Mô phỏng, thi công hệ thống pin mặt trời nuôi tải dc. Tìm hiểu vận hành hệ thống pin mặt trời độc lập (aa10-121107_isole)

1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN THIẾT BỊ ĐIỆN
------------




LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP


MÔ PHỎNG, THI CÔNG HỆ THỐNG PIN MẶT
TRỜI NUÔI TẢI DC.
TÌM HIỂU VẬN HÀNH HỆ THỐNG PIN MẶT
TRỜI ĐỘC LẬP (AA10-121107_ISOLE).


GVHD: PGSTS. NGUYỄN HỮU PHÚC
ThS. PHAN QUANG ẤN
SVTH: NGÔ MINH AN
MSSV: 40200009

TP Hồ Chí Minh, Tháng 6/2008



2


Đại học Quốc Gia TPHCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Đại học Bách Khoa TPHCM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
Khoa Điện – Điện tử

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

SVTH: Ngô Minh An MSSV: 40200009
Lớp: DD02KTD1 Ngành: Kĩ thuật điện
Bộ môn: Thiết bị điện

1 - Đề tài:
MÔ PHỎNG, THI CÔNG HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI NUÔI TẢI DC.
TÌM HIỂU VẬN HÀNH HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI ĐỘC LẬP
(AA-121107_ISOLE).
2 - Nhiệm vụ:
- Mô phỏng hệ thống pin mặt trời độc lập bằng chương trình Bond-Graph:
+ Giới thiệu phần mềm 20 SIM (Bond - Graph).
+ Pin mặt trời (tính toán, cơ sở lý thuy
ết, mô phỏng).
+ Mạch biến đổi DC-DC (tính toán, cơ sở lý thuyết, mô phỏng).
+ Acquy (tính toán, cơ sở lý thuyết, mô phỏng).
+ Mô phỏng hệ thống.
- Thiết kế và thi công mạch nạp acquy trong hệ thống pin mặt trời.

- Tìm hiểu vận hành hệ thống pin mặt trời độc lập (AA-121107_ISOLE).
3 – Ngày nhận đề tài luận văn: 03-03-2008.
4 – Ngày hoàn thành luận văn: 22-06-2008.
5 - Giáo viên hướng dẫn : Phần hướng dẫn:
1. NGUYỄN H
ỮU PHÚC 50%
2. PHAN QUANG ẤN 50%

Nội dung và yêu cầu LATN đã được thông qua Bộ môn.
Ngày……. tháng…….năm 2008

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
(ký và ghi rõ họ tên) (ký và ghi rõ họ tên)






3

LỜI CẢM ƠN
Kính thưa quý thầy cô!
Em xin được gửi lời cám ơn chân thành đến Ban Giám Hiệu và
các thầy cô trong trường, đặc biệt là các thầy cô trong khoa Điện-
Điện tử trường Đại học Bách Khoa TPHCM, đã tận tình chỉ dạy,
truyền đạt kiến thức cũng như tạo điều kiện thuận lợi cho em trong
suốt quá trình học tập vừa qua.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Hữu Phúc và thầy Phan
Quang
Ấn đã dành nhiều thời gian, công sức, quan tâm theo dõi, tận
tình hướng dẫn, động viên và nhắc nhở em hoàn thành tốt luận văn
này.
Qua đây, em cũng xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các bạn bè và
người thân xung quanh đã động viên, giúp đỡ em rất nhiều trong quá
trình học tập.

TP.HCM, tháng 6 / 2008
Sinh viên
NGÔ MINH AN



4

TÓM TẮT LUẬN VĂN.

Năng lượng mặt trời cũng như nhiều nguồn năng lượng mới khác như năng
lượng gió, năng lượng thủy triều…, tuy không còn là đề tài mới đối với thế giới nhưng
đối với Việt Nam vấn đề này gần đây mới được quan tâm.
Luận văn “MÔ PHỎNG, THI CÔNG HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI NUÔI TẢI
DC , TÌM HIỂU VẬN HÀNH HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI ĐỘ
C LẬP” là một đề tài
chỉ nghiên cứu một mảng nhỏ trong hệ thống pin mặt trời, đó là phần nuôi tải DC.
Luận văn gồm 2 phần chính:
- Phần mô phỏng : mô phỏng hệ thống pin mặt trời nuôi tải DC bằng chương
trình Bond-Graph gồm có: mô phỏng tấm pin mặt trời, mô phỏng bộ biến đổi DC-DC,
mô phỏng Acquy và mô phỏng hệ thống gồm 3 phần trên.
- Phần thi công: thiết kế và thi công m
ạch nạp cho acquy và cung cấp cho phụ tải
từ nguồn pin mặt trời. Mạch điện có hai phần chính là mạch điều khiển dùng PIC
18F8722 và mạch biến đổi DC-DC (Cuk converter).
Nội dung luận văn gồm 5 chương:
Chương 1: GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG PIN
MẶT TRỜI.
Chương 2: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI NUÔI TẢI DC BẰNG
CHƯƠNG TRÌNH BOND-GRAPH.
Chươ
ng 3: THI CÔNG MẠCH ĐIỆN VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN
NẠP ACQUY TỪ PIN MẶT TRỜI.
Chương 4: TÌM HIỂU VẬN HÀNH HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI ĐỘC LẬP
AA-121107_ISOLE .
Chương 5: KẾT QUẢ, HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI.
Trong luận văn này tôi đã cố gắng đưa vào nội dung những phần lý thuyết quan
trọng về hệ thống pin mặt trời. Đặc biệt là phần mô phỏ
ng trong chương 2, nội dung
giới thiệu về một công cụ mô phỏng mới, đó là chương trình 20Sim. Qua đây tôi

không chỉ muốn giới thiệu về mô phỏng pin mặt trời mà còn mong muốn người đọc
xem như đây là một ví dụ để tìm hiểu về chương trình mô phỏng này.
Phần mạch điện chưa thật sự hoàn thiện nhưng những ai quan tâm đến vi điều
khiển PIC, các mạch hồ
i tiếp dòng áp, mạch Cuk và mạch nguồn cách ly đều có thể lấy
đây làm ví dụ để tham khảo.
Mặc dù là kết quả tâm huyết của gần 3 tháng làm việc nhưng cũng không tránh
được những sai xót, xin quý thầy cô và các bạn đóng góp ý kiến.
Rất tiếc tôi đã không có đủ thời gian và khả năng để theo đuổi đến cùng đề tài
này, mong các bạn khóa sau phát triển và hoàn thiện hơn nữa. Xin đừng nghĩ đây chỉ
là một lu
ận văn, hãy nghĩ đến một ngày có một sản phẩm hệ thống pin mặt trời mang
thương hiệu Việt Nam.



5


MỤC LỤC
Đề mục:
Trang bìa......................................................................................................................................i
Nhiệm vụ luận văn
Lời cảm ơn..................................................................................................................................ii
Tóm tắt luận văn........................................................................................................................iii
Mục lục......................................................................................................................................iv
Danh sách bảng và hình vẽ........................................................................................................vi

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG PIN MẶT
TRỜI...........................................................................................................................................1

1.1 Mặt trời và nguồn bức xạ Mặt trời........................................................................1
1.2 Ứng dụng của năng lượng Mặt trời.......................................................................4

1.3 Pin mặt trời, cấu tạo và nguyên lý hoạt động…………………………………………...6
1.3.1 Cấu tạo
....................................................................................................................7
1.3.2 Nguyên lý hoạt động
..........................................................................................10
1.4 Hệ thống pin mặt trời …………………………………………………………………13
1.4.1 Thiết kế một hệ thống pin mặt trời
...................................................................14
1.4.2 Ứng dụng của pin mặt trời
.................................................................................16

CHƯƠNG 2: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI NUÔI TẢI DC BẰNG CHƯƠNG
TRÌNH BOND-GRAPH........................................................................................................... 18
2.1 Giới thiệu chương trình Bond-Graph..................................................................18

2.1.1 Giao diện và các công cụ cơ bản………………………………………….19
2.1.2 Một số mô hình cơ bản của chương trình Bond Graph…………………..23
2.1.3 Một số quy tắc xây dựng mô hình mạch điện trên Bond-Graph…………25

2.1.4 Các quy ước biểu diễn đường liên kết
..............................................................26
2.2 Mô phỏng pin mặt trời ........................................................................................28
2.2.1 Sơ đồ tương đương của pin mặt trời
.................................................................28
2.2.2 Dòng ngắn mạch Isc...............................................................................................29
2.2.3 Điện áp hở mạch V
OC

........................................................................................29
2.2.4 Mạch điện tương đương chính xác
...................................................................31
2.2.5 Tấm pin mặt trời
..................................................................................................34
2.2.6 Điểm công suất cực đại MPP
............................................................................36
2.2.7 Hệ số lấp đầy và hiệu suất của pin mặt trời
.....................................................38
2.2.8 Mô phỏng pin mặt trời
........................................................................................38
2.3 Mạch biến đổi DC-DC ........................................................................................42
2.3.1 Mạch Cuk converter
...........................................................................................42
2.3.2 Tính thông số chi tiết mạch Cuk
.......................................................................44
2.3.3 Mô phỏng mạch Cuk bằng chương trình Bond-Graph
...................................46
2.4 Acquy ..................................................................................................................48
2.4.1 Giới thiệu về Acquy
............................................................................................48
2.4.2 Các phương pháp phóng và nạp Acquy
...........................................................50



6

2.4.3 Các chế độ vận hành
...........................................................................................51

2.4.4 Mô hình Bond Graph của Acquy
......................................................................51
2.5 Mô phỏng mạch nạp Acquy trong hệ thống pin mặt trời độc lập.......................53

CHƯƠNG 3:
THI CÔNG MẠCH ĐIỆN VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN NẠP
ACQUY TỪ PIN MẶT TRỜI
..............................................................................................57
3.1 Thi công mạch nạp Acquy từ nguồn pin mặt trời ...............................................57
3.1.1 Mạch điều khiển
..................................................................................................58
3.1.2 Mạch Cuk converter
...........................................................................................61
3.1.3 Các mạch hồi tiếp dòng áp
.................................................................................63
3.1.4 Các mạch nguồn
..................................................................................................67
3.2 Chương trình điều khiển .....................................................................................71

CHƯƠNG 4:
TÌM HIỂU VẬN HÀNH HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI ĐỘC LẬP
AA-121107_ISOLE
………………………………………………………………………..74

4.1 Giới thiệu về hệ thống pin mặt trời độc lập AA10-121107_ISOLE...................74
4.2 Vận hành hệ thống pin mặt trời độc lập AA10-121107_ISOLE ........................84
4.2.1 Trình tự vận hành tủ điều khiển
........................................................................85
4.2.2 Giới thiệu về bộ điều khiển BP-GM
.................................................................86

4.2.3 Vận hành bằng Datapex
.....................................................................................94

Chương 5: KẾT QUẢ, HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ............................................106
5.1 Kết quả: .............................................................................................................106
5.1.1 Kết quả khảo sát pin mặt trời
...........................................................................106
5.1.2 Kết quả phần thi công mạch
............................................................................110
5.2 Nhận xét ............................................................................................................112
5.3 Hướng phát triển ...............................................................................................112

TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................................114
PHỤ LỤC : DATASHEET CỦA PIC 18F8722.....................................................................115

7

DANH SÁCH BẢNG VÀ HÌNH ẢNH.
Bảng 4.1 Thông số của tấm pin mặt trời.
Bảng 4.2 Thông số Acquy.
Bảng 4.3 Tính chất và chức năng của thiết bị.
Bảng 4.4 Thông số bộ nghịch lưu.
Bảng 4.5: Các kí hiệu hiển thị trên màn hình BP –GM.
Bảng 4.6 Các menu chính trong BP-GM.
Bảng 5.1 Kết quả khảo sát lần 1(10h, ngày 29/5/08).
Bảng 5.2 Kết quả khảo sát lần 2(10h 30’, ngày 29/5/08).
Bảng 5.3 Kết quả khảo sát lần 3(11h, ngày 29/5/08).
Bảng 5.4 Kết quả khảo sát lần 4(11h 30’, ngày 29/5/08).
B
ảng 5.5 Kết quả khảo sát lần 5(12h, ngày 29/5/08).
Bảng 5.6 Kết quả khảo sát lần 6(12h 30’, ngày 29/5/08).

Hình 1.1 Cấu trúc của mặt trời.
Hình 1.2 Dải bức xạ điện từ.
Hình 1.3 Các tuốc bin gió phát điện nhờ sức gió

và thủy triều, tận thu một cách
gián tiếp năng lượng Mặt Trời.
Hình 1.4 Nhà máy điện mặt trời.
Hình 1.5 Một cell pin mặt trời.
Hình 1.6 Cấu tạo của pin mặt trời.

Hình 1.7 Các loại cấu trúc tinh thể của pin mặt trời.
Hình 1.8 Một số loại panel pin mặt trời.
Hình 1.9 Quá trình tạo một panel pin mặt trời.
Hình 1.10 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời.
Hình 1.11 Hệ thống 2 mức năng lượ
ng trong đó E1 < E2.
Hình 1.12 Các vùng năng lượng.
Hình 1.13 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời.
Hình 1.14 Sơ đồ khối hệ thống pin mặt trời độc lập.
Hình 1.15 Sơ đồ khối hệ thống pin mặt trời.
Hình 1.16 Bộ Acquy của hãng KesslerSun.
Hình 1.17 Bộ điều khiển.
Hình 1.18 Inverter của Sunny Boy.
Hình 1.19 Trạm vũ trụ ISS.
Hình 1.20 Robot tự hành trên sao hỏa và vệ tinh nhân tạo.
Hình 1.21 Pin mặt trời được ứng dụng tại các hộ gia
đình và trong nông nghiệp.
Hình 2.1 Chương trình mô phỏng 20-SIM.



8

Hình 2.2 Cửa sổ 20-Sim Editor.
Hình 2.3 Cửa sổ Editor với mô hình Central Heating System.
Hình 2.4 Cửa sổ Icon Editor.
Hình 2.5 Cửa sổ Type Editor.
Hình 2.6 Cửa sổ mô phỏng.
Hình 2.7 Cửa sổ Parameter/Initial Values Editor.
Hình 2.8 Cửa sổ Variable Chooser.

Hình 2.9 Cửa sổ Run Properties.
Hình 2.10 Cửa sổ Plot Properties.
Hình 2.11 Sơ đồ mạch điện cần được mô phỏng và mô hình chưa được rút gọn.
Hình 2.12 Cách biểu diễn thứ hai của ví dụ trên.
Hình 2.13 Ví dụ một nguồn pin cấp cho tải.
Hình 2.14 Sơ đồ tương
đương của pin mặt trời.
Hình 2.15 Sơ đồ tương đương đơn giản của pin mặt trời gồm một nguồn dòng
mắc song song với một diode lý tưởng.
Hình 2.16 Đồ thị V-A của pin mặt trời.
Hình 2.17 Đồ thị V-A của ví dụ trên.
Hình 2.18 Mô hình đơn giản với một pin bị khuất sáng.
Hình 2.19 Sơ đồ tương đương đơn giản với Rsh mắc song song.
Hình 2.20 Đồ thị V-A của sơ
đồ tương đương có Rsh mắc song song.
Hình 2.21 Sơ đồ tương đương đơn giản với Rs mắc nối tiếp.
Hình 2.22 Đồ thị V – A của mạch điện tương đương có Rs mắc nối tiếp.
Hình 2.23 Sơ đồ tương đương gồm Rsh và Rs.
Hình 2.24 Đồ thị V – A của sơ đồ tương đương trên với Rsh = 1Ω, Rs = 0,05Ω.
Hình 2.25 Mắc nối tiếp hoặc song song các pin mặt trời tạo thành tấm hay k
ết
nối các tấm pin lại tạo thành mảng để đạt công suất cao hơn.
Hình 2.26 Đồ thị V - A của một tấm pin mặt trời.
Hình 2.27 Khi mắc nối tiếp các tấm pin mặt trời, dòng ngắn mạch của hệ thống
sẽ bằng dòng ngắn mạch của một tấm, áp hở mạch của hệ thống bằng tổng áp hở
mạch của tất cả tấm pin m
ặt trời trong hệ thống.
Hình 2.28 Khi mắc song song các tấm pin mặt trời, dòng ngắn mạch của hệ
thống sẽ bằng tổng dòng ngắn mạch của tất cả tấm pin mặt trời trong hệ thống,
áp hở mạch của hệ thống bằng áp hở mạch của một tấm.

Hình 2.29 Pin mặt trời khi hở mạch, ngắn mạch và mắc với tải.
Hình 2.30 Đồ thị V – A và
đồ thị công suất của pin mặt trời.
Hình 2.31 Xác định điểm MPP.
Hình 2.32 Mô hình Bond-Graph của pin mặt trời.
Hình 2.33 Mô hình nguồn dòng và tải.



9

Hình 2.34 Đặc tuyến V-A của pin mặt trời.
Hình 2.35 Đường đặc tuyến V-A, đồ thị công suất và điểm cực đại công suất
MPP.
Hình 2.36 Đồ thị V – A với sự thay đổi của cường độ ánh sáng.
Hình 2.37 Đặc tuyến V – A dưới sự thay đổi của nhiệt độ.
Hình 2.38 Đồ thị V – A khi mắc nối tiếp các pin lại với nhau.
Hình 2.39 Đồ thị V – A khi các pin được mắc song song.
Hình 2.40 Sơ đồ mạch sạc acquy t
ừ hệ thống pin mặt trời dùng mạch Cuk
Converter.
Hình 2.41 Sơ đồ mạch nguyên lý.
Hình 2.42 Sơ đồ tương đương của mạch Cuk khi Q dẫn.
Hình 2.43 Sơ đồ tương đương của mạch Cuk khi Q ngắt.
Hình 2.44 Khảo sát chế độ dòng tải liên tục.
Hình 2.45 Sơ đồ nguyên lý mạch Cuk.
Hình 2.46 Sơ đồ Bond Graph của mạch Cuk Converter.
Hình 2.47 Đồ thị V
in
, V

out
của mạch Cuk converter.
Hình 2.48 Đồ thị I
in
, I
out
của mạch Cuk converter.
Hình 2.49 Cấu tạo của Acquy chì.
Hình 2.50 Sơ đồ tương đương của Acquy.
Hình 2.51 Mô hình Bond Graph của Acquy.
Hình 2.52 Đồ thị điện áp và dòng điện của Acquy khi nối tải 30Ω.
Hình 2.53 Đồ thị điện áp và dòng điện của Acquy khi nạp từ nguồn 30V.
Hình 2.54 Sơ đồ nguyên lý mạch nạp acquy từ pin mặt trời.
Hình 2.55 Sơ đồ chu trình hoạt động của mạch.
Hình 2.56 Chu trình kín của dòng I
L2
.
Hình 2.57 Sơ đồ khái quát chu trình điện áp.
Hình 2.58 Sơ đồ điều khiển vòng kín mạch nạp Acquy.
Hình 2.59 Mô hình Bond Graph mạch nạp acquy từ hệ thống pin mặt trời.
Hình 3.1 Mô hình hệ thống.
Hình 3.2 Sơ đồ khối mạch điện.
Hình 3.3 Sơ đồ chân của PIC 18F8722.
Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển.
Hình 3.5 Mạch chỉnh điện áp chuẩn cho bộ ADC.
Hình 3.6 Mạch giao tiếp máy tính dùng MAX232.
Hình 3.7 Sơ đồ chân MAX232.
Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý mạch Cuk converter.
Hình 3.9 Sơ đồ chân của FGA25N120 ANTD.

10

Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý mạch kích IGBT.
Hình 3.11 Sơ đồ chân HCPL 2231.
Hình 3.12 Sơ đồ chân HEF40106BP.
Hình 3.13 Sơ đồ chân của OP07.
Hình 3.14 Sơ đồ nguyên lý mạch hồi tiếp áp ngõ vào.
Hình 3.15 Sơ đồ chân LM393.
Hình 3.16 Sơ đồ nguyên lý mạch hồi tiếp áp ngõ ra.
Hình 3.17 Cảm biến dòng LTS25-NP.
Hình 3.18 Sơ đồ chân của LTS25-NP.
Hình 3.19 Sơ đồ nguyên lý mạch hồi tiếp dòng ngõ vào.
Hình 3.20 Mạch hồi tiếp dòng ngõ ra.
Hình 3.21 Mạch nguồn DC 5V.
Hình 3.22 Sơ đồ chân của 205S24FR.
Hình 3.23 Sơ đồ mạch nguồ
n DC 12V.
Hình 3.24 Sơ đồ mạch nguồn DC
±
15V.
Hình 3.25 Sơ đồ chân của B688.
Hình 3.26 Sơ đồ chân của LM78XX
Hình 3.27 Sơ đồ chân 0515.
Hình 3.28 Mạch điện sau khi hoàn thành.
Hình 3.29 Giao diện chương trình MPLAB.
Hình 3.30 Giao diện chương trình WinPic800.
Hình 3.31 Lưu đồ giải thuật.
Hình 3.32 Chương trình điều khiển giao tiếp với máy tính.

Hình 4.1 Sơ đồ khối hệ thống pin mặt trời độc lập AA10 – 121107_Isole.
Hình 4.2 Tủ điện hệ thống pin mặt trời độc lập.
Hình 4.3 Hệ thố
ng pin mặt trời độc lập AA10 – 121107_ISOLE.
Hình 4.4 Acquy dùng trong hệ thống.
Hình 4.5 Bộ biến tần sử dụng trong hệ thống.
Hình 4.6
Sơ đồ đấu dây của tủ điều khiển.
Hình 4.7 Sơ đồ đấu dây bộ BP controller.
Hình 4.8 Bộ điều khiển BP-GM.
Hình 4.9 Giao diện đầu tiên của BP –GM.
Hình 4.10 Giao diện menu A.
Hình 4.11 Giao diện menu C.
Hình 4.12 Giao diện menu D.
Hình 4.13 Giao diện menu E.
Hình 4.14 Giao diện menu F.




11

Hình 4.14 Giao diện menu F.
Hình 4.16 Đăng nhập và chọn đường dẫn.
Hình 4.17 Cửa sổ làm việc chính.
Hình 4.18 Nhập site number, site name, địa chỉ, số điện thoại, ngày tháng năm.
Hình 4.19 Nhập các thông số kĩ thuật của acquy.
Hình 4.20 Chọn thiết bị,nhập số seri của BP- GM.
Hình 4.21 Pin quang điện, acquy, tải, BP-GM kết nối.
Hình 4.22 Chọn cổng kết nối.

Hình 4.23 Chọn tốc độ bauds.
Hình 4.24 Kết nối BP-GM.
Hình 4.25 Kết nối thành công.
Hình 4.26 Các giá trị
Ip1, P, Iu1, P của pin và tải.
Hình 4.27 Ngắt khóa S3, S7.
Hình 4.28 Chọn kiểu điện áp acquy, ngày giờ.
Hình 4.29 Chọn kiểu acquy S3, S7.
Hình 4.30 Chọn giá trị dòng I
1
, I
3
.
Hình 4.31 Xem cài đặt BP-GM.
Hình 4.32. Chọn ngày giờ bắt đầu và kết thúc vận hành.
Hình 4.33. Kết nối dữ liệu.
Hình 4.34 Chọn ngày, tháng, năm hiển thị.
Hình 4.35 Đồ thị điện áp acquy.
Hình 4.36 Đồ thị dòng điện của pin quang điện.
Hình 4.37 Đồ thị dòng điện pin quang điện và tải.
Hình 4.38 Đồ thị dòng nạp, dòng phóng điện, dòng bão hòa của acquy.
Hình 5.1 Đồ thị V – A khảo sát lần 1.
Hình 5.2 Đồ th
ị V – A khảo sát lần 2.
Hình 5.3 Đồ thị V – A khảo sát lần 3.
Hình 5.4 Đồ thị V – A khảo sát lần 4.
Hình 5.5 Đồ thị V – A khảo sát lần 5.
Hình 5.6 Đồ thị V – A khảo sát lần 6.
Hình 5.7 Mạch nạp Acquy sau khi hoàn thiện.
Hình 5.8 Tín hiệu kích IGBT sau khi qua bộ đệm.

Hình 5.9 Áp trên cuộn cảm L1.
Hình 5.10 Áp trên cuộn cảm L2.
Hình 5.11 Điện áp ngõ ra trên tụ C2.
Hình 5.12 Điện áp trên tụ C1.





12

Chương 1: GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ
HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI.

1.1 Mặt trời và nguồn bức xạ Mặt trời :
Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1,390.106km (lớn hơn 110 lần đường
kính trái đất), cách xa trái đất 150.106km (bằng một đơn vị thiên văn AU ánh sáng mặt trời
cần khoảng 8 phút để vượt qua khoảng này đến trái đất). Khối lượng mặt trời khoảng Mo =
2.1030kg. Nhiệt độ T ở trung tâm mặt trời thay đổi trong khoảng từ 10.10
6
K đến 20.10
6
K,
trung bình khoảng 15600000 K. Ở nhiệt độ như vậy vật chất không thể giữ được cấu trúc trật
tự thông thường gồm các nguyên tử và phân tử. 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 có va chạm với
nhau sẽ xuất hiện những vụ nổ nhiệt hạch. Khi quan sát tính chất của vật chất nguội hơn trên
bề mặt nhìn thấ
y được của mặt trời, các nhà khoa học đã kết luận rằng có phản ứng nhiệt
hạch xảy ra ở trong lòng mặt trời. Mặt Trời không có ranh giới rõ ràng như ở các hành tinh

có đất đá. Ngược lại, mật độ các khí giảm dần xuống theo quan hệ số mũ
theo khoảng cách
tính từ tâm Mặt Trời. Bán kính của Mặt Trời được đo từ tâm tới phần rìa ngoài của quang
quyển.

Hình 1.1 Cấu trúc của mặt trời.
Nhiệt độ T
o
tại trung tâm mặt trời thay đổi trong khoảng từ 10.106K đến
20.106K, trung bình khoảng 15600000 K. Ở nhiệt độ như vậy vật chất không thể giữ
được cấu trúc trật tự thông thường gồm các nguyên tử và phân tử. 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 có va chạm với nhau sẽ xuất hiện những vụ nổ nhiệt hạch. Khi quan sát
tính chất củ
a vật chất nguội hơn trên bề mặt nhìn thấy được của mặt trời, các nhà khoa
học đã kết luận rằng có phản ứng nhiệt hạch xảy ra ở trong lòng mặt trời.



13

Về cấu trúc, mặt trời có thể chia làm 4 vùng, tất cả hợp thành một khối cầu khí
khổng lồ. Vùng giữa gọi là nhân hay “lõi” có những chuyển động đối lưu, nơi xảy ra
những phản ứng nhiệt hạt nhân tạo nên nguồn năng lượng mặt trời, vùng này có bán
kính khoảng 175.000km, khối lượng riêng 160kg/dm3, nhiệt độ ước tính từ 14 đến 20
triệu độ, áp suất vào khoảng hàng trăm tỷ atmotphe. Vùng kế
tiếp là vùng trung gian
còn gọi là vùng “đổi ngược” qua đó năng lượng truyền từ trong ra ngoài, vật chất ở
vùng này gồm có sắt (Fe), can xi (Ca), nát ri (Na), stronti (Sr), crôm (Cr), kền (Ni),
cácbon ( C), silíc (Si) và các khí như hiđrô (H2), hêli (He), chiều dày vùng này khoảng

400.000km. Tiếp theo là vùng “đối lưu” dày 125.000km và vùng “quang cầu” có nhiệt
độ khoảng 6000K, dày 1000km ở vùng này gồm các bọt khí sôi sục, có chỗ tạo ra các
vết đen, là các hố xoáy có nhiệt độ thấp khoảng 4500K và các tai lửa có nhiệt độ từ
7000K -10000K. Vùng ngoài cùng là vùng bất định và gọ
i là “khí quyển” của mặt trời.
Ánh sáng
nói riêng, hay bức xạ điện từ nói chung, từ bề mặt của Mặt Trời được
xem là nguồn năng lượng
chính cho Trái Đất. Hằng số năng lượng mặt trời được tính
bằng công suất
của lượng bức xạ trực tiếp chiếu trên một đơn vị diện tích bề mặt Trái
Đất, bằng khoảng 1370 W/m
2
. Ánh sáng Mặt Trời bị hấp thụ một phần trên bầu khí
quyển Trái Đất, nên một phần nhỏ hơn tới được bề mặt Trái Đất, gần 1000 W/m² năng
lượng Mặt Trời tới Trái Đất trong điều kiện trời quang đãng. Năng lượng này có thể
dùng vào các quá trình tự nhiên hay nhân tạo. Quá trình quang hợp
trong cây sử dụng
ánh sáng mặt trời và chuyển đổi CO
2
thành ôxy và hợp chất hữu cơ, trong khi nguồn
nhiệt trực tiếp là làm nóng các bình đun nước
dùng năng lượng Mặt Trời, hay chuyển
thành điện năng bằng các pin năng lượng Mặt Trời
. Năng lượng dự trữ trong dầu mỏ
được giả định rằng là nguồn năng lượng của Mặt Trời được chuyển đổi từ xa xưa trong
quá trình quang hợp và phản ứng hóa sinh của sinh vật cổ.
Trong toàn bộ bức xạ của Mặt trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các phản ứng
hạt nhân xảy ra trong Mặt trời không quá 3%. Bức xạ γ ban đầu khi đi qua 5.10
5

km
chiều dầy của lớp vật chất Mặt trời của 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 trong các sóng đó, tứ tâm Mặt trời đi ra cho sự va chạm hoặc tán xạ mà năng
lượng của chúng giảm đi và bây giờ chúng ứng vớ
i bức xạ có bước sóng dài. Như vậy
bức xạ chuyển thành bức xạ Rơnghen có bước sóng dài hơn. Gần đến bề mặt Mặt trời
nơi có nhiệt độ đủ thấp để có thể tồn tại vật chất trong trạng thái nguyên tử và các cơ
chế khác bắt đầu xảy ra.



14


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 dải 10
-1
– 10 µm và hầu như
một nửa tổng năng lượng Mặt trời tập trung trong khoảng bước sóng 0,38 – 0,78 µm
đó là vùng nhìn thấy của phổ.
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 1m
2
bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ, được tính theo công thức:
q = ϕ
D-T
.C

0
(T/100)
4
(1.1)
Trong đó: ϕ
D-T
: hệ số góc bức xạ giửa Trái đất và Mặt trời.
ϕ
D-T
= β
2
/4 (1.2)
β : góc nhìn mặt trời, β
32’
C
0
= 5,67 W/m
2
.K
4
– hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối.
T
5762
0
K – nhiệt độ bề mặt Mặt trời.
⇒q
1353 W/m
2
.
Do khoảng cách giửa 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 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 ở tầng ozon, hơi nước và bụi trong khí quyển, chỉ một phần năng lượ
ng
được truyền trực tiếp đến Trái đất.Toàn bộ bức xạ tử ngoại được sử dụng để duy trì
quá trình phân ly và hợp nhất của O,O
2
và O
3
đó là 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



15

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 có
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 trong sáng và có thể quan sát
được ở những độ cao không lớn. Các giọt n
ước cũng tán xạ rất mạnh bức xạ mặt trời.
Bức xạ mặt trời khi đi qua khí quyển còn gặp một trở ngại đáng kể nữa đó là do sự hấp
thụ của các phần tử hơi nước, khí cacbônic 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 c
ủa phổ.

Phần năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt trái đất trong những ngày
quang đãng (không có mây) ở thời điểm cao nhất vào khoảng 1000W/m2.

1.2 Ứng dụng của năng lượng Mặt trời:
Đối với cuộc sống của loài người, năng lượng Mặt Trời là một nguồn năng lượng
tái tạo quý báu.
Có thể trực tiếp thu lấ
y năng lượng này thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển
năng lượng các photon của Mặt Trời thành điện năng, như trong pin Mặt Trời. Năng
lượng của các photon cũng có thể được hấp thụ để làm nóng các vật thể, tức là chuyển
thành nhiệt năng, sử dụng cho bình đun nước Mặt Trời, hoặc làm sôi nước trong các
máy nhiệt điện của tháp Mặt Trời, hoặc v
ận động các hệ thống nhiệt như máy điều hòa
Mặt Trời.
Năng lượng của các photon có thể được hấp thụ và chuyển hóa thành năng lượng
trong các liên kết hóa học của các phản ứng quang hóa.
Một phản ứng quang hóa tự nhiên là quá trình quang hợp. Quá trình này được
cho là đã từng dự trữ năng lượng Mặt Trời vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch không
tái sinh mà các nền công nghiệp của thế kỷ 19 đế
n 21 đã và đang tận dụng. Nó cũng là
quá trình cung cấp năng lượng cho mọi hoạt động sinh học tự nhiên, cho sức kéo gia
súc và củi đốt, những nguồn năng lượng sinh học tái tạo truyền thống. Trong tương lai,
quá trình này có thể giúp tạo ra nguồn năng lượng tái tạo ở nhiên liệu sinh học, như
các nhiên liệu lỏng (diesel sinh học, nhiên liệu từ dầu thực vật), khí (khí đốt sinh học)
hay rắn.
Năng l
ượng Mặt Trời cũng được hấp thụ bởi thủy quyển Trái Đất và khí quyển
Trái Đất để sinh ra các hiện tượng khí tượng học chứa các dạng dự trữ năng lượng có
thể khai thác được. Trái Đất, trong mô hình năng lượng này, gần giống bình đun nước
của những động cơ nhiệt đầu tiên, chuyển hóa nhiệt năng hấp thụ từ photon của Mặt

Trời, thành độ
ng năng của các dòng chảy của nước, hơi nước và không khí, và thay
đổi tính chất hóa học và vật lý của các dòng chảy này.
Thế năng của nước mưa có thể được dự trữ tại các đập nước và chạy máy phát
điện của các công trình thủy điện. Một dạng tận dụng năng lượng dòng chảy sông suối



16

có trước khi thủy điện ra đời là cối xay nước. Dòng chảy của biển cũng có thể làm
chuyển động máy phát của nhà máy điện dùng dòng chảy của biển.

Hình 1.3 Các tuốc bin gió phát điện nhờ sức gió

và thủy triều, tận thu một cách gián
tiếp năng lượng Mặt Trời.
Dòng chảy của không khí, hay gió, có thể sinh ra điện khi làm quay tuốc bin gió. Trước
khi máy phát điện dùng năng lượng gió ra đời, cối xay gió đã được ứng dụng để xay ngũ cốc.
Năng lượng gió cũng gây ra chuyển động sóng trên mặt biển. Chuyển động này có thể được
tận dụng trong các nhà máy điện dùng sóng biển.
Đại dương trên Trái Đấ
t có nhiệt dung riêng lớn hơn không khí và do đó thay đổi nhiệt
độ chậm hơn không khí khi hấp thụ cùng nhiệt lượng của Mặt Trời. Đại dương nóng hơn
không khí vào ban đêm và lạnh hơn không khí vào ban ngày. Sự chênh lệch nhiệt độ này có
thể được khai thác để chạy các động cơ nhiệt trong các nhà máy điện dùng nhiệt lượng của
biển.
Khi nhiệt năng hấp thụ từ photon của Mặt Trời làm bốc h
ơi nước biển, một phần năng
lượng đó đã được dự trữ trong việc tách muối ra khỏi nước mặn của biển. Nhà máy điện dùng

phản ứng nước ngọt - nước mặn thu lại phần năng lượng này khi đưa nước ngọt của dòng
sông trở về biển.

Hình 1.4 Nhà máy điện mặt trời.
Điện năng còn có thể tạo ra từ năng lượng mặt trời dựa trên nguyên tắc tạo nhiệt độ cao
bằng một hệ thống gương phản chiếu và hội tụ để gia nhiệt cho môi chất làm việc truyền
động cho máy phát điện.



17

Hiện nay trong các nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời có các loại hệ
thống bộ thu chủ yếu sau đây:
Hệ thống dùng parabol trụ để tập trung tia bức xạ mặt trời vào một ống môi chất đặt
dọc theo đường hội tụ của bộ thu, nhiệt độ có thể đạt tới 400
o
C.
Hệ thống nhận nhiệt trung tâm bằng cách sử dụng các gương phản xạ có định vị theo
phương mặt trời để tập trung năng lượng mặt trời đến bộ thu đặt trên đỉnh tháp cao, nhiệt độ
có thể đạt tới trên 1500
o
C.
Trong thời đại khoa học kỹ thuật phát triển, nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng.
Trong khi đó các nguồn nhiên liệu dự trữ như than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên và ngay cả
thủy điện thì có hạn khiến cho nhân loại đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng. Việc tìm
kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới như năng lượng hạt nhân, năng lượng địa
nhiệ
t, năng lượng gió và năng lượng mặt trời là một trong những hướng quan trọng trong kế
hoạch phát triển năng lượng, không những đối với những nước phát triển mà ngay cả với

những nước đang phát triển.
Năng lượng mặt trời - nguồn năng lượng sạch và tiềm tàng nhất - đang được loài người
thực sự đặc biệt quan tâm. Do đó việc nghiên cứu nâng cao hiệu qu
ả các thiết bị sử dụng
năng lượng mặt trời và triển khai ứng dụng chúng vào thực tế là vấn đề có tính thời sự.
Việt Nam là nước có tiềm năng về năng lượng mặt trời, trải dài từ vĩ độ 8” Bắc đến 23”
Bắc, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao, với trị số tổng xạ khá
lớn từ 100-175 kcal/cm2.năm (4,2 -7,3GJ/m2.năm) do đó việc sử dụng năng lượng mặt trời
ở nước ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế rất lớn.

1.3 Pin mặt trời, cấu tạo và nguyên lý hoạt động :
Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện), là thiết bị bán dẫn

chứa lượng lớn các diod p-n
, duới sự hiện diện của ánh sáng mặt trời có khả năng tạo ra
dòng điện
sử dụng được. Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện.
Các pin
năng lượng mặt trời có nhiều ứng dụng. Chúng đặc biệt thích hợp cho các
vùng mà điện năng trong mạng lưới chưa vươn tới, các vệ tinh
quay xung quanh quỹ đạo trái
đất, máy tính cầm tay, các máy từ xa, thiết bị bơm nước... Pin năng lượng mặt trời (tạo thành
các module
hay các tấm năng lượng mặt trời) xuất hiện trên nóc các tòa nhà nơi chúng có
thể kết nối với bộ chuyển đổi của mạng lưới điện
.



18

Hình 1.5 Một cell pin mặt trời.

Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp
Alexandre Edmond Becquerel. Tuy nhiên cho đến 1883 một pin năng lượng mới được
chế tạo thành công, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực
mỏng vàng để tạo nên mạch nối. Russell Ohl được xem là người tạo ra pin năng lượng
mặt trời đầu tiên năm 1946 tuy nhiên nó chỉ có hiệu suất 1%. Pin mặt tr
ời lần đầu tiên
được ứng dụng là trên vệ tinh Vangaurd 1 của Mĩ, được phóng năm 1958. Ngày nay
pin mặt trời được sản xuất trên toàn thế giới đặt biệt là ở các nước tiên tiến như Mĩ,
Đức, Tây Ban Nha…
1.3.1 Cấu tạo :
Cấu tạo của pin mặt trời là một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biến đổi trực tiếp
năng lượng bức xạ mặt tr
ời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên trong.


Hình 1.6 Cấu tạo của pin mặt trời.




19

Cho tới hiện tại thì vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời (và cho các thiết bị bán dẫn) là các
silic
tinh thể. Pin mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại:
- Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski

.
Pin mặt trời dơn tinh thể có thể đạt hiệu suất từ 11% - 16% . Chúng thường rất mắc
tiền do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối
các module.
- Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm nguội
và làm rắn. Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn,
từ 8% - 11%. Tuy nhiên chúng có th
ể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều
hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó.
- Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh
thể. Loại này có hiệu suất thấp nhất, từ 3% - 6%, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các
loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon.

Hình 1.7 Các loại cấu trúc tinh thể của pin mặt trời.
Silic thuộc nhóm IV, tức là có 4 electron
lớp ngoài cùng. Silic có thể kết hợp với
silicon khác để tạo nên chất rắn. Cơ bản có 2 loại chất rắn silicon, đa thù hình (không
có trật tự sắp xếp) và tinh thể (các nguyên tử sắp xếp theo thứ tự dãy không gian 3
chiều). Pin năng lượng mặt trời phổ biến nhất dùng đa tinh thể silicon.
Silic là chất bán dẫn
. Tức là thể rắn silic, tại một tầng năng lượng nhất định,
electron có thể đạt được, và một số tầng năng lượng khác thì không được. Các tầng
năng lượng không được phép này xem là tầng trống. Lý thuyết này căn cứ theo thuyết
cơ học lượng tử
.
Ở nhiệt độ
phòng, Silic nguyên chất có tính dẫn điện kém. Trong cơ học lượng
tử, giải thích thất tế tại mức năng lượng Fermi
trong tầng trống. Để tạo ra silic có tính
dẫn điện tốt hơn, có thể thêm vào một lượng nhỏ các nguyên tử nhóm III hay V trong

bảng tuần hoàn hóa học
. Các nguyên tử này chiếm vị trí của nguyên tử silic trong
mạng tinh thể
, và liên kết với các nguyên tử silic bên cạnh tương tự như là một silic.
Tuy nhiên các phân tử nhóm III có 3 electron ngoài cùng và nguyên tử nhóm V có 5



20

electron ngoài cùng, vì thế nên có chỗ trong mạng tinh thể có dư electron còn có chỗ
thì thiếu electron. Vì thế các electron thừa hay thiếu electron (gọi là lỗ trống) không
tham gia vào các kết nối mạng tinh thể. Chúng có thể tự do di chuyển trong khối tinh
thể. Silic kết hợp với nguyên tử nhóm III (nhôm
hay gali) được gọi là loại bán dẫn p
bởi vì năng lượng chủ yếu mang điện tích dương (positive), trong khi phần kết hợp với
các nguyên tử nhóm V (phốt pho
, asen) gọi là bán dẫn n vì mang năng lượng âm
(negative). Lưu ý rằng cả hai loại n và p có năng lượng trung hòa, tức là chúng có
cùng năng lượng dương và âm, loại bán dẫn n, loại âm có thể di chuyển xung quanh,
tương tự ngược lại với loại p.
Các tinh thể silic
(Si) hay gali asenua (GaAs) là các vật liệu được sử dụng làm
pin mặt trời
. Gali asenua đặc biệt tạo nên để dùng cho pin mặt trời, tuy nhiên thỏi tinh
thể silic cũng có thể dùng được với giá thành thấp hơn, sản xuất chủ yếu để tiêu thụ
trong công nghiệp vi điện tử. Đa tinh thể silic có hiệu quả kém hơn nhưng giá tiền
cũng thấp hơn.
Khi để trực tiếp dưới ánh sáng mặt trời, một pin silic có đường kính 6 cm có thể
sản xuất dòng điện khoảng 0,5 ampe ở 0,5 volt.

Các tấm tinh thể mỏng hình đĩa, được đánh bóng để
loại bỏ các khuyết tật trong
quá trình cắt, chất kích thích được dùng cho các pin, và các tấm kim loại dẫn truyền
đặt vào một mặt: một lưới mỏng trên bề mặt chiếu ánh sáng mặt trời, và mặt phẳng
trên mặt còn lại. Tấm năng lượng mặt trời tạo thành từ các pin như vậy cắt theo hình
dạng thích hợp, được bảo vệ khỏi tia bức xạ và hư hại trên mặt trước b
ằng các miếng
gương, dán vào chất nền. Sự liền mạch được tạo nên thành các dãy song song để quyết
định năng lượng tạo ra. Chất keo và chất nền phải có tính dẫn nhiệt, vì khi các pin
được làm nóng khi hấp thụ năng lượng hồng ngoại, vốn không thể chuyển hóa thành
năng lượng. Một khi các pin bị làm nóng thì giảm hiệu suất hoạt động vì thế nên phải
làm giảm thiểu nhiệt năng.

Hình 1.8 Một số loại panel pin mặt trời.



21


Hình 1.9 Quá trình tạo một panel pin mặt trời.
1.3.2 Nguyên lý hoạt động :




22

Hình 1.10 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời.

Hình 1.11 Hệ thống 2 mức năng lượng trong đó E1 < E2.

Bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E1 .Khi chiếu sáng hệ thống,
lượng tử ánh sáng (photon) mang năng lượng hv (h là hằng số Plank và v là tần số ánh sáng)
bị điện tử hấp thụ và chuyển lên mức E2.
Phương trình cân bằng năng lượng:
hv = E1-E2 (1.3)
Trong các vật rắn ,do tương tác rất mạnh củ
a mạng tinh thể lên điện tử vành ngoài ,
nên các năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng con rất sát nhau và tạo thành
vùng năng lượng. Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi ở trạng thái cân bằng
gọi là vùng hoá trị mà bên trên của nó có năng lượng E
V
. Vùng năng lượng phía trên tiếp
đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn, bên dưới của vùng có năng
lượng là E
C
, cách ly giữa vùng hóa trị và vùng dẫn đó gọi là một vùng cấm có độ rộng năng
lượng là Eg, trong đó không có mức năng lượng cho phép nào của điện tử.
Khi ánh sáng chiếu đến vật rắn có vùng năng lượng nói trên, photon có năng lượng hv
tới hệ thống , bị điện tử của vùng hoá trị 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 có thể di chuyển như “hạt“
mang điện tích dương nguyên tố (kí hiệu h+). Lỗ trống này có thể di chuyển và tham gia vào
quá trình dẫn điện.

Hình 1.12 Các vùng năng lượng.
Phương trình hiệu ứng lượng tử:

eV+hv→ e
-
+ h
+
(1.4)



23

Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lượng của photon và chuyển từ vùng hoá trị
lên vùng dẫn, tạo ra căp điện tử –lỗ trống là:
hv > Eg = E
C
- E
V
(1.5)
Suy ra bước sóng tới hạn λ
C
của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e
-
- h
+
là:
λ
C
= hc/( E
C
– E
V

) (1.6)

Vậy khi chiếu sáng vào vật rắn, điện tử ở vùng hoá trị hấp thụ năng lượng photon hv và
chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử – lỗ trống e
-
- h
+
, tức là tạo ra một điện thế.
Hiện tượng đó gọi là hiện tượng quang điện bên trong.
Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời chính là hiện tượng quang điện xảy ra trên lớp
tiếp xúc p-n.










Khi một photon chạm vào mảnh silic, một trong hai điều sau sẽ xảy ra:
Photon truyền trực xuyên qua mảnh silic. Điều này thường xảy ra khi năng lượng
củ
a photon thấp hơn năng lượng đủ để đưa các hạt electron lên mức năng lượng cao
hơn.
Năng lượng của photon được hấp thụ bởi silic. Điều này thường xảy ra khi năng
lượng của photon lớn hơn năng lượng để đưa electron lên mức năng lượng cao hơn.
Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các hạt electron
trong màng tinh thể. Thông thườ

ng các electron này 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, các electron này có thể tự do di chuyển trong bán dẫn.
Khi đó nguyên tử sẽ thiếu 1 electron và đó gọi là lỗ trống. Lỗ trống này tạo điều kiện
cho các electron của nguyên tử bên cạnh di chuyển đến điền vào lỗ trống, và điều này
tạo ra lỗ trống cho nguyên t
ử lân cận có "lỗ trống". Cứ tiếp tục như vậy lỗ trống di
chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn.
Một photon chỉ cần có năng lượng lớn hơn năng luợng đủ để kích thích electron
lớp ngoài cùng dẫn điện. Tuy nhiên, tần số của mặt trời thường tương đương 6000°K,
Điện tử
c
E

(vùng dẫn)
photon
Vùng cấm

Lỗ trống
(vùng hóa trị)
v
E




24


vì thế nên phần lớn năng lượng mặt trời đều được hấp thụ bởi silic. Tuy nhiên hầu hết

năng lượng mặt trời chuyển đổi thành năng lượng nhiệt nhiều hơn là năng lượng điện
sử dụng được.





Hình 1.13 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời.

1.4 Hệ thống pin mặt trời :
Hệ thống pin mặt trời là một hệ thống bao gồm một số các thành phần như: các tấm pin
mặt trời, các tải tiêu thụ điện, các thiết bị lưu trữ điện năng (acquy) và các thiết bị điều phối
điện năng…



25



Hình 1.14 Sơ đồ khối hệ thống pin mặt trời độc lập.

1.4.1 Thiết kế một hệ thống pin mặt trời:
Thiết kế một hệ thống pin mặt trời là xây dựng một quan hệ tương thích giữa các thành
phần của hệ về mặt định tính và định lượng để đảm bảo hiệu quả cao.
Các bước thiết kế:
1.4.1.1 Lựa chọn sơ
đồ khối:
Từ sự phân tích các yêu cầu và các đặc trưng của các phụ tải điện ta sẽ chọn một sơ đồ
khối thích hợp.

Hình 1.15 Sơ đồ khối hệ thống pin mặt trời.
Hình 1.12 là một sơ đồ khối thường dùng đối với các hệ thống pin mặt trời.
1.4.1.2 Tính toán hệ nguồn điện pin mặt trời:
Có nhiều phương pháp tính toán nhưng thông dụng nhất chủ yếu dựa trên sự cân
bằng điện năng trung bình hằng ngày.
1 – Tính phụ tải điện theo yêu cầu:
Giả sử hệ cầ
n cấp điện cho các tải T1, T2, T3,… có các công suất tiêu thụ tương
ứng P1, P2, P3,… và thời gian làm việc hàng ngày của chúng là t1, t2, t3,…
Tổng điện năng phải cấp hằng ngày cho các tải:
E
ng
= P1t1+P2t2+P3t3+…= . (1.7)