Hệ thống chiếu sáng sử dụng năng lượng mặt trời

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN

HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG SỬ DỤNG NĂNG
LƯỢNG MẶT TRỜI

GVHD: Th.S Phạm Hồng Thanh
Thành viên:
NGUYỄN TẤN LỢI
NGUYỄN MẠNH TUẤN
NGUYỄN QUỐC CƯƠNG
LÊ VĂN HOAN

Bình Dương, Tháng 4 Năm 2016


Chương 1: GIỚI THIỆU
Năng lượng là một trong những yếu tố cần thiết cho sự tồn tại và phát triển của xã
hội cũng như duy trì sự sống trên trái đất. Trong nhiều thập kỉ vừa qua, việc tiêu thụ
năng lượng trên thế giới tăng lên cùng với sự phát triển kinh tế.
Việt Nam là nước được đánh giá là rất dồi dào tiềm năng về năng lượng tái tạo
(như năng lượng gió, thủy điện, mặt trời…). Năng lượng tái tạo có thể tạo ra nguồn
điện ngồi lưới tại chỗ, rẻ tiền, góp phần đảm bảo an ninh năng lượng. Nếu được đầu
tư và phát triển đúng hướng nguồn năng lượng này sẽ góp phần quan trọng vào việc
giải quyết vấn đề năng lượng, khai thác hợp lý tài nguyên thiên nhiên, bảo vệ mơi
trường, góp phần đảm bảo sự phát triển kinh tế bền vững của Việt Nam.

1.1 Đặt vấn đề
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 là có hạn, khiến cho nhân loại đúng 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 nhiệt, 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 như Việt Nam chúng ta.
Việc tìm kiếm và phát triển việc sử dụng các nguồn năng lượng mới, đáp ứng tốt
được các nhu cầu về năng lượng và mơi trường thì năng lượng mặt trời được xem là
dạng năng lượng ưu việt nhất và có thể là dạng năng lượng chính được sử dụng trong
tương lai. Năng lượng mặt trời thực chất là nguồn năng lượng nhiệt hạch vô tận của
thiên nhiên. Hàng năm mặt trời cung cấp cho trái đất một lượng năng lượng khổng lồ,
gấp 10 lần trữ lượng các nguồn nhiên liệu trên trái đất.
Việt nam là một nước nhiệt đới, nằm ở vành đai nội chí tuyến nên tổng số giờ
nắng trong năm lớn, ở khi vực Miền Trung có khoảng 2900 giờ nắng và với cường độ
bức xạ cao, lên đến 950W/m 2. Do đó rất thuận lợi cho việc triển khai ứng dụng các
thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời.

1


1.2

Tính Cấp Thiết Của Đề Tài
Trong thời đại ngày nay, năng lượng là vấn đề cấp thiết của tất cả các quốc gia

trên thế giới. Bên cạnh việc nghiên cứu, tìm kiếm các loại năng lượng mới thì sử dụng
tiết kiệm và hiệu quả năng lượng cũng là mối quan tâm hàng đầu.
Hiện nay trước thách thức về thay đổi khí hậu, cạn kiệt nguồn tài ngun khống

sản, do đó các nguồn năng lượng tái tạo và năng lượng sạch dần được đưa vào để thay
thế cho các nguồn năng lượng khống sản. Một trong các nguồn năng lượng đó là
nguồn năng lượng mặt trời.
Trường Tiểu Học Mỹ Thành Nam là một ngôi trường nằm ở trong vung nông
thôn, xa điện lưới quốc gia, nguồn điện đang sử dụng hay bị sự cố khi có trời mưa bão,
việc sữa chữa gặp nhiều khó khăn, để đảm bảo chiếu sáng cho các em học tập nên cần
phải có hệ thống chiếu sáng thật tốt và sử dụng nguồn từ năng lượng mặt trời để đảm
bảo độ tin cậy cho việc chiếu sáng phục vụ cho học tập.

1.3 Mục tiêu đề tài
Thiết kế thành công hệ thống chiếu sáng cho trường Tiểu Học Mỹ Thành Nam sử
dụng năng lượng mặt trời.

1.4 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu, cách tiếp cận và phương pháp nghiên
cứu
Đối tượng:
Hệ thống chiếu sáng sử dụng năng lượng mặt trời, pin mặt trời.
Trường Tiểu Học Mỹ Thành Nam.
Phạm vi nghiên cứu: Trường Tiểu Học Mỹ Thành Nam
Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:
+ Tiêu chuẩn chiếu sáng ( quang thông, độ rọi, công suất, thời gian chiếu sáng).
+ Lên phương án chọn loại đèn led chiếu sáng.
+ Nghiên cứu nguyên lí hoạt động của mạch sạc ắc qui tự động.
+ Bộ Inverter
+ Số liệu phân tích và nghiên cứu ứng dụng thực tế của đèn.

2


+ Mơ hình chiếu sáng sử dụng năng lượng mặt trời.

+ Tìm hiểu và tiếp cận hệ thống pin mặt trời trong chiếu sáng và phương pháp
nghiên cứu những công trình đã được áp dụng trên thực tế để khảo sát.

3


Chương 2: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
2.1 Hệ thống chiếu sáng
2.1.1

Giới thiệu các loại đèn truyền thống

Hiện nay trong lĩnh vực chiếu sáng dân dụng như chiếu sáng gia đình, cơng sở,
trường học đa phần sử dụng đèn huỳnh quang và đèn compact, bởi nó có độ chiếu sáng
và tiết kiệm năng lượng cao hơn so với các loại đèn truyền thống. Tuy nhiên, ở các
vùng sâu, vùng xa, miền núi vẫn còn sử dụng các loại đèn dây tóc để thắp sáng. Ðây
được xem là một giải pháp tình thế đối với người dân có thu nhập thấp, nhưng xét về
khía cạnh kinh tế và tiết kiệm năng lượng thì giải pháp này hồn tồn khơng phù hợp.
Hơn nữa, phương án dùng đèn dây tóc sẽ khơng khả thi ở những nơi thiếu điện hoặc
chưa có mạng lưới điện quốc gia. Ðèn sử dụng bóng compact là một trong các loại đèn
được các cơ quan quản lý điện khuyến cáo nhiều nhất bởi vì nó có khả năng chiếu
sáng mạnh và đạt những tiêu chí tiết kiệm năng lượng cao hơn so với đèn halogen, đèn
dây tóc truyền thống. Một trong những loại đèn huỳnh quang compact phổ biến hiện
nay là đèn sạc sử dụng bóng đèn compact. Các loại đèn này có cơng suất tiêu thụ điện
nhỏ (6 - 12 W), thời gian sạc đầy tương đối lâu (10 - 20 giờ), thời gian thắp sáng
không cao (4 - 8 giờ). Ngồi ra, bóng đèn compact rất dễ vỡ khi va đập mạnh do bóng
đèn được làm từ vật liệu thủy tinh.
Ðể khắc phục những nhược điểm nêu trên của đèn compact, cần phải ứng dụng
công nghệ cao hơn. Một trong những giải pháp đó là thiết kế hệ thống chiếu sáng dùng
đèn led sử dụng nguồn từ năng lượng mặt trời. Loại đèn LED tiết kiệm năng lượng tốt

hơn, đồng thời phát huy tối đa khả năng sử dụng nguồn năng lượng mặt trời.
2.1.2

Giới thiệu đèn led (đi-ôt phát quang)

Đi-ốt phát quang LED được cấu tạo từ một khối bán dẫn loại p ghép với một
khối bán dẫn loại n. Đi-ốt phát quang LED tuổi thọ lên tới 100.000 giờ, có thể sử
dụng với nguồn điện cơng suất nhỏ, hoạt động tốt trong mọi điều kiện thời tiết, tiết
kiệm điện năng là những ưu điểm của đèn LED.

4


Đèn LED an tồn hơn khi sử dụng do có điện thế thấp (đèn LED chỉ 3 volt),
hiệu quả tiết kiệm năng lượng cao hơn theo tính tốn cùng một thời gian sử dụng
mức tiêu thụ điện ít hơn gần 10 lần so với đèn thường, thân thiện hơn đối với mơi
trường trong q trình phát sáng lượng nhiệt tỏa ra rất thấp.
Đèn LED (Light emitting diodes - đèn đi-ốt phát quang) đang trở nên phổ biến
ưu điểm của nó là khối lượng nhẹ, tuổi thọ cao, cường độ sáng lớn. Hiện nay, đèn
LED được xem là loại đèn tiết kiệm điện năng nhất, tạo ra hiệu suất ánh sáng tốt nhất
và tỏa nhiệt ít hơn nhiều so với các thiết bị chiếu sáng thông thường.
2.1.3

Các thông số đánh giá chất lượng của hệ thống chiếu sáng

2.1.3.1 Cường độ sáng (I)
Cường độ sáng I, đơn vị candela (cd). Đó là thông lượng của một nguồn sáng
phát ra trong một đơn vị góc khơng gian (steradian).
Candela là một đơn vị cơ bản dùng trong việc đo thông số nguồn sáng và được
tính như sau: 1 candela là cường độ mà một nguồn sáng phát ra 1 lumen đẳng hướng

trong một góc đặc. Một nguồn sáng 1 candela sẽ phát ra 1 lumen trên một diện tích 1
mét vng tại một khoảng cách một mét kể từ tâm nguồn sáng. Có thể thấy cường độ
nguồn sáng giảm theo khoảng cách kể từ nguồn sáng.
2.1.3.2 Quang thông (Φ)
Đại lượng thông lượng ánh sáng dùng trong kỹ thuật chiếu sáng được đo trong
đơn vị lumens (lm). Một lumen của ánh sáng, không phụ thuộc vào bước sóng của nó
(màu), tương ứng với độ sáng mà mắt người cảm nhận được. Mắt người cảm nhận
khác nhau đối với các ánh sáng có bước sóng khác nhau, cảm nhận mạnh nhất đối với
bước sóng 555 nm. Đèn LED tiêu chuẩn đạt quang thông 100 lm/w.
1cd = 1lm/ 1steradian.
2.1.3.3 Độ rọi (E)
Độ rọi E(đơn vị lux) là đại lượng đặc trưng cho thông lượng ánh sáng trên một
đơn vị diện tích. Một diện tích mặt cầu 1m2 có một nguồn sáng cường độ 1 candela sẽ
có độ rọi là 1 lux.
5


1lux = 1lm/ 1m2.

Hinh 2. 1 Thông số đánh giá chất lượng của hệ thống chiếu sáng

Hinh 2. 2 Tiêu chuẩn độ rọi và độ chói
2.1.3.4 Độ chói (L)
Độ chói L là cường độ của một nguồn sáng phát ánh sáng khuếch tán mở rộng
hoặc của một vật phản xạ ánh sáng. Độ chói là đại lượng đặc trưng cho mật độ phân bố
cường độ sáng I trên một bề mặt diện tích S theo một phương cho trước.

6

1nit = 1cd/ 1m2
2.1.3.5 Hệ số phản xạ (ρ)
Hệ số phản xạ của một vật thể là đại lượng đo bằng tỷ số giữa quang thông phản
xạ (Φr) của vật thể so với quang thơng tới của nó (Φ).
Φr

ρ=Φ
2.1.3.6 Hệ số hấp thụ (α)

Hệ số hấp thụ của một vật thể là đại lượng đo bằng tỷ số giữa quang thông được
hấp thụ (Φa) của vật thể so với quang thơng tới của nó (Φ).
α=

Φa
Φ

Phân bố phổ trình diễn phổ của bức xạ vùng nhìn thấy nêu lên mối tương quan
giữa cơng suất bức xạ phụ thuộc vào bước sóng.
2.1.3.7 Nhiệt độ màu
Nhiệt độ màu (đo bằng đơn vị Kenvin) là màu của ánh sáng mà nguồn sáng phát
ra. Nhiệt độ màu được định nghĩa là nhiệt độ tuyệt đối của một vật bức xạ đen có phổ
bức xạ giống phổ bức xạ của nguồn sáng. Nhiệt độ màu đèn led thường ở các mức
2700K, 3000K, 3200K, 3500K, 4000K, 6000K, 6500K.

Hinh 2.3 Xác định nhiệt độ màu

7


2.1.3.8 Độ hoàn màu

Độ hoàn màu được biểu diễn bằng chỉ số hồn màu (CRI) có độ lớn từ 0 đến 100,
diễn tả độ hoàn màu của các vật được chiếu sáng trong mắt người so với màu thực của
nó. CRI càng cao thì khả năng hồn màu càng lớn. CRI của đèn Led đạt 85.
2.1.3.9 Hiệu suất của đèn
Hiệu suất của đèn led là đại lượng đo hiệu suất của nguồn sáng trong đơn vị
lumen trên Oát(Lm/W), là tham số xác định lượng ánh sáng phát ra khi tiêu thụ một
Oát năng lượng điện.
2.1.3.10 Một số đèn thông dụng

Hinh 2. 4 Các loại bóng đèn thơng dụng

8


Hinh 2. 5 So sánh hiệu suất phát sáng của các loại bóng đèn

2.2 Năng Lượng Mặt Trời
Bức xạ mặt trời là một nguồn tài nguyên vô cùng quan trọng tại Việt Nam. Trung
bình, tổng bức xạ năng lượng mặt trời ở Việt Nam vào khoảng 5kW/h/m 2/ngày ở các
tỉnh miền Trung và miền Nam, và vào khoảng 4kW/h/m2/ngày ở các tỉnh miền Bắc. Từ
dưới vĩ tuyến 17, bức xạ mặt trời khơng chỉ nhiều mà cịn rất ổn định trong suốt thời
gian của năm, giảm khoảng 20% từ mùa khô sang mùa mưa. Số giờ nắng trong năm ở
miền Bắc vào khoảng 1500-1700 giờ trong khi ở miền Trung và miền Nam Việt Nam,
con số này vào khoảng 2000-2600 giờ mỗi năm.
Theo tài liệu khảo sát lượng bức xạ mặt trời cả nước:
Các tỉnh ở phía Bắc (từ Thừa Thiên – Huế trở ra) bình qn trong năm có chừng
1800 - 2100 giờ nắng. Trong đó, các vùng Tây Bắc (Lai Châu, Sơn La, Lào Cai) và
vùng Bắc Trung Bộ (Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh) được xem là những vùng có nắng
nhiều.
Các tỉnh ở phía Nam (từ Đà Nẵng trở vào), bình qn có khoảng 2000 - 2600 giờ

nắng, lượng bức xạ mặt trời tăng 20% so với các tỉnh phía Bắc. Ở vùng này, mặt trời
chiếu gần như quanh năm, kể cả vào mùa mưa. Do đó, đối với các địa phương ở Nam
Trung bộ và Nam bộ, nguồn bức xạ mặt trời là một nguồn tài nguyên to lớn để khai
thác sử dụng.

9


Việt Nam có nguồn năng lượng mặt trời dồi dào cường độ bức xạ  mặt trời trung
bình ngày trong năm ở phía bắc là 3,69 kWh/m 2 và phía nam là 5,9 kWh/m2. Lượng
bức xạ mặt trời tùy thuộc vào lượng mây và tầng khí quyển của từng địa phương, giữa
các địa phương ở nước ta có sự chênh lệch đáng kể về bức xạ mặt trời. Cường độ bức
xạ ở phía Nam thường cao hơn phía Bắc.
Trong đó:
+ Vùng Tây Bắc:     
Nhiều nắng vào các tháng 8. Thời gian có nắng dài nhất vào các tháng 4,5 và 9,10.
Các tháng 6,7 rất hiếm nắng, mây và mưa rất nhiều. Lượng tổng xạ trung bình ngày
lớn nhất vào khoảng 5,234 kWh/m2/ngày và trung bình trong năm là 3,489
kWh/m2/ngày.     
Vùng núi cao khoảng 1500m trở nên thường ít nắng. Mây phủ và mưa nhiều,
nhất là vào khoảng tháng 6 đến thàng 1. Cường độ bức xạ trung bình thấp (< 3,489
kWh/m2/ ngày).
+ Vùng Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ       
Ở Bắc Bộ, nắng nhiều vào tháng 5. Còn ở Bắc Trung Bộ càng đi sâu về phía
Nam thời gian nắng lại càng sớm, nhiều vào tháng 4.
Tổng bức xạ trung bình cao nhất  ở Bắc Bộ khoảng từ thàng 5, ở Bắc Trung Bộ
từ tháng 4. Số giờ nắng trung bình thấp nhất là trong tháng 2. 3 khoảng 2h/ngày, nhiều
nhất vào tháng 5 với khoảng 6 – 7h/ngày và duy trì ở mức cao từ tháng 7.
+ Vùng Trung Bộ:
Từ Quảng Trị đến Tuy Hòa, thời gian nắng nhiều nhất vào các tháng giữa năm

với khoảng 8 - 10h/ngày. Trung bình từ tháng 3 đến tháng 9, thời gian nắng từ  5 - 6
h/ngày với lượng tổng xạ trung bình trên 3,489 kWh/m2/ngày (có ngày đạt 5,815
kWh/m2/ngày).
+ Vùng phía Nam:      
Ở vùng này, quanh năm dồi dào nắng. Trong các tháng 1, 3, 4 thường có nắng từ
7h sáng đến 17h. Cường độ bức xạ trung bình thường lớn hơn 3,489 kWh/m 2/ngày.
Đặc biệt là các khu vực Nha Trang, cường độ bức xạ lớn hơn 5,815 kWh/m 2/ngày
trong thời gian 8 tháng/năm.
10


-

Các công nghệ sử dụng năng lượng mặt trời
Hiện nay có 2 cơng nghệ chính sử dụng năng lượng mặt trời. Đó là cơng nghệ

điện mặt trời dựa trên hiệu ứng quang điện và công nghệ nhiệt mặt trời dựa trên hiệu
ứng nhà kính (nhiệt độ thấp) và cơng nghệ nhiệt mặt trời hội tụ (nhiệt độ cao).
+ Công nghệ điện mặt trời quang điện
Khi chiếu sáng một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n thì năng lượng ánh sáng có thể được
bíến đổi thành năng lượng của dịng điện một chiều. Hiện tượng đó được gọi là hiệu
ứng quang-điện (photovoltaic) và nó được ứng dụng đề chuyển đổi năng lượng mặt
trời thành điện năng. Trong công nghệ quang-điện này người ta sử dụng các mô đun
pin mặt trời mà thành phần chính của nó là các lớp tiếp xúc bán dẫn Silic loại n và loại
p, nSi/pSi.

Hinh 2. 6 Nguyên lý cấu tạo Pin mặt trời (trên) và môđun Pin mặt trời
(dưới)
Hiệu suất biến đổi quang-điện của các môđun pin mặt trời Silic thương mại trong
khoảng 11-14%. Công nghệ sản xuất điện năng này hồn tồn khơng gây ra ơ nhiễm

môi trường.
+ Công nghệ Nhiệt năng từ mặt trời
Từ lâu nhiệt năng từ bức xạ mặt trời đã được dùng để phơi sấy, sưởi ấm,... một
cách tự nhiên. Hiện nay nhờ các thiết bị mới nên nhiệt mặt trời được sử dụng hiệu quả

11


hơn. Có 2 cơng nghệ thơng dụng khai thác nhiệt mặt trời dựa trên hiệu ứng nhà kính và
hiệu ứng hội tụ bức xạ mặt trời.
Hiệu ứng nhà kính là hiệu ứng như sau: các tấm kính có đặc tính là cho các bức
xạ mặt trời có bước sóng nhỏ hơn khoảng 0,7x 10-6m đi qua dễ dàng, nhưng lại ngăn
khơng cho các bức xạ mặt trời có bước sóng lớn hơn khoảng 0,7x 10-6m. Bức xạ mặt
trời có bước sóng lớn hơn khoảng 0,7x 10-6m là các bức xạ nhiệt nó nung nóng các
vật khi bị các tia này chiếu vào. Lợi dụng đặc tính này của kính người ta tạo ra các hộp
thu năng lượng mặt trời như hình 3 để sản xuất nước nóng, sấy nơng sản phẩm, sưởi
ấm,....

Hinh 2. 7 Cấu tạo và nguyên lý thu năng lượng mặt trời nhờ hiệu ứng nhà
kính
Tia mặt trời xuyên qua tấm kính (1) tới tấm hấp thụ (2) bị hấp thụ phần lớn
năng lượng. Các tia nhiệt thứ cấp từ tấm hấp thụ có bước sóng  > 0,7μm bị tấm kính
ngăng lại. Như vậy hộp thu cho ánh sáng mặt trời vào mà không cho ra nên tấm hấp
thụ ngày càng nóng lên. Nhiệt từ tấm hấp thụ có thể sử dụng để đun nước, sấy, sưởi
ấm,... Hiệu suất thu nhiệt của bộ thu có thể đạt đến 50%.
Để sản xuất điện từ nhiệt năng lượng mặt trời người ta sử dụng các hệ thống
gương cầu hay gương parabol để hội tụ các tia mặt trời vào các điểm hay trục hội tụ.
Tại các điểm hội tụ nhiệt độ có thể lên đến hàng trăm hay thậm chí đến hàng nghì độ.
Nếu cho chất lỏng như nước, dầu,... qua vùng hội tụ thì chất lỏng bị bay hơi ngay cả

12


dưới áp suất cao. Cho hơi này qua các tua bin sẽ phát ra điện. Công nghệ này được gọi
là công nghệ nhiệt điện mặt trời.

2.3

Pin mặt trời
2.3.1

Giới thiệu pin mặt trời

Hinh 2. 8 Pin mặt trời
Một tế bào quang điện (cell) tấm pin năng lượng mặt trời (solar cells panel) Pin
mặt trời, hay pin quang điện, ký hiệu là PV, là hệ thống các tấm vật liệu đặc biệt có
khả năng chuyển đổi quang năng của ánh sáng mặt trời thành điện năng. Pin mặt trời
được cấu tạo bằng các tế bào quang điện (cells) đơn tinh thể (monocrystalline) và đa
tinh thể (polycrystalline) có hiệu suất cao (15% - 18%), cơng suất từ 25Wp đến
240Wp và có tuổi thọ trung bình 30 năm.
2.3.2

Lịch sử ra đời và phát triển của pin năng lượng mặt trời

Pin năng lượng mặt trời với tên gọi khác là tế bào quang điện hiện đang được sử
dụng rộng rãi vì chúng rất dễ chuyển đổi và dễ dàng lắp đặt trên các tòa nhà và các cấu
trúc khác.
Tấm Pin năng lượng mặt trời được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý
Pháp Alexandre Edmond Becquerel là thiết bị giúp chuyển hóa trực tiếp năng lượng
ánh sáng mặt trời (quang năng) thành năng lượng điện (điện năng) dựa trên hiệu ứng

13


quang điện. Điện tạo ra từ pin mặt trời được gọi là điện năng lượng mặt trời hay điện
mặt trời và để tạo ra nhiều năng lượng, người ta kết nối nhiều phần tử Pin mặt trời lại
với nhau tạo thành tấm pin mặt trời. Công suất cực đại một tấm pin mặt trời có thể tạo
ra phụ thuộc vào hiệu suất chuyển đổi quang năng thành điện năng của tấm pin mặt
trời đó và hiệu ứng quang điện.
Cho đến 1883 một pin năng lượng mới được tạo thành, bởi Charles Fritts, ông
phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối. Thiết bị chỉ
có hiệu suất 1%, Russell Ohl xem là người tạo ra pin năng lượng mặt trời đầu tiên năm
1946. Sven Ason Berglund đã có phương pháp liên quan đến việc tăng khả năng cảm
nhận ánh sáng của pin. Ứng dụng của pin mặt trời là vô cùng ưu việt, đảm bảo tính an
tồn và dễ sử dụng, pin mặt trời được sử dụng vào các thiết bị như máy tính bỏ túi,
Laptop, đồng hồ đeo tay, điện thoại di động, đèn trang trí, đèn sân vườn, đèn tín hiệu,
đèn đường, các loại xe, máy bay, robot tự hành, vệ tinh nhân tạo.

Hinh 2.9 Pin mặt trời sử dụng trên mái nhà
Nguồn điện cho tòa nhà là một trong những giải pháp vừa giúp giảm hóa đơn tiền
điện hàng tháng, vừa giúp giảm đầu tư của xã hội cho các công trình nhà máy điện
khổng lồ bằng cách kết hợp sức mạnh của toàn dân trong việc tạo ra điện phục vụ đời
sống sản xuất chung. Bằng cách kết nối nhiều nguồn điện mặt trời với nhau có thể tạo
14


ra được một tổ hợp nguồn điện mặt trời có đủ khả năng thay thế một nhà máy phát
điện. Nhà máy điện mặt trời có thể dùng để cấp điện cho một thành phố, một hòn
đảo, ... Hiện tại số lượng nhà máy điện mặt trời trên thế giới còn hạn chế, tuy nhiên
trong tương lai số lượng này sẽ tăng lên khi giá thành sản xuất Pin mặt trời giảm
xuống.

Pin mặt trời có thể cung cấp nguồn năng lượng sạch và tái tạo, do vậy là một
nguồn bổ sung cho nguồn cung cấp điện chính thơng thường. Tại các vùng chưa có
điện lưới như các cộng đồng dân cư ở xa, nông thôn, hải đảo, các trường hợp khẩn
cấp,... pin mặt trời có thể cung cấp một nguồn điện đáng tin cậy.
Hiện nay sự phổ biến tấm pin năng lượng mặt trời trong cuộc sống rất nhiều. Và
dường như sự tồn tại của nguồn điện năng lượng mặt trời trên các nơi vùng đảo xa là
không thế thiếu. Với mục đích phục vụ cho cuộc sống tốt hơn. Trong tương lai khơng
xa thì hệ thống điện năng lượng mặt trời sẽ đươc cải tiến tốt nhất. với những thiết kế
và tính năng ưu việt hơn. Khi đó sự lựa chọn nguồn điện năng lượng mặt trời là giải
pháp tốt nhất.
2.3.3

Cấu tạo của pin mặt trời

Hinh 2.10 Cấu tạo pin mặt trời
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 dịng điện sử dụng được. Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện.
15


Hinh 2.11 Cấu tạo p-n trong tấm pin
2.3.4

Nguyên lý hoạt động

2.3.4.1 Sơ đồ nguyên lý của 1 hệ thống điện mặt trời cơ bản

Hinh 2.12 Sơ đồ nguyên lý cơ bản

16


2.3.4.2 Nguyên lý hoạt động

Hinh 2.13 Sơ đồ nguyên lý làm việc của tấm pin
Từ giàn pin mặt trời, ánh sáng được biến đổi thành điện năng, tạo ra dòng điện
một chiều (DC). Dòng điện này được dẫn tới bộ điều khiển là một thiết bị điện tử có
chức năng điều hồ tự động các q trình nạp điện vào ắc-quy và phóng điện từ ắc-quy
ra các thiết bị điện một chiều (DC). Trường hợp công suất giàn pin đủ lớn, trong mạch
điện sẽ được lắp thêm bộ đổi điện để chuyển dòng một chiều thành dòng xoay chiều
(AC), chạy được thêm nhiều thiết bị điện gia dụng (đèn, quạt, radio, ti vi, máy tính…).
Pin năng lượng mặt trời (solar panel/pin mặt trời/pin quang điện) là thiết bị giúp
chuyển hóa trực tiếp năng lượng ánh sáng mặt trời (quang năng) thành năng lượng
điện (điện năng) dựa trên hiệu ứng quang điện. Hiệu ứng quang điện là khả năng phát
ra điện tử (electron) khi được ánh sáng chiếu vào của vật chất.
Silicon được biết đến là một chất bán dẫn. “Chất bán dẫn là vật liệu trung gian
giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Chất bán dẫn hoạt động như một chất cách điện ở
nhiệt độ thấp và có tính dẫn điện ở nhiệt độ phịng”. Với tính chất như vậy, silicon là
một thành phần quan trọng trong cấu tạo của pin năng lượng mặt trời.

17


Ánh sáng mặt trời bao gồm các hạt rất nhỏ gọi là photon được tỏa ra từ mặt trời.
Khi va chạm với các nguyên tử silicon của pin năng lượng mặt trời, những hạt photon
truyền năng lượng của chúng tới các electron rời rạc, kích thích làm cho electron đang
liên kết với nguyên tử bị bật ra khỏi nguyên tử, đồng thời ở nguyên tử xuất hiện chỗ
trống vì thiếu electron.
Tuy nhiên giải phóng các electron chỉ mới là một nửa cơng việc của pin năng

lượng mặt trời, sau đó nó cần phải dồn các electron rải rác này vào một dòng điện.
Điều này liên quan đến việc tạo ra một sự mất cân bằng điện trong pin năng lượng mặt
trời, có tác dụng giống như xây một con dốc để các electron chảy theo cùng một
hướng.
Sự mất cân bằng này có thể được tạo ra bởi tổ chức bên trong của silicon.
Nguyên tử silicon được sắp xếp cùng nhau trong một cấu trúc ràng buộc chặt chẽ.
Bằng cách ép một số lượng nhỏ các nguyên tố khác vào cấu trúc này, sẽ có hai loại
silicon khác nhau được tạo ra: loại n và loại p. Chất bán dẫn loại n (bán dẫn âm –
Negative) có tạp chất là các nguyên tố thuộc nhóm V, các nguyên tử này dùng 4
electron tạo liên kết và một electron lớp ngoài liên kết lỏng lẻo với nhân, đấy chính là
các electron dẫn chính. Chất bán dẫn loại p (bán dẫn dương – Positive) có tạp chất là
các nguyên tố thuộc nhóm III, dẫn điện chủ yếu bằng các lỗ trống.
Khi hai loại bán dẫn này được đặt cạnh nhau trong một pin năng lượng mặt trời,
electron dẫn chính của loại n sẽ nhảy qua để lấp đầy những khoảng trống của loại p.
Điều này có nghĩa là silicon loại n tích điện dương và silicon loại p được tích điện âm,
tạo ra một điện trường trên pin năng lượng mặt trời. Vì silicon là một chất bán dẫn nên
có thể hoạt động như một chất cách điện và duy trì sự mất cân bằng này.
Khi làm cho electron đang liên kết với nguyên tử bị bật ra khỏi nguyên tử silicon,
photon trong ánh sáng mặt trời đưa các electron này vào một trật tự nhất định, cung
cấp dịng điện cho máy tính, vệ tinh và tất cả các thiết bị ở giữa.
2.3.5

Thành phần cơ bản của một hệ thống điện mặt trời:

2.3.5.1 Tấm pin mặt trời (Solar Panel)
Một số thông tin cơ bản về tấm pin mặt trời sử dụng trong hệ thống điện mặt trời:
18


 Hiệu suất: từ 15% – 18%

 Công suất: từ 25Wp đến 175 Wp
 Số lượng cells trên mỗi tấm pin: 72 cells
 Kích thước cells: 5″ – 6″
 Loại cells: monocrystalline và polycrystalline
 Chất liệu của khung: nhôm
 Tuổi thọ trung bình của tấm pin: 25-30 năm
Trong một ngày nắng, mặt trời cung cấp khoảng 1 kW/m² đến mặt đất (khi mặt
trời đứng bóng và quang mây).Cơng suất và điện áp của một hệ thống sẽ phụ thuộc và
cách chúng ta nối ghép các tấm pin mặt trời  lại với nhau.
Các tấm pin mặt trời được lắp đặt ở ngồi trời để có thể hứng được ánh nắng tốt
nhất từ mặt trời nên được thiết kế với những tính năng và chất liệu đặc biệt, có thể chịu
đựng được sự khắc nghiệt của thời tiết, khí hậu, nhiệt độ…
2.3.5.2 Bộ điều khiển sạc mặt trời (Solar Charger Controller) 

Hinh 2.14 Bộ sạc solar charger controller
Bộ điều khiển sạc: Là thiết bị thực hiện chức năng điều tiết sạc cho ắc-quy, bảo
vệ cho ắc-quy chống nạp quá tải và xả quá sâu nhằm nâng cao tuổi thọ của bình ắcquy, và giúp hệ thống pin mặt trời sử dụng hiệu quả và lâu dài. - Bộ điều khiển cịn
cho biết tình trạng nạp điện của Panel mặt trời vào ắc-quy giúp cho người sử dụng
kiểm soát được các phụ tải. - Bộ điều khiển còn thực hiện việc bảo vệ nạp quá điện thế
(>13,8V) hoặc điện thế thấp (<10,5V). Mạch bảo vệ của bộ điều khiển sẽ thực hiện
19


việc ngắt mạch khi bộ điều khiển xác nhận bình ắc-quy đã được nạp đầy hoặc điện áp
bình quá thấp.
2.3.5.3 Bộ kích điện DC-AC (Solar Inverter) 

Hinh 2.15 Bộ chuyển đổi DC-AC
Bộ kích điện là một thiết bị biến đổi điện áp một chiều (DC) của bình ắcquy
(12V – 24V – 48V hoặc lên đến 240V) thành điện áp xoay chiều (AC) có tần số phù

hợp với lưới điện Việt Nam đang sử dụng là 220V, 50Hz. Bộ kích điện được thiết kế
với nhiều loại công suất từ 300VA – 10kVA tuỳ u cầu sử dụng
Bộ kích điện có hai dạng: sóng điện hình sin mơ phỏng và hình sin thực. Loại
đầu có ưu điểm là giá rẻ, nhỏ gọn, thường dùng cho máy vi tính, đèn compact, tivi, đầu
máy… Loại sau sử dụng tốt với các thiết bị điện dân dụng, nhưng có giá cao hơn.
2.3.5.4 Chuyển mạch tự động (Option)  

20


Hinh 2.16 Bộ điều khiển ATS
Thiết bị này dùng để chuyển mạch từ điện lưới và điện từ năng lượng mặt trời
tuỳ trạng thái khi dùng phối hợp giữa hệ thống điện mặt trời với điện lưới. Những hệ
thống điện mặt trời thơng minh có thể vừa cấp điện cho lưới sau khi đã nạp đầy ắc quy
hoặc chuyển sang sử dụng điện lưới khi điện mặt trời không đủ cung cấp. Đơn giản
nhất có thể dùng loại cầu dao chuyển mạch thủ cơng hoặc muốn tự động hồn tồn,
phải dùng tủ điều khiển ATS.
2.3.5.5 Ắc quy (Battery)  

Hinh 2.17 Ắc quy

21


Là thiết bị lưu trữ điện để sử dụng vào ban đêm hoặc lúc trời ít hoặc khơng cịn
ánh nắng. Ắc-quy có nhiều loại như ắc quy nước axit, ắc quy miễn bảo dưỡng MF, ắc
quy kín khí VRLA, ắc quy khơ (gel, cadimi, niken) với kích thước và dung lượng (tính
bằng AH) hồn tồn khác nhau, tùy thuộc vào công suất và đặc điểm của hệ thống pin
mặt trời. Hệ thống có cơng suất càng lớn thì cần sử dụng ăc-quy có dung lượng lớn
hoặc dùng nhiều bình ắc-quy kết nối lại với nhau.

2.4 Các nghiên cứu liên quan đến đề tài
2.4.1

Các nghiên cứu trong nước

Khu công nghệ cao Quận 9 Thành Phố Hồ Chí Minh. Đây là hệ thống sử dụng
điện năng lượng mặt trời đầu tiên của tập đoàn Intel tại châu Á và sử dụng trực tiếp
(khơng qua hệ thống bình ắc-qui lưu trữ). Lượng điện tạo ra từ hệ thống này có thể đáp
ứng được 30% nhu cầu sử dụng điện trong khu văn phòng của nhà máy Intel Việt
Nam. Mỗi năm nó tạo ra khoảng 321.000 kW điện, giảm thiểu được khoảng 221.300
kg lượng khí thải CO2 vào mơi trường, tuổi thọ dự kiến là khoảng 20 năm.

Hinh 2.18 Hệ thống năng lượng mặt trời trên tầng mái của Intel
Dự án Phát điện hỗn hợp Pin mặt trời- Diesel ở thôn Bãi Hương, Cù Lao Chàm,
Quảng Nam (phục vụ cho sinh hoạt). Dự án gồm có 166 tấm pin mặt trời cơng suất
28kW và 2 máy phát có tổng cơng suất 20kW  do Cơng ty Systech lắp đặt. Tổng vốn

22


đầu tư 412.000USD trong đó chính phủ Thụy Điển tài trợ 332.000USD, còn lại do tỉnh
Quảng Nam đầu tư.
Dự án tổng thể năng lượng sạch chiếu sáng quần đảo Trường Sa và nhà giàn
Việt Nam vừa đoạt giải Năng lượng toàn cầu năm 2012, thắp sáng 48 đảo và nhà giàn
thuộc quần đảo Trường Sa. Dự án đã lắp đặt hơn 5.700 tấm pin năng lượng mặt trời,
hơn 120 quạt gió, hơn 4.000 bình ắc quy, gần 1.000 bộ đèn LED sử dụng năng lượng
mặt trời chiếu sáng sân đường, tường kè.

Hinh 2.19 Pin Mặt trời trên đảo trường sa

2.4.2

Các nghiên cứu ở nước ngồi

23
Hinh 2.21
2.20 Mơ
Hệ thống
hình PG-SWL-001
lai pg-swl-004


Sản phẩm đèn đường sử dụng hệ thống lai của Đài Loan Lợi ích lớn của việc xây
dựng loại nhà máy năng lượng này là giảm hệ thống lưới điện, đồng thời các nguồn
năng lượng này sẽ bổ sung cho nhau, dẫn đến năng lượng được tải vào lưới điện ổn
định hơn so với các nhà máy năng lượng mặt trời.
Theo Alexander Woitas – người đứng đầu bộ phận kỹ thuật của Solarpraxis AG:
"Nghiên cứu đã kiểm tra với cùng một diện tích bề mặt. Khi lắp đặt hệ thống quang
điện kết hợp với tuabin gió sẽ tạo ra nguồn năng lượng gấp đôi so với việc chỉ lắp đặt
hệ thống năng lượng mặt trời và sự che khuất gây ra bởi các tuabin gió chỉ chiếm 1-2%
diện tích của hệ thống năng lượng mặt trời – thấp hơn rất nhiều so với suy nghĩ trước
đây”.
Lắp đặt dãy các tấm năng lượng mặt trời tại sân bay quốc tế Düsseldorf Đức:
Đức, đã tiến hành lắp đặt (từ tháng 10 năm 2011) một trong những dãy các tấm năng
lượng mặt trời (hồn tất chỉ trong vịng 8 tuần, dự kiến hịa vào lưới điện quốc gia vào
đầu năm 2012: với hơn 8.400 tấm năng lượng mặt trời (đây là kết quả của sự hợp tác
giữa Sân bay quốc tế Düsseldorf và chi nhánh của dịch vụ công cộng của thành phố
Düsseldorf, Grünwerke GmbH). Dãy các tấm năng lượng mặt trời được lắp đặt (trong
khu vực bảo mật của sân bay Quốc tế Düsseldorf) trên diện tích tương đương 6 sân
bóng đá, với công suất khoảng 2 MW, bảo đảm cung cấp đủ điện năng cho 600 hộ gia

đình mỗi năm (mỗi hộ gia đình có 4 thành viên).
Sân bay đầu tiên ở Ân Độ sử dụng năng lượng Mặt trời: Đây là sân bay lớn thứ 4
ở Ấn Độ và là sân bay đầu tiên trên thế giới sử dụng năng lượng Mặt trời. Dự án năng
lượng mặt trời được đồng tài trợ và do chính phủ Ấn Độ điều hành.
Theo Huffington Post, dự án mất 6 tháng để xây dựng với kinh phí 10 triệu USD.
Sân bay dự định sẽ hồn vốn sau 5 năm. 46.000 tấm pin trong hệ thống năng lượng
mặt trời 12 megawatt được thiết lập trên diện tích hơn 20 ha. Dự án do cơng ty Bosch
thiết kế và lắp đặt.

24