Thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời cung cấp cho nhà dân

TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH

VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƢỢNG MẶT
TRỜI CUNG CẤP CHO NHÀ DÂN

Sinh viên thực hiện:

HOÀNG QUỐC CHUNG
Lớp 54K2 – CNKT Đ, ĐT

Giảng viên hướng dẫn:

TRẦN ĐÌNH DŨNG

Cán bộ phản biện:

Th.S LƯU VĂN PHÚC

Nghệ An, 5-2018


SV: Hoàng Quốc Chung

Đồ Án Tốt Nghiệp

Đánh giá đồ án tốt nghiệp
(Dùng cho giảng viên hƣớng dẫn)
Giảng viên đánh giá:..............................................................................................................
Họ và tên Sinh viên:................................................ MSSV:……………………………......
Tên đồ án: ................................... ................................... .....................................................
………………………………………………………………………………………………………

Chọn các mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo các tiêu chí dưới đây:
Rất kém (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5)
Có sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành (20)
Nêu rõ tính cấp thiết và quan trọng của đề tài, các vấn đề và
1 các giả thuyết (bao gồm mục đích và tính phù hợp) cũng như
1 2 3 4
phạm vi ứng dụng của đồ án
2 Cập nhật kết quả nghiên cứu gần đây nhất (trong nước/quốc tế) 1 2 3 4
3 Nêu rõ và chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải quyết vấn đề
1 2 3 4
Có kết quả mơ phỏng/thưc nghiệm và trình bày rõ ràng kết quả
4
1 2 3 4
đạt được
Có khả năng phân tích và đánh giá kết quả (15)
Kế hoạch làm việc rõ ràng bao gồm mục tiêu và phương pháp
5 thực hiện dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết một cách có hệ 1 2 3 4
thống
Kết quả được trình bày một cách logic và dễ hiểu, tất cả kết
6
1 2 3 4
quả đều được phân tích và đánh giá thỏa đáng.

Trong phần kết luận, tác giả chỉ rõ sự khác biệt (nếu có) giữa
kết quả đạt được và mục tiêu ban đầu đề ra đồng thời cung cấp
7
1 2 3 4
lập luận để đề xuất hướng giải quyết có thể thực hiện trong
tương lai.
Kỹ năng viết (10)
Đồ án trình bày đúng mẫu quy định với cấu trúc các chương
logic và đẹp mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, được
đánh số thứ tự và được giải thích hay đề cập đến trong đồ án,
8
1 2 3 4
có căn lề, dấu cách sau dấu chấm, dấu phẩy v.v), có mở đầu
chương và kết luận chương, có liệt kê tài liệu tham khảo và có
trích dẫn đúng quy định
Kỹ năng viết xuất sắc (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa
9
1 2 3 4
học, lập luận logic và có cơ sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.)
Thành tựu nghiên cứu khoa học (5) (chọn 1 trong 3 trƣờng hợp)
Có bài báo khoa học được đăng hoặc chấp nhận đăng/đạt giải
SVNC khoa học giải 3 cấp Viện trở lên/các giải thưởng khoa
10a
5
học (quốc tế/trong nước) từ giải 3 trở lên/ Có đăng ký bằng
phát minh sáng chế

5
5
5

5

5
5

5

5

5

Trường Đại Học Vinh
1


SV: Hoàng Quốc Chung

Đồ Án Tốt Nghiệp

Được báo cáo tại hội đồng cấp Viện trong hội nghị sinh viên
nghiên cứu khoa học nhưng không đạt giải từ giải 3 trở
10b
lên/Đạt giải khuyến khích trong các kỳ thi quốc gia và quốc tế
khác về chun ngành
10c Khơng có thành tích về nghiên cứu khoa học
Điểm tổng

2
0
/50

Điểm tổng quy đổi về thang 10
3. Nhận xét thêm của Thầy/Cô (giảng viên hướng dẫn nhận xét về thái độ và tinh thần
làm việc của sinh viên)
..........................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................
.........................................................................................................

Nghệ An, ngày…..tháng 05 năm 2018
Người nhận xét
(Ký và ghi rõ họ tên)

Trường Đại Học Vinh
2


SV: Hoàng Quốc Chung

Đồ Án Tốt Nghiệp

Đánh giá đồ án tốt nghiệp
(Dùng cho cán bộ phản biện)
Giảng viên đánh giá:.......................................................................................................
Họ và tên Sinh viên:................................................ MSSV:……………………………
Tên đồ án: ................................... ................................... ..............................................
…………………………………………………………………………………………..

Chọn các mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo các tiêu chí dưới đây:
Rất kém (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5)
Có sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành (20)
Nêu rõ tính cấp thiết và quan trọng của đề tài, các vấn đề và
1 các giả thuyết (bao gồm mục đích và tính phù hợp) cũng như
1 2 3 4
phạm vi ứng dụng của đồ án
2 Cập nhật kết quả nghiên cứu gần đây nhất (trong nước/quốc tế) 1 2 3 4
3 Nêu rõ và chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải quyết vấn đề
1 2 3 4
Có kết quả mơ phỏng/thưc nghiệm và trình bày rõ ràng kết quả
4
1 2 3 4
đạt được
Có khả năng phân tích và đánh giá kết quả (15)
Kế hoạch làm việc rõ ràng bao gồm mục tiêu và phương pháp
5 thực hiện dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết một cách có hệ 1 2 3 4
thống
Kết quả được trình bày một cách logic và dễ hiểu, tất cả kết
6
1 2 3 4
quả đều được phân tích và đánh giá thỏa đáng.
Trong phần kết luận, tác giả chỉ rõ sự khác biệt (nếu có) giữa
kết quả đạt được và mục tiêu ban đầu đề ra đồng thời cung cấp
7
1 2 3 4
lập luận để đề xuất hướng giải quyết có thể thực hiện trong
tương lai.
Kỹ năng viết (10)
Đồ án trình bày đúng mẫu quy định với cấu trúc các chương

logic và đẹp mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, được
đánh số thứ tự và được giải thích hay đề cập đến trong đồ án,
8
1 2 3 4
có căn lề, dấu cách sau dấu chấm, dấu phẩy v.v), có mở đầu
chương và kết luận chương, có liệt kê tài liệu tham khảo và có
trích dẫn đúng quy định
Kỹ năng viết xuất sắc (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa
9
1 2 3 4
học, lập luận logic và có cơ sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.)
Thành tựu nghiên cứu khoa học (5) (chọn 1 trong 3 trƣờng hợp)
Có bài báo khoa học được đăng hoặc chấp nhận đăng/đạt giải
SVNC khoa học giải 3 cấp Viện trở lên/các giải thưởng khoa
10a
5
học (quốc tế/trong nước) từ giải 3 trở lên/ Có đăng ký bằng
phát minh sáng chế
Được báo cáo tại hội đồng cấp Viện trong hội nghị sinh viên
10b
2
nghiên cứu khoa học nhưng không đạt giải từ giải 3 trở

5
5
5
5

5
5

5

5

5

Trường Đại Học Vinh
3


SV: Hồng Quốc Chung

Đồ Án Tốt Nghiệp

lên/Đạt giải khuyến khích trong các kỳ thi quốc gia và quốc tế
khác về chun ngành
10c Khơng có thành tích về nghiên cứu khoa học
Điểm tổng

0
/50

Điểm tổng quy đổi về thang 10
3. Nhận xét thêm của Thầy/Cô
..........................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................

.........................................................................................................

Nghệ An, ngày…..tháng 05 năm 2018
Người nhận xét
(Ký và ghi rõ họ tên)

Trường Đại Học Vinh
4


SV: Hồng Quốc Chung

Đồ Án Tốt Nghiệp

MỤC LỤC
LỜI NĨI ĐẦU .................................................................................................................. 7
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................... 9
CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƢỢNG
MẶT TRỜI ..................................................................................................................... 10
1.1. Giới thiệu chung ......................................................................................................... 10
1.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống năng lượng mặt trời: ...................................... 10
1.3. Cấu hình tiêu biểu của hệ thống điện năng lượng mặt trời: .................................. 11
1.4. Ưu thế của năng lượng mặt trời ................................................................................ 16
1.5. Tìm hiểu chung về pin năng lượng năng lượng mặt trời:...................................... 17
1.6. Ưu, Nhược điểm của năng lượng mặt trời: ............................................................. 25
1.7. Ứng dụng pin mặt trời ở Việt Nam .......................................................................... 27
CHƢƠNG 2: BỘ KÍCH INVERTER VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN SẠC ......................... 34
2.1.

Loại Inverter cho hệ thống năng lượng mặt trời: .................................................. 34

2.2. Hoạt động của inverter .............................................................................................. 34
2.3. Bộ điều khiển sạc ....................................................................................................... 44
CHƢƠNG 3: BATTERY (Ắc-quy): ........................................................................... 47
3.1. Giới thiệu chung về ắc quy: ...................................................................................... 47
3.2. Cấu tạo của ắc-quy: .................................................................................................... 47
3.3. Phân loại và nguyên lý hoạt động của ắc quy: ....................................................... 49
CHƢƠNG 4: PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƢỢNG
MẶT TRỜI ..................................................................................................................... 62
4.1. Tính tổng lượng tiêu thụ điện của tất cả các thiết bị mà hệ thống điện năng
lượng mặt trời cần cung cấp. ............................................................................................... 62
4.2. Tính số cơng suất hệ thống điện các tấm pin năng lượng mặt trời phải cung cấp
cho toàn tải mỗi ngày. .......................................................................................................... 62
Trường Đại Học Vinh
5


SV: Hồng Quốc Chung

Đồ Án Tốt Nghiệp

4.3. Tính tốn kích cỡ tấm pin mặt trời cần sử dụng ..................................................... 63
4.4. Tính tốn bộ inverter .................................................................................................. 63
4.5. Tính tốn ắc quy ......................................................................................................... 64
4.6. Tính tốn bộ điều khiển sạc cho năng lượng mặt trời ........................................... 65
4.7. Tính tốn chi phí cần dùng để thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời ........ 65
4.8.

Tính tốn thời gian hồn vốn khi sử dụng hệ thống điện năng lượng mặt trời .. 66

KẾT LUẬN ..................................................................................................................... 67
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 68

Trường Đại Học Vinh
6


SV: Hồng Quốc Chung

Đồ Án Tốt Nghiệp

LỜI NĨI ĐẦU
Trong tiến trình phát triển của lồi người, việc sử dụng năng lượng là đánh dấu một
cột mốc rất quan trọng. Từ đó đến nay, lồi người sử dụng năng lượng ngày càng nhiều,
nhất là trong vài thế kỷ gần đây. Trong cơ cấu năng lượng hiện nay, chiếm phần chủ yếu
là năng lượng tàn dư sinh học than đá, dầu mỏ, khí tự nhiên. Kế là năng lượng nước thủy
điện, năng lượng hạt nhân, năng lượng sinh khối (bio.gas, …) năng lượng mặt trời, năng
lượng gió chỉ chiếm một phần khiêm tốn. Xã hội lồi người khơng phát triển nếu khơng
có năng lượng.
Ngày nay, năng lượng tàn dư sinh học, năng lượng không tái sinh ngày càng kiệt,
giá dầu mỏ tăng từng ngày, ảnh hưởng xấu đến sự phát triển kinh tế xã hội và mơi
trường sống. Tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế là nhiệm vụ cấp bách của các nhà
khoa học, kinh tế, các chính trị gia,… và mỗi người chúng ta. Nguồn năng lượng thay
thế đó phải sạch, thân thiện với mơi trường, chi phí thấp, khơng cạn kiệt (tái sinh), và dễ
sử dụng.
Từ lâu, loài người đã mơ ước sử dụng năng lượng mặt trời. Nguồn năng lượng hầu
như vô tận, đáp ứng hầu hết các tiêu chí nêu trên. Nhiều cơng trình nghiên cứu đã được
thực hiện, năng lượng mặt trời không chỉ là năng lượng của tương lai mà còn là năng
lượng của hiện tại.
Bạn không nên nghĩ rằng ứng dụng năng lượng mặt trời là công việc của riêng của

các nhà khoa học, đây cũng chính là nơi bạn có thể phát huy óc sáng tạo, sự khéo tay, và
tính kiên nhẫn của bạn. Cịn gì thú vị hơn khi bạn tự thực hiện và ứng dụng năng lượng
mặt trời trong chính ngơi nhà của mình.
Cuốn sách này giới thiệu chi tiết các ứng dụng năng lượng mặt trời trong ngôi nhà
hoặc trên mảnh vườn của bạn. Các dự án đó tương đối đơn giản, chi phí trong tầm tay
của bạn, nhưng hiệu quả cao, không đồi hỏi lý thuyết cao siêu, chỉ cần bạn nhận ra lợi
ích của việc sử dụng năng lượng mặt trời và quyết tâm thực hiện. bạn có thể thực hiện
Trường Đại Học Vinh
7


SV: Hoàng Quốc Chung

Đồ Án Tốt Nghiệp

từng bước theo hướng dẫn trong từng dự án, khi dạt kết quả, bạn hồn tồn có thể chỉnh
sửa, cải tiến để năng cao hiệu suất và giảm chi phí tùy theo sự năng động và tính sáng
tạo của bạn. Các dự án này cịn có thể được thực hiện trong trường học, trường phổ
thông và trường dạy nghề, giúp cho thầy cô giáo có thêm phương cách thí nghiệm, học
đi đơi với hành, giúp cho học sinh tính sáng tạo và hứng thú học tập.

Trường Đại Học Vinh
8


SV: Hoàng Quốc Chung

Đồ Án Tốt Nghiệp

LỜI CẢM ƠN

Trước khi vào nội dung đồ án chúng em xin chân thành cảm ơn đến Thầy: Trần
Đình Dũng giảng viên ngành CNKTĐ, ĐT đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ chúng em
trong suốt q trình thực hiện để hồn thành đồ án này cùng tồn thể thầy cơ bộ mơn đã
tận tình giảng dạy, chỉ bảo, truyền đạt nguồn kiến thức sâu rộng và những kinh nghiệm
quý báu cho chúng em trong suốt thời gian học tại trường.
Xin cảm ơn đến tất cả bạn bè, những người đã giúp đỡ chúng tôi trong suốt thời
gian học tập cũng như thực hiện đồ án tốt nghiệp này.
Và cuối cùng chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bố mẹ đã ủng
hộ và tạo điều kiện cho chúng em hoàn thành đồ án này.
Mặc dù đã nỗ lực hết mình, nhưng do khả năng, kiến thức và thời gian có hạn nên
khơng thể tránh được những sai sót trong lúc thực hiện đồ án này, em kính mong quý
thầy cơ chỉ dẫn, giúp đỡ em để ngày càng hồn thiện hơn kiến thức của mình và có thể
tự tin bước vào cuộc sống với vốn kiến thức đã có được.

Trường Đại Học Vinh
9


SV: Hoàng Quốc Chung

Đồ Án Tốt Nghiệp

CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG
LƢỢNG MẶT TRỜI

Hình 1.1: Ví dụ về sử dụng hệ thống điện năng lượng mặt trời
1.1. Giới thiệu chung
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.
1.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống năng lượng mặt trời:
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
Trường Đại Học Vinh
10


SV: Hoàng Quốc Chung

Đồ Án Tốt Nghiệp

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, TV…).
1.3. Cấu hình tiêu biểu của hệ thống điện năng lượng mặt trời:
S
TT

1

2

3

4

5

6

7

Tên thiết bị

Ghi chú

Solar Cells Panel Monocrystalline (đơn tinh thể ), Polycrytalline (đa tinh thể)

Solar Regulator Lựa chọn tùy mức điện thế và công suất của hệ thống

DC-AC Inverter Dạng sóng ra : Step Wave hoặc Sine Wave

Battery (ắc-quy) Bình khơ, kín khí, khơng cần bảo dưỡng.

Khung, gá

Chuyên dụng cho hệ thống

Dây cáp

Chuyên dụng cho hệ thống (ngoài trời và trong nhà)

Phụ kiện lắp đặt Linh, phụ kiện đồng bộ khác

Trường Đại Học Vinh
11

SV: Hoàng Quốc Chung

Đồ Án Tốt Nghiệp

1.3.1. Panel mặt trời:
Tấm pin Panel mặt trời (solar cells panel) biến đổi quang năng hấp thụ từ mặt trời
để biến thành điện năng. Một số thông tin cơ bản về tấm pin mặt trời: 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 inchs, loại cells: monocrystalline và polycrystalline, chất liệu của
khung nhôm, tuổi thọ trung bình của tấm pin: 30 năm. Có khả năng kết nối thành các
trạm điện mặt trời công suất lớn không hạn chế, có thể hịa lưới (grid), hoặc hoạt động
độc lập như 1 hệ thống back-up điện. Trong một ngày nắng, mặt trời cung cấp khoảng 1
kW/m² đến mặt đất (khi mặt trời đứng bóng và quang mây, ở mực nước biển). Công suất
và điện áp của một hệ thống sẽ phụ thuộc và cách chúng ta nối ghép các tấm pin Panel
mặt trời lại với nhau. Các tấm pin Panel mặt trời được lắp đặt ở ngoài 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…
1.3.2. 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 ắc-quy, 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 việc ngắt mạch khi bộ điều
khiển xác nhận bình ắc-quy đã được nạp đầy hoặc điện áp bình quá thấp.
1.3.3. Ac-dc inverter:
-

Là bộ biến điện nghịch lưu. Inverter chuyển đổi dòng điện 12V DC từ ăc-quy thành

dòng điện AC (110VAC, 220VAC). Được thiết kế với nhiều cấp công suất từ 0.3kVA –
10kVA.

Trường Đại Học Vinh
12


SV: Hồng Quốc Chung

-

Đồ Án Tốt Nghiệp

Inverter có nhiều loại và cách phân biệt chúng bằng dạng sóng của điện áp đầu ra:

dạng sóng hình sin, giả sin, sóng vng, sóng bậc thang…
1.3.4. Battery (Ắc-quy):
-

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, kích thước và dung lượng khác nhau, tùy thuộc vào công

suất và đặc điểm của hệ thống pin panel 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.
1.3.5. Khung giá và dây cáp:
-

Để đảm bảo cho hệ thống pin Panel mặt trời đặt đúng vị trí tốt nhất (nắng nhiều

nhất và lâu nhất) và hiệu suất sử dụng hệ thống luôn được ổn định lâu dài, chúng ta cần
dùng đến bộ khung giá và dây cáp chuyên dụng.
-

Để tối đa hóa hiệu suất của hệ thống, các tấm pin Panel mặt trời cần được lắp đặt

theo 1 góc nghiêng và 1 hướng nhất định (tùy thuộc từng vị trí lắp đặt cụ thể).
-

Lưu ý khi lắp đặt tránh các vùng có khả năng bị che, khuất nắng, nên lựa chọn

những vị trí có thể hứng được nắng tốt nhất cho cả ngày.
-

Các phụ kiện đồng bộ kèm theo: ống, công tắc, bảng điện, Vaseline, domino, ổ

cắm… để lắp hoàn chỉnh hệ thống điện mặt trời

Trường Đại Học Vinh
13


SV: Hồng Quốc Chung

Đồ Án Tốt Nghiệp

Hình 1.2: Lắp đặt các thiết bị trong hệ thống điện năng lượng mặt trời


1 : Tấm pin mặt trời (Solar Panel)



2: Bộ điều khiển sạc mặt trời (Solar Charger Controller)



3: Bộ kích điện DC-AC (Solar Inverter)



4: Cầu dao chuyển mạch (Solar Inverter)



5: Ắc quy (Battery)

Trường Đại Học Vinh
14


SV: Hồng Quốc Chung

Đồ Án Tốt Nghiệp

Hình 1.3: Hệ thống sản xuất điện mặt trời hịa lưới có dự trữ
Mơ tả hoạt động của hệ thống:
-

Đây là sự tích hợp của hai hệ thống thành một hệ thống liên hoàn bao gồm:

-

Hệ thống Sản xuất điện năng từ Mặt trời thành điện 220VAC/50Hz bổ sung vào

điện lưới (On grid).
-

Hệ thống Lưu trữ biến đổi điện điện năng từ Mặt trời thành điện 220VAC/50Hz

(Off grid).
Tuy nhiên, quý khách vẫn có thể sử dụng từng hệ thống trên một cách độc lập tùy
theo nhu cầu cụ thể.
-

Khi khởi động Battery bank luôn được ưu tiên nạp điện từ Mặt trời cho đến khi

đầy. Lúc này Grid-Tie Solar Inverter (GTSI) chưa làm việc.
-

Khi Battery bank đầy bộ Inverter-Solar Charger (ISC) sẽ ngưng sạc và bộ GTSI sẽ

hoạt động: Biến đổi điện DC từ Solar panel thành điện AC 220V có điện áp, tần số - pha

Trường Đại Học Vinh
15


SV: Hoàng Quốc Chung

Đồ Án Tốt Nghiệp

trùng với điện lưới và được hòa trực tiếp vào lưới điện – Việc bán điện sẽ được thơng
qua đồng hồ W1.
-

Khi có điện lưới, điện năng cho tải thông thường và tải ưu tiên sẽ được cấp qua

đồng hồ điện W2 (điện mua) - do ISC lúc này đang ở chế độ On grid.
-

Khi mất điện lưới, ISC sẽ lấy điện DC từ Battery bank và Solar để biến đổi thành

điện AC 220V cung cấp cho tải ưu tiên. Đồng thời GTSI sẽ ngưng làm việc.
1.4. Ưu thế của năng lượng mặt trời
1.4.1. Năng lượng hiện tại

Trong cuộc sống hàng ngày, chúng ta sử dụng khối lượng năng lượng khổng lồ.
Cuộc sống của chúng ta xoay quanh sự tiêu thụ các nguồn tài nguyên thiên nhiên và tiêu
thụ năng lượng.
-

Phần lớn trong tỷ lệ tiêu thụ năng lượng dược dùng cho sưởi ấm 58% một phần

trong số này có thể cung cấp từ năng lượng mặt trời .
-

Kế tiếp là nấu nước, chiếm 24% tổng năng lượng tiêu thụ, hồn tồn có thể nấu

nước bằng năng lượng mặt trời .
-

Điều dó có nghĩa là có thể đáp ứng 83% nhu cầu năng lượng bằng công nghệ năng

lượng mặt trời .
-

Phần năng lượng, 13% được dùng để tạo ra điện năng để cung cấp cho chiếu sáng

và các thiết bị gia dụng.
-

Năng lượng được dùng cho nấu ăn, 5% cũng có thể tạo ra từ năng lượng.

1.4.2. Lý do chọn năng lượng mặt trời
Năng lượng mặt trời là dạng năng lượng sạch, xanh, miễn phí, và có giá trị sử dụng
tốt nhất. mặt trời đã xuất hiện cách đây 5 tỷ năm và tiếp tục thêm 5 tỷ năm nữa, quá đủ

cho loài người.
Chúng ta đang tìm các cơng nghệ sử dụng dạng năng lượng này một cách hiệu quả
nhất, do đây là năng lượng sạch, rất thân thiện vơi môi trường. Đây thực sự là nguồn tài
nguyên khổng lồ. tuy năng lượng mặt trời tập chung chủ yếu ở vùng châu Phi.

Trường Đại Học Vinh
16


SV: Hoàng Quốc Chung

Đồ Án Tốt Nghiệp

1.4.3. Năng lượng hiện nay
Cơ quan năng lượng quốc tế dự báo khai thác năng lượng của 33 trong số 48 nhà
sản xuất dẩu mõ hàng đầu thế giới đang giảm. Điều đó đang thành hiện thực.
Khơng chỉ có đỉnh sản lượng dầu mỡ, hiện nay cịn có đỉnh than đá, đỉnh khí tự
nhiên, và đỉnh uranium. Tất cả các nguồn tài nguyên này đều có giới hạn, khơng thể khai
thác mãi mãi.
Điều đó có nghĩa là những người tin tưởng vào năng lượng hạt nhân có thể bị sốc,
năng lượng hạt nhân từng được coi là nguồn thay thế hửu hiệu cho nhiên liệu tàn dư sinh
học, nhưng mọi người phải đối mặt với cùng một vấn đề. Nếu tất cả đều chuyển sang
năng lượng hạt nhân, tốc độ tiêu thụ uranium sẽ tăng nhanh, chưa kể các nguy cơ về an
toàn hạt nhân.
1.5. Tìm hiểu chung về pin năng lượng năng lượng mặt trời:

Hình 1.4: Pin năng lượng mặt trời

Trường Đại Học Vinh
17

SV: Hoàng Quốc Chung

Đồ Án Tốt Nghiệp

1.5.1. Hướng đặt:
Điều khiển tấm pin theo mùa (xuân, hạ, thu, đông) cũng là 1 vấn đề chúng ta đã
biết, với mỗi mùa khác nhau, tại 1 địa điểm nhất đinh, mặt trời sẽ có 1 góc chiếu khác
nhau.

Trường Đại Học Vinh
18


SV: Hồng Quốc Chung

Đồ Án Tốt Nghiệp

Hình 1.5: Cách đặt hướng pin năng lượng mặt trời theo các mùa
1.5.2. Nguyên lý hoạt động và cấu tạo
Nhiên liệu hóa thạch theo tính tốn của các nhà khoa học và mơi trường học sẽ cạn
kiệt trong vòng 50 năm nữa nếu cứ sử dụng với tốc độ hiện nay. Việc tìm năng lượng
thay thế là bài tốn cấp bách của tồn nhân loại. Có ý kiến cho rằng điện hạt nhân là một
giải pháp, nhưng với mức độ an toàn và bản chất của q trình khơng thuận nghịch của
phản ứng hạt nhân không cho ta kết quả như mong đợi .Năng lượng mặt trời xét về lâu
dài mới là giải pháp cho tương lai. Một trong các nguyên nhân khác của việc sử dụng
năng lượng mặt trời đó là do tính sạch của nó về mặt mơi trường. Trong q trình sử
dụng nó khơng sinh ra khí nhà kính hay gây ra các hiệu ứng tiêu cực tới khí hậu tồn
cầu. Việc dạy học gắn với nội dung này nhằm giáo dục ý thức môi trường và sự chuẩn bị

hành trang cho chủ nhân tương lai là cần thiết và phù hợp . Có 2 cách chính sử dụng
năng lượng mặt trời:
-

Sử dụng dưới dạng nhiệt năng: lò hấp thụ mặt trời, nhà kính...

-

Sử dụng thơng qua sự chuyển hố thành điện năng: Hệ thống pin mặt trời
Câu hỏi đặt ra là pin mặt trời hoạt động thế nào
Pin mặt trời là thiết bị ứng dụng hiệu ứng quang điện trong bán dẫn (thường gọi là

hiệu ứng quang điện trong - quang dẫn) để tạo ra dòng điện một chiều từ ánh sáng mặt
Trường Đại Học Vinh
19


SV: Hoàng Quốc Chung

Đồ Án Tốt Nghiệp

trời. Loại pin mặt trời thông dụng nhất hiện nay là loại sử dụng Silic tinh thể. Để hiểu về
nguyên lý làm việc của pin mặt trời loại này chúng ta cần biết một vài đặc điểm của chất
bán dẫn Silic.
Trong bảng tuần hoàn Silic (Si) có số thứ tự 14- 1s22s22p63s23p2 . Các điện tử của
nó được sắp xếp vào 3 lớp vỏ. 2 lớp vỏ bên trong được xếp đầy bởi 10 điện tử. Tuy
nhiên lớp ngồi cùng của nó chỉ được lấp đầy 1 nửa với 4 điện tử 3s 23p2. Điều này làm
nguyên tử Si có xu hướng dùng chung các điện tử của nó với các nguyên tử Si khác.
Trong cấu trúc mạng tinh thể nguyên tử Si liên kết với 4 nguyên tử Si lân cận để lớp vỏ
ngồi cùng có chung 8 điện tử (bền vững).

Hình 1.6: Cấu tạo tinh thể Si của pin mặt trời
Tinh thể Si tinh khiết là chất bán dẫn dẫn điện rất kém vì các điện tử bị giam giữ
bởi liên kết mạng, khơng có điện tử tự do. Chỉ trong điều kiện kích thích quang, hay
nhiệt làm các điện tử bị bứt ra khỏi hiên kết, hay nói theo ngơn ngữ vùng năng lượng là
các điện tử (tích điện âm) nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẫn bỏ lại vùng hóa trị 1 lỗ
trống (tích điện dương), thì khi đó chất bán dẫn mới dẫn điện.
Để tăng khả năng dẫn điện của bán dẫn silicon người ta thường pha tạp chất vào
trong đó. Trước tiên ta xem xét trường hợp tạp chất là nguyên tử phospho (P) với tỷ lệ
Trường Đại Học Vinh
20


SV: Hoàng Quốc Chung

Đồ Án Tốt Nghiệp

khoảng một phần triệu. P có 5 điện tử ở lớp vỏ ngồi cùng nên khi liên kết trong tinh thể
Si sẽ dư ra 1 điện tử. Điện tử này trong điều kiện bị kích thích nhiệt có thể bứt khỏi liên
kết với hạt nhân P để khuếch tán trong mạng tinh thể.

Hình 1.7: Điện tử bổ sung vào tinh thể Si
Chất bán dẫn Si pha tạp P đƣợc gọi là bán dẫn loại N :
(Negative) vì có tính chất dẫn điện bằng các điện tử tự do. Ngược lại, nếu chúng ta
pha tạp tinh thể Si bằng các nguyên tử Boron (B) chỉ có 3 điện tử ở lớp vỏ, chúng ta sẽ
có chất bán dẫn loại P (Positive) có tính chất dẫn điện chủ yếu bằng các lỗ trống.

Trường Đại Học Vinh
21

SV: Hồng Quốc Chung

Đồ Án Tốt Nghiệp

Hình 1.8: Điện tử cịn thiếu trong tinh thể Si
Điều gì sẽ xảy ra khi ta cho 2 loại bán dẫn trên tiếp xúc với nhau. Khi đó, các điện
tử tự do ở gần mặt tiếp xúc trong bán dẫn loại N sẽ khuyếch tán từ bán dẫn loại N -> bán
dẫn loại P và lấp các lỗ trống trong phần bán dẫn loại P này.
Liệu các điện tử tự do của bán dẫn N có bị chạy hết sang bán dẫn P hay khơng?
Câu trả lời là khơng. Vì khi các điện tử di chuyển như vậy nó làm cho bán dẫn N mất
điện tử và tích điện dương, ngược lại bán dẫn P tích điện âm. Ở bề mặt tiếp xúc của 2
chất bán dẫn bây giờ tích điện trái ngược và xuất hiện 1 điện trường hướng từ bán dẫn N
sang P ngăn cản dòng điện tử chạy từ bán dẫn N sang P. Và trong khoảng tạo bởi điện
trường này hầu như khơng có e hay lỗ trống tự do .

Hình 1.9: Sự tiếp xúc chất bán dẫn P và N trong tinh thể Si
Trường Đại Học Vinh
22


SV: Hoàng Quốc Chung

Đồ Án Tốt Nghiệp

Thiết bị mà chúng ta vừa mơ tả ở trên chính là 1 đi ốt bán dẫn. Điện trường tạo ra ở
bề mặt tiếp xúc làm nó chỉ cho phép dịng điện tử chạy theo 1 chiều, ở đây là từ bán dẫn
loại P sang bán dẫn loại N, dịng điện tử sẽ khơng được phép chạy theo hướng ngược lại.
Để lí giải vì sao bạn có thể liên hệ một cách đơn giản đến phần tĩnh điện.
Pin quang điện khơng phải cái gì khác chính là một đi ốt bán dẫn có diện tích bề

mặt rộng và có lớp N cực mỏng để ánh sáng có thể truyền qua. Khi chiếu ánh sáng vào
pin quang điện một phần sẽ bị phản xạ ( và do đó trên bề mặt pin quang điện có một lớp
chống phản xạ) và một phần bị hấp thụ khi truyền qua lớp N. Một phần may mắn
hơn đến được lớp chuyển tiếp, nơi có các cặp e và lỗ trống nằm trong điện trường của bề
mặt giới hạn p-n. Với các bước sóng thích hợp sẽ truyền cho e một năng lượng đủ lớn để
bật khỏi liên kết. Sẽ khơng thể có chuyện gì nếu khơng có điện trường nhỏ tạo bởi lớp
chuyển tiếp. Đó là lí do giải thích vì sao nếu ta chiếu ánh sáng vào một vật bán dẫn thì
khơng thể sinh ra dịng điện .
Nhưng cặp e và lỗ trống này nằm trong tác dụng của điện trường do đó e sẽ bị kéo
về phía bán dẫn loại n cịn lỗ trống bị kéo về phía bán dẫn loại p. Kết quả là nếu ta nối
hai cực vào hai phần bán dẫn loại n và p sẽ đo được một hiệu điện thế. Giá trị hiệu điện
thế này phụ thuộc vào bản chất của chất làm bán dẫn và tạp chấp được hấp phụ . Với Si
(B;P) thì giá trị này ở khoảng 0,6V.
Ánh sáng mặt trời cung cấp cho chúng ta khoảng 1 kilowatt/m2 ( Chính xác là 1,34
KW/m2: Đây chính là hằng số mặt trời), tuy nhiên các hiệu suất chuyển thành điện năng
của các pin mặt trời chỉ vào khoảng 8% đến 12%. Tại sao lại ít vậy. Câu trả lời là ánh
sáng mặt trời có phổ tần số khá rộng. Khơng phải tần số nào cũng có đủ năng lượng để
kích thích điện tử từ vùng hóa trị lên vùng dẫn. Chỉ có những photon năng lượng cao
hơn khe vùng bán dẫn mới làm được điều này. Đối với bán dẫn Si khe vùng vào khoảng
1.1eV. Các photon năng lượng thấp hơn sẽ khơng sử dụng được. Nếu photon có năng
lượng cao hơn khe vùng thì phần năng lượng dư đó cũng khơng có đóng góp gì thêm.
Vậy tại sao chúng ta khơng chọn các vật liệu có khe vùng hẹp để tận dụng nguồn photon
tần số thấp. Vấn đề là khe vùng cũng xác định hiệu điện thế (hay điện trường) ở bề mặt
Trường Đại Học Vinh
23


SV: Hoàng Quốc Chung

Đồ Án Tốt Nghiệp

tiếp xúc. Khe vùng càng bé thì hiệu điện thế này càng bé. Nên nhớ cơng suất của dịng
điện bằng hiệu điện thế nhân với dịng. Người ta đã tính tốn được khe vùng tối ưu là
vào khoảng 1.4eV, khi đó cơng suất dịng điện thu được tối đa.
Một nguyên nhân nữa cũng cản trở việc nâng cao hiệu suất của pin mặt trời, đó là
cách chúng ta bố trí các tiếp xúc kim loại để lấy dòng điện. Ở mặt dưới của tấm pin hiển
nhiên ta có thể cho tiếp xúc với 1 tấm kim loại nhưng ở mặt trên nó cần trong suốt để
ánh sáng có thể đi qua. Nếu chỉ bố trí các tiếp xúc ở mép tấm pin thì các điện tử phải di
chuyển quá xa trong tinh thể Si mới vào được mạch điện (chú ý là bán dẫn Si dẫn điện
kém, tức điện trở của nó lớn). Vì vậy người ta thường dùng 1 lưới kim loại phủ lên bề
mặt của pin mặt trời. Tuy nhiên kích thước lưới không thể giảm vô hạn nên cũng phần
nào làm giảm hiệu suất chuyển năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện.
Có người nói: năng lượng làm ra một hệ thống pin mặt trời lớn hơn năng lượng nó
thu được trong q trình dùng ( hay nói một cách đời sống hơn tiền mua nó đắt hơn tiền
mua điện: Điều này trước đây là đúng, tuy nhiên với công nghệ hiện nay tỉ lệ này là 1:4
nghiêng về tiền thu được. Tức là bỏ 1 triệu mua hệ thống thì sẽ thu được 4 triệu tiền
năng lượng thu được )
Một thực tế là việc sử dụng năng lượng Mặt trời ở nước ta còn quá xa vời là do ta ỷ
vào nguồn năng lượng thủy điện (cũng là một loại năng lượng sạch) nhưng thực tế nhu
cầu tiêu thụ điện và sự khổ sở vì tình trạng các hồ chứa xuống dưới mức chết đã gióng
một hồi chng nhẹ tới suy nghĩ này của toàn bộ mọi người!
1.5.3. Sơ đồ cơ bản của hệ thống điện năng lượng mặt trời

Trường Đại Học Vinh
24