Thiết kế hệ thống chiếu sáng thông minh bằng năng lượng mặt trời

621. TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đềtài:

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG
THÔNG MINH BẰNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Sinh viên thực hiện:

TRẦN THANH TÙNG

Lớp:

51K ĐTVT

Giảng viên hướng dẫn: TS. NGUYỄN THỊ QUỲNH HOA

NGHỆ AN – 2015


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện đồ án này, tôi đã nhận được rất nhiều các sự giúp đỡ
từ các thầy cô trong Khoa Điện tử Viễn thông, đặc biệt phải kể đến sự tận tâm, nhiệt
tình của TS. Nguyễn Thị Quỳnh Hoa, Bộ môn KT Viễn Thông, Khoa Điện Tử
Viễn Thông, Trường Đại Học Vinh, giảng viên trực tiếp chịu trách nhiệm hướng
dẫn đồ án tốt nghiệp. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến cô và các thầy cô trong Khoa Điện
tử Viễn thông đã giúp đỡ tôi hồn thành đồ án này.

Cuối cùng, tơi xin kính chúc quý thầy, cô sức khỏe và thành công nhiều hơn
nữa trong sự nghiệp giáo dục cao quý.
Nghệ An, tháng 01 năm 2015
Sinh viên

Trần Thanh Tùng

i


LỜI NÓI ĐẦU
Trong thế kỷ XXI năng lượng là vấn đề hàng đầu mà thế giới phải giải quyết
nhất là trong bối cảnh nguồn dầu mỏ bị cạn kiệt, giá thành ngày càng lên cao, nguồn
cung cấp không ổn định. Nguồn than đá cũng có hạn và gây ơ nhiễm mơi trường. Vì
vậy việc tìm kiếm nguồn năng lượng khác mà có khả năng tái tạo đang đặt ra bài
tốn giải quyết của các nhà khoa học trong mọi lĩnh vực. Những nguồn năng lượng
triển vọng như năng lượng hạt nhân, nhiệt hạch, năng lượng sinh học, năng lượng
gió, năng lượng mặt trời…. So với các nguồn năng lượng khác thi nguồn năng
lượng mặt trời được coi là một nguồn năng lượng rẻ, vô tận, thiết bị đơn giản là một
nguồn năng lượng sạch không gây hại cho môi trường đang thu hút sự quan tâm của
rất nhiều nhà khoa học, nhà nghiên cứu và sẽ trở thành nguồn năng lượng tốt nhất
trong tương lai. Hệ thống quang điện sử dụng năng lượng mặt trời có nhiều ưu điểm
như khơng cần ngun liệu, khơng gây ơ nhiễm mơi trường, ít phải bảo dưỡng,
không gây tiếng ồn… Hiện nay năng lượng mặt trời đã được khai thác và đưa vào
ứng dụng trong cuộc sống cũng như trong công nghiệp dưới nhiều dạng và hình
thức khác nhau, thơng thường để cấp nhiệt và điện.
Tuy nhiên việc đầu tư cho xây dựng hệ thống điện mặt trời hiện nay còn gặp rất
nhiều thách thức và trở ngại. Vấn đề đầu tiên là việc chi phí đầu tư ban đầu rất lớn
so với điều kiện kinh tế ở Việt Nam. Vì vậy nhiệm vụ đặt ra là thiết kế hệ thống
chiếu sáng thông minh với chi phí thấp để phù hợp với điều kiện kinh tế nước ta

hiện nay.
Xuất phát từ những ưu điểm của năng lượng mặt trời và nhiệm vụ đặt ra ở trên
tôi thực hiện đồ án với đề tài nghiên cứu của mình là “Thiết kế hệ thống chiếu sáng
thơng minh bằng năng lượng mặt trời”. Trong đồ án này, tôi giới thiệu chi tiết về
hệ thống chiếu sáng thông minh bằng năng lượng mặt trời và đi vào thiết kế một hệ
thống chiếu sáng bằng năng lượng mặt trời. Bố cục của đồ án gồm có ba chương.
Chương 1 giới thiệu một cách tổng quan về hệ thống chiếu sáng thông minh
bằng năng lượng mặt trời, mục tiêu của đồ án, phạm vi của đồ án.
Chương 2 mô tả một hệ thống chiếu sáng thông minh bằng năng lượng mặt trời
bao gồm các tấm panel pin mặt trời, bình ắc-quy và các linh kiện để thiết kế bộ điều
ii


khiển sạc, bộ điều khiển LED. Chương này, tơi cịn đưa ra nguyên nhan tại sao lại
lựa chọn đèn LED trong hệ thống chiếu sáng
Chương 3 đi sâu vào thiết kế chế tạo hệ thống chiếu sáng thông minh bằng năng
lượng mặt trời bao gồm thiết kế mơ hình hệ thống chiêu sáng LED dùng năng lượng
mặt trời và thiết kế mơ hình cột đèn chiếu sáng thơng minh bằng năng lượng mặt
trời.
Phần kết luận là những kết quả chính mà đồ án đã đạt được cũng như mở ra
những hướng phát triển mới để hoàn thiện hơn nữa đề tài này trong thời gian tới.

iii


TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Hệ thống điện mặt trời ngày càng được sử dụng phổ biến trên thế giới, đặc biệt
là để chiếu sáng công cộng. Đồ án này nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống chiếu
sáng sử dụng nguồn năng lượng mặt trời có khả năng điều khiển đèn và sạc ắc-quy
trong thời gian ban ngày bằng việc sử dụng nguồn cung cấp là năng lượng mặt trời.

Hệ thống dùng vi điều khiển PIC16F877A để điều khiển sạc cho ắc quy và điều
khiển đèn. Hệ thống sử dụng đèn LED làm nguồn chiếu sáng bởi vì đèn LED mang
tính hiệu quả, tuổi thọ, chi phí, và tiêu thụ điện năng. Hệ thống sử dụng cảm biến
chuyển động TM-212 dùng để phát hiện sự có mặt người đi qua.

ABSTRACT
Solar energy system has become more and more popularly all over the world,
specially, lighting in the public places. This thesis is about developing and
fabricating the circuit that can charge the lead acid battery during day time by
using solar energy as the source. The process, like most other photovoltaic
systems theses days, would require the use of a microcontroller, namely
PIC16F877A, to control many of the circuit functionalities including switching,
controlling driver circuit, and integrating sensor output etc. The preferred lighting
source is LED considering its photometrics such as efficacy, life span, cost,
efficiency and power consumption. Moving sensor TM-212 used to discover the
existence of user.

iv


MỤC LỤC
Trang
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................. i
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................ii
TÓM TẮT ĐỒ ÁN..................................................................................................... iv
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ...................................................................................vii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .............................................................................. ix
THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT ............................................................................. x
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU .......................................................................................... 1
1.1 Thực trạng ........................................................................................................ 1

1.2 Tổng quan về đồ án .......................................................................................... 1
1.3 Mục tiêu đồ án .................................................................................................. 2
1.4 Phạm vi của dự án ............................................................................................ 3
1.5 Kết luận chương ............................................................................................... 3
CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI ............................................................ 4
2.1 Giới thiệu .......................................................................................................... 4
2.2 Tấm Pin mặt trời............................................................................................... 5
2.2.1 Khái niệm ................................................................................................ 5
2.2.2 Cấu tạo tấm pin mặt trời .......................................................................... 5
2.2.3 Nguyên lý hoạt động của tấm pin mặt trời .............................................. 6
2.2.4 Các thống số đặc trưng ............................................................................ 7
2.2.5 Các thế hệ pin mặt trời ............................................................................ 7
2.2.6 Ứng dụng pin mặt trời ............................................................................. 8
2.3 Ắc-quy .............................................................................................................. 9
2.3.1 Giới thiệu chung về ắc-quy ..................................................................... 9
2.3.2 Các thông số cơ bản của ắc-quy ............................................................ 11
2.3.3 Tiêu chuẩn ắc-quy TCVN: 4472:93 ...................................................... 15
2.4 Cảm biến chuyển động ................................................................................... 17
2.5 Chíp thời gian thực DS1307 ........................................................................... 18
2.5.1 Ghép nối DS1307 với vi điều khiển ...................................................... 19
2.5.2 Tổ chức thanh ghi trong DS1307 .......................................................... 19
v


2.6 Vi điều khiển PIC16F877A ............................................................................ 22
2.6.1 Khái niệm .............................................................................................. 22
2.6.2 Vi điều khiển PIC16F877A ................................................................... 24
2.6.3 Cấu trúc tổng quát PIC16F877A ........................................................... 26
2.6.4 Bộ Nhớ PIC 16F877A .......................................................................... 27
2.6.5 Các cổng xuất nhập của PIC16F877A ................................................. 30

2.6.6 Các bộ định thời ................................................................................... 32
2.6.7 Ngắt ...................................................................................................... 35
2.6.8 Các thanh ghi đặc biệt ........................................................................... 36
2.6.9 ADC ....................................................................................................... 38
2.6.10 Stack ................................................................................................... 40
2.7 Sử dụng đèn LED trong hệ thống chiếu sáng ................................................ 40
2.8 Kết luận chương .............................................................................................. 48
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG LED BẰNG
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI .................................................................................... 49
3.1 Giới thiệu ....................................................................................................... 49
3.2 Thiết kế mơ hình hệ thống chiếu sáng LED dùng năng lượng mặt trời ........ 49
3.2.1 Tấm pin mặt trời .................................................................................... 52
3.2.2 Bình ắc-quy ........................................................................................... 54
3.2.3 Bộ điều khiển sạc .................................................................................. 55
3.2.4 Mạch điều khiển đèn LED .................................................................... 61
3.2.5 Đèn LED siêu sáng ................................................................................ 67
3.3 Thiết kế mơ hình cột đèn chiếu sáng LED dùng năng lượng mặt trời .......... 67
3.4 Kết luận chương .............................................................................................. 70
KẾT LUẬN ............................................................................................................... 71
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 72
PHỤ LỤC .................................................................................................................. 73
1. Chương trình đối với mạch nạp ắc-quy ............................................................ 73
2. Chương trình đối với mạch điều khiển LED .................................................... 75

vi


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Trang
Hình 2.1 Solar Cell ...................................................................................................... 5

Hình 2.2 Cấu tạo pin mặt trời ...................................................................................... 6
Hình 2.3 Mơ tả hoạt động chuyển tiếp P-N ................................................................ 6
Hình 2.4 Cấu tạo ắc-quy.............................................................................................. 9
Hình 2.5 Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch γ tới điện trở và sức điện động .......... 10
Hình 2.6 Biểu đồ dung lượng phóng ......................................................................... 12
Hình 2.7 Đặc tính phóng của ắc-quy......................................................................... 13
Hình 2.8 Đặc tuyến nạp ............................................................................................. 14
Hình 2.9 Bán kính và góc qt của cảm biến chuyển động ...................................... 18
Hình 2.10 DS1307 ..................................................................................................... 18
Hình 2.11 Giao tiếp DS1307 với PIC ....................................................................... 19
Hình 2.12 Vi điều khiển PIC16F877A...................................................................... 24
Hình 2.13 Sơ đồ chân vđk PIC16F877A .................................................................. 25
Hình 2.14 Sơ đồ khối PIC16F877A .......................................................................... 26
Hình 2.15 Sơ đồ bộ nhớ chương trình ....................................................................... 28
Hình 2.16 Sơ đồ bộ nhớ dữ liệu ................................................................................ 29
Hình 2.17 Sơ đồ khối của time0 ................................................................................ 32
Hình 2.18 Sơ đồ khối của time1 ................................................................................ 33
Hình 2.19 Sơ đồ khối của time2 ................................................................................ 34
Hình 2.20 Sơ đồ các ngắt trong PIC16F877A .......................................................... 36
Hình 2.21 Sơ đồ khối bộ chuyển đổi ADC ............................................................... 39
Hình 2.22 Các các lưu kết quả chuyển đổi AD ......................................................... 39
Hình 2.23 LED siêu sáng 10W ................................................................................. 48
Hình 3.1 Sơ đồ khối của hệ thống chiếu sáng LED .................................................. 49
Hình 3.2 Ba loại tấm pin mặt trời. (a) Đơn tinh thể, (b) Đa tinh thể, (c) Vơ định
hình ............................................................................................................................ 53
Hình 3.3 Các loại ắc-quy........................................................................................... 54
Hình 3.4 Sơ đồ khối mạch nạp .................................................................................. 58
vii

Hình 3.5 Mạch điều khiển nạp ắc-quy từ nguồn năng lượng mặt trời ...................... 59
Hình 3.6 Sơ đồ mạch in ............................................................................................. 59
Hình 3.7 Sạc ở giai đoạn một .................................................................................... 59
Hình 3.8 Sạc ở giai đoạn hai ..................................................................................... 60
Hình 3.9 Sạc ở giai đoạn ba ...................................................................................... 60
Hình 3.10 Lưu đồ thuật tốn của chế độ chuyển động ............................................. 62
Hình 3.11 Lưu đồ thuật tốn chế độ thời gian .......................................................... 64
Hình 3.12 Lưu đồ thuật toán kết hợp hai chế độ ....................................................... 65
Hình 3.13 Sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiền đèn LED theo 2 chế độ ............... 66
Hình 3.14 Sơ đồ mạch in ........................................................................................... 66
Hình 3.15 Sơ đồ lắp ráp linh kiện của mạch điều khiển đèn .................................... 67
Hình 3.16 Cột đèn chiếu sáng ................................................................................... 68
Hình 3.17 Mặt trước và mặt sau của mơ hình thí nghiệm......................................... 69
Hình 3.18 Khối điều khiển ........................................................................................ 69

viii


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Trang
Bảng 2.1 Quá trình chuyển đổi trong ắc-quy ............................................................ 11
Bảng 2.2 Thông số ắc-quy ........................................................................................ 15
Bảng 2.3 Thông số yêu cầu của ắc-quy .................................................................... 16
Bảng 2.4 Địa chỉ và thanh ghi thời gian thực............................................................ 20
Bảng 2.5 Bảng chọn bank thanh ghi ......................................................................... 30
Bảng 2.6 Bảng dự báo chỉ tiêu kỹ thuật mà đèn dùng LED sẽ đạt vào thập kỷ tới .. 44
Bảng 2.7 Bảng thể hiện mức tiết kiệm chi phí của người tiêu dung khi thay bóng
nóng bằng bóng LED ................................................................................................ 45
Bảng 2.8 Bảng so sánh các loại đèn về hiệu quả kinh tế của đèn sợi đốt, đèn LED

bóng trịn và đèn compact ......................................................................................... 46
Bảng 3.1 Khảo sát đối với mạch sạc ắc-quy ............................................................. 61

ix


THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT
Bộ chuyển đổi tương tự

ADC

Analog Digital Converter

LDR

Light Dependent Resistors Quang điện trở

LED

Light Emitting Diode

Điốt phát quang

Compact Fluorescent

Đèn huỳnh quang

Lamp

Compact

CFL

sang số

Mã hóa số thập phân bằng

BCD

Binary Coded Decimal

CPU

Central Processing Unit

Bộ xử lí trung tâm

Reduced Instructions Set

Máy tính với tập lệnh đơn

Computer

giản hóa

Complex Instructions Set

Máy tính với tập lệnh

Computer

phức tạp hóa

Complementary Metal-

Chất bán dẫn oxit metal

Oxide-Semiconductor

bổ sung

RISC

CISC

CMOS

số nhị phân

Năng lượng mặt trời

NLMT
Pulse Width Modulation

Điều chế độ rộng xung

Programable Intellgen

Máy tính thơng minh khả

Computer

trình

PMT

Solar Cell

Pin mặt trời

RAM

Random Access Memory

ROM

Read Only Memory

Bộ nhớ chỉ đọc

ALU

Arithmetics Logic Unit

Bộ số học và logic

DC

Direct Current

Dịng điện khơng đổi

I/O

Input/Output

Vào/ra

WDT

Watchdog Timer

Bộ định thời giám sát

PWM
PIC

Bộ nhớ chính của máy
tính

x


CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU
1.1 Thực trạng
Trong kỷ nguyên của sự phát triển nhanh chóng của xã hội nên nhu cầu đối với
năng lượng ngày càng lớn, do vậy các nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn
kiệt. Vì vậy việc tìm nguồn năng lượng thay thế là yêu cầu cấp bách để duy trì cho
sự phát triển bền vững. Nguồn năng lượng tái tạo được xem như là một giải pháp để
thay thế các nguồn năng lượng hiện nay. Hiện nay một số nguồn năng lượng tái tạo

đã được sử dụng thay thế như năng lượng mặt trời và năng lượng gió. Với xu hướng
phát triển bền vững, năng lượng xanh với mức giá phù hợp với điều kiện kinh tế
nước ta đã và đang được Đảng và nhà nước ủng hộ triển khai nghiên cứu và phát
triển.
Năng lượng mặt trời là nguồn tài nguyên miễn phí với nguồn cung không giới
hạn. Trong hệ thống cung cấp điện hiện nay ở Việt Nam chủ yếu là thủy điện và
nhiệt điện. Tuy nhiên do sự ngăn dòng chảy tại đầu nguồn và sự thay đổi thất
thường của lượng mưa, và sự cạn kiệt của khí đốt sẽ khó để đáp ứng được nguồn
năng lượng ổn định và lâu dài. Do vậy, việc sử dụng khai thác năng lượng mặt trời
để cung cấp đủ cho nhu cầu sử dụng điện trong tương lai là một giải pháp cần được
xem xét.
1.2 Tổng quan về đồ án
Đồ án ngiên cứu về thiết kế hệ thống chiếu sáng thông minh bằng năng lượng
mặt trời. Trong hệ thống chiếu sáng thông minh, tôi thiết kế một mạch điều khiển
sạc cho ắc-quy và một mạch điều khiển đèn. Trong đó, mạch điều khiển sạc dùng để
sạc cho ắc quy và bảo vệ ắc quy trong quá trình sạc bằng năng lượng mặt trời. Mạch
điều khiển sạc được thiết kế dựa vào một cảm biến có thể nhận biết giữa ngày và
đêm (quang trở LDR), trong thời gian ban ngày khi có ánh nắng mặt trời thì mạch
điều khiển sạc thực hiện chức năng nạp điện cho ắc-quy khi điện áp trong ắc-quy
được tiêu thụ hết hay ngừng sạc cho ắc-quy khi điện áp của ắc-quy đã được sạc đầy.
Nguyên lý hoạt động của mạch sạc ắc-quy là kiểm tra điện áp của ắc-quy. Tại thời
điểm đó có đủ điện áp trong bình khơng? Nếu điện áp trong bình ắc quy khơng đủ
điện thì dùng vi điều khiển PIC16F877A để điều khiển độ rộng xung (PWM) ra cho
1


phù với mức điện áp mà vi điều khiển mới kiểm tra để nâng cao tuổi thọ cho ắcquy. Còn mạch điều khiển LED được dùng để điều khiển cường độ chiếu sáng dựa
vào người sử dụng, nếu có người sử dụng thì đèn LED sẽ sáng với cơng suất 100%,
cịn nếu khơng có người sử dụng thì đèn LED sẽ sáng với công suất 50%. Mạch
điều khiển LED được thiết kế dựa vào IC thời gian thực DS1307 và cảm biến

chuyển động TM-212. Trong đó, IC thời gian thực được dùng xác định thời gian
ngày và đêm và cảm biến chuyển động dùng để xác định theo nhu cầu sử dụng.
Mạch điều khiển đèn LED hoạt động cũng tương tự như mạch điều khiển sạc, mạch
điều khiển đèn LED bằng bằng cách điều khiển độ rông xung (PWM). Khi nhận
được tín hiệu từ cảm biến TM-212 là có người sử dụng thì vi điều khiển
PIC16F877A sẽ điều khiển độ rộng xung là 100% cịn khơng nhận được tín hiệu từ
cảm biến TM-212 khơng có người sử dụng thì PIC sẽ điều khiển độ rộng xung là
50%. Đối với mạch điều khiển đèn LED thì được điều khiển theo hai chế độ: một là
điều khiển hoàn toàn dựa vào thời gian thực; hai là điều khiền đèn LED có sự kết
hợp giữa thời gian thực và cảm biến chuyển động. Xác định một góc nghiêng tối ưu
làm sao cho tấm pin mặt trời có thể thu nhận được năng lượng mặt trời hiệu quả cao
suốt cả năm để sạc ắc-quy một cách tốt nhất. Quá trình điều khiển sạc ắc-quy và quá
trình điều khiển đèn LED được lặp đi lặp lại cho các ngày trong năm.
1.3 Mục tiêu đồ án
Mục tiêu của đồ án là phát triển một hệ thống chiếu sáng thông minh bằng năng
lượng mặt trời và dùng để tiết kiệm năng lượng đèn chiếu sáng công cộng (được sử
dụng năng lượng tái tạo và đang hoạt động ở cường độ chiếu sáng lớn). Đèn chiếu
sáng công cộng tiêu thụ một phần cho số lượng lớn về sự tiêu thụ điện của thành
phố. Hệ thống chiếu sáng bằng năng lượng mặt trời thay thế cho việc cung cấp cho
hệ thống chiếu sáng công cộng thông thường (sử dụng năng lượng hóa thạch) và hệ
thống chiếu sáng thơng minh sẽ điều khiển chúng để có thể giảm chi phí và tiết
kiệm năng lượng. Nếu đường phố vắng vẻ hoặc khơng có ai tham gia hoạt động
dưới hệ thống thì đèn đường chỉ cần cho hệ thống chiếu sáng hoạt động ở cường độ
chiếu sáng ở ngưỡng thấp. Đồ án này nhằm hạn chế số lượng lớn năng lượng bị
lãng phí mà khơng có mục đích. Trong điều kiện như vậy hệ thống hoạt động hoàn
toàn tự động và cấp nguồn điện phù hợp cho đèn LED để có một cường độ sáng
2


thích hợp để cung cấp cường độ ánh sáng theo nhu cầu sử dụng hoặc là theo thời

gian sinh hoạt của con người.
1.4 Phạm vi của dự án
Phạm vi của đồ án này bao gồm xây dựng một mơ hình của hệ thống chiếu sáng
thông minh bằng năng lượng mặt trời. Một bình ắc-quy 12V là nơi lưu trữ nguồn
điện được thu từ tấm pin mặt trời để cấp điện cho đèn LED. Sự khác nhau giữa
thành phần tham gia vào việc thiết kế của đồ án này bao gồm một mạch điều khiển
sạc và một mạch điều khiển cường độ sáng của đèn LED, cả hai được kết nối với
mạch vi điều khiển PIC16F877A với đọc dữ liệu trong IC thời gian thực DS1307để
xác định thời gian ngày và đêm, dựa vào cảm biến chuyển động để kiểm soát cường
độ chiếu sáng của đèn LED. Mỗi đèn đường được trang bị một con cảm biến TM212, cảm biến chuyển động nhận được thơng tin có người chuyển động hay khơng
qua sóng hồng ngoại được phản chiếu qua gương FRENER và gửi tín hiệu điện áp
cho vi điều khiển PIC16F877A. Dựa vào ánh nắng để lắp đặt góc nghiêng của tấm
pin mặt trời để đảm bảo việc thu năng lượng mặt trời tối đa như để cấp đủ điện cho
đèn chiếu sáng công cộng trong cả bốn mùa. Hệ thống có thể cấp năng lượng cho
đèn đường tối đa ba ngày mà không cần nhận năng lượng mặt trời.
1.5 Kết luận chương
Chương này đã trình bày một cách tổng quan nhất về những vấn đề cơ bản nhất
về thiết kế hệ thống chiếu sáng thông minh bằng năng lượng mặt trời bao gồm mục
tiêu, nguyên lý hoạt động và phạm vi của hệ thống chiếu sáng thông minh.

3


CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI

1.1 Giới thiệu
Một hệ thống điện mặt trời điển hình bao gồm các thành phần như: tấm pin
năng lượng mặt trời, ắc-quy, điều khiển sạc, lắp đặt cơ khí và kết nối đây, điều
khiển LED. Trong chương này, các thành phần khác nhau theo yêu cầu của các hệ
thống điện mặt tời cho đồ án này sẽ được thảo luận. Các loại pin mặt trời, lợi thế,

nhược điểm, tính sẵn có và giá trị kinh tế của pin mặt trời sẽ được thảo luận. Bộ
điều khiển sạc và các loại điều khiển sạc dựa vào điện áp của ắc-quy. Nguyên tắc
hoạt động của cảm biến chuyển động TM-212, IC thời gian thực DS1307 và vi điều
khiển PIC16F877A hoạt động thế nào để nó phù hợp với đồ án của tôi. Cuối cùng,
tôi so sánh chi tiết của hệ thống chiếu sáng và tại sao đèn LED là lựa chọn ánh sáng
tốt nhất cho dự án này sẽ được đưa ra.
Có nhiều cách khác nhau để các năng lượng điện tồn tại, nhưng sử dụng hệ
thống điện năng lượng mặt trời để sản xuất điện có nhất định lợi ích riêng nó được
giải thích ngắn gọn dưới đây :
+ Nhiên liệu miễn phí: nhiên liệu chính cho các hệ thống năng lượng mặt trời là
ánh sáng của mặt trời, trong đó có sẵn tất cả xung quanh trên thế giới như là một tài
nguyên miễn phí. Các tác động mơi trường là rất nhỏ vì khơng có sản phẩm độc hại;
+ Sản xuất điện độc lập: trong quá trình này, điện được tạo ra một cách độc lập
mà khơng sử dụng các nhiên liệu hóa thạch và đường dây phân phối điện thông
thường;
+ Sự bảo trì: vì khơng có các bộ phận quay như động cơ của một hệ thống
quang điện nên việc bảo trì là rất đơn giản;
+ Có lợi ích trong việc xác định vị trí: bộ phận cấp điện thơng thường cần xem
xét nhiều yếu tố trước khi thiết lập các trung tâm của họ, chẳng hạn như cung cấp
nhiên liệu, thông tin liên lạc, xây dựng đường dây điện v.v… Nhưng để lắp đặt hệ
thống quang điện, các vị trí đã chọn chỉ cần phải có nguồn cung cấp dồi dào của ánh
nắng mặt trời;
+ Dễ dàng phát triển: theo yêu cầu, năng lực của hệ thống quang điện có thể
được tăng thêm các module năng lương mặt trời. Điều này là rất đơn giản và ít tốn
4


kém hơn so với hệ thống điện thông thường;
+ Độ tin cậy tối đa: khi có ánh sáng mặt trời hệ thống sẽ tiếp tục cung cấp điện
không bị gián đoạn cho nên nguy cơ cắt điện là rất thấp.

1.2 Tấm Pin mặt trời
1.2.1 Khái niệm
Pin mặt trời (Solar cells) hay Photovoltaic là linh kiện quang - điện chuyển đổi
năng lượng ánh sáng mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện trong [1].
+ Năm 1839 Ông Alexander Bequerel phát hiện ra hiệu ứng quang điện;
+ Năm 1883, Charles Fitts chế tạo pin mặt trời từ các tấm Selenium, đạt hiệu
suất dưới 1%;
+ Năm 1941, Rusell Ohl là người đầu tiên chế tạo pin mặt trời giống như các
pin đang được sử dụng ngày nay;
+ Năm 1954, các nhà khoa học (Calvin Fuller, Gerald Pearson, Daryl Chapin)
tại phịng thí nghiệm Beel chế tạo thành công pin mặt trời Silicon chuyển tiếp P-N
đạt hiệu suất tới 6%.

Hình 2.1 Solar Cell
1.2.2 Cấu tạo tấm pin mặt trời
Tấm pin mặt trời gồm có 6 phần [1]:
+ Điện cực mặt trên;
+ Lớp chống phản quang;
5


+ Lớp bán dẫn loại N;
+ Lớp bán dẫn loại P;
+ Lớp đáy;
+ Lớp điện cực mặt dưới.
Điện cực mặt trên
Lớp chống phản quang
Lớp bán dẫn loại N

Lớp bán dẫn loại P

Lớp đáy

Lớp điện cực dưới

Hình 2.2 Cấu tạo pin mặt trời
1.2.3 Nguyên lý hoạt động của tấm pin mặt trời
Nguyên lý hoạt động được miêu tả như hình vẽ sau:

P

-

+

-

+

-

+

-

+

N

Điện trở

Tiếp xúc
kim loại

E0
Ecp

Engồi
E0 -E Ngồi

Ei
EF
EVP

ECN
EF
Ei
EVN

Hình 2.3 Mơ tả hoạt động chuyển tiếp P-N
Nguyên lý hoạt động của tấm pin mặt trời là dựa vào hiện tượng quang điện
trong [1], [2]: Khi lớp bán dẫn P – N hấp thụ ánh sáng có bước sóng hv tạo ra cặp
6


điện tử - lỗ trống và trở thành các hạt tải tự do. Từ đó điện tử di chuyển về phía cực
của bán dẫn loại n, lỗ trống di chuyển về phía cực của bán dẫn loại p; Nếu bên
ngồi nối với bán dẫn loại N và bán dẫn loại P bằng dây dẫn thì xuất hiện dịng
điện; Điện tử đi qua khỏi các điện cực (bán dẫn loại N) qua dây dẫn và đi tới điện
cực (bán dẫn loại P để tái hợp với lỗ trống).
1.2.4 Các thống số đặc trưng

Các thông số đặc trưng của tấm pin mặt trời được thể hiện như sau [1], [3]:
+ Điện thế hở mạch (VOC) là hiệu điện thế V cực đại khi được chiếu sáng với
thơng lượng ᶲ , khi đó R = ∞, I = 0;
+ Dòng điện đoản mạch (ISC) là dòng điện trong mạch của pin mặt trời khi làm
việc ngắn mạch ngồi (V=0);
+ Cơng suất của pin mặt trời được xác định theo công thức:
P = I.V

(2.1)

Tại giá trị (IMP, VMP) khi có cơng suất cực đại (Pmax).
+ Hệ số lấp đầy (Fill Factor) là tỷ số giữa cơng suất cực đại Pmax với tích số
V0C.I0C;
FF =
FF≈

𝑃𝑚𝑎𝑥
𝐽𝑆𝐶 .𝑉𝑂𝐶

=

𝐽𝑀𝑃 .𝑉𝑀𝑃

(2.2)

𝐽𝑆𝐶 .𝑉𝑂𝐶

𝑣𝑂𝐶 −ln(𝑣𝑂𝐶 +0.72)
𝑣𝑂𝐶 +1

mà 𝑣𝑂𝐶 = 𝑉𝑂𝐶

𝑒
𝑛.𝐾𝑏 .𝑇

(2.3)

Trong đó n là hệ số lý tưởng của diode.
+ Hiệu suất hoạt động (ƞ) là tỷ lệ phần trăm giữa giữa năng lượng điện tối đa
được tạo ra so với năng lượng ánh sáng chiếu tới;
ƞ =

𝐽𝑀𝑃 .𝑉𝑀𝑃
𝑃𝐼𝑁

=

𝑉𝑂𝐶 .𝐽𝑆𝐶 .𝐹𝐹
𝑃𝐼𝑁

(2.4)

+ Các yếu tố giới hạn lên hiệu suất:
 Các chất bán dẫn chỉ hấp thụ ở một dải phổ nhất định;
 Ảnh hưởng của tạp, khuyết tật tinh thể, hiệu ứng bề mặt;
 Mất mát quang học;
 Mất mát do điện trở bán dẫn, lớp tiếp xúc…
1.2.5 Các thế hệ pin mặt trời
7

Các thế hệ pin mặt trời được sản xuất và nghiên cứu bao gồm ba thế hệ [3]:
- Thế hệ thứ nhất:
+ Vật liệu silicon (đơn tinh thể và đa tinh thể) chiếm khoảng 80-85 % thị
trường pin mặt trời;
+ Hiệu suất chuyển đổi năng lượng tối đa 31% (lý thuyết). Cịn đạt được tại
phịng thí nghiệm: 25% cho đơn tinh thể, 20.4% cho đa tinh thể;
+ Yêu cầu độ tinh khiết tinh thể rất cao.
- Thế hệ thứ hai:
+ Thế hệ thứ hai sử dụng công nghệ màng mỏng;
Vật liệu: CdTe, CIGS (Đồng, Indium, Galium, Selenium) Silicon vơ định
hình, nano tinh thể…
+ Là các chất bán dẫn có vùng cấm thẳng;
+ Lớp bán dẫn mỏng hơn (<1𝜇𝑚) khoảng 100-1000 so với silicon tinh thể;
+ Hệ số hấp thụ cao hơn thế hệ thứ nhất.
- Thế hệ thứ ba đã được và đang nghiên cứu mạch mẽ với một số dạng sau:
+ Pin mặt trời dùng chất màu nhạy sáng (DSSC);
+ Pin mặt trời dùng hữu cơ (polymer);
+ Pin mặt trời quang điện hóa;
+ Pin mặt trời lai vơ cơ- hữu cơ.
1.2.6 Ứng dụng pin mặt trời
Pin mặt trời là phương pháp sản xuất điện trực tiếp từ năng lượng mặt trời
(NLMT) qua thiết bị biến đổi quang điện. Pin mặt trời (PMT) có ưu điểm là gọn
nhẹ, có thể lắp bất kỳ ở đâu có ánh sáng mặt trời, đặc biết là trong lĩnh vực tàu vũ
trụ. Ứng dụng NLMT dưới dạng này được phát triển với tốc độ rất nhanh, nhất là
các nước phát triển. Ngày nay ứng dụng NLMT để chạy đua để thay thế nguồn năng
lượng truyền thống.
Tuy nhiên giá thánh thiết bị pin mặt trời cịn khá cao, trung bình hiện nay
khoảng tầm 5-10USD/Wp, nên ở những nước đang phát triển, pin mặt trời hiện mới
chỉ có khả năng duy nhất là cung cấp năng lượng điện sử dụng cho vùng sâu vùng

xa, và vùng hải đảo như hoàng sa, trường sa, những nơi đường dây điện quốc gia
chưa có [3].
8


Ở Việt Nam, với sự hỗ trợ của nhà nước và một số tổ chức quốc tế đã thực
hiện thành cơng việc xây dựng các trạm pin mặt trời có công suất khác nhau để
phục vụ các nhu cầu sử dụng khác nhau. Tuy nhiên hiện nay pin mặt trời đã được
ứng dụng trong các sản xuất điện để sinh hoạt hằng ngày và có thể dùng pin mặt trời
cung cấp điện để thắp sáng nơi công cộng hoặc đèn đường…
1.3 Ắc-quy
1.3.1 Giới thiệu chung về ắc-quy
Ắc-quy là nguồn năng lượng có tính thuận nghịch. Nó tích trữ năng lượng dưới
dạng hóa năng và giải phóng năng lượng dưới dạng điện năng [4]. Dịng điện trong
bình ắc-quy tạo ra do phản ứng điện phân giữa vật liệu trên bản cực và dung dịch
H2SO4. Hiện nay chúng ta có nhiều loại ắc-quy, nhưng có 2 loại cơ bản là ắc-quy
axit và ắc-quy kiềm.
Bình ắc-quy được làm từ nhiều tế bào ắc-quy (cell), ta gọi đó là những ắc-quy
đơn, được đặt trong 1 vỏ bọc bằng cao su cứng hay nhựa cứng [4].
Mỗi ắc-quy đơn có điện thế khoảng 2V. Ắc-quy 12V có 6 ắc-quy đơn mắc nối
tiếp. Muốn có điện thế cao hơn ta mắc nối tiếp nhiều ắc-quy lại với nhau.

Hình 2.4 Cấu tạo ắc-quy
Trên nắp mỗi ắc-quy đơn có đặt nắp thơng hơi, với mục đích:
+ Đậy kín ắc-quy, khi cần thêm nước thì mở ra thêm nước vào.
+ Khi nạp thì người ta mở nắp này để chất khí hình thành có khí thốt ra.
Dung dịch điện phân là H2SO4, nồng độ dung dịch có ảnh hưởng lớn đến sức
điện động của ắc-quy, thể hiện trong sơ đồ sau:

9

E(V/ngăn)

R(Ω/cm3)

3,5 5
Eaq
2,0 4
1,5 3
1,0 2

Điện trở dung dịch điện phân

0,5 1
0
1,0

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

1,6

γ(g/cm3)

Hình 2.5 Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch 𝛄 tới điện trở và sức điện động
Thông thường nồng độ H2SO4: 𝛾 = 1.1 – 1.3 g/cm3.
Q trình hóa học xảy ra trong ắc-quy axit.
Trong ắc-quy thường xảy ra hai q trình hóa học thuận nghịch đặc trưng là q
trình nạp và phóng điện:
+ Khi nạp nhờ nguồn điện ở mạch ngoài mà các eletron chuyển động từ bản cực
âm đến bản cực dương, đây chính là dịng điện nạp vào;
+ Khi phóng điện, dưới tác động của sức điện động ắc-quy, các electron sẽ
chuyển động theo hướng ngược lại;
+Khi ắc-quy đã nạp no, ở bản cực dương còn lại là PbO2, cịn ở bản cực âm là
chì xốp Pb. Khi phóng hết điện, chất tác dụng ở hai bản cực đêu trở thành PbSO4 ở
dạng tinh thể nhỏ;
+ Quá trình hóa học (phản ứng điện phân) xảy ra trong ăc-quy có thể viết vắn
tắt như sau:
Trên bản cực dương:
Phóng

PbO2 + H2SO4

Nạp

PbSO4 + H2O

Trên bản cực âm:

10

Phóng

Pb + SO4-

Nạp

PbSO4

Tổng qt q trình chuyển đổi trong ắc-quy:
Bảng 2.1 Quá trình chuyển đổi trong ắc-quy
Trạng thái Ắc-quy

Cực dương

Dung dịch điện phân

Bản cực âm

Nạp no

PbO2

H2SO4

Pb

↕

↕

↕

↕

Phóng hết điện

PbSO4

H2 O

PbSO4

Khi phóng điện, axit H2SO4 bị hấp thụ để tạo thành muối sunfat, cịn tạo ra
nước, do đó nồng độ dung dịch giảm đi. Khi nạp điện thì ngược lại, nhờ hấp thụ nước
và tái sinh ra axít H2SO4 nên nồng độ dung dịch tăng lên. Sự thay đổi nồng độ dung
dịch điện phân khi phóng và nạp là một trong những dấu hiệu xác định trạng thái
tích điện của ắc-quy.
1.3.2 Các thông số cơ bản của ắc-quy
a. Sức điện động
Sức điện động phụ thuộc vào nồng độ của dung dịch điện phân:
E0 = 0.85 + 𝛾 (V)

(2.5)

Trong đó:
E0: Sức điện động của ắc-quy đơn (V).
𝛾: Nồng độ dung dịch điện phân (g/cm3).
Trong q trình phóng điện, sức điện động của ắc-quy được tính theo cơng
thức:
Ep = Up + Ip.raq

(2.6)

Trong đó:
Ep: Sức điện động của ắc-quy phóng điện.
Up: Điện áp đo trên các cực của ắc-quy khi phóng điện.
Ip: Dịng điện phóng.
raq: Điện trở trong của ắc-quy.
Trong quá trình nạp điện sức điện động En được tính:
En = Un + In.raq

(2.7)
11


Trong đó:
En: Sức điện động của ắc-quy khi nạp.
Un: Điện áp đo trên các cực của ắc-quy khi nạp điện.
In: Dịng điện nạp.
raq: Điện trở trong ắc-quy.
b. Dung lượng phóng
Dung lượng phóng của ắc-quy là đại lượng đánh giá khả năng cung cấp năng
lượng của ắc-quy cho phụ tải, được tính theo cơng thức:
Cp = Ip.tp

(2.8)

Trong đó:
Cp: Dung lượng thu được trong q trình phóng điện (Ah).
Ip: Dịng điện phóng ổn định trong thời gian phóng điện tp.

Đồ thị biểu thị sự phụ thuộc của dung lượng phóng và dịng điện sinh ra được:
C20(%)

3

100

200

Ip(A)

Hình 2.6 Biểu đồ dung lượng phóng
c. Dung lượng nạp
Dung lượng nạp của ắc-quy là đại lượng đánh giá khả năng tích trữ năng lượng
của ắc-quy:
Cn = In.tn

(2.9)

Trong đó:
Cn: Dung lượng thu được trong q trình nạp điện (Ah).
In: Dịng điện phóng ổn định trong thời gian nạp điện tp.
12


d. Đặc tính phóng của ắc-quy
Đặc tính phóng của ắc-quy là đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc của sức điện
động, điện áp ắc-quy và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian phóng khi
dịng điện phóng khơng đổi.

γ(g/cm3)
Eaq E0

UE(V)

I(A)

2,0

1,55
Khoảng nghỉ

Up
10

ΔE

1,5

1,75
Ip.raq

Vùng phóng điện cho phép
1,27

1,0

1,1

5

Ip~0,05C20

0,5
Cp= Ip.tp
tgh
4

0

8

12

16

20

tp(h)

Hình 2.7 Đặc tính phóng của ắc-quy
Trong khoảng thời gian phóng từ tp = 0 đến tp = tgh, sức điện động, điện áp, nồng
độ dung dịch điện phân giảm dần. Tuy nhiên trong khoảng thời gian này độ dốc của
các đồ thì khơng lớn, ta gọi đó là giai đoạn phóng ổn định.
Từ thời điểm tgh trở đi độ dốc các đồ thị thay đổi đột ngột. Nếu tiếp tục cho ắcquy phóng điện sau tgh thì sức điện động, điện áp của ắc-quy sẽ giảm rất nhanh; mặt
khác, các tinh thể PbSO4 tạo thành trong phản ứng sẽ có dạng thơ, rắn rất khó hịa
tan (biến đổi hóa học) trong q trình nạp điện trở lại cho ắc-quy sau này. Như vậy
khơng nên để ắc-quy tiếp tục phóng điện sau khoảng thời gian tgh này. Sau khi ngắt
mạch phóng một khoảng thời gian, các giá trị sức điện động, điện áp ắc-quy, nồng
độ dung dịch điện phân lại tăng lên, ta gọi đây là thời gian hồi phục hay khoảngnghỉ

của ắc-quy sau khi phóng.
e. Đặc tính nạp
13


Đặc tính nạp của ắc-quy là đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc của sức điện
động, điện áp ắc-quy và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian nạp khi trị số
dùng điện nạp không đổi [5].

U,E(V)

Khoảng nghỉ

I(A)
2,4

2
1,95
Vùng nạp
nhánh

Vùng nạp chính
1

10%C20

Cn=In.tn
ts
0

2

4

6

8

10

t
12

Hình 2.8 Đặc tuyến nạp
Trong khoảng thời gian nạp từ t = 0 đến t = ts, sức điện động, điện áp, nồng độ
dungdịch điện phân tăng dần. Tới thời điểm ts, trên bề mặt bản cực âm xuất hiện
các bọt khí (cịn gọi là hiện tượng sơi), lúc này điện thế giữa các cực ắc-quy đơn
tăng đến 2.4V. Nếu vẫn tiếp tục nạp, giá trị này nhanh chóng tăng tới 2.7V và vẫn
giữ nguyên. Thời gian này gọi là thời gian nạp no, có tác dụng làm cho các chất tác
dụng ở sâu trong lòng bản cực được biến đổi hồn tồn, nhờ đó sẽ làm tăng thêm
dung lượng phóng điện của ắc-quy. Trong sử dụng thời gian nạp no cho ắc-quy kéo
dài từ 2h - 3h, trong suốt thời gian đó hiệu điện thế trên các cực của ắc-quy và nồng
độ dung dịch điện phân không thay đổi. Như vậy dung lượng thu được của ắc-quy
khi phóng điện ln nhỏ hơn dung lượng cần thiết để nạp no ắc-quy. Sau khi ngắt
mạch nạp, điện áp, sức điện động của ắc-quy, nồng độ dung dịch điện phân giảm
xuống và ổn định.Thời gian này cũng gọi là khoảng nghỉ của ắc-quy sau khi nạp.Trị
số dòng điện nạp ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng và tuổi thọ của ắc-quy. Dòng
điện nạp định mức đối với ắc-quy quy định bằng 0.05Cn.
f. Những dấu hiệu cho thấy ắc-quy đã đầy điện
14