mô phỏng và thiết kế mạch sạc acquy từ năng lượng mặt trời

MỤC LỤC
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ PIN QUANG
ĐIỆN

............................................................................................................................................... 1

1.1. Tổng quan năng lượng mặt trời ..................................................................................... 1
1.1.1.

Sơ lược Năng lượng mặt trời .............................................................................. 1

1.1.2.

Phổ của mặt trời........................................................................................................ 3

1.1.3.

Tỉ số khối lượng không khí .................................................................................. 5

1.1.4.

Khảo sát các dạng bức xạ thu được .................................................................. 7

1.2. Sơ lược Pin quang điện....................................................................................................... 9
1.2.1.

Giới thiệu chung ........................................................................................................ 9

1.2.2.

Lịch sử phát triển ...................................................................................................10

1.3. Khảo sát tế bào pin quang điện.....................................................................................11
1.3.1.

Mô hình PV lý tưởng..............................................................................................11

1.3.2.

Mô hình PV thực tế ................................................................................................12

Chương 2. TỔNG QUAN VỀ ACQUY ...........................................................................................15
2.1. Sơ lược về acquy .................................................................................................................15
2.2. Khảo sát acquy chì-axít.....................................................................................................16
2.2.1.

Cấu tạo .........................................................................................................................16

2.2.2.

Quá trình biến đổi hóa học trong acquy chì-axít ......................................16

2.3. Đặc tính phóng nạp của acquy ......................................................................................18
2.3.1.

Đặc tính phóng của acquy ...................................................................................18

2.3.2.

Đặc tính nạp của acquy ........................................................................................19

2.4. Các chế độ nạp acquy chì-axít .......................................................................................20
2.4.1.

Chế độ nạp dòng không đổi (ổn dòng) ..........................................................20

2.4.2.

Chế độ nạp áp không đổi (ổn áp).....................................................................21


2.4.3.

Chế độ nạp nổi .........................................................................................................21

Chương 3. TỔNG QUAN BỘ GIẢM ÁP .......................................................................................22
3.1. Sơ đồ cấu tạo mạch giảm áp ...........................................................................................22
3.2. Nguyên lý hoạt động............................................................................................................22
3.3. Bộ giảm áp đồng bộ ...........................................................................................................27
Chương 4. GIẢI THUẬT TÌM ĐIỂM CỰC ĐẠI CÔNG SUẤT ...............................................28
4.1. Mục đích của MPPT ............................................................................................................28
4.2. Giải thuật độ dẫn (IncCond)

......................................................................................29

4.3. Giải thuật Perturbation And Observe (P&O) ..........................................................30
Chương 5. TỔNG QUAN VỀ KIT DSP TMS320F28335 VÀ THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
32
5.1. GIỚI THIỆU VỀ DSP TMS320F28335 .........................................................................32
5.2. Khối chức năng PWM ........................................................................................................34
5.3. Khối chức năng ADC ..........................................................................................................38

5.4. Tính toán các thông số của mạch công suất ............................................................44
Chương 6. MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG ..............................................................................46
6.1. Mô hình hóa PV ....................................................................................................................46
6.2. Mô phỏng giải thuật MPPT .............................................................................................50
6.3. Mô hình hóa acquy chì-axít.............................................................................................53
Chương 7. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ........................................................................................62
7.1. Kết quả thực nghiệm với tải R .......................................................................................62
7.2. Kết quả thực nghiệm sạc acquy từ lưới.........................................................................68
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ................................................................73
Tài liệu tham khảo ...............................................................................................................................74


DANH MỤC HÌNH VẼ
HÇnh 1.1: Pin mặt trời trên nhà dàn trường sa ............................................................................... 2
HÇnh 1.2: Pin mặt trời tại nhà máy Intel Việt Nam ..................................................................... 2
Hình 1.3: Phổ bức xạ của trái đất ở nhiệt độ 150C...................................................................... 4
HÇnh 1.4: Phổ bức xạ của mặt trời ở nhiệt độ 58000C................................................................ 5
HÇnh 1.5: Cách xác định tỉ số khối lượng không khí .................................................................. 6
HÇnh 1.6: Đường cong phổ bức xạ mặt trời theo thông số AM m ......................................... 6
HÇnh 1.7: Các dạng bức xạ mặt trời đến bộ thu ............................................................................ 7
HÇnh 1.8: Thông lượng mặt trời ngoài khí quyển..................................................................... 7
Hình 1.9: Cấu trúc của một PV.........................................................................................................10
Hình 1.10: Mô hình của một PV lý tưởng và thực tế................................................................11
Hình 1.11: Đặc tính I-V PV lý tưởng .............................................................................................12
Hình 2.1: Quá trình hóa học khi nạp điện của acquy chì-axít ...............................................16
Hình 2.2: Quá trình hóa học khi nạp điện của acquy chì-axít ...............................................17
Hình 2.3: Đặc tính phóng của acquy ..............................................................................................18
Hình 2.4: Đặc tính nạp của acquy....................................................................................................19
Hình 2.5: Giản đồ sạc ba chế độ ......................................................................................................20
Hình 3.1: Sơ đồ mạch giảm áp .........................................................................................................22

Hình 3.2: Các trạng thái của mạch BUCK ...................................................................................23
Hình 3.3: Quy ước điện áp và dòng điện của bộ buck .............................................................23
Hình 3.4: Sự thay đổi dòng điện, điện áp ở chế độ liên tục....................................................24
Hình 3.5: Sự thay đổi dòng điện, điện áp ở chế độ không liên tục ......................................26
Hình 3.6: Sơ đồ mạch giảm áp đồng bộ ........................................................................................27
Hình 4.1: Lưu đồ giải thuật phương pháp IncCond..................................................................30
Hình 4.2: lưu đồ giải thuật phương pháp P&O ...........................................................................31
Hình 5.1: Sơ đồ chân TMS320F28335........................................................................................32
Hình 5.2: Sơ đồ kiến trúc của chip F28335 ................................................................................34
Hình 5.3: Sơ đồ khối PWM ...............................................................................................................35
Hình 5.4: Các khối chức năng của PWM......................................................................................36


Hình 5.5: Sơ đồ khối Time-Base......................................................................................................36
Hình 5.6: Sơ đồ khối module ADC .................................................................................................38
Hình 6.1: Cấu trúc mô hình hóa PV ..............................................................................................46
Hình 6.2: Khối xác định I0.................................................................................................................46
Hình 6.3: Khối xác định IPV...............................................................................................................47
Hình 6.4: Khối xác định Im ................................................................................................................47
Hình 6.5: Khối hồi tiếp tính toán...................................................................................................47
Hình 6.6: Đặc tuyến I-V của PV tại 250C, sun=1 .....................................................................48
Hình 6.7: Đặc tuyến P-V của PV tại 250C, sun=1 ....................................................................48
Hình 6.8: Đặc tuyến I-V của PV tại 350C, sun=1 .....................................................................49
Hình 6.9: Đặc tuyến P-V của PV tại 350C, sun=1 ....................................................................49
Hình 6.10: Đặc tuyến I-V của PV tại 250C, sun=0.8 ...............................................................49
Hình 6.11: Đặc tuyến P-V của PV tại 250C, sun=0.8..............................................................50
Hình 6.12: Mô hình giải thuật P&O ..............................................................................................50
Hình 6.13: Mô hình giải thuật tìm điểm MPP ..........................................................................51
Hình 6.14: Thiết lập giá trị biến thiên cường độ bức xạ....................................................51
Hình 6.15: Khả năng đáp ứng bắt điểm MPPT của giải thuật P&O ................................52

Hình 7.1: Mô hình thí nghiệm với tải R ........................................................................................62
Hình 7.2: Dạng xung 50% ra từ DSP ...........................................................................................62
Hình 7.3: Dạng xung 50% ra từ mạch lái ..................................................................................63
Hình 7.4: Dạng điện áp ngõ ra vận hành không tải...............................................................63
Hình 7.5: Dạng xung kích ổn áp 13,4V .......................................................................................63
Hình 7.6: Deadtime xung kích ổn áp 13,4V ..............................................................................64
Hình 7.7: Dạng điện áp ra ổn áp 13,4V .......................................................................................64
Hình 7.8: Dạng xung dòng điện ổn dòng 1,5A khi điện áp tăng nhỏ .............................65
Hình 7.9: Dạng xung dòng điện ổn dòng 1,5A khi điện áp tăng lớn ..............................65
Hình 7.10: Dạng xung dòng điện ổn dòng 1,5A khi điện áp giảm lớn ..........................66
Hình 7.11 Dạng dòng điện ổn dòng 1,5A khi điện áp giảm nhỏ ......................................66
Hình 7.12: Dạng dòng điện ổn dòng 1,5A khi tăng tải .........................................................67
Hình 7.13: Dạng dòng điện ổn dòng 1,5A khi giảm tải ........................................................67


Hình 7.14: Mô hình phần cứng sạc Acquy ................................................................................68
Hình 7.15: Dạng đồ thị điện áp ở chế độ ổn dòng .................................................................69
Hình 7.16: Dạng đồ thị dòng điện ở chế độ ổn dòng ............................................................69
Hình 7.17: Dạng đồ thị điện áp ở chế độ ổn áp.......................................................................70
Hình 7.18: Dạng đồ thị dòng điện ở chế độ ổn áp .................................................................70
Hình 7.19: Dạng đồ thị điện áp ở chế độ thả nổi....................................................................71
Hình 7.20: Dạng đồ thị dòng điện ở chế độ thả nổi ..............................................................71
Hình 7.21: Dạng xung dòng điện ra tải và xung kích S1 ở chế độ thả nổi...................72


DANH MỤC BẢNG
Baӻ ng 1.1: Trữ lượng các dạng năng lượng và nhu cầu .......................................................... 1
Bảng 1.2: Thông số Tấm pin Mặt Trời RedSun .........................................................................14
Bảng 6.1: Các thông số của tấm pin mặt trời đỏ 50W.........................................................47
Bảng 7.1: Giá trị dòng, áp tại các chế độ sạc ............................................................................68

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Buck Mạch giảm áp

PV


TÓM TẮT LUẬN VĂN

Năng lượng tái tạo đang càng trở nên quan trọng trong cuộc sống. Những năm
gần đây, năng lượng mặt trời đang ngày càng được quan tâm nghiên cứu và phát triển
nhanh, trong đó một lượng lớn được nạp vào Acquy. Trong bộ sạc Acquy từ năng
lượng mặt trời cần có bộ giảm áp để chuyển điện áp cao của mặt trời xuống điện áp
thấp và cấp cho Acquy. Yêu cầu cho bộ này là đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu suất
cao.
Luận văn mô phỏng và thiết kế mạch sạc Acquy từ năng lượng mặt trời bao
gồm: mô phỏng pin năng lượng mặt trời, thiết kế bộ giảm áp DC/DC, giải thuật tìm
công suất cực đại và điều khiển sạc Acquy từ điện áp lưới và từ pin quang điện. Các
giải thuật điều khiển được thực hiện trên KIT DSP TMS320F28335.
Luận văn được thực hiện tại phòng thí nghiệm nghiên cứu điện tử công suất
(115B1 đại học Bách Khoa) với nhiều thiết bị hiện đại, giúp cho việc đo đạc, đánh giá
một

cách

chính

xác

và

an

toàn.


10


0


Chương 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
VÀ PIN QUANG ĐIỆN
1.1. Tổng quan năng lượng mặt trời
1.1.1. Sơ lược Năng lượng mặt trời
Trong khi các nguồn năng lượng truyền thống như than đá, dầu mỏ đang dần cạn
kiệt, giá thành cao, nguồn cung không ổn định, nhiều nguồn năng lượng thay thế đang
được quan tâm hơn, đặc biệt là nguồn năng lượng mặt trời.
Trong các dạng năng lượng tái tạo tồn tại trên trái đất như: mặt trời, gió, sinh khối
trong đó năng lượng mặt trời là dạng năng lượng có trữ lượng vô cùng lớn, có khả
năng cung cấp hoàn toàn nhu cầu năng lượng của con người.
Baӻ ng 1.1: Trữ lượng các dạng năng lượng và nhu cầu

Việc tiếp cận để tận dụng nguồn năng lượng mới này không chỉ góp phần cung
ứng kịp nhu cầu năng lượng của xã hội mà còn giúp tiết kiệm điện năng và giảm thiểu
ô nhiễm môi trường.
Vị trí địa lý đã ưu ái cho Việt Nam một nguồn năng lượng tái tạo vô cùng lớn, đặc
biệt là năng lượng mặt trời. Trải dài từ vĩ độ 23023’ Bắc đến 8027’ Bắc, Việt Nam nằm

trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao. Trong đó, nhiều nhất phải
kể đến thành phố Hồ Chí Minh, tiếp đến là các vùng Tây Bắc (Lai Châu, Sơn La, Lào
Cai) và vùng Bắc Trung Bộ (Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh)…

1


Năng lượng mặt trời ở Việt Nam 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 có
thể được khai thác cho hai nhu cầu sử dụng: sản xuất điện và cung cấp nhiệt.
Năng lượng mặt trời có những ưu điểm như: sạch, chi phí nhiên liệu và bảo dưỡng
thấp, an toàn cho người sử dụng… Đồng thời, phát triển ngành công nghiệp sản xuất
pin mặt trời sẽ góp phần thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch, giảm phát khí thải
nhà kính, bảo vệ môi trường. Vì thế, đây được coi là nguồn năng lượng quý giá, có thể
thay thế những dạng năng lượng cũ đang ngày càng cạn kiệt.
Từ lâu, nhiều nơi trên thế giới đã sử dụng năng lượng mặt trời như một giải pháp
thay thế những nguồn tài nguyên truyền thống. Tại Đan Mạch, năm 2000, hơn 30% hộ
dân sử dụng tấm thu năng lượng mặt trời, có tác dụng làm nóng nước. Ở Brazil, những
vùng xa xôi hiểm trở như Amazon, điện năng lượng mặt trời luôn chiếm vị trí hàng
đầu. Ngay tại Đông Nam Á, điện mặt trời ở Philipines cũng đảm bảo nhu cầu sinh hoạt
cho 400.000 dân.
Tại Việt Nam hiện nay năng
lượng mặt trời chiếm tỉ trọng rất
nhỏ trong lượng điện sản xuất ra
hằng nam. Các hệ thống pin
quang điện thường được dùng cho
vùng sâu hải đảo, nông thôn
những nơi lưới điện quốc gia chưa

HÇnh 1.1: Pin mặt trời trên

thể tới, những nơi có nhu cầu tiêu
thụ điện thấp. Tại các thành phố
lớn nơi nhu cầu điện cao, các hệ
thống pin quang điện tại các tòa
nhà cao tầng đang ngày càng phát
triển.

HÇnh 1.2: Pin mặt trời tại nhà

2


1.1.2. Phổ của mặt trời
Mặt trời là nguồn năng lượng bức xạ khổng lồ, đường kính 1,4 triệu km, dưới
dạng nhiệt hạnh, tổng hợp hydro thành helium. Lượng vật chất mất đi được chuyển

hóa thành năng lượng điện từ có giá trị khoảng 3,8 × 10$" MW. Khi đi qua bầu khí

quyển Trái đất, bức xạ mặt trời bị phản xạ và bị hấp thụ, khi đến được trái đất có

khoảng 1,05 × 10# KWh, dòng năng lượng này sẽ tiếp tục phát ra cho đến khi phản

ứng nhiệt hạch trên Mặt trời hết nhiên liệu, vào khoảng 5 tỷ năm nữa nên nguồn năng
lượng mặt trời được xem như nguồn năng lượng sạch và vô tận.

Lượng năng lượng bức xạ phụ thuộc vào nhiệt độ của vật thể. Để mô tả độ bức xạ
của một đối tượng, người ta thường dùng một khái niệm lý thuyết để so sánh, gọi là
vật thể đen. Vật đen được định nghĩa là một vật phát hoặc thu bức xạ lý tưởng. Khi

phát lý tưởng, nó phát ra nhiều năng lượng bức xạ trên một đơn vị diện tích hơn bất kỳ
vật thể thực nào ở cùng nhiệt độ. Khi thu lý tưởng, nó thu tất cả bức xạ tác động đến
nó, không bức xạ nào phản lại hay truyển qua.
Công suất phát ra của vật thể đen phụ thuộc vào nhiệt độ và bước sóng theo công
thức của định luật Planck:

˗
=
Với

˗


'

3,74 × 10

Ӛ˥˲J Ә

#&&""



ә − 1ӛ

công suất bức xạ trên một đơn vị diện tích (của vật thể đen) trong đoạn vi

phân bước song (W/m2µm).
T nhiệt độ tuyệt đối của vật thể đen (K).
- bước song (µm).

Nếu mô hình trái đất là một vật đen ở 2880K (150C), sẽ tạo thành phổ năng lượng
như sau:

3


Hình 1.3: Phổ bức xạ của trái đất ở nhiệt độ 150C

Diện tích của đồ thị trên ở giữa hai giá trị bước sóng bất kỳ chính là công suất bức
xạ của vật thể trong khoảng bước sóng đó. Nếu lấy tích phân đồ thị trên từ không đến
vô cùng chính là tổng công suất bức xạ của vật thể.
Tổng công suất bức xạ của một vật thể đen (trên toàn bề mặt) được cho bởi định
luật Stefan-Boltzmann:

Với:

˗ = ˓ ˠ&

E - tổng công suất phát ra của vật đen (W).
- hằng số Stefan-Boltzmann = 5.67e-8 Wm-2K-4.
T - nhiệt độ tuyệt đối (K).
A - diện tích bề mặt của vật thể đen (m2).
Dựa vào qui tắc dịch chuyển Wien, cho biết bước sóng mà tại đó phổ năng lượng
đạt cực đại:
=
Với:

Ŷ8%8
ˠ

T - nhiệt độ tuyệt đối (K).
λ - bước sóng (µm).

4


λmax = 0.5 µm cho mặt trời, T = 5800K.
λmax = 10.1 µm với trái đất (một vật đen), T = 288 K.
Trong lòng mặt trời có nhiệt độ khoảng 15 triệu Kelvin, nhưng bức xạ từ bề mặt
của mặt trời tương đồng với vật thể đen có nhiệt độ 5800K. Hình 1-2 diễn tả phổ bức
xạ của mặt trời và phổ bức xạ của vật thể đen 5800K. Công suất bức xạ của vật thể đen
5800K (toàn bộ diện tích của đường cong) là 1.37 kW/m2, bằng với công suất bức xạ
tổng của mặt trời ở ngoài khí quyển trái đất. Công suất bức xạ tổng của mặt trời được
phân tỷ lệ như sau: những bước sóng dưới tia cực tím chiếm 7%, trong vùng khả kiến
chiếm 47%, từ vùng hồng ngoại trở lên chiếm 46%. Bước sóng trong vùng khả kiến có
tầm từ 0.38µm (tím) đến 0.78µm (đỏ).
Khi bức xạ mặt trời chiếu tới mặt đất, một phần bị hấp thụ bởi các yếu tố khác
nhau của khí quyển, tạo ra các phổ bất thường, hình dạng nhấp nhô. Những phổ này
phụ thuộc vào lượng khí quyển mà bức xạ phải xuyên qua để đến mặt đất.

HÇnh 1.4: Phổ bức xạ của mặt trời ở nhiệt độ 58000C

1.1.3. Tỉ số khối lượng không khí
Tỉ số khối lượng không khí là tỉ số độ dài đường đi thực của bức xạ h2 và độ dài
ngắn nhất có thể có h1, ứng với trường hợp mặt trời nằm ngay trên đỉnh đầu. Có thể
biểu diễn tỉ số khối lượng không khí như sau:

5

˭=

=

#



HÇnh 1.5: Cách xác định tỉ số khối lượng không khí
Với
h1 - chiều dài đường đi của tia sáng qua bầu khí quyển khi mặt trời ngay trên đỉnh
đầu.
h2 - chiều dài đường đi của tia sáng qua bầu khí quyển để đến bề mặt trái đất.
β - góc cao độ của mặt trời.
Vì vậy, nếu tỉ số không khí là 1 (AM1), có nghĩa là mặt trời đang chiếu thẳng góc.
Ngược lại, AM0 được hiểu là phổ mặt trời ngoài trái đất. Thông thường tỉ số không
khí của phổ mặt trời trung bình là AM1.5. Với AM1.5, sẽ có 2% năng lượng mặt trời
nằm trong dải tử ngoại, 54% nằm trong dải ánh sáng thấy được và 44% nằm trong dải
hồng ngoại. Hình 1.4 trình bày thông số bức xạ mặt trời với các tỉ số khối lượng không
khí khác nhau. Đường cong có khuynh hướng giảm lại và dịch chuyển về phía bước
sóng lớn khi AM tăng lên.

HÇnh 1.6: Đường cong phổ bức xạ mặt trời theo thông số AM m

6


1.1.4. Khảo sát các dạng bức xạ thu được
Thông lượng mặt trời đập vào bộ thu sẽ là tổ hợp của bức xạ trực tiếp (IBC) đi theo
đường thẳng qua bầu khí quyển tới thiết bị nhận, với tán xạ (IDC) được phân tán bởi

các phân tử trong bầu khí quyển và phản xạ (IRC) phản chiếu từ mặt đất hoặc các bề
mặt nằm phía trước bộ thu.

HÇnh 1.7: Các dạng bức xạ mặt trời đến bộ thu
Việc tính toán bức xạ thu được được thực hiện bằng cách tính toán bức xạ trực tiếp
đi qua khí quyển và đến mặt đất trong ngày trời quang. Sau đó, thành phần tán xạ và
phản xạ sẽ được thêm vào mô hình trời quang.
Việc tính toán bức xạ trời quang bắt đầu bằng việc ước tính bức xạ mặt trời ngoài
khí quyển (I0), đi vuông góc qua một bên bề mặt tưởng tượng bên ngoài bầu khí
quyển của trái đất, như trong hình 1.6. Bức xạ này phụ thuộc vào khoảng cách giữa
trái đất và mặt trời, vốn thay đổi theo thời gian trong năm. Nó cũng phụ thuộc và
cường độ mặt trời, tăng giảm theo chu kỳ ổn định.

HÇnh 1.8: Thông lượng mặt trời ngoài khí quyển
Nếu bỏ qua các vết đen, I0 được xác định theo biểu thức sau:

7


H" = ˟˕. Ӛ1 + 0.034IJJ Ә

% "

% '

әӛ (W/m2)

Với
SC- hằng số mặt trời (SC= 1.377 kW/m2).
n - ngày trong năm.

Khi tia mặt trời xuyên qua khí quyển, phần lớn của nó bị hấp thụ bởi các khí khác
nhau trong khí quyển, hay bị phân tán bởi các phân tử không khí hay vật chất dạng hạt.
Thực tế, trong cả năm ít hơn một nửa bức xạ từ đỉnh khí quyển có thể đến được mặc
đất dưới dạng bức xạ trực tiếp (IB). Tuy nhiên, vào những ngày trời quang, bức xạ trực
tiếp ở bề mặt trái đất có thể hơn 70% giá trị ngoài khí quyển.
Sự suy giảm bức xạ tới là một hàm của khoảng cách mà tia trực tiếp phải truyền
qua khí quyển cùng các yếu tố như bụi, ô nhiễm không khí…Phần bức xạ đến được bề
mặt trái đất được xác định như sau:

Với

H = ˓˥

IB - cường độ bức xạ đến bề mặt trái đất
A - thông lượng ngoài khí quyển
k - độ sâu quang học
m - tỷ trọng khí quyển
Các giá trị của A và k xác định theo công thức:
˓ = 1160 + 75J˩J Ӛ

% "
% '

{J − Ŷ75{ӛ (W/m2)

˫ = 0,174 + 0,035J˩J @
Với

360
{J − 100{D

365

n - là số ngày.
Bức xạ trực tiếp IBC là hàm giữa của góc hợp bởi tia nắng và mặt phẳng thu:

8


H

= H IJJ

Bức xạ tán xạ IDH được chiếu đến từ các hướng phụ khác với tia nắng, thường từ
6% đến 14% của bức xạ trực tiếp.

Với

H

= ˕H

C - hệ số tán xạ của bầu trời, được xác định bằng công thức:
˕ = 0,0%5 + 0,04J˩J @

360
{J − 100{D
365

Bức xạ phản xạ có khả năng gia tăng đáng kể về hiệu năng, chẳng hạn như trong
ngày trời sang với tuyết hay nước nằm trước bộ thu, nhưng cũng có thể quá nhỏ đến

mức có thể bỏ qua. Mô hình đơn giản nhất giả thuyết một mặt ngang lớn nằm trước bộ
thu có độ phản xạ

có tính phân tán và nó phản xạ bức xạ với cùng cường độ theo

mọi hướng. Năng lượng do bức xạ phản xạ tạo ra được thể hiện qua biểu thức sau:
H

= {H

+H

{

1 − IJJ∑
F
Ŷ

Với bộ thu nằm ngang (∑=0), theo biểu thức trên dự báo không có sự phản xạ trên
bộ thu, với bộ thu nằm thẳng đứng, nó dự báo rằng tấm thu nhìn thấy một nửa bức xạ
phản xạ.

1.2. Sơ lược Pin quang điện
1.2.1. Giới thiệu chung
Vật liệu hay linh kiện quang điện là những vật liệu hay linh kiện có khả năng
chuyển đổi năng lượng có trong các photon của ánh sang thành điện năng. Một photon
có bước sóng đủ ngắn và năng lượng đủ cao có thể giải phóng một electon bức khỏi
vật liệu quang điện đang chứa nó. Nếu tồn tại trường điện gần đó, các electron này có
thể nhập vào lớp kim loại tiếp xúc và tạo ra dòng điện.

9


Hình 1.9: Cấu trúc của một PV

1.2.2. Lịch sử phát triển
Lịch sử hình thành pin mặt trời (Photovoltaic-PV) bắt đầu từ năm 1839, nhà
vật lý 19 tuổi người Pháp, Edmund Becquerel, đã tạo ra hiệu điện thế bằng cách
chiếu sáng. Ông chiếu ánh sáng vào tấm điện cực kim loại nằm trong dung dịch
điện phân yếu. Suốt 40 năm sau đó, Adams và Day là những người đầu tiên nghiên
cứu về pin mặt trời ở dạng rắn. Họ có thể tạo được những cell pin đầu tiên từ
selenium với hiệu suất 1 đến 2 %. Những cell pin này sau đó lại được dùng nhiều
trong ngành nhiếp ảnh để đo cường độ sáng.
Trong những năm đầu của ngành vật lý lượng tử, vào năm 1904, nhà
vật lý vĩ đại Albert Einsteins đã công bố những nghiên cứu về hiệu ứng của vật
chất quang điện. Dựa vào việc lượng tử hóa năng lượng của photon, ông đã giải
thích được việc phát sinh dòng điện khi chiếu sáng vào vật chất quang điện. Cùng
thời gian đó, nhà khoa học người Ba Lan Czochralski bắt đầu phát triển những
tinh thể silicon hoàn hảo (perfect crystal of silicon), tạo ra bước ngoặc trong
ngành điện tử hiện đại nói chung cũng như riêng về phần pin mặt trời. Từ năm
1940 đến 1950, phương pháp của Czochralski bắt đầu tạo ra những thế hệ pin
mặt trời dung đơn tinh thể silicon, kỹ thuật này còn được dùng nhiều trong công
nghiệp pin mặt trời ngày nay.
Vào những thập niên 1950, nhiều cố gắng thương mại hóa PV đã gặp nhiều trở
ngại do giá thành khá lớn. Ứng dụng thực tiễn đáng chú ý của PV trong giai đoạn
này là việc lắp đặt cho vệ tinh Vanguard I. Trong các ứng dụng không gian, chi phí
không còn là trở ngại lớn và thường đòi hỏi những thiết bị nhẹ gọn và độ tinh cậy

10

cao. Các cell pin mặt trời đáp ứng được những yêu cầu đó, PV trở thành sự lựa
chọn phù hợp để cấp năng lượng cho các vệ tinh và tàu không gian. Những năm
cuối thập niên 1980, giá thành của PV bắt đầu giảm và hiệu suất tăng. Lúc này, PV
được ứng dụng rộng rải cho máy tính bỏ túi, đèn chiếu sáng trên đường cao tốc,
máy bơm ở nông thôn… Đến năm 2002, sản lượng PV bán ra trên toàn thế giới đạt
được 600 MW mỗi năm và không ngừng gia tăng với mức 40% hàng năm.

1.3. Khảo sát tế bào pin quang điện

Hình 1.10: Mô hình của một PV lý tưởng và thực tế

1.3.1. Mô hình PV lý tưởng
Phương trình toán mô tả đặc tuyến I-V của PV lý tưởng:
H=H

,

− H",

Jˢ
˥˲J @
D − 1<
I˫ˠ

Ipv,cell là dòng được tạo ra từ ánh sáng tới PV tỉ lệ thuận với độ sáng
Id là dòng điện qua diode, được xác định thông qua phương trình diode Shockley
I0 dòng bảo hòa ngược của diode
q là điện tích điện tử (1.60217646×10-19C)

11


k là hằng số Boltzmann (1.3806503×10-23J / K)
T lànhiệt độ lớp tiếp giáp p-n của PV
a hằng số diode lý tưởng

Hình 1.11: Đặc tính I-V PV lý tưởng

1.3.2. Mô hình PV thực tế
Công thức trên không thể hiện chính xác mô hình của PV trong thực tế, mô hình
trong thực tế bổ sung thêm các thành phần theo công thức sau
H=H

− H" @˥˲J

ˢ+˞
ˢ+˞ H
F − 1D −
ˢI
˞

Vt điện nhiệt của NS PV nối tiếp nhau, Vt =NskT/q, các PV nối tiếp nhau cho điện
áp đầu ra lớn hơn, nếu nhiều PV nối song song sẽ cho dòng lớn hơn. nếu tấm pin có
nhiều mảng nối song song. Nếu tấm PV có Np cell đấu song song thì Ipv=Ipv,cell.Np và I0
=I0,cell.Np. Rp đại diện cho thành phần điện trở song song do thành phần dòng rò tiếp
giáp p-n tạo ra, thành phần này có giá trị lớn do công nghệ chế tạo và Rs đại diện cho
thành phần điện trở nối tiếp, do thành phần điện trở dây nối và điện trở nội của PV tạo
ra, thường có giá trị rất nhỏ.
Để xác định RP, ta dựa theo tổn hao thực do dòng rò của PV thường không quá 1%

so với Isc, từ đó ta có:
˞ 2

100ˢ
H

Để xác định RS, ta dựa vào tổn hao thực của PV do trở nối tiếp RS thường không
quá 1%. Từ đó ta chọn:
12