Giám sát hệ thống pin mặt trời qua ứng dụng điện thoại, vệ sinh pin mặt trời và nâng cao hiệu suất pin mặt trời

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

GIÁM SÁT HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI QUA ỨNG DỤNG
ĐIỆN THOẠI, VỆ SINH PIN MẶT TRỜI VÀ NÂNG CAO
HIỆU SUẤT PIN MẶT TRỜI

GVHD:NGUYỄN NHÂN BỔN
SVTH : NGUYỄN ĐĂNG MINH
MSSV :15142069
SVTH:NGÔ MINH TUẤN
MSSV :15142121

SKL 0 0 6 8 0 6

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 01/2020


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP-HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
GIÁM SÁT HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI QUA ỨNG
DỤNG ĐIỆN THOẠI, VỆ SINH PIN MẶT TRỜI VÀ
NÂNG CAO HIỆU SUẤT PIN MẶT TRỜI
SVTH : NGUYỄN ĐĂNG MINH

NGƠ MINH TUẤN

MSSV :15142069
MSSV :15142121

Khóa : 2015 - 2019
Ngành : ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
GVHD :TS. NGUYỄN NHÂN BỔN

Tp.Hồ Chí Minh, tháng 1 năm 2020




MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI ...................................................................8
1.1.Đặt vấn đề.............................................................................................................8
1.2.Mục đích của đề tài ........................................................................................... 10
1.3.Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu.....................................................................10
1.4.Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................11
1.5.Ý nghĩa thực tiễn ............................................................................................... 12
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT...........................................................................13
2.1.Giới thiệu về năng lượng mặt trời ...................................................................13
2.2.Giới thiệu về pin năng lượng mặt trời ............................................................. 14
2.2.1.Tổng quan: ..................................................................................................14
2.2.2.Cấu tạo.........................................................................................................15
2.2.3.Phân loại:.....................................................................................................19
2.2.4.Nguyên lý hoạt động ...................................................................................21
2.2.5.Đặc tính làm việc của pin mặt trời............................................................ 22
2.2.6.Các phương pháp ghép pin mặt trời ........................................................26

2.2.7.Hiện tượng điểm nóng................................................................................29
2.3.Hệ thống điện năng lượng mặt trời .................................................................30
2.4. Bộ lưu điện (Ắc quy) và bộ sạc bảo vệ Ắc quy ...............................................32
2.4.1. Khái niệm ắc quy .......................................................................................32
2.4.2 .Phân loại và cấu tạo của Ắc quy .............................................................. 33
2.4.3. Bộ sạc bảo vệ Ắc quy .................................................................................34
2.5.Bộ biển đổi DC/DC ............................................................................................ 34
2.5.1.Mạch Buck ..................................................................................................36
2.5.2.Mạch Boost ..................................................................................................38
2.5.3.Mạch Buck-Boost .......................................................................................39
2.6.Bộ biến đổi DC/AC. ........................................................................................... 41
2.7. Bộ dị tìm công suất cực đại .............................................................................42
2.7.1. Giới thiệu về MPPT (Maximum Power Point Tracker). .......................42
2.7.2.Nguyên lý dung hợp tải ..............................................................................45
Trang 1


2.7.3.Thuật tốn xác định điểm làm việc có cơng suất lớn nhất MPPT .........46
2.8.Các phương pháp phổ biến dị tìm điểm công suất cực đại pin mặt trời .....48
2.8.1.Phương pháp điện áp hằng số ...................................................................48
2.8.2.Phương pháp P&O (Perturb and Observe) .............................................49
2.8.3.Phương pháp INC (Incremental Conductance) ..........................................50
2.9.Phướng pháp điều hướng xoay pin mặt trời đến hướng ánh sáng cực đại ..52
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG ..................................................................55
3.1.Hệ thống điều hướng tấm pin mặt trời ........................................................... 55
3.1.1. Yêu cầu của hệ thống ................................................................................55
3.1.2.Bộ khung nâng đỡ tấm panel mặt trời .....................................................55
3.1.3.Mạch xoay động cơ theo hướng sáng .......................................................57
3.1.4. Động cơ và cơ cấu truyền động ................................................................ 58
3.2.Pin Mặt trời ........................................................................................................60

3.3.Hệ thống dò tìm điểm cơng suất cực đại .........................................................61
3.4.Mạch điều khiển Arduino .................................................................................65
3.5. Module ESP8266 WIFI ....................................................................................66
3.6. Mạch cấp nguồn cho Arduino .........................................................................67
3.7. Mạch relay.........................................................................................................68
3.8. Cảm biến DHT11 .............................................................................................. 68
3.9. Mạch kích ..........................................................................................................69
3.10.Cảm biến dòng ACS712 ..................................................................................70
Chương 4: Thiết kế phần mềm ..................................................................................72
4.1. Lưu đồ giải thuật .............................................................................................. 73
4.1.1. Lưu đồ giải thuật P&O .............................................................................73
4.1.2 Lưu đồ giải thuật trên Node MCU ........................................................... 75
4.1.3. Lưu đồ giải thuật điều hướng pin mặt trời. ............................................76
4.2.Thiết kế App Mobile giám sát số liệu từ tấm pin ...........................................78
4.2.1.Giới thiệu về Android Studio ....................................................................78
4.2.2.Giao diện App. ............................................................................................ 79
4.2.3.Giới thiệu về database: Firebase. .............................................................. 80

Trang 2


4.2.4.Thiết lập Firebase .......................................................................................80
4.2.5.Kết nối App với Firebase ...........................................................................82
CHƯƠNG 5: Thiết kế máy vệ sinh tấm pin năng lượng mặt trời .......................... 87
5.1: Lí do và yêu cầu thiết kế ..................................................................................87
5.1.1 - Lý do thiết kế. ........................................................................................... 87
5.1.2 – Yêu cầu thiết kế. ......................................................................................87
5.2: Thiết kế máy vệ sinh tấm pin năng lượng mặt trời ......................................88
5.2.1 Thiết kế phần cứng. ....................................................................................88
5.2.2 Thiết kế phần điều khiển. ..........................................................................95

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển ..................................................................98
6.1.Kết quả ...............................................................................................................98
6.2.Hướng phát triển ............................................................................................... 98
6.3.Kết luận ..............................................................................................................99
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................100
PHỤ LỤC ...................................................................................................................101

Trang 3


MỤC LỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1.Cánh đồng pin mặt trời tại tỉnh Ninh Thuận ................................... 9
Hình 2.1.Cell pin năng lượng mặt trời ......................................................... 15
Hình 2.2.Cấu tạo bên ngồi của một tấm pin mặt trời................................. 15
Hình 2.3.Cấu tạo của cell pin mặt trời ......................................................... 16
Hình 2.4.Cấu trúc tinh thể của các dạng pin mặt trời ................................. 17
Hình 2.5.Pin mặt trời DSC ........................................................................... 19
Hình 2.6.Pin mặt trời dạng keo nước ........................................................... 20
Hình 2.7.Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời ........................................... 21
Hình 2.8.Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời ........................................... 22
Hình 2.9.Sơ đồ tương đương của pin mặt trời ............................................. 23
Hình 2.10.Đường cong đặc trưng V - I của pin mặt trời phụ thuộc vào cường độ
bức xạ Mặt trời. ............................................................................................ 24
Hình 2.11.Đường cong đặc trưng P - V của pin mặt trời ............................ 25
phụ thuộc vào cường độ bức xạ Mặt trời. .................................................... 25
Hình 2.12.Đường cong đặc tính V - I của pin mặt trời phụ thuộc vào ........ 25
nhiệt độ của pin. ........................................................................................... 25
Hình 2.13.Đường đặc tính tải và đặc tính của pin mặt trời. ........................ 26
Hình 2.14. Ghép nối tiếp 2 module Pin Mặt Trời (a) và đường đặc trưng VA của
các module và của cả hệ (b) ......................................................................... 27

Hình 2.15.Ghép song song 2 module pin Mặt Trời (a) và các đường đặc trưng VA của các module và của hệ (b).................................................................... 28
Hình 2.16.Diode nối song song với modun để bảo vệ modun và dàn pin mặt trời.
...................................................................................................................... 29
Hình 2.17.Hệ Pin năng lượng mặt trời làm việc độc lập ............................. 30
Hình 2.18.Hệ Pin năng lượng mặt trời làm việc nối lưới ............................ 31
Hình 2.19.Hệ thống ắc quy dùng trong lưới điện pin mặt trời .................... 33
Hình 2.20.Sơ đồ các bộ biến đổi DC/DC ..................................................... 35
Hình 2.21.Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp Buck. .............................................. 36
Hình 2.22.Dạng sóng điện áp và dịng điện của mạch Buck........................ 36
Hình 2.23.Sơ đồ ngun lý mạch Boost. ....................................................... 38

Trang 4


Hình 2.24.Dạng sóng dịng điện của mạch Boost. ....................................... 38
Hình 2.25.Sơ đồ nguyên lý mạch Buck-Boost .............................................. 39
Hình 2.26.Bộ biến đổi DC/AC 1 pha dạng nửa cầu ..................................... 41
Hình 2.27.Bộ biến đổi DC/AC 1 pha dạng hình cầu .................................... 41
Hình 2.28.Sơ đồ cấu trúc bộ nghịch lưu kiểu Half – bridge ........................ 42
Hình 2.29.Sơ đồ khối của hệ thống MPPT tiêu biểu .................................... 43
Hình 2.30.Tấm pin mặt trời mắc trực tiếp với tải thuần trở có giá trị thay đổi
...................................................................................................................... 44
Hình 2.31.Đường đặc tính làm việc của pin với tải thuần trở ..................... 44
Hình 2.32.Tổng trở vào Rin được điều chỉnh bằng D ................................... 46
Hình 2.33.Đặc tính I-V với bức xạ thay đổi và quỹ đạo của các điểm......... 46
công suất cực đại (25oC) .............................................................................. 46
Hình 2.34.Đặc tính I-V với bức xạ thay đổi và quỹ đạo của các điểm......... 47
cơng suất cực đại (50oC) .............................................................................. 47
Hình 2.35. Đường đặc tính P-V và giải thuật P&O......................................... 49
Hình 2.36. Lưu đồ giải thuật P&O điều khiển thông qua điện áp tham chiếu Vref.

...................................................................................................................... 50
Hình 2.37.Độ dốc (dP/dV) của PV. .............................................................. 51
Hình 2.38.Giải thuật INC ............................................................................. 52
Hình 2.39.Hình ảnh thực tế của quang trở................................................... 53
Hình 2.40.Nguyên lý hoạt động của mạch hướng sáng pin mặt trời ........... 54
Hình 2.41.Sơ đồ nguyên lý kết nối quang trở với Adruino ........................... 54
Hình 3.1.Mơ hình thực tế khung đỡ tấm pin. ................................................ 57
Hình 3.2.Arduino Uno R3 ............................................................................. 57
Hình 3.4.Mạch hướng sáng .......................................................................... 58
Hình 3.5.Động cơ giảm tốc DC .................................................................... 59
Hình 3.6.Trục và bánh răng để giảm tốc, tăng moment ............................... 60
Hình 3.7.Tấm pin mặt trời MONO MSP-50W .............................................. 60
Bảng 3.1.Thông số kỹ thuật của pin mặt trời ............................................... 61
Hình 3.8.Nguyên lý mạch sạc ......................................................................... 62

Trang 5


Hình 3.9.Mơ hình 3D mạch sạc .................................................................... 62
Hình 3.10.Mạch sạc ...................................................................................... 63
Hình 3.11.Nguyên lý điều khiển Arduino. .................................................... 65
Hình 3.12.Mạch 3D điều khiển Arduino. ..................................................... 65
Hình 3.13.ESP8266 wifi dùng để truyền dữ liệu .......................................... 66
Hình 3.14.Mạch giảm áp LM2596HV .......................................................... 67
Hình 3.15.Mạch relay cấp nguồn cho ắc quy............................................... 68
Hình 3.16.Cảm biến DHT11 ......................................................................... 68
Hình 3.17.Mạch kích dùng TLP 250 ............................................................ 69
Hình 3.18.Ngun lý kích dùng TLP 250 ..................................................... 70
Hình 3.19.Cảm biến dịng ACS712............................................................... 70
Hình 4.1.Lưu đồ giải tht P&O (MPPT) .................................................... 73

Hình 4.2. Mơ phỏng giải thuật P&O trên phần mềm PSIM..........................73
Hình 4.3.Lưu đồ giải thuật trên Node MCU ................................................ 75
Hình 4.4.Lưu đồ giải thuật điều hướng pin mặt trời. ................................... 76
Hình 4.5.Giao diện làm việc ......................................................................... 80
Hình 4.6.Giao diện App.................................................................................... 78
Hình 5.1 Phần khung của máy rửa pin………………………………………….87
Hình 5.2 Các bulley và dây đai dùng để di chuyển cho máy vệ sinh….…….87
Hình 5.3 Bulley truyền động để di chuyển có tỉ lệ 1:1 (40 răng)…………....88
Hình 5.4 Bulley truyền động từ động cơ ra trục để di chuyển có tỉ lệ 3:2 ...89
Hình 5.5 Trục quay dùng để làm sạch tấm pin…………………………….…..89
Hình 5.6 Van điện từ θ21, điện áp làm việc 12VDC……………………….…..90
Hình 5.7 Gối đỡ vịng bi trục ngang 8mm………………………………….……91
Hình 5.8 Động cơ DC giảm tốc JGB37-555 cho trục quay vệ sinh…….…...92
Hình 5.9 Bộ điều khiển RF 315Mhz 12VDC 4 kênh……………………………93
Hình 5.10 Module Mạch Điều Khiển Tốc Độ và Đảo Chiều Động Cơ 12V…94
Hình 5.11 Máy vệ sinh sử dụng acquy 12V…………………………………….95
Hình 5.12 Máy vệ sinh sau khi hồn thiện..…………………………………...95

Trang 6


Hình 6.1. Kết quả mơ phỏng trên phần mềm PSIM.......................................96
Bảng 6.2. Kết quả đo hiệu suất của mạch . .................................................. 97
Hình 6.3.Kết quả dữ liệu gửi lên App ........................................................... 97

Trang 7


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1.Đặt vấn đề

Ngày nay, nhu cầu sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo đang tăng lên mạnh mẽ
do các nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt và chúng gây ra những hậu quả về
mơi trường như hiệu ứng nhà kính, lũ lụt…Trong các nguồn năng lượng tái tạo,năng lượng
mặt trời đang dần trở nên rất phổ biến bởi vì chúng có nhiều ưu điểm như nguồn năng
lượng này là sạch, có sẵn trong thiên nhiên, không gây ô nhiễm, không bị cạn kiệt và là
giải pháp tốt nhất nhằm tiết kiệm năng lượng hóa thạch cho tương lai. Tuy nhiên năng
lượng mặt trời vẫn còn đang trong thời kỳ đầu của những ứng dụng vì nó địi hỏi những
đầu tư rất lớn cho thiết bị nhưng lại chỉ chuyển hóa được một lượng rất nhỏ năng lượng
từ mặt trời sang dạng hữu ích. Hơn nữa, năng lượng mặt trời lệ thuộc vào điều kiện tự
nhiên, không đủ ổn định để những thiết bị điện và điện tử có thể sử dụng một cách an toàn
và hiệu quả. Tận dụng tốt nguồn năng lượng này, phần lớn sẽ giải quyết được bài toán
năng lượng của nhân loại.
Các nhà máy điện truyền thống là một trong những nguyên nhân hàng đầu gây ô
nhiễm môi trường và tác động tiêu cực đến sức khoẻ con người từ phát thải khí nhà kính.
Nên năng lượng mặt trời là một phương pháp thay thế nhằm hỗ trợ các nhà máy điện
truyền thống hiện có trong giờ cao điểm. Đặc biệt, các công nghệ năng lượng tái tạo đã
trở thành một đóng góp quan trọng cho nhu cầu về tương lai năng lượng bền vững. Do đó,
hồn tồn là cần thiết để tìm một phương pháp thay thế của thế hệ để bảo vệ môi trường
và sức khỏe từ tác động của năng lượng thông thường.
Ở Việt Nam, vị trí địa lý đã ưu ái cho chúng ta một nguồn năng lượng tái tạo vô
cùng lớn, đặc biệt là năng lượng mặt trời. Nằm gần đường xích đạo, Việt Nam nằm trong
khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao, năng lượng bức xạ mặt trời trung bình
đạt 4 đến 5kWh/m2 mỗi ngày. Đây là nguồn năng lượng sạch, thân thiện với môi trường
và trữ lượng gần như là vô tận.
Tuy nhiên, với tiềm năng lớn song năng lượng mặt trời lại đang gặp những rào cản
lớn về kỹ thuật và các rào cản khác. Rào cản kỹ thuật là một trong những thách thức lớn
cho việc sử dụng pin mặt trời hiện nay do bởi giá thành cao và hiệu suất chuyển đổi năng
lượng cịn thấp. Giá của một mơ đun pin mặt trời khá cao. Ngồi ra cịn các rào cản khác

Trang 8

như thiếu sự hỗ trợ về chính sách của chính phủ, nhận thức của mọi người về năng lượng,
sự tham gia của các tổ chức cá nhân vào các dự án phát triển nguồn năng lượng tái tạo.

Hình 1.1.Cánh đồng pin mặt trời tại tỉnh Ninh Thuận
Vài năm trở lại đây, khi các nguồn nhiên liệu hóa thạch như: xăng, dầu, than đá,..
đang có dấu hiệu bị cạn kiệt đi, kèm theo đó là giá cả leo thang, ơ nhiễm mơi trường kèm
theo biến đổi khí hậu, người dân đã ý thức được tầm quan trọng và tính kinh tế của những
nguồn năng lượng tái tạo. Do đó pin mặt trời dần đưa vào gần với cuộc sống của người
dân. Từ những thiết bị công suất nhỏ như: quạt, đèn, tivi…đến những thiết bị như: động
cơ, máy bơm nước… được cung cấp từ những tấm pin mặt trời. Chính vì thế, vấn đề công
suất của tấm pin mặt trời quyết định tính hiệu suất và hiệu quả của chúng trong cuộc sống.
Vì vậy, vấn đề dị tìm điểm cơng suất cực đại của pin mặt trời sẽ mở ra nhiều hướng phát
triển mới cho tương lai và cho ngành năng lượng sạch.
Mục tiêu của đề tài nghiên cứu là làm sao có thể tận thu được tối đa nguồn năng
lượng mặt trời, vì vậy đề tài này chủ yếu tập trung vào các giải pháp để có thể tận thu điện
năng từ mặt trời. Như đã biết để hiệu suất pin mặt trời lớn nhất phải đặt tấm pin cho vng
góc với hướng chiếu sáng của mặt trời. Vấn đề đặt ra là làm như thế nào để pin mặt trời

Trang 9


ln vng góc với hướng chiếu sáng. Thứ 2, theo đặt tính năng lượng của pin mặt trời
để đạt được hiệu suất tối đa, ta phải sử dụng tải sao cho công suất đạt được điểm cực đại
của pin. Thứ 3, năng lượng mặt trời khơng liên tục vì thế cần phải lưu trữ hoặc kết hợp
với một nguồn năng lượng khác để đảm bảo cung cấp điện.
1.2.Mục đích của đề tài
Đề tài dựa trên mục đích nâng cao hiệu suất của tấm pin bằng những phương pháp
dị tìm điểm công suất cực đại MPPT (Maximum Power Point Tracking) của tấm pin mặt

trời, điều chỉnh hướng của tấm pin theo hướng mặt trời và vệ sinh tấm pin để hoạt động ở
điểm có cơng suất là lớn nhất. Nếu khơng có những phương pháp trên thì hiệu suất chuyển
đổi năng lượng của tấm pin đạt rất thấp, vì vậy các phương pháp này giúp nâng cao hiệu
suất sử dụng và khơng lãng phí nguồn năng lượng chuyển hóa. Ngồi ra, ứng dụng giám
sát hệ thống pin măt trời cho biết đươc các thông số của hệ thống ngay thời điểm hiện tại,
thống kê đươc sản lượng của tấm pin giúp người dùng quản lý được sản lượng củng như
hiệu suất của hệ thống từ đó dễ dàng bảo trì, vệ sinh hệ thống đúng thời điểm.
Vì vậy mục đích cuối cùng của đề tài là ứng dụng phương pháp trên để nâng cao
thêm hiệu suất cho tấm pin mặt trời.
1.3.Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu
Các nhiệm vụ cần được thực hiện trong đề tài:
+ Nghiên cứu tổng quan cở sở lý thuyết về hệ thống pin năng lượng mặt trời
+ Phân tích các đặc tuyền I-V, P-V của pin mặt trời và sự phụ thuộc của các đường
đặc tính khi các điều kiện mơi trường thay đổi
+ Tìm hiểu phương pháp dị tìm điểm cơng suất cực đại và đưa ra giải thuật đề xuất
+ Thiết kế được bộ khung đỡ cho tấm panel và cơ cấu truyền động giúp panel xoay
theo hướng ánh sáng cực đại
+ Thiết kế được mạch điều khiển panel xoay theo ánh sáng cực đại
+ Thiết kế mạch dị tìm cơng suất cực đại dùng Arduino uno.
+ Thiết kế mạch sạc Ắc-quy theo phương pháp 3 giai đoạn,có bảo vệ q dịng, q
áp và đấu ngược cực Ắc-quy.
+ Thiết kế bộ chuyển đổi DC/DC theo phương pháp PWM với hiệu suất cao.

Trang 10


+ Thiết kế được mạch hiển thị các thông số như dòng điện,điện áp khi hoạt động
+ Thiết kế được ứng dụng giám sát hệ thống pin măt trời qua điện thoại
+Thiết kế được mơ hình máy rửa pin.
1.4.Phương pháp nghiên cứu

Để giải quyết các mục tiêu được đặt ra ta cần các biện pháp như: để đảm bảo hiệu
suất hấp thụ cao nhất ta cần một hệ thống “ hướng sáng” luôn xoay tấm pin theo hướng
mặt trời. Để đạt hiệu suất cực đại của pin ta cần dùng hệ thống “dị tìm điểm cực đại” để
tận thu hiệu suất của pin là lớn nhất.
Đối với hệ thống năng lượng mặt trời có cơng suất lớn, thơng thường sẽ được
chuyển đổi thành nguồn AC và hòa vào lưới quốc gia, vì vậy khơng cần hệ thống dự trữ
năng lượng để tiết kiệm chi phí, nhưng hệ thống mặt trời đạt được cơng suất đủ hịa vào
lưới thì chi phí đầu tư ban đầu là rất lớn.
Đối với hệ thống pin mặt trời công suất nhỏ, sử dụng cho hộ gia đình ta có vài giải
pháp như sau:
- Sử dụng kết hợp với nguồn điện lưới, hai hệ thống hoạt động song song với nhau để
đảm bảo cung cấp điện và không cần nguồn lưu trữ (không cần Ắc-quy).
- Vùng xa khu vực điện lưới, hệ thống mặt trời hoạt động độc lập,vì vậy việc cung cấp
điện khơng liên tục do ban đêm khơng có ánh sáng từ mặt trời. Cần phải có hệ thống Ắcquy để lưu giữ điện vào ban ngày và cung cấp cho tải vào ban đêm. Hệ thống này có đặc
điểm là khơng phụ thuộc vào lưới điện, nhưng chi phí đầu tư khá cao, ngồi ra cịn chi phí
bảo dưỡng, thay thế Ắc-quy. Ắc-quy chì hư hỏng sẽ trở thành tác nhân gây ơ nhiễm mơi
trường, như vậy năng lượng mặt trời khơng cịn “sạch” nữa.
- Vào ban ngày, năng lượng từ các tấm pin sinh ra có thể dư dùng và cần lưu trữ để
dùng vào ban đêm.Về mặt lưu trữ điện ta có nhiều giải pháp như sau:
+ Năng lượng được nạp vào Ắc-quy dự trữ với hiệu suất đạt 80% – 85%.
+ Dùng lượng năng lượng dư đó để điện phân nước thành H2 và O2 lưu trữ lại rồi khi
cần sẽ dùng “pin nhiên liệu” để chuyển hóa lại thành điện với hiệu suất đạt 90%

Trang 11


+ Có thể dùng năng lượng đó chuyển qua dạng thế năng như bơm nước lên hồ chứa
trên cao và lấy năng lượng dưới dạng thủy điện khi cần với hiệu suất khá thấp, chỉ khoảng
30% -35%.
Có nhiều giải pháp được đặt ra, và khi ứng dụng vào từng điều kiện cụ thể mà áp

dụng cho phù hợp. Ngoài ra còn cân nhắc giữa vấn đề giá thành và hiệu suất. Hiện nay,
năng lượng mặt trời vẫn còn đang là nguồn năng lượng “xa xỉ”, nhưng trong tương lai gần
nó có thể trở thành nguồn năng lượng chính cung cấp cho tồn thế giới.
1.5.Ý nghĩa thực tiễn
Năng lượng chính là nguồn sống của mỗi quốc gia. Do vậy nhu cầu sử dụng năng
lượng ngày càng cao.Năng lượng là nhu cầu thiết yếu của cuộc sống.Năng lượng từ than,
dầu hỏa…ngày càng cạn kiệt và khan hiếm.Thực tế,có nguồn năng lượng khác thay thế
hứa hẹn tiềm năng cung cấp rất lớn đó là năng lượng hạt nhân. Nhưng việc sử dụng nguồn
năng lượng này vẫn là một vấn đề tranh cãi vì sự an tồn và ảnh hưởng đến mơi trường
sống.
Vì vậy, năng lượng tái tạo là sự lựa chọn tốt nhất, là một nguồn năng lượng xanh,
nguồn năng lượng thân thiện với môi trường. Nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng
mặt trời được sử dụng ở những nơi chưa có lưới điện như cung cấp điện cho vùng xâu,
vùng xa, hải đảo…Năng lượng mặt trời có sẵn trong tự nhiên và vơ tận do đó khơng sợ bị
cạn kiệt như các nguồn năng lượng than đá ,dầu mỏ.Những lợi ích to lớn mà nguồn năng
lượng mặt trời đem lại giúp cho con người ứng dụng vào thực tiễn ngày càng rộng
rãi.Nhưng chi phí đầu tư ban đầu cịn lớn đó là ràn cản mà năng lượng mặt trời chưa được
thực sự chú ý ở nước ta,nhưng những năm gần đây được sự hỗ trợ của các tổ chưc nước
ngoài và các cơ quan nhà nước ta thì năng lượng mặt trời ngày càng được sử dụng nhiều.
Đề tài nhằm mục đích phục vụ cho việc sử dụng nguồn năng lượng mặt trời trong hộ
gia đình.Trong đó,việc thực hiện biến đổi năng lượng quang năng thành năng lượng điện
năng một chiều,đặc biệt là phương pháp dị điểm cơng suất cực đại quay quanh pin mặt
trời và phương pháp sạc dự trữ năng lượng để thuận tiện cho việc sử dụng, lưu trữ và duy
chuyển nhằm phục vụ cho nền công nghiệp ngày càng phát triển

Trang 12


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1.Giới thiệu về năng lượng mặt trời

Mặt trời là một trong những ngôi sao phát sáng mà con người có thể quan sát được
trong vũ trụ. Mặt trời cùng với các hành tinh và các thiên thể của nó tạo nên hệ mặt trời
trong dãi ngân hà cùng với hàng tỷ hệ mặt trời khác. Mặt trời luôn phát ra nguồn năng
lượng khổng lồ và một phần nguồn năng lượng đó truyền bức xạ đến trái đất chúng ta.
Trái đất và mặt trời có mối quan hệ chặt chẽ, chính bức xạ mặt trời là yếu tố quyết định
cho sự tồn tại của sự sống trên hành tinh của chúng ta. Năng lượng mặt trời là một trong
các nguồn năng lượng sạch và vô tận vì nó là nguồn gốc của các nguồn năng lượng khác
trên trái đất. Con người đã biết tận hưởng nguồn năng lượng quý giá này từ rất lâu tuy
nhiên việc khai thác sử dụng nguồn năng lượng này một cách hiệu quả nhất thì vẫn là vấn
đề mà chúng ta đang quan tâm.

Ánh sáng nói riêng, hay bức xạ điện từ nói chung, từ bề mặt của Mặt Trời được xem
là nguồn năng lượng chính cho Trái Đất. Hằng số năng lượng Mặt Trời được tính bằng
cơng suất của lượng bức xạ trực tiếp chiếu trên một đơn vị diện tích bề mặt Trái Đất,
bằng khoảng 1370 W/m2 ánh sáng Mặt Trời bị hấp thụ một phần trên bầu khí quyển Trái
Đất, nên một phần nhỏ hơn tới được bề mặt Trái Đất, gần 1000 W/m2 năng lượng Mặt
Trời tới Trái Đất trong điều kiện trời quang đãng. Năng lượng này có thể dùng vào các
q trình tự nhiên hay nhân tạo.[3]

Trang 13


Quá trình quang hợp trong cây sử dụng ánh sáng Mặt Trời và chuyển đổi CO2 thành
O2 và hợp chất hữu cơ, trong khi nguồn nhiệt trực tiếp là làm nóng các bình đun nước
dùng năng lượng Mặt Trời, hay chuyển thành điện năng bằng các pin năng lượng Mặt
Trời. Năng lượng dự trữ trong dầu mỏ được giả định rằng là nguồn năng lượng của Mặt
Trời được chuyển đổi từ xa xưa trong quá trình quang hợp và phản ứng hóa sinh của sinh
vật cổ.
2.2.Giới thiệu về pin năng lượng mặt trời
2.2.1.Tổng quan:

Pin mặt trời là phương pháp sản xuất trực tiếp từ năng lượng mặt trời qua thiết bị biến
đổi quang điện. Pin mặt trời có ưu điểm là gọn nhẹ có thể lắp ở bất kỳ đâu có ánh nắng
mặt trời, đặc biệt là trong lĩnh vực tàu vũ trụ. Ngày nay con người đã ứng dụng pin mặt
trời trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, để chạy xe và trong sinh hoạt thay thế dần nguồn
năng lượng truyền thống.[3]
Pin năng lượng Mặt Trời hay pin (tế bào) quang điện, là thiết bị bán dẫn chứa lượng
lớn các lớp 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.
Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp Alexandre
Edmond Becquerel. Tuy nhiên cho đến 1883 một pin năng lượng mới được chế tạo thành
công, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng để tạo
nên mạch nối. Russell Ohl được xem là người tạo ra pin năng lượng Mặt Trời đầu tiên
năm 1946 tuy nhiên nó chỉ có hiệu suất 1%. Pin mặt trời lần đầu tiên được ứng dụng là
trên vệ tinh Vangaurd 1 của Mĩ, được phóng năm 1958. Ngày nay pin Mặt Trời được sản
xuất trên toàn thế giới đặt biệt là ở các nước tiên tiến như Mĩ, Đức, Tây Ban Nha…[9]

Trang 14


Hình 2.1.Cell pin năng lượng mặt trời
2.2.2.Cấu tạo

Hình 2.2.Cấu tạo bên ngoài của một tấm pin mặt trời
Cấu tạo bên ngồi của tấm pin mặt trời gồm:
+ Lớp kính bảo vệ
+ Lớp keo dán bảo vệ
+ Cell pin mặt trời
+ Lớp keo dán bảo vệ
+ Tấm che mặt sau
+ Hộp đấu dây

+ Khung tấm pin

Trang 15


Cấu tạo bên trong của cell pin mặt trời:
Cấu tạo của pin mặt trời là một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biến đổi trực tiếp
năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên trong.[3]

Hình 2.3.Cấu tạo của cell pin mặt trời
Cho tới hiện tại thì vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời (và cho các thiết bị bán dẫn)
là các silic tinh thể. Pin mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại:
+ Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski.
Pin mặt trời đơn tinh thể có thể đạt hiệu suất từ 11% - 16% . Chúng thường rất mắc
tiền do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc
nối các module.
+ Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm nguội và
làm rắn. Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn,
từ 8% - 11%. Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vng che phủ bề mặt
nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó .

Trang 16


+ Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh
thể. Loại này có hiệu suất thấp nhất, từ 3% - 6%, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong
các loại vì khơng cần phải cắt từ thỏi silicon.

Hình 2.4.Cấu trúc tinh thể của các dạng pin mặt trời
Về vật liệu xuất phát để làm pin Mặt trời silic phải là bán dẫn silic tinh khiết. Ở

dạng tinh khiết, còn gọi là bán dẫn ròng số hạt tải (hạt mang điện) là electron và số hạt tải
là lỗ trống (hole) như nhau.
Để làm pin Mặt trời từ bán dẫn tinh khiết phải làm ra bán dẫn loại n và bán dẫn loại
p rồi ghép lại với nhau cho nó có được tiếp xúc p - n.
Thực tế thì xuất phát từ một phiến bán dẫn tinh khiết tức là chỉ có các nguyên tử Si
để tiếp xúc p - n, người ta phải pha thêm vào một ít nguyên tử khác loại, gọi là pha tạp.
Nguyên tử Si có 4 electron ở vành ngoài, cùng dùng để liên kết với bốn nguyên tử Si gần
đó (cấu trúc kiểu như kim cương). Nếu pha tạp vào Si một ít ngun tử phơt-pho P có 5
electron ở vành ngồi, electron thừa ra khơng dùng để liên kết nên dễ chuyển động hơn
làm cho bán dẫn pha tạp trở thành có tính dẫn điện electron, tức là bán dẫn loại n (negatif
- âm). Ngược lại nếu pha tạp vào Si một ít nguyên tử bo B có 3 electron ở vành ngồi, tức
là thiếu một electron mới đủ tạo thành 4 mối liên kết nên có thể nói là tạo thành lỗ trống
(hole). Vì là thiếu electron nên lỗ trống mạng điện dương, bán dẫn pha tạp trở thành có
tính dẫn điện lỗ trống, tức là bán dẫn loại p (positif -dương). Vậy trên cơ sở bán dẫn tinh
khiết có thể pha tạp để trở thành có lớp là bán dẫn loại n, có lớp bán dẫn loại p, lớp tiếp
giáp giữa hai loạị chính là lớp chuyển tiếp p - n. Ở chỗ tiếp xúc p - n này một ít electron
ở bán dẫn loại n chạy sang bán dẫn loại p lấp vào lỗ trống thiếu electron, ở đó. Kết quả là
ở lớp tiếp xúc p-n có một vùng thiếu electron cũng thiếu cả lỗ trống, người ta gọi đó là

Trang 17


vùng nghèo. Sự dịch chuyển điện tử để lấp vào lỗ trống tạo ra vùng nghèo này cũng tạo
nên hiệu thế gọi là hiệu thế ở tiếp xúc p - n, đối với Si vào cỡ 0,6V đến 0,7V. Đây là hiệu
thế sinh ra ở chỗ tiếp xúc không tạo ra dòng điện được.
Nhưng nếu đưa phiến bán dẫn đã tạo lớp tiếp xúc p - n phơi cho ánh sáng mặt trời
chiếu vào thì photon của ánh sáng mặt trời có thể kích thích làm cho điện tử đang liên kết
với nguyên tử bị bật ra khỏi nguyên tử, đồng thời ở nguyên tử xuất hiện chỗ trống vì thiếu
electron, người ta gọi là photon đến tạo ra cặp electron - lỗ trống. Nếu cặp electron - lỗ
trống này sinh ra ở gần chỗ có tiếp p - n thì hiệu thế tiếp xúc sẽ đẩy electron về một bên

(bên bán dẫn n) đẩy lỗ trống về một bên (bên bán dẫn p). Nhưng cơ bản là electron đã
nhảy từ miền hoá trị (dùng để liên kết) lên miền dẫn ở mức cao hơn, có thể chuyển động
tự do. Càng có nhiều photon chiếu đến càng có nhiều cơ hội để electron nhảy lên miền
dẫn.
Nếu ở bên ngoài ta dùng một dây dẫn nối bán dẫn loại n với bán dẫn loại p (qua
một phụ tải như lèn LED chẳng hạn) thì electron từ miền dẫn của bán dẫn loại n sẽ qua
mạch ngoài chuyển đến bán dẫn loại p lấp vào các lỗ trống. Đó là dịng điện pin Mặt trời
silic sinh ra khi được chiếu sáng. Dùng bán dẫn silic tạo ra tiếp xúc p - n để từ đó làm pin
Mặt trời là một tiến bộ lớn trên con đường trực tiếp biến ánh sáng Mặt trời thành dòng
điện để sử dụng. Tuy nhiên pin Mặt trời silic có một số hạn chế về kinh tế, kỹ thuật.
- Vật liệu xuất phát là silic tinh khiết nên rất đắt. Ban đầu là làm từ silic đơn tinh
thể dùng trong công nghệ vi điện tử, tuy chỉ là dùng đầu thừa đuôi thẹo nhưng giá vẫn là
khá cao. Đã có những cách dùng silic đa tinh thể, silic vơ định hình tuy hiệu suất thấp hơn
nhưng bù lại giá rẻ hơn. Nhưng xét cho cùng thì vật liệu silic sử dụng phải là tinh khiết
nên giá thành rẻ hơn không nhiều.
- Đối với silic, để đưa electron từ miền hoá trị lên miền dẫn phải tốn năng lượng cỡ
1,1 eV. Vậy năng lượng của photon đến phải bằng hoặc cao hơn 1,1eV một chút là đủ để
kích thích eletron nhảy lên miền dẫn, từ đó tham gia tạo thành dòng điện của pin Mặt trời.
Photon ứng với năng lượng 1,1 eV có bước sóng cỡ 1 m tức là hồng ngoại. Vậy photon
có các bước sóng lục, lam, tử ngoại là có năng lượng quá thừa thãi để kích thích điện tử
của Si nhảy lên miền dẫn. Do đó pin Mặt trời Si sử dụng lãng phí năng lượng Mặt trời để
biến ra điện.[11]

Trang 18


2.2.3.Phân loại:
Ngoài pin mặt trời sử dụng tinh thể sillic như trình bày ở trên thì pin mặt trời cịn
được chế tạo từ các loại vật liệu khác.
- Pin Mặt trời nhạy cảm chất màu DSC (Dye - sensitized solar cell):

DSC là một loại pin Mặt trời mới, giá rẻ, dễ làm. Loại pin này do Michael Gratzel
ở trường Bách khoa Lausane (Thuỵ Sĩ) chế tạo lần đầu vào năm 1991 nên cịn có tên là
pin Gratzel.

Hình 2.5.Pin mặt trời DSC
Cấu tạo nguyên thuỷ của pin DSC gồm ba phần chính (hình 2.5). Trên cùng là một
lớp mỏng chất dẫn điện trong suốt, đóng vai trị anơt làm bằng oxyt thiếc pha tạp fluo
(SnO2: F). Lớp này phủ lên tấm thuỷ tinh trong suốt. Tiếp đó là một lớp có diện tích bề
mặt rất lớn. Lớp dẫn điện SnO2: F và lớp hạt bột oxyt titan TiO2 được nhúng vào hỗn hợp
chất màu nhạy quang ruthenium -polypyridin và dung môi. Sau khi nhúng, một lớp mỏng
chất màu nhạy quang bám dính vào các hạt TiO2 bằng liên kết cộng hố trị. Tiếp đó mặt
sau được tráng bằng một lớp mỏng chất điện ly iơt và đậy kín bằng tấm điện cực kim loại,
thường là platin. Tồn bộ được dán kín sao cho dung dịch khơng bị rị chảy ra.
Vì nhiều lí do, hiệu suất của loại pin này chỉ vào cỡ 11% thấp hơn hiệu suất của
pin Mặt trời silic (12 - 15%). Tuy nhiên ưu điểm rõ rệt của loại pin này là:

Trang 19


+ Vật liệu chế tạo rẻ, dễ kiếm. Đặc biệt TiO2 là chất bột trắng hay dùng để làm sơn trắng
rất phổ biến.
+ Kỹ thuật chế tạo đơn giản, không phải cần máy móc cao cấp đắt tiền như ở trường hợp
pin Mặt trời silic. Thậm chí có thể làm pin mặt trời kiểu này theo cách thủ công.
+ Dễ dàng cải tiến nhiều khâu kỹ thuật, nhất là ứng dụng cơng nghệ nano để làm bột TiO2
có diện tích mặt ngoài cực lớn.
- Pin mặt trời dạng keo nước (Lá nhân tạo):
Pin mặt trời dạng keo nước còn được gọi là Lá nhân tạo. Đây là loại Pin mặt trời
có thể uốn cong, có thành phần là keo nước chứa các phân tử nhạy sáng kết hợp với các
điện cực phủ chất liệu cacbon, ví dụ như ống nano cacbon hoặc than chì. Các phân tử nhạy
sáng trở nên “kích động” khi ánh sáng mặt trời chiếu vào và sản sinh ra điện năng; cơ chế

này tương tự như cơ chế kích thích tổng hợp đường để sinh trưởng của phân tử thực vật.
Hiện tại, việc ứng dụng loại pin này vẫn chưa được công bố do hiệu suất hoạt động
của pin vẫn cịn thấp.[11]

Hình 2.6.Pin mặt trời dạng keo nước

Trang 20


2.2.4.Nguyên lý hoạt động

Hình 2.7.Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời
Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời chính là hiện tượng quang điện xảy ra trên lớp
tiếp xúc p-n.

Khi một photon chạm vào mảnh silic, một trong hai điều sau sẽ xảy ra:
• Photon truyền xuyên qua mảnh silic. Điều này thường xảy ra khi năng lượng của
photon thấp hơn, nó đủ để đưa các hạt electron lên mức năng lượng cao hơn.
• Năng lượng của photon được hấp thụ bởi silic. Điều này thường xảy ra khi năng lượng
của photon lớn hơn năng lượng để đưa electron lên mức năng lượng cao hơn.
Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các hạt electron trong
màng tinh thể. Thơng thường các electron này lớp ngồi cùng, và thường được kết dính
với các nguyên tử lân cận vì thế khơng thể di chuyển xa. Khi electron được kích thích, trở
thành dẫn điện, các electron này có thể tự do di chuyển trong bán dẫn. Khi đó nguyên tử
sẽ thiếu 1 electron và đó gọi là lỗ trống. Lỗ trống này tạo điều kiện cho các electron của

Trang 21