DATN thiết kế nguồn phát pin mặt trời cấp điện cho chiếu sáng nhà chờ xe buyt

Trường đại học công nghiệp Hà Nội

MỤC LỤC

Đ ồ án t ốt nghi ệp


Trường đại học công nghiệp Hà Nội
MỤC LỤC HÌNH

MỤC LỤC BẢNG

Đ ồ án t ốt nghi ệp


Trường đại học công nghiệp Hà Nội

Đ ồ án t ốt nghi ệp

LỜI MỞ ĐẦU
Lời đầu tiên, chúng em xin chân thành cảm ơn đến Thầy Nguyễn Văn Đoài đã
tận tình hường dẫn giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình thực hiện đồ án này.
Chúng em cũng xin gửi lời cảm ơn đến toàn thể các thầy cô trong khoa Điện đã
tận tình giảng dạy, chỉ bảo, truyền đạt nguồn kiên thức sâu rộng và những kinh nghiệm
quý báu cho chúng em trong suốt quá trình học tập tại trường.
Xin cảm ơn đến tất cả bạn bè, những người đã giúp đỡ chúng tôi trong suốt thời
gian học tập cũng như thực hiện đồ án.
Và cuối cùng chúng em xin cảm ơn đến gia đình đã giúp đỡ, ủng hộ và tạo điều
kiện cho chúng em thực hiện hoàn thành đồ án.
Mặc dù đã cố gắng nỗ lực hết mình, nhưng do khả năng, kiến thức và thời gian
có hạn nên không thể tránh được những sai sót trong lúc thực hiện đồ án, chúng em

kính mong thầy quý cô chỉ dẫn để chúng em có thể hoàn thiện kiên thức để tự tin bước
vào cuộc sống với vốn kiến thức đã học được.

Nhóm sinh viên thực hiện
Trần Văn Triều
Mạc Đức Quảng
Đỗ Văn Tám
Ngô Hồng Thắng

GVHD: Th..s.Nguyễn Văn Đoài

Trang 3


Trường đại học công nghiệp Hà Nội

Đ ồ án t ốt nghi ệp

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
.........................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................

.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................

GVHD: Th..s.Nguyễn Văn Đoài

Trang 4


Trường đại học công nghiệp Hà Nội
Chương 1:
1.1.

Đ ồ án t ốt nghi ệp

PIN MẶT TRỜI VÀ ỨNG DỤNG

Mở đầu
Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch nhất và vô hạn nhất trong các

nguồn năng lượng mà chúng ta được biết. Bức xạ mặt trời là sức nóng, ánh sáng dưới
dạng các chùm tia do mặt trời phát ra trong quá trình tự đốt cháy mình. Bức xạ mặt trời
chứa đựng một nguồn năng lượng khổng lồ và là nguồn gốc của mọi quá trình tự nhiên

trên trái đất. Năng lượng của mặt trời dù rất rồi dào nhưng việc khai thác hiệu quả
nguồn năng lượng này thì vẫn còn là một câu chuyện dài.
Năng lượng mặt trời có thể chia làm 2 loại cơ bản: Nhiệt năng và Quang năng.
Các tế bào quang điện (Photovoltaic cells - PV) sử dụng công nghệ bán dẫn để chuyển
hóa trực tiếp năng lượng quang học thành dòng điện, hoặc tích trữ vào pin, ắc quy để sử
dụng sau đó. Các tấm tế bào quang điện hay còn gọi là pin mặt trời hiện đang được sử
dụng rộng rãi vì chúng rất dễ chuyển đổi và dễ dàng lắp đặt trên các tòa nhà và các cấu
trúc khác. Pin mặt trời có thể cung cấp nguồn năng lượng sạch và tái tạo, do vậy là một
nguồn bổ sung cho nguồn cung cấp điện chính. Tại các vùng chưa có điện lưới như các
cộng đồng dân cư ở xa, nông thôn, hải đảo, các trường hợp khẩn cấp,... pin mặt trời có
thể cung cấp một nguồn điện đáng tin cậy. Điều bất cập duy nhất là giá thành của Pin
mặt trời đến nay còn cao và tỷ lệ chuyển đổi năng lượng chưa thật sự cao (13-15%).
Trái lại sức nóng của mặt trời có hiệu suất chuyển đổi lớn gấp 4-5 lần hiệu suất của
quang điện và do vậy đơn giá của một đơn vị năng lượng được tạo ra rẻ hơn rất nhiều.
Nhiệt năng có thể được sử dụng để sưởi nóng các tòa nhà một cách thụ động
thông quan việc sử dụng một số vật liệu hoặc thiết kế kiến trúc hoặc được sử dụng trực
tiếp để đun nóng nước phục vụ cho sinh hoạt. Ở rất nhiều khu vực khác nhau trên thế
giới thiết bị đun nước nóng dùng năng lượng mặt trời (bình nước nóng năng lượng mặt
trời) hiện đang là một sự bổ sung quan trọng hay một sự lựa thay thế cho các thiết bị
cung cấp nước nóng thông thường dùng điện hoặc gaz.

GVHD: Th..s.Nguyễn Văn Đoài

Trang 5


Trường đại học công nghiệp Hà Nội
1.2.

Đ ồ án t ốt nghi ệp

Giới thiệu về pin năng lượng mặt trời

1.2.1. Pin năng lượng mặt trời là gì? Làm sao có thể tạo ra điện.
Pin mặt trời (solar cell) được cấu tạo bởi những chất bán dẫn (semiconductor),
thông thường là Silicon (Si). Trước tiên các lớp bán dẫn này được làm nhiễm thừa
điện tích dương (gọi là p-conducting semiconductor layer) có thưa các lỗ và làm
nhiễm thiếu điện tích dương (gọi là n-conducting semiconductor layer) có thừa các
electron. Nếu ta kẹp một lớp p có dư điện tích dương có thừa lỗ với một lớp n bị thiếu
điện tích dương có nhiều electron thì rõ ràng các electron ở lớp n sẽ chực chờ muốn
nhảy sang lớp p để chiếm các lỗ. Electron từ lớp n di chuyển đến gần lớp tiếp giáp n-p
function để nhảy sang lớp p. Biên giới này bị mất thăng bằng điện tích nên phản ứng
lại bằng cách tạo ra 1 điện trường dọc theo nó, đẩy các electron sang tận mép bên kia
của lớp n và đẩy các lỗ sang tận mép bên kia của lớp p. Ngăn cách xảy ra. Các
electron từ lớp n không còn qua được các lỗ bên lớp p được nữa.
Bây giờ nếu ta bắt cầu nối dây dẫn từ lớp n sang lớp p để các electron từ lớp n
có thể nhảy sang lớp p? Chúng quá yếu để di chuyển. Dưới bức xạ của ánh nắng mặt
trời, các photon chạm vào lớp silicon và mang năng lượng đến cho chúng: các photon
cung cấp năng lượng để các electron thoát ra khỏi nhân tạo thành các electron di
chuyển tự do, từ mặt ngoài của lớp n, chúng theo dây dẫn chạy sang lớp p bên kia để
gặp các lỗ, tạo thành dòng điện. Và khi ánh nắng mặt trời còn mang photon đến thì
quá trình này lại xảy ra, tạo ra dòng điện liên tục để ta sử dụng.

Hình 1.1: Cấu tạo bên trong của các lớp pin năng lượng mặt trời
GVHD: Th..s.Nguyễn Văn Đoài

Trang 6


Trường đại học công nghiệp Hà Nội

Đ ồ án t ốt nghi ệp

1.2.2 Cấu tạo pin mặt trời
Hiện nay nguyên liệu chủ yếu cho pin mặt trời là các silic tinh thể. Pin mặt trời
từ các tinh thể silic chia thành 3 loại:

Hình 1.2: Hình ảnh một tế bào quang điện
•

Đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Crochralski. Đơn tinh thể
loại này có hiệu suất lên tới 16%. Chúng thường rất đắt tiền do được cắt
từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có 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 pin đơn tinh thể, tuy nhiên
hiệu suất kém hơn. Nhưng chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ
bề mặt nhiều hơn loại đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó.

•

Dãy silic tạo từ các tấm phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh
thể. Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên nó rẻ nhất trong các
loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon.

Một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ
năng lượng mặt trời nhờ hiệu ứng quang điện bên trong gọi là pin mặt trời. Pin mặt trời

được sản xuất và ứng dụng phổ biến hiện nay là các pin mặt trời được chế tạo từ vật liệu
tinh thể bán dẫn Silicon (Si) có hóa trị 4. Tinh thể Si tinh khiết, để có vật liệu tinh thể
bán dẫn Si loại n, người ta pha tạp chất donor là photpho có hóa trị 5. Còn vật liệu tinh
thể bán dẫn loại p thì tạp chất acceptor được dùng để pha vào Si là Bo có hóa trị 3. Đối
với Pin mặt trời từ tinh thể Si, khi bức xạ mặt trời chiếu đến thì hiệu điện thế hở mạch

GVHD: Th..s.Nguyễn Văn Đoài

Trang 7


Trường đại học công nghiệp Hà Nội

Đ ồ án t ốt nghi ệp

giữa 2 cực khoảng 0.55V và dòng ngắn mạch của nó khi bức xạ mặt trời có cường độ
1000W/m2 vào khoảng 25-30mA/cm2.

Hiện nay người ta đã chế tạo Pin mặt trời bằng Si vô định hình (a-Si). So với Pin
mặt trời tinh thể Si thì Pin mặt trời a-Si giá thành rẻ hơn nhưng hiệu suất thấp hơn và
kém ổn định.
Công nghệ chế tạo Pin mặt trời gồm nhiều công đoạn khác nhau, ví dụ để chế tạo
Pin mặt trời từ Si đa tinh thể cần qua các công đoạn như hình 1.3 cuối cùng ta được
module.

Hình 1.3: Quá trình tạo Module

GVHD: Th..s.Nguyễn Văn Đoài

Trang 8

Trường đại học công nghiệp Hà Nội

Đ ồ án t ốt nghi ệp

Hình 1.4: Cấu tạo Module
1.2.3

Tấm pin mặt trời

Hình 1.5: Tấm pin mặt trời
Các tấm pin mặt trời được ghép từ các cell pin có công suất khác nhau, phổ
biến là 3w; 6w, 10w, 15w, 30w, 50w, 80w, 100w, 150w, 200w có khi tới 300w.
Điện áp ra có thể là 12V; 24V; 48V hay 60V một chiều. Tùy vào nhu cầu sử dụng
có thể ghép song song hoặc nối tiếp các tấm pin với nhau tạo thành hệ thống pin
có công suất ra và điện áp theo nhu cầu người sử dụng.
1.2.4 Nguyên lý hoạt động của của pin mặt trời
Pin mặt trời làm việc theo nguyên lý là biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt
trời thành điện năng nhờ biến đổi quang điện.
GVHD: Th..s.Nguyễn Văn Đoài

Trang 9


Trường đại học công nghiệp Hà Nội

Đ ồ án t ốt nghi ệp

 Hiệu ứng quang điện:

Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên vào năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp
Alexandre Edmond Becquerel. Tuy nhiên cho đến năm 1883 một pin năng lượng mới
được tạo thành, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng
vàng để tạo nên mạch nối. Thiết bị chỉ có hiệu suất 1%, Russell Ohl xem là người tạo ra
pin năng lượng mặt trời đầu tiên năm 1946. Sau đó Sven Ason Berglund đã có các
phương pháp liên quan tới việc tăng khả năng cảm nhận ánh sáng của pin.
Xét một hệ 2 mức năng lượng điện tử (hình 1.6) E 1 < E2, bình thường điện tử
chiếm mức năng lượng thấp hơn E1. Khi nhận bức xạ mặt trời, lượng tử ánh sáng photon
có năng lượng hv (trong đó h là hằng số Planck,v là tần số ánh sáng) bị điện tử hấp thụ
và chuyển lên mức năng lượng E2. Ta có phương trình cân bằng năng lượng:
Hv = E2 – E1

Hình 1.6: Hệ 2 mức năng lượng
Trong các vật thể rắn, do tương tác rất, mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vòng
ngoài, nên các mức năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng sát nhau và tạo
thành các vùng năng lượng (hình 1.7). Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy
khi ở trạng thái cân bằng gọi là vùng hóa trị, mà mặt trên của nó là mức năng lượng Ev.
Vùng năng lượng phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là
vùng dẫn, mặt dưới của vùng có năng lượng là Ec.
Cách ly giữa hai vùng hóa trị và vùng dẫn là một vùng cấp có độ rộng với năng
lượng là Eg, trong đó không có mức năng lượng cho phép nào của điện tử.
Khi nhận bức xạ mặt trời, photon có năng lượng hv tới hệ thống và bị điện tử ở
vùng có hóa trị thấp hấp thu và trở thành điện tử tự do e -, để lại ở vùng hóa trị một lỗ
GVHD: Th..s.Nguyễn Văn Đoài

Trang 10


Trường đại học công nghiệp Hà Nội

Đ ồ án t ốt nghi ệp

trống có thể xem như hạt mang điện dương, kí kiệu là h +. Lỗ trống này có thể di chuyển
và tham gia vào quá trình dẫn điện.

Hình 1.7: Các vùng năng lượng
Hiệu ứng lượng tử của quá trình hấp thụ photon có thể mô tả bằng phương trình:
Ev +hv  e- + h+
Điều kiện để điện tử có thể hấp thu năng lượng của photon và chuyển từ vùng hóa trị lên
vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử - lổ trống là hv = hc/λ >= Ec – Ev. Từ đó có thể tính được
bước sóng tới hạn λc của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e- và h+:

Trong thực tế các hạt dẫn bị kích thích e - và h+ đều tự phát tham gia vào quá trình
phục hồi, chuyển động đến mặt của các vùng năng lượng: điện tử e - giải phóng năng
lượng để chuyển đến mặt của vùng dẫn Ec, còn lỗ trống h + chuyển đến mặt của Ev, quá
trình phục hồi chỉ xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn 10 -12 - 10-1giây và gây ra dao
động mạnh (photon). Năng lượng bị tổn hao do quá trình phục hồi sẽ là Eph = hv – Eg.
Tóm lại khi vật rắn nhận tia bức xạ mặt trời, điện tử ở vùng hóa trị hấp thụ năng
lượng photon hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra các hạt dẫn điện tử - lỗ trống e - - h+, tức
là đã tạo ra một điện thế. Hiện tượng đó gọi là hiệu ứng quang điện bên trong.

GVHD: Th..s.Nguyễn Văn Đoài

Trang 11


Trường đại học công nghiệp Hà Nội

Đ ồ án t ốt nghi ệp

Hình 1.8: Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời


Hiệu suất biến đổi năng lượng
Hiệu suất biến đổi năng lượng (conversion efficiency) của pin mặt trời., là

tỉ số giữa lượng điện năng nó sản xuất ra với lượng năng lượng nó nhận được từ
ánh sáng mặt trời. Khi hiệu suất biến đổi càng cao, pin mặt trời sản xuất ra nhiều
năng lượng hơn. Hiệu suất biến đổi của pin mặt trời là do cấu tạo của nó.

GVHD: Th..s.Nguyễn Văn Đoài

Trang 12


Trường đại học công nghiệp Hà Nội

Đ ồ án t ốt nghi ệp

Bảng 1.1. Bảng thống kê hiệu suất pin năng lượng mặt trời

Ta có thể xác định hiệu suất giới hạn về mặt lý thuyết η của quá trình biến
đổi quang điện của hệ thống 2 mức sau:
(1.4)
Trong đó:
là mật độ photon có bước λ .
là tổng số photon tới có bước sóng trong khoảng λ : λ + dλ
là năng lượng của photon.
là năng lượng hữu ích mà điện tử hấp thụ của photon trong quá trình quang điện,

là tổng năng lượng của các photon tới hệ.

Hình 1.9: Quan hệ
Như vậy hiệu suất η là một hàm của

Eg

( hình 1.9).

Bằng tính toán lý thuyết đối với chất bán dẫn Silicon thì hiệu suất η ≤ 0.44
1.2.5. Ứng dụng của pin mặt trời

GVHD: Th..s.Nguyễn Văn Đoài

Trang 13


Trường đại học công nghiệp Hà Nội

Đ ồ án t ốt nghi ệp

Pin mặt trời là phương pháp sản xuất điện trực tiếp từ năng lượng mặt trời
(NLMT) qua thiết bị biến đổi quang điện. Pin mặt trời có ưu điểm là gọn nhẹ có thể lắp
bất cứ ở đâu có ánh sáng mặt trời, đặc biệt là trong lĩnh vực tàu vũ trụ. Ứng dụng NLMT
dưới dạng này được phát triển với tốc dộ rất
nhanh, đặc biệt là các nước phát triển. Ngày nay
con người đã ứng dụng pin mặt trời trong rất
nhiều cụng cụ cá nhân như: máy tính, đồng hồ và
các đồ dùng hàng ngày.
- Pin mặt trời còn dùng dể chay xe ô tô

thay thế dần nguồn năng lượng truyền thống.
Hình 1.10: Xe dùng pin mặt trời
- Dùng để thắp sáng đèn đường.

Hình 1.11: Đèn đường sử dụng pin mặt trời
- Dùng để thắp sáng đèn giao thông

GVHD: Th..s.Nguyễn Văn Đoài

Trang 14


Trường đại học công nghiệp Hà Nội

Đ ồ án t ốt nghi ệp

Hình 1.12: Đèn giao thông sửa dụng pin mặt trời
- Cung cấp điên cho các tòa nhà

Hình 1.13: Pin mặt trời được nắp đặt trên các mái nhà
- Nhà máy điện sửa dụng pin mặt trời
Bằng cách kết nối với nhiều nguồn điện năng lượng mặt tr ời với nhau có
thể tạo ra được một tổ hợp nguồn điện mặt trời có đủ khả năng thay th ế một nhà
máy phát điện.
Nhà máy điện năng lượng mặt trời có thể dùng để cấp đi ện cho m ột thành
phố, một hòn đảo,… Hiện tại số lượng nhà máy điện năng l ượng mặt tr ời trên th ế
giới còn hạn chế, tuy nhiên trong tương lai số lượng này sẽ tăng lên khi giá thành
sản xuất Pin năng lượng mặt trời giảm xuống.
GVHD: Th..s.Nguyễn Văn Đoài

Trang 15


Trường đại học công nghiệp Hà Nội

Đ ồ án t ốt nghi ệp

Ngoài những ứng dụng cơ bản ở trên thì hệ thống pin năng lượng mặt
trời còn được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhằm nâng cao chất l ượng cu ộc
sống cho người dân.

Hình 1.14: Nhà máy điện mặt trời tại Việt Nam
- Ứng dụng pin mặt trời chiếu sáng trạm buýt
Ý tưởng này bắt đầu được đưa ra thực hiện tại Florence - Italia. Vào ban
đêm, những trạm xe buýt này trở thành những công trình chiếu sáng công cộng
hết sức thu hút và sang trọng. Ngoài ra, trong trạm xe buýt, còn cài đặt thêm
hệ thống cho phép người đợi xe kết nối wifi và sử dụng điện thoại truy cập
Internet miễn phí trong lúc chờ đợi.

GVHD: Th..s.Nguyễn Văn Đoài

Trang 16


Trường đại học công nghiệp Hà Nội

Đ ồ án t ốt nghi ệp

Hình 1.15: Trạm xe bus sử dụng pin mặt trời chiếu sáng tự động

- Hiện nay giá thành thiết bị pin mặt trời còn giá cao, nên ở những nước đang
phát triển pin mặt trời hiện mới chỉ có khả năng duy nhất là cung cấp năng lượng điện sử
dụng cho các vùng sâu, xa nơi mà đường điện quốc gia chưa có.
- Ở Việt nam với sự hỗ trợ của một số tổ chức quốc tế đã thực hiện công việc xây
dựng các trạm điện dùng pin mặt trời có công suất khác nhau phục vụ nhu cầu sinh hoạt
và văn hóa của các đại phương vùng sâu, xa nhất là đồng bằng sông Cửu Long và Tây
Nguyên.Tuy nhiên hiện nay pin mặt trời vẫn đang còn là mặt hàng xa xỉ đối với các nước
nghèo như chúng ta.
- Đi đầu trong việc phát triển ứng dụng này là ngành bưu chính viễn thông. Các
trạm pin mặt trời phát điện sử dụng làm nguồn cấp điện cho các thiết bị thu phát sóng
của các bưu điện lớn, trạm thu phát truyền hình thông qua vệ tinh. Ở ngành bảo đảm
hàng hải, các trạm pin mặt trời phát điện sử dụng làm nguồn cấp điện cho các thiết bị
chiếu sáng, cột hải đăng, đèn báo sông. Trong ngành công nghiệp, các trạm pin mặt trời
phát điện sử dụng làm nguồn cấp điện dự phòng cho các thiết bị điều khiển trạm biến áp
500 kV, thiết bị máy tính và sử dụng làm nguồn cấp điện nối với điện lưới quốc gia.
Trong sinh hoạt của các hộ gia đình vùng sâu, vùng xa, các trạm pin mặt trời phát điện
sử dụng để thắp sáng, nghe đài, xem vô tuyến. Trong ngành giao thông đường bộ, các
trạm pin mặt trời phát điện dần được sử dụng làm nguồn cấp điện cho các cột đèn đường
chiếu sáng.

GVHD: Th..s.Nguyễn Văn Đoài

Trang 17


Trường đại học công nghiệp Hà Nội

Đ ồ án t ốt nghi ệp

CÔNG TRÌNH ỨNG DỤNG

Khu vực phía Nam ứng dụng các dàn Pin mặt trời (PMT) phục vụ thắp sáng và
sinh hoạt văn hoá tại một số vùng nông thôn xa lưới điện. Các trạm điện mặt trời có công
suất từ 500 - 1.000 Wp được lắp đặt ở trung tâm xã, nạp điện vào ắc qui cho các hộ gia
đình sử dụng. Các dàn PMT có công suất từ 250 - 500 Wp phục vụ thắp sáng cho các
bệnh viện, trạm xá và các cụm văn hoá xã. Đến nay có khoảng 800 - 1.000 dàn PMT đã
được lắp đặt và sử dụng cho các hộ gia đình, công suất mỗi dàn từ 22,5 - 70 Wp. Khu
vực miền Trung có bức xạ mặt trời khá tốt và số giờ nắng cao, rất thích hợp cho việc ứng
dụng PMT. Hiện tại ở khu vực miền Trung có hai dự án lai ghép với PMT có công suất
lớn nhất Việt Nam, đó là:
Dự án phát điện ghép giữa PMT và thuỷ điện nhỏ, công suất 125 kW được lắp đặt
tại xã Trang, huyện Mang Yang, tỉnh Gia Lai, trong đó công suất của hệ thống PMT là
100 kWp (kilowatt peak) và của thuỷ điện là 25 kW. Dự án được đưa vào vận hành từ
cuối năm 1999, cung cấp điện cho 5 làng. Hệ thống điện do Điện lực Mang Yang quản lý
và vận hành.

GVHD: Th..s.Nguyễn Văn Đoài

Trang 18


Trường đại học công nghiệp Hà Nội

Đ ồ án t ốt nghi ệp

Sơ đồ hệ thống điện gia đình
- Dự án phát điện lai ghép giữa PMT và động cơ gió phát điện với công suất là 9
kW, trong đó PMT là 7 kW. Dự án trên được lắp đặt tại làng Kongu 2, huyện Đak Hà,
tỉnh Kon Tum, do Viện Năng lượng thực hiện. Công trình đã được đưa vào sử dụng từ
tháng 11/2000, cung cấp điện cho một bản người dân tộc thiểu số với 42 hộ gia đình. Hệ
thống điện do sở Công thương tỉnh quản lý và vận hành.

- Các dàn pin đã lắp đặt ứng dụng tại các tỉnh Gia Lai, Quảng Nam, Bình Định,
Quảng Ngãi và Khánh Hoà, hộ gia đình công suất từ 40 - 50 Wp. Các dàn đã lắp đặt ứng
dụng cho các trung tâm cụm xã và các trạm y tế xã có công suất từ 200 - 800 Wp. Hệ
thống điện sử dụng chủ yếu để thắp và truyền thông; đối tượng phục vụ là người dân, do
dân quản lý và vận hành.
- Ở khu vực phía Bắc, việc ứng dụng các dàn PMT phát triển với tốc độ khá
nhanh, phục vụ các hộ gia đình ở các vùng núi cao, hải đảo và cho các trạm biên phòng.
Công suất của dàn pin dùng cho hộ gia đình từ 40 - 75 Wp. Các dàn dùng cho các trạm
biên phòng, nơi hải đảo có công suất từ 165 - 300 Wp. Các dàn dùng cho trạm xá và các
cụm văn hoá thôn, xã là 165 - 525 Wp.

- Dự án “Ứng dụng thí điểm điện mặt trời cho vùng sâu, vùng xa” tại xã Ái Quốc,
tỉnh Lạng Sơn đã hoàn thành vào tháng 11/2002. Tổng công suất dự án là 3.000 Wp,
cung cấp điện cho trung tâm xã và trạm truyền hình, chủ yếu để thắp sáng và truyền
thông; đối tượng phục vụ là người dân, do dân quản lý và vận hành.

GVHD: Th..s.Nguyễn Văn Đoài

Trang 19


Trường đại học công nghiệp Hà Nội

GVHD: Th..s.Nguyễn Văn Đoài

Trang 20

Đ ồ án t ốt nghi ệp

Trường đại học công nghiệp Hà Nội

Đ ồ án t ốt nghi ệp

Hình 1.16: Pin mặt trời cho hệ thống chiếu sáng cầu đi bộ Cần Thơ
GVHD: Th..s.Nguyễn Văn Đoài

Trang 21


Trường đại học công nghiệp Hà Nội

Đ ồ án t ốt nghi ệp

Chương 2. TÍNH TOÁN CUNG CẤP ĐIỆN
2.1 Cơ sở lý thuyết
2.1.1 Tính tổng lượng tiêu thụ điện (W/h) của tất cả các thiết bị mà hệ thống solar
phải cung cấp mỗi ngày.
Tính tổng số W/h sử dụng mỗi ngày của từng thiết bị. Cộng tất cả lại chúng ta có
tổng số W/h toàn tải sử dụng mỗi ngày.

P1= p1 + p2 + p3 + … + pn
-Trong đó: P1: Tổng lượng tiêu thụ điện
Pn:Công suất của từng bóng đèn
Thí dụ: Tải là đèn có công suất tiêu thụ là 40W, sử dụng trung bình 8h mỗi ngày thì số
watt-hour sử dụng mỗi ngày là 40 x 8 = 320wh. Cứ tính cho mỗi thiết bị như thế rồi
cộng tất cả lại sẽ có tổng watt-hour của tất cả thiết bị mà hệ pin cung cấp. Tính số W/h
các tấm pin mặt trời phải cung cấp cho toàn tải mỗi ngày. Do tổn hao trong hệ thống, số
Watt-hour của tấm pin mặt trời cung cấp phải cao hơn tổng số W/h của toàn tải. Thực
nghiệm cho thấy cao hơn khoảng 1,3 lần. Số W/h các tấm pin mặt trời (PV modules) =

1.3 x tổng số W/h toàn tải sử dụng
Thí dụ ở trên thì W/h các tấm pin mặt trời là 320 x 1.3 = 416 W/h.
2.1.2 Tính toán công suất của tấm pin mặt trời cần sử dụng.
Để tính toán kích cỡ các tấm pin mặt trời cần sử dụng, ta tính Watt-peak (Wp)
cần có của tấm pin mặt trời. Lượng Wp mà pin mặt trời tạo ra lại tùy thuộc vào khí hậu
của từng vùng trên thế giới. Cùng 1 tấm pin mặt trời nhưng đặt ở nơi này thì mức độ
hấp thu năng lượng sẽ khác với khi đặt nó nơi khác. Để thiết kế chính xác, người ta phải
đo đạc khảo sát độ hấp thụ bức xạ mặt trời ở từng vùng các tháng trong năm và đưa ra
một hệ số trung bình gọi là "panel generation factor", tạm dịch là hệ số hấp thu bức xạ
của pin mặt trời. Hệ số "panel generation factor" này là tích số của hiệu suất hấp thu
(collection efficiency) và độ bức xạ năng lượng mặt trời (solar radiation), đơn vị tính
của nó là (kWh/m2/ngày).

GVHD: Th..s.Nguyễn Văn Đoài

Trang 22


Trường đại học công nghiệp Hà Nội

Đ ồ án t ốt nghi ệp

Thí dụ mức hấp thu năng lượng mặt trời tại 1 địa điểm của nước Việt Nam ta là 5
kWh/m2/ngày, ta lấy tổng số W/h các tấm pin mặt trời chia cho 5 ta sẽ có tổng số Wp
của tấm pin mặt trời.
Thí dụ ở trên thì W/p các tấm pin mặt trời là: 832 / 5 = 166 Wp.
Mỗi PV mà ta sử dụng đều có thông số Wp của nó, lấy tổng số Wp cần có của
tấm pin mặt trời chia cho thông số Wp của nó ta sẽ có được số lượng tấm pin mặt trời
cần dùng.
Kết quả trên chỉ cho ta biết số lượng tối thiểu số lượng tấm pin mặt trời cần

dùng. Càng có nhiều pin mặt trời, hệ thống sẽ làm việc tốt hơn, tuổi thọ của battery sẽ
cao hơn. Nếu có ít pin mặt trời, hệ thống sẽ thiếu điện trong những ngày râm mát, rút
cạn kiệt battery và như vậy sẽ làm battery giảm tuổi thọ. Nếu thiết kế nhiều pin mặt trời
thì làm giá thành hệ thống cao, vượt quá ngân sách cho phép, đôi khi không cần thiết.
Thiết kế bao nhiêu pin mặt trời lại còn tùy thuộc vào độ dự phòng của hệ thống

Thí dụ một hệ solar có độ dự phòng 4 ngày, (gọi là autonomy day, là những ngày
không có nắng cho pin mặt trời sản sinh điện), thì bắt buộc lượng ac quy phải tăng hơn
và kéo theo phải tăng số lượng pin mặt trời. Rồi vấn đề sử dụng pin loại nào là tối ưu, là
thích hợp vì mỗi vùng địa lý đều có thời tiết khác nhau. Tất cả đòi hỏi thiết kế phải do
các chuyên gia có kinh nghiệm thiết kế nhiều năm cho các hệ solar trong vùng.
Khi ta đã có tổng số tấm pin mặt trời thì không nhất thiết phải ghép nối tiếp tất cả
các tấm này lại với nhau mà có thể ghép chúng thành các tổ hợp kết hợp nối tiếp và
song song, do một hay nhiều solar controller đảm trách. các việc này có tương tác lẫn
nhau đến cách thiết kế hệ battery(ac quy) và hệ solar charger dưới đây.
2.1.3 Thiết kế hệ thống bình ac-quy (battery) cho hệ thống năng lượng mặt trời có
dùng ac-quy
Battery dùng cho hệ pin là loại deep-cycle. Loại này cho phép xả đến mức bình
rất thấp và cho phép nạp đầy nhanh. Nó có khả năng nạp xả rất nhiều lần (rất nhiều
cycle) mà không bị hỏng bên trong, do vậy khá bền, tuổi thọ cao.

GVHD: Th..s.Nguyễn Văn Đoài

Trang 23


Trường đại học công nghiệp Hà Nội

Đ ồ án t ốt nghi ệp

Trước tiên ta tính dung lượng của hệ bình ac-quy cho toàn hệ thống. Dung
lượng battery cần dùng cho hệ solar là dung lượng ac quy đủ cung cấp điện cho
những ngày dự phòng khi các tấm pin mặt trời không sản sinh ra điện được.
Ta tính dung lượng ac quy như sau:
Hiệu suất của ac quy chỉ khoảng 85% cho nên chia số Wh của tải tiêu thụ với
0.85 ta có Wh của ac quy.
Với mức deep of discharge DOD (mức xả sâu) là 0.6, ta chia số Wh của battery
cho 0.6 sẽ có dung lượng battery.
Dung lượng Battery(Ah)=
Dung lượng Battery(Ah)=
Kết quả trên cho ta dung lượng battery tối thiểu cho hệ solar không có dự phòng.
Khi hệ solar có số ngày dự phòng (autonomy day) ta phải nhân dung lượng battery cho
số autonomy-day để có số lượng battery cần cho hệ thống.
Dung lượng Battery(Ah)=x số autonomy day
Khi đã có điện thế V và dung lượng Ah của bình acquy, ta có thể lựa chọn acquy
và tính toán cách ghép chúng lại với nhau sao cho tối ưu, nhất là phải để ý đến tính dự
phòng. Thí dụ 1 hệ ac-quy 12V/1000AH ghép 5 dãy 12V/200AH song song sẽ có độ an
toàn cao hơn 1 dãy 12V/1000AH, nếu 1 vài ac-quy bị hỏng thì ta vẫn còn các dãy khác
làm việc tốt trong thời gian chờ sửa chữa.
2.1.4 Chọn bộ điều khiển sạc pin mặt trời ( solar charge controller)
Solar charge controller có điện thế vào phù hợp với điện thế của pin mặt trời và
điện thế ra tương ứng với điện thế của battery. Vì solar charge controller có nhiều loại
cho nên cần chọn loại solar charge controller nào phù hợp với hệ solar của bạn. Đối với
các hệ pin mặt trời lớn, nó được thiết kế thành nhiều dãy song song và mỗi dãy sẽ do
một solar charge controller phụ trách. Công suất của solar charge controller phải đủ lớn
để nhận điện năng từ PV và đủ công suất để nạp cho hệ thống bình ac-quy.

GVHD: Th..s.Nguyễn Văn Đoài

Trang 24

Trường đại học công nghiệp Hà Nội

Đ ồ án t ốt nghi ệp

Để chọn Solar charge controller, ta phải tính ra các thông số Wp, Vpm, Voc, Ipm,
Isc của hệ thống pin mặt trời kết nối với nó. Các trị số dòng và áp của bộ solar charge
controller phải chấp nhận được các trị số dòng áp trên của hệ thống pin mặt trời.
Thông thường ta chọn Solar charge controller có dòng Imax = 1.3 x dòng ngắn
mạch Isc của hệ pin mặt trời.
Đối với các Solar charge controller có MPPT thì cách chọn có khác. Trước tiên
tìm hiểu MPPT charge controller, sau đó tham khảo chi tiết thiết kế MPPT Charge
Controller sau đây.
Hệ thống bám điểm cực đại của tấm pin (MPPT solar charge controlle)
Từ điện áp danh định của hệ thống ac-quy đã biết, ta chọn ra 1 loại MPPT solar
charge controller đáp ứng cho điện áp danh định acquy này. Leonics MPPT solar charge
controller với các model thường đặt tên gợi nhớ. SPT-XXYY với XX là điện áp danh
định của acquy, YY là dòng charge max. Thí dụ model SPT-2412 dùng cho điện áp danh
định bình là 24VDC và dòng nạp max là 12A.
Thí dụ điện áp danh định của hệ acquy là 24VDC ta chọn solar charge
controller SPT-24YY
Từ Wp của hệ pin mặt trời ta tính ra dòng nạp có được: Ic = Wp/XX
Tính ra YY bằng cách cách nhân Ic với hệ số an toàn, thí dụ 1,2: YY = 1,2 x Ic Như
vậy ta chọn ra được charge controller là Leonics Solarcon SPT-XXYY Các điều
cần lưu ý: điện áp và dòng của pin mặt trời là điện áp và dòng của module pin mặt trời
kết nối với charge controller chứ không phải của 1 tấm pin mặt trời. Module pin mặt
trời có thể là các tấm pin mặt trời ghép nối tiếp hoặc song song hay ghép kết hợp cả 2
cách với nhau.
Voc của hệ pin mặt trời không được lớn hơn Vmax của charge controller SPTXXYY

Vpm của hệ pin mặt trời phải nằm trong phạm vi điều khiển của charge
controller SPT-XXYY
2.1.5 Thiết kế solar inverter.
Có nhiều loại inverter có thiết kế phù hợp cho từng ứng dụng riêng biệt: inverter
dùng cho hệ solar độc lập có battery, inverter dùng cho hệ solar nối lưới, inverter dùng
cho các hệ solar tích hợp năng lượng mặt trời, gió, máy diesel ..., inverter dùng cho turGVHD: Th..s.Nguyễn Văn Đoài

Trang 25