Nghiên cứu ứng dụng điện mặt trời cung cấp cho phòng máy chủ trường đại học nha trang

1

MỞ ĐẦU


GIỚI THIỆU CHUNG
Việt Nam là một quốc gia có tiềm năng rất lớn về năng lượng Mặt Trời, đặc

biệt ở miền Trung và miền Nam của đất nước, với cường độ bức xạ Mặt Trời trung
bình khoảng 5 kWh/m2, ở các vùng phía Bắc cường độ bức xạ Mặt Trời thấp hơn,
ước tính khoảng 4 kWh/m2 do điều kiện thời tiết với trời nhiều mây và mưa phùn
vào mùa đông và mùa xuân.
Ở Việt nam, bức xạ Mặt Trời trung bình 150 kcal/m2 chiếm khoảng 2.000 –
5.000 giờ/năm. Năng lượng Mặt Trời có sẵn quanh năm, khá ổn định và phân bố
rộng rãi trên các vùng miền khác nhau của đất nước. Đặc biệt, số ngày nắng trung
bình trên các tỉnh của miền Trung và miền Nam là khoảng 300 ngày/năm. Năng
lượng Mặt Trời được khai thác để sản xuất điện và cung cấp nhiệt.


TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Việc tiếp cận để tận dụng nguồn năng lượng mới này không chỉ góp phần

cung ứng kịp thời nhu cầu năng lượng của xã hội mà còn giúp tiết kiệm điện năng
và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
Trường Đại học Nha Trang bao gồm nhiều khu giảng đường, ký túc xá, thư
viện và nhiều khu thí nghiệm, hành chính khác nên nhu cầu sử dụng điện là rất lớn.
Mặt khác, cơ sở vật chất của trường ngày càng được mở rộng. Cụ thể là việc xây
thêm các khu ký túc xá, nhà đa năng và các phòng thí nghiệm khiến cho nhu cầu sử
dụng điện ngày càng cao với phụ tải lớn.
Từ những tình hình thực tế trên việc thay thế nguồn điện lưới đang sử dụng
bằng điện Mặt Trời sẽ góp phần tiết kiệm tiền điện cho nhà trường, tạo môi trường

học tập cho sinh viên, đồng thời có tác dụng giáo dục sinh viên học sinh trong vấn
đề tiết kiệm năng lượng và sử dụng nguồn năng lượng sạch, mới. 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 thành tựu công nghệ của nhân loại vào phục vụ cuộc sống và
công việc của chúng ta.
GVHD: Ts. Trần Tiến Phức


2

NHIỆM VỤ VÀ PHẠM VI CỦA ĐỀ TÀI
• Nhiệm vụ


“Nghiên cứu ứng dụng điện Mặt Trời cung cấp cho Phòng Máy chủ Trường
Đại học Nha Trang”
•

Phạm vi
Đề tài thực hiện trong phạm vi trường Đại học Nha Trang.
 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Biến năng lượng Mặt Trời thành năng lượng điện là một dạng năng lượng
sạch, thân thiện với môi trường không ảnh hưởng đến sức khỏe của con người, cũng
như không làm thay đổi hệ sinh thái trong khu vực, điều này đang phù hợp với xu
thế phát triển nguồn năng lượng của quốc gia và thế giới.
Dự án sử dụng điện Mặt Trời hòa lưới điện với mục đích làm phổ biến hơn
việc sử dụng năng lượng sạch, cung cấp môi trường hiện đại, thuận lợi cho quá trình
làm việc của cán bộ nhân viên và học tập nghiên cứu của sinh viên khoa Điện-Điện

tử. Đề tài được nghiên cứu và ứng dụng ngay tại trường Đại học Nha Trang.
Dự án “Nghiên cứu ứng dụng điện Mặt Trời cung cấp cho Phòng Máy chủ
Trường Đại học Nha Trang” mang nhiều ý nghĩa ứng dụng và giáo dục về tiết kiệm
năng lượng, sử dụng nguồn năng lượng sạch cho mọi người. Là cơ sở để không chỉ
ở phòng Máy Chủ của Trường Đại học Nha Trang mà còn mở rộng ra nhiều khu
vực khác nữa.
Góp phần mở rộng phạm vi ứng dụng của các đề tài nghiên cứu khoa học gắn
liền với nhu cầu thực tế từ các cơ sở sản xuất ở địa phương có tiềm năng về điện
Mặt Trời trong cả nước.
 LỜI CÁM ƠN

Em xin gửi lời cám ơn sâu sắc nhất đến Thầy TS. Trần Tiến Phức đã tận tình
hướng dẫn, chỉ bảo trong suốt quá trình thực hiện đồ án Tốt Nghiệp, để em có thể
hoàn thành đồ án một cách tốt nhất với hiệu quả cao nhất. Xin gửi lời cám ơn sâu
sắc đến các thầy cô đã truyền đạt kiến thức cho em suốt 4 năm đại học, để em đủ
kiến thức để hoàn thành đồ án.
GVHD: Ts. Trần Tiến Phức


3

Xin cám ơn các bác, các chú, các anh trong Tổ bảo vệ và Tổ điện và Trung
tâm Máy tính Trường Đại học Nha Trang đã nhiệt tình giúp đỡ nhiều vấn đề liên
quan đến đồ án, tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành tốt đồ án của mình. Xin
cám ơn toàn thể các bạn trong lớp 53DDT đã góp ý, chia sẻ một phần công việc của
đồ án.
Do quá trình thực hiện đồ án có nhiều vấn đề nằm ngoài kiến thức chuyên
ngành, phải vừa làm vừa tìm hiểu nghiên cứu, nên chắc chắn sẽ có nhiều thiếu sót.
Rất mong sự góp ý nhiệt tình từ thầy cô và các bạn trong khoa để đồ án được hoàn
thiện hơn nữa.

Nha Trang, ngày

tháng

năm 2015

Sinh viên

CAO VĂN THỊNH

GVHD: Ts. Trần Tiến Phức


4

TÓM TẮT
Đề tài “Nghiên cứu ứng dụng điện Mặt Trời cung cấp cho phòng máy chủ
Trường Đại học Nha Trang” là đồ án tốt nghiệp được thực hiện với mục đích ứng
dụng nguồn năng lượng Mặt Trời vào cuộc sống, biến nguồn năng lượng Mặt Trời
thành điện năng cung cấp cho phòng Máy Chủ của trường. Cải tạo hệ thống điện
vốn có của phòng Máy Chủ Trường Đại học Nha Trang, thay vào đó bằng hệ thống
điện Mặt Trời, năng lượng sạch, không phát thải, an toàn, tiết kiệm.
Xây dựng hệ thống điện Mặt Trời hòa lưới điện cung cấp phòng máy chủ
Trường Đại học Nha Trang là một đồ án thực tiễn, giáo dục ý thức của sinh viên và
cán bộ viên chức nhà trường về bảo vệ môi trường, hạn chế sử dụng nguồn năng
lượng hóa thạch, hạn chế chất thải, tận dụng và ứng dụng rộng rãi các nguồn năng
lượng sạch như năng lượng Mặt Trời, năng lượng Gió. Hưởng ứng chủ trương và
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 thành

tựu về khoa học – công nghệ vào cuộc sống hằng ngày.
Mục tiêu của đề tài là khảo sát thực trạng hệ thống điện tại phòng máy chủ,
lấy số liệu đo dòng điện, điện áp, công suất. Từ những số liệu đó, tiến hành thiết kế
hệ thống điện Mặt Trời hòa lưới. Sau đó xây dựng một hệ thống thực tế quy mô nhỏ
nằm trong phạm vi dự án. Tuy nhiên, trong quá trình thực hiện cũng gặp những vấn
đề liên quan cần giải quyết, những kiến thức liên ngành ở những khía cạnh và lĩnh
vực khác nhau. Vì vậy, việc hoàn thành đồ án chỉ dừng lại ở mức thành công nhất
định, đòi hỏi mở rộng và hoàn chỉnh hơn sau này.

GVHD: Ts. Trần Tiến Phức


5

MỤC LỤC

GVHD: Ts. Trần Tiến Phức


6

DANH SÁCH BẢNG
Bảng

GVHD: Ts. Trần Tiến Phức

Trang


7

DANH MỤC HÌNH
Hình
Trang

GVHD: Ts. Trần Tiến Phức


8

TỔNG QUAN
Từ khi được đưa vào ứng dụng, điện Mặt Trời đã nhanh chóng khẳng định
được tầm ảnh hưởng to lớn của nó. Hiện nay khi các nguồn năng lượng hóa thạch
trên thế giới ngành càng cạn kiệt thì năng lượng Mặt Trời là một hướng phát triển
đầy hứa hẹn cho tương lai.
Việt Nam với lợi thế là một trong những quốc gia nằm trong giải phân bố
ánh nắng Mặt Trời nhiều nhất trong năm trên bản đồ bức xạ 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 ở các tỉnh miền Trung, miền Nam là
khoảng 300 ngày/năm.
Đã có rất nhiều hệ thống Mặt Trời được đưa vào hoạt động phục vụ cuộc
sống con người, và lợi ích từ các công trình này mang lại là không thể phủ nhận.
-Năm 1995, hơn 180 nhà dân và một số công trình công cộng tại Buôn Chăm, xã

Eahsol, huyện Eahleo tỉnh Đắk Lắk đã sử dụng điện Mặt Trời, nơi mà điện lưới
chưa thể vươn tới.
-Viện năng lượng (ENV) và trung tâm năng lượng mới (Trường Đại học Bách Khoa

Hà Nội) triển khai ứng dụng dàn pin Mặt Trời nhằm cung cấp điện cho một số hộ
gia đình và các trạn biên phòng ở Cô Tô (Quảng Ninh) tháng 11/2002

-Dự án tổng thể năng lượng sách và chiếu sáng quâng đảo Trường Sa và Nhà dàn

DK lắp đặt: 5.700 tấm Pin năng lượng Mặt Trời, hơn 120 quạt gió, 1.000 bộ đèn
LED sử dụng năng lượng Mặt Trời do Tập đoàn Dầu khí Việt Nam (Petro
Vietnam) và SolarBK lắp đặt, vận hành vào tháng 6/2012.
-Hệ thống điện mặt trời tại trên sân thượng tòa nhà Intel Việt Nam được làm từ 1092
tấm năng lượng mặt trời cùng 21 bộ biến điện được kết nối với nhau bởi hơn
10.000 m dây cáp. Dự án có sự tham gia của hơn 30 kĩ sư chuyên về năng lượng
mặt trời cùng 5.000 giờ cả thiết kế và lắp đặt. Dự án hiện có khả năng phát được
321.000 KWh điện và hạn chế tới 221.300 kg lượng khí CO2 thải ra hàng năm.
-Dự án xây dựng hệ thống pin năng lượng mặt trời trên nóc nhà Bộ Công thương do
Đức tài trợ sản xuất khoảng 16000 kWh điện/năm được khánh thành vào ngày 19
tháng 11 năm 2010.


9

Như vậy đã có rất nhiều công trình ứng dụng điện Mặt Trời vào cuộc sống.
Cho đến nay, tầm ảnh hưởng của điện Mặt Trời đối với cuộc sống hiện nay là không
thể phủ nhận. Đây là một hướng giải quyết vấn đề về năng lượng đầy hứa hẹn cho
tương lai.
Nha Trang là một trong những địa điểm có tổng số giờ nắng trong năm cao
của cả nước, hơn nữa đại học Nha Trang tọa lạc ở vị trí khá thuận lợi, gần biển,
thoáng đãng, cao và lượng nắng trong năm cũng đáng kể, phù hợp cho việc phát
triển điện Mặt Trời. Việc phát triển các hệ thông điện Mặt Trời ở nơi đây có nhiều
thuận lợi. Vì vậy cần phát triển nhiều hơn nữa các hệ thông điện mặ trời phục vụ
cuộc sống.
Đồ án tốt nghiệp “ Nghiên cứu ứng dụng điện Mặt Trời cung cấp cho phòng
Máy chủ Trường Đại học Nha Trang” là một dự án ứng dụng điện Mặt Trời vào
cuộc sống hằng ngày, chấp hành chủ trương của nhà nước về tiết kiệm năng lượng,

sử dụng nguồn năng lượng sạch, chống phát thải, tạo môi trường sạch, đẹp, hiện đại
cho nhà Trường.


10

CHƯƠNG 1
CỞ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI
1

PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Pin năng lượng Mặt Trời (PNLMT)[7] (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

Trước khi tìm hiểu về pin Mặt Trời chúng ta hãy 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 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 (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).


11

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 Trình bày cấu trúc tinh thể của PNLMT.

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
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

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


12

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

Hình 1. 2: Cấu tạo Pin năng lượng Mặt Trời
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.
1.1.2. Nguyên lý hoạt động
Hệ thống hai mức năng lượng:
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)


13

Hình 1.3: Trạng thái hai mức năng lượng của Electron
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 chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện. Hình 1.4 trình bày các vùng
năng lượng chất bán dẫn.
Hứng lượng tử của quá trình hấp thụ Photon được mô tả bằng phương trình:
+
Ev + hv→ e + h
Đ

(1.2)

iều 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:
hv > Eg = EC – Ev

(1.3)


14

Hình 1. 4: Các vùng năng lượng trong phân tử bán dẫn
- +
Suy ra bước sóng tới hạn λC của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e - h là:
λC = hc/( EC – EV)

(1.4)

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 - 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.

Hình 1. 5: Hiện tượng biến đổi quang điện trong phân tử bán dẫn khi
có ánh sáng chiếu vào lớp tiếp xúc p - n
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


15

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 1.6
trình bày nguyên lý hoạt động của PNLMT.

Hình 1. 6: Nguyên lý hoạt động của Pin năng lượng Mặt Trời


16

Hay nói một cách đơn giản thì khi chiếu ánh sáng có bức sóng ngắn hơn giới
hạn quang điện vào tiếp giáp p-n thì sẽ xuất hiện nhiều electron và lỗ trống, quá
trình khuếch tán lớn dần làm cho hiệu điện thế của lớp tiếp giáp tăng lên.
Suất điện động của mỗi tế bào pin quang điện (tức là một lớp tiếp xúc p-n n) là
từ 0,5 V đến 0,8 V. Đo đó, người ta phải ghép rất nhiều tế bào pin quang điện với
nhau thành bộ vừa song song vừa nối tiếp để có hiệu điện thế và cường độ dòng
điện đủ lớn, đáp ứng nhu cầu sử dụng.

Với công nghệ Nano ngày nay, người ta có thế ghép nhiều lớp bán dẫn trên từ
nhiều nguyên tố hóa học khác nhau và đặt chúng trên cùng một tấm pin quang điện,
để tăng hiệu suất chuyển đổi ánh sáng thành điện năng Hình 1.7.
Khi ánh sáng (gồm nhiếu sóng ánh sáng ghép lại) được chiếu vào một tấm pin
quang điện, các nguyên tố sẽ hấp thụ ánh sáng có bức sóng tương thích.

Hình 1.7: Pin quang điện được ghép từ nhiều lớp
Có thể ghép nhiều lớp để hấp thụ hết dải phổ của ánh sáng Mặt Trời vừa tăng
hiệu suất (hơn 42%) vừa tiếp tục nâng cao điện thế trên mỗi tế bào (cell).


17

Hình 1.8: Pin quang điện nhiều lớp hấp thụ cả dãi phổ của ánh sáng Mặt Trời
1.1.3. Ứng dụng
Năng lượng Mặt Trời là nguồn năng lượng mà con người biết khai thác và sử
dụng từ rất sớm.Nhưng việc ứng dụng 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 trung
chủ yếu ở các nước có tiềm năng lớn năng lượng Mặt Trời. Từ các cuộc khủng
hoảng năng lượng thế giới năm 1968 và 1973, Năng lượng mặt trời càng được
quan tâm hơn.


18

1.1.3.1. Sản xuất điện năng từ Pin Năng lượng Mặt Trời
Sân vận động Verona’s 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.

Hình 1.9: Sân vân động sử dụng năng lượng Mặt Trời tại Ý
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.


19

a)

b)

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

1.1.3.2. Ứng dụng Pin Năng lượng Mặt Trời vào 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 đối với chúng ta, 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.

20

a)

b)

c)
Hình 1.11: Ứng dụng Pin Năng lượng Mặt Trời vào phương tiện giao thông
Xe chạy bằng năng lượng Mặt Trời
Máy bay sử dụng năng lượng Mặt Trời
Vệ tinh hoạt động bằng năng lượng Mặt Trời


21

2

THIẾT BỊ LƯU TRỮ ĐIỆN NĂNG AC-QUY (ACU)
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 ăc-quy (ACU) –
thiết bị có khả năng tích trữ điện trong thời gian lâu dài; ACU 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 PNLMT 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 ACU,

cách lựa chọn ACU, nạp điện và sử dụng ACU cũng như cách bảo quản, bảo vệ
ACUnhư thế nào để lưu trữ điện năng một cách hiệu quả nhất và tuổi thọ ACU là
cao nhất.
1.2.1. Tổng quan về ACU

Bình ACU là thiết bị lưu trữ điện[7] - 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 accu 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 ACU chính là ACU chì- acid và ACU sắt- kiềm. Trong
khuôn khổ đồ án này ta tập trung nghiên cứu ACU chì – acid sản xuất theo công
nghệ kín khí, đây là loại ACU không cần bảo dưỡng.
1.2.2.1.

Cấu tạo

ACU chì gồm có các bản cực bằng chì đi- ô-xít chì ngâm trong dung dịch
acid Sulfuric.
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


22

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 thường mỏng hơn, vì

chúng sử dụng diện tích tiếp xúc ít hơn
Chất lỏng dùng trong bình accu này là dung dịch acid Sulfuric. Nồng độ của

Hình 1.12: Cấu tạo ACU chì - acid
dung dịch biểu trưng bằng tỷ trọng đo được, tuỳ thuộc vào loại bình accu, và tình
trạng phóng nạp của bình.
Trị số tỷ trọng của bình accu khi được nạp đầy được quy ra ở 25⁰C (77⁰F)
được cho ở Bảng 1.1
Bảng 1.1:Tỷ trọng bình ACU ở 250C
Loại bình accu

Tỷ trọng điện

Bình accu làm việc ở chế độ tải nặng, thí dụ các xe tải điện

1,275

Bình accu dùng cho xe ôtô, phi cơ.

1,260

Bình accu dùng cho tải không nặng lắm: thí dụ như chiếu

1,245

Bình accu tĩnh, hoặc dùng cho các ứng dụng dự phòng

1,215

23

1.2.2.2.

Dung lượng ACU

Dung lượng của accu là lượng điện (điện tích) mà ACU 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 accu phát điện tiếp, nếu cứ để accu phát điện ở
dưới mức ngừng thì sẽ giảm tuổi thọ của accu, thậm chí có thể làm accu chết ngay
lập tức. Đó là trường hợp dùng nhiều accu mắc nối tiếp nhau khi 1 accu 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 accu chì thông thường thì mức ngừng là
1,67V cho mỗi ngăn; hay là 10V cho cả 6 ngăn.
Dung lượng của bình accu 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 accu.
Các biến đổi của thông số của bình accu được cho trên các biểu đồ hình 1.13.

Hình 1.13: Sự biến đổi thông số bình ACU qua quá trình phóng nạp

Trước khi dùng làm nguồn điện ta phải nạp điện cho ACU. Lúc này ACU
đóng vai trò một máy thu, tích trữ điện năng dưới dạng hóa năng. Khi nạp điện cho


24

ACU người ta cho dòng điện một chiều đi vào ACU. Dung dịch Axit Sunfuric bị

điện phân, làm xuất hiện Hiđrô và Ôxit ở hai bản chì. Ở bản nối với cực âm (-)
của nguồn điện Chì đi-ôxit (PbO2) khử mất ôxi và thành chì Pb, bản này sẽ
thành cực âm (-) của ACU. Còn ở bản nối với cực dương (+) của nguồn điện thì
có ôxit bám vào, ôxi hóa Pb3O4 thành Chì đi-ôxit (PbO2), bản này sẽ trở thành cực
dương (+) của ACU. Khi hai cực đã trở thành Pb và PbO2 thì giữa chúng có một
hiệu điện thế, ACU trở thành nguồn điện và bây giờ tự nó có thể phát ra dòng điện.
Nếu ta nối hai cực của ACU đã được nạp điện bằng một dây dẫn thì dòng
điện chạy trong dây sẽ có chiều ngược với dòng điện lúc nạp vào ACU. 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, Hiđrô sẽ chạy về bản PbO2 và
khử ôxi, làm cho bản này chở thành chì ôxit PbO. Cho đến khi hai cực đã hoàn
toàn giống nhau thì dòng điện tắt. Bây giờ muốn ACU lại phát điện, ta phải nạp
điện cho nó để hai cực trở thành Pb và PbO2.
1.2.2. Phóng nạp ACU
1.2.2.1.

Phóng điện ACU

Khi cấp tải vào accu thì dòng đi từ cực (+) sang cưc (-). Quá trình phóng
thể hiện trong Hình 1.14:

Hình 1.14: Quá trình phóng điện của ACU


25

Phóng điện có thể tiến hành vào bất kỳ thời điểm nào và bất kỳ dòng điện
nào nhỏ hơn trị số ghi trong bảng chỉ dẫn của nhà chế tạo.
Khi phóng điện bằng chế độ 3 giờ hoặc dài hơn, có thể phóng liên tục cho
đến khi điện thế ở mỗi ngăn giảm xuống đến 1,8V.

Khi phóng với chế độ 1,2 giờ, thì ngừng phóng khi điện thế ở mỗi ngăn
xuống đến 1,75V.
Khi phóng với dòng điện nhỏ thì không xác định việc kết thúc phóng theo
điện thế. Trong trường hợp này, việc kết thúc phóng được xác định theo tỷ
trọng chất điện phân. Việc phóng được kết thúc khi tỷ trọng giảm đi từ 0,03
3
đến 0,06 g/cm so với tỷ trọng ban đầu (nhưng cũng không được để điện thế mỗi
ngăn giảm xuống thấp hơn 1,75V).
1.2.2.2.

Nạp điện ACU

Tuỳ theo phương pháp vận hành accu, thiết bị nạp và thời gian cho phép nạp,
phương pháp nạp, việc nạp có thể được thực hiện theo các cách như sau:
 Nạp với dòng điện không đổi.
 Nạp với dòng điện giảm dần.
 Nạp với điện thế không đổi.
 Nạp thay đổi với điện thế không đổi.
Khi nạp điện dòng đi từ cực (–) sang cực (+):

Hình 1.15: Quá trình nạp điện cho ACU