Thiết kế hệ thống điện mặt trời nối lưới cho khách sạn sài gòn quảng bình

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HOÀNG MINH THẮNG

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI
CHO KHÁCH SẠN SÀI GÒN - QUẢNG BÌNH

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số: 8520201

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: TS. TRỊNH TRUNG HIẾU

Đà Nẵng, Năm 2018


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả trong luận văn này là trung thực và chưa từng được
ai công bố ở bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả luận văn

HOÀNG MINH THẮNG


MỤC LỤC
TRANG BÌA

LỜI CAM ĐOAN
MỤC LỤC
TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN TIẾNG ANH
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
1. Lý do chọn đề tài ................................................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu ...........................................................................................2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ......................................................................2
4. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................2
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ............................................................2
6. Cấu trúc luận văn ................................................................................................3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI, PIN MẶT TRỜI VÀ
CÁC MÔ HÌNH ĐIỆN MẶT TRỜI TẠI VIỆT NAM ...................................................4
1.1. Tổng quan về bức xạ mặt trời ...................................................................................4
1.1.1. Vài nét về Mặt trời ........................................................................................4
1.1.2. Bức xạ mặt trời .............................................................................................5
1.1.3. Tính toán năng lượng bức xạ mặt trời ..........................................................8
1.2. Pin mặt trời - cấu tạo và hoạt động .........................................................................14
1.2.1. Hiệu ứng quang điện ...................................................................................14
1.2.2. Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của pin mặt trời .......................................15
1.2.3. Đặc tính làm việc của pin mặt trời [4]..........................................................17
1.2.4. Cách ghép nối các tấm năng lượng mặt trời ...............................................20
1.2.5. Ứng dụng của Pin mặt trời ..........................................................................23
1.3. Mô hình điện năng lượng mặt trời tại Việt Nam ....................................................23
1.3.1. Mô hình hệ thống NLMT cấp điện độc lập ................................................23
1.3.2. Mô hình hệ thống NLMT độc lập kết hợp các nguồn năng lượng khác.....24
1.3.3. Mô hình hệ thống NLMT kết nối lưới ........................................................25
1.4. Kết luận...................................................................................................................27

CHƯƠNG 2. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI
NỐI LƯỚI CHO KHÁCH SẠN SÀI GÒN - QUẢNG BÌNH ......................................28
2.1. Khảo sát, thống kê tiềm năng bức xạ tại khu vực khách sạn Sài Gòn - Quảng Bình
.......................................................................................................................................28


2.1.1. Sơ lược về Công ty cổ phần du lịch Sài Gòn - Quảng Bình .......................28
2.1.2. Tiềm năng bức xạ mặt trời tại khu vực khách sạn Sài Gòn - Quảng Bình
(TP Đồng Hới) ......................................................................................................28
2.1.3. Khảo sát đặc điểm sử dụng năng lượng tại khách sạn Sài Gòn - Quảng
Bình .......................................................................................................................31
2.2. Lựa chọn mô hình hệ thống điện năng lượng mặt trời cho khách sạn Sài Gòn Quảng Bình ....................................................................................................................33
2.3. Vị trí xây dựng ........................................................................................................33
2.4. Tính toán, thiết kế hệ thống pin năng lượng mặt trời nối lưới cấp điện cho Khách
sạn Sài Gòn - Quảng Bình .............................................................................................34
2.4.1. Xác định phụ tải ..........................................................................................34
2.4.2. Tính toán năng lượng điện mặt trời cần thiết Ecấp ......................................34
2.4.3. Lựa chọn bộ biến đổi điện DC-AC (Inverter) ............................................38
2.5. Mô phỏng hệ thống điện năng lượng mặt trời cấp điện cho khách sạn Sài Gòn Quảng Bình bằng phần mềm PV*SOL .........................................................................42
2.5.1. Giới thiệu phần mềm PV*SOL ...................................................................42
2.5.2. Kết quả mô phỏng hệ thống Pin mặt trời nối lưới không dự trữ cấp điện
cho khách sạn Sài Gòn - Quảng Bình bằng phần mềm PV*SOL.........................42
2.6. Kết luận...................................................................................................................50
CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN HIỆU QUẢ KHI XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT
TRỜI CHO KHÁCH SẠN SÀI GÒN - QUẢNG BÌNH .............................................51
3.1. Tổng mức đầu tư .....................................................................................................51
3.1.1. Chi phí mua thiết bị (CPTB) .......................................................................52
3.1.2. Chi phí xây dựng (CPXD) .........................................................................52
3.1.3. Chi phí khác (CPK): Quản lý dự án (Gqlda); tư vấn, giám sát (Gtv); dự
phòng (Gdp); thẩm định, thẩm tra (Gkt) ...............................................................53

3.1.4. Chi phí vận hành và bảo dưỡng hệ thống (CPVHBD) ...............................53
3.1.5. Các chi phí khấu hao hằng năm (CPKH): ..................................................54
3.2. Phân tích hiệu quả kinh tế ......................................................................................54
3.3. Kết luận...................................................................................................................56
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................57
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................59
PHỤ LỤC ......................................................................................................................61
QU ẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO).
BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC
PHẢN BIỆN.


TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN TIẾNG ANH
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI CHO
KHÁCH SẠN SÀI GÒN - QUẢNG BÌNH
Học viên:
Hoàng Minh Thắng.
Chuyên ngành:
Kỹ thuật điện.
Lớp:
K34.ĐKT.QB, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng.
Tóm tắt: Mặt trời là một nguồn năng lượng tái tạo dồi dào, vô tận và thân thiện với
môi trường. Hiện nay, các nguồn năng lượng truyền thống đang dần cạn kiệt và ảnh hưởng
nghiêm trọng đến môi trường. Vì thế việc khai thác và sử dụng năng lượng tái tạo mà đặc biệt
là năng lượng mặt trời đang là xu thế trên toàn thế giới. Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điện
mặt trời nối lưới cho Khách sạn Sài Gòn - Quảng Bình nhằm tận dụng nguồn năng lượng sẵn
có trong tự nhiên, tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu quả hoạt động của doanh nghiệp, giảm ô
nhiễm môi trường và góp phần thúc đẩy sự phát triển kinh tế - xã hội mà đặc biệt là ngành du
lịch của tỉnh Quảng Bình, đồng thời tiết kiệm được năng lượng cho toàn hệ thống điện quốc
gia. Luận văn này lựa chọn mô hình hệ thống điện mặt trời nối lưới không dự trữ để tính toán,

thiết kế cấp điện cho Khách sạn Sài Gòn - Quảng Bình và được mô phỏng bằng phần mềm
PV*SOL. Từ số liệu phụ tải thực tế và tính toán lắp đặt thiết bị, phần mềm đã mô phỏng tình
hình sử dụng điện của khách sạn và phân tích hiệu quả kinh tế của dự án. Tác giả đã tóm tắt
kết quả và đưa ra các kiến nghị, hướng phát triển của luận văn.
Từ khóa: Năng lượng tái tạo; Năng lượng mặt trời; Tiết kiệm năng lượng; Tiết kiệm
chi phí; ô nhiểm môi trường.
DESIGN A GRID TIED SOLAR ELECTRIC SYSTEM FOR
SAIGON - QUANG BINH HOTEL
Summary: Solar power stays an abundant, a perpetual and environmentally friendly
renewable energy. Nowadays, the traditional energy sources are getting exhausted, which
seriously affect the environment. Therefore, the renewable energy including solar power has
inclined to be taken into account worldwide. This study aims at designing a grid tied solar
electric system for Sai Gon - Quang Binh hotel, which strives to optimally use the naturally
available power, reduce costs, increase efficiency for company operations, reduce
environmental pollution and thereby contributes to social - economic development and
tourism of Quang Binh province in particular, while shares the burden with the national grid
power supply. In this thesis, the model of non-battery grid tied solar system is applied for
calculating and designing of the power supply for Saigon - Quang Binh hotel, emulated by
PV*SOL software that generated the power utility of the hotel and analyzed the economic
efficiency of the project based on the actual load and equipment estimation. The author has
summarized the findings and proposed recommendations for the thesis development.
Key words: Nenewable energy; Solar power; Power saving; Cost saving;
Environmental pollution.


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu
NLTT
NLMT
HTĐMT

PMT
DC
AC

Diễn giải
Năng lượng tái tạo
Năng lượng mặt trời
Hệ thống điện mặt trời
Pin mặt trời
Direct current: Dòng điện một chiều
Alternating current: Dòng điện xoay chiều


DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu
2.1.
2.2.
2.3.
2.4.
2.5.
2.6.
2.7.

Tên bảng
Lượng bức xạ tổng cộng tháng và năm tại Vinh và Đồng Hới
(kWh/m2)
Bức xạ tổng cộng tháng và năm tại thành phố Đồng Hới –
Số giờ nắng trung bình (giờ) tại một số khu vực của Quảng
Bình
Kê thiết bị điện chính của khách sạn

Thống kê công suất, sản lượng điện sử dụng và tiền điện phải
trả từ năm 2016
Bảng thông số kỹ thuật Pin mặt trời AE330 P6-72
Thông số kỹ thuật của INVERTER Sunny Tripower CORE1
STP 50-40

Trang
29
30
30
31
32
36
39

3.1.

Chi phí mua thiết bị Hệ thống pin mặt trời (Khái toán)

52

3.2.

Chi phí gia công, lắp dựng dàn pin mặt trời (Khái toán)

52

3.3.

Chi phí khác (CPK) khi xây dựng hệ thống pin mặt trời

53

3.4.
3.5.

Chi phí vận hành và bảo dưỡng hệ thống hệ thống pin mặt
trời, thiết bị
Một số số liệu phân tích kinh tế của dự án

53
55


DANH MỤC CÁC HÌNH
Số
Tên hình
Trang
hiệu
1.1. Cấu trúc của Mặt trời
4
1.2. Dải bức xạ điện từ
5
1.3. Góc nhìn mặt trời
6
Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển của
1.4.
7
Trái đất
1.5. Vị trí của Trái đất và mặt trời thay đổi trong năm

8
Quan hệ các góc hình học của tia bức xạ mặt trời trên mặt phẳng
1.6.
10
nghiêng
1.7. Sơ đồ phân bố các thành phần bức xạ khuyếch tán
12
1.8. Các thành phần bức xạ lên bề mặt nghiêng
13
1.9. Bức xạ trực xạ trên bề mặt nằm ngang và nghiêng
13
1.10. Hệ thống 2 mức năng lượng
14
1.11. Các vùng năng lượng
15
1.12. Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của Pin mặt trời
16
1.13. Cấu trúc PMT đơn tinh thể (Mono) và đa tinh thể (Poly)
17
1.14. Mạch điện tương đương của Pin mặt trời
17
1.15. Đường đặc tính P - V và I - V của Pin mặt trời
18
1.16. Sự phụ thuộc của đường cong I-V vào cường độ bức xạ Mặt trời.
1.17. Sự phụ thuộc của đường cong I-V vào nhiệt độ của pin
1.18. Đường đặc tính tải và đặc tính của pin mặt trời
Ghép nối tiếp hai tấm pin mặt trời (a); đường đặc trưng V-A của
1.19.
các tấm pin và của cả hệ (b)
Ghép song song hai tấm pin mặt trời (a); đường đặc trưng V-A của

1.20.
các tấm pin và của cả hệ (b)
Điốt nối song song với tấm pin để bảo vệ tấm pin & dàn pin mặt
1.21.
trời.
1.22. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống NLMT độc lập

19

1.23. Mô hình hệ thống NLMT độc lập kết hợp với điện gió và Diesel
1.24. Mô hình hệ thống NLMT kết nối lưới không dự trữ
1.25. Sơ đồ minh họa hệ thống NLMT kết nối lưới có dự trữ
2.1. Khách sạn Sài Gòn - Quảng Bình
2.2. Hình ảnh mặt bằng khách sạn (Nguồn: Google Earth)
2.3. Pin mặt trời AE330 P6-72

24

19
19
21
21
22
23
25
26
28
34
36

Số
Tên hình
hiệu
2.4. Hiệu suất Pin mặt trời AE330 P6-72 theo thời gian
2.5. Inverter Sunny Tripower CORE1 STP 50-40
Đặc tính hiệu suất của INVERTER Sunny Tripower CORE1 STP
2.6.
50-40
Sơ đồ đấu nối của INVERTER Sunny Tripower CORE1 STP 502.7.
40
2.8. Mô phỏng 3D lắp đặt dàn pin mặt trời áp mái (Mặt trước)
2.9. Mô phỏng 3D lắp đặt dàn pin mặt trời áp mái (Mặt bằng)

Trang
36
39
41
41
42
43

2.10. Các số liệu về mô hình thiết kế, khí hậu và cấu trúc lưới AC
2.11. Đồ thị sản lượng điện tiêu thụ của khách sạn năm 2016
2.12. Sơ đồ nguyên lý đấu nối của hệ thống
2.13. Ký hiệu sơ đồ nguyên lý
2.14. Trào lưu năng lượng toàn hệ thống trong năm
Biểu đồ cân bằng năng lượng toàn hệ thống theo từng tháng trong
2.15.
năm

43

2.16. Biểu đồ phát của hệ thống PMT theo từng tháng trong năm

48

2.17. Biểu đồ tiêu thụ năng lượng của phụ tải theo từng tháng trong năm
2.18. Đồ thị công suất ngày điển hình mùa đông (28/12/2016)
2.19. Đồ thị công suất ngày điển hình mùa hè (25/8/2016)
3.1. Biểu đồ thời gian thu hồi vốn đầu tư

48

44
45
45
47
47

49
49
56


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Việt Nam là một quốc gia đang phát triển, nhu cầu sử dụng năng lượng mà đặc

biệt là điện năng ngày càng lớn, gây áp lực lên hệ thống điện quốc gia. Việc sử dụng
nguồn năng lượng truyền thống (nhiệt điện than, dầu, khí…) đang gây ra những hệ lụy
khôn lường cho môi trường và tài nguyên thiên nhiên, đồng thời tăng chi phí đầu tư,
vận hành hệ thống điện. Theo số liệu vận hành của EVN năm 2017, cơ cấu công suất
nguồn điện than, dầu, khí chiếm 56,64%; tỷ trọng thủy điện lớn, vừa và tích năng là
36,27%; thủy điện nhỏ chiếm 6,57%, còn lại khoảng 0,5% là các nguồn năng lượng
khác (gió, sinh khối…) và năng lượng mặt trời là không đáng kể.
Bức xạ mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo vô tận và thân thiện với môi
trường. Tại Việt Nam, với số giờ nắng trung bình 2.200 giờ/năm và cường độ bức xạ
cao nhất có thể đến 5,7kWh/m2/ngày là một tiềm năng lớn về năng lượng tái tạo.
Chính phủ và các bộ ngành liên quan đang quan tâm và có những chính sách, cơ chế
phù hợp để khuyến khích phát triển điện mặt trời. Theo Quyết định số 428/QĐ-TTg
ngày 18/3/2016 của Thủ tướng Chính phủ về phê duyệt điều chỉnh Quy hoạch phát
triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011 - 2020 có xét đến năm 2030 (Quy hoạch điện
VII điều chỉnh), thì đến năm 2030 phải nâng tỷ trọng công suất nguồn điện sử dụng
năng lượng tái tạo (thủy điện nhỏ, điện gió, điện mặt trời, điện sinh khối) lên mức 21%
và sản lượng điện đạt 10,7%. Trong đó, tổng công suất điện mặt trời là 12.000MW và
chiếm 3,3% tổng sản lượng điện cả nước. Ngày 12/4/2017, Thủ tướng Chính phủ đã
ban hành Quyết định số 11/2017/QĐ-TTg về cơ chế khuyến khích phát triển các dự án
điện mặt trời tại Việt Nam áp dụng cho các tổ chức, cá nhân tham gia phát triển các dự
án điện mặt trời tại Việt Nam, trong đó EVN phải chịu trách nhiệm mua toàn bộ sản
lượng điện mặt trời của nhà đầu tư. Sau đó, Bộ Công thương ban hành Thông tư
16/2017/TT-BCT ngày 12/9/2017 quy định về phát triển dự án và hợp đồng mua bán
điện mẫu cho các dự án điện mặt trời. Ngày 21/3/2018, EVN có văn bản số
1337/EVN-KD về việc hướng dẫn thực hiện tạm thời đối với các dự án điện mặt trời
trên mái nhà, áp dụng với HTĐMT có công suất <1MWp, trong đó EVN mua điện với
giá năm 2017 là 2.086đ/kWh (chưa VAT) tương đương 9,35 US cents/kWh.
Quảng Bình là một tỉnh ở duyên hải miền Trung, nơi có số ngày nắng và lượng
bức xạ mặt trời khá cao, rất thích hợp để xây dựng các hệ thống điện mặt trời, đặc biệt
là các hệ thống có quy mô nhỏ, cấp điện cho các hộ gia đình, cơ quan doanh nghiệp.

Khách sạn Sài Gòn - Quảng Bình là một trong những khách sạn lớn đặt tại trung tâm
thành phố Đồng Hới. Hàng năm, chi phí tiền điện của khách sạn trung bình hơn 1,5 tỷ
đồng.


2

Từ các chủ trương, chính sách, mục tiêu của quốc gia về phát triển nguồn điện và
tiềm năng bức xạ mặt trời nêu trên, việc lựa chọn đề tài “Thiết kế hệ thống điện mặt
trời nối lưới cho khách sạn Sài Gòn - Quảng Bình” là rất cần thiết trong giai đoạn
hiện nay và tương lai, ứng dụng vào thực tế cho các cơ quan, doanh nghiệp trên địa bàn
tỉnh. Đề tài sau khi thực hiện sẽ giúp giảm chi phí, nâng cao hiệu quả hoạt động của
doanh nghiệp, giảm ô nhiễm môi trường, góp phần thúc đẩy phát triển kinh tế - xã hội,
đặc biệt là ngành du lịch của tỉnh nhà.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Tính toán “Thiết kế hệ thống điện mặt trời nối lưới cho khách sạn Sài Gòn Quảng Bình”.
Đây là đề tài nghiên cứu ứng dụng, địa chỉ ứng dụng được xác định rõ ràng.
Những kết quả nghiên cứu và ứng dụng của đề tài sẽ được thực hiện trên thực tế, đạt
được các chỉ tiêu:
- Nâng cao hiệu quả hoạt động của doanh nghiệp;
- Tăng hiệu suất thiết bị tiêu thụ điện;
- Giảm chi phí, tăng lợi nhuận kinh doanh;
- Tận dụng được nguồn năng lượng sạch, giảm ô nhiễm môi trường (do không
sử dụng ăc qui dự phòng);
- Góp phần phát triển kinh tế - xã hội tỉnh nhà.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu
Hệ thống điện mặt trời nối lưới không có dự trữ.
3.2. Phạm vi nghiên cứu
Đề tài được nghiên cứu trong phạm vi Khách sạn Sài Gòn - Quảng Bình, địa

chỉ: 20 Quách Xuân Kỳ, phường Hải Đình, thành phố Đồng Hới, tỉnh Quảng Bình.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Xem xét lại toàn bộ cơ sở lý thuyết về bức
xạ mặt trời, pin mặt trời để từ đó đưa vào ứng dụng.
- Phương pháp nghiên cứu tính toán thiết kế: Tính toán, thiết kế trên cơ sở lý
thuyết chung. Sử dụng phần mềm PV*SOL để mô phỏng hệ thống.
- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Thực nghiệm trên hệ thống điện của
khách sạn Sài Gòn - Quảng Bình.
- Phương pháp chuyên gia: Tham khảo các ý kiến khoa học từ thực tiễn của các
chuyên gia để phân tích và nhận định.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài


3

Trên thực tế, nguồn năng lượng truyền thống đã gây ô nhiễm môi trường và
càng lúc càng cạn kiệt theo thời gian trong khi nhu cầu tiêu thụ năng lượng của con
người ngày một tăng cao. Do đó, việc khai thác các nguồn năng lượng mới - nguồn
năng lượng tái tạo thân thiện với môi trường là rất cần thiết, trong đó năng lượng mặt
trời là vô tận và rất dồi dào tại Việt Nam nói chung và tỉnh Quảng Bình nói riêng.
Nội dung luận văn muốn nghiên cứu xây dựng một hệ thống pin mặt trời nối
lưới nhằm khai thác thế mạnh về tiềm năng mặt trời để cung cấp điện cho khách sạn
Sài Gòn - Quảng Bình, đồng thời có thể triển khai nhân rộng cho cá nhân, doanh
nghiệp sử dụng điện năng trên địa bàn tỉnh. Ngoài ra, ứng dụng các công nghệ tiên tiến
của thế giới trong lĩnh vực điện mặt trời.
6. Cấu trúc luận văn
Luận văn gồm:
- Mở đầu.
- Chương 1: Tổng quan về năng lượng mặt trời, pin mặt trời và các mô hình
điện mặt trời tại Việt Nam.

- Chương 2: Tính toán - thiết kế, mô phỏng hệ thống pin năng lượng mặt trời
nối lưới cung cấp điện cho khách sạn Sài Gòn - Quảng Bình.
- Chương 3: Tính toán hiệu quả kinh tế của hệ thống pin năng lượng mặt trời
nối lưới cung cấp điện cho khách sạn Sài Gòn - Quảng Bình.
- Kết luận, kiến nghị.


4

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI, PIN MẶT TRỜI
VÀ CÁC MÔ HÌNH ĐIỆN MẶT TRỜI TẠI VIỆT NAM
1.1. Tổng quan về bức xạ mặt trời
1.1.1. Vài nét về Mặt trời
Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính khoảng 1,39 triệu km, lớn hơn
gần 110 lần đường kính Trái đất và cách xa Trái đất khoảng 150 triệu km. Nhiệt độ
trung bình bên trong Mặt trời đạt đến gần 15,6 triệu 0K với áp suất gấp 70 tỷ lần áp
suất khí quyển của trái đất. Ở nhiệt độ và áp suất cao như vậy thì vật chất không thể
giữ được cấu trúc trật tự như thông thường (nguyên tử và phân tử) mà nó trở thành
plasma trong đó các hạt nhân của nguyên tử chuyển động tách biệt với các electron.
Khi các hạt nhân tự do va chạm với nhau sẽ xuất hiện những vụ nổ nhiệt hạch.
Mặt trời được chia thành 4 vùng (hình 1.1): Vùng nhân (lõi) là vùng xảy ra các
phản ứng nhiệt hạch hạt nhân tạo ra năng lượng Mặt trời. Tiếp theo là vùng trung gian
(vùng đổi ngược) để truyền năng lượng từ trong ra ngoài. Vùng đối lưu và vùng quang
cầu là 2 vùng ngoài của Mặt trời. Tại đây có các bọt khí sôi sục, có chổ tạo ra các vết
đen, là các hố xoáy có nhiệt độ thấp khoảng 4.5000K và các tai lửa có nhiệt độ từ
7.000-10.0000K[1].

Hình 1.1. Cấu trúc của Mặt trời
Nguồn năng lượng bức xạ chủ yếu của Mặt trời là do các phản ứng nhiệt hạch

tổng hợp hạt nhân Hyđrô. Trung bình mỗi ngày, Mặt trời sản xuất ra nguồn năng


5

lượng khoảng 9.1024kWh, tức là trong khoảng một phần triệu giây, Mặt trời giải phóng
ra một lượng năng lượng tương đương với tổng điện năng trong một năm trên toàn thế
giới. Quá trình bức xạ của Mặt trời diễn ra từ 4,5 tỷ năm nay và sẽ còn tiếp tục trong
khoảng 5,5 tỷ năm nữa. Ta có thể thấy rằng, nguồn năng lượng mặt trời là khổng lồ và
lâu dài.
Về mặt vật chất thì mặt trời chứa khoảng gần 80% khí Hydro (H2), khí Heli
(He) chiếm gần 20%, các nguyên tố kim loại và các nguyên tố khác chiếm khoảng hơn
1%[2].
Bức xạ gamma ( ) từ các phản ứng nhiệt hạch tổng hợp hạt nhân Hyđrô, trong
quá trình truyền từ tâm Mặt trời ra ngoài thì tương tác với các nguyên tố khác bên
trong Mặt trời và chuyển thành bức xạ có mức năng lượng thấp hơn, chủ yếu là ánh
sáng và phần nhiệt của phổ năng lượng. Bức xạ điện từ này, với phổ năng lượng trải
dài từ cực tím đến hồng ngoại, lan truyền ra khắp không gian vào vũ trụ.
1.1.2. Bức xạ mặt trời
Trong toàn bộ bức xạ của mặt trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các phản ứng
hạt nhân xảy ra trong nhân mặt trời không quá 3%. Bức xạ γ ban đầu khi đi qua 5.105
km chiều dày của lớp vật chất mặt trời, bị biến đổi rất mạnh. Tất cả các dạng của bức
xạ điện từ đều có bản chất sóng và chúng khác nhau ở bước sóng. Bức xạ γ là sóng
ngắn nhất, từ tâm Mặt trời đi ra do sự va chạm hoặc tán xạ mà năng lượng của chúng
giảm đi trở thành bức xạ có bước sóng dài (bức xạ Rơngen). Gần đến bề mặt mặt trời,
nơi có nhiệt độ đủ thấp (nhiệt độ mặt ngoài Mặt trời khoảng 57620K) để có thể tồn tại
vật chất trong trạng thái nguyên tử và các cơ chế khác bắt đầu xảy ra[1].

Hình 1.2. Dải bức xạ điện từ
Đặc trưng của bức xạ mặt trời truyền trong không gian bên ngoài Mặt trời là

một phổ rộng, trong đó cực đại của cường độ bức xạ nằm trong dãi 10-1 ÷ 10 μm và
hầu như một nửa tổng năng lượng mặt trời tập trung trong khoảng bước sóng 0,38 ÷


6

0,78 μm, đó là vùng nhìn thấy của phổ (hình 1.2).
Chùm tia truyền thẳng từ Mặt trời gọi là bức xạ trực xạ. Tổng hợp các tia trực
xạ và tán xạ gọi là tổng xạ. Mật độ dòng bức xạ trực xạ ở ngoài lớp khí quyển, tính đối
với 1m2 bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ được tính theo công thức:
q = φ D_T .C0 .

T

4

W/m

2

(1.1)[1]

100

Trong đó:
+ φ D_T : hệ số góc bức xạ giữa Trái đất và Mặt trời

φ D_T =

β

2

4

(1.2)

β: góc nhìn mặt trời, β ≈ 32’ (hình 1.3).
+ C0 = 5,67 W/m2.K4: hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối.
+ T ≈ 5762 0K: nhiệt độ bề mặt Mặt trời.

Hình 1.3. Góc nhìn mặt trời
Với: 10 =

180

= 60’, ta có: β = 32’ =
3,14.32

=> q =

180.60
4

.32
180.60

rad.

2

.5,76.

5762

4

=1353 W/m

2

100

Do khoảng cách giữa Trái đất và Mặt trời thay đổi theo mùa trong năm nên β
cũng thay đổi, do đó q cũng thay đổi nhưng độ thay đổi này không lớn lắm nên có thể
xem q là không đổi và được gọi là hằng số mặt trời.
Khi truyền qua lớp khí quyển bao bọc quanh Trái đất, các chùm tia bức xạ bị
hấp thụ và tán xạ bởi tầng ôzôn, hơi nước, bụi trong khí quyển và chỉ một phần năng
lượng được truyền trực tiếp tới Trái đất. Đầu tiên, ôxy phân tử bình thường (O2) phân
ly thành ôxy nguyên tử O. Để phá vỡ liên kết phân tử đó, cần phải có các photon bước
sóng ngắn hơn 0,18μm, do đó các photon (xem bức xạ như các hạt rời rạc - photon) có


7

năng lượng như vậy bị hấp thụ hoàn toàn. Chỉ một phần các nguyên tử ôxy kết hợp
thành các phân tử, còn đại đa số các nguyên tử tương tác với các phân tử ôxy khác để
tạo thành phân tử ôzôn O3, ôzôn cũng hấp thụ bức xạ tử ngoại nhưng với mức độ thấp
hơn so với ôxy, dưới tác dụng của các photon với bước sóng ngắn hơn 0,32μm, sự
phân tách O3 thành O2 và O xảy ra. Như vậy, hầu như toàn bộ năng lượng của bức xạ

tử ngoại được sử dụng để duy trì quá trình phân ly và hợp nhất của O, O2 và O3 , đó là
một quá trình ổn định. Do quá trình này khi đi qua khí quyển, bức xạ tử ngoại biến đổi
thành bức xạ với năng lượng nhỏ hơn.
Các bức xạ với bước sóng ứng với các vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoại của
phổ tương tác với các phân tử khí và các hạt bụi của không khí nhưng không phá vỡ
các liên kết của chúng, khi đó các photon bị tán xạ khá đều theo mọi hướng và một số
photon quay trở lại không gian vũ trụ.
Bức xạ chịu dạng tán xạ đó chủ yếu là bức xạ bước sóng ngắn nhất. Sau khi
phản xạ từ các phần khác nhau của khí quyển, bức xạ tán xạ đi đến chúng ta mang theo
màu xanh lam của bầu trời và có thể quan sát được ở những độ cao không lớn. Các
giọt nước cũng tán xạ rất mạnh bức xạ mặt trời. Bức xạ mặt trời khi đi qua khí quyển
còn bị ảnh hưởng bởi sự hấp thụ của các phần tử hơi nước, khí Cácbônic và các hợp
chất khác, mức độ của sự hấp thụ này phụ thuộc vào bước sóng, mạnh nhất ở khoảng
giữa vùng hồng ngoại của phổ. Phần năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt trái
đất trong những ngày quang đãng (không có nhiều mây) ở thời điểm cao nhất
vào khoảng 1.000W/m2 (như hình 1.4).

Hình 1.4. Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển của Trái đất


8

Yếu tố cơ bản xác định cường độ của bức xạ mặt trời ở một điểm nào đó trên
Trái đất là quãng đường nó đi qua. Sự mất mát năng lượng trên quãng đường đó gắn
liền với sự tán xạ, hấp thụ bức xạ và phụ thuộc vào thời gian trong ngày, mùa, vị trí địa
lý. Các mùa hình thành là do sự nghiêng của trục Trái đất đối với mặt phẳng quỹ đạo
của nó quanh Mặt trời gây ra. Góc nghiêng vào khoảng 66,50 và thực tế xem như
không đổi trong không gian. Sự định hướng như vậy của trục quay trái đất trong
chuyển động của nó đối với Mặt trời gây ra những sự dao động quan trọng về độ dài
ngày và đêm trong năm (hình 1.5).

Hình 1.5. Vị trí của Trái đất và mặt trời thay đổi trong năm
1.1.3. Tính toán năng lượng bức xạ mặt trời
Cường độ bức xạ mặt trời trên mặt đất chủ yếu phụ thuộc 2 yếu tố: góc nghiêng
của các tia sáng đối với mặt phẳng bề mặt tại điểm đã cho và độ dài đường đi của các
tia sáng trong khí quyển hay nói chung là phụ thuộc vào độ cao của Mặt trời (Góc giữa
phương từ điểm quan sát đến Mặt trời và mặt phẳng nằm ngang đi qua điểm đó).
Quan hệ giữa bức xạ mặt trời ngoài khí quyển và thời gian trong năm có thể xác
định theo phương trình sau:

E ng = E 0 1+0,033.cos

360.n
365

[W/m2]

(1.3)[1]

Trong đó: Eng là bức xạ ngoài khí quyển được đo trên mặt phẳng vuông góc với
tia bức xạ vào ngày thứ n trong năm. E0 là cường độ tổng xạ trong điều kiện chuẩn
(trời quang đãng, không mây, nhiệt độ = 250C).
a. Góc tới của bức xạ trực xạ:
Một số khái niệm cần trong quá trình tính toán:
+ Hệ số khối không khí m: là tỷ số giữa khối lượng khí quyển theo phương tia
bức xạ truyền qua và khối lượng khí quyển theo phương thẳng đứng (tức là khi Mặt
trời ở thiên đỉnh). Như vậy m =1 khi Mặt trời ở thiên đỉnh, m =2 khi góc thiên đỉnh θZ
là 600. Đối với các góc thiên đỉnh từ 0-700 có thể xác định gần đúng m =1/cosθZ Còn
đối với các góc θZ >700 thì độ cong của bề mặt trái đất phải được đưa vào tính toán.

9

+ Trực xạ: là bức xạ mặt trời nhận được khi không bị bầu khí quyển phát tán.
Đây là dòng bức xạ có hướng và có thể thu được ở các bộ thu kiểu tập trung (hội tụ).
+ Tán xạ: là bức xạ mặt trời nhận được sau khi hướng của nó đã bị thay đổi do
sự phát tán của bầu khí quyển (trong một số tài liệu khí tượng, tán xạ còn được gọi là
bức xạ của bầu trời, ở đây cần phân biệt tán xạ của mặt trời với bức xạ hồng ngoại của
bầu khí quyển phát ra).
+ Tổng xạ: là tổng của trực xạ và tán xạ trên một bề mặt (phổ biến nhất là tổng
xạ trên một bề mặt nằm ngang, thường gọi là bức xạ cầu trên bề mặt).
+ Cường độ bức xạ (W/m2): là cường độ năng lượng bức xạ mặt trời đến một bề
mặt tương ứng với một đơn vị diện tích bề mặt. Cường độ bức xạ cũng bao gồm cường
độ bức xạ trực xạ Etrx , cường độ bức xạ tán xạ Etx và cường độ bức xạ quang phổ Eqp.
+ Năng lượng bức xạ (J/m2): là năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới một đơn
vị diện tích bề mặt trong một khoảng thời gian, như vậy năng lượng bức xạ là một đại
lượng bằng tích phân của cường độ bức xạ trong một khoảng thời gian nhất định
(thường là 1 giờ hay 1 ngày).
+ Giờ mặt trời: là thời gian dựa trên chuyển động biểu kiến của mặt trời trên
bầu trời, với quy ước giờ mặt trời chính ngọ là thời điểm mặt trời đi qua thiên đỉnh của
người quan sát. Giờ mặt trời là thời gian được sử dụng trong mọi quan hệ về góc mặt
trời, nó không đồng nghĩa với giờ theo đồng hồ.
Quan hệ hình học giữa một mặt phẳng bố trí bất kỳ trên mặt đất và bức xạ của
mặt trời truyền tới (hình 1.6), tức là vị trí của mặt trời so với mặt phẳng đó có thể được
xác định theo các góc đặc trưng sau:
+ Góc vĩ độ φ: vị trí góc tương ứng với vĩ độ về phía bắc hoặc về phía nam
đường xích đạo trái đất, với hướng phía bắc là hướng dương: - 900 ≤ φ ≤ 900
+ Góc nghiêng β: góc giữa mặt phẳng của bề mặt tính toán và phương nằm
ngang. 0 ≤ β ≤ 1800 (khi β > 900 nghĩa là bề mặt nhận bức xạ hướng xuống phía dưới).
+ Góc phương vị của bề mặt γ: góc lệch của hình chiếu pháp tuyến bề mặt trên

mặt phẳng nằm ngang so với đường kinh tuyến. Góc γ = 0 nếu bề mặt quay về hướng
chính nam, γ lấy dấu (+) nếu bề mặt quay về phía tây và lấy dấu (-) nếu bề mặt quay về
phía đông. -1800 ≤ γ ≤ 1800
+ Góc giờ ω: góc chuyển động của vị trí mặt trời về phía đông hoặc phía tây
của kinh tuyến địa phương do quá trình quay của trái đất quanh trục của nó và lấy giá
trị 150 cho 1 giờ đồng hồ, buổi sáng lấy dấu (-), buổi chiều lấy dấu (+).
+ Góc tới θ: góc giữa tia bức xạ truyền tới bề mặt và pháp tuyến của bề mặt đó.
+ Góc thiên đỉnh θZ: góc giữa phương thẳng đứng (thiên đỉnh) và tia bức xạ tới.
Trong trường hợp bề mặt nằm ngang thì góc thiên đỉnh chính là góc tới θ.
+ Góc cao mặt trời α: góc giữa phương nằm ngang và tia bức xạ truyền tới, tức


10

là góc phụ của góc thiên đỉnh.
+ Góc phương vị mặt trời γs: góc lệch so với phương nam của hình chiếu tia
bức xạ mặt trời truyền tới trên mặt phẳng nằm ngang. Góc này lấy dấu âm (-) nếu hình
chiếu lệch về phía đông và lấy dấu dương (+) nếu hình chiếu lệch về phía tây.
+ Góc lệch δ: vị trí góc của mặt trời tương ứng với giờ mặt trời là 12 giờ (tức là
khi Mặt trời đi qua kinh tuyến địa phương) so với mặt phẳng của xích đạo trái đất, với
hướng phía bắc là hướng dương. -23,450 ≤ δ ≤ 23,450. Góc lệch δ có thể tính toán theo
phương trình của Cooper:

δ=23,45.sin 360.

284+n
365

(1.4)

Với: n là thứ tự ngày của 1 năm.

Hình 1.6. Quan hệ các góc hình học của tia bức xạ mặt trời trên mặt phẳng nghiêng
Quan hệ giữa các loại góc đặc trưng ở trên có thể biểu diễn bằng phương trình
giữa góc tới θ và các góc khác như sau:

cosθ=sinδ.sinφ.sinβ-sinδ.cosφ.sinβ.cosγ+cosδ.cosφ.cosβ.cosω+
+cosδ.sinφ.sinβ..cosγ.cosω+cosδ.sinβ.sinγ.sinω
Và:

cosθ=cosθZ .cosβ+sinθZ .sinβ.cos(γs -γ)

(1.5)[1]

Đối với bề mặt nằm ngang, góc tới θ chính là góc thiên đỉnh của mặt trời θZ, giá
trị của nó phải nằm trong khoảng 00 và 900 từ khi mặt trời mọc đến khi Mặt trời ở thiên
đỉnh (β = 0):
cosθZ = cosφ.cosδ.cosω + sinφ.sinδ
(1.6)[1]
b. Bức xạ mặt trời ngoài khí quyển lên mặt phẳng nằm ngang:
Tại thời điểm bất kỳ, bức xạ mặt trời đến một bề mặt nằm ngang ngoài khí


11

quyển được xác định theo phương trình:

E 0.ng =E 0 1+0,033.cos

360.n

365

.cosθ Z

(1.7)[1]

Thay giá trị cosθZ từ (1.6) vào phương trình (1.7), ta có E0.ng tại thời điểm bất
kỳ từ lúc mặt trời mọc đến lúc mặt trời lặn:
E 0.ng =E 0 1+0,033.cos

360.n
365

(1.8)[1]

. cos .cosδ.cosω+sin .sinδ

Tích phân phương trình này theo thời gian từ khi Mặt trời mọc đến khi Mặt trời
lặn (6h đến 18h), ta sẽ được E0.ng là năng lượng bức xạ mặt trời trên mặt phẳng nằm
ngang trong một ngày:

E 0.ngay =

24.3600E 0
π

. 1+0,033.cos

360.n
365

. cos .cosδ.sinωs +

πωs
180

sin .sinδ

(1.9)[1]

với ωs là góc giờ mặt trời lặn (00) (tức là góc giờ ω khi θZ = 900)

cosωs = -

sin .sinδ

= -tg .tgδ

(1.10)[1]

cos .cosδ

Người ta cũng xác định năng lượng bức xạ ngày trung bình tháng Eo.th bằng
cách thay giá trị n và δ trong các công thức trên lấy bằng giá trị ngày trung bình của
tháng và độ lệch δ tương ứng. Năng lượng bức xạ trên mặt phẳng nằm ngang trong
một giờ nhất định có thể xác định:

E 0.gio =

112.3600.E 0

π

. 1+0,003.cos

360.n
365

. cos .cosδ. sinω1 -sinω2 +

π(ω1 -ω2 )
180

sin .sinθ

(1.11)[1]

c. Tổng cường độ bức xạ mặt trời lên bề mặt trên Trái đất:
Tổng bức xạ mặt trời lên một bề mặt đặt trên mặt đất bao gồm hai phần chính
đó là trực xạ và tán xạ. Phần trực xạ đã được khảo sát ở trên, còn thành phần tán xạ thì
khá phức tạp. Hướng của bức xạ khuếch tán truyền tới bề mặt là hàm số của độ che
phủ của mây và độ trong suốt của khí quyển, các đại lượng này lại thay đổi khá nhiều.
Có thể xem bức xạ tán xạ là tổng hợp của 3 thành phần (hình 1.7):
- Thành phần tán xạ đẳng hướng (Ed1): phần tán xạ nhận được đồng đều từ toàn
bộ vòm trời.
- Thành phần tán xạ quanh tia (Ed2): phần tán xạ bị phát tán của bức xạ mặt trời
xung quanh tia mặt trời.
- Thành phần tán xạ chân trời (Ed3): phần tán xạ tập trung gần đường chân trời.


12

(Ed2)
(Ed1)

(Ed3)
Hình 1.7. Sơ đồ phân bố các thành phần bức xạ khuyếch tán
Góc khuếch tán ở mức độ nhất định phụ thuộc độ phản xạ Rg (còn gọi là albedo
- suất phân chiếu) của mặt đất. Những bề mặt có độ phản xạ cao (ví dụ bề mặt tuyết
xốp có Rg = 0,7) sẽ phản xạ mạnh bức xạ mặt trời trở lại bầu trời và lần lượt bị phát tán
trở thành thành phần tán xạ chân trời.
Như vậy, bức xạ mặt trời truyền đến một bề mặt nghiêng là tổng của các dòng
bức xạ bao gồm:
+ Trực xạ Eb, 3 thành phần tán xạ Ed1, Ed2, Ed3
+ Bức xạ phản xạ từ các bề mặt khác lân cận Er:
EΣ =Eb +Ed1 + Ed2 + Ed3 +Er

(1.12)

Tuy nhiên, việc tính toán các đại lượng tán xạ này rất phức tạp. Vì vậy người ta
giả thiết là sự kết hợp của bức xạ khuếch tán và bức xạ phản xạ của mặt đất là đẳng
hướng, nghĩa là tổng của bức xạ khuếch tán từ bầu trời và bức xạ phản xạ của mặt đất
là như nhau trong mọi trường hợp không phụ thuộc hướng của bề mặt. Như vậy, tổng
xạ trên bề mặt nghiêng sẽ là tổng của trực xạ Eb.Bb và tán xạ trên mặt nằm ngang Ed.
Khi đó, tổng xạ trên một mặt phẳng nghiêng một góc β (Eβ ) so với phương
nằm ngang bằng tổng của 3 thành phần:

EβΣ =E b .Bb +E d .

1+cosβ
2

+ E Σ .R g .

1-cosβ
2

Trong đó: E là tổng xạ trên bề mặt nằm ngang;
(1 + cosβ)/2 = Fcs là hệ số góc của bề mặt đối với bầu trời;
(1 - cosβ)/2 = Fcg là hệ số góc của bề mặt đối với mặt đất;
Rg là hệ số phản xạ bức xạ của môi trường xung quanh.

(1.13)[1]


13

Hình 1.8. Các thành phần bức xạ lên bề mặt nghiêng
Và ta có tỷ số bức xạ Bb của bề mặt nghiêng góc β so với bề mặt ngang:

Bb =

En
E bng

=

E n .cosθ
E n .cosθ Z

=

cosθ
cosθ Z

(1.14)[1]

Với: En là cường độ bức xạ mặt trời theo phương bất kỳ;
Ebng là bức xạ mặt trời theo phương vuông góc với mặt phẳng ngang;
Ebngh là bức xạ mặt trời theo phương vuông góc với mặt phẳng nghiêng.
Trong tính toán kỹ thuật, có thể coi cường độ bức xạ tới mặt đất là hàm của thời
gian τ, tính từ lúc mặt trời mọc (τ = 0) đến khi mặt trời lặn (τ =τn/2), với τn=24h =
24.3600s:
E τ = En .sin

Trong đó:
ω=

τ

(1.15)[1]

τ = ω.τ là góc nghiêng tia nắng so với mặt đất,

2π
τn

=

2π
24.3600

=7,72.10

-5

rad/s là tốc độ góc tự xoay của trái đất.

En [W/m2] là cường độ bức xạ cực đại trong ngày, lấy trị trung bình cả năm
theo theo số liệu đo lường thực tế tại vĩ độ cần xét.

Hình 1.9. Bức xạ trực xạ trên bề mặt nằm ngang và nghiêng


14

Ta thấy rằng, dựa trên lý thuyết hình học có thể xác định cường độ mặt trời tại
một điểm bất kỳ trên một vị trí địa lý. Trong thực tế, hiện nay người ta đã chế tạo các
thiết bị đo trực tiếp cường độ bức xạ mặt trời tại điểm cần đo. Thông thường có 2 loại:
Đo trực xạ và đo tổng xạ. Với kỹ thuật tiên tiến thì sử dụng các đầu đo bức xạ (sensor)
để đo lường tự động bức xạ mặt trời tại các trạm quan trắc.
1.2. Pin mặt trời - cấu tạo và hoạt động
Một trong các công nghệ hiệu quả nhất để khai thác NLMT hiện nay là công
nghệ quang - điện. Công nghệ này cho phép biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt
trời thành điện năng nhờ một thiết bị chuyển đổi năng lượng gọi là Pin mặt trời (solar
photovoltaic cells), hoạt động dựa trên hiệu ứng quang - điện.
1.2.1. Hiệu ứng quang điện
Hiệu ứng quang điện được nhà vật lý người Pháp Alexandre Edmond Becquerel
phát hiện đầu tiên năm 1839. Tuy nhiên đến năm 1883, pin năng lượng mới được tạo
thành bởi Charles Fritts, ông đã phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng
để tạo nên mạch nối, hiệu suất của thiết bị chỉ có 1%. Đến năm 1946, Russell Ohl

được xem là người tạo ra pin năng lượng mặt trời đầu tiên. Và đến năm 1954, các nhà
khoa học chế tạo thành công PMT silicon đạt hiệu suất 6%, từ đó công nghệ PV
(Photo Voltaic) phát triển nhanh chóng và được ứng dụng nhiều trong hệ thống điện.
Xét một hệ hai mức năng lượng điện tử E1 < E2 (hình 1.10). Bình thường, điện
tử có mức năng lượng thấp E1. Khi nhận bức xạ mặt trời, lượng tử ánh sáng photon có
năng lượng h (h là hằng số plank, là tần số ánh sáng) bị điện tử hấp thụ và chuyển
lên mức năng lượng cao hơn E2, ta có phương trình cân bằng năng lượng: h = E2 - E1

Hình 1.10. Hệ thống 2 mức năng lượng
Trong các vật rắn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vòng
ngoài, nên các mức năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng sát nhau và
tạo thành vùng năng lượng (hình 1.11). Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm
đầy khi ở trạng thái cân bằng gọi là vùng hoá trị, mà mặt trên của nó có năng lượng Ev.
Vùng năng lượng phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là
vùng dẫn, mặt dưới của vùng dẫn có năng lượng là Ec. Vùng cách ly giữa vùng hóa trị
và vùng dẫn có độ rộng với năng lượng là Eg, không có mức năng lượng cho phép nào


15

của điện tử.
Khi nhận bức xạ mặt trời lên bề mặt, photon có năng lượng h bị điện tử của
vùng hoá trị thấp hấp thụ và nó có thể chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự do
e- lúc này vùng hoá trị sẽ có một lỗ trống coi như hạt mang điện tích dương (kí hiệu là
h+). Lỗ trống này có thể di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện (hình 1.11).

Hình 1.11. Các vùng năng lượng
Phương trình hiệu ứng lượng tử của quá trình hấp thụ photon:
Ev + h

→ e- + h +

(1.16)[1]

Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lượng của photon và chuyển từ vùng
hoá trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử - lỗ trống là h = hc/ > Eg = Ec - Ev. Từ đó,
suy ra bước sóng tới hạn
c

c

của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e- - h+ là:

= hc/(Ec - Ev) = hc/Eg = 1,24/Eg

[μm]

(1.17)[1]

Vậy, khi bức xạ mặt trời chiếu vào vật rắn, điện tử ở vùng hoá trị hấp thụ năng
lượng photon h và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử - lỗ trống e- - h+,
tức là tạo ra một điện thế, gọi là hiệu ứng quang điện bên trong.
1.2.2. Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của pin mặt trời
Pin năng lượng mặt trời là thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các diod p-n, nguyên
lý hoạt động của pin mặt trời chính là hiện tượng quang điện xảy ra trên lớp tiếp xúc pn. Vật liệu chủ yếu để chế tạo PMT hiện nay là silic tinh thể.
Thành phần chính của PMT Si là một lớp tiếp xúc bán dẫn PN được tạo ra giữa
hai phiến chất bán dẫn Si loại N (N-Si), và Si loại P (P-Si). Tại lớp tiếp xúc PN hình
thành một điện trường tiếp xúc Etx. Mặt trên của phiến N-Si được phủ một lưới điện
cực bằng kim loại dẫn điện tốt và một màng chống phản xạ để làm tăng sự hấp thụ
NLMT của pin. Màng kim loại điện cực thứ hai được phủ ở mặt dưới phiến P-Si. Độ

dày của phiến N-Si vào khoảng 0,02 mm, phiến P-Si khoảng 0,3 - 0,5 mm.
Một tổ hợp gồm các phiến N-Si, P-Si, các màng điện cực, màng chống phản xạ
ánh sáng nói trên được gọi là Pin mặt trời (hình 1.12).


16

Hình 1.12. Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của Pin mặt trời
Khi photon chạm vào mảnh silic thì sẽ truyền xuyên qua mảnh silic có thể đến
lớp tiếp xúc PN do phiến N-Si rất mỏng. Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó
được truyền đến các hạt electron trong màng tinh thể. Thông thường các electron này ở
lớp ngoài cùng và thường được kết dính với các nguyên tử lân cận, vì thế không thể di
chuyển xa. Khi electron được kích thích trở thành dẫn điện (mang điện tích âm) và có
thể tự do di chuyển trong bán dẫn. Khi đó nguyên tử sẽ thiếu 1 electron và đó gọi là lỗ
trống (mang điện tích dương). Lỗ trống này tạo điều kiện cho các electron của nguyên
tử bên cạnh di chuyển đến và tạo ra lỗ trống cho nguyên tử lân cận. Cứ tiếp tục như
vậy, lỗ trống di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn. Do có điện trường tiếp xúc Etx tại
lớp PN nên các điện tử và lỗ trống bị đẩy về 2 phía khác nhau, giữa 2 điện cực trên và
dưới có một hiệu điện thế, khi nối 2 điện cực với tải thì ta có dòng quang điện.
Với một tế bào pin mặt trời (cell) silic thì hiệu điện thế chỉ khoảng 0,5 - 0,6V,
vì thế để đáp ứng được nhu cầu sử dụng điện năng lớn hơn người ta thường nối nối
tiếp và song song nhiều cell lại với nhau thành từng nhóm gọi là mudule mặt trời. Một
module mặt trời có một giàn khung để giữ các cell, nếu cần công suất lớn hơn nữa thì
có thể ghép các module (nối tiếp/song song) lại thành mảng pin mặt trời (array).
Hiện nay, PMT chế tạo từ tinh thể silic chia làm 3 loại (hình 1.13):
- Một tinh thể hay đơn tinh thể (mono): Pin mono với các solar cell được làm
bằng monocrystalline silicon (mono-Si) với độ tinh khiết cao, nhìn bằng mắt thường sẽ
thấy tấm pin đều màu và đồng nhất. Nguồn nguyên liệu chủ yếu được sử dụng là các
chất bán dẫn silicon dạng ống, tinh khiết và được cắt ra thành các miếng mỏng. Bởi vì
tế bào bao gồm một tinh thể đồng nhất nên các phân tử electron tạo ra dòng điện có

nhiều khoảng trống để chúng di chuyển. Tấm pin mono có hiệu suất khoảng từ 1520% và có giá thành cao do được cắt từ các thỏi hình ống và các tấm đơn thể có các
mặt trống ở góc nối các module.