Nghiên cứu bộ đèn chiếu sáng sử dụng năng lượng mặt trời

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

ĐÀO TUẤN ANH

NGHIÊN CỨU BỘ ĐÈN CHIẾU SÁNG
SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện hướng thiết bị điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỆN HƯỚNG THIẾT BỊ ĐIỆN
HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. NGUYẾN THẾ CÔNG

Hà Nội – Năm 2014


TRANG BÌA PHỤ

1


LỜI CAM ĐOAN

Sau một thời gian nghiên cứu, tìm hiểu bản luận văn đã được hoàn thành. Tôi
xin cam đoan toàn bộ nội dung và các kết quả tính toán là đúng sự thật. Tôi xin
chịu trách nhiệm về các nội dung nghiên cứu và các kết quả tính toán của mình.

Tác giả luận văn

Đào Tuấn Anh

2


MỤC LỤC
TRANG BÌA PHỤ .............................................................................................. 1
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................... 2
MỤC LỤC .......................................................................................................... 3
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ........................................................................... 5
DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................. 7
DANH MỤC HÌNH VẼ ...................................................................................... 8
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 12
Chương 1.

Giới thiệu chung ......................................................................... 14

1.1 Nhu cầu sử dụng năng lượng ................................................................. 14
1.2 Các nguồn năng lượng tái tạo ................................................................ 14
1.3 Hiệu ứng quang điện ............................................................................ 15
1.4 Tế bào năng lượng mặt trời .................................................................. 16
1.5 Tấm pin năng lượng mặt trời ................................................................. 27
Chương 2.

Hệ thống năng lượng mặt trời ..................................................... 31

2.1 Phân loại hệ thống quang điện .............................................................. 31
2.2 Hệ thống NLMT độc lập ...................................................................... 32
2.3 Hệ thống NLMT kết hợp diesel ............................................................ 43

2.4 Hệ thống NLMT nối lưới ..................................................................... 48
Chương 3.

Đèn chiếu sáng ........................................................................... 56

3.1 Các đại lượng đo ánh sáng ................................................................... 56
3.2 Các loại đèn chiếu sáng ........................................................................ 58
3.3 Đèn LED .............................................................................................. 65

3


3.4 Điều khiển đèn LED ............................................................................. 70
Chương 4.

Thiết kế bộ đèn chiếu sáng sử dụng năng lượng mặt trời ............ 77

4.1 Đặt bài toán ........................................................................................... 77
4.2 Theo dõi điểm công suất cực đại ........................................................... 80
4.3 Nguồn cấp cho hệ thống điều khiển ...................................................... 82
4.4 Hệ thống điều khiển LED ...................................................................... 84
4.5 Hệ thống nạp ắc quy.............................................................................. 86
4.6 Hệ thống điều khiển ............................................................................. 88
Chương 5.

Chiếu sáng thông minh sử dụng mạng cảm biến ........................ 96

5.1 Chiếu sáng phối hợp.............................................................................. 96
5.2 Hệ thống điều khiển thích nghi vòng kín ............................................. 100
5.3 Mô phỏng............................................................................................ 101

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ......................................................................... 104
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................... 105

4


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
ADC

: Bộ biến đổi tương tự sang số (Analog to Digital Converter)

BJT

: Transitor lưỡng cực (Bipolar Junction Transistor)

CCI

: Biến tần điều khiển dòng (Current-Controlled Inverters)

CRI

: Chỉ số hoàn màu (Color Rendering Index)

CSI

: Biến tần nguồn dòng (Current-Source Inverters)

DC

: Điện một chiều (Direct Current)

DSP

: Bộ vi xử lý kỹ thuật số (Digital Signal Proccessor)

FF

: Hệ số nạp (Fill Factor)

GPIO

: Vào ra đa năng (General Purpose Input Output)

HID

: Hơi thủy ngân thải cường độ cao (High Intensity Discharge)

IGBT

: Transistor có cực điều khiển cách ly (Insulated-Gate Bipolar
Transistor)

IRS

: Yêu cầu dịch vụ ngắt (Interrupt Service Request)

LED

: Diode phát quang (Light Emitting Diode)

LPS

: Hơi natri hạ áp (Low Pressure Sodium)

MCU

: Bộ vi điều khiển (Micro Control Unit)

MOSFET : Transitor trường silic oxit kim loại (Metal-Oxide Semiconductor
Field-Effect Transistor)
MPP

: Điểm công suất cực đại (Maximal Power Point)

MPPT

: Theo dõi điểm công suất cực đại (Maximal Power Point Tracking)

NLMT

: Năng lượng mặt trời

5


PID

: Thuật ngữ dùng cho bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (Proportional
Integral Derivative)

PV

: Quang điện (Photovoltaic)

PWM

: Điều chế độ rộng xung (Pulse-Width Modulation)

SEPIC

: Sơ đồ Flyback cải tiến (Single-Ended Primary-Inductor Converter)

SMPS

: Nguồn chuyển mạch (Switching Mode Power Supply)

TBNLMT : Tế bào năng lượng mặt trời
THASBN : Thu hoạch ánh sáng ban ngày
VCI

: Biến tần điều khiển áp (Voltage-Controlled Inverters)

VSI

: Biến tần nguồn áp (Voltage-Source Inverters)

6


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 4.1: Yêu cầu về nguồn cấp ....................................................................... 82
Bảng 4.2: Yêu cầu về hệ thống điều khiển LED ................................................ 84
Bảng 4.3: Chức năng và các mức điện áp tương ứng của hệ thống .................... 86
Bảng 5.1: So sánh độ rọi ................................................................................. 103
Bảng 5.2: So sánh hiệu suất năng lượng .......................................................... 103

7


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Năng lượng tiêu thụ trên toàn thế giới năm 2010 [9] .......................... 14
Hình 1.2: Hệ hai mức năng lượng. ..................................................................... 15
Hình 1.3: Các vùng năng lượng ......................................................................... 15
Hình 1.4: Lớp tiếp giáp p-n ............................................................................... 17
Hình 1.5: Cấu trúc cơ bản của một tế bào quang điện ........................................ 18
Hình 1.6: Minh họa một tế bào năng lượng mặt trời .......................................... 19
Hình 1.7: Đường cong I – V và sơ đồ mạch tương đương .................................. 20
Hình 1.8 : Đặc tính khi tăng cường độ sáng ....................................................... 21
Hình 1.9 : Sơ đồ mạch tương đương .................................................................. 21
Hình 1.10 : Đặc tính khi tế bào được chiếu sáng ................................................ 21
Hình 1.11: Điểm công suất cực đại .................................................................... 23
Hình 1.12: Đánh giá FF bằng phương pháp hình học ......................................... 24
Hình 1.13: Ảnh hưởng của RS và RSH ............................................................... 25
Hình 1.14: Ảnh hưởng của nhiệt độ tới đường cong I – V ................................. 27
Hình 1.15: Cấu trúc của tấm năng lượng mặt trời .............................................. 28
Hình 1.16: Các tế bào NLMT mắc nối tiếp và song song ................................... 29
Hình 1.17: Tấm pin NLMT thông dụng gồm 36 tế bào mắc nối tiếp .................. 29
Hình 1.18: Đường đặc tính I-V .......................................................................... 30
Hình 2.1: Hệ thống quang điện độc lập.............................................................. 31
Hình 2.2: Hệ thống NLMT kết hợp diesel ......................................................... 32

Hình 2.3: Hệ thống NLMT nối lưới ................................................................... 32
Hình 2.4: Ảnh hưởng của nhiệt độ trên phần tử NLMT silic. ............................. 33

8


Hình 2.5: Biểu đồ về quan hệ độ xả sâu và số chu kỳ của ắc quy ....................... 34
Hình 2.6: Bộ điều khiển nối tiếp ........................................................................ 35
Hình 2.7: Bộ điều khiển song song .................................................................... 36
Hình 2.8: Bộ biến đổi giảm áp ........................................................................... 37
Hình 2.9: Bộ biến đổi tăng áp ............................................................................ 37
Hình 2.10: Bộ biến đổi tăng/giảm áp ................................................................. 37
Hình 2.11: Đặc tính công suất - điện áp tương ứng ............................................ 38
với các mức chiếu sáng khác nhau ..................................................................... 38
Hình 2.12: Đặc tính tải của pin NLMT .............................................................. 38
Hình 2.13: Hệ thống bán cầu ............................................................................. 40
Hình 2.14: Hệ thống toàn cầu ............................................................................ 40
Hình 2.15: Mạch cho biến tần ba pha bốn dây ................................................... 41
Hình 2.16: Đường cong hiệu suất của một biến tần phổ biến ............................. 42
Hình 2.17: Biến tần một pha hai chiều............................................................... 42
Hình 2.18: Hệ thống NLMT lai nối tiếp............................................................. 44
Hình 2.19: Hệ thống năng lượng lai chuyển mạch ............................................. 45
Hình 2.20 : Biến tần hai chiều ........................................................................... 47
Hình 2.21: Biến tần nguồn áp ............................................................................ 51
Hình 2.22: Biến tần nguồn dòng ........................................................................ 51
Hình 2.23: LCI .................................................................................................. 52
Hình 2.24: SCI .................................................................................................. 53
Hình 2.25: Biến tần dùng biến cáp cao tần......................................................... 53
Hình 2.26: Sơ đồ hệ thống NLMT nối lưới đơn giản ......................................... 54
Hình 2.27: Giản đồ pha hệ thống NLMT nối lưới .............................................. 55

9


Hình 3.1: Biểu đồ Kruithof [10] ........................................................................ 57
Hình 3.3: Cấu tạo đèn sợi đốt [5] ....................................................................... 59
Hình 3.4: Cấu tạo đèn huỳnh quang [5] ............................................................. 60
Hình 3.5: Cấu tạo đèn HID [5] .......................................................................... 61
Hình 3.6: Cấu tạo đèn LPS [5]........................................................................... 62
Hình 3.7: Cấu tạo đèn LED [5] .......................................................................... 63
Hình 3.8: (a) Phát sáng bề mặt và (b) Phát sáng cạnh ........................................ 65
Hình 3.10: Cấu tạo LED và mô hình LED ......................................................... 66
Hình 3.13: Đặc tính dòng áp của diode .............................................................. 69
Hình 3.14: Sơ đồ nối tiếp................................................................................... 71
Hình 3.15: Sơ đồ song song chung anode, cathode và chung cả hai ................... 71
Hình 3.16: Một số sơ đồ kết hợp ....................................................................... 72
Hình 3.17: Mạch dùng điện trở hạn chế dòng .................................................... 73
Hình 3.18: Mạch dùng LM317HV..................................................................... 73
Hình 3.19: Mạch boost sử dụng HV9911 [4] ..................................................... 75
Hình 3.20: Mạch buck sử dụng HV9911 [4] ...................................................... 75
Hình 4.1: Sơ đồ hệ thống chiếu sáng dùng NLMT ............................................. 77
Hình 4.2: Thông số ắc quy MK 8A22NF AGM ................................................. 78
Hình 4.3: Biểu đồ điện áp của ắc quy MK 8A22NF AGM ................................. 79
Hình 4.4: Thông số pin NLMT Kyocera KC50.................................................. 80
Hình 4.5: Đặc tính dòng áp của pin NLMT Kyocera KC50 ............................... 80
Hình 4.6: Đặc tính dòng – áp và công suất – áp của pin NLMT ........................ 81
Hình 4.7: Sơ đồ SEPIC ..................................................................................... 83
Hình 4.8 [3]: (a) – Điện áp Q1 trong trường hợp không có C1........................... 84

10

Hình 4.9: Sơ đồ boost ........................................................................................ 85
Hình 4.10: Sơ đồ mạch sạc ................................................................................ 88
Hình 4.11: Các tính năng bộ điều khiển Piccolo của TI ..................................... 89
Hình 4.12: Sơ đồ điều khiển [3]......................................................................... 91
Hình 4.13: Cấu trúc của vòng điều khiển kín BUCK [3] .................................... 92
Hình 4.14: Sơ đồi khối trạng thái của hệ thống .................................................. 94
Hình 5.1: Hàm lợi ích  i ( xi , a ) ......................................................................... 96
Hình 5.2: Vùng chiếu sáng ................................................................................ 98
Hình 5.3: Sơ đồ phòng học .............................................................................. 102
Hình 5.4: Mô hình 3D phòng học .................................................................... 102

11


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Năng lượng đóng vai trò rất quan trọng trong sự tăng trưởng kinh tế, tiến bộ và
phát triển, xoá đói giảm nghèo và an ninh của bất kỳ quốc gia nào. Duy trì nguồn
năng lượng dồi dào, giá rẻ và thân thiện với môi trường là điều kiện tiên quyết
không những cho sự phát triển của con người mà còn cho một nền kinh tế vững
mạnh. Vì vậy ổn định nguồn năng lượng là một vấn đề quan trọng đối với tất cả các
quốc gia ngày hôm nay.
Trong khi đó, việc sản xuất các nhiên liệu hóa thạch, đặc biệt là dầu mỏ, sẽ
không theo kịp với nhu cầu đó. Và thậm chí nếu chúng ta có thể đáp ứng nhu cầu
với các loại nhiên liệu hóa thạch, thì hậu quả sẽ dẫn tới sự thay đổi khí hậu càng
trầm trọng hơn. Thế giới cần phải thay đổi nguồn năng lượng mà chúng ta đang sử
dụng. Hiện nay, 80% năng lượng của chúng ta sử dụng là từ nhiên liệu hóa thạch
như than đá, dầu mỏ và khí tự nhiên trong khi chỉ có 16% là từ các nguồn năng

lượng tái tạo. Vì vậy để đảm bảo an ninh năng lượng trong tương lai thì các hoạt
động phát triển trong lĩnh vực năng lượng tái tạo cần được đẩy mạnh trên quy mô
toàn cầu.
Tất cả những nội dung nêu trên chính là tính cấp thiết của luận văn “Nghiên cứu
bộ đèn chiếu sáng sử dụng năng lượng mặt trời” .
2. Ý nghĩa khoa học của đề tài
Đưa ra phương pháp tính toán và thiết kế bộ đèn chiếu sáng sử dụng năng lượng
mặt trời.
3. Mục đích của đề tài
-

Tìm hiểu thiết kế bộ đèn chiếu sáng sử dụng năng lượng mặt trời.

4. Nội dung của đề tài
-

Nghiên cứu lý thuyết về hệ thống năng lượng mặt trời và đèn chiếu sáng

12


-

Thiết kế bộ đèn chiếu sáng sử dụng năng lượng mặt trời.

5. Phương pháp nghiên cứu đề tài
-

Nghiên cứu lý thuyết về hệ thống năng lượng mặt trời và đèn chiếu sáng

-

Đưa ra thiết kế và tính toán bộ đèn chiếu sáng sử dụng năng lượng mặt trời
trên cơ sở kết hợp phương pháp lý thuyết và kết quả mô phỏng.

13


Chương 1.Giới thiệu chung
1.1 Nhu cầu sử dụng năng lượng
Trong những thập kỷ gần đây, do sự gia tăng mạnh mẽ các hoạt động kinh tế đã
kích hoạt nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng tăng. Sản xuất không thể đáp ứng
được nhu cầu dẫn tới các cuộc khủng hoảng năng lượng vào năm 1973 và 1979 khi
mà dầu và khí đốt khan hiếm. Trong báo cáo toàn cảnh năng lượng thế giới 2010
của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) cho thấy trên 1,4 tỷ người (20% dân số thế
giới) không được sử dụng điện. Và gần 2,7 tỷ người (40% dân số thế giới) chủ yếu
sử dụng sinh khối để nấu ăn. Cũng theo báo cáo thì nhu cầu năng lượng thế giới dự
kiến sẽ tăng 50% trong vòng 20 năm tới, chủ yếu là vì hàng trăm triệu người ở
Trung Quốc, Ấn Độ và các nước đang phát triển sẽ mua ô tô và sử dụng nhiều năng
lượng hơn.

1.2 Các nguồn năng lượng tái tạo
Năng lượng tái tạo là năng lượng mà đến từ nguồn tài nguyên thiên nhiên như
ánh sáng mặt trời, gió, mưa, thủy triều, sóng và địa nhiệt. Theo nghiên cứu năm
2010 của tổ chức REN21 (Renewable Energy Policy Network for the 21st Century),
tổng năng lượng tái tạo chiếm 16.7% năng lượng tiêu thụ trên toàn cầu.

Hình 1.1: Năng lượng tiêu thụ trên toàn thế giới năm 2010 [9]

14

1.3 Hiệu ứng quang điện [1]
Hiệu ứng quang điện (photovoltaic effect) được nhà vật lý Pháp Alexandre
Edmond Becquerel phát hiện đầu tiên vào năm 1839. Xét một hệ hai mức năng
lượng điện tử E1  E2 như trong hình 1.2. Bình thường các điện tử chiếm mức năng
lượng thấp E1 , khi nhận bức xạ mặt trời electron hấp thụ năng lượng từ lượng tử
ánh sáng photon và chuyển lên mức năng lượng E 2. . Ta có phương trình cân bằng
năng lượng:

Ep  h  E2  E1

1.1

h  6.625 10 34 J  s là hằng số Planck ;  là tần số ánh sáng

Hình 1.2: Hệ hai mức năng lượng.
Khi nhận bức xạ mặt trời, photon có năng lượng h 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 một hạt mang điện dương,
h  . Lỗ trống này có thể tham gia vào quá trình đẫn điện.

Hình 1.3: Các vùng năng lượng

15


Hiệu ứng lượng tử của quá trình hấp thụ photon có thể được mô tả bằng phương
trình:

1.2 

Ev  h  e   h 

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:
h 

hc



 E g  Ec  Ev

1.3

Từ đó ta có thể tính được bước sóng tới hạn c của ánh sáng để có thể tạo ra cặp
e  h :

c 

hc
hc 1.24


[ m]
Ec  Ev E g
Eg

1.4 

Trong thực tế các hạt dẫn bị kích thích e   h  đều tham gia một cách tự phát vào
quá trình phục hồi. Điện tử e  giải phóng năng lượng để chuyển đến mặt của Ec còn
lỗ trống h  chuyển đến mặt Ev . Quá trình phục hồi chỉ xảy ra trong khoảng thời
gian 1012  101 giây và gây ra giao động mạch. Năng lượng bị tổn hao do quá trình
phục hồi:
E ph  h  E g 1.5

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

1.4 Tế bào năng lượng mặt trời (TBNLMT) [1]
1.4.1 Cấu trúc của một TBNLMT vô cơ
Một TBNLMT thường được làm bằng màng mỏng hoặc một lớp nền bán dẫn
(wafer). Màng mỏng TBNLMT có thể được làm bằng các vật liệu hữu cơ hoặc vô
cơ. Các TBNLMT vô cơ thường được làm bằng một lớp chuyển tiếp p-n. Các lớp

16


nền bán dẫn được pha tạp p-ở phía dưới cùng và n-lớp trên, hai khu vực hình thành
lớp chuyển tiếp p-n. Ở lớp chuyển tiếp, điện tử sẽ tự nhiên di chuyển từ lớp n, nơi
có mật độ tập trung cao hơn, tới phía p và ngược lại đối với các lỗ trống, cho tới khi
trạng thái cân được xác lập. Khi đó tại lớp tiếp giáp hình thành một vùng trống. Nó
sẽ gây ra một điện trường tại lớp chuyển tiếp, có hướng từ n sang p. Điện trường
sinh ra do sự tích lũy của các hạt mang điện khác dấu ở hai lớp của vùng tiếp giáp
(hình 1.4).
Lớp n được làm đủ mỏng để cho phép ánh sáng xuyên tới lớp tiếp giáp, tại đây
ánh sáng sẽ bị hấp thụ dưới dạng một photon và sẽ bị tách thành một electron và lỗ

trống. Hay nói cách khác, bằng cách hấp thụ một photon một electron sẽ chuyển từ
hóa trị sang vùng dẫn. Điều này chỉ có thể xảy ra khi năng lượng của photon tới lớn
hơn khe hở năng lượng.
Điện trường tạo ra tại lớp tiếp giáp sẽ tăng tốc hai hạt tích điện ngược dấu theo
hai hướng đối diện, điện tử tích điện âm và lỗ trống tích điện dương.

Hình 1.4: Lớp tiếp giáp p-n

17


Hình 1.5: Cấu trúc cơ bản của một tế bào quang điện
Đây chính là cách dòng điện sinh ra khi được chiếu sáng. Số lượng photon đến
được lớp tiếp giáp p-n càng cao thì càng có nhiều cặp điện tử - lỗ trống sẽ được tạo
ra sinh ra dòng quang điện lớn hơn. Diện tích bề mặt tiếp xúc rộng hơn thì càng có
nhiều cặp điện tử - lỗ trống được tạo ra, do đó dòng điện tạo ra cũng sẽ lớn hơn.
Nói một cách chính xác thì biên độ của dòng điện được tạo ra bởi sự hấp thụ các
photon trong một TBNLMT với một kích thước nhất định ở một nhiệt độ nhất định
phụ thuộc bởi ánh sáng tới theo hai cách:
-

Cường độ của ánh sáng tới (số lượng photon).

-

Bước sóng của ánh sáng tới (năng lượng của các photon riêng lẻ hoặc màu
sắc của ánh sáng) tương ứng với khoảng cách các lớp bán dẫn.

Trong thực tế, một TBNLMT sẽ có lớp nền với lớp tiếp giáp p-n giữa vùng tiếp
xúc thuần trở phía trước và phía sau để thu thập dòng điện và các lớp chống phản

chiếu để hạn chế tổn thất do sự phản xạ ánh sáng. Lớp tiếp xúc phía trước bằng kim
loại để thu thập dòng điện sẽ phản chiếu. Vì vậy cần sử dụng vật liệu với thiết kế
thích hợp để giảm thiểu sự phản chiếu ánh sáng. Chúng được làm bằng các điện cực
thiết kế theo hàng thường được gọi là các đường sọc và các ngón tay. Cấu trúc đầy

18


đủ của một TBNLMT dựa trên lớp nền được mô tả trong hình 1.5 và 1.6 gồm cả cấu
trúc đơn tinh thể và đa tinh thể.

Hình 1.6: Minh họa một tế bào năng lượng mặt trời
Dòng ngắn mạch là một đặc tính của một TBNLMT với một bức xạ mặt trời
vuông góc 1000 W/m2 ở nhiệt độ 25oC.
Điện áp hở mạch (không tải) của một TBNLMT là điện áp đo được khi không có
tải kết nối với các TBNLMT. Điện áp này không nhạy cảm với sự thay đổi bức xạ
mặt trời và có thể đạt giá trị tối đa ngay cả với điều kiện thiếu ánh sáng. Điện áp hở
mạch phụ thuộc vào vật liệu chế tạo tế bào năng lượng mặt trời được. Đối với silic,
điện áp hở mạch vào khoảng 0.55 V.
1.4.2 Đặc điểm của tế bào năng lượng mặt trời
Các chất bán dẫn được sử dụng trong chế tạo của các TBNLMT có khoảng cách
vùng dẫn khác nhau tạo ra các đáp ứng phổ khác nhau đối với ánh sáng tới. Đáp
ứng phổ biểu thị sự nhạy cảm theo các bước sóng của các photon bị hấp thụ. Mỗi
chất bán dẫn có năng lượng ngưỡng là năng lượng mà khi điện tử hấp thụ photon sẽ
chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn (hình 1.3). Dưới mức năng lượng này thì hiện
tượng quang điện trong sẽ không xảy ra.
Hiện tượng quang điện trong không liên quan tới cường độ ánh sáng mà liên
quan tới bước sóng của ánh sáng. Tăng cường độ ánh sáng chỉ làm tăng tỷ lệ phát
xạ quang điện tử trong cấu trúc quang điện. Trong các ứng dụng thực tế, ánh sáng
hấp thụ bởi một TBNLMT là một sự kết hợp của bức xạ mặt trời trực tiếp, cũng như

ánh sáng khuếch tán bật ra khỏi các bề mặt xung quanh. Một TBNLMT được phủ

19


một lớp vật liệu chống phản xạ để hạn chế sự phản chiếu ánh sáng trên bề mặt của
nó và hấp thụ tối đa bức xạ mặt trời (hình 1.5).

Hình 1.7: Đường cong I – V và sơ đồ mạch tương đương
Tế bào quang điện có thể được sắp xếp nối tiếp để tạo thành một mô-đun. Các
môđun sau đó có thể được kết nối song song hay nối tiếp hình thành các mảng. Khi
nối tiếp các tế bào hoặc mô-đun, chúng phải có cùng dòng điện danh định để tạo ra
điện áp tổng, tương tự các môđun nối song song phải có cùng một điện áp danh
định khi kết tạo ra dòng điện lớn hơn.
1.4.3 Đặc tính Voltage – Ampere của TBNLMT
Một TBNLMT có thể coi như một nguồn dòng mắc song song với với một diode
như trong hình 1.7. Trong vùng tối nguồn dòng biến mất, TBNLMT hoạt động
giống như một diode. Trong vùng sáng, khi cường độ của ánh sáng tới tăng lên,
dòng điện sinh ra bởi các TBNLMT cũng tăng lên. Dòng điện tổng của một
TBNLMT lý tưởng được tính bằng công thức:
I  I l  I 0 [e

qV
kT

 1]

1.6 

I 0 là dòng bão hòa của diode; q là điện tích nguyên tố 1.6  10 19 C ; k là hằng sỗ

Boltzmann, 1.38 1023 J / K ; T là nhiệt độ của TBNLMT; V là điện áp của
TBNLMT. Từ công thức trên ta thu được:

20


 q (V  IRS )
 V  IRS
I SC  I l  I 0  e nkT  1  
RSH



1.7 

n là hệ số lý tưởng của diode (thường nằm trong khoảng từ 1 đến 2); RS , RSH

:

là điện trở nối tiếp và điện trở shunt

Hình 1.8 : Đặc tính khi tăng cường độ sáng

Hình 1.9 : Sơ đồ mạch tương đương

Hình 1.10 : Đặc tính khi tế bào được chiếu sáng
Trong khi hoạt động, hiệu suất của các TBNLMT giảm do năng lượng tổn thất
trên điện trở trong. Điện trở ký sinh được mô tả bằng điện trở shunt RSH và điện trở

21


nối tiếp RS . Đường cong I-V điển hình của một TBNLMT được chiếu sáng có hình
dạng như trong hình 1.10. Những đường cong này có thể thu được bằng hai phương
pháp:
-

Phương pháp phân tích tham số sử dụng bộ đo lường (Source Measurement
Unit - SMU), thường được sử dụng trong phòng thí nghiệm. Phương pháp
này đặt vào một điện áp và đo dòng điện, như trong các biểu đồ đặc tính của
điốt và transitor. Trong phòng thí nghiệm cũng sử dụng các mô hình mô
phỏng mặt trời để xác định các đặc tính của các TBQĐ.

-

Phương pháp tải biến đổi, là phương pháp kinh tế hơn và linh hoạt hơn, đo
dòng và điện áp trên một tải điện trở. Khi thay đổi giá trị điện trở tải từ hở
mạch cho tới ngắn mạch từ đó biết đặc tính công suất của TBNLMT.

1.4.4 Dòng ngắn mạch
Dòng ngắn mạch I SC của một TBNLMT tương ứng với dòng điện đo được khi
TBNLMT ngắn mạch, khi đó điện áp bằng 0. Khi được chiếu sáng, dòng điện đi từ
phía dưới (+) của tế bào đến phía trên của tế bào (-).
I (V 0)  I SC

1.8

I SC là giá trị dòng điện cực đại trong đường cong I-V của một tế bào năng lượng

mặt trời khi được chiếu sáng. Nếu bề mặt của tế bào càng lớn thì I SC sẽ càng lớn.
1.4.5 Điện áp hở mạch
Điện áp mạch mở (VOC) của một TBNLMT là điện áp đo được khi không có
dòng điện đi qua. Lớp phía trên cùng của TBNLMT mang điện áp âm và phía dưới
mang điện áp dương. VOC không phụ thuộc vào kích thước của các tế bào năng
lượng mặt trời, mà được xác định bởi vật liệu chế tạo.
V( I 0)  VOC

1.9 

VOC cũng là điện áp tối đa trong đường cong I-V khi tế bào được
chiếu sáng.

22


1.4.6 Công suất cực đại
Năng lượng sinh ra bởi tế bào có thể dễ dàng tính toán bởi phương trình:
P  I .V

1.10 

Tại I (V 0)  I SC và V( I  0 )  VO C , công suất bằng không. Công suất cực đại, PMAX ,
sẽ xảy ra giữa hai điểm này. Điện áp và dòng điện tại điểm công suất cực đại được
ký hiệu là VM và I M (hình 1.11).

Hình 1.11: Điểm công suất cực đại
1.4.7 Hệ số nạp (Fill Factor - FF)
Hệ số nạp là một thước đo về chất lượng của các TBNLMT. FF được xác định
bởi tỉ số của công suất cực đại thực tế PMAX và công suất cực đại lý thuyết

PMAX (Theo ) khi điện áp bằng điện áp hở mạch và dòng điện bằng dòng ngắn mạch như

trong hình 1.12. Với hệ số FF càng lớn hơn thì chất lượng tốt pin mặt trời càng tốt.

23


Hình 1.12: Đánh giá FF bằng phương pháp hình học
FF 

PMAX
PMAX ( Theo )



I M VM
I SCVOC

1.11

Hệ số nạp nằm trong khoảng từ 0.5 đến 0.9 thường được biểu diễn dưới dạng tỷ
lệ phần trăm.
1.4.8 Hiệu suất của TBNLMT
Hiệu suất của một TBNLMT là tỷ số của công suất đầu ra Pout với công suất
năng lượng mặt trời quang học (độ rọi sáng x diện tích bề mặt của tế bào) Pin . Pout
có thể đạt giá trị cực đại Pmax khi các TBNLMT cung cấp công suất đầu ra cực đại.
Hiệu suất của các TBNLMT có thể được tính theo công thức như sau:


 max 

Pout
Pin

1.12 

PMAX
FF  VOC  I SC

Pin
Pin

(1.13)

Pin thu được từ tích của độ rọi sáng tới và diện tích bề mặt của TBNLMT, đo

bằng W / m 2 . Hiệu suất của TBNLMT có thể bị ảnh hưởng bởi điều kiện môi trường
xunh quanh như nhiệt độ, cường độ và quang phổ của bức xạ tới. Hiệu suất của một
tế bào năng lượng mặt trời luôn luôn đi kèm với các điều kiện thử nghiệm.

24