Thiết kế, chế tạo và đánh giá hiệu suất hệ thống hướng sáng tấm pin năng lượng mặt trời

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHẠM NGUYÊN LỘC

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT
HỆ THỐNG HƢỚNG SÁNG TẤM PIN NĂNG
LƢỢNG MẶT TRỜI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

Đà Nẵng – Năm 2018


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHẠM NGUYÊN LỘC

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT
HỆ THỐNG HƢỚNG SÁNG TẤM PIN NĂNG
LƢỢNG MẶT TRỜI

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ điện tử
Mã số: 8.52.01.14

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. ĐẶNG PHƢỚC VINH

Đà Nẵng – Năm 2018

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan rằng, luận văn thạc sĩ “Thiết kế, chế tạo và đánh giá hiệu suất
hệ thống hƣớng sáng tấm pin năng lƣợng mặt trời” là công trình nghiên cứu của
riêng tôi.
Những số liệu được sử dụng trong luận văn là trung thực được chỉ rõ nguồn
trích dẫn. Kết quả nghiên cứu này chưa được công bố trong bất kỳ công trình nghiên
cứu nào khác.
TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Phạm Nguyên Lộc


THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT HỆ THỐNG HƢỚNG
SÁNG TẤM PIN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI
Học viên: Phạm Nguyên Lộc
Mã số: 8520114

Khóa: 2016-2018

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ điện tử
Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt - Nguồn năng lượng từ mặt trời đang là giải pháp năng lượng sạch cho các quốc
gia trên toàn thế giới. Tại Việt Nam, tác giả nhận thấy hầu hết các hệ thống điện năng
lượng mặt trời được lắp đặt cố định. Do vậy, việc khai thác nguồn năng lượng mặt trời là
chưa hiệu quả vì sự chuyển động liên tục của mặt trời gây ảnh hưởng đến hiệu năng hấp
thụ năng lượng của các tấm pin. Nhận thấy điều này, tác giả đã thực hiện nghiên cứu với
đề tài “Thiết kế, chế tạo và đánh giá hiệu suất hệ thống hƣớng sáng tấm pin năng

lƣợng mặt trời” với mong muốn nâng cao công suất của hệ thống pin năng lượng mặt
trời. Nguồn năng lượng thu được từ hệ thống hướng sáng được so sánh với tấm pin mặt
trời được lắp đặt cố định để làm cơ sở đưa ra các đánh giá về hiệu suất hoạt động và hiệu
quả kinh tế.
Từ khóa: năng lượng mặt trời; tấm pin mặt trời; hệ thống hướng sáng; thực nghiệm; đánh
giá hiệu suất.

DESIGN, FABRICATION AND EVALUATION OF EFFICIENCY OF THE
SOLAR TRACKING SYSTEM
Abstract - The solar power is the clean energy solutions for many countries over the
World.In Viet Nam, author found that most of the solar power systems are fixed. So, the
solar energy collection is still not effective as expected. Based on this problem, author
performed the thesis tilted “Design, fabrication and evaluation of efficiency of the solar
tracking system” in order to enhance the solar power efficiency. In addtion, the power
accquired from the solar tracking system are compared the the fixed one to perform the
working efficiency as well as economic effects.
Key word: solar power; solar panel; tracking system; experiment, performance
evaluation.


MỤC LỤC
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
1. Lý do chọn đề tài .........................................................................................................1
2. Mục đích nghiên cứu ...................................................................................................1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...............................................................................1
4. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................. 2
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.....................................................................2

6. Cấu trúc của luận văn ..................................................................................................2
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG HƢỚNG SÁNG TẤM PIN MẶT
TRỜI. .............................................................................................................................. 4
1.1. Nhu cầu sử dụng năng lượng mặt trời ......................................................................4
1.1.1. Nhu cầu sử dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam.....................................4
1.1.2. Nhu cầu sử dụng năng lượng mặt trời trên thế giới ......................................7
1.2. Giới thiệu chung về hệ thống hướng sáng tấm pin mặt trời .....................................9
1.3. Các ứng dụng ..........................................................................................................10
CHƢƠNG 2 : TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG HƢỚNG SÁNG TẤM
PIN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI ..............................................................................14
2.1. Lựa chọn số bậc tự do cho hệ thống. ......................................................................15
2.1.1. Phương án 1: Hệ thống hướng sáng theo trục đơn với cơ cấu một bậc tự do.
............................................................................................................................... 15
2.1.1.1. Đặc điểm .........................................................................................15
2.1.1.2. Ưu và nhược điểm ...........................................................................15
2.1.2. Phương án 2: Hệ thống hướng sáng theo hai trục với cơ cấu hai bậc tự do
............................................................................................................................... 16
2.1.2.1. Đặc điểm .........................................................................................16
2.1.2.2. Ưu và nhược điểm ...........................................................................16
2.1.3. Lựa chọn phương án ...................................................................................17
2.2. Chọn hệ thống truyền động. ...................................................................................17
2.2.1. Phương án 1: Truyền động bằng đai ........................................................... 17


2.2.1.1. Giới thiệu bộ truyền đai ..................................................................18
2.2.1.2. Ưu và nhược điểm ...........................................................................20
2.2.2. Phương án 2: Truyền động bằng xích. ........................................................21
2.2.2.1 Giới thiệu bộ truyền xích .................................................................21
2.2.2.2 Ưu và nhược điểm ............................................................................23
2.2.3. Phương án 3: Truyền động bằng bánh răng ...............................................24

2.2.3.1. Giới thiệu và phân loại bộ truyền bánh răng ...................................24
2.2.3.2. Ưu và nhược điểm ...........................................................................26
2.2.4. Phương án 4: Truyền động trục vít bánh vít ...............................................26
2.2.4.1. Giới thiệu và phân loại bộ truyền trục vít .......................................27
2.2.4.2. Ưu và nhược điểm ...........................................................................29
2.2.5. Lựa chọn phương án: ..................................................................................30
2.3. Tính toán và thiết kế phần cơ khí và chọn động cơ. ...............................................30
2.3.1. Chọn động cơ. ............................................................................................. 31
2.3.2. Thiết lập bộ truyền xích cho động cơ .........................................................31
2.3.2.1. Thiết lập bộ truyền xích cho động cơ .............................................31
2.3.2.2.Xác định số răng đĩa xích .................................................................31
2.3.2.3. Xác định bước xích .........................................................................31
2.3.2.4. Xác định khoảng cách trục và số mắc xích .....................................32
2.3.2.5. Tính đường kính vòng chia của đĩa xích.........................................33
2.3.2.6. Lắp ráp bộ truyền xích ....................................................................33
2.3.3. Chọn trục quay ............................................................................................ 35
2.3.4. Chọn ổ bi. ....................................................................................................35
CHƢƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN HƢỚNG
SÁNG TẤM PIN MẶT TRỜI ....................................................................................37
3.1. Ý tưởng thiết kế ......................................................................................................37
3.2. Phương án điều khiển ............................................................................................. 37
3.3. Các linh kiện sử dụng trong hệ thống .....................................................................38
3.3.1. Quang trở ....................................................................................................38
3.3.2. Biến trở .......................................................................................................39
3.3.3. Pin năng lượng mặt trời ..............................................................................40
3.3.4. Arduino Uno R3.......................................................................................... 45
3.3.5. Mạch cầu H - L298N ..................................................................................47
3.4. Bộ điều khiển và nguyên lý hoạt động ...................................................................49
3.5. Bộ lưu trữ ................................................................................................................51
3.6. Phần mềm Matlab ...................................................................................................54

3.6.1. Giới thiệu về phần mềm Matlab. ................................................................ 54


3.6.2. Tạo giao diện .............................................................................................. 56
CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ .................................................................58
4.1. Xây dựng chương trình đo đạc và thu thập dữ liệu ................................................58
4.2. Thí nghiệm và kết quả ............................................................................................ 59
4.3. Nhận xét, đánh giá ..................................................................................................64
KẾT LUẬN ..................................................................................................................65
1. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ...................................................................................65
2. Những kết quả đạt được ............................................................................................ 65
3. Những hạn chế và hướng khắc phục. ........................................................................65
4. Định hướng phát triển ................................................................................................ 65
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (BẢN SAO)
PHỤ LỤC


DANH MỤC CÁC BẢNG

Số hiệu
bảng
4.1

Tên hình vẽ
Kết quả các lần thực nghiệm

Trang
64

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Số hiệu
hình vẽ

Tên hình vẽ

Trang

1.1

Nhiều người dân tại Thành phố Hồ Chí Minh đầu tư cho hệ
thống điện năng lượng mặt trời tại gia đình để giảm tiền điện
hàng tháng và sử dụng nguồn năng lượng tái tạo, thân thiện môi
trường

4

1.2

Đèn cảnh báo giao thông bằng năng lượng mặt trời được đặt tại
ngã ba Long Sơn (Thành phố Vũng Tàu)

5

1.3

Ứng dụng pin năng lượng mặt trời bơm nước cung cấp nước
cho cây lúa tại Đồng bằng sông Cửu Long

6

1.4

Pin mặt trời tích nguồn điện cho việc tưới tiêu cây thanh long
và cung cấp đèn điện thắp sáng vào ban đêm tại Ninh
Thuậnbelow

6

1.5

Xe SION sử dụng năng lượng mặt trời có giá 18.000 USD

7

1.6

Solar Impulse 2 (Si2) - Máy bay đầu tiên trong lịch sử chỉ sử
dụnghoàn toàn năng lượng mặt trời hoàn thành chuyến bay
vòng quanh thế giới

8

1.7

Pin Powerwall 2 của hãng Tesla

8

1.8

Trạm sạc xe điện lớn nhất nước Mỹ của Tesla

9

1.9

Sơ đồ nguyên lý hệ thống hướng sáng tấm pin mặt trời

10

1.10

Hệ thống năng lượng của nhà máy Desert Sunlight Solar Farm

10

1.11

Nhà máy điện mặt trời Ivanpah tại Mỹ

11

1.12

Nhà máy điện mặt trời Topaz công suất 550 MW

12

1.13

Các tấm gương thu ánh sáng mặt trời theo công nghệ tập trung
năng lượng mặt trời

13

2.1

Hệ thống hướng sáng tấm pin năng lượng mặt trời 1 trục (a) và
2 trục (b)

14

2.2

Sơ đồ động cơ cấu một bậc tự do

15


2.3

Sơ đồ động cơ cấu hai bậc tự do

16

2.4

Bộ truyền động bằng đai

17

2.5

Bộ truyền đai

18

2.6

Bộ truyền đai dùng thêm bánh căng đai

18

2.7

Bộ truyền đai có động cơ được đặt trên tấm lắc

19

2.8

Bộ truyền đai dùng cơ cấu vít để đẩy động cơ dịch chuyển trên
rãnh trượt

19

2.9

Hai trục quay song song và ngược chiều nhau

20

2.10

Hai trục quay chéo nhau

20

2.11

Phân loại đai dựa trên hình dạng tiết diện đaiPhân loại đai dựa
trên hình dạng tiết diện đai

20

2.12

Đai răng

20

2.13

Bộ truyền động bằng xích

21

2.14

Bộ truyền xích đơn giản

22

2.15

Truyền động từ một đĩa dẫn sang nhiều đĩa bị dẫn

22

2.16

Truyền động nhờ sự ăn khớp giữa các mắt xích với các răng của
đĩa xích

23

2.17

Các loại bộ truyền bánh răng

24

2.18

Bộ truyền bánh răng ăn khớp ngoài và ăn khớp trong

25

2.19

Sơ đồ bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng

26

2.20

Sơ đồ bộ truyền bánh răng trụ răng nghiêng

26

2.21

Sơ đồ bộ truyền bánh răng nón răng thẳng

26

2.22

Bộ truyền trục vít bánh vít

26

2.23

Trục vít trụ

27

2.24

Trục vít lõm (Globoit)

27

2.25

Sơ đồ động bộ truyền trục vít trụ

27

2.26

Hộp giảm tốc trục vít một cấp

28


2.27

Phân loại trục vít

28

2.28

Các thông số của bộ truyền trục vít bánh vít

29

2.29

Bộ truyền lựa chọn

30

2.30

Sơ đồ động hệ thống hướng sáng pin mặt trời

30

2.31

Phương pháp lắp đặt bộ truyền xích dọc được đề xuất

34

2.32

Phương pháp lắp đặt không được khuyến nghị

34

2.33

Kích thước trục

35

2.34

Ổ bi của trục

35

2.35

Bản vẽ tổng thể cơ khí hệ thống hướng sáng

36

3.1

Hệ thống cảm biến quang sử dụng 2 quang trở

37

3.2

Hệ thống cảm biến quang sử dụng 4 quang trở

38

3.3

Quang trở

38

3.4

Một số loại biến trở

39

3.5

Cấu tạo của biến trở

40

3.6

Pin năng lượng mặt trời

40

3.7

Cấu tạo tấm pin mặt trời.

42

3.8

Mô hình nối dây song song

43

3.9

Mô hình nối dây nối tiếp

44

3.10

Mô hình nối dây nối tiếp và song song

44

3.11

Arduino Uno R3

45

3.12

Mạch cầu H-L298N

48

3.13

Hệ thống cảm biến

49

3.14

Sơ đồ mạch điều khiển

51

3.15

Biến trở được sử dụng như cảm biến góc xoay

51

3.16

Cấu tạo bình ắc quy

52

3.17

Giao diện làm việc của Matlab

55


3.18

Cảm biến đo dòng điện ASC712

56

3.19

Sơ đồ nối dây của ASC712

56

4.1

Tiến hành thí nghiệm để thu nhận dữ liệu

59

4.2

Đồ thị công suất ngày 17/08/2018

60

4.3

Đồ thị công suất ngày 20/8/2018

61

4.4

Đồ thị công suất ngày 22/08/2018

62

4.5

Đồ thị công suất ngày 31/08/2018

63


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Năng lượng mặt trời là nguồn tài nguyên vô cùng phong phú và bất tận. Cho
đến nay, nhiều hệ thống thu và biến đổi năng lượng mặt trời đã được thiết kế, chế tạo
và lắp đặt khắp nơi trên thế giới. Cách thức thông dụng nhất hiện nay là sử dụng các
dàn pin mặt trời để chuyển hóa trực tiếp quang năng thành điện năng, một dạng năng
lượng dễ lưu trữ, dễ phân phối, truyền tải và tiện dụng nhất. Vấn đề khó khăn đặt ra là
hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng chưa cao do năng lượng mặt
trời sẽ chỉ đạt cực đại khi chiếu vuông góc với bề mặt thu. Bên cạnh đó, giá thành các
tấm pin mặt trời thường rất đắt . Do vậy phải tìm cách nâng cao hiệu suất của chúng.
Khi ánh sáng chiếu tới pin mặt trời càng lớn tức là cường độ ánh sáng chiếu tới
tấm pin càng lớn thì càng có nhiều năng lượng mặt trời biến đổi thành điện năng và
pin mặt trời chỉ đạt hiệu suất lớn nhất khi ánh sáng mặt trời chiếu vuông góc với bề
mặt hấp thụ ánh sáng của tấm pin. Vào những ngày có nắng, mặt trời di chuyển một
góc khoảng 180° so với một điểm cố định trên mặt đất. Rõ ràng, một dàn pin mặt trời
đặt cố định sẽ thu được quang năng ít hơn nhiều so với một dàn pin có xu hướng hứng
trọn ánh sáng mặt trời.
Giải pháp đưa ra để nâng cao hiệu suất của pin mặt trời là hệ thống hướng sáng

tấm pin mặt trời luôn giữ cho các tia bức xạ chiếu vuông góc lên bề mặt tấm pin trong
suốt thời gian chiếu sáng ban ngày. Qua đó thấy được sự cần thiết của việc phát triển
đề tài “Thiết kế, chế tạo và đánh giá hiệu suất hệ thống hƣớng sáng tấm pin năng
lƣợng mặt trời” nhằm so sánh hiệu quả về năng lượng giữa hệ thống hướng sáng tấm
pin năng lượng mặt trời và hệ thống pin năng lượng mặt trời cố định.
2. Mục đ ch nghiên cứu
Mục đích của đề tài là tìm hiểu nguyên lý, tính năng, cấu tạo, các vấn đề kỹ
thuât nhằm thiết kế và chế tạo hệ thống hướng sáng tấm pin mặt trời. Xây dựng phần
mềm đo đạc và lưu trữ dữ liệu năng lượng thu được. Từ đó so sánh hiệu quả về năng
lượng giữa hệ thống hướng sáng tấm pin năng lượng mặt trời và hệ thống pin năng
lượng mặt trời cố định.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
 Đối tƣợng nghiên cứu
Tập trung chính vào thiết kế, chế tạo, đánh giá hiệu suất hệ thống hướng sáng
tấm pin mặt trời trên cơ sở nghiên cứu:
- Các hệ thống pin năng lượng mặt trời tự xoay.


2
- Kết cấu giá đỡ, hệ truyền động cơ khí cho hệ thống pin mặt trời có khả năng
tự xoay theo hướng mặt trời.
- Thiết kế, chế tạo mô hình thử nghiệm. Từ đó hoàn thiện hệ thống hướng sáng
tấm pin mặt trời.
- Xây dựng phần mềm thu thập dự liệu năng lượng thu được.
- Đánh giá hiệu suất của hệ thống hướng sáng tấm pin mặt trời so với hệ thống
pin mặt trời cố định.
 Phạm vi nghiên cứu
- Thiết kế, chế tạo hệ thống hướng sáng tấm pin mặt trời dùng cho nghiên cứu
và thực tiễn.
- Tổng hợp dự liệu năng lượng thu được làm cơ sở đánh giá hiệu suất giữa hệ

thống hướng sáng tấm pin mặt trời so với hệ thống pin mặt trời cố định.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Phân tích lý thuyết và các mô hình chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện
năng và các công cụ phần mềm để thiết kế, điều khiển, tính toán.
- Lựa chọn phương án truyền động và kết cấu hệ thống hướng sáng tấm pin mặt
trời.
- Ứng dụng các kiến thức về điều khiển tự động, truyền động cơ khí để thiết kế
và chế tạo mô hình thực nghiệm.
- Sử dụng phần mềm phân tích kết quả vận hành thực nghiệm để đưa ra các
đánh giá về hiệu suất hoạt động và hiệu quả kinh tế.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
 Ý nghĩa khoa học
- Góp phần hoàn thiện cơ sở khoa học về việc thiết kế và chế tạo hệ thống
hướng sáng tấm pin mặt trời.
- Đánh giá hiệu suất của hệ thống hướng sáng tấm pin mặt trời so với hệ thống
pin mặt trời cố định. Từ đó đưa ra kiến nghị đối với hệ thống pin năng lượng mặt trời.
 Ý nghĩa thực tiễn
Nâng cao hiệu quả sử dụng hệ thống pin năng lượng mặt trời trong cuộc sống.
6. Cấu trúc của luận văn
Luận văn gồm có 4 chương với các nội dung chính như sau:


3
- Chƣơng 1: Chương này giới thiệu tổng quan về nhu cầu sử dụng nguồn năng
lượng mặt trời và hệ thống hướng sáng tấm pin năng lượng mặt trời. Tiếp đó, tác giả
trình bày tính cấp thiết và các ứng dụng về đề tài đã lựa chọn. Cuối cùng là lý do lựa
chọn đề tài.
- Chƣơng 2: Chương này trình bày các phương án thiết kế, phân tích ưu nhược
điểm của từng phương án. Từ đó, đưa ra phương án phù hợp với mục đích nghiên cứu.
Sau đó là phần tính toán phần kết cấu cơ khí, thiết kế, chế tạo và vận hành thử nghiệm

hệ thống hướng sáng cho tấm pin mặt trời.
- Chƣơng 3: Chương này đưa ra các phương án điều khiển hệ thống hướng
sáng phù hợp, đáp ứng yêu cầu của đề tài với độ chính xác và hiệu quả cao. Phần thiết
kế mạch, lựa chọn linh kiện, lập trình và kiểm thử hoạt động của hệ thống sẽ được
trình bày ở cuối chương.
- Chƣơng 4: Xây dựng chương trình đo đạc và thu thập dữ liệu công suất, điện
áp, dòng điện thu được từ hệ thống pin năng lượng mặt trời thông qua phần mềm
chuyên dụng MATLAB. Sau đó, tác giả tổng hợp dữ liệu thu được để làm cơ sở so
sánh, đánh giá sự chênh lệch điện năng, hiệu quả kinh tế thu được, hiệu suất hoạt động
của hệ thống hướng sáng tấm pin năng lượng mặt trời và hệ thống pin năng lượng mặt
trời cố định.


4

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG HƢỚNG SÁNG TẤM PIN
MẶT TRỜI.
1.1. Nhu cầu sử dụng năng lƣợng mặt trời
1.1.1. Nhu cầu sử dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam
Việt Nam là một trong những nước đang phát triển ở Đông Nam Á có mức độ
gia tăng nhu cầu sử dụng điện khá cao, đồng thời tỷ trọng năng lượng hóa thạch sử
dụng trong phát điện vẫn còn khá lớn. Bên cạnh nguy cơ thiếu hụt nguồn năng lượng
hóa thạch do trữ lượng đang dần cạn kiệt thì việc sử dụng năng lượng hóa thạch đang
gây ô nhiễm, ảnh hưởng lớn đến môi trường cũng là một thực trạng mà Việt Nam phải
đối mặt. Do đó, muốn đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia, Việt Nam phải tích cực
phát triển các nguồn năng lượng tái tạo để thay thế như gió, mặt trời, sinh khối, địa
nhiệt, thuỷ triều, sóng biển, ...
Việt Nam với lợi thế là một trong những nước nằm trong giải phân bổ ánh nắng
mặt trời nhiều nhất trong năm trên bản đồ bức xạ mặt trời của thế giới. Đó là cơ sở rất
lớn để đất nước chúng ta phát triển ngành công nghiệp điện mặt trời.

Hiện nay, ngành điện Thành phố Hồ Chí Minh đang khuyến khích người dân và
các doanh nghiệp triển khai lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời trên mái nhà. Sử
dụng hệ thống này, người dân không những không phải trả tiền điện hàng tháng mà
còn có thể bán lại sản lượng điện dư thừa. Theo báo điện tử dantri.com.vn, tính từ
tháng 9/2017 đến tháng 5/2018, số hộ dân sử dụng hệ thống điện năng lượng mặt trời
và đăng ký bán lại phần điện dư tại thành phố đã tăng khoảng 2,7 lần.

Hình 1. 1: Nhiều người dân tại Thành phố Hồ Chí Minh đầu tư cho hệ thống điện
năng lượng mặt trời tại gia đình để giảm tiền điện hàng tháng và sử dụng nguồn năng
lượng tái tạo, thân thiện môi trường [7]


5
Những năm gần đây, Sở Giao thông Vận tải tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu đã cho lắp
đặt hệ thống đèn nháy màu vàng để cảnh báo giao thông nhằm giảm số vụ tai nạn tại
nhiều nút giao thông hay xảy ra tai nạn giao thông như Quốc lộ 51, 55, 56 và một số
tuyến đường nội thành Thành phố Vũng Tàu, Thành phố Bà Rịa. Đặc biệt, hệ thống
đèn tín hiệu này đều chạy bằng năng lượng mặt trời, được thiết kế gồm hệ thống trụ đỡ
bên trên gắn tấm pin năng lượng mặt trời, ắc quy, mạch điện, đóng trong một khối kín.
Nhờ vào tấm pin nên đèn có thể hoạt động nháy 45-60 lần/phút. Không sử dụng điện,
không tốn công sức vận hành.

Hình 1. 2: Đèn cảnh báo giao thông bằng năng lượng mặt trời được đặt tại ngã ba
Long Sơn (Thành phố Vũng Tàu) [8]
Phát triển nông nghiệp là lợi thế to lớn của Việt Nam. Ngày nay, những người
nông dân đã vận dụng những kỹ thuật tiên tiến của khoa học như máy cấy, máy cắt,
máy làm đất, máy tưới tiêu, … đem vào phục vụ trong sản xuất và đời sống nhằm nâng
cao sản lượng và làm giàu cho gia đình. Người ta cũng đã bước sử dụng những tấm pin
năng lượng mặt trời tạo ra điện năng để nâng cao hiệu quả kinh tế. Điển hình là việc
ứng dụng điện năng lượng mặt trời trong trồng lúa nước ở Đồng bằng sông Cửu Long

và trồng cây thanh long tại Ninh Thuận.


6

Hình 1. 3: Ứng dụng pin năng lượng mặt trời bơm nước cung cấp nước cho cây lúa tại
Đồng bằng sông Cửu Long [9]

Hình 1. 4: Pin mặt trời tích nguồn điện cho việc tưới tiêu cây thanh long và cung cấp
đèn điện thắp sáng vào ban đêm tại Ninh Thuận [10]
Sử dụng năng lượng mặt trời như một nguồn năng lượng tại chỗ để thay thế cho
các dạng năng lượng truyền thống, đáp ứng nhu cầu của các vùng dân cư này là một kế
sách có ý nghĩa về mặt kinh tế, an ninh quốc phòng. Với nhu cầu và tiềm năng to lớn,
việc ứng dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam sẽ phát triển mạnh trong tương lai.


7
1.1.2. Nhu cầu sử dụng năng lượng mặt trời trên thế giới
Trong các năm gần đây, các công nghệ năng lượng tái tạo, trong đó có các công
nghệ năng lượng mặt trời có tốc độ tăng trưởng cao và liên tục. Công nghệ ngày càng
hoàn thiện nên giá năng lượng mặt trời càng ngày càng giảm sâu. Năng lượng mặt trời
là nguồn năng lượng địa phương 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 hóa
thạch đã dần cạn kiệt, trong lúc nhu cầu năng lượng không ngừng tăng. Ô nhiễm môi
trường do khai thác sử dụng năng lượng hóa thạch đã đến mức báo động, dẫn đến các
hiện tượng biến đổi khí hậu trên toàn cầu. Do vậy, việc phát triển các nguồn năng
lượng sạch, năng lượng tái tạo trở nên cấp thiết và càng ngày càng có tính nghĩa vụ đối
với các quốc gia.
Trong thời đại công nghiệp 4.0, xu thế của phát triển năng lượng mặt trời trên
toàn cầu đang chuyển dần sang phát triển các công nghệ năng lượng mặt trời. Công

nghệ năng lượng mặt trời đã thúc đẩy mạnh mẽ việc cải thiện hệ thống phương tiện di
chuyển cả trên không và mặt đất. Chúng ta tiếp xúc nhiều với ánh năng mặt trời trong
lúc lái xe, đi tàu hay bay trên không. Các nhà khoa học đã thử nghiệm rất nhiều cách
để khai thác nguồn năng lượng này. Cùng với những sáng chế phương tiện di chuyển
chạy bằng điện, đã đến lúc chúng ta nên bắt đầu sử dụng năng lượng mặt trời thay thế
năng lượng điện.
Sono Motors, công ty khởi nghiệp ở Đức, đã đầu tư để sản xuất chiếc ôtô 5 chỗ
ngồi chạy bằng năng lượng mặt trời giá rẻ mang tên SION. Xe được cấu tạo từ 300
tấm pin quang điện nên nó tích trữ đủ năng lượng để có thể di chuyển khoảng 29 km
cho một lần sạc. Hãng cho biết chiếc SION chỉ cần 8 giờ đồng hồ để tích đầy năng
lượng bằng ánh sáng mặt trời và những tấm pin mặt trời sẽ tự động sạc khi người lái ra
khỏi xe

Hình 1. 5: Xe SION sử dụng năng lượng mặt trời có giá 18.000 USD


8
Solar Impulse, dự án thử nghiệm máy bay chạy bằng năng lượng Mặt Trời trên
quãng đường dài của Thụy Sĩ, đã cho ra đời “Solar Impulse 2” là chiếc máy bay năng
lượng mặt trời đầu tiên. Phi công có thể bay đến mọi nơi trên thế giới ngay cả trong
đêm cùng với chiếc máy bay được cung cấp nhiên liệu chỉ từ năng lượng mặt trời.

Hình 1. 6: Solar Impulse 2 (Si2) - Máy bay đầu tiên trong lịch sử chỉ sử dụnghoàn
toàn năng lượng mặt trời hoàn thành chuyến bay vòng quanh thế giới
Một thử thách khác khi ứng dụng nguồn điện năng lượng mặt trời tái tạo ngoài
chi phí thiết bị cao là công nghệ lưu trữ năng lượng. Lưu trữ năng lượng là chìa khoá
để biến năng lượng mặt trời trở nên phổ biến hơn. Tesla, công ty xe điện của tỷ phú
công nghệ Elon Musk, đã chế tạo thành công pin Powerwall 2 nhằm lưu trữ năng
lượng mặt trời hiệu quả hơn nhưng loại pin khác trên thị trường hiện nay. Pin dày 6.1
inches (khoảng 15cm), nặng 269 pounds (khoảng 120kg) và có thể chứa được 14kWh

điện.

Hình 1. 7: Pin Powerwall 2 của hãng Tesla


9
Theo Tesla, kết hợp công nghệ pin và công nghệ mặt trời là cách tốt nhất để
đảm bảo dòng năng lượng ổn định có giá thành rẻ hơn năng lượng được khai thác từ
các nhà máy đốt nhiên liệu hoá thạch. Đầu năm 2018, họ đã hoàn thành việc xây dựng
trạm sạc xe điện dùng năng lượng mặt trời Supercharger có 40 điểm sạc ở thành phố
Kettleman, bang California lớn nhất nước Mỹ.

Hình 1. 8: Trạm sạc xe điện lớn nhất nước Mỹ của Tesla
Năng lượng mặt trời ngày nay được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như sưởi ấm
không gian và làm mát thông qua kiến trúc năng lượng mặt trời, chưng cất nước uống
và khử trùng, chiếu sáng bằng ánh sáng ban ngày, bình nước nóng năng lượng mặt
trời, nấu ăn năng lượng mặt trời...
Năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng mặt trời nói riêng trên phạm vi
toàn cầu phát triển liên tục với tốc độ ngày càng cao. Đặc biệt, trong những năm gần
đây, các công nghệ năng lượng mặt trời chiếm ưu thế.
Sự phát triển công nghệ năng lượng mặt trời đã tạo ra một ngành công nghiệp
mới gọi là công nghiệp năng lượng mặt trời, tạo ra hàng triệu công ăn việc, góp phần
phát triển kinh tế, xã hội, bảo vệ môi trường và tăng cường an ninh năng lượng ở nhiều
quốc gia trên thế giới. Đến nay năng lượng mặt trời đã có thể cạnh tranh với các nguồn
năng lượng truyền thống khác và vẫn đang không ngừng phát triển.
1.2. Giới thiệu chung về hệ thống hƣớng sáng tấm pin mặt trời
Hệ thống bao gồm 3 bộ phận chính: tấm pin năng lượng mặt trời, cơ cấu cơ khí
và bộ điều khiển. Tấm pin năng lượng mặt trời được đặt trên kết cấu cơ khí với 1 bậc
tự do (quay quanh trục Ox khi đặt cơ cấu trong hệ trục không gian Oxyz).

10

Hình 1. 9: Sơ đồ nguyên lý hệ thống hướng sáng tấm pin mặt trời
Bộ điều khiển trung tâm được lập trình để điều khiển tấm pin năng lượng nhận
được nhiều năng lượng mặt trời nhất. Hay nói cách khác bề mặt hấp thụ ánh sáng của
tấm pin sẽ được định hướng vuông góc với ánh sáng mặt trời tại mọi thời điểm trong
ngày.
1.3. Các ứng dụng
 Nhà máy điện năng lƣợng mặt trời Desert Sunlight Solar Farm tại
Riverside County, California, Mỹ.
Desert Sunlight Solar Farm chính thức khai trương vào ngày 09/02/2015.

Hình 1. 10: Hệ thống năng lượng của nhà máy Desert Sunlight Solar Farm


11
Theo USA Today, nhà máy điện năng lượng mặt trời Desert Sunlight Solar Farm
có công suất 550 MW, sử dụng hệ thống định hướng với 8.8 triệu tấm bảng thu năng
lượng mặt trời phát ra dòng điện trực tiếp sẽ có khả năng cung cấp đủ năng lượng cho
160.000 hộ gia đình ở California. Năng lượng điện sản xuất được sẽ hòa vào mạng
lưới điện của công ty Southern California Edison và Pacific Gas & Electric..
 Nhà máy sản xuất điện mặt trời tập trung Ivanpah (Công suất 392 MW)
Nhà máy điện mặt trời Ivanpah có tổng vốn đầu tư khoảng 2,2 tỷ USD, được
xây dựng trên diện tích khoảng 13km2, tại sa mạc Mojave, bang California. Nhà máy
được chủ đầu tư dự án là Công ty Năng lượng NRG, BrighSource và Google khởi
công xây dựng từ tháng 10/2010, đi vào vận hành từ tháng 2/2014.
Ivanpah được trang bị khoảng 347.000 chiếc gương điều khiển bằng máy tính,
mỗi chiếc cao khoảng 2,13m và rộng khoảng 3,05m. Hệ thống gương này được điều
chỉnh để tập trung ánh sáng mặt trời vào 3 ngọn tháp cao gần 140m. Tại đây, nhiệt

năng sẽ làm nước bốc hơi và chạy tuabin phát điện. Khi vận hành hết công suất, hệ
thống Ivanpah sẽ cấp điện đủ cho 140.000 hộ gia đình.

Hình 1. 11: Nhà máy điện mặt trời Ivanpah tại Mỹ
Với việc sản xuất điện từ nguồn năng lượng sạch, Ivanpah giảm 400.000 tấn
CO2 thải ra môi trường mỗi năm. Theo Bộ Năng lượng Mỹ, việc Ivanpah đi vào vận
hành thương mại là một mốc quan trọng đánh dấu sự phát triển của công nghệ điện
mặt trời tập trung tại nước này.


12
 Trang trại quang điện Topaz (công suất 550 MW)
Chủ sở hữu Topaz (Công ty MidAmerican Renewables) đã đầu tư khoảng 2,5 tỷ
USD và bắt đầu xây dựng trại quang điện này từ năm 2011. Topaz được hoàn thành, đi
vào hoạt động vào tháng 11/2014. Có khoảng hơn 400 công nhân tham gia lắp đặt gần
9 triệu tấm pin mặt trời trên diện tích gần 25 km2. Đây là loại pin quang năng
Cadmium-telluride (CdTe) dạng mỏng, do Công ty First Solar (Mỹ) chế tạo.
Năng lượng mặt trời được tổng hợp trên các tấm pin quang năng tự động điều
hướng vuông góc với bức xạ của mặt trời. Với sản lượng hàng năm ở mức 1,1 GWh,
Topaz có thể cung cấp điện cho khoảng 160.000 hộ gia đình và cắt giảm 300.000 tấn
CO2 mỗi năm, tương đương lượng khí thải của 73.000 xe ô tô.

Hình 1. 12: Nhà máy điện mặt trời Topaz công suất 550 MW


13
 Nhà máy liên hợp điện mặt trời Noor tại Ma-rốc
Nhà máy liên hợp điện mặt trời Noor rộng 30km2 đang được xây dựng tại ngoại
ô thành phố Ouarzazate, thuộc miền trung Ma-rốc (Morocco), nơi được mệnh danh là
cánh cửa vào sa mạc Sahara. Nhà máy liên hợp Noor là một phần trong kế hoạch đưa

Ma-rốc trở thành quốc gia sử dụng 1/2 điện từ năng lượng tái tạo sau 5 năm nữa.
Đến năm 2018, nhà máy này sẽ đủ khả năng cung cấp điện cho 1,1 triệu dân
Ma-rốc. Nhà máy này là tổ hợp 4 nhà máy điện mặt trời công suất lớn, trị giá 9 tỷ
USD. Nhà máy số 1 đã đi vào hoạt động từ tháng 11/2015, có 500.000 tấm gương thu
ánh sáng mặt trời, với công suất 160 MW điện/năm. Nhà máy số 2 và số 3 đã đi vào
hoạt động trong năm 2017. Dự kiến, năm 2020, nhà máy số 4 sẽ đi vào vận hành. Khi
đó, tổng diện tích gương mặt trời lắp đặt tại nhà máy Noor sẽ bằng diện tích thủ đô
Rabat (117 km2) của Ma-rốc.

Hình 1. 13: Các tấm gương thu ánh sáng mặt trời theo công nghệ tập trung năng
lượng mặt trời được lắp đặt tại nhà máy liên hợp Noor – Ma-rốc
Liên hợp Noor là nhà máy điện mặt trời lớn nhất thế giới với công suất 580
MW/năm. Như vậy, công suất của nó đã vượt nhà máy quang năng lớn nhất hiện nay
là Solar Star đặt tại Rosamond, bang California, Mỹ, với công suất 579 MW/năm.
Liên hợp Noor sử dụng công nghệ tập trung năng lượng mặt trời, cho phép tích
trữ năng lượng cho cả ban ngày và ban đêm. Công nghệ tập trung năng lượng mặt trời
dùng các tấm gương cao 12 m được kết nối với nhau bằng hệ thống đường ống thép
như "giải pháp truyền nhiệt" nóng 400°C tới động cơ nhiệt. Nhiệt lượng mặt trời sẽ
được hòa với nước bằng động cơ nhiệt để tạo thành hơi nước làm chuyển động các tua
bin tạo ra điện.
Dự án xây dựng nhà máy liên hợp điện mặt trời Noor nhằm làm giảm thải
700.000 tấn khí carbon/năm.