Đề tài: Khảo sát mô phỏng đặc tính PV – CELLS điều khiển hệ thống định hướng mặt trời và lau rửa tấm pin tự động trên nền tảng Matlab & Arduino

Đại học Đông Á

1

Solar Tracking & Solar Panel Cleaning System

MỤC LỤC
MỤC LỤC .............................................................................................................1
MỞ ĐẦU ................................................................................................................3
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI .......................6
1.1 TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI ................................6
1.1.1 Tình hình sử dụng năng lƣợng mặt trời trên thế giới ..............................8
1.1.2 Tình hình sử dụng năng lƣợng mặt trời ở Việt Nam .............................11
CHƢƠNG 2. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ CẤU TẠO PV CELLS ...........16
2.1 CẤU TẠO CỦA TẤM PIN MẶT TRỜI .....................................................16
2.1.1 Giới thiệu về bán dẫn .............................................................................16
2.1.2 Nguyên lý làm việc tấm pin Mặt trời.....................................................21
2.2 CẤU TẠO TẤM PIN MẶT TRỜI ..............................................................24
2.2.1 Cấu tạo tấm Pin Mặt trời .......................................................................24
2.2.2 Các thông số sỹ thuật .............................................................................28
2.2.3 Các thế hệ Pin Mặt trời ..........................................................................30
2.3 TIỂU KẾT 2 ................................................................................................31
CHƢƠNG 3. MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT ĐẶC PV CELLS .....................33
3.1 MÔ HÌNH TOÁN HỌC ...............................................................................33
3.1.1 Mô hình toán học đơn giản của tấm Pin Mặt trời ..................................33
3.1.2 Mô hình chi tiết của tấm Pin mặt trời ....................................................34
3.1.3 Các yếu tố môi trƣờng ảnh hƣởng đến đặc tính của tấm Pin Mặt Trời .35
3.2 MÔ PHỎNG ĐẶC TÍNH TẤM PIN MẶT TRỜI .......................................36
3.2.1 Giới thiệu chung về Matlab ...................................................................36
3.2.2 Sơ đồ lập trình Guide đƣờng đặc tính của PV-Cells .............................36
3.2.3 Kết quả mô phỏng các đƣờng đặc tính của PV Cells ............................39

3. TIỂU KẾT 3 ...................................................................................................43
CHƢƠNG 4. LẮP RÁP, ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG LAU RỬA PV CELLS VÀ HỆ THỐNG ĐỊNH HƢỚNG MẶT TRỜI SOLAR TRACKING .44


Đại học Đông Á

2

Solar Tracking & Solar Panel Cleaning System

4.1 TỔNG QUAN ..............................................................................................44
4.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG ..........................................45
4.2.1 Hệ thống lau rửa tấm Pin Mặt Trời........................................................45
4.2.2 Hệ thống định hƣớng Mặt Trời..............................................................46
4.3 NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN VÀ SƠ ĐỒ THUẬT TOÁN ........................47
4.3.1 Hệ thống lau rửa tấm Pin .......................................................................47
4.3.2 Hệ thống định hƣớng Mặt Trời..............................................................50
4.3.3 Mô hình thực tế ......................................................................................51
4.4 TIỂU KẾT 4 ................................................................................................54
KẾT LUẬN ..........................................................................................................55
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................57


Đại học Đông Á

3

Solar Tracking & Solar Panel Cleaning System

MỞ ĐẦU

Ngày nay, với sự phát triển vƣợt bậc của ngành năng lƣợng mới nói chung và
ngành năng lƣợng mặt trời nói riêng, cuộc sống của con ngƣời đã chuyển sang một
thời đại mới, thời đại năng lƣợng xanh. Với việc nghiên cứu, phát triển và đƣa và sử
dụng các nguồn năng lƣợng tái tạo, năng lƣợng xanh nhƣ: năng lƣợng gió, năng
lƣợng mặt trời, năng lƣợng địa nhiệt, năng lƣợng sóng, thủy triều,...vào đời sống xã
hội, đời sống con ngƣời đang làm giảm áp lực về tình hình cạn kiệt nguồn nhiên
liệu hóa thạch, nhu cầu năng lƣợng của con ngƣời ngày càng tăng cao[1,2,3]; đồng
thời, giảm đƣợc sự ô nhiễm môi trƣờng, các chất thải độc hại do nguồn nhiên liệu
hóa thạch sinh ra[4,5]. Chính vì vậy, việc sử dụng, đầu tƣ nghiên cứu, ứng dụng các
nguồn năng lƣợng tái tạo đang là xu thế tất yếu của các nƣớc trên thế giới[4,5].
Trong quá trình vận hành các nhà máy điện sản xuất từ năng lƣợng tái tạo nhƣ
nhà máy quang điện hoặc điện gió thì về cơ bản giống nhƣ những nhà máy điện
truyền thống nhƣ nhà máy nhiệt điện, thủy điện. Nhƣng trong nhà máy quang điện
thì việc giám sát không chỉ các thông số của hệ thống điện, các hệ thống bảo vệ mà
việc giám sát còn rất đƣợc chú ý đó là bề mặt của các tấm pin. Bởi vì, các đặc tính
điện áp và dòng điện đầu ra của tấm pin không chỉ phụ thuộc vào cấu tạo chất bán
dẫn làm ra tấm pin, công nghệ sản xuất, điều kiện tự nhiên nhƣ bức xạ Mặt Trời,
nhiệt độ không khí, mà còn ảnh hƣởng lớn của sự che khuất bởi mây, bụi bẩn, các
vật cản,...[1].
Hiện nay, đã có rất nhiều các nghiên cứu về đặc tính điện áp, dòng điện, công
suất của tấm pin Mặt Trời trên các phần mềm nhƣ Matlab[5,6,7], PSCAD[8],... Có
nhiều nghiên cứu, ứng dụng và các bài báo viết về nâng cao hiệu suất làm việc tấm
pin Mặt Trời[9,10] , hoặc sử dụng các robot để lau rửa tấm pin Mặt Trời[11,12,13], hoặc
cũng có một số nghiên cứu về các vật liệu có khả năng tẩy rửa, làm sạch bề mặt tấm
pin Mặt Trời nhƣ SiO2/TiO2[14,15,16], nhƣng chƣa có các bài viết nghiên cứu chính
thức về việc nâng cao hiệu suất tấm pin Mặt Trời theo đặc tính điện áp đầu ra của
tấm pin.
Nếu hệ thống pin năng lƣợng Mặt Trời đƣợc giám sát các đặc tính điện áp, dòng
điện đầu ra dựa trên các thông số xác định của các điều kiện tự nhiên nhƣ bức xạ
Mặt Trời (W/m2), nhiệt độ không khí (oC) để điều chỉnh nâng hiệu suất làm việc

cho các tấm pin, đồng thời ngăn chặn các hiện tƣợng che khuất bất thƣờng sẽ thật
sự hữu ích. Đồng thời, nếu kết hợp đƣợc với các vật liệu có khả năng tẩy rửa kèm


Đại học Đông Á

4

Solar Tracking & Solar Panel Cleaning System

theo hệ thống lau rửa dựa trên đặc tính điện áp tấm pin sẽ mang lại hiệu quả thực tế
rất cao. Do đó, chúng tôi quyết định thực hiện đề tài nghiên cứu về đặc tính tấm pin
Mặt Trời (PhotoVoltaic- Cells, PV-Cells) để từ đó xác giá trị điện áp đầu ra PVCells trong điều kiện bức xạ Mặt Trời, nhiệt độ không khí xác định đối với mỗi loại
PV-Cells. Nếu trong quá trình vận hành, giá trị điện áp PV-Cells đột nhiên giảm bất
thƣờng sẽ đƣợc hệ thống giám sát báo về cho ngƣời vận hành biết để xử lý, kích
hoạt hệt hống lau rửa tự động. Ngoài ra, để nâng cao hiệu suất làm việc cho hệ
thống PV-Cells, chúng tôi xây dựng thêm hệ thống định hƣớng Mặt Trời (Solar
Tracking) cho hệ thống PV-Cells. Đề tài: Khảo sát mô phỏng đặc tính PV –
CELLS điều khiển hệ thống định hƣớng mặt trời và lau rửa tấm pin tự động
trên nền tảng Matlab & Arduino. Để làm đề tài này, chúng tôi đã sử dụng các
phƣơng pháp nhƣ là nghiên cứu tài liệu, mô phỏng bằng phần mềm Matlab/Guide
trên máy tính, khảo sát thực tế, lấy ý kiến các chuyên gia về lĩnh vực này. Sau đó,
sử dụng cảm biến ánh sáng, Arduino làm mô hình điều khiển trên giao diện Guide
của Matlab. Đồng thời, trong đề tài này có sử dụng sự hỗ trợ đắc lực của phần mềm
Microsoft Office/Excel nhƣ các thông số dữ liệu của các loại PV-Cells đƣợc chúng
tôi sử dụng của nhà sản xuất[17] đƣợc lƣu trữ để sau đó đọc lên Matlab phục vụ cho
việc mô phỏng. Hơn nữa là, các thông số điện áp của PV-Cells đƣợc ghi lại và lữu
trữ trong file excel là công cụ hữu ích để giúp cho việc quản lý, vận hành, kiểm tra
hệ thống PV-Cells một cách hiệu quả và chính xác mà không cần sử dụng phần
mềm chuyên dụng[18]. Đây có thể sẽ hƣớng kết hợp phát triển mới giữa Matlab,

Arduino, Excel trong việc vận hành quản lý hệ thống PV-Cell, nhằm nâng cao hiệu
quả làm việc, tránh hiện tƣợng che khuất dựa trên đặc tính điện áp đầu ra tấm pin.

TỔNG QUAN VỀ NỘI DUNG ĐỀ TÀI
Chƣơng 1: Tổng quan về năng lƣợng Mặt Trời
Chƣơng 2: Cấu tạo và nguyên lý làm việc của tấm pin Mặt Trời
Chƣơng 3: Mô phỏng và khảo sát đặc tính tấm pin Mặt Trời
Chƣơng 4: Lắp ráp, điều khiển hệ thống định hƣớng Mặt Trời và hệ thống lau rửa
tấm pin Mặt Trời tự động
Trong quá trình nghiên cứu và phát triển tôi đã nhận đƣợc sự giúp đỡ và hƣớng
dẫn tận tình của thầy ThS. Đỗ Công Ngôn. Thầy đã cho chúng tôi những gợi ý


Đại học Đông Á

5

Solar Tracking & Solar Panel Cleaning System

cũng nhƣ những ý kiến vô cùng quan trọng, giúp chúng tôi có thể vƣợt qua những
khó khăn trong quá trình tiếp cận, nghiên cứu, xây dựng và hoàn thiện đề tài.
Chúng tôi rất mong đề tài này sẽ đƣợc đón nhận và có những đóng góp ý kiến để
phát triển và hoàn thiện hơn nữa sản phẩm này và hi vọng một ngày không xa, sản
phẩm này sẽ đƣợc ứng dụng rộng rãi trong các trạm pin mặt trời.
Kết quả đạt đƣợc sau thời gian nghiên cứu, làm việc là xây dựng đƣợc mô hình
nghiên cứu, mô phỏng đƣợc trên Matlab và chạy thực tế theo nghiên cứu đã đề ra.
Tuy kết quả khả quan, nhƣng còn nhiều sai sót và cần phát triển và bổ sung thêm.
Nhƣng đây là kết quả thực sự đạt đƣợc do quá trình tìm tòi, nghiên cứu tài liệu, trên
mạng, hƣớng dẫn các chuyên gia, sự hƣớng dẫn của thầy cô trong khoa Kỹ thuật
Điện - Ô tô trƣờng Đại học Đông Á.

Một lần nữa, xin chân thành cám ơn tới những ngƣời đã giúp đỡ chúng tôi hoàn
thiện đề tài này.

Đà Nẵng, ngày .... tháng 12 năm 2018
NGƢỜI THỰC HIỆN
(Ký và viết rõ họ tên)

TRẦN SỸ DANH


Đại học Đông Á

6

Solar Tracking & Solar Panel Cleaning System

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI
1.1 TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI
Năng lƣợng là cần thiết cho cuộc sống và mọi hoạt động của tất cả các nền kinh
tế. Cũng giống nhƣ thực phẩm và nƣớc, năng lƣợng không thể thiếu. Nó đã đóng
một vai trò cơ bản trong sự phát triển của các nền văn minh. Nó là nguyên nhân gây
ra chiến tranh giữa các dân tộc để giành quyền kiểm soát các nguồn năng lƣợng.
Trong thế k XX, nhân loại dễ dàng tiếp cận với các nguồn năng lƣợng dồi dào, giá
r và tập trung vào các nguồn năng lƣợng cho ph p phát triển nhanh hơn về kinh tế.
Việc phát hiện ra điện, một dạng rất thuận lợi của năng lƣợng, đã cách mạng hóa
việc sử dụng năng lƣợng và trở thành dạng năng lƣợng thiết yếu trong cuộc sống
hiện đại. Tuy nhiên, mặc d có sự phát triển vƣợt bậc về năng lƣợng, nhƣng một t
lệ đáng kể nhân loại vẫn không thể đáp ứng đƣợc nhu cầu năng lƣợng. Nhu cầu
năng lƣợng của con ngƣời đã liên tục tăng lên. Ngày nay, chúng ta sống trong một
thế giới mà chúng ta luôn cần nhiều hơn, mặc d r ràng là chúng ta đang đạt đến

giới hạn của sự tăng trƣởng vội vàng này. Chúng ta cần phải giải quyết vấn đề vô
c ng nan giải là làm thế nào để tiến bộ hơn nữa mà không tiêu thụ nhiều năng lƣợng
hơn nữa[1,4].
Lịch sử đã chứng minh, năng lƣợng có vai trò quyết định đến sự phát triển của xã
hội loài ngƣời. Quốc gia nào giàu có về năng lƣợng và tự chủ đƣợc năng lƣợng,
quốc gia đó sẽ có điều kiện rất lợi để phát triển kinh tế.
Nguồn năng lƣợng hóa thạch là nguồn năng lƣợng quan trọng nhất cho đến hiện
nay, cung cấp trên 80 năng lƣợng sơ cấp của thế giới. Năm 2005, trừ các sinh
khối truyền thống, nhiên liệu hóa thạch đƣợc sử dụng nhiều nhất là dầu mỏ 35 ),
than đá 25 ), khí thiên nhiên 21 ).
Nhu cầu về năng lƣợng của Thế giới tiếp tục tăng lên đều đặn trong hơn hai thập
k qua.Nguồn năng lƣợng hóa thạch vẫn chiếm 90% tổng nhu cầu về năng lƣợng
cho đến năm 2025.
Tuy nhiên, trữ lƣợng của các nguồn nhiên liệu hóa thạch là có hạn. Và vấn đề an
ninh năng lƣợng thế giới đang bị đe dọa khi chúng ta đang phải đối diện với nguy
cơ cạn kiệt nguồn nhiên liệu này trong tƣơng lai không xa.
Nhu cầu đòi hỏi về năng lƣợng của từng khu vực trên Thế giới cũng không giống
nhau[4].


Đại học Đông Á

7

Solar Tracking & Solar Panel Cleaning System

Hình 1.1. Mức tiêu thụ các nguồn năng lƣợng trên thế giới 1970-2025 và lƣợng
khí thải CO2 sinh ra do sử dụng năng lƣợng hóa thạch.
Tài liệu của Cơ quan Thông tin Năng lƣợng 2004 đã dự báo rằng nhu cầu tiêu thụ
tất cả các nguồn năng lƣợng đang có xu hƣớng tăng nhanh. Giá của các năng lƣợng

hóa thạch d ng cũng vẫn r hơn so với các nguồn năng lƣợng hạt nhân, năng lƣợng
tái tạo hay năng lƣợng các dạng năng lƣợng hoàn nguyên khác.

Hình 1.2. Tiêu thụ năng lƣợng thế giới theo nguồn năng lƣợng 1970-2025 đơn vị
nghìn triệu triệu tu) và biểu đồ tiêu thụ năng lƣợng thế giới của các nguồn năng
lƣợng %)
Hiện nay thì các nguồn năng lƣợng hóa thạch đang cạn kiệt và dần dần đƣợc thay
thế bằng các nguồn năng lƣợng tái tạo nhƣ: năng lƣợng mặt trời, gió, thủy triều,
sinh khối, địa nhiệt,
Có khoảng 16 lƣợng tiêu thụ điện toàn cầu từ các nguồn năng lƣợng tái tạo, với
10%trong tất cả năng lƣợng từ sinh khối truyền thống, chủ yếu đƣợc d ng để cung
cấp nhiệt, và 3,4% từ thủy điện. Các nguồn năng lƣợng tái tạo mới (small hydro,
sinh khối hiện đại, gió, mặt trời, địa nhiệt, và nhiên liệu sinh học) chiếm thêm 3%
và đang phát triển nhanh chóng.Ở cấp quốc gia, có ít nhất 30 quốc gia trên thế giới
đã sử dụng năng lƣợng tái tạo và cung cấp hơn 20 nhu cầu năng lƣợng của họ.
Các thị trƣờng năng lƣợng tái tạo cấp quốc gia đƣợc dự đoán tiếp tục tăng trƣởng
mạnh trong thập k tới và sau đó nữa.Ví dụ nhƣ, năng lƣợng gió đang phát triển với


Đại học Đông Á

8

Solar Tracking & Solar Panel Cleaning System

tốc độ 30% mỗi năm, công suất lắp đặt trên toàn cầu là 282,482 MW) đến cuối
năm 2012.
1.1.1 Tình hình sử dụng năng lƣợng mặt trời trên thế giới
Năng lƣợng mặt trời đƣợc phát ra từ mặt trời là nguồn năng lƣợng sạch, có đặc
tính “tái tạo” và có trữ lƣợng khổng lồ. Nó còn là nguồn gốc của các nguồn năng

lƣợng sạch và tái tạo khác nhƣ: năng lƣợng gió, năng lƣợng sinh khối, thu năng và
năng lƣợng đại dƣơng.
Trái đất nhận đƣợc 174 petawatts PW) bức xạ mặt trời đến sự phơi nắng) ở phía
trên không khí. Khoảng 30

đƣợc phản xạ trở lại không gian trong khi phần còn lại

đƣợc hấp thụ bởi các đám mây, đại dƣơng và v ng đất. Phổ của ánh sáng năng
lƣợng mặt trời ở bề mặt của trái đất chủ yếu gồm các phổ nhìn thấy đƣợc và phổ cận
hồng ngoại, c ng với một phần nhỏ phổ cận tử ngoại.
Trong các năm gần đây, các công nghệ năng lƣợng tái tạo, trong đó có các công
nghệ năng lƣợng mặt trời có tốc độ tăng trƣởng cao và liên tục. Lý do của xu hƣớng
trên là:
- Công nghệ ngày càng hoàn thiện, dẫn đến giá năng lƣợng tái tạo càng ngày
càng giảm sâu.
- Vấn đề an ninh năng lƣợng. năng lƣợng tái tạo là nguồn năng lƣợng địa phƣơng
nên không phụ thuộc vào nguồn nhập khẩu, và do đó không phụ thuộc vào các biến
đổi chính trị và các tác động khác.
- Các nguồn năng lƣợng hóa thạch đã dần cạn kiệt, trong lúc nhu cầu năng lƣợng
không ngừng tăng.
- Ô nhiễm môi trƣờng do khai thác sử dụng năng lƣợng hóa thạch đã đến mức
báo động, dẫn đến các hiện tƣợng biến đổi khí hậu trên toàn cầu. Việc cắt giảm phát
thải, sử dụng các nguồn năng lƣợng sạch - các nguồn năng lƣợng tái tạo, vì vậy trở
nên cấp bách và càng ngày càng có tính nghĩa vụ đối với các quốc gia.
Đến 2013, năng lƣợng tái tạo đã chiếm t lệ 22,1% trong tổng sản xuất điện năng
trên toàn cầu. Nếu kể thêm cả sản xuất nhiệt thì t lệ năng lƣợng tái tạo trong tổng
sản xuất năng lƣợng trên toàn cầu còn có t lệ cao hơn nhiều. Đặc biệt, trong các
năm gần đây, giai đoạn 2008-2013, tốc độ tăng trƣởng năng lƣợng tái tạo nói chung
và năng lƣợng mặt trời nói riêng đạt giá trị khá cao. Trừ 2 nguồn thủy điện và địa
nhiệt có tốc độ dƣới 4 /năm thì các nguồn năng lƣợng tái tạo khác có tốc độ tăng

Đại học Đông Á

9

Solar Tracking & Solar Panel Cleaning System

trƣởng trên 10 /năm. Ấn tƣợng nhất là tốc độ tăng trƣởng của các công nghệ năng
lƣợng mặt trời: điện pin mặt trời tăng 55 ; nhiệt điện mặt trời (Concentrated solar
power- CSP) 48% và nhiệt mặt trời (chủ yếu để đun nƣớc nóng) - 14 /năm.

Hình 1.3 Điện năng sản xuất thế giới 2010 - 2030
Xu thế chung ngày càng rõ nét của tất cả các nƣớc trên thế giới hiện nay là tăng
t phần năng lƣợng tái tạo và giảm năng lƣợng hóa thạch. Ví dụ, năm 2013, ở Đan
Mạch và Tây an Nha, điện năng lƣợng gió đáp ứng lần lƣợt là 33,2% và 21% tổng
nhu cầu điện; nhiều cộng đồng và vùng lãnh thổ đặt mục tiêu sử dụng 100 điện
năng lƣợng tái tạo vào năm 2020 nhƣ Dijibouti, Scotlandvà các quốc gia đảo vùng
Tuvalu; nƣớc Đức đặt ra mục tiêu đến năm 2020, khoảng 20 triệu dân (trên tổng số
65 triệu) sống ở các vùng sử dụng 100 năng lƣợng tái tạo (REN21-2014).
Năm 2014 có 5 cƣờng quốcđiện mặt trời đƣợc sắp xếp theo thứ tự về tổng công
suấtvà t lệ điện năng mặt trời trong tổng điện năng quốc gianhƣ sau:

Tổng công suất
(GW)
Tỉ lệ điện mặt trời
trong tổng điện năng
quốc gia (%)

Đức

Ý

Trung
Quốc

Nhật
Bản

Hoa Kỳ

35,65

18

17,7

11,86

11,42

5,3

9

0,1

0,8

0,3

Đại học Đông Á

10

Solar Tracking & Solar Panel Cleaning System

Trung Quốc
74%
Nhật Bản
1%
Israel
1%
Áo
1%
Ấn Độ Úc
BrazinMỹ
Trung Quốc
Đức
2%
2%
2% Thổ Nhĩ Kỳ
Úc
Ấn Độ 5% Áo

Mỹ
ĐứcThổ Nhĩ Kỳ7%Brazin
5%Nhật Bản

Israel

Hình 1.4 Thị phần thiết bị nƣớc nóng mặt trời của 10 nƣớc dẫn đầu trên thế giới
Có nhiều quốc gia đều đã đƣa ra các mục tiêu và lĩnh vực phát triển năng lƣợng
tái tạo cụ thể, thậm chí các quốc gia có nguồn năng lƣợng hóa thạch phong phú
cũng đã đƣa ra những chính sách rất cụ thể về năng lƣợng tái tạo.
Quốc
gia
EU

Anh

Đức

Đan
Mạch

Mỹ

Mục tiêu phát triển
Lĩnh vực trọng điểm
năng lƣợng tái tạo
và phƣơng pháp
Năng lƣợng tái tạo chiếm 20% Xúc tiến buôn bán năng lƣợng gió,
tổng tiêu hao năng lƣợng năm mặt trời, sinh khối, mạng điện thông
2020, và chiếm 50 năm 2050.
minh, xử lý khí thải CO2.
Tích tực phát triển điện gió trong lục
Đến năm 2020, năng lƣợng tái
địa, trên biển, điện sinh khối, phát

tạo chiếm 15% tổng năng lƣợng,
triển mạng điện thông minh và các kỹ
trong đó có 40 là điện năng từ
thuật truyền tải, giá phát điện tử năng
năng lƣợng xanh.
lƣợng tái tạo hợp lý.
Đến năm 2020, 2030, 2040, 2050 Duy trì quản lý mạng điện gió, mặt
thì năng lƣợng tái tạo chiếm tỉ lệ trời, ..phát triển quản lý truyền tải điện
trong tổng tiêu hao năng lƣợng là năng, mở rộng khả năng lƣu trữ năng
18 , 30 , 45 , 60 ; điện từ lƣợng tái tạo, ổn định giá điện từ năng
năng lƣợng tái tạo chiếm tỉ lệ lƣợng tái tạo trên lƣới điện, giá hỗ trợ
35%,50%, 65% và 80% trong
tổng tiêu hao điện năng toàn
quốc.
Đến năm 2020 điện gió chiếm Duy trì sự phát triển điện gió, hệ
50% tổng sản lƣợng điện; đến thống sƣởi bằng năng lƣợng xanh,
năm 2050 thì hoàn toàn không sử thúc đẩy năng lƣợng xanh ở các công
dụng điện từ năng lƣợng hóa trình kiến trúc, công nghiệp, giao
thạch.
thông, phát triển lƣới điện thông
minh.
Năm 2030 giảm lƣợng khí thải Thúc đẩy phát triển xây dựng điện


Đại học Đông Á

Quốc
gia

Trung

Quốc

Nhật
Bản

Ấn Độ

11

Solar Tracking & Solar Panel Cleaning System

Mục tiêu phát triển
năng lƣợng tái tạo
CO2 bằng 30% so với năm 2005.

Lĩnh vực trọng điểm
và phƣơng pháp
gió, điện mặt trời, nhiên liệu sinh
khối, mạng điện thông minh.
Tiếp tục phát triển thủy điện, điện gió,
điện mặt trời, sử dụng nhiệt và nhiên
liệu từ năng lƣợng tái tạo. Hỗ trợ giá
cho năng lƣợng mới, nguồn điện mặt
trời khi kết nối lƣới.
Đƣa ra chính sách về giá về quang
điện, điện gió trên biển.

Năm 2020 và năm 2030 thì năng
lƣợng thải khí CO2 chiếm tỉ lệ 20
và 15%.

Đến năm 2030 tỉ lệ điện từ năng
lƣợng tái tạo chiếm 22%~24%
trong tổng sản lƣợng điện.
Năng lƣợng tái tạo chiếm 5% Thực hành ổn định giá năng điện từ
trong năm 2010 sẽ tăng lên 15
năng lƣợng tái tạo.
trong năm 1020 và tổng công
suất lắp đặt năm 2027 điện mặt
trời là 100GW, công suất lắp đặt
điện gió đạt 150GW.

1.1.2 Tình hình sử dụng năng lƣợng mặt trời ở Việt Nam
Ngày nay, toàn thế giới đang theo đuổi chƣơng trình phát triển bền vững. Các
nguồn năng lƣợng tái tạo không ngừng đƣợc nghiên cứu và phát triển, giá thành sử
dụng đƣợc giảm nhanh chóng. Việc phát triển các nguồn năng lƣợng tái tạo để
chống lại sự biến đổi khí hậu toàn cầu và cũng là cuộc các mạng thúc đẩy sự phát
triển khoa học kỹ thuật, đối phó với sự thiếu hụt năng lƣợng, ô nhiễm môi trƣờng
của tất cả các quốc gia trên thế giới.
Việt Nam có vị trí địa lí ở trong v ng quanh năm gió, nắng và bờ biển dài suốt
chiều dài của đất nƣớc. Với vị trí địa lí nhƣ vậy, chúng ta đã có nguồn tài nguyên
năng lƣợng tái sinh vô tận: năng lƣợng mặt trời, gió, sóng biển, thủy triều . Địa
hình của nƣớc ta có nhiều núi cao, dốc đứng rất thuận lợi để xây dựng các nhà máy
thủy điện. Đồng thời nƣớc ta có tiềm năng lớn về nguyên liệu để sản xuất khí sinh
học.Tuy vậy, Việt Nam mới chỉ khai thác đƣợc 25% nguồn năng lƣợng tái sinh
trong đó có năng lƣợng mặt trời) và còn lại 75% vẫn chƣa đƣợc khai thác.
Nguồn năng lƣợng mặt trời hầu nhƣ sử dụng quanh năm. Năng lƣợng bức xạ
mặt trời trung bình đạt 4 đến 5kWh/m2 mỗi ngày. Mật độ năng lƣợng mặt trời biến
đổi trong khoảng 300 đến 500 cal/cm2/ngày. Số giờ nắng trung bình cả năm trong
khoảng 1.800 đến 2.100 giờ. Tiềm năng điện mặt trời tốt nhất ở các vùng Thừa

Thiên-Huế trở vào nam. Vùng Tây Bắc gồm các tỉnh Lai Châu, Sơn La, Lào Cai


Đại học Đông Á

12

Solar Tracking & Solar Panel Cleaning System

và vùng Bắc Trung Bộ gồm các tỉnh Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh

có năng

lƣợng mặt trời khá lớn. Nhƣ vậy, các tỉnh thành ở miền Bắc nƣớc ta đều có thể sử
dụng hiệu quả. Còn ở miền Nam, từ Đà Nẵng trở vào, năng lƣợng mặt trời rất lớn
và phân bố tƣơng đối điều hòa quanh năm. Trừ những ngày có mƣa rào, có thể nói
hơn 90 số ngày trong năm có thể sử dụng năng lƣợng mặt trời để đun nƣớc nóng
dùng cho sinh hoạt. Số giờ nắng trung bình cả năm trong khoảng 2.000 đến 2.600
giờ. Đây là khu vực ứng dụng năng lƣợng mặt trời rất hiệu quả[19].
Tuy nhiên, cả nƣớc mới có khoảng 60 hệ thống đun nƣớc nóng bằng năng lƣợng
mặt trời tập thể và hơn 5.000 hệ thống cho gia đình đã đƣợc lắp đặt. Trong đó,
khoảng 95 đƣợc lắp đặt sử dụng ở khu vực thành thị, 5 đƣơc sử dụng ở các
huyện lỵ hoặc một số hộ ở nông thôn. Đối tƣợng lắp đặt và sử dụng chủ yếu là các
hộ gia đình chiếm khoảng 99%, khoảng 1 cho các đối tƣợng khác nhƣ: nhà tr ,
trƣờng mẫu giáo, bệnh xá, khách sạn, trƣờng học, nhà hàng, [19]

Hình 1.5 Hình ảnh mô phỏng hệ thống pin năng lƣợng mặt trời
Việt Nam cũng đang triển khai nhiều chƣơng trình tiết kiệm năng lƣợng, trong đó
đặc biệt chú trọng phát triển mô hình bình đun nƣớc nóng bằng năng lƣợng mặt trời.
Trung tâm tiết kiệm năng lƣợng Hà Nội hiện đang thực hiện dự án lắp đặt thiết bị

đun nƣớc nóng bằng năng lƣợng mặt trời, góp phần tiết kiệm năng lƣợng khu vực
phía Bắc. Hiện trung tâm đang triển khai chƣơng trình ở các tỉnh thành Hải Phòng,
Quảng Ninh, Nam Định, Thanh Hóa, Sơn La, lắp đặt thí điểm 100 thiết bị ở quy mô
hộ gia đình. Cả nƣớc hiện có khoảng 2,5 triệu bình đun nƣớc nóng bằng điện có
công suất trong khoảng 2 đến 5 kW.
Hiện nay bình nƣớc nóng Thái Dƣơng đã đƣợc sử dụng khá rộng rãi trong các hộ
gia đình khách sạn ở thành phố, hải đảo vv Khách sạn Saigon Morin thành phố


Đại học Đông Á

13

Solar Tracking & Solar Panel Cleaning System

Huế đã lắp đặt 11 giàn năng lƣợng mặt trời vào việc giặt là, đun nƣớc nóng và nấu
ăn. Cả nƣớc có hơn 10 cơ sở kinh doanh hoặc sản xuất thiết bị đun nƣớc nóng,
nhƣng số lƣợng rất hạn chế. Đó là các Công ty Sơn Hà, Tân Á,

và các trƣờng

Đại học Bách khoa Hà Nội và Trƣờng Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh cũng
tham gia nghiên cứu, chế tạo thiết bị trên. Vì vậy, trên thị trƣờng hiện nay thiết bị
bình đun nƣớc nóng năng lƣợng mặt trời khá phong phú về chủng loại nhƣ sản
phẩm “Thái dƣơng năng” của Công ty Sơn Hà, “Sun flower” của Công ty Tân Á,
“Helio” của Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh chế tạo, sản phẩm
“Salar water heating” của Công ty TNHH Tự động xanh.
Tuy nhiên, việc phát triển hệ thống đun nƣớc nóng bằng năng lƣợng mặt trời
đang chƣa có chiến lƣợc phát triển và còn một số khó khó khăn.Ví dụ nhƣ sự hỗ trợ
của Nhà nƣớc về đầu tƣ nghiên cứu và phát triển về kinh phí, trang thiết bị kỹ thuật

cho sản xuất, ứng dụng còn khiêm tốn; Sự không đồng bộ giữa thiết kế bình đun
nƣớc nóng năng lƣợng mặt trời và các công trình xây dựng; Giá thành của thiết bị
đun nƣớc nóng năng lƣợng mặt trời còn khá cao, chƣa ph hợp với mức thu nhập
của ngƣời dân nói chung; cách lắp đặt, vận hành thiết bị chƣa đƣợc phổ biến rộng
rãi đến ngƣời tiêu d ng vv

[20]

Nhu cầu về điện của Việt Nam hàng năm tiêu tốn khoảng 3,6 t kWh điện và sẽ
tăng nhanh theo tốc độ phát triển kinh tế, xây dựng nhà ở, dịch vụ và du lịch. Đây là
một con số rất lớn cho thấy một thị trƣờng đầy tiềm năng cho việc đầu tƣ nghiên
cứu, sản xuất thiết bị bình đun nƣớc nóng năng lƣợng mặt trời. Trong những năm
gần đây, một số công trình nghiên cứu sử dụng năng lƣợng mặt trời đã đem lại kết
quả kinh tế đáng kể.
Dƣới đây là một số dự án điện mặt trời:
Tên dự án

P (MW)

Địa điểm

Nhà máy điện mặt trời
BIM1

30

Tỉnh Ninh Thuận

Trang trại Điện mặt trời
Gelex Ninh Thuận

50

Phƣớc Dinh, Thuận
Nam, Ninh Thuận

Nhà máy điện mặt trời
Hồ Bầu Ngứ

50

huyện Thuận Nam,
Ninh Thuận

Nhà máy điện mặt trời
đầm Trà Ổ

50

Châu Trúc, Mỹ
Châu (Phù Mỹ),

Chủ đầ tƣ
IM Group c ng đối
tác AC Energy
Tổng công ty cổ phần
Thiết bị điện Việt
Nam - Gelex
Công ty cổ phần đầu
tƣ xây dựng và phát

triển Trƣờng Thành
Công ty CP Năng
lƣợng tái tạo Việt


Đại học Đông Á

Tên dự án

14

P (MW)

Solar Tracking & Solar Panel Cleaning System

Địa điểm
ình Định.

Nhà máy điện năng
lƣợng mặt trời
Nhà máy Điện mặt trời
Long Thành
Nhà máy điện năng
lƣợng mặt trời

2.000

250
300-500

Nhà máy điện mặt trời
miền trung

50

Nhà máy quang điện
mặt trời

60

Nhà máy điện năng
lƣợng mặt trời An Việt
Nhà máy điện mặt trời,
thuộc Tổ hợp dự án điện
năng lƣợng tái tạo
Dohwa

40

49,5

xã Ia Lốp và xã Ia
Rvê tại huyện Ea
Súp
Tỉnh Đắk Lắk
huyện Ea Súp,Tỉnh
Đắk Lắk
Cam Thịnh Tây,
thành phố Cam
Ranh, tỉnh Khánh

Hòa
thôn Thủy Ba và
thôn Tân An, xã
Cam An Bắc (huyện
Cam Lâm) ,TP. Cam
Ranh
thôn Hòa Sơn, xã
Cam Thịnh Đông,
TP. Cam Ranh
huyện Lệ Thủy,
Quảng Bình

Chủ đầ tƣ
Nam
Công ty TNHH Xuân
Thiện Ninh Bình
Công ty cổ phần đầu
tƣ và phát triển hạ
tầng Long Thành
Tập đoàn AES Hoa
Kỳ)
Công ty CPCCREB

Tổng công ty Điện lực
miền Trung
Công ty TNHH Phát
triển Năng lƣợng xanh
An Việt – Nha Trang
Tập đoàn Dohwa, Hàn
Quốc

Hiện nay tại Việt Nam đang đƣợc triển khai xây dựng rất nhiều nhà máy điện
Mặt Trời ở khắp trên cả nƣớc. Đặc biệt các vùng núi, hải đảo, nơi có khó khăn trong
việc k o điện lƣới đến hoặc những nơi có điều kiện thuận lợi cho việc phát triển
nguồn ngăng lƣợng tái tạo này.
Cùng với xu thế phát triển chung của toàn thế giới thì ở Việt Nam bắt đầu sử
dụng, nghiên cứu, chế tạo và phát triển về công nghiệp năng lƣợng Mặt Trời. Mặc
d các nhà đầu tƣ đã bắt đầu đẩy mạnh nghiên cứu xây dựng dự án điện mặt trời tại
Việt Nam[21], nhƣng trƣớc đây hầu hết các dự án rất khó triển khai bởi trình tự, thủ
tục xin cấp phép xây dựng, bổ sung dự án điện mặt trời vào quy hoạch điện lực của
quốc gia và từng địa phƣơng còn rƣờm rà. Và đây chính là những rào cản đòi hỏi
các cơ quan quản lý, các cấp chính quyền phải vào cuộc tháo gỡ trong thời gian tới,
để điện mặt trời có thể phát triển đạt mục tiêu đề ra. Nhƣng nhiện nay, chính phủ đã


Đại học Đông Á

15

Solar Tracking & Solar Panel Cleaning System

có những chính sách, hỗ trợ nên nhiều dự án đã và đang đƣợc triển khai trên khắp
Việt Nam[22]. Sản lƣợng điện Mặt Trời đã bắt đầu hòa vào lƣới điện Quốc gia. Cụ
thể với vai trò trách nhiệm là đầu tàu, trụ cột của ngành năng lƣợng, và là đơn vị
chủ lực đảm bảo nguồn cung ứng điện cho nền kinh tế, Tập đoàn Điện lực Việt
Nam EVN), đã ban hành Nghị quyết về nghiên cứu phát triển điện mặt trời. Hiện
nay thì đã có 2 nhà máy điện đã và đang đƣợc xây dựng tại tỉnh Quảng ngãi và Ninh
Thuận, dự kiến nó sẽ đêm lại nhiều lợi ích kinh tế và môi trƣờng của 2 tỉnh nói
riêng và Việt Nam nói chung. Ngoài ra, nhiều tỉnh thành, nhiều trƣờng Đại học đã
nghiên cứu và tìm hiểu, đƣa vào ứng dụng và có các chính sách phát triển nguồn

năng lƣợng này. Điều này cho thấy Việt Nam đang cố gắng để thay đổi và bắt kịp
công nghệ trên thế giới, đặc biệt là công nghệ phát triển năng lƣợng mặt trời. Việt
Nam đang dần tiến bộ hơn trên con đƣờng phát triển năng lƣợng mặt trời của mình
đây là một điều đáng mừng đối với sự phát triển của chúng ta.
1.2 TIỂU KẾT 1
Sự phát triển năng lƣợng mặt trời trên thế giới ngày càng tăng lên nhanh chóng
dần thay thế cho năng lƣợng hóa thạch, nguồn năng lƣợng đang dần cạn kiệt do nhu
cầu sử dụng đang tăng lên và sự ô nhiễm môi trƣờng cũng khá lớn đối với con
ngƣời. Ở Việt Nam cƣờng độ bức xạ mặt trời trung bình khá cao. Tuy vậy, trong
thực tế, việc phát triển nguồn điện này ở nƣớc ta lại rất khiêm tốn, khai thác chƣa
thật đáng kể. Để hiểu, nghiên cứu và ứng dụng đƣợc nguồn năng lƣợng này, chúng
ta cần đi sâu hơn, c ng tìm hiểu về cấu tạo và thành phần của pin mặt trời đƣợc
trình bày cụ thể ở chƣơng 2 tiếp theo.


Đại học Đông Á

16

Solar Tracking & Solar Panel Cleaning System

CHƢƠNG 2. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ CẤU TẠO PV CELLS
2.1 CẤU TẠO CỦA TẤM PIN MẶT TRỜI
2.1.1 Giới thiệu về bán dẫn[1]
Chất bán dẫn (Semiconductor) là chất có độ dẫn điện ở mức trung gian giữa chất
dẫn điện và chất cách điện. Chất bán dẫn hoạt động nhƣ một chất cách điện ở nhiệt
độ thấp và có tính dẫn điện ở nhiệt độ phòng. Gọi là “bán dẫn” chữ “bán” theo
nghĩa Hán Việt có nghĩa là một nửa), vì chất này có thể dẫn điện ở một điều kiện
nào đó, hoặc ở một điều kiện khác sẽ không dẫn điện.
Có thể dựa trên tính dẫn điện, thì vật liệu bán dẫn không phải là vật liệu cách

điện mà cũng không phải là vật liệu dẫn điện tốt. Độ dẫn điện phụ thuộc nhiều vào
nhiệt độ, nhiệt độ tăng độ dẫn điện tăng còn ở kim loại thì ngƣợc lại). Các chất bán
dẫn thƣờng gặp là oxit đồng (Cu2O), sêlen, silicium, giécmani (selenium, Silicon,
silicium, giécmani).
Tính chất dẫn điện của các vật liệu rắn đƣợc giải thích nhờ lý thuyết v ng năng
lƣợng. Nhƣ ta biết, điện tử tồn tại trong nguyên tử trên những mức năng lƣợng gián
đoạn (các trạng thái dừng). Nhƣng trong chất rắn, khi mà các nguyên tử kết hợp lại
với nhau thành các khối, thì các mức năng lƣợng này bị phủ lên nhau, và trở thành
các v ng năng lƣợng và sẽ có ba v ng chính, đó là v ng hóa trị, vùng cấm và vùng
dẫn.
Vùng hóa trị Valence band) là v ng có năng lƣợng thấp nhất theo thang năng
lƣợng, là v ng mà điện tử bị liên kết mạnh với nguyên tử và không linh động.
Vùng dẫn (Conduction band) là vùng có mức năng lƣợng cao nhất, là vùng mà
điện tử sẽ linh động nhƣ các điện tử tự do) và điện tử ở vùng này sẽ là điện tử dẫn,
có nghĩa là chất sẽ có khả năng dẫn điện khi có điện tử tồn tại trên vùng dẫn. Tính
dẫn điện tăng khi mật độ điện tử trên vùng dẫn tăng.
Vùng cấm (Forbidden band) là vùng nằm giữa vùng hóa trị và vùng dẫn, không
có mức năng lƣợng nào (vùng trống năng lƣợng) do đó điện tử không thể tồn tại
trên vùng cấm. Nếu bán dẫn pha tạp, có thể xuất hiện các mức năng lƣợng trong
vùng cấm (mức pha tạp). Khoảng cách giữa đáy v ng dẫn và đỉnh vùng hóa trị gọi
là độ rộng vùng cấm, hay năng lƣợng vùng cấm and Gap). T y theo độ rộng vùng
cấm lớn hay nhỏ mà chất có thể là dẫn điện hoặc không dẫn điện.


Đại học Đông Á

17

Solar Tracking & Solar Panel Cleaning System

Hình 2.1 Mức năng lƣợng điện tử
Đối với vật liệu dẫn điện, lớp vỏ ngoài cùng của nguyên tử có rất ítcác electron,
nó có khuynh hƣớng giải phóng các electron này để tạothành electron tự do và đạt
đến trạng thái bền vững.Vật liệu cách điện lại có khuynh hƣớng giữ lại các electron
lớp ngoàicùng của nó để có trạng thái bền vững.

a) Dẫn điện (Conductor)

b) Bán dẫn (Semiconductor)

c) Cách điện (Insulator)
Hình 2.2 Mức năng lƣợng điện tửcủa các loại vật liệu
Về phƣơng diện hoá học thì chất bán dẫn là những chất có 4 điện tử ở lớp ngoài
cùng của nguyên tử, đó là các chất Germanium (Ge) và Silicium (Si).


Đại học Đông Á

18

Solar Tracking & Solar Panel Cleaning System

Chất bán dẫn chủ yếu đƣợc cấu tạo từ các nguyên tử có 4 electron lớp ngoài
trong cấu trúc nguyên tử của chúng. Nhƣ vậy, về bản chất, các chất bán dẫn có 4
electron lớp ngoài c ng mà đặc trƣng là 2 chất bán dẫn Ge và Si.
Từ các chất bán dẫn ban đầu (tinh khiết), để tăng cƣờng khả năng dẫn điện của
chất bán dẫn ở nhiệt độ thấp, ngƣời ta tiến hành pha trộn bán dẫn tinh khiết với một
nguyên tố khác trong bảng tuần hoàn tạo ra hai loại bán dẫn chủ đạo là bán dẫn loại
n và bán dẫn loại p.
Vật liệu bán dẫn, nó có khuynh hƣớng đạt đến trạng thái bền vữngtạm thời bằng

cách lấp đầy lớp con của lớp vỏ ngoài cùng.
Nguyên tử bán dẫn thực hiện điều này bằng cách chia s bốnelectron lớp vỏ
ngoài cùng của nó với bốn electron của bốn nguyên tửlân cận.

Hình 2.3 Cấu tạo và ký hiệu thông dụng của nguyên tố Silic
Công nghệ quang điện sử dụng vật liệu bán dẫn để chuyển đổi quang năng thành
điện năng. Trong đó, tinh thể silic tinh chất là vật liệu bán dẫn chủ chốt d ng để chế
tạo chúng. Silic là nguyên tố nằm ở cột thứ tƣ, dòng thứ hai của bảng phân loại tuần
hoàn, c ng nhóm với nguyên tố Germanium cũng đƣợc d ng nhiều trong các linh
kiện bán dẫn. Ngoài ra, còn một số nguyên tố khác, có thể kể oron và Photpho
thuộc nhóm 3 và 5 là 2 nguyên tố c ng silic hiện diện trong các panel bán dẫn điện
mặt trời. Galli, Arsen đƣợc d ng chế tạo các tế bào quang điện GaAs, Cadmi và
Telluri đƣợc d ng để chế tạo tế bào quang điện CdTe.
Nguyên tố silic có 14 proton trong hạt nhân, tƣơng ứng với 14 điện tử hiện diện
trên các quỹ đạo bao quanh, quỹ đạo ngoài cùng chứa 4 điện tử cho ta nguyên tố Si
có hóa trị 4.
Trong cấu trúc tinh thể Si tinh chất, mỗi nguyên tử Si hình thành 4 liên kết đồng
hóa trị với 4 nguyên tử Si xung quanh, tạo nên mạng tinh thể bốn mặt trong không


Đại học Đông Á

19

Solar Tracking & Solar Panel Cleaning System

gian ba chiều nhƣ hình 2.4a phía dƣới. Để đơn giản, cấu trúc này đƣợc trải trên bề
mặt 2 chiều nhƣ hình minh họa 2.4b.

Hình 2.4 Cấu trúc không gian mạng tinh thể Silic

Ở nhiệt độ không tuyệt đối, Si cách điện hoàn toàn. Mạng tinh thể Si tuyệt đối
không có điện tử tự do. Khi nhiệt độ tăng lên, một số điện tử đạt năng lƣợng đủ để
thoát khỏi quỹ đạo nguyên tử để trở thành điện tử tự do. Nhiệt độ càng cao, số điện
tử tự do càng nhiều, giúp khả năng dẫn điện tăng lên ngƣợc với kim loại, khả năng
dẫn điện giảm khi nhiệt độ tăng cao). Tính chất này d ng để chế tạo các cảm biến
nhiệt độ bán dẫn, gọi là termistors. Tuy vậy, ở nhiệt độ môi trƣờng 25oC, khả năng
dẫn điện của tinh thể Si vẫn rất thấp, do đó nói mới có tên gọi là bán dẫn. Nếu ta
thêm một năng lƣợng nhỏ nguyên tố phụ gia hóa trị 5 (Photpho-P), khả năng dẫn
điện của tinh thể Si sẽ tăng lên mạnh mẽ.
Có hai loại bán dẫn là bán dẫn loại p và bán dẫn loại n đƣợc tạo ra bằng cách pha
trộn một lƣợng nhỏ các chất có hóa trị khác vào để làm thay đổi cấu trúc mạng tinh
thể.
Bán dẫn loại n: Khi ta pha một lƣợng nhỏ chất có hoá trị 5 nhƣ Photpho (P) vào
chất bán dẫn Si thì một nguyên tử P liên kết với 4 nguyên tử Si theo liên kết cộng
hoá trị, nguyên tử Photpho chỉ có 4 điện tử tham gia liên kết và còn dƣ một điện tử
và trở thành điện tử tự do. Chất bán dẫn lúc này trở thành thừa điện tử electron
mang điện âm) và đƣợc gọi là bán dẫn n (negative: âm).
Bán dẫn loại p: Ngƣợc lại, khi ta pha thêm một lƣợng nhỏ chất có hoá trị 3 nhƣ
Indium (In) hoặc Bore (B) vào chất bán dẫn Si thì 1 nguyên tử Indium sẽ liên kết
với 4 nguyên tử Si theo liên kết cộng hoá trị và liên kết bị thiếu một điện tử và trở
thành lỗ trống- hole (positive-mang điện dƣơng), đƣợc gọi là chất bán dẫn p.


Đại học Đông Á

20

Solar Tracking & Solar Panel Cleaning System

Chất bán dẫn n

Chất bán dẫn p

a. Nguyên tử cho trong tinh thể Si
b. Nguyên tử cho (Donor)
Hình 2.5 Cách hoạt động của bán dẫn Si loại n
Hole
(mobile + charge)

Hole
+

+4
Si

+4
Si

+4
Si

+4
Si

+3
Bo

+4
Si

+4
Si

+4
Si

Movable
hole

+
+3
Bo

=

_
Silicon
Atoms

Acceptor atom
(immobile - charge)

Trivalent
acceptor atom

a. Nguyên tử nhận trong tinh thể Si
b. Nguyên tử nhận (Acceptior)
Hình 2.6 Cách hoạt động của bán dẫn Si loại p
Lý thuyết lƣợng tử mô tả sự khác biệt giữa vật dẫn (kim loại) và chất bán dẫn
(Si) dựa trên biểu đồ năng lƣợng nhƣ hình minh họa 2.7 phía dƣới.

Thông thƣờng, điện tử thuộc lớp nào sẽ nhận mức năng lƣợng tƣơng ứng với lớp
đó. Lớp đạt mức năng lƣợng cao nhất gọi là lớp dẫn với các điện tử thuộc lớp này
có thể tham gia vào dòng dẫn. Nhƣ hình 2.7 thì lớp dẫn của kim loại đƣợc điện tử
lấp đầy một phần, còn đối với lớp dẫn của chất bán dẫn hoàn toàn trống điện tử ở
nhiệt độ không tuyệt đối. Lý thuyết đã tính toán rằng, ở nhiệt độ phòng thì khoảng
1/1010 các điện tử tồn tại đƣợc trong lớp dẫn.


21

Solar Tracking & Solar Panel Cleaning System

VùNG
DẫN

VùNG DẫN
trống ở 0k

vùng
cấm

vùng
cấm

vùng
lấp đầy
GAP

ELECTRON ENERGY (EV)

ELECTRON ENERGY (EV)

i hc ụng

vùng
lấp đầy

vùng
lấp đầy
GAP

vùng
lấp đầy

a. Kim loi
b. Bỏn dn
Hỡnh 2.7 Cỏc lp nng lng ca kim loi (a) v Silic (b)
2.1.2 Nguyờn lý lm vic tm pin Mt tri[1]
Hiu ng quang in l mt hin tng in - lng t, trong ú cỏc in t
c thoỏt ra khi nguyờn t quang in trong) hay vt cht quang in thng)
sau khi hp th nng lng t cỏc photon trong ỏnh sỏng lm nguyờn t chuyn
sang trng thỏi kớch thớch lm bn electron ra ngoi. Hiu ng quang in ụi khi
c ngi ta dựng vi cỏi tờn Hiu ng Hertz, do nh khoa hc Heinrich Hertz tỡm
ra.

Hỡnh 2.8 Hiu ng quang in
Khi b mt ca mt tm kim loi c chiu bi bc x in t cú tn s ln hn
mt tn s ngng (tn s ngng ny l giỏ tr c trng cho cht lm nờn tm kim
loi ny), cỏc in t s hp th nng lng t cỏc photon v sinh ra dũng in (gi
l dũng quang in). Khi cỏc in t b bt ra khi b mt ca tm kim loi, ta cú

hiu ng quang in ngoi external photoelectric effect). Cỏc in t khụng th
phỏt ra nu tn s ca bc x nh hn tn s ngng bi in t khụng c cung
cp nng lng cn thit vt ra khi ro th (gi l cụng thoỏt). in t phỏt
x ra di tỏc dng ca bc x in t c gi l quang in t. mt s cht
khỏc, khi c chiu sỏng vi tn s vt trờn tn s ngng, cỏc in t khụng bt
ra khi b mt, m thoỏt ra khi liờn kt vi nguyờn t, tr thnh in t t do in
t dn) chuyn ng trong lũng ca khi vt dn, v ta cú hiu ng quang in
trong (internal photoelectric effect). Hiu ng ny dn n s thay i v tớnh cht
dn in ca vt dn, do ú, ngi ta cũn gi hiu ng ny l hiu ng quang dn.


Đại học Đông Á

22

Solar Tracking & Solar Panel Cleaning System

Tiếp giáp p-n: khi ta cho hai loại bán dẫn trên tiếp xúc với nhau, các điện tử tự do
ở gần bề mặt tiếp xúc sẽ khuếch tán từ bán dẫn loại n sang bán dẫn loại p và lấp các
lỗ trống trong bán dẫn loại p. án dẫn loại n sẽ dần mất điện tử và tích điện dƣơng,
bán dẫn loại p sẽ dần tích điện âm. khi đó ở bề mặt tiếp xúc giữa hai loại bán dẫn sẽ
hình thành nên điện trƣờng ngăn cản sự di chuyển của các điện tử tự do từ bán dẫn
loại n sang bán dẫn loại p.
Điện trƣờng tạo ra ở bề mặt tiếp xúc chỉ cho ph p dòng điện tử chạy theo một
chiều, ở đây là từ bán dẫn loại p sang bán dẫn loại n. Pin mặt trời thực chất là một
diode bán dẫn với diện tích bề mặt rộng và lớp n cực mỏng để ánh sáng có thể
truyền qua.Ánh sáng chiếu vào pin mặt trời một phần bị phản xạ và một phần bị hấp
thụ khi đi qua lớp n. Phần bị hấp thụ sẽ đến đƣợc lớp chuyển tiếp, nơi có các cặp
electron và lỗ trống nằm trong điện trƣờng của bề mặt giới hạn. Với các bƣớc sóng
thích hợp sẽ truyền cho electron một năng lƣợng đủ lớn để bật khỏi liên kết.

Trên quãng đƣờng di chuyển giữa lớp tiếp giáp p-n thì các lỗ trống và điện tử sẽ
tái hợp với nhau và trung hòa điện, dẫn đến ở lớp tiếp giáp có mật độ hạt mang điện
rất thấp, gọi là vùng nghèo (depletion region) hay chính là lớp tiếp giáp p-n.

Hình 2.9 Nguyên lý hoạt động của lớp tiến giáp p-n
Giữa lớp tiếp giáp p-n này, ở phía bán dẫn p có các điện tử electron mang điện
tích âm và phía bán dẫn n có các lỗ trống hole mang điện tích dƣơng, qua đó hình
thành một điện trƣờng tiếp xúc có hƣớng từ lớp p sang lớp n và điện áp tiếp xúc
tƣơng ứng.
Những cặp electron và lỗ trống này nằm trong tác dụng của điện trƣờng do đó
electron sẽ bị k o về phía bán dẫn loại n, còn lỗ trống bị k o về phía bán dẫn loại p.


Đại học Đông Á

23

Solar Tracking & Solar Panel Cleaning System

Kết quả là nếu ta nối hai cực vào hai phần bán dẫn loại n và p sẽ đo đƣợc một hiệu
điện thế khoảng 0,6V với silic).
Một tế báo quang điện (Photovoltaic cell, PV Cell) đƣợc cấu tạo từ hai lớp bán
dẫn p và n ghép lại với nhau, hình thành một diode, cho phép electron di chuyển từ
điện cực p đến điện cực n, không cho phép di chuyển ngƣợc lại.
Khi có các photon ánh sáng mặt trời chiếu vào tế bào quang điện, các electron
nhận năng lƣợng và bứt ra thành electron tự do, có khả năng dẫn điện và di chuyển
về phía điện cực n. Nếu mắc hai điện cực với mạch ngoài sẽ tạo đƣợc dòng
electrong di chuyểntừ cực n sang cực p, qua đó hình thành dòng điện ở mạch ngoài
từ p-n.
Pin mặt trời Photovoltaic – PV) là tổ hợp nhiều tế bào quang điện mặt trời PV

cell) khi nhận bức xạ mặt trời phát sinh dòng điện 0,5 đến 1V. Từ 28 đến 36 tế bào
quang có thể tạo ra dòng một chiều khoảng 12V tránh mất năng lƣợng khi tế bào
quang bị hỏng ngƣời ta d ng các diode). Hệ thống có thể tạo ra dòng một chiều có
cƣờng độ nhất định với điện áp 12V.
Electron

Dòng điện

PV Cells

Hình 2.10Sơ đồ nguyên lý hoạt động pin quang điện


Điện trƣờng E làm cho các lỗ trống mang điện tích dƣơng di chuyển cùng chiều
điện trƣờng và các điện tử electron di chuyển ngƣợc chiều điện trƣờng. Từ đó hình
thành nên dòng điện trôi.
Dòng điện trôi và dòng khuếch tán sẽ có hƣớng ngƣợc chiều nhau. an đầu khi
mật độ hạt mang điện của hai lớp bán dẫn càng chênh lệch thì dòng khuếch tán càng


lớn, và tạo điện trƣờng E lớn và từ đó tạo ra dòng điện trôi lớn. Sau đó thì dòng
điện trôi sẽ dần cân bằng với dòng điện khuếch tán, dòng đi qua lớp tiếp giáp p-n
bằng không, và xác lập trạng thái cân bằng.
Điện áp tiếp xúc điện áp hàng rào) giữa hai lớp p-n có giá trị nhƣ sau:


Đại học Đông Á

24

 N .N 
kT  N A . N D 
  VT ln  A 2 D 
ln 
2
q  ni 
 ni 
kT
VT 
q

Solar Tracking & Solar Panel Cleaning System

V

(2-01)

Trong đó: hằng số Boltzman k=1,38.10-23 J/K; T=toC+273 là nhiệt độ tuyệt đối;
đơn vị điện tích q=1,6.10-19C; NA là nồng độ tạp chất nhận aceptor trong bán dẫn p;
ND là nồng độ tạp chất cho donor trong bán dẫn n; ni là mật độ hạt dẫn trong bán
dẫn thuần. VT đƣợc gọi là điện thế nhiệt.
Chiều rộng vùng cấm khoảng 1μm với thế quá nó khoảng 1V, tức cƣờng độ điện
trƣờng khoảng 104V/cm.

2.2 CẤU TẠO TẤM PIN MẶT TRỜI[1]
2.2.1 Cấu tạo tấm Pin Mặt trời

Gồm các tế bào quang điện PV) thực chất là các thiết bị bán dẫn Silic, chúng
bao gồm một lớp loại p dƣơng) và một lớp n âm) đƣợc gh p nối với nhau để tạo
thành một liên kết “p-n”.

Thiết kế module PV từ các tế bào quang điện: Mỗi tế bào quang điện đƣa ra điện
áp khoảng 0,5÷1V nên rất khó sử dựng đƣợc trong thực tế, chính vì vậy mà ngƣời ta


Đại học Đông Á

25

Solar Tracking & Solar Panel Cleaning System

thƣờng ghép nối tiếp các tế bào quang điện lại với nhau thành các module PV. Số
lƣợng tế bào quang điện trong mỗi module thƣờng khoảng 36, 48, 60 hoặc 72 tế bào
quang điện, tùy mỗi loại khác nhau. Số lƣợng module ngoài thực tế của loại tế bào
quang điện đơn tinh thể và đa tinh thể nhƣ ở bảng 2.2 và bảng 2.3 ở phía dƣới.
Bảng 2.2 Các module tế bào quang điện đơn tinh thể (monocrystalline)[17]
Đơn ASE36M- ASE48M ASE60M- ASE72MModel
vị
165
-215
275
325
Công suất tối đa Pmax)
W
165
215
275
325
Dòng điện tối đa Immp)
A
8.53

8.45
8.53
8.45
Dòng điện ngắn mạch
A
9.11
9.01
9.11
9.01
(Isc)
Điện thế tối đa Vmpp)
V
19.47
25.68
32.46
38.53
Điện thế mạch hở (Voc)
V
23.33
30.96
38.88
46.44
1494x679 1335x99 1652x997 1969x997x
Kích thƣớc (DxRxS)
mm
x42
7x42
x42
42
Trọng lƣợng

kg
12
17 kg
20 kg
24 kg
Tế bào quang năng đơn
tinh thể loại 6 inch
36
48
60
72
(156x156mm)
Bảng 2.3Các module tế bào quang điện đa tinh thể (polycrystalline)[17]
ASE4
Đơn ASE36
ASE60 ASE60 ASE72PModel
8Pvị
P-150
P-250
P-275
300
200
Công suất tối đa Pmax)
W
150
200
250
275
300
Dòng điện tối đa Immp)

A
8.01
8.01
8.01
8.60
8.10
Dòng điện ngắn mạch
A
8.52
8.52
8.52
9.15
8.61
(Isc)
Điện thế tối đa Vmpp)
V
18.87
25.17
31.46
32.10
37.33
Điện thế mạch hở Voc)
V
22.79
30.38
37.98
38.94
45.14
1335x
1494x6

1652x9 1652x9 1969x99
Kích thƣớc DxRxS)
mm
997x4
79x42
9x42
9x42
7x42
2
Trọng lƣợng
kg
12
17
20
20
24
Tế bào quang năng đa
tinh thể loại 6 inch
36
48
60
60
72
(156x156mm)
Mỗi tế bào quang điện có điện áp đầu ra là: V=Vd-I.Rs