Thiết kế, chế tạo bộ định hướng nâng cao hiệu suất cho pin mặt trời

1

MỤC LỤC

GVHD ThS: Nguyễn Văn Hân

SVTH: Đặng Văn An


2

DANH SÁCH HÌNH VẼ

GVHD ThS: Nguyễn Văn Hân

SVTH: Đặng Văn An


3

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

GVHD ThS: Nguyễn Văn Hân

SVTH: Đặng Văn An


4

LỜI CẢM ƠN
Được sự phân công của Khoa Điện điện tử Trường Đại Học Nha Trang, và

sự đồng ý của thầy giáo hướng dẫn Th.S Nguyễn Văn Hân em đã thực hiện đề tài
“Thiết kế, chế tạo bộ định hướng nâng cao hiệu suất cho pin mặt trời”.
Để hoàn thành chuyên đề này em xin chân thành cảm ơn các thầy cố giáo đã
tận tình hướng dẫn, giảng dạy suốt quá trình học tập, nghiên cứu và rèn luyện ở
Trường Đại Học Nha Trang.
Xin chân thành cảm ơn thầy Th.S Nguyễn Văn Hân đã tận tình, chu đáo
hướng dẫn em hoàn thành chuyên đề. Cũng xin cảm ơn tới các bạn sinh viên lớp
53DDT đã giúp đỡ trong quá trình thực hiện chuyên đề.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng để thực hiện chuyên đề một cách hoàn chỉnh.
Tuy nhiên, kiến thức còn hạn chế và thiếu kinh nghiệm nên trong quá trình thực
hiện chuyên đề vẫn còn những thiếu sót chưa giải quyết được. Em rất mong nhận
được những ý kiến đóng góp từ quý Thầy Cô và các bạn để chuyên đề được hoàn
thiện hơn.
Trân trọng cảm ơn!
Khánh Hòa, ngày 16 tháng 6 năm 2015
Sinh viên
Đặng Văn An

GVHD ThS: Nguyễn Văn Hân

SVTH: Đặng Văn An


5

MỞ ĐẦU
Năng lượng mặt trời hiện nay được coi là nguồn năng lượng vô tận, cùng với
nhiều lợi ích mà nó mang lại. Và cần phải có một thiết bị nào đó biến nguồn năng
lượng này thành thứ mà chúng ta có thể sử dụng tùy ý. Do đó mà pin năng lượng
mặt trời được tìm ra và phát triển không ngừng. Tuy nhiên, việc cố định những dàn

pin đem lại hiệu suất không cao khi mà những tấm pin không hấp thu được triệt để
năng lượng mặt trời. Vì vậy, cần phải có một thiết bị định hướng theo mặt trời nhằm
nâng cao tối đa hiệu suất.
Từ những yêu cầu thực tiễn đó, đề tài “Thiết kế, chế tạo bộ định hướng nâng
cao hiệu suất cho tấm pin mặt trời” được chọn và tiến hành thực hiện trên quy mô
phòng thí nghiệm.
 Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu các hệ thống tự động điều chỉnh góc quay theo hướng mặt trời
để thu nhiều năng lượng nhất.
- Thiết kế, chế tạo bộ điều khiển và khung cơ khí cho mô hình của đề tài.
 Đối tượng nghiên cứu
- Nghiên cứu về nguyên lý hoạt động và ứng dụng vi điều khiển, pin mặt trời,
các phương án tự động điều chỉnh bề mặt tấm pin vuông góc với góc chiếu của tia
sáng mặt trời.
- Đo đạc, đánh giá kết quả đạt được.
 Ý nghĩa khoa khọc và ý nghĩa thực tiễn
Thông qua đề tài này sẽ giúp các hệ thống pin mặt trời nâng cao được hiệu
suất. Giúp pin mặt trời trở thành một trong những nguồn năng lượng chính quan
trọng trong tương lai ở nhiều lĩnh vực như chiếu sáng, nông – lâm – ngư nghiệp,
công nghiệp và phục vụ trong sinh hoạt đời sống.

GVHD ThS: Nguyễn Văn Hân

SVTH: Đặng Văn An


6

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

Hiện nay, việc khai thác và sử dụng năng lượng mặt trời không còn là vấn đề
quá xa lạ đối với mỗi người chúng ta. Năng lượng mặt trời là một trong những loại
năng lượng xanh hứa hẹn sẽ được áp dụng rộng rãi trong cuộc sống của con người
trong tương lai.
Đây là một nguồn năng lượng dường như vô tận, dễ dàng khai thác sử dụng và
giúp bảo vệ được môi trường sống của con người. Và dĩ nhiên, pin năng lượng mặt
trời chính là một bộ phận quan trọng trong việc sử dụng nguồn năng lượng của
tương lai này.
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 Đan Mạch, năm 2000, hơn 30% hộ dân sử dụng tấm thu năng lượng mặt
trời, có tác dụng làm nóng nước. Ở Brazil, những vùng xa xôi hiểm trở như
Amazon, điện năng lượng mặt trời luôn chiếm vị trí hàng đầu. Ngay tại Đông Nam
Á, điện mặt trời ở Philipines cũng đảm bảo nhu cầu sinh hoạt cho 400.000 dân[6].
Tại Thái Lan, Malaysia, Trung Quốc, Hàn Quốc từ nhiều năm nay đã coi
hướng phát triển năng lượng tái tạo như một quốc sách vì thế năng lượng mặt trời ở
đây có sự tăng trưởng rất mạnh và chiếm một tỷ lệ đáng kể trong cơ cấu phân bổ
điện năng. Tại Mỹ, Hungary, Đức, Thụy Sỹ từ nhiều năm nay cũng đã tăng nhanh
tốc độ xây dựng các nhà máy sản xuất pin mặt trời, trong đó chủ yếu xây dựng các
nhà máy sản xuất pin màng mỏng vô định hình. Hiện nay, trên thế giới đang sử
dụng ba dạng pin mặt trời là tấm pin mặt trời tinh thể, đa tinh thể và màng mỏng vô
định hình. Trong đó, pin màng mỏng vô định hình (Amorphous Silicon (a-Si)) được

GVHD ThS: Nguyễn Văn Hân

SVTH: Đặng Văn An


7

đặc biệt quan tâm bởi qua thời gian vận hành loại pin này đã thể hiện tính ổn định
và cho hiệu suất cao. Bằng những thí nghiệm khác, các nhà khoa học còn xác định
được pin a-Si có thể làm việc được trong điều kiện trời có mây mù và cả trong môi
trường không khí có nhiệt độ cao mà các pin khác không làm việc được. Điều này
đã làm sáng tỏ vì sao trong bảng kết quả thí nghiệm ở trên pin a-Si cho sản lượng
điện nhiều hơn hai loại pin tinh thể.
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. Trải dài từ vĩ độ 23 023’ Bắc đến 8027’ Bắc, 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 Nam Trung Bộ
và vùng Bắc Trung Bộ (xem bảng 1.1)...
Bảng 1.1 : Số liệu về bức xạ mặt trời tại VN
Vùng

Giờ nắng trong năm

Đông Bắc
Tây Bắc
Bắc Trung Bộ
Tây Nguyên và Nam
Trung Bộ
Nam Bộ
Trung bình cả nước

Cường độ BXMT

Ứng dụng

1600 – 1750
1750 – 1800
1700 – 2000

(kWh/m2, ngày)
3,3 – 4,1
4,1 – 4,9
4,6 – 5,2

Trung bình
Trung bình
Tốt

2000 – 2600

4,9 – 5,7

Rất tốt

2200 – 2500
1700 – 2500

4,3 – 4,9
4,6

Rất tốt
Tốt

Ứng dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam hiện cũng rất phong phú với đa
dạng sản phẩm như: Máy nước nóng, điện mặt trời, đèn chiếu sáng,... Tuy nhiên,
hiện nhu cầu sử dụng năng lượng mặt trời còn rất nhiều. Với bờ biển dài hơn
3.000km, có hàng nghìn đảo hiện có cư dân sinh sống nhưng nhiều nơi không thể
đưa điện lưới đến được.
Hiện chúng ta mới chỉ khai thác được khoảng 25% nguồn năng lượng này.
Theo các nhà khoa học, Chương trình điện khí hóa nông thôn tại Việt Nam sẽ được
đẩy nhanh nếu phát triển tốt việc sử dụng điện mặt trời[6].
Hệ thống định hướng pin mặt trời được nghiên cứu phát triển mạnh mẽ ở các
quốc gia lớn như Đức, Nhật Bản, Australia, Mỹ… Ở Việt Nam, hệ thống định

GVHD ThS: Nguyễn Văn Hân

SVTH: Đặng Văn An


8

hướng pin mặt trời đã và đang phát triển. Tuy nhiên, hệ thống này vẫn chưa phổ
biến chủ yếu là quy mô phòng thí nghiệm.
Vì vậy, việc nghiên cứu năng lượng mặt trời ở Việt Nam và triển khai ứng
dụng phương pháp định hướng mặt trời là điều hết sức cần thiết.
Dựa vào các điều kiện thực tiễn mà các hệ thống cố định pin năng lượng mặt
trời chưa đáp ứng được tối đa hiệu suất chuyển đổi năng lượng. Vì vậy, đề tài
“Thiết kế, chế tạo bộ định hướng nâng cao hiệu suất cho tấm pin mặt trời.” sẽ
là hướng giải pháp cho vấn đề hiệu năng của hệ thống.
Những nội dung sẽ thực hiện trong đề tài:
- Tìm hiểu về pin mặt trời, nguyên lý hoạt động và phương pháp điều khiển
định hướng tấm pin mặt trời để nâng cao hiệu suất.

- Thiết kế khung cơ khí, bộ điều khiển định hướng tâm pin mặt trời.
- Chế tạo, thử nghiệm và hoàn thiện khung cơ khí, bộ điều khiển định hướng
tấm pin mặt trời.
- Đánh giá kết quả đạt được.
Nội dung cụ thể của đề tài được trình bày trong 3 chương:
Chương 1: Tổng quan đề tài.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 3: Thiết kế hệ thống.

GVHD ThS: Nguyễn Văn Hân

SVTH: Đặng Văn An


9

CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Trong một hệ thống pin mặt trời, thành phần quan trọng nhất là dàn pin. Về
mặt lý thuyết, thì ta phải làm cho dàn pin luôn luôn hướng về phía mặt trời. Muốn
vậy, hệ thống pin mặt trời sẽ cần có: pin mặt trời, động cơ, khung cơ khí và quan
trọng nhất là phần điều khiển và công suất cho hệ thống. Dàn pin phải quay theo hai
hướng: hướng Đông – Tây để quay theo vị trí mặt trời trong ngày, hướng Bắc –
Nam để quay theo vị trí mặt trời trong năm. Các quang trở sẽ làm nhiệm vụ cảm
biến đưa tín hiệu (mặt trời nằm ở đâu) về khối điều khiển từ đó khối điều khiển sẽ
xuất tín hiệu qua khối công suất để khởi động động cơ bước.
Trong chương 2 này, chúng ta sẽ tìm hiểu cơ bản về pin mặt trời, động cơ
bước, vi điều khiển (VDK) ATmega16,…
2.1.

PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH HƯỚNG CHO PIN
MẶT TRỜI
2.1.1. Pin mặt trời
Pin năng lượng mặt trời[2] (hay pin quang điện, tế bào quang điện), là phần tử
bán dẫn chứa trên bề mặt một số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là điốt quang,
thực hiện biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện. Sự chuyển đổi này
gọi là hiệu ứng quang điện. Hình 2.1 là một cell pin mặt trời.

GVHD ThS: Nguyễn Văn Hân

SVTH: Đặng Văn An


10

Hình 2.1 Một tế bào quang điện
Các pin năng lượng mặt trời có nhiều ứng dụng. Chúng đặc biệt thích hợp cho
các vùng mà điện năng trong mạng lưới chưa vươn tới, các vệ tinh quay xung quanh
quỹ đạo trái đất, máy tính cầm tay, các máy từ xa, thiết bị bơm nước... Pin năng
lượng mặt trời (tạo thành các module hay các tấm năng lượng mặt trời) xuất hiện
trên nóc các tòa nhà nơi chúng có thể kết nối với bộ chuyển đổi của mạng lưới điện.
Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp
Alexandre Edmond Becquerel. Tuy nhiên cho đến 1883 một pin năng lượng mới
được chế tạo thành công, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một
lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối. Russell Ohl được xem là người tạo ra pin
năng lượng mặt trời đầu tiên năm 1946 tuy nhiên nó chỉ có hiệu suất 1%. Pin mặt
trời lần đầu tiên được ứng dụng là trên vệ tinh Vangaurd 1 của Mĩ, được phóng năm
1958. Ngày nay pin mặt trời được sản xuất trên toàn thế giới đặt biệt là ở các nước
tiên tiến như Mĩ, Đức, Tây Ban Nha, Nhật Bản...
Với các nghiên cứu tiên tiến hiện hay, việc nâng cao hiệu suất của những tấm

pin không còn xa nữa. Do đó, công nghệ nano hay tế bào nhiều lớp đã được phát
hiện và ứng dụng vào thực tế.
Công nghệ nano
Các tấm pin mặt trời hiện nay phản chiếu lại quá nhi ều ánh sáng, n ếu
chế tạo sậm màu hơn chúng sẽ hấp thụ ánh sáng tốt hơn, đi ều này có th ể
thực hiện nhờ công nghệ nano (công nghệ cho phép xử lý v ật li ệu ở m ức vi
mô). Bằng cách tạo các rãnh siêu nhỏ, người ta có thể tăng độ sậm và kh ả

GVHD ThS: Nguyễn Văn Hân

SVTH: Đặng Văn An


11

năng hấp thụ năng lượng cho tấm pin mặt trời, và nâng hi ệu suất sinh đi ện
lên đến 80%, theo Nhóm Nghiên cứu Braun tại Đại học Illinois.
Hình 2.2 Công nghệ nano ứng dụng trên pin mặt trời
Công nghệ nano đã hiện hữu và ngày càng hoàn thi ện. Tuy nhiên, thách
thức lớn trong việc sử dụng công nghệ nano để cải thi ện pin năng l ượng m ặt
trời đó là làm cho hai công nghệ này “hợp tác” v ới nhau, hi ện nay r ất khó khăn

để khoác chiếc áo nano lên tấm pin mặt trời. Nếu giải quyết được vấn đề này,
tương lai chúng ta sẽ có các tấm pin mặt trời hiệu suất cao với giá rẻ.
Tế bào nhiều lớp
Để khai thác các bước sóng ánh sáng khác nhau mà tế bào năng l ượng
mặt trời 1 lớp thông thường bỏ sót, người ta thiết kế các tế bào có nhi ều l ớp
(hay “nối ghép”). Tế bào năng lượng mặt trời 3 lớp nhằm mục đích này, sử
dụng 3 lớp vật liệu hấp thụ quang là indium, galium và arsenide có thể tăng
hiệu

suất

lên

đáng

kể.

Các phòng thí nghiệm của Học viện Năng lượng mặt trời Franhoufer (ISE) và
nhà sản xuất bán dẫn Soitec tiến thêm m ột bước: phát tri ển t ế bào năng
lượng mặt trời 4 lớp bằng cách ghép hai tế bào 2 lớp rồi “hàn” chúng lại với
nhau. Kết quả đạt được từ việc làm công phu này là các tế bào năng l ượng
mặt trời có hiệu suất ước tính có thể lên đến 50% (đ ối với ánh sáng không
tập trung)[11].

GVHD ThS: Nguyễn Văn Hân

SVTH: Đặng Văn An


12

Hình 2.3 Công nghệ tế bào nhiều lớp trên
pin mặt trời

2.1.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt
động của pin mặt trời
2.1.2.1. Cấu tạo
Cấu tạo của pin mặt trời (hình 2.4) là

một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng
biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời
thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện
bên trong[3].

Hình 2.4 Cấu tạo của 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. Hình 2.5là các loại cấu trúc của tinh thể silic[4]:
•

Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình
Czochralski. Pin mặt trời đơn tinh thể có thể đạt hiệu suất từ 11% - 16%.
Chúng thường rất mắc tiền do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể

GVHD ThS: Nguyễn Văn Hân

SVTH: Đặng Văn An


13

này có các mặt trống ở góc nối các module.
•

Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm
nguội và làm rắn. Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu
suất kém hơn, từ 8% - 11%. Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông
che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó.

•

Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa
tinh thể. Loại này có hiệu suất thấp nhất, từ 3% - 6%, tuy nhiên loại này rẻ
nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon.
Khi để trực tiếp dưới ánh sáng mặt trời, một pin silic có đường kính 6 cm có

thể sản xuất dòng điện khoảng 0,5 ampe ở 0,5 volt.
Các tấm tinh thể mỏng hình đĩa, được đánh bóng để loại bỏ các khuyết tật
trong quá trình cắt, chất kích thích được dùng cho các pin, và các tấm kim loại dẫn
truyền đặt vào một mặt: một lưới mỏng trên bề mặt chiếu ánh sáng mặt trời, và mặt
Hình 2.5 Cấu trúc tinh thể của pin mặt trời

Cấu trúc đơn tinh thể

Cấu trức đa tinh thể

Cấu trúc tinh thể vô định hình

phẳng trên mặt còn lại. Tấm năng lượng mặt trời tạo thành từ các pin như vậy cắt
theo hình dạng thích hợp, được bảo vệ khỏi tia bức xạ và hư hại trên mặt trước
bằng các miếng gương, dán vào chất nền. Sự liền mạch được tạo nên thành các dãy
song song để quyết định năng lượng tạo ra. Chất keo và chất nền phải có tính dẫn
nhiệt, vì khi các pin được làm nóng khi hấp thụ năng lượng hồng ngoại, vốn không
thể chuyển hóa thành năng lượng. Một khi các pin bị làm nóng thì giảm hiệu suất

GVHD ThS: Nguyễn Văn Hân

SVTH: Đặng Văn An

14

hoạt động vì thế nên phải làm giảm thiểu nhiệt năng.
2.1.2.2. Nguyên lý hoạt động
Pin năng lượng mặt trời hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện. Hiệu ứng
quang điện là khả năng phát ra điện tử (electron) khi được ánh sáng chiếu vào của
vật chất.
Silicon được biết đến là một chất bán dẫn. “Chất bán dẫn là vật liệu trung
gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Chất bán dẫn hoạt động như một chất
cách điện ở nhiệt độ thấp và có tính dẫn điện ở nhiệt độ phòng”. Với tính chất như
vậy, silicon là một thành phần quan trọng trong cấu tạo của pin năng lượng mặt trời.

Hình 2.6 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời
Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời ở hình 2.6 được mô tả như sau:

GVHD ThS: Nguyễn Văn Hân

SVTH: Đặng Văn An


15

Bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E 1. Khi chiếu sáng hệ
thống, lượng tử ánh sáng (photon) mang năng lượng (h là hằng số Plank và v là tần
số ánh sáng) bị điện tử hấp thụ và chuyển lên mức E2.
Hệ thống hai mức năng lượng trong đó E1 < E2.

Hình 2.7 Trạng thái 2 mức năng lượng của Electron.
Phương trình cân bằng năng lượng:
(2.1)

Trong các vật rắn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vành
ngoài, nên các năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng con rất sát nhau
và tạo thành vùng năng lượng. Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi ở
trạng thái cân bằng gọi là vùng hoá trị mà bên trên của nó có năng lượng E V. Vùng
năng lượng phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là
vùng dẫn, bên dưới của vùng có năng lượng là EC, cách ly giữa vùng hóa trị và vùng
dẫn đó gọi là một vùng cấm có độ rộng năng lượng là E g, trong đó không có mức
năng lượng cho phép nào của điện tử.
Khi ánh sáng chiếu đến vật rắn có vùng năng lượng nói trên, photon có năng
lượng tới hệ thống, bị điện tử của vùng hoá trị hấp thụ và nó có thể chuyển lên
vùng dẫn để trở thành electron tự do (e-), lúc này vùng hoá trị sẽ có một lỗ trống có
thể di chuyển như “hạt” mang điện tích dương nguyên tố (kí hiệu h +). Lỗ trống này
có thể di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện.
Phương trình hiệu ứng lượng tử:
(2.2)
Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lượng của photon và chuyển từ vùng

GVHD ThS: Nguyễn Văn Hân

SVTH: Đặng Văn An


16

hoá trị lên vùng dẫn, tạo ra căp điện tử lỗ trống là:
(2.3)
Suy ra bước sóng tới hạn của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e- và h+ là:
(2.4)
Vậy khi chiếu sáng vào vật rắn, điện tử ở vùng hoá trị hấp thụ năng lượng
photon hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử lỗ trống e - và h+, tức là

tạo ra một điện thế. Hiện tượng đó gọi là hiện tượng quang điện bên trong.

Hình 2.8 Các vùng năng lượng trong phần tử bán dẫn
Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời chính là hiện tượng quang điện xảy ra
trên lớp tiếp xúc p-n. Khi một photon chạm vào mảnh silic, một trong hai điều sau
sẽ xảy ra:
-

Photon truyền trực xuyên qua mảnh silic. Điều này thường xảy ra khi năng
lượng của photon thấp hơn năng lượng đủ để đưa các hạt electron lên mức
năng lượng cao hơn. Năng lượng của photon được hấp thụ bởi silic. Điều
này thường xảy ra khi năng lượng của photon lớn hơn năng lượng để đưa
electron lên mức năng lượng cao hơn.

-

Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các hạt
electron trong màng tinh thể. Thông thường các electron này lớp ngoài
cùng, và thường được kết dính với các nguyên tử lân cận vì thế không thể
di chuyển xa. Khi electron được kích thích, trở thành dẫn điện, các electron
này có thể tự do di chuyển trong bán dẫn. Khi đó nguyên tử sẽ thiếu 1
electron và đó gọi là lỗ trống. Lỗ trống này tạo điều kiện cho các electron
của nguyên tử bên cạnh di chuyển đến điền vào lỗ trống, và điều này tạo ra

GVHD ThS: Nguyễn Văn Hân

SVTH: Đặng Văn An


17

lỗ trống cho nguyên tử lân cận có "lỗ trống". Cứ tiếp tục như vậy lỗ trống
di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn.
Một photon chỉ cần có năng lượng lớn hơn năng luợng đủ để kích thích
electron lớp ngoài cùng dẫn điện. Tuy nhiên, nhiệt độ của mặt trời thường tương
đương 6000°K, vì thế nên phần lớn năng lượng mặt trời đều được hấp thụ bởi silic.
Hầu hết năng lượng mặt trời chuyển đổi thành năng lượng nhiệt nhiều hơn là năng
lượng điện sử dụng được.

2.1.2.3. Phương pháp định hướng cho pin mặt trời
Các hệ thống có bộ định hướng có thể đạt công suất gần như tối đa su ốt
thời gian hoạt động vào những ngày nắng, quang mây trong khi h ệ th ống có
mặt thu cố định chỉ đạt công suất tối đa trong một vài giờ trong giữa ngày.
Hệ thống có bộ định hướng theo vị trí mặt trời sẽ nhận được nhi ều năng
lượng hơn so với hệ thống có mặt thu cố định vào các gi ờ buổi sáng và bu ổi
chiều. Điều đó chỉ ra rằng các dàn pin có bộ định hướng sẽ c ần công su ất đ ặt
nhỏ hơn so với các dàn pin lắp cố định mà vẫn sản ra cùng mức đi ện năng.

Hình 2.9 Các phương pháp định hướng cho dàn pin mặt trời

GVHD ThS: Nguyễn Văn Hân

SVTH: Đặng Văn An


18

Hiện nay, có hai loại hệ thống năng lượng mặt trời định hướng, hệ th ống
định hướng theo trục đơn, và hệ thống định hướng theo trục kép. H ệ th ống
định hướng theo một trục duy nhất sẽ định hướng theo vị trí mặt trời từ Đông

sang Tây trên một trục đặt theo hướng Bắc Nam. Hệ th ống trục kép định
hướng Đông sang phía Tây và định hướng theo phía Bắc đến phía Nam.
Qua nghiên cứu các tài liệu, đánh giá ưu khuyết đi ểm của các hệ th ống
định hướng theo vị trí mặt trời trên thế giới đề tài đã phân tích đ ể đi đ ến l ựa
chọn một phương án thiết kế chế tạo hệ thống, căn cứ phân tích như dưới
đây:

Hệ thống định hướng theo một trục
• Định hướng theo vị trí mặt trời từ Đông sang Tây bằng cách s ử dụng
•
•
•
•
•

một trục duy nhất
Tăng hiệu suất thu năng lượng mặt trời tới 34%
Thiết kế đơn giản, hiệu quả
Bảo dưỡng thấp
Chi phí thấp hơn so với trục kép
Giảm thấp khả năng hư hỏng

Hệ thống định hướng theo hai trục
• Định hướng theo vị trí mặt trời từ Đông sang Tây, và phía B ắc đ ến phía

•
•
•
•
•

Nam
bằng cách sử dụng hai trục quay
Tăng hiệu suất thu năng lượng mặt trời tới 37%
Thiết kế phức tạp hệ thống các cảm biến và điều khiển động cơ
Chi phí đầu tư cao hơn do các bộ phận bổ sung và thời gian lắp đặt
Chi phí bảo trì cao hơn
Các bộ phận bổ sung thêm tăng thêm khả năng hư hỏng
Các nghiên cứu của thế giới đã chỉ ra hệ thống định hướng theo tr ục kép

chỉ có thể tăng thêm thêm 3% năng lượng so v ới tr ục đ ơn. V ới chi phí thi ết b ị,
chi phí bảo trì cao hơn, và có thời gian ngừng đ ể sửa ch ữa cao, h ệ th ống đ ịnh
hướng theo trục kép thực tế có thể ít khả năng phát tri ển mạnh như lo ại m ột

GVHD ThS: Nguyễn Văn Hân

SVTH: Đặng Văn An


19

trục. Tuy nhiên, dựa vào những phân tích, so sánh trên để đáp ứng là hiệu suất
pin mặt trời phải đạt tối đa vào các ngày trong năm , nên đề tài lựa chọn
phương án hệ thống hai trục quay định hướng theo vị trí mặt trời[1].
2.1.2.4. Hiệu suất pin mặt trời
Hiệu suất là tỉ số của năng lượng điện từ ánh sáng mặt trời. Vào buổi trưa một
ngày trời trong, ánh mặt trời tỏa nhiệt khoảng 1000 W/m². Trong đó 10% hiệu suất
của 1 module 1 m² cung cấp năng lượng khoảng 100 W. Hiệu suất của pin mặt trời
thay đổi từ 6% từ pin mặt trời làm từ silic không thù hình, và có thể lên đến 30%
hay cao hơn nữa, sử dụng pin có nhiều mối nối nghiên cứu trong phòng thí nghiệm.

Có nhiều cách để nói đến giá cả của hệ thống tạo điện, là tính toán cụ thể trên
từng kilo Watt giờ (kWh). Hiệu suất của pin mặt trời kết hợp với sự bức xạ là 1 yếu
tố quyết định trong giá thành. Nói chung hiệu suất của toàn hệ thống là tầm quan
trọng của nó. Để tạo nên ứng dụng thực sự của pin tích hợp năng lượng, điện năng
tạo nên nối với mạng lưới điện sử dụng inverter; trong các phương tiện di chuyển,
hệ thống ắc quy sử dụng để lưu trữ nguồn năng lượng không sử dụng hiện tại. Các
pin năng lượng thương mại và hệ thống công nghệ có hiệu suất từ 5% đến 15%[2].
2.2.

KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ BƯỚC

2.2.1.

Giới thiệu chung về động cơ bước (step motor)

Động cơ bước là một thiết bị cơ điện dùng để biến đổi xung điện một
chiều thành chuyển động quay cơ học rời rạc . Mỗi một vòng quay của trục
động cơ được thiết lập bởi một số lượng hữu hạn các góc bước, là góc quay
của rôto mỗi khi cuộn dây stato bị đảo cực tính.
Có nhiều loại động cơ bước với các độ phân giải góc quay khác nhau .
Những động cơ “thô” thường có góc bước 90 o, 30o, 15o, hoặc 7.5o. Những động
cơ “mịn” thường có góc bước 1.8 o, hoặc 0.72o. Ngoài ra bằng việc điều khiển
tín hiệu xung điện một chiều với những tuần tự và giá trị thích hợp có th ể
điều khiển động cơ quay được nữa bước hoặc có thể quay được vi bước.
Động cơ bước thường được sử dụng điều khiển vòng hở bởi những ưu
điểm:

GVHD ThS: Nguyễn Văn Hân

SVTH: Đặng Văn An

20

-

Góc quay tương ứng với số xung tín hiệu điều khiển.

-

Mômem động cơ luôn ở mức danh định.

-

Vị trí góc quay chính xác vì không có sai s ố tích lũy ở mỗi góc bước.

-

Dễ dàng điều khiển khởi động, dùng và đảo chiều quay.

-

Không có chổi than nên làm việc tin cậy.

-

Chi phí thấp.

-

Có một dãi rộng về độ phân giải góc quay.
Ngoài ra, động cơ bước có một số nhược điểm:

-

Cộng hưởng sẽ xảy ra khi điều khiển không đúng cách.

-

Tốc độ quay không cao.
2.2.2.

Phân loại, cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Động cơ bước có 2 loại:
-

Động cơ biến từ trở.
Động cơ nam châm vĩnh cửu.
2.2.2.1. Động cơ bước biến từ trở
Động cơ biến từ trở có stato làm từ các lá thép kĩ thu ật đi ện không b ị t ừ
dư và có rãnh để đặt các cuộn dây. Rôto làm từ thép non không b ị từ d ư, có
hình dạng như bánh răng. Cấp dòng điện một chiều vào cu ộn dây stato sẽ t ạo
thành một nam châm điện. Từ trường stato từ hóa các răng rôto nằm gần đó
và hút các răng này quay tới vị trí của nó. Ngắt dòng kh ỏi cu ộn dây này và c ấp
nguồn cho cuộn dây kế tiếp sẽ làm thay đổi từ trường stato và làm cho rôto
quay đi một góc bước. Vì stato và rôto làm từ vật liệu không b ị từ dư nên khi
ngắt dòng khỏi cuộn dây stato thì từ trường rôto và stato bị tri ệt tiêu hoàn
toàn. Điều này làm tối thiểu hóa từ trở trong động cơ khi vận hành. Và cũng
chính vì vậy mà khi quay rôto bằng tay khi không cấp đi ện ta th ấy rôto h ầu

GVHD ThS: Nguyễn Văn Hân

SVTH: Đặng Văn An


21

như quay trơn. Mối quan hệ giữa góc bước, sô răng rôto và s ố c ực stato đ ược
biểu diễn bằng công thức sau:
(3.1)
Trong đó:
-

θ

: Góc bước (o)

-

NS

: số cực stato

-

NR

: số răng rôto
Động cơ biến từ trở có ba cuộn dây stato được đấu n ối theo s ơ đ ồ trong

hình 2.10 với một đầu nối chung cho tất cả các cuộn dây. Đầu này đ ược n ối
với cực dương của nguồn và các đầu còn lại được nối đất đ ể các cu ộn dây
được cấp điện một cách tuần tự.
Mặt cắt ngang trong hình 2.10 là của một động cơ bi ến từ tr ở có góc
bước 30o, rôto có 4 răng, stato có 6 cực và mỗi cu ộn dây stato được qu ấn
quanh hai cực đối diện nhau. Khi cuộn dây số 1 được cấp đi ện, các c ực stato
có ký hiệu 1 sẽ trở thành nam châm đi ện hút các răng rôto có ký hi ệu X. Ng ắt
dòng qua cuộn 1 và cấp dòng cho cuộn 2, rôto sẽ quay đi một góc 30 o theo
chiều kim đồng hồ. Khi đó, các răng rôto có ký hi ệu Y sẽ n ằm th ẳng hàng v ới
các cực stato có kí hiệu 2.
Để làm quay động cơ liên tục, ta phải cấp dòng cho 3 cu ộn dây m ột cách
tuần tự. Bằng việc sử dụng các ký hiệu logic, trong đó mức “1” là c ấp dòng và
mức “0” là ngắt dòng qua một cuộn dây.

GVHD ThS: Nguyễn Văn Hân

SVTH: Đặng Văn An


22

Hình 2.10 Sơ đồ đấu dây và mặt cắt ngang động cơ biến từ trở ba cuộn dây
Tuần tự điều khiển sau sẽ làm quay động cơ minh họa trong hình 2.10
theo chiều kim đồng hồ 24 bước hay 2 vòng quay:
Cuộn dây 1: 1001001001001001001001001
Cuộn dây 2: 0100100100100100100100100
Cuộn dây 3: 0010010010010010010010010
Chiều thời gian 
Nếu muốn quay ngược thì ta chỉ cẩn đảo dòng cấp cho cu ộn dây 3 tr ước

rồi đến cuộn dây 2 và cuối cùng là cuộn dây 1. Cũng có nh ững đ ộng c ơ bi ến từ
trở có 4 hoặc 5 cuộn dây. Nguyên tắc hoạt động của những động cơ này tương
tự như loại có 3 cuộn dây nói trên.
2.2.2.2.

Động cơ bước nam châm vĩnh cửu

Động cơ nam châm vĩnh cửu có rôto là một nam châm vĩnh c ửu v ới các
cực bắc – nam nằm xen kẽ nhau xung quanh biên dạng hình tr ụ của rôto. Các
cực rôto đối diện hoặc cạnh nhau thì đấu ngược nhau. Stato có các cu ộn dây
quấn quanh các rãnh đối diện nhau tạo thành các cực stato. Khi cấp dòng đi ện
một chiều cho cuộn dây, cực stato sẽ hình thành một nam châm và hút các c ực
từ của rôto làm rôto quay đi một góc bước. Đ ộng c ơ có càng nhi ều cực stato và
rôto thì có góc bước càng nhỏ.

Hình 2.11 Cấu tạo động cơ nam châm vĩnh cửu

GVHD ThS: Nguyễn Văn Hân

SVTH: Đặng Văn An


23

Động cơ nam châm vĩnh cửu có nhiều loại: động cơ đơn cực, động cơ
lưỡng cực, động cơ hai dây song song và động cơ nhiều pha.
a. Động cơ đơn cực

Hình 2.12 Sơ đồ đấu dâu và mặt cắt ngang động cơ đơn cực rôto có 2 cực
Động cơ đơn cực là động cơ nam châm vĩnh cửu có 2 cu ộn dây stato được

đấu nối theo sơ đồ như trong hình 2.12 với một nấc phân ở giữa m ỗi cu ộn
dây. Nấc phân ở giữa các cuộn dây này được nối với cực dương của ngu ồn và
hai đầu còn lại của mỗi cuộn dây được luân phiên nối đất để đảo chiều của từ
trường sinh ra bởi các cuộn dây đó.

GVHD ThS: Nguyễn Văn Hân

SVTH: Đặng Văn An


24

Hình 2.13 Sơ đồ đấu dâu và mặt cắt ngang động cơ đơn cực rôto có 6
cực
Hình 2.13 là mặt cắt ngang và sơ đồ đấu dây của động cơ nam câm vĩnh
cửu có góc bước 30o. Cuộn dây số 1 quấn quanh các cực stato trên và dưới,
cuộn dây số 2 quấn quanh các cực stato trái và ph ải. Rôto là m ột nam châm
vĩnh cửu có 6 cực (3 cực nam 3 cực bắc).
Như chỉ ra trong hình 2.13, dòng điện chạy từ nguồn qua đi ể phân n ấc
tới đầu a của cuộn dây 1 làm cho cực stato trên tr ở thành cực bắc và c ực stato
dưới trở thành cực nam của các nam châm điện. Các cực này sẽ hút các c ực
rôto ngược dấu làm rôto quay tới vị trí như chỉ ra trên hình vẽ. N ếu ng ắt dòng
qua cuộn 1 và cấp dòng cho cuộn 2 thì rôto sẽ quay đi m ột góc 30 o (hay 1 góc
bước).
Để làm cho động cơ quay liên tục thì ta cấp dòng cho hai cu ộn dây một
cách tuần tự. Cách điều khiển sau sẽ làm động c ơ quay theo chi ều kim đ ồng
hồ 24 bước hay 4 vòng quay:
Cuộn dây 1a: 1000100010001000100010001
Cuộn dây 1b: 0010001000100010001000100
Cuộn dây 2a: 0100010001000100010001000

Cuộn dây 2b: 0001000100010001000100010
Tuần tự 

GVHD ThS: Nguyễn Văn Hân

SVTH: Đặng Văn An


25

b. Động cơ lưỡng cực

Hình 2.14 Sơ đồ đấu dây và mặt cắt ngang của động cơ lưỡng cực
Động cơ lưỡng cực là động cơ nam châm vĩnh cửu có 2 cu ộn dây stato
được đấu nối theo sơ đồ như hình 2.14. Động cơ lưỡng cực có cấu tạo gi ống
động cơ đơn cực, chỉ khác là không có các phân nấc ở giữa các cuộn dây.
Vì không có phân nấc ở giữa mỗi cuộn dây nên để đảo chi ều từ tr ường
tại các cặp cực stato ta phải đảo chiều dòng đi ện ch ạy qua cu ộn dây t ương
ứng. Để làm được việc này cần một Cầu H (H-brigde) cho mỗi cuộn dây. Cầu H
là một mạch điện có tác dụng thiết lập cực tính của nguồn cấp tới m ỗi đầu
cuộn dây. Ta có tuần tự điều khiển giống với trường hợp động cơ đơn cực như
sau:
Đầu cực 1a: 1000100010001000
Đầu cực 1b: 0010001000100010
Đầu cực 2a: 0100010001000100
Đầu cực 2b: 0001000100010001
Tuần tự 
c. Động cơ hai dây song song
Động cơ hai dây song song là động cơ nam châm vĩnh c ửu có 4 dây qu ấn
stato. Có cấu tạo giống với động cơ lưỡng cực, chỉ khác ở ch ỗ là các c ực stato

GVHD ThS: Nguyễn Văn Hân

SVTH: Đặng Văn An