được dùng nhiều trong mạch giảm áp nguồn DC.
• Đơn giản, chỉ dùng một van đóng cắt nguồn điện và có lọc đầu ra. Điện áp đầu ra được
điều biến theo độ rộng xung.
2.2.2 Bộ biến đổi Boost[1]
Bộ biến đổi Boost là bộ biến đổi cho điện áp ra lớn hơn so với điện áp vào V out
> Vin

PWM control

•
•
•
•
•

Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi Boost như hình 2.3a
Cấu trúc của bộ biến đổi Boost gồm:
Nguồn áp đầu vào Vin
Khóa T song song với nguồn áp vào
Điện cảm L mắc giữa nguồn vào và khóa T
Tụ C song song với tải
Diode D nối với tụ C

L

+

C

Vin

T

a)
Vin
t on

22
b)

Vout

D

+
load


Hình 2. 3 Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi Boost
Nguyên lý làm việc của bộ biến đổi Boost như sau:
Khi đóng van “t on”, dòng điện trong cuộn dây sẽ tăng dần. Dòng điện qua
cuộn cảm, qua van và xuống đất. Dòng điện không qua diode D và tụ điện C phóng
điện cung cấp cho tải. Ở thời điểm này thì phụ tải được cấp điện bởi tụ C. Chiều dòng
điện như hình 2.3b.
Khi mở van “t off”, ở cuối cuộn dây L xuất hiện một điện áp bằng điện áp đầu
vào, chiều của dòng điện trong mạch như hình 2.3c.
Điện áp ra tải còn phụ thuộc vào giá trị cuộn cảm L tích lũy năng lượng và điều

biến độ rộng xung PWM. Do tần số đóng cắt f c khá cao, cỡ kHz nên bộ biến đổi có khả
năng triệt nhiễu công suất và làm tăng công suất đầu ra. Dòng điện qua van đóng cắt
nhỏ hơn dòng điện đầu ra. Van đóng cắt thường là Transistor tốc độ, Mosfet hay
IGBT. Diode là diode xung, diode công suất.
Các giá trị dòng điện trong mạch được tính như sau:
(2.3)
(2.4)
(2.5)
(2.6)
với: Ton- Thời gian mở cửa van, Ipk dòng điện đỉnh
Bộ biến đổi Boost cho điện áp đầu ra lớn hơn so với điện áp đầu vào, do đó
công suất đầu vào phải lớn hơn công suất đầu ra. Công suất đầu ra phụ thuộc vào điện
cảm L. Hiệu suất bộ biến đổi Boost khá cao, được dùng nhiều trong các mạch nâng áp
do nó truyền trực tiếp nên công suất lớn. Dòng điện sinh ra cũng có dạng tam giác,
tương tự như trong bộ biến đổi Buck.
Bộ biến đổi Boost có hai chế độ làm việc:
Chế độ không liên tục: Nếu điện cảm quá nhỏ, trong một chu kỳ đóng cắt, dòng
điện sẽ tăng nạp năng lượng cho cuộn cảm rồi giảm dần, phóng năng lượng từ cuộn
cảm tới tải. Vì điện cảm nhỏ nên năng lượng trong điện cảm cũng nhỏ, hết một chu kỳ,
năng lượng trong điện cảm giảm về 0. Dòng điện đi từ 0 - max – 0.

23


Chế độ liên tục: Nếu điện cảm rất lớn, dòng điện trong một chu kỳ của điện
cảm sẽ không thay đổi nhiều mà chỉ dao động quanh giá trị trung bình. Chế độ liên tục
có hiệu suất và chất lượng tốt hơn.
Đặc điểm của bộ biến đổi Boost: chỉ dùng một van đóng cắt, điện áp ra chỉ phụ
thuộc vào điều biến độ rộng xung và giá trị của điện cảm L.
C

iout

ton

toff

ton

iL = iout

Hình 2. 4 Giản đồ dòng điện trong bộ biến đổi Boost (chế độ liên tục)

2.2.3 Bộ biến đổi Fly – Back[1]
Fly-back là bộ biến đổi kiểu nguồn xung một chiều truyền công suất gián tiếp
thông qua biến áp. Điện áp ra có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp vào, có thể cho
nhiều đầu ra.
Sơ đồ nguyên lý của bộ biến đổi Fly –Back như hình 2.5.

24


Hình 2. 5 Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi Fly - Back
Cấu trúc bộ Fly – back bao gồm:

• Nguồn áp đầu vào Vin
• Khóa chuyển mạch T
• Biến áp xung
• Tụ điện C mắc nối tiếp với tải
• Diode D mắc nối tiếp giữa biến áp xung và tụ C

Biến áp xung có vai trò truyền công suất từ đầu vào sang đầu ra. Điện áp đầu ra
phụ thuộc vào băm xung và tỷ số biến áp.
Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi Fly – Back như sau:
- Khi van đóng “T on”, dòng điện trong cuộn sơ cấp tăng lên, cực tính của
cuộn sơ cấp có chiều như hình 2.5a và ở phía bên thứ cấp sinh ra một điện áp có cực
tính dương. Điện áp ở bên sơ cấp phụ thuộc vào tỉ số các vòng dây W 1/W2 của cuộn sơ
cấp và thứ cấp. Do diode D chặn nên tải được cấp điện bởi tụ điện C.
- Khi mở van “T off”, cuộn dây sơ cấp mất điện đột ngột, lúc đó bên phía thứ
cấp, điện áp đảo chiều qua diode D cấp điện cho tải đồng thời nạp điện cho tụ điện C.
Đặc điểm của bộ biến đổi Fly-back

- Bộ biến đổi có thể cho nhiều điện áp đầu ra với một đầu vào kể cả đảo cực
-

tính.
Hiệu suất chuyển đổi cao

Điện áp đầu ra được tính như sau:
(2.7)
Trong đó: , T = Ton + Toff

25