Hệ thống chiếu sáng sử dụng năng lượng mặt trời

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI
_____________________/\________ 7 ,

__________________ ___________________ _

_____________________________/\________

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 trịi...). 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 trư0ng,
góp phần đảm bảo sự phát triển kinh tế bền vững của Việt Nam.

1.1Đặt 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 . Do đó rất thuận lợi cho việc triển khai ứng dụng các thiết
2

bị sử dụng năng lượng mặt trời.

1.2Tính 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

2


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 khoáng 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.

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

1.4Đối 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.

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

+ Tìm
hiểu
và tiếp
cậncứu
hệ những
thống cơng
pin mặt
trời
chiếu
sáng
thực
và
phương
tế
đểpháp
khảo
nghiên
sát.
trình
đãtrong
được áp
dụng
trên

3


Chương 2: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

2.1Hệ 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, công 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 cịn sử dụng các loại đèn dây tóc để thắp sáng. Đây
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. Đèn 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.
Để 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.

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
2.1.3.1

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

Cường độ sáng (I)

Cường độ sáng I, đơn vị candela (cd). Đó là thơng 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 vuông 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 (O)

Đại lượng thông lượng ánh sáng dùng trong kỹ thuật chiếu sáng được đo trong
đơn vị lumens (lm). Một lumen của ánh sáng, khơng 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 thơng 100 lm/w.
1cd = 1lm/ Isteradian.
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.


1lux = 1lm/ 1m .
2

Các thông số đánh giá chất lu’O’ng của hệ
thống chiếu sáng
• Quang thơng o (Im)

• Hiệu suất phát sáng: H
=<:D/P ( lm/w)
• Độ chói L(cd/m2)

Nhiệt độ màu Tm (độK)

•

•

•

Chỉ số màu Ra

Hinh 2. 1 Thơng số đánh giá chất lượng của hệ thống chiếu sáng
Theo TCVN 7114: 2002

Vin phòng Tiết kiệm năng lượng

Energy Efficiency unci Conservation Office
Tiêu chuẩn độ rọi
và độ chói

Khơng gian chức năng
Các phịng chung, đánh
máy, vi tính

Dải độ rọi làm việc
(Lux)

Cấp chói lóa

300 -500 -750

A-B

Phịng họp

300 - 500 - 1000

A-B

Cơng việc thơ, lắp ráp máy
lạnh

200 - 300 - 500

c-D

50-100-150

D-E

Vùng lưu thông, hành lang

■tl

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.
1nit = 1cd/ 1m2


2.1.3.5

Hệ số phản xạ (p)

Hệ số phản xạ của một vật thể là đại lượng đo bằng tỷ số giữa quang thông phản
xạ (Or) của vật thể so với quang thơng tới của nó (O).
___(l>r
p
“ “0’

2.1.3.6

Hệ số hấp thụ (a)

Hệ số hấp thụ của một vật thể là đại lượng đo bằng tỷ số giữa quang thông được
hấp thụ (Oa) của vật thể so với quang thơng tới của nó (O).
0a
a

=$

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.

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

Huỳnh quane

Hinh 2. 4 Các loại bóng đèn thơng dụng


So sánh hiệu suất phát sáng
Hiệu suất phát sáng (lm/w)
100-180

Vãn phong rỉc< klộm nàng lirọug
Energy Efficiency and Conservation Office

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

2.2Năng 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 /ngày ở các
2

tỉnh miền Trung và miền Nam, và vào khoảng 4kW/h/m /ngày ở các tỉnh miền Bắc. Từ
2

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.


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 và phía nam là 5,9 kWh/m . Lượng bức
2

2

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/m /ngày và trung bình trong năm là 3,489 kWh/m /ngày.
2

2

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/m /
2

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 /ngày. Đặc
2

biệt là các khu vực Nha Trang, cường độ bức xạ lớn hơn 5,815 kWh/m /ngày trong thời
2

gian 8 tháng/năm.
- 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 công 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 ô 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
hơn. Có 2 cơng nghệ thông 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
không 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 Ầ > 0,7^m 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
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.

2.3Pin mặt trời
2.3.1

Giới thiệu 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%), công 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
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 vơ 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 cơng 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
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
khơng thế thiếu. Với mục đích phục vụ cho cuộc sống tốt hơn. Trong tương lai không
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.

T

ẻ
©
i
crystal insulator

T n-typ-e
semiconducto
r

© p-type
ị semkonductof

underside
reflective coating
surface

positi vel y-cha rged


Hinh 2.11 Cấu tạo p-n trong tấm pin
2.3.4
2.3.4.1

Nguyên lý hoạt động
Sơ đồ nguyên lý của 1 hệ thống điện mặt trời cơ bản


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.
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 công 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 ngồi 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 dòng điện cho
máy tính, vệ tinh và tất cả các thiết bị ở giữa.
2.3.5
2.3.5.1

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

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:
•

Hiệu suất: từ 15% - 18%

•

Cơng 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/m 2 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 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 sốt được các phụ tải. - Bộ
điều khiển cịn 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 hiệnviệc ngắt mạch khi bộ điều khiển xác nhận bình
ắc-quy đã được nạp đầy hoặc điện áp bình q thấp.
2.3.5.3

Bộ kích điện DC-AC (Solar Inverter)

Ilinh 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 may... 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)

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)

CAUTION
•
•
•

AVOID SHORT CIRCUIT.
00 NOT CHARGE IN A SEALED CONTA/NER
KEEP SPARKS, FLAME A WAT

ES80H-12(12V,80AH)
- CHARGING INSTRUCTION (AT 25X)

\™

VOLTAGE
REGULATIO
N
13 J7V

1 OCUCUK

14.4V

BĨAND-CY
U9E

INITIAL
CURRENT
NO Um*
2ÙA M«>

Hinh 2.17 Ắc quy

I NON SPILLALttF 1


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.

2.4Các 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


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

Hinh 2.20 M®thmigPG-SWWQQQ4


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 Dusseldorf 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 hòa 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 Dusseldorf
và chi nhánh của dịch vụ công cộng của thành phố Dusseldorf, Grunwerke GmbH). Dãy các
tấm năng lượng mặt trời được lắp đặt (trong khu vực bảo mật của sân bay Quốc tế Dusseldorf)
trên diện tích tương đương 6 sân bóng đá, với cơng 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 hoàn 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 công ty Bosch thiết kế và lắp đặt.


Hinh 2.21 Hệ thống năng lượng mặt trời ở sân bay quốc tế Cochin, miền
nam Ấn Độ
Chính phủ Ấn Độ kêu gọi các sân bay khác ở Ấn Độ học tập mơ hình năng lượng mặt
trời của sân bay quốc tế Cochin nhằm làm giảm hiệu ứng nhà kính và tăng cường năng lượng
tái tạo.
Economic Times cho biết, sân bay Cochin từng thử nghiệm năng lượng mặt trời vào
tháng 3/2013 bằng cách lắp đặt một trạm phát năng lượng mặt trời ở trên mái ga đến.
Mục tiêu của Ấn Độ là đạt được 100 gigawatt năng lượng mặt trời vào năm 2022, trong

khi công suất hiện tại là 4 gigawatt. Năng lượng mặt trời chiếm khoảng 3% trong số năng
lượng tái tạo tại Ấn Độ, và dự kiến năng lượng tái tạo sẽ chiếm 15% vào năm 2022 tại nước
này.

Chương 3: TÍNH TỐN THIẾT KẾ
3.1Phân tích sơ bộ
3.1.1

Phân tích đối tượng

Hiện nay trường tiểu học Mỹ Thành Nam vẫn đang sử dụng đèn huỳnh quang loại T10
40W trong chiếu sáng cho phịng học. Là dịng thiết bị chiếu sáng phóng điện áp suất thấp,
bóng đèn huỳnh quang chiếu sáng dựa vào bột huỳnh quang, dưới tác động của các tia cực tím
phát ra nhờ q trình phóng điện của hơi thủy ngân.
+ Những ưu điểm nổi trội của bóng đèn huỳnh quang