nghiên cứu ứng dụng năng lượng điện mặt trời cung cấp cho đèn chiếu sáng, báo hiệu và thiết bị điện tử hảng hải trên tàu qna 90170

1

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn tới quý thầy cô giảng dạy tại Trường Đại học
Nha Trang, đặc biệt là quý thầy cô ở Khoa Điện – Điện tử. Cảm ơn các thầy các cô đã
tận tuỵ dạy bảo, trang bị cho em những kiến thức chuyên ngành trong bốn năm qua, tạo
tiền đề vững chắc để thực hiện đề tài này.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới thầy Trần Tiến Phức – giáo viên
hướng dẫn em thực hiện đề tài. Cảm ơn thầy đã tạo mọi điều kiện tốt nhất để em thực
hiện đề tài cũng như hướng dẫn tận tình các bước thực hiện để hoàn thành đề tài tốt
nhất.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới bạn bè và người thân trong gia đình đã góp ý và
động viên em trong quá trình thực hiện đề tài này.

Nha Trang, tháng 06 năm 2015

Đặng Quốc Việt

GVHD: Ts. Trần Tiến Phức

SVTH: Đặng Quốc Việt


2

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC BIỂU ĐỒ

GVHD: Ts. Trần Tiến Phức

SVTH: Đặng Quốc Việt


3

DANH SÁCH MỤC HÌNH VẼ

GIỚI THIỆU CHUNG
Năm 1907, hiện tượng biến điện thành ánh sáng được H. J. Round phát hiện đầu
tiên. Tuy nhiên, phải đến vài thập kỷ sau đó thì thế hệ LED đầu tiên mới được ra đời,
gọi là LED hồng ngoại; do các nhà thí nghiệm người Mỹ Robert Biard và Garry
Pittman phát minh vào năm 1961. Sang năm 1962, Nick Honyak chế tạo ra loại LED
phát ra ánh sáng nhìn thấy là loại Led đỏ và ông được xem là cha đẻ của LED.

GVHD: Ts. Trần Tiến Phức

SVTH: Đặng Quốc Việt


4

Từ khi du nhập vào Việt Nam đến nay, LED dường như đã có chổ đứng không
thể nào thay thế được trong lĩnh vực chiếu sáng bởi sự tiện dụng, tiết kiệm điện, tuổi
thọ và tính thẩm mỹ của nó. Nhiều công trình mọc lên không thể thiếu sự góp mặt của
đèn LED như: nhà cửa, văn phòng, sân vườn, trang trí cây cảnh, điểm du lịch - giải trí
– nghỉ mát, các biển hiệu quảng cáo lại không thể thiếu,…cho đến chiếu sáng các công
trình giao thông cầu – đường.
Trải qua nhiều thập kỷ từ thuở sơ khai đến nay, năm 2015 là mốc thời gian mà

LED gần như đã hoàn thiện lên rất nhiều: từ chất lượng ánh sáng, hiệu suất, công suất,
điện năng tiêu thụ, nhiệt độ làm việc, tuổi thọ, và giá cả cũng càng ngày giảm xuống…
LED không còn đắc đỏ như nhũng ngày đầu ra đời và trở nên phổ biến trong đời sống
bởi sự tiện lợi của nó.
Nếu như trước đây LED chỉ có mặt trong các thiết bị điện tử như truyền phát dữ
liệu, thì ngày nay LED được ứng dụng rông rãi trong lĩnh vực chiếu sáng, trang trí nội
thất trong nhà, sân vườn, … Nhiều nơi đã sử dụng LED vào chiếu sáng đường bộ kết
hợp với ứng dụng PIN năng lượng mặt trời, tạo thành một cặp đôi hoàn hảo của công
nghệ mới – công nghệ của tượng lai: không phát thải, sạch, an toàn, tiết kiệm và bảo vệ
môi trường.
Việt Nam với lợi thế là một trong những nước nằm trong giải phân bố ánh nắng
mặt trời nhiều nhất trong năm trên bản đồ bức xạ của thế giới, năng lượng mặt trời ở
Việt Nam có sẵn quanh năm, khá ổn định và phân bố rộng rãi trên các vùng miền. Đặc
biệt, số ngày nắng trung bình trên các tỉnh của miền Trung và miền Nam là khoảng 300
ngày/năm.
Các nhà khoa hoc, các kỹ sư, các chuyên gia luôn quan tâm, nghiên cứu đến
nguồn năng lượng tái tạo, khả năng ứng dụng cho cuộc sống con người. Đồ án
“NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI CUNG CẤP CHO
ĐÈN CHIẾU SÁNG, BÁO HIỆU VÀ THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ HẢNG HẢI TRÊN TÀU
QNA 90170” là một đề tài chỉ nghiên cứu một mảng nhỏ trong hệ thống năng lượng

GVHD: Ts. Trần Tiến Phức

SVTH: Đặng Quốc Việt


5

mặt trời, đó là cung cấp năng lượng trực tiếp cho tàu khai thác thủy sản, nơi mà nguồn
điện năng quốc gia chưa thể kéo đến.

TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Năng lượng mặt trời cũng như nhiều nguồn năng lượng mới khác như năng
lượng gió, năng lượng thủy triều, năng lượng địa nhiệt…, Ngày nay trên thế giới rất
được quan tâm, đặc biệt trong quá trình nóng lên toàn cầu hiện nay, thế giới đang có xu
hướng tìm kiếm, phát triển mạnh nguồn năng lượng mới này. Đối với Việt Nam tuy vẫn
còn chưa phát triển rộng rãi nhưng lại được sự quan tâm đặc biệt từ chính phủ và người
dân.
Giá thành các đèn hành trình hảng hải ứng dụng led ngoại nhập còn quá cao nên
chưa được người ta ứng dụng nhiều.
Sư am hiểu về các quy tắc quy định của người dân về an toàn hàng hải còn kém.
Một số ngư dân chủ quan không gắn các thiết bị đèn báo hiệu hàng hải hay gắn
nhưng không đúng quy định an toàn hàng hải.
Do công tác đánh bắt cá trên biển tốn nhiều thời gian nên việc tích trữ năng
lượng điện để vận hành các thiết bị an toàn trên thuyền là không đủ.
Ngoài ra ảnh hưởng từ sự rung lắc của sóng dẫn tới giảm tuổi thọ bóng đèn.
Theo nội dung chương trình mục tiêu quốc gia sử dụng năng lượng tiết kiệm và
hiệu quả của chính phủ, từ ngày 1-1-2013. Việt Nam sẽ cấm nhập, sản xuất các loại
bóng đèn sợi đốt (đèn tròn) có công suất trên 60 W. Tuy nhiên, hiện nay nhiều nơi
người dân vẫn còn sử dụng loại đèn này trong chiếu sáng và sản xuất “nguồn: Quyết
định số 78/2013/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ: Về việc ban hành Danh mục và lộ
trình phương tiện, thiết bị sử dụng năng lượng phải loại bỏ và các tổ máy phát điện
hiệu suất thấp không được xây dựng mới”
ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG THỰC TẾ CỦA ĐỀ TÀI
Đối tượng áp dụng
Trong đề tài này, Sử dụng các loại LED chiếu sáng có trên thị trường chế tạo các đèn

GVHD: Ts. Trần Tiến Phức

SVTH: Đặng Quốc Việt

6

hành trình hàng hải chiếu sáng hiệu suất cao theo công nghệ chiếu sáng mới, hiện đại,
tiết kiệm năng lượng, lựa chọn các loại đèn LED đảm bảo yêu cầu, nhằm tăng hiệu suất sử
dụng năng lượng của bình ắc quy được tích điện từ pin mặt trời. LED là sản phẩm
thân thiện với môi trường và giá thành của nó ngày càng rẻ.
Phạm vi ứng dụng thực tế của đề tài
Chế tạo và ứng dụng đèn led cho các loại đèn hành trình hàng hải đảm bảo yêu
cầu tầm nhìn trong ngành hàng hải Việt Nam. Sử dụng điện năng lượng mặt trời làm
nguồn năng lượng chính cung cấp cho hệ thống hoạt động.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Việc chế tạo thành công các đèn hành trình hàng hải bằng LED dùng điện mặt
trời mang nhiều ý nghĩa về tiết kiệm năng lượng, sử dụng năng lượng sạch cho mọi
người và là bài học về công nghệ chiếu sáng hiện đại, hiệu suất cao cho sinh viên
ngành Công nghệ kỹ thuật điện - điện tử nói riêng và sinh viên trường Đại học Nha
Trang nói chung và lớn hơn nữa là ứng dụng rộng rãi trong nghành hàng hải là nghành
tiêm năng mũi nhọn nước ta.
Việc ứng dụng năng lượng vào nhu cầu điện sinh hoạt trên tàu như sử dụng máy
tầm ngư, bộ đàm, ICOM,… mà không phải vận hành động cơ của tàu. Qua đó tiết kiệm
đáng kể chi phí nhiên liệu và đặc biệt qua hệ thống này giúp cho việc liên lạc với đất
liền khi có sự cố trên biển một cách thường xuyên qua hệ thống thông tin liên lạc, hệ
thống định vị vệ tinh 24/24 giờ, giảm thiểu rủi ro...
Đồ án “NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI
CUNG CẤP CHO ĐÈN CHIẾU SÁNG, BÁO HIỆU VÀ THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ HẢNG
HẢI TRÊN TÀU QNA 90170” là một trong những nghiên cứu ứng dụng thiết thực, đề
ra dải pháp tối ưu và thực hiện mô hình điện mặt trời cho tàu khai thác thủy sản xa bờ.
Đồ án gồm 2 phần chính:

GVHD: Ts. Trần Tiến Phức

SVTH: Đặng Quốc Việt


7

Phần cơ sở lí thuyết: Chú trọng về lý thuyết luật hàng hải, năng lượng mặt trời,
lập sơ đồ hệ thống điện mặt trời trên tàu, thiết kế quá trình lắp đặt, sử dụng an toàn, dễ
hiểu cho người dân.
Phần thi công: Thiết kế thi công mạch đèn led trong đèn hành trình, hệ thống
đèn led chiếu sáng của tàu QNA 90170.
Nội dung đồ án gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan lý thuyết về năng lượng mặt trời (solar), bộ lưu trữ điện
năng (acquy), công nghệ chiếu sáng led
Chương 2: Giải pháp chiếu sáng sử dụng led cho đèn hàng hải
Chương 3: Quá trình chế tạo và lắp đặt hệ thống đèn hành trình hàng hải trên tàu
qna 90170
Trong đồ án này, em đã đưa vào phần lý thuyết quan trọng về các thiết bị trong
hệ thống năng lượng mặt trời, mạch thi công ứng dụng thực tế. Qua đây em muốn
người đọc hiểu rõ hơn về hệ thống và có thể tự lắp đặt riêng hệ thống năng lượng mặt
trời để sử dụng, góp phần bảo vệ môi trường và tiết kiệm năng lượng.

GVHD: Ts. Trần Tiến Phức

SVTH: Đặng Quốc Việt


8

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

(SOLAR), BỘ LƯU TRỮ ĐIỆN NĂNG (ACQUY), CÔNG NGHỆ CHIẾU SÁNG
LED
Ở phần này chúng ta sẽ được tìm hiểu những lý thuyết cơ bản về Pin năng lượng
Mặt Trời (Solar), Ắc-quy (Ắc quy) và thiết bị chiếu sáng - Led. Công nghệ pin mặt
trời, Ắc quy mới nhất. Ứng dụng của chúng trong đời sống cũng như trong công nghệ
sản xuất năng lượng sạch, sự tối ưu trong việc kết hợp các thiết bị trên để tạo ra những
mô hình thích hợp trên con đường ứng dụng năng lượng sạch.
1.1. PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI (SOLAR)
Pin năng lượng Mặt Trời (PNLMT) (hay pin quang điện, tế bào quang điện), là
thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các diode p-n. Duới sự hiện diện của ánh sáng Mặt
Trời, PNLMT có khả năng tạo ra dòng điện sử dụng được. Sự chuyển đổi này gọi là
hiệu ứng quang điện.
1.1.1.

Cấu tạo

1.1.1.1. Vật liệu

Để tìm hiểu về pin Mặt Trời chúng ta cần tìm hiểu về vật lý chất bán dẫn. Để
đơn giản, ta tìm hiểu pin năng lượng tinh thể silic. Silic thuộc nhóm IV, tức là có 4
electron lớp ngoài cùng. Silic có thể kết hợp với Silicon khác để tạo nên chất rắn.
Cơ bản có 2 loại chất rắn Silicon: vô định hình (không có trật tự sắp xếp) và đa tinh
thể (các nguyên tử sắp xếp theo thứ tự dãy không gian 3 chiều). PNLMT phổ biến
nhất là dùng đa tinh thể silicon, tuy nhiên ngày nay người ta đã tìm ra nhiều vật liệu
khác có thể thay thế như sự kết hợp của Vonfram và gốm.
Ở nhiệt độ phòng, silic nguyên chất có tính dẫn điện kém. Để tạo ra Silic có
tính dẫn điện tốt hơn, có thể thêm vào một lượng nhỏ các nguyên tử nhóm III hay V
trong bảng tuần hoàn hóa học. Các nguyên tử này chiếm vị trí của nguyên tử silic
trong mạng tinh thể, và liên kết với các nguyên tử silic bên cạnh tương tự như là

GVHD: Ts. Trần Tiến Phức

SVTH: Đặng Quốc Việt


9

một silic. Tuy nhiên các phân tử nhóm III có 3 electron ngoài cùng và nguyên tử
nhóm V có 5 electron ngoài cùng, nên có chỗ trong mạng tinh thể thì dư electron
còn có chỗ thì thiếu electron. Vì thế các electron thừa hay thiếu electron (gọi là lỗ
trống) không tham gia vào các kết nối mạng tinh thể. Chúng có thể tự do di chuyển
trong khối tinh thể. Silic kết hợp với nguyên tử nhóm III (Nhôm hay Gali) được gọi là
loại bán dẫn p bởi vì năng lượng chủ yếu mang điện tích dương (positive), trong khi
phần kết hợp với các nguyên tử nhóm V (Phốt pho, Asen) gọi là bán dẫn n vì mang
năng lượng âm (negative).
Cho tới hiện nay thì vật liệu chủ yếu dùng cho sản xuất pin Mặt Trời (và cho
các thiết bị bán dẫn) là các Silic tinh thể. Pin Mặt Trời từ tinh thể silic chia ra thành 3
loại.

Hình 1.1: Các loại cấu trúc tinh thể của PNLMT
− Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình
Czochralski. Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16%. Chúng thường rất đắt
tiền do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn tinh thể này có các mặt
trống ở góc nối các module.
− Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc, được 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.
− Dải Silic tạo từ các miếng phim mỏng, từ Silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh

GVHD: Ts. Trần Tiến Phức

SVTH: Đặng Quốc Việt


10

thể. Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các
loại vì không cần phải cắt từ thỏi Silicon.
1.1.1.2. Nguyên lý cấu tạo

Hình 1.2: Cấu tạo Pin năng lượng mặt trời
Các tấm tinh thể mỏng được đánh bóng để loại bỏ các khuyết tật trong quá
trình cắt. Chất kích thích được dùng để tăng sư hấp thụ ánh sáng. Các tấm kim loại
dẫn truyền đặt vào một mặt, thêm một lưới mỏng trên bề mặt chiếu ánh sáng Mặt
Trời, và một mặt phẳng trên mặt còn lại, xem hình Hình 1.2. 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 bị làm nóng lên khi hấp thụ năng
lượng hồng ngoại vốn không thể chuyển hóa thành năng lượng. Một khi các pin bị
nóng thì giảm hiệu suất hoạt động vì thế nên phải làm giảm thiểu nhiệt năng.
Tấm năng lượng Mặt Trời tạo thành từ nhiều pin Mặt Trời. Mặc dù mỗi pin chỉ
cung cấp một lượng nhỏ năng lượng, nhưng nhiều pin trải dài trên một diện tích lớn
tạo nên nguồn năng lượng đủ dùng. Để đạt được hiệu năng tốt nhất, tấm năng lượng
phải hướng trực tiếp đến Mặt Trời.

GVHD: Ts. Trần Tiến Phức

SVTH: Đặng Quốc Việt

11

Hình 1.3: Quá trình tạo một Panel Pin năng lượng mặt trời
Công nghệ trên là sản xuất 1 tấm, nói cách khác các loại trên có độ dày
300μm tạo thành và xếp lại để tạo nên module.
1.1.2.

Nguyên lý hoạt động

Hình 1.4: Nguyên lý hoạt động của Pin năng lượng mặt trời

GVHD: Ts. Trần Tiến Phức

SVTH: Đặng Quốc Việt


12

Hệ thống hai mức năng lượng:

Hình 1.5: Trạng thái 2 mức năng lượng của Electron
Bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp E2. Khi chiếu sáng hệ thống,
lượng tử ánh sáng (photon) mang năng lượng hv (h là hằng số Plank và v là tần số ánh
sáng) bị điện tử hấp thụ và chuyển lên mức E1.
Phương trình cân bằng năng lượng:
hv = E1- E2

(1.1)

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 EV. 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. Phần cách ly giữa vùng hóa trị và
vùng dẫn đó gọi là một vùng cấm có độ rộng năng lượng là Eg, tại 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 hv chiếu 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 (kí hiệu h ). Lỗ trống này có thể di

GVHD: Ts. Trần Tiến Phức

SVTH: Đặng Quốc Việt


13

chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện. Hình 1.6 trình bày các vùng năng lượng
chất bán dẫn.

Hình 1.6: Các vùng năng lượng trong phân tử bán dẫn
Hiệu ứng lượng tử của quá trình hấp thụ Photon được mô tả bằng phương trình:
+
Ev + hv→ e + h

(1.2)

Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lượng của Photon và chuyển vùng hóa
trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử lỗ trống là:
(1.3)

hv > Eg = EC – Ev
- +
Suy ra bước sóng tới hạn λC của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e - h là:

(1.4)

λC = hc/( EC – EV)
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 - h , tức là
tạo ra một điện thế. Hiện tượng đó gọi là hiện tượng quang điện bên trong.
Nguyên lý hoạt động của pin Mặt Trời chính là hiện tượng quang điện xảy ra
trên lớp tiếp xúc p-n. Hình 1.5 trình bày hiện tượng biến đổi năng lượng khi ánh
sáng chiếu vào lớp bán dẫn.

GVHD: Ts. Trần Tiến Phức

SVTH: Đặng Quốc Việt


14

Hình 1.7: Hiện tượng biến đổi quang điện trong phân tử bán dẫn khi có ánh sáng chiếu
vào lớp tiếp xúc p - n

GVHD: Ts. Trần Tiến Phức

SVTH: Đặng Quốc Việt


15

Sự chuyển đổi ánh sáng:
Khi một photon chạm vào mảnh silic, một trong hai trường hợp 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 ở 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 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 1.8 trình bày
nguyên lý hoạt động của PNLMT.

Hình 1.8: Nguyên lý hoạt động của Pin năng lượng mặt trời
GVHD: Ts. Trần Tiến Phức

SVTH: Đặng Quốc Việt

16

1.1.3.

Ứng dụng của pin mặt trời

Năng lượng Mặt Trời là nguồn năng lượng mà con người biết khai thác và sử
dụng từ rất sớm. Nhưng việc ứng dụng NLMT vào sản xuất trên quy mô lớn, cũng
như cuộc sống hàng ngày thì mới chỉ thực sự bắt đầu vào cuối thế kỷ 18, và tập chung
chủ yếu ở các nước có nhiều năng lượng Mặt Trời. Từ các cuộc khủng hoảng năng
lượng thế giới năm 1968 và 1973, NLMT càng được quan tâm hơn. Tuy nhiên, ở đây
chúng ta chỉ bàn đến những ứng dụng mạnh mẽ của PNLMT trong những năm gần đây
và tập trung vào khía cạnh PNLMT kết hợp với LED trong chiếu sáng các công trình
công cộng, hòa điện lưới,
Sản xuất năng lượng từ pnlmt
Sản xuất điện năng trên thế giới theo hai loại công nghệ sản xuất điện mặt trời
được phát triển rộng rãi, đó là: Công nghệ hội tụ năng lượng mặt trời
CSP (concentrated solar power) và Công nghệ quang điện SPV (Solar Photovoltaic).
Trong Công nghệ CSP; còn gọi là Công nghệ nhiệt năng mặt trời STE (Solar
thermal energy), sử dụng một hệ thống nhiều ống kính, gương phản chiếu và các hệ
thống theo dõi nhằm tập trung ánh sáng mặt trời từ một khu vực rộng lớn vào một diện
tích nhỏ. Ở đây, nước hoặc chất lỏng đặc biệt khác chứa trong các bể chứa hay ống dẫn
được làm nóng lên đến từ nhiệt độ vài chục độ (sử dụng, như sưởi ấm bể bơi, cung cấp
nước ấm cho các hộ gia đình, lưu trữ năng lượng phòng khi không có mặt trời chiếu
sáng), đến vài trăm độ (tạo thành những dòng hơi nước mạnh làm quay tuôc-bin để sản
xuất điện).
Trong Công nghệ SPV, năng lượng ánh sáng mặt trời được chuyển thành dòng
điện, nhờ hiệu ứng quang điện, qua các tế bào quang điện hay các Pin mặt trời bé nhỏ.

Các pin nhỏ ghép lại thành tấm Pin Mặt trời lớn. Các tấm pin lớn này ghép lại với nhau
thành mô đun hay dãy. Ban đầu, các tấm Pin mặt trời được dùng cho vệ tinh nhân tạo

GVHD: Ts. Trần Tiến Phức

SVTH: Đặng Quốc Việt


17

hay phi thuyền không gian, nhưng giờ đây ở nhiều nước đã sử dụng rộng rãi trong công
nghiệp và dân dụng. Các nhà máy điện mặt trời sử dụng công nghệ hội tụ CSP hay
công nghệ quang điện SPV, hoặc kết hợp cả hai công nghệ đã xuất hiện ở nhiều quốc
gia. (xem bài “Top 10 quốc gia khai thác điện mặt trời trên thế giới”/Vietnamnet.vn/
truy cập ngày cuối 29/05/2014).
Bảng 1.1: Bảng xếp hạng các nhà máy điện mặt trời trên thế giới theo công nghệ SPV
550

MW

251 MW (đat 397 MW khi hoàn thành)
250 MW (hoàn thành 2013)
230 MW (gần hoàn thành)
221 MW
200 MW (hoàn thành 2011)
200 MW
170 MW (gần hoàn thành)
166 MW (hoàn thành 2013)
150 MW

(a)

(b)

Hình 1.9: Sản xuất điện năng lượng Mặt Trời trên thế giới
a) Hệ thống điện năng lượng Mặt Trời “Topaz Solar Farm”, ở Mỹ
b) Hệ thống sản xuất điện năng lượng Mặt Trời “Meuro Solar Park”, ở Đức

GVHD: Ts. Trần Tiến Phức

SVTH: Đặng Quốc Việt


18

Biểu đồ 1.1: Sự tăng trưởng tổng điện năng mặt trời năm theo các năm

Biểu đồ 1.2: Tình hình xây dựng các nhà máy quang điện mặt trời trong các năm
2001-2015.

GVHD: Ts. Trần Tiến Phức

SVTH: Đặng Quốc Việt


19

Về đà tăng trưởng điện năng mặt trời của thế giới, trên Biểu đồ 1.1 kèm theo giới
thiệu sự tăng trưởng của tổng sản lượng điện mặt trời theo từng năm, từ 1995 đến
2013. Rõ ràng, trong 5 năm cuối gần đây, đà tăng trưởng diễn ra rất nhanh, gần đến 15

lần. Trên đồ thị thứ hai cho thấy vai trò của điện mặt trời trong nền công nghiệp điện
năng ở các nước.
Tình hình thế giới thúc đẩy Việt Nam có chính sách đầu tư phát triển toàn diện
nền công nghiệp điện năng của đất nước. Bên cạnh sự phát triển nhiệt điện khí, điện
hạt nhân, không thể không có chính sách hợp lý đối với sử dụng năng lượng tái tạo,
trước hết là điện gió và điện mặt trời.
Tại Việt Nam các dự án về sản xuất điện từ PNLMT liên tục được các nhà đầu
tư nước ngoài kết hợp triển khai, Hình 1.10 a) là hệ thống cung cấp điện năng lượng
Mặt trời được lắp đặt trên nóc nhà Bộ Công Thương với công suất 120 kW do CHLB
Đức tài trợ và (Hình 1.10 b) là hệ thống sản xuất điện năng lượng Mặt Trời do chính
Intel lắp đặt trên tòa nhà trụ sở của mình tại Việt Nam. Ngoài ra, còn rất nhiều dự án
khác được tài trợ từ các công ty, tập Đoàn năng lượng sạch của nước ngoài được thực
hiện tại Việt Nam.

b)
a)
Hình 1.10: Sản xuất điện năng lượng Mặt Trời tại Việt Nam
Hệ thống điện năng lượng Mặt Trời nối lưới trên nóc nhà
Bộ Công Thương
Hệ thống sản xuất điện từ năng lượng Mặt Trời trên sân thượng Intel Việt Nam

GVHD: Ts. Trần Tiến Phức

SVTH: Đặng Quốc Việt


20

Phương tiện giao thông
Sử dụng năng lượng Mặt Trời làm nguồn năng lượng vận hành các phương tiện

giao thông là một hướng phát triển trong lĩnh vực tìm kiếm và sử dụng năng lượng
sạch. Trong tương lai, chắc chắn các phương tiện di chuyển đi lại hay vận chuyển hàng
hóa sử dụng PNLMT sẽ không còn xa lạ mà sẽ trở nên phổ biến như nhiều loại phương
tiện sử dụng động cơ xăng hay nhiên liệu hóa thạch khác, vì đây là hướng phát triển
bền vững của tương lai mà Thế Giới đang hương đến. Hình 1.11 là những ví dụ điển
hình cho việc các phương tiện sử dụng PNLMT sẽ đi vào đời sống một cách phổ biến
trong tương lai không xa.

a)

b)

c)

Hình 1.11: Năng lượng Mặt Trời làm nhiên liệu thay thế cho xăng dầu trên phương tiện giao thông
Máy bay chạy bằng năng lượng Mặt Trời
Tàu thủy chạy bằng năng lượng Mặt Trời
Ôtô chạy bằng Pin năng lượng mặt trời

GVHD: Ts. Trần Tiến Phức

SVTH: Đặng Quốc Việt


21

Các ứng dụng khác của PNLMT
Ngoài việc sử dụng tập hợp với quy mô lớn như sản xuất điện năng hay tích hợp
vào các phương tiện giao thông thì PNLMT còn rất nhiều ứng dụng thiết thực khác
như: tích hợp vào điện thoại di động để sạc Pin khi di chuyển ngoài trời, đèn học tập

chạy bằng PNLMT; máy tính cầm tay sử dụng PNLMT, sạc điện thoại bằng NLMT,
Laptop sử dụng PNLMT,… và còn rất nhiều ứng dụng khác sẽ được con người đã và
đang tiếp tục nghiên cứu để cho ra những sản phẩm công nghệ của tương lai, không chỉ
tính ứng dụng cao mà quan trọng hơn nữa nó là một “thiết bị công nghệ sạch”.
1.1.4.

Công nghệ mới của PNLMT

Cấu trúc Silicon mới tăng hiệu suất pin mặt trời
Các nhà nghiên cứu đã tìm ra ra một cấu dạng silicon mới, mang tên Silicon
BC8 có thể tăng hiệu suất hoạt động của pin mặt trời. Nghiên cứu này được trình bày
chi tiết tại tờ tạp chí Physical Review Letters, số tháng 1/2013. Các nhà nghiên cứu tại
Đại học California Davis tính toán hiệu suất có thể tăng thêm được tính toán dựa trên
mô phỏng điện toán.
Với loại pin truyền thống, cứ một photon đi vào sẽ có một cặp lỗ hổng electron,
do đó hiệu suất tối đa sẽ đạt 33%. Các hạt nano của hợp chất silicon truyền thống chỉ
có thể hoạt động trong vùng ánh sáng tia cực tím dưới tác động của hiện tượng giam
giữ lượng tử (quantum confinement).
Hiện tượng giam giữ lượng tử tạo ra nhiều hơn một cặp lỗ hổng electron và các
nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos, UC Davis và Phòng thí
nghiệm Năng lượng tái tạo quốc gia đã nghiên cứu hiện tượng này một cách chi tiết
hơn.
Các nhà khoa học phát hiện ra nếu tạo ra được nhiều hơn một cặp lỗ hổng
electron trên một photon thì có thể đạt được hiệu suất lên tới 42% - mức hiệu suất vượt
xa so với bất kỳ loại pin mặt trời nào hiện nay. Phương pháp mới không chỉ hiệu quả

GVHD: Ts. Trần Tiến Phức

SVTH: Đặng Quốc Việt

22

với vùng ánh sáng tia cực tím mà còn có hiệu quả với vùng ánh sáng mặt trời không
nhìn thấy được.
Các chuyên gia cũng tin rằng với việc kết hợp nhiều lỗ hổng electron trên một
photon bằng các gương parabol, hiệu suất tối đa của pin có thể lên tới 70%.
Các nhà nghiên cứu ủng hộ khả năng hoạt động của một cấu trúc silicon mang
tên silicon BC8. BC8 được tạo thành dưới áp suất cao nhưng lại ổn định ở áp suất
thông thường. Phép mô phỏng điện toán được thực hiện tại Trung tâm Siêu điện toán
Nghiên cứu khoa học Năng lượng quốc gia tại Phòng thí nghiệm Lawrence Berkeley.
Kết quả cho thấy các hạt nano của cấu trúc silicon BC8 thực tế tạo ra nhiều cặp
lỗ hổng electron trên một photon thậm chí là khi tiếp xúc với ánh sáng nhìn thấy được.
Do đó, các nhà khoa học đang hi vọng về khả năng tạo ra một loại pin mặt trời có hiệu
suất cao nhất thế giới. Nguồn “sở Khoa Học và Công Nghệ Ha Nam, truy cập ngày

cuối 10-6-2015”.
Hình 1.12: Cấu trúc silicon BC8
1.2. THIẾT BỊ LƯU TRỮ ĐIỆN NĂNG (ẮC QUY)
Điện năng là một loại hàng hóa đặc biệt trong đó sản xuất và tiêu dùng đi đôi
với nhau, để lưu trữ/dự trữ được điện năng người ta đã chế tạo ra Ắc quy – thiết bị có

GVHD: Ts. Trần Tiến Phức

SVTH: Đặng Quốc Việt


23

khả năng tích trữ điện trong thời gian lâu dài; Ắc quy là một thiết bị rất cơ động, người

ta có thể mang nó đi đến bất kỳ vị trí nào để sử dụng như một “nhà máy phát điện
mini”, miễn là trước đó người ta đã dự trữ đủ điện ứng với dung lượng của nó.
Cũng giống như điện năng được sản xuất từ thủy điện hay nhiệt điện,… điện
năng sản xuất ra từ pin năng lượng Mặt Trời cũng cần được dự trữ lại để sử dụng cho
những lúc trời không nắng hay không có đủ ánh sáng Măt Trời. Ở mục này ta sẽ tìm
hiểu về Ắc quy, cách lựa chọn Ắc quy, nạp điện và sử dụng Ắc-quy cũng như cách bảo
quản, bảo vệ Ắc quy như thế nào để lưu trữ điện năng một cách hiệu quả nhất và tuổi
thọ Ắc quy là cao nhất.
1.2.1.

Giới thiệu về Ắc quy

Bình Ắc quy là thiết bị lưu trữ điện - một dạng nguồn điện hóa học, dùng để lưu
trữ điện năng dưới dạng hóa năng. Khi có phụ tải nối vào, hóa năng được giải
phóng dưới dạng điện năng.
Hiện nay có rất nhiều loại Ắc quy với những chất lượng, tính năng và giá thành
rất khác nhau. (axit chì, kín khí, chì khô, cadium, niken, Lithium….) Nhưng xét
tổng thể thì có hai loại Ắc quy chính là Ắc quy chì- acid và Ắc quy sắt- kiềm. Trong
khuôn khổ đồ án này ta tập trung nghiên cứu Ắc quy chì – acid sản xuất theo công
nghệ kín khí, đây là loại Ắc quy không cần bảo dưỡng.
Cấu tạo chì – acid

GVHD: Ts. Trần Tiến Phức

SVTH: Đặng Quốc Việt


24

Ắc quy chì - acid gồm có các bản cực bằng chì đi- ô-xít chì ngâm trong dung

dịch acid Sulfuric. Hình 1.13 trình bày cấu tạo của Ắc quy.
Các bản cực thường có cấu trúc phẳng, dẹp, dạng khung lưới, làm bằng hợp
kim chì - Antimone, 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 dương nối với bản cực dương, bản
cực âm nối với bản cực âm. 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
Hình 1.13: Cấu tạo Ắc quy chì - acid
thường mỏng hơn, vì chúng sử dụng diện tích tiếp xúc ít hơn.
Chất lỏng dùng trong bình Ắc quy này là dung dịch acid Sulfuric. Nồng độ của
dung dịch biểu trưng bằng tỷ trọng đo được, tuỳ thuộc vào loại bình Ắc quy, và tình
trạng phóng nạp của bình.
Trị số tỷ trọng của bình Ắc quy khi được nạp đầy được quy ra ở 25⁰C (77⁰F)
được cho ở Bảng 1.2.
Bảng 1.2: Tỷ trọng bình Ắc quy ở 250C
Loại bình Ắc quy
Bình Ắc quy làm việc ở chế độ tải nặng, thí dụ các xe tải điện
Bình Ắc quy dùng cho xe ôtô, phi cơ
Bình Ắc quy dùng cho tải không nặng lắm: thí dụ như chiếu
Bình Ắc quy tĩnh, hoặc dùng cho các ứng dụng dự phòng

Tỷ trọng điện
1,275
1,260
1,245
1,215

Dung lượng Ắc quy
Dung lượng của Ắc quy là lượng điện (điện tích) mà Ắc quy đó sau khi đã được
nạp đầy sẽ phát ra được trước khi hiệu điện thế giảm xuống đến mức ngừng. Mức

ngừng là mức mà không nên bắt Ắc quy phát điện tiếp, nếu cứ để Ắc quy phát điện ở

GVHD: Ts. Trần Tiến Phức

SVTH: Đặng Quốc Việt


25

dưới mức ngừng thì sẽ giảm tuổi thọ của Ắc quy, thậm chí có thể làm Ắc quy chết
ngay lập tức. Đó là trường hợp dùng nhiều Ắc quy mắc nối tiếp nhau khi 1 Ắc quy đã
phát hết điện mà những cái khác chưa hết điện và ta tiếp tục dùng thì cái hết điện
trước sẽ bị đảo cực và hỏng hoàn toàn. Với Ắc quy chì thông thường thì mức
ngừng là 1,67V cho mỗi ngăn; hay là 10V cho cả 6 ngăn.
Dung lượng của bình Ắc quy thường được tính bằng Ampe giờ (Ah). Ah là tích
số giữa dòng điện phóng với thời gian phóng điện. Dung lượng này thay đổi tùy
theo nhiều điều kiện như dòng điện phóng, nhiệt độ chất điện phân, tỷ trọng của dung
dịch, và điện thế cuối cùng sau khi phóng. Nhà sản xuất thường đặt số dung lượng
trong ký hiệu của Ắc quy.
Các biến đổi của thông số của bình Ắc quy được cho trên các biểu đồ Hình

Hình 1.14: Sự biến đổi thông số bình Ắc quy qua quá trình phóng nạp

1.14.
Trước khi dùng làm nguồn điện ta phải nạp điện cho Ắc quy. Lúc này Ắc
quy đóng vai trò một máy thu, tích trữ điện năng dưới dạng hóa năng. Khi nạp điện
cho Ắc quy người ta cho dòng điện một chiều đi vào Ắc quy. Dung dịch Axit Sunfuric
bị điện phân, làm xuất hiện Hiđrô và Ôxit ở hai bản chì. Ở bản nối với cực âm (-)

GVHD: Ts. Trần Tiến Phức

SVTH: Đặng Quốc Việt