Nghiên cứu ứng dụng điện mặt trời để hiện đại hóa vườn ươm, trồng hoa lan quy mô nhỏ

i

LỜI NÓI ĐẦU

Phát triển nông nghiệp công nghệ cao là một trong những nội dung của phát
triển kinh tế nước ta. Trong thời gian vừa qua việc ứng dụng tiến bộ kỹ thuật vào
sản xuất nông, lâm, ngư nghiệp nói chung, nông nghiệp nói riêng ngày càng được
chú trọng đã góp phần chuyển dịch cơ cấu kinh tế, làm tăng giá trị sản xuất, tăng thu
nhập, góp phần xóa đói, giảm nghèo và làm giàu cho nhân dân.
Mặc khác hoa và cây cảnh đã và đang mang lại giá trị kinh tế cao cho người
nông dân, làm thay đổi diện mạo nông thôn, giúp cảnh quan môi trường thêm xanh,
sạch, đẹp. Nghề trồng hoa và cây cảnh đã mang lại hiệu quả cao cho người nông
dân khi mà thu nhập từ hoa, cây cảnh cao gấp 3 lần, thậm chí là rất nhiều lần so với
cấy lúa, trồng cây màu. Đặc biệt trong những năm gần đây nghề trồng hoa lan đã có
những bước phát triển đáng kể, và thâm nhập vào ngành nông nghiệp một cách
mạnh mẽ, hoa lan đã trở thành một mặt hàng có giá trị trong kinh doanh, xuất khẩu
trên thế giới. Hiện nay, nghề trồng hoa lan khá phát triển ở khắp cả nước, không ít
nông dân đã khấm khá nhờ trồng lan. Thuận lợi của nghề trồng lan là không cần
diện tích đất lớn, nếu chăm sóc tốt thu nhập mang lại khá cao. Tuy nhiên, lan là loại
cây trồng đòi hỏi cao về kỹ thuật, vì vậy người trồng phải tuân thủ kỹ các biện pháp
trồng và chăm sóc.
Trong những năm gần đây trước sự phát triển như vũ bão của khoa học kỹ
thuật đặc biệt là các ngành tự động hóa, kỹ thuật điện tử, công nghệ thông tin và
nếu có thể ứng dụng những tiến bộ khoa học kỹ thuật của các nghành này vào nuôi
trồng hoa thì nó có thể góp phần tích cực vào nâng cao chất lượng và có thể đáp
ứng được các tiêu chuẩn về chất lượng của quốc tế. Hơn nữa 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

GVHD: Th.S Nguyễn Văn Hân

SVTH: Nguyễn Ngọc Khánh


ii

được môi trường sống của con người. Vì vậy việc ứng dụng năng lượng mặt trời
vào sản xuất là hướng đi đúng cần phát triển. Xuất phát từ những lý do trên tôi xin
chọn thực hiện đề tài: “ Nghiên cứu ứng dụng điện Mặt trời để hiện đại hóa vườn
ươm, trồng hoa lan quy mô nhỏ.”
Đồ án được thực hiện là kết quả của quá trình học tập và nghiên cứu của bản
thân cùng sự hướng dẫn tận tình của các thầy cô giáo.
Để có được kết quả ngay từ khi bắt đầu đến lúc kết thúc đề tài, tôi xin gửi lời
cảm ơn chân thành đến:
- Ban chủ nhiệm khoa đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi tốt nhất cho tôi
hoàn thành tốt đề tài.
- Giảng viên hướng dẫn Th.s Nguyễn Văn Hân đã chỉ đạo đúng và kịp thời
các vấn đề liên quan trong suốt quá trình thực hiện đề tài.
Tôi xin chân thành cảm ơn !

GVHD: Th.S Nguyễn Văn Hân

SVTH: Nguyễn Ngọc Khánh


iii

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Với đề tài: “ Nghiên cứu ứng dụng điện Mặt trời để hiện đại hóa vườn ươm,
trồng hoa lan quy mô nhỏ.” Mục đích chính là tìm hiểu và thiết kế hệ thống điều
khiển hoạt động của vườn ươm hoa lan nhằm nâng cao năng xuất và chất lượng hoa.
Đưa năng lượng mặt trời vào sản xuất góp phần bảo vệ mô trường. Hưởng ứng và
chấp hành chủ trương, chính sách của Nhà nước về tiết kiệm điện năng, sử dụng
nguồn năng lượng sạch, chủ động ứng phó với biến đổi khí hậu. Chủ động nắm bắt
và ứng dụng những công nghệ, thành tựu của nhân loại vào phục vụ cuộc sống và
sản xuất.
Dựa vào các điều kiện thực tế của việc chăm sóc hoa lan để thiết kế hệ thống
điều khiển hoạt động vườn ươm. Đề tài tập trung vào việc tìm hiểu và xây dựng hệ
thống điều khiển vườn ươm hoa lan và hệ thống lưu trữ điện mặt trời phục vụ cho
mô hình. Quá trình thực hiện được khái quát như sau:
- Khảo sát đánh giá thực trạng vườn ươm, trồng hoa lan quy mô nhỏ.
- Trình bày cơ sở lí thuyết của các thiết bị điều khiển, các thiết bị chấp hành.
- Thiết kế hệ thống sạc và lưu trữ điện mặt trời cấp cho bộ điều khiển và phụ
tải phục vụ trong vườn ươm hoa lan.
- Thiết kế hệ thống tự động giám sát và chăm sóc hoa lan để tăng năng suất
và hiệu quả vườn ươm, trồng hoa lan.
- Đánh giá kết quả đạt được.
Nội dung cụ thể của đề tài được trình bày trong 4 chương:
- Chương 1: Giới thiệu đề tài.
- Chương 2: Cơ sở lý thuyết.
- Chương 3: Tìm hiểu quy trình chăm sóc hoa lan.
- Chương 4: Thiết kế hệ thống.

GVHD: Th.S Nguyễn Văn Hân

SVTH: Nguyễn Ngọc Khánh

iv

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU...........................................................................................................i
TÓM TẮT ĐỀ TÀI..................................................................................................iii
MỤC LỤC................................................................................................................ iv
DANH SÁCH HÌNH VẼ...........................................................................................v
DANH SÁCH BẢNG BIỂU..................................................................................viii
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI..........................................................................1
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT..........................................................................5
Phương pháp nạp với dòng nạp không đổi.............................................................14
Phương pháp nạp với áp không đổi........................................................................14
Phương pháp nạp dòng – áp...................................................................................15

CHƯƠNG 3. TÌM HIỂU QUY TRÌNH CHĂM SÓC HOA LAN...........................28
CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ HỆ THỐNG....................................................................34
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................47
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................47
PHỤC LỤC.............................................................................................................49

GVHD: Th.S Nguyễn Văn Hân

SVTH: Nguyễn Ngọc Khánh


v

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1: Sân vận động Veronas Bentegoldi.. . .Error: Reference source not found
Hình 1.2: Hệ thống điện mặt trời nối lưới ở Ninh Thuận.. Error: Reference source

not found
Hình 2.1: Một cell pin mặt trời..........................Error: Reference source not found
Hình 2.2: Cấu tạo của pin mặt trời....................Error: Reference source not found
Hình 2.3: Các loại cấu trúc tinh thể của pin mặt trời.. Error: Reference source not
found
Hình 2.4: Trạng thái 2 mức năng lượng của electron.. Error: Reference source not
found
Hình 2.5: Các vùng năng lượng trong phần tử bán dẫn.....Error: Reference source
not found
Hình 2.6: Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời.........Error: Reference source not
found
Hình 2.7: Cấu tạo ac - qui chì - axit...................Error: Reference source not found
Hình 2.8: Sơ đồ chân Atmega16........................Error: Reference source not found
Hình 2.9: Các khối chính của Atmega16...........Error: Reference source not found
Hình 2.10: Tổ chức bộ nhớ chương trình Atmega16.. Error: Reference source not
found
Hình 2.11: Tổ chức bộ nhớ dự liệu SRAM........Error: Reference source not found
Hình 2.12: Nguyên lý hoạt động cảm biến nhiệt độ độ ẩm..........Error: Reference
source not found
Hình 2.13: Sơ đồ kết nối cảm biến nhiệt độ độ ẩm với vi điều khiển............Error:
Reference source not found

GVHD: Th.S Nguyễn Văn Hân

SVTH: Nguyễn Ngọc Khánh


vi

Hình 4.1: Sơ đồ khối của mô hình vườn ươm hoa lan. Error: Reference source not

found
Hình 4.2: Lưu đồ thuật toán điều khiển tưới theo thời gian và độ ẩm...........Error:
Reference source not found
Hình 4.3: Lưu đồ thuật toán hệ thống ổn định nhiệt độ và độ ẩm. Error: Reference
source not found
Hình 4.4: Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển hệ thống.....Error: Reference source not
found
Hình 4.5: Mạch in bộ điều khiển.......................Error: Reference source not found
Hình 4.6: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển rơle........Error: Reference source not
found
Hình 4.7: Mạch in bộ điều khiển rơle................Error: Reference source not found
Hình 4.8: Sơ đồ nguyên lý mạch sạc năng lượng mặt trời. Error: Reference source
not found
Hình 4.9: Mạch in của mạch sạc năng lượng mặt trời. Error: Reference source not
found
Hình 4.10: Hệ thống quạt và máy bơm 12VDC. Error: Reference source not found
Hình 4.11: Đèn sợ đốt 12VDC..........................Error: Reference source not found
Hình 4.12: Ac - qui PTZ5S................................ Error: Reference source not found
Hình 4.13: Pin năng lượng mặt trời.........................Error: Reference source not found
Hình 4.14: Hoạt động của hệ thống điều khiển.....Error: Reference source not found
Hình 4.15: Hoạt động của mạch sạc ac - qui..........Error: Reference source not found
Hình 4.16: Mô hình vườn ươm hoa lan.............Error: Reference source not found

GVHD: Th.S Nguyễn Văn Hân

SVTH: Nguyễn Ngọc Khánh


vii

GVHD: Th.S Nguyễn Văn Hân

SVTH: Nguyễn Ngọc Khánh


viii

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Dung lượng điện áp của ac - qui phụ thuộc vào điện áp..............Error:
Reference source not found
Bảng 2.2: Dung lượng ac - qui phụ thuộc vào dòng điện.Error: Reference source
not found
Bảng 4.1: Thông số pin mặt trời.......................Error: Reference source not found

GVHD: Th.S Nguyễn Văn Hân

SVTH: Nguyễn Ngọc Khánh


1

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
Trong chương này sẽ khái quát ngắn gọn nhất về đề tài cần nghiên cứu, về
mục tiêu, nội dung, phạm vi nghiên cứu và các kết quả cần đạt được.
1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỀ TÀI CẦN NGHIÊN CỨU.
Tên đề tài: “ Nghiên cứu ứng dụng điện Mặt trời để hiện đại hóa vườn ươm,
trồng hoa lan quy mô nhỏ.”
1.1.1

Tính cấp thiết của đề tài.
Phần lớn dân số nước ta sống bằng nghề nông nghiệp (khoảng 70%) [1] vì vậy

việc tìm ra hướng đi đúng để phát triển nông nghiệp là một vấn đề cần quan tâm.
Trong những năm gần đây nghề trồng hoa lan đang trở thành xu hướng mới trong
phát triển nông nghiệp đô thị. Đây không chỉ là ngành nghề có sức hấp dẫn đối với
nông dân mà nó còn là tầm ngắm của nhiều doanh nghiệp. Với mức lãi bình quân
gấp 10 lần trồng lúa [2]. Những năm gần đây, mô hình trồng hoa lan phát triển và
bước đầu đem lại nguồn thu nhập ổn định, giúp nhiều nông hộ vươn lên khá giàu.
Hiện nay với thực trạng chung của nghành kinh tế là đẩy nhanh sự phát triển
của khoa học kỹ thuật, ứng dụng những sản phẩm khoa học vào trong các nghành
khác đặc biệt là trong nghành công nghiệp và nông nghiệp. Việc ứng dụng khoa học
kỹ thuật vào nông nghiệp sẽ giúp mang lại nhiều hiệu quả cho nền kinh tế: Tăng
hiệu quả sản suất, giảm nhiều chi phí đầu tư, tăng năng suất cây trồng, có thể tạo
sản phẩm nông nghiệp theo yêu cầu thị trường … Hiện nay với sự phát triển của các
ngành kỹ thuật và công nghệ thông tin thì việc ứng dụng công nghệ vật liệu mới,
nguồn năng lượng mới như năng lượng mặt trời vào trong nghành nông nghiệp rất
được quan tâm. Việt Nam được xem là một quốc gia có tiềm năng rất lớn về năng
lượng mặt trời, đặc biệt ở các vùng miền trung và miền nam của đất nước, với
cường độ bức xạ mặt trời trung bình khoảng 5 kWh/m 2 [3]. Rất thuận tiện cho việc
ứng dụng điện mặt trời vào sản suất.

GVHD: Th.S Nguyễn Văn Hân

SVTH: Nguyễn Ngọc Khánh


2

Chính vì những lý do đó Tôi chọn đề tài: “ Nghiên cứu ứng dụng điện Mặt

trời để hiện đại hóa vườn ươm, trồng hoa lan quy mô nhỏ.”
1.1.2

Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu.
 Mục tiêu
- Thiết kế hệ thống sạc và lưu trữ điện mặt trời cấp cho bộ điều khiển và phụ
tải phục vụ cho vườn ươm hoa lan.
- Thiết kế hệ thống giám sát và chăm sóc hoa lan để tăng năng suất và hiệu
quả vườn ươm hoa lan.

Phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu về nguyên lý hoạt động và ứng dụng vi điều khiển, pin mặt
trời, các phương pháp sạc, lưu trữ điện mặt trời.
- Nghiên cứu về quy trình chăm sóc hoa lan để thực hiện việc chăm sóc hoa
lan tự động.
1.1.3
Đối tượng và phương pháp nghiên cứu.
 Đối tượng nghiên cứu
- Nghiên cứu về vi điều khiển, pin mặt trời, các phương pháp sạc, lưu trữ
điện mặt trời.
- Quy trình chăm sóc hoa lan.
- Các thiết bị điện dùng để điều khiển quá trình hoạt động của hệ thống.
 Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu điều khiển lập trình dùng
vi điều khiển.
- Phương pháp nghiên cứu mô phỏng: Mô phỏng các hoạt động của chương
trình bằng phần mềm Proteus.
- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Xây dựng mô hình vườn ươm để mô
phỏng hệ thống giám sát và chăm sóc hoa lan.
1.1.4 Tổng quan lịch sử nghiên cứu đề tài.

Hiện nay, năng nượng điện mặt trời đã được ứng dụng rất nhiều vào đời sống

GVHD: Th.S Nguyễn Văn Hân

SVTH: Nguyễn Ngọc Khánh


3

và sản xuất tại Việt Nam và nhiều quốc gia khác trên thế giới, nhiều quốc gia trên
thế giới như:

Hình 1.1: Sân vận động Veronas Bentegoldi.
Sân vận động Veronas Bentegoldi là khu phức hợp thể thao lớn nhất nước Ý
có lắp đặt hệ thống quang năng. Hơn 13.000 tấm quang năng được lắp đặt tại sân
vận động này đã cung cấp trên 1 MegaWatt/năm cho nhu cầu sử dụng điện của sân
vận động, ước tính làm giảm phát thải CO2 trên 550 tấn/năm. [4]

Hình 1.2: Hệ thống điện mặt trời nối lưới ở Ninh Thuận [5].
Ngoài ra còn rất nhiều mô hình sử dụng vi điều khiển và cảm biến nhiệt độ, độ
ẩm để điều khiển các thông số của vườn ươm:

GVHD: Th.S Nguyễn Văn Hân

SVTH: Nguyễn Ngọc Khánh


4

- Ngiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống tưới cây tự độngcủa trường đại học giao

thông vận tải. [6]
- Thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển tưới phun sương phục vụ trồng rau
trong giai đoạn vườn ươm của trường đại học nông nghiệp Hà Nội. [7]
Như vậy, đã có rất nhiều nghiên cứu về việc điều khiển các thông số của mô
hình vườn ươm. Trong đề tài này tôi sẽ tập trung xây dựng mô hình vườn ươm gồm
hệ thống tưới nước tự động và hệ thống điều khiển nhiệt độ, độ ẩm hoạt động bằng
năng lượng mặt trời.

GVHD: Th.S Nguyễn Văn Hân

SVTH: Nguyễn Ngọc Khánh


5

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Bất kỳ một đề tài nào cũng cần có cơ sở lý thuyết làm nền tảng, để xây dựng
được cơ sở lý thuyết phải trải qua quá trình thu thập, xử lý và tóm tắt các vấn đề có
liên quan đến ý tưởng cho đề tài cần nghiên cứu. Vì vậy chương này tập trung nói
về những vấn đề lý thuyết liên quan đến tất cả các thiết bị để xây dựng lên một mô
hình vườn ươm hoa lan.
2.1 PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI.
2.1.1
Giới thiệu pin mặt trời.
Pin năng lượng mặt trời [8] (hay pin quang điện, tế bào quang điện), hình 2.1
là thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các Diode p-n, duới sự hiện diện của ánh sáng
mặt trời có khả năng tạo ra dòng điện sử dụng được. Sự chuyển đổi này gọi là hiệu
ứng 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.

Hình 2.1: Một cell pin mặt trời.
Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp
Alexandre Edmond Becquerel. Tuy nhiên cho đến 1883 pin năng lượng mới được
chế tạo thành công, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực

GVHD: Th.S Nguyễn Văn Hân

SVTH: Nguyễn Ngọc Khánh


6

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...
2.1.2

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động.
 Cấu tạo.
Cấu tạo của pin mặt trời 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. Hình 2.2 là cấu tạo của một tế bào pin mặt trời gồm:
-

Điện cực.

-

Lớp chống phản quang.

-

Lớp bán dẫn loại n.

-

Lớp bán dẫn loại p.

-

Lớp đáy.

-

Điện cực mặt dưới.
Hình 2.2: Cấu tạo của pin mặt trời.

Cho tới hiện tại thì vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời là các Silic tinh thể. Pin
mặt trời từ tinh thể Silic chia ra thành 3 loại như hình 2.3:
• 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 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, nhưng hiệu
suất kém hơn, từ 8% - 11%. Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm

GVHD: Th.S Nguyễn Văn Hân

SVTH: Nguyễn Ngọc Khánh


7

vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp.
• Dải Silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa

tinh thể. Loại pin 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.
Hình 2.3: Các loại 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

Vật liệu để làm pin Mặt trời là bán dẫn Silic tinh khiết. Ở dạng tinh khiết số
hạt tải điện của Si là electron và số lỗ trống là như nhau. Để làm pin Mặt trời từ bán

dẫn tinh khiết phải làm ra bán dẫn loại n và bán dẫn loại p rồi ghép lại với nhau cho
nó có được tiếp xúc p - n. Để tạo ra lớp tiếp xúc p - n, cần pha thêm tinh thể Si một
ít nguyên tử khác loại, gọi là pha tạp. Nguyên tử Si có 4 electron ở vành ngoài, cùng
dùng để liên kết với bốn nguyên tử Si gần đó. Nếu pha tạp vào Si một ít nguyên tử
phốt pho P có 5 electron ở vành ngoài, electron thừa ra không dùng để liên kết nên
dễ chuyển động hơn làm cho bán dẫn pha tạp trở thành có tính dẫn điện electron,
tức là bán dẫn loại n (negative - âm). Ngược lại nếu pha tạp vào Si một ít nguyên tử
bo B có 3 electron ở vành ngoài, tức là thiếu một electron mới đủ tạo thành 4 mối
liên kết nên có thể nói là tạo thành lỗ trống. Vì là thiếu electron nên lỗ trống mạng
điện dương, bán dẫn pha tạp trở thành có tính dẫn điện lỗ trống, tức là bán dẫn loại
p (positive - dương). Trên cơ sở bán dẫn tinh khiết có thể pha tạp để trở thành có
lớp là bán dẫn loại n, có lớp bán dẫn loại p, lớp tiếp giáp giữa hai loạị chính là lớp
chuyển tiếp p - n. Ở bề mặt tiếp xúc p - n này một ít electron ở bán dẫn loại n chạy
sang bán dẫn loại p lấp vào lỗ trống thiếu electron. Kết quả là ở lớp tiếp xúc p-n có

GVHD: Th.S Nguyễn Văn Hân

SVTH: Nguyễn Ngọc Khánh


8

một vùng thiếu electron cũng thiếu cả lỗ trống, đây là vùng nghèo. Sự dịch chuyển
điện tử để lấp vào lỗ trống tạo ra vùng nghèo này cũng tạo nên hiệu thế gọi là hiệu
thế ở tiếp xúc p - n, đối với Si vào cỡ 0,6V đến 0,7V. Đây là hiệu thế sinh ra ở bề
mặt tiếp xúc không tạo ra dòng điện được.
 Nguyên lý hoạt động.
Để tìm hiểu về nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời trước tiên ta
tìm hiểu về hiện tượng quang điện trong:
Hệ thống hai mức năng lượng trong đó E1 < E2.

Hình 2.4: Trạng thái 2 mức năng lượng của electron.
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.υ (h là hằng số Plank và υ là
tần số ánh sáng) bị điện tử hấp thụ và chuyển lên mức E2.
Phương trình cân bằng năng lượng:
h.υ = E1 – E2

(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 Eg, trong đó không có mức

GVHD: Th.S Nguyễn Văn Hân

SVTH: Nguyễn Ngọc Khánh


9

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 hv tới hệ thống, bị điện tử của vùng hoá trị hấp thụ và nó có thể chuyển lên
vùng dẫn để trở thành điện tử 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.

Hình 2.5: Các vùng năng lượng trong phần tử bán dẫn.
Phương trình hiệu ứng lượng tử:
EV+ h.υ → e- + h+

(2.2)

Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lượng của photon và chuyển từ vùng
hoá trị lên vùng dẫn, tạo ra căp điện tử lỗ trống là:
h.υ > Eg = EC - EV

(2.3)

Suy ra bước sóng tới hạn λC của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e - và h+ là:
λC = hc/( EC – EV)

(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.
Pin năng lượng mặt trời hoạt động dựa trên hiện tượng quang điện trong xảy
ra trên lớp tiếp xúc p-n. Khi một photon chạm vào mảnh silic, một trong hai điều
sau sẽ xảy ra:

GVHD: Th.S Nguyễn Văn Hân

SVTH: Nguyễn Ngọc Khánh

10

• Photon truyền trực tiếp 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 lỗ trống cho nguyên tử lân cận có "lỗ trống". Cứ tiếp tục như vậy
lỗ trống di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn tạo nên dòng điện.

Hình 2.6: Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời.

GVHD: Th.S Nguyễn Văn Hân

SVTH: Nguyễn Ngọc Khánh


11

Có thể giải thích nguyên lý hoạt động của pin mặt trời theo hình 2.6 như sau.
Nếu đặt phiến bán dẫn đã tạo lớp tiếp xúc p - n đặt cho ánh sáng mặt trời chiếu vào
thì photon của ánh sáng mặt trời có thể kích thích làm cho điện tử đang liên kết với

nguyên tử bị bật ra khỏi nguyên tử, đồng thời ở nguyên tử xuất hiện chỗ trống vì
thiếu electron, đây là hiện tượng photon đến tạo ra cặp electron - lỗ trống. Nếu cặp
electron - lỗ trống này sinh ra ở gần chỗ có tiếp p - n thì hiệu thế tiếp xúc sẽ đẩy
electron về một bên (bên bán dẫn n) đẩy lỗ trống về một bên (bên bán dẫn p).
Nhưng cơ bản là electron đã nhảy từ miền hoá trị (dùng để liên kết) lên miền dẫn ở
mức cao hơn, có thể chuyển động tự do. Càng có nhiều photon chiếu đến càng có
nhiều cơ hội để electron nhảy lên miền dẫn. Nếu ở bên ngoài ta dùng một dây dẫn
nối bán dẫn loại n với bán dẫn loại p (qua một phụ tải như lèn LED chẳng hạn) thì
electron từ miền dẫn của bán dẫn loại n sẽ qua mạch ngoài chuyển đến bán dẫn loại
p lấp vào các lỗ trống. Đó là dòng điện pin Mặt trời Si sinh ra khi được chiếu sáng.
2.2 THIẾT BỊ LƯU TRỮ ĐIỆN NĂNG AC - QUI.
Hiện nay có rất nhiều loại ac - qui như: ac - qui nước, ac - qui axit, ac - qui
axit kiểu hở, ac - qui kín khí, ac - qui không cần bảo dưỡng, ac - qui khô, ac - qui
kiềm... Tuy nhiên trên thực tế thường phân biệt thành hai loại ac - qui thông dụng
hiện nay là ac - qui sử dụng điện môi bằng axit (gọi tắt là ac - qui axit hoặc ac - qui
chì - axit) và ac - qui sử dụng điện môi bằng kiềm (gọi tắt là ac - qui kiềm). Tuy có
hai loại chính như vậy nhưng ac - qui kiềm ít gặp nên đa số các ac - qui được sử
dụng hiện nay là ac - qui chì - axit. Trong phạm vi đồ án tôi xin trình về cấu tạo của
ac - qui chì axit. [9]
2.2.1 Cấu tạo của ac - qui chì - axit.
Gồm có các bản cực bằng chì và oxit chì ngâm trong dung dịch axit sulfuaric.
Các bản cực thường có cấu trúc phẳng, dẹp, dạng khung lưới, làm bằng hợp kim chì
antimon, có nhồi các hạt hóa chất tích cực. Các hóa chất này khi được nạp đầy
là dioxit chì ở cực dương, và chì nguyên chất ở cực âm.
Các bản cực được nối với nhau bằng những thanh chì ở phía trên, bản cực

GVHD: Th.S Nguyễn Văn Hân

SVTH: Nguyễn Ngọc Khánh

12

dương nối với bản cực dương, bản cực âm nối với bản cực âm. Chiều dài, chiều
ngang, chiều dầy và số lượng các bản cực sẽ xác định dung lượng của bình ac - qui.
Thông thường, các bản cực âm được đặt ở bên ngoài, do đó số lượng các bản cực
âm nhiều hơn bản cực dương. Các bản cực âm ngoài cùng thường mỏng hơn, vì
chúng sử dụng diện tích tiếp xúc ít hơn.
Chất lỏng dùng trong bình ac - qui này là dung dịch axit sunfuaric. Nồng độ
của dung dịch biểu trưng bằng tỷ trọng đo được, tuỳ thuộc vào loại bình ac - qui, và
tình trạng phóng nạp của bình.

Hình 2.7: Cấu tạo ac - qui chì - axit.
2.2.2

Nguyên lý hoạt động của ac - qui.
Trong quá trình nạp điện ac - qui đóng vai trò một máy thu, tích trữ điện năng

dưới dạng hóa năng. Khi nạp điện cho ac - qui người ta cho dòng điện một chiều đi
vào ac - qui. Dung dịch axit Sunfuric bị điện phân, làm xuất hiện hidro và oxit ở
hai bản chì. Ở bản nối với cự câm (-) của nguồn điện chì dioxit (PbO2) khử mất
oxi và thành chì (Pb), bản này sẽ thành cực âm (-) của ac - qui. Còn ở bản nối với
cực dương (+) của nguồn điện thì có oxit bám vào, oxi hóa Pb3O4 thành chì dioxit
(PbO2), bản này sẽ trở thành cựcdương (+) của ac - qui. Khi hai cực đã trở thành
Pb và PbO2 thì giữa chúng có một hiệu điện thế, ac - qui trở thành nguồn điện và
bây giờ tự nó có thể phát ra dòng điện.
Phản ứng của quá trình theo phương trình:
2PbSO4 + 2H2O = Pb+PbO2+2H2SO4.

GVHD: Th.S Nguyễn Văn Hân

(2.5)

SVTH: Nguyễn Ngọc Khánh


13

Nếu ta nối hai cực của ac - qui đã được nạp điện bằng một dây dẫn thì dòng
điện chạy trong dây sẽ có chiều ngược với dòng điện lúc nạp vào ac - qui. Dòng
điện này sẽ gây ra quá trình hóa học ngược lại, dung dịch axit lại bị điện phân
nhưng lần này các ion chuyển dời ngược chiều với lúc đầu ,hidro sẽ chạy về bản
PbO2 và khử oxi, làm cho bản này trở thành PbO. Cho đến khi hai cực đã hoàn toàn
giống nhau thì dòng điện tắt. Bây giờ muốn ac - qui lại phát điện, ta phải nạp điện
cho nó để hai cực trở thành Pb và PbO2.
Phản ứng của quá trình diễn ra theo phương trình:
Pb+PbO2+2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O.
2.2.3

(2.6)

Điện áp của ac - qui.
Mặc dù điện áp của các ac - qui là một số chẵn của 2 như ac - qui 2V, 6V, 12V,

24V... nhưng trên thực tế thì điện áp thông thường của các ac - qui không như vậy.
Mức điện áp mà các ac - qui cung cấp thường lớn hơn so với định mức của chúng,
như ac - qui 12V sẽ cung cấp mức điện áp tới 13V hoặc hơn. Điều này xuất phát từ
mức độ điện áp trên mỗi ngăn bình của chúng. Mức điện áp mỗi ngăn bình ac - qui
axit là 2,1 đến 2,2 V (±0,05V). Do tính chất cố hữu của ac - qui axit mà các ngăn
của chúng không thể có mức điện áp cao hơn.

Có thể đánh giá dung lượng của ac - qui axit qua dung lượng ac - qui phụ
thuộc vào mức độ điện áp (lúc không phát dòng) như bảng 2.1: [9]
Bảng 2.1: Dung lượng điện áp của ac - qui phụ thuộc vào điện áp.
Dung
lượng

100%

90%

80%

70%

60%

50%

40%

30%

20%

10%

0%

12.7

12.5

12.42

12.32

12.20

12.06

11.9

11.75

11.58

11.31

10.5

2.12

2.08

2.07

2.05

2.03

2.01

1.98

1.96

1.93

1.89

1.75

Điện áp

ac - qui
12V
Điện áp
1 ngăn

GVHD: Th.S Nguyễn Văn Hân

SVTH: Nguyễn Ngọc Khánh


14

Bảng trên đúng trong trường hợp ac - qui không mang tải, điều đó có nghĩa là
nếu như kích điện đang hoạt động thì có thể đo được điện áp các ac - qui là một số
lượng nào đó thì không thể lấy giá trị đó để đánh giá lưu lượng bình ac - qui còn lại
là bao nhiêu %. Vì khi phát dòng thì các ac - qui có điện áp tụt xuống, trong trường

hợp không phát dòng nữa thì mức điện áp đo được mới phản ánh đúng trạng thái
dung lượng còn lại của ac - qui. Khi đang phát dòng thì điện áp ac - qui giảm
xuống.
Theo bảng trên thì dung lượng ac - qui sẽ cạn kiệt ở mức điện áp 10,5V, vì vậy khi
thiết kế mạch điện loại "điện tử" (tức là theo dõi được mức độ điện áp đầu vào) sẽ
lấy mốc 10,7V để ngừng hoạt động nhằm tránh cho sự sử dụng ac - qui cạn kệt (gây
hại cho ac - qui). Điều đó là hợp lý bởi nếu như sử dụng điện từ ac - qui ở trạng thái
cạn kiệt thì các bản cực của ac - qui sẽ nhanh bị hư hỏng, dẫn đến hư hỏng chung
cho toàn bộ ac - qui (trong một ac - qui 12V, chỉ một trong 6 ngăn hư hỏng thì toàn
bộ ac - qui đó sẽ hư hỏng).
2.2.4

Các phương pháp nạp điện cho ac - qui.
 Phương pháp nạp với dòng nạp không đổi.
Phương pháp nạp điện với dòng nạp không đổi cho phép chọn dòng điện nạp

thích hợp, đảm bảo cho acqui được nạp đầy.
Các ac - qui được mắc nối tiếp với nhau và phải thoả mãn
Un > 2,7 Naq

(2.7)

Trong đó:
Un: Điện áp nạp (V).
Naq: Số ngăn ac - qui đơn mắc trong mạch nạp .
 Phương pháp nạp với áp không đổi.
Phương pháp nạp áp, ac - qui được mắc song song với nguồn nạp. Hiệu điện
thế cho mỗi ngăn đơn được giữ ổn định và có giá trị 2,3-2,5V với độ chính xác đến
3%. Dòng nạp lúc đầu sẽ rất lớn sau đó khi điện áp ac - qui tăng dần lên thì dòng

GVHD: Th.S Nguyễn Văn Hân

SVTH: Nguyễn Ngọc Khánh


15

nạp sẽ giảm đi khá nhanh. [9]
 Phương pháp nạp dòng – áp.
Ban đầu ta nạp với dòng nạp không đổi . Khi thấy ac - qui "sôi" thì hiêu điên
thế' giữa các cực của của ac - qui đơn 2,4V, tiếp tục nạp thì giá trị này nhanh chóng
tăng tới giá trị là 2,7 V. Sau đó chuyển sang chế độ nạp ổn áp với giá trị điên áp nạp
không đổi cho 1 ngăn đơn là U n = 2,7Vvà thường kéo dài từ 2 đến 3 giờ hoặc khi
dòng nạp tiến tới không (In = 0) thì kết thúc quá trình nạp. [9]
2.2.5

Dung lượng ac - qui và ảnh hưởng bởi chế độ phóng điện.
Dung lượng là thông số cơ bản, tham số này cho biết được khả năng lưu trữ

điện năng của ac - qui. Đơn vị tính của thông số này được tính thông dụng theo Ah
(Ampe giờ), một số acquy nhỏ hơn (và thường là các pin) thì tính theo mức mAh
(mili-ampe giờ). Một cách đơn giản để dễ hình dung về tham số dung lượng ac - qui
như sau: Ah là tham số bằng số dòng điện phát ra (tính bằng Ampe) trong khoảng
thời gian nào đó (tính bằng giờ). Trường hợp ac - qui 10 Ah thì có thể phát một
dòng điện 10A trong vòng một giờ, hoặc 5A trong 2 giờ, ... hay 1A trong 10. Nhưng
trên thực tế thì dung lượng ac - qui lại bị thay đổi tuỳ theo cường độ dòng điện
phóng ra. Nếu dòng điện phóng càng lớn thì dung lượng ac - qui còn lại càng nhỏ và
ngược lại, dòng điện phóng nhỏ thì dung lượng được bảo toàn ở mức cao. Về dung
lượng của ac - qui phụ thuộc vào cường độ dòng phóng được thể hiện như bảng 2.1.
Theo bảng 2.1 nếu như phóng điện với dòng 57A, ac - qui 100Ah chỉ còn

dung lượng là 85Ah và tương ứng chỉ phóng điện được 90 phút. Vì đa số các kích
điện đang được sử dụng thuộc loại công suất từ 800VA đến 1000VA nên dòng tiêu
thụ cực đại sẽ xấp xỉ với mức 57A nêu trên nên người dùng nên chú ý đến thông số
này.Vậy thì phóng dòng điện càng lớn thì dung lượng của ac - qui càng giảm đi.
Muốn dung lượng ac - qui đúng như số liệu công bố của các hãng sản xuất thì có lẽ
phải phóng với một dòng đủ nhỏ mà chỉ có thể thực hiện được điều này thông qua
việc sử dụng điện tiết kiệm (sử dụng với nhu cầu tối thiểu) hoặc phải trang bị một
hệ thống nhiều ac - qui.

GVHD: Th.S Nguyễn Văn Hân

SVTH: Nguyễn Ngọc Khánh


16

Bảng 2.2: Dung lượng ac - qui phụ thuộc vào dòng điện.
Thời gian
(phút)

Ac - qui 100Ah

Ac - qui 26Ah

Dòng phát (A)

Dung lượng (Ah)

Dòng phát (A)

Dung lượng (Ah)

90

57

85

13

19

60

74

74

19

19

50

86

71

21

18

45

93

70

23

17

40

102

68

25

17

30

129

64

31

15

20

174

58

40

13

15

213

53

49

12

10

275

45

63

10

2.3 GIỚI THIỆU VỀ VI ĐIỀU KHIỂN ATMEGA16.
2.3.1 Giới thiệu chung về vi điều khiển.
Trong những thập niên cuối thế kỉ XX, từ sự ra đời của công nghệ bán dẫn, kĩ
thuật điện tử đã có sự phát triển vượt bậc. Các thiết bị điện tử sau đó đã được tích
hợp với mật độ cao và rất cao trong các diện tích nhỏ, nhờ vậy các thiết bị điện tử
nhỏ hơn và nhiều chức năng hơn. Các thiết bị điện tử ngày càng nhiều chức năng
trong khi giá thành ngày càng rẻ hơn, chính vì vậy điện tử có mặt khắp mọi nơi.
Bước đột phá mới trong công nghệ điện tử, công ty Intel cho ra đời bộ vi xử lý đầu
tiên. Từ các bộ vi xử lý ban đầu chỉ là các bộ xử lý trung tâm trong một hệ thống,
không thể hoạt động nếu thiếu các bộ phận như RAM, ROM, bo mạch chủ... các
hãng đã phát triển các bộ vi xử lý này lên thành các bộ vi điều khiển để phục vụ các
mục đích riêng biệt, khác nhau trong công nghiệp.

GVHD: Th.S Nguyễn Văn Hân

SVTH: Nguyễn Ngọc Khánh


17

Hiện nay có rất nhiều họ vi điều khiển trên thị trường với nhiều dòng vi điều
khiển của các hãng sản xuất khác nhau như: Motorola, Microchip Technology
(PIC), Atmel, Mitsubishi, Toshiba, … [10]
 Vi điều khiển 8 bit của Motorola.
Các họ vi điều khiển của Motorola được kí hiệu bắt đầu bởi chữ cái MC. Vì cố
gắng giữ lại phần mềm các nhà chế tạo linh kiện bán dẫn thường duy trì sự tương
thích với các bộ vi xử lí đầu đời. Hãng Motorola đưa ra bộ vi điều khiển M6801 đầu
tiên của hãng trên thị trường thế giới vào năm 1978 và bộ vi điều khiển này được

chế tạo trên cơ sở sử dụng bộ vi xử lí M6800. Bộ vi điều khiển M6801 có bộ nhớ
ROM và RAM ngoài lớn nhất lên đến 64KB với mạch giao diện vào/ra, truyền
thông nối tiếp không đồng bộ đã bắt đầu phổ biến trong hệ thống điều khiển ôtô.
Sau đó vào năm 1985 Motorola đã phát triển bộ vi điều khiển 68HC11 tương
thích với bộ vi xử lí M6800. Bộ vi điều khiển MC68HC11 tiêu thụ ít công suất hơn
và cho phép tín hiệu nhiễu cao hơn so với các bộ vi xử lí đầu đời. MC68HC11 có
nhiều phiên bản, như MC68HC11A8 và MC68HC11E9. Một số hãng như
Mitsubishi, Toshiba cũng sản xuất các bộ vi điều khiển này theo công nghệ của
Motorola.
 Họ vi điều khiển 8 bit của hãng Microchip Technology.
Hãng Microchip Technology là một trong những nhà cung cấp hàng đầu về
các giải pháp điều khiển cho các hệ thống nhúng (Embedded control system). Hai
dòng sản phẩm chính của hãng là các họ vi điều khiển 8-bit PIC16/17, những sản
phẩm này được đưa vào ứng dụng cho việc đưa ra các giải pháp thiết kế các hệ
thống điều khiển nhúng của hãng cung cấp cho khách hàng. Các họ vi điều khiển
PIC16Cxx và PIC17Cxx của hãng Microchip Technology được sử dụng khá thông
dụng và rộng rãi cho các ứng dụng điều khiển trong việc chế tạo các sản phẩm tiêu
dùng, trong tự động hóa văn phòng, thiết bị ngoại vi của máy tính, các hệ thống tự
động điều khiển ...

GVHD: Th.S Nguyễn Văn Hân

SVTH: Nguyễn Ngọc Khánh