ĐỒN THANH NIÊN CỘNG SẢN HỒ CHÍ MINH
BAN CHẤP HÀNH TP. HỒ CHÍ MINH
----------------------

CƠNG TRÌNH DỰ THI
GIẢI THƯỞNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC EURÉKA
LẦN THỨ XIX NĂM 2017

TÊN CÔNG TRÌNH: HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TỰ BẮT THEO
HƯỚNG ÁNH SÁNG

LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU: KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ


i

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC BẢNG......................................................................................... iv
DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH .................................. v
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................ viii
CHƯƠNG 1 - GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI ................................................................... 1
1.1 Đă ̣t vấ n đề ........................................................................................................1
1.2 Tình hình nghiên cứu .......................................................................................1
1.3 Mục tiêu đề tài .................................................................................................2
1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu ......................................................................................2
1.5 Phương pháp nghiên cứu .................................................................................2
1.6 Pha ̣m vi nghiên cứu .........................................................................................3
1.7 Ý nghiã đề tài ...................................................................................................3
1.8 Kết cấu của đề tài.............................................................................................3
CHƯƠNG 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI ...................... 4

2.1 Hệ thống điện năng lượng Mặt Trời ................................................................4
2.1.1 Tổng quan ...............................................................................................4
2.1.2 Các thành phần chính ..............................................................................4
2.1.3 Nguyên lý hoạt động ...............................................................................6
2.2 Pin năng lượng Mặt Trời .................................................................................6
2.2.1 Tổng quan ...............................................................................................6
2.2.2 Cấu tạo pin Mặt Trời ...............................................................................7
2.2.3 Phân loại pin Mặt Trời ............................................................................8
2.3 Bộ điều khiển sạc cho pin Mặt Trời ..............................................................11
2.3.1 Giới thiệu bộ điều khiển sạc..................................................................11


ii

2.3.2 Phân loại bộ điều khiển sạc ...................................................................12
2.4 Bộ tích trữ năng lượng (Ắc quy) ...................................................................15
2.4.1 Tổng quan .............................................................................................15
2.4.2 Cấu tạo ắc quy .......................................................................................15
2.5 Board phát triển Arduino ...............................................................................16
2.5.1 Giới thiệu chung về Arduino.................................................................16
2.5.2 Một số board Arduino ...........................................................................17
2.6 Tổng quan về nghịch lưu ...............................................................................18
2.6.1 Khái niệm ..............................................................................................18
2.6.2 Phân loại ................................................................................................18
2.7 Cơ cấu truyền động ........................................................................................22
2.7.1 Tổng quan .............................................................................................22
2.7.2 Phân loại các cơ cấu truyền động..........................................................22
2.8 Động cơ Servo ...............................................................................................26
CHƯƠNG 3 - TÍNH TỐN THIẾT KẾ MƠ HÌNH ................................................ 27
3.1 Sơ đồ khối hê ̣ thớ ng .......................................................................................27

3.2 Tính tốn thiết kế hệ thống điê ̣n ....................................................................28
3.2.1 Tính tốn lựa chọn pin Mặt Trời ...........................................................28
3.2.2 Tính tốn lựa chọn bộ điều khiển sạc ...................................................29
3.2.3 Tính tốn lựa chọn ắc quy .....................................................................30
3.2.4 Thiết kế khối nguồn 5V ........................................................................30
3.2.5 Thiết kế khối cảm biến ánh sáng ...........................................................31
3.2.6 Thiết kế khối công tắc hành trình .........................................................33
3.2.7 Thiết kế khối điều khiển động cơ..........................................................34


iii

3.2.8 Thiết kế khối nghịch lưu .......................................................................35
3.2.9 Thiết kế khối xử lý ................................................................................36
3.2.10 Thiết kế ma ̣ch in ..................................................................................39
3.3 Tiń h toán thiết kế hê ̣ thố ng cơ .......................................................................41
3.3.1 Nhiệm vụ - yêu cầu ...............................................................................41
3.3.2 Lựa chọn phương án thiết kế.................................................................41
3.3.3 Thiết kế - lựa cho ̣n kế t cấ u cơ khí .........................................................43
3.3.4 Hiǹ h ảnh thi công ..................................................................................48
CHƯƠNG 4 - CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ............................... 49
4.1 Lưu đồ giải thuật ............................................................................................49
4.1.1 Lưu đồ chương trình ngắt của cơng tắc hành trình ...............................49
4.1.2 Lưu đồ chương trình chính....................................................................50
4.1.3 Lưu đồ chương trình chế độ Auto .........................................................51
4.1.4 Lưu đồ chương trình chế độ Tracking ..................................................53
4.2 Kế t quả thực nghiê ̣m......................................................................................55
4.2.1 Thực nghiệm với pin Mặt Trời không nối tải .......................................55
4.2.2 Thực nghiệm khả năng xác đinh
̣ vi ̣trí Mặt Trời ...................................57

4.2.3 Thực nghiệm khả năng tải của bô ̣ inverter............................................59
CHƯƠNG 5 - KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ........................................ 62
5.1 Kết luận ..........................................................................................................62
5.2 Hướng phát triển đề tài ..................................................................................62
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 63


iv

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật của tấm pin Mặt Trời RS-P618-30W ................29
Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật của bộ sạc pin Mặt Trời LMS2410 ....................29
Bảng 3.3: So sánh các phương pháp điề u hướng pin Mă ̣t Trời .......................41
Bảng 3.4: Cho ̣n thông số khi đã có kích thước modun ....................................45
Bảng 3.5: Bảng cho ̣n số răng của puly .............................................................45
Bảng 3.6: Thông số ki ̃ thuâ ̣t của đô ̣ng cơ Servo Faulhaber .............................47
Bảng 4.1: Bảng số liê ̣u thực nghiê ̣m đo điê ̣n áp không tải của pin Mă ̣t Trời ..56
Bảng 4.2: Bảng số liê ̣u thực nghiê ̣m khả năng xác đinh
̣ vi ̣trí Mă ̣t Trời ..........57
Bảng 4.3: Bảng số liê ̣u thực nghiê ̣m khả năng tải của bô ̣ nghich
̣ lưu ..............59


v

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH
Hình 2.1: Các thành phần của hệ thống năng lượng Mặt Trời khơng hịa lưới .5
Hình 2.2: Tế bào quang điện và tấm panel pin Mặt Trời ...................................7
Hiǹ h 2.3: Panel pin Mặt Trời loại đơn tinh thể ..................................................8
Hiǹ h 2.4: Panel pin Mặt Trời loại đa tinh thể ....................................................9

Hiǹ h 2.5: Tấm pin Mặt Trời loại màng mỏng ..................................................10
Hiǹ h 2.6: Bộ điều khiển sạc cho pin Mặt Trời .................................................11
Hiǹ h 2.7: Cấu trúc bộ điều khiển sạc PWM.....................................................12
Hình 2.8: Đường cong hoạt động của bộ điều khiển sạc PWM .......................13
Hình 2.9: Cấu trúc bộ điều khiển sạc MPPT ....................................................14
Hình 2.10: Đường cong hoạt động của bộ điều khiển sạc MPPT ....................14
Hình 2.11: Cấu tạo bình ắc quy axit-chì kiểu kín ............................................16
Hiǹ h 2.12: Board Arduino Mega2560 .............................................................17
Hiǹ h 2.13: Sơ đồ mạch nghịch lưu áp 1 pha ....................................................18
Hiǹ h 2.14: Giản đồ xung mạch nghịch lưu áp 1 pha .......................................19
Hiǹ h 2.15: Sơ đồ mạch nghịch lưu dòng 1 pha ................................................20
Hiǹ h 2.16: Giản đồ xung mạch nghịch lưu dòng 1 pha ...................................21
Hình 2.17: Cơ cấu truyền động bánh răng .......................................................22
Hình 2.18: Cơ cấu truyền động đai ..................................................................23
Hình 2.19: Cơ cấu truyền động xích ................................................................24
Hình 2.20: Cơ cấu truyền động trục vít ............................................................25
Hình 2.21: Cấu tạo động cơ DC Servo .............................................................26
Hiǹ h 3.1: Sơ đồ khối hệ thống điện Mặt Trời tự bắt theo hướng ánh sáng .....27


vi

Hiǹ h 3.2: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn 5V ......................................................30
Hiǹ h 3.3: Hình ảnh thực tế khối nguồn 5V ......................................................31
Hiǹ h 3.4: Hình dạng thực tế và kích thước của LDR 12mm ...........................31
Hình 3.5: Sơ đồ khối cảm biến ánh sáng..........................................................32
Hình 3.6: Bốn cảm biến ánh sáng được gắn trên tấm pin Mặt Trời .................32
Hình 3.7: Sơ đồ khối cơng tắc hành trình ........................................................33
Hình 3.8: Các cơng tắc hành trình trục ngang và trục dọc ...............................33
Hiǹ h 3.9: Sơ đồ khối điều khiển động cơ.........................................................34

Hiǹ h 3.10: Hình ảnh thực tế khối điều khiển động cơ .....................................34
Hiǹ h 3.11: Sơ đồ khối nghịch lưu 12VDC/220VAC .......................................35
Hiǹ h 3.12: Giản đồ xung khối nghịch lưu ........................................................35
Hiǹ h 3.13: Sơ đồ khối xử lý dùng Arduino Mega2560 ...................................36
Hình 3.14: Board xử lý Arduino Mega2560 ....................................................37
Hình 3.15: Sơ đồ linh kiê ̣n và bản vẽ ma ̣ch in .................................................40
Hình 3.16: Ma ̣ch in hoàn chỉnh ........................................................................40
Hình 3.17: So sánh hiê ̣u suấ t pin giữa lắ p đă ̣t cố đinh
̣ và có điề u hướng pin ..42
Hiǹ h 3.18: Phương pháp điề u hướng nghiêng tấ m pin và xoay tru ̣c tấ m pin ..42
Hiǹ h 3.19: Hiǹ h ảnh mô phỏng hê ̣ thố ng .........................................................43
Hiǹ h 3.20: Đô ̣ng cơ Servo Faulhaber kèm bô ̣ giảm tố c ...................................47
Hiǹ h 3.21: Hình ảnh mơ phỏng của hê ̣ thớ ng ..................................................48
Hiǹ h 3.22: Hình ảnh thực tế của hệ thống........................................................48
Hình 4.1: Sơ đồ thực nghiê ̣m điê ̣n áp không tải của pin Mặt Trời ..................55
Hình 4.2: Tra ̣ng thái ban đầ u của hê ̣ thố ng (11h trưa) .....................................58


vii

Hiǹ h 4.3: Trạng thái sau khi đã tìm đươ ̣c vi ̣trí của Mă ̣t Trời (11h trưa) .........58
Hiǹ h 4.4: Điê ̣n áp DC,AC và dòng điê ̣n DC bô ̣ Inverter lúc không tải ...........59
Hiǹ h 4.5: Da ̣ng sóng mô phỏng ngõ ra điê ̣n áp bô ̣ Inverter lúc không tải .......60
Hình 4.6: Điê ̣n áp DC + AC và dòng điê ̣n DC bô ̣ Inverter lúc có tải (8W) .....60
Hình 4.7: Da ̣ng sóng mô phỏng ngõ ra điê ̣n áp bô ̣ Inverter có tải (8W)..........60
Hình 4.8: Điê ̣n áp DC + AC và dòng điê ̣n DC bô ̣ Inverter lúc có tải (16W) ...61
Hình 4.9: Da ̣ng sóng mô phỏng ngõ ra điê ̣n áp bô ̣ Inverter có tải (16W)........61


viii


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

VĐK: Vi điều khiển
GND: Ground – điểm trung tính
MBA: Máy biến áp
ADC: Analog/Digital Conveter – bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự/số
USB: Universal Serial Bus – một chuẩn kết nối thiết bị ngoại vi với máy tính
I2C : Inter-Intergrated Circuit
SPI : Serial Peripheral Bus.
MCU: Micro-controller Unit


1

CHƯƠNG 1 - GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀ I
1.1 Đă ̣t vấ n đề
Chúng ta đang sống trong thế kỷ thứ 21- kỷ nguyên của sự phát triển vượt bậc
về khoa học công nghệ và ứng dụng các thành quả cơng nghệ mới. Bên cạnh sự
phát triển mạnh mẽ đó nhân loại cũng đang phải đối mặt với nhiều nguy cơ như
hiệu ứng nhà kính, ơ nhiễm mơi trường, thiên tai,...Theo ước tính của Liên Hợp
Quốc thì trong vịng một trăm năm qua nhân loại đã sử dụng khoảng 30% tổng trữ
lượng dầu mỏ mà thế giới có được và dự báo trong vịng 30 năm tiếp theo thì nhu
cầu này sẽ tăng lên gấp ba (số liệu tính đến tháng 5 năm 2008).
Vì thế, việc sử dụng năng lượng hợp lý, tiết kiệm đã dần trở thành chính sách
ở hầu hết các quốc gia. Để có thể làm được việc này, thì bên cạnh việc sử dụng và
quản lý nhu cầu năng lượng hợp lý thì việc nghiên cứu, phát triển, ứng dụng và sử
dụng các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng thủy triều, năng lượng gió,
năng lượng Mặt Trời... là vô cùng bức thiết bởi sự dồi dào, sẵn có và đặc biệt là
khơng gây ơ nhiễm môi trường của các nguồn năng lượng này. Đồng thời giải quyết

vấn đề thiếu hụt điện năng ở các vùng sâu vùng xa
1.2 Tình hình nghiên cứu
Từ những năm 40 của thế kỷ trước nhân loại đã nghiên cứu ứng dụng để chế
tạo ra các tấm pin Mặt Trời, cung cấp năng lượng cho các vệ tinh nhân tạo. Tuy
nhiên phải đến những năm 70, sau cuộc khủng hoảng dầu lửa đầu tiên trên thế giới
thì việc nghiên cứu, phát triển và ứng dụng pin năng lượng Mặt Trời mới được quan
tâm thực sự và đã phát triển mạnh mẽ từ đó đến nay.
Ở các nước phát triển như Đức, Mỹ, Nhật Bản...thì việc sử dụng năng lượng
Mặt Trời thay cho các nguồn năng lượng khác đã trở nên phổ biến và nhận được
nhiều sự ủng hộ. Còn với các nước nghèo hoặc đang phát triển thì việc nghiên cứu,
sử dụng các nguồn năng lượng này mới chỉ đạt được các kết quả ban đầu, bởi chi
phí ban đầu của một hệ thống năng lượng Mặt Trời là khá lớn.


2

Riêng ở Việt Nam, các hoạt động nghiên cứu, ứng dụng và sử dụng các nguồn
năng lượng mới và năng lượng tái tạo nói chung cũng như năng lượng Mặt Trời nói
riêng trong những năm gần đây được triển khai khá mạnh mẽ. Tuy nhiên chưa được
sâu rộng và mới chỉ dừng ở quy mô các dự án giành cho người nghèo được chính
phủ và các tổ chức nước ngồi tài trợ, còn đối với đại đa số người dân thì vẫn khơng
muốn sử dụng nguồn năng lượng này do chưa nhận thức được ích lợi của nó cũng
như giá thành chi phí ban đầu là quá cao trong khi thu nhập bình quân của người
dân lại ở mức thấp.
1.3 Mục tiêu đề tài
Thiết kế chế tạo mơ hình hệ thống điện năng lượng Mặt Trời độc lập công suất
nhỏ tự động hướng theo ánh sáng Mặt Trời trong ngày nhằm tối đa việc thu thập
năng lượng bức xạ Mặt Trời.
1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu
 Nghiên cứu tổng quan hệ thống điện Mặt Trời.

 Tính tốn lựa chọn các thành phần trong mơ hình: Pin Mặt Trời, Bộ tích
trữ năng lượng (ắc quy), Bộ nghịch lưu điện áp, Mạch điều khiển xoay
tấm pin bắt theo hướng Mặt Trời
 Chế tạo mơ hình thực nghiệm cơng suất nhỏ
 Lập trình ứng dụng công nghệ vi điều khiển Arduino.
 Thực nghiệm đánh giá kết quả
1.5 Phương pháp nghiên cứu
Đề tài đươ ̣c thực hiê ̣n qua 2 bước nghiên cứu: nghiên cứu sơ bô ̣ và nghiên cứu
thực nghiê ̣m
 Nghiên cứu sơ bô ̣: Tiế n hành tìm hiể u đề tài bằ ng cách, tổ ng hơ ̣p, so
sánh, phân tích những tài liê ̣u, công trình nghiên cứu đã từng công bố .
Những tài liê ̣u, công trin
̣
̀ h đó sẽ cung cấ p những gơ ̣i ý giúp xác đinh
chính xác vấ n đề và hình thành cơ sở lý luâ ̣n cho bài nghiên cứu.


3

 Nghiên cứu thực nghiê ̣m: Tiế n hành thi công mô hình, bố trí thí nghiê ̣m
để thu thâ ̣p số liê ̣u, để giải thích và kế t luâ ̣n .
1.6 Pha ̣m vi nghiên cứu
Hê ̣ thố ng điê ̣n năng lươ ̣ng Mă ̣t Trời đã đươ ̣c thiế t lâ ̣p ở nhiề u nơi trên thế giới
và hướng đế n nhiề u đố i tươ ̣ng tiêu thu ̣ khác nhau, nhưng trong pha ̣m vi của đề tài
này ta chỉ tâ ̣p trung nghiên cứu về hê ̣ thố ng điê ̣n năng lươ ̣ng Mă ̣t Trời không nố i
lưới để cung cấ p điê ̣n cho những vùng xâu vùng xa (Bao gồm năng lượng bức xạ
Mặt Trời, pin Mặt Trời, mạch điều khiển, bộ nghich
̣ lưu, bộ tích trữ năng lượng,...)
1.7 Ý nghiã đề tài
“Hệ thống năng lượng Mặt Trời tự bắt theo hướng ánh sáng” là một hệ thống

có khả năng tự động điều chỉnh và tạo ra chuyển động tương đối của tấm pin Mặt
Trời so với Mặt Trời, từ đó sẽ cho cơng suất ở đầu ra của tấm pin ở mọi thời điểm
trong ngày là tương đối bằng nhau, nghĩa là hiệu suất tạo ra điện của tấm pin sẽ là
cao nhất. Nhờ đó ta có thể tâ ̣n du ̣ng đươ ̣c triê ̣t để nguồ n năng lươ ̣ng Mă ̣t Trời để
cung cấ p điê ̣n cho những vùng sâu vùng xa.
1.8 Kết cấu của đề tài
Kết cấu đề tài được trình bày trong 5 chương
 Chương 1: Giới thiê ̣u về đề tài
 Chương 2: Cơ sở lý thuyết hệ thống điện Mặt Trời
 Chương 3: Tính tốn thiết kế mơ hình
 Chương 4: Chương trình điều khiển hệ thống
 Chương 5: Kết luận và hướng phát triển


4

CHƯƠNG 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI
2.1 Hệ thống điện năng lượng Mặt Trời
2.1.1 Tổng quan
Hiện nay có hai cơng nghệ chế tạo nguồn điện pin Mặt Trời thơng dụng. Đó là
hệ nguồn điện pin Mặt Trời nối lưới và hệ nguồn độc lập:
 Hệ thống nguồn điê ̣n pin Mặt Trời nối lưới: điện năng một chiều từ dàn
pin được biến đổi thành dòng điện xoay chiều và hoà đồng bộ vào mạng
lưới điện thành phố, ưu điểm của loại nguồn này là không phải sử dụng
bộ tích trữ năng lượng gây tốn kém và ô nhiễm môi trường.
 Hệ thống nguồn điện pin Mặt Trời độc lập: điện năng một chiều từ dàn
pin được dùng để sạc cho bình ắc quy, từ bình ta nghịch lưu để biến đổi
thành điện xoay chiều. Người ta thường sử dụng cho những vùng khơng
có lưới điện hoặc quy mơ hộ gia đình bởi tính gọn nhẹ, công suất phù hợp
và điều khiển, sử dụng dễ dàng.

2.1.2 Các thành phần chính
Một hệ nguồn pin năng lượng Mặt Trời không nối lưới được định nghĩa là một
hệ thống các thiết bị bao gồm dàn pin Mặt Trời, bộ điều khiển sạc bình, bộ biến đổi
điện, bộ tích trữ năng lượng và các phụ kiện (Dây dẫn, gá pin, cơ khí...):
 Pin Mặt Trời (Solar panel): Có chức năng biến đổi ánh sáng Mặt Trời
thành dòng điện DC. Tuổi thọ của pin Mặt Trời thường từ 40 đến 50 năm
và chiếm phần lớn trong giá thành hệ thống.
 Solar Charge Controller: Được dùng để điều khiển dòng sạc từ solar
panel vào ắc quy luôn được ở mức tối ưu nhất. Khi ắc quy đầy bộ Solar
charger sẽ ngưng sạc hoặc vào chế độ sạc duy trì. Khi ắc quy cạn đi sẽ
tự động ngắt tải.


5

 Inverter: Có chức năng chuyển đổi điện DC đã được tích trữ từ ắc quy
thành điện AC. Tùy theo tải sử dụng mà ta cần chọn công suất của
inverter cho phù hợp.
 Ắc quy (battery): Có chức năng lưu trữ điện năng từ các tấm pin Mặt
Trời. Các ắc quy dùng cho điện Mặt Trời phải là các ắc quy chuyên dụng
có khả năng nạp xả sâu, độ bền cao. Những ắc quy này thường xuyên
phải được kiểm tra và bảo dưỡng theo đúng quy trình kỹ thuật thì mới
đảm bảo được tuổi thọ và chất lượng.
 Hệ thống phụ trợ: Hệ thống khung gá để lắp các solar panel phải có góc
và hướng thích hợp để các tấm solar panel thu được tối đa năng lượng
Mặt Trời trong mọi thời điểm của ngày, mùa trong năm. Đồng thời phải
có độ bền cao chịu được gió, mưa nắng. Hệ thống dây dẫn phải có độ bền
vững cao, đúng theo tiêu chuẩn kỹ thuật để giảm tổn hao, và đảm bảo an
toàn.
PV Panel


Solar Charge Controller

Inverter

Ắc quy

Hiǹ h 2.1: Các thành phần của hệ thống năng lượng Mặt Trời khơng hịa lưới


6

2.1.3 Nguyên lý hoạt động
Khi có ánh nắng Mặt Trời các tấm solar panel sẽ chuyển đổi năng lượng ánh
nắng thành dòng điện một chiều (DC). Dòng điện này sẽ thông qua thiết bị Solar
Charge Controller để nạp cho ắc quy.
Khi ắc quy đầy Solar Charge Controller sẽ tự động sạc cầm chừng (khoảng
13.8V) đồng thời khi ắc quy quá cạn nó sẽ ngắt điện DC ra tải nhằm bảo vệ và kéo
dài tuổi thọ của ắc quy. Khi điện áp của ắc quy giảm Solar Charge Controller sẽ tự
động nạp lại cho đến khi đầy.
Inverter có chức năng chuyển đổi điện năng DC từ ắc quy thành điện xoay
chiều 220VAC/50Hz để dùng cho các tải AC. Tổng công suất của các tải AC luôn
phải nhỏ hơn công suất cực đại của inveter. Đặc biệt với các tải AC có dòng khởi
động lớn như máy bơm, máy lạnh, tủ lạnh,... thì cơng suất của inveter thường phải
lớn hơn.
2.2 Pin năng lượng Mặt Trời
2.2.1 Tổng quan
Pin Mặt Trời là thiết bị sử dụng biến đổi trực tiếp ánh sáng Mặt Trời thành
năng lượng điện nhờ vào các tế bào quang điện thơng qua các phản ứng vật lý và
hóa học. Các tấm panel pin Mặt Trời được ghép từ nhiều tế bào quang điện lại với

nhau, nó có cấu tạo rất đơn giản, khơng có phần chuyển động, khơng cần địi hỏi
chăm sóc bảo dưỡng thường xuyên như những hệ thống khác, đặc biệt không ô
nhiễm môi trường nên đã được quan tâm nghiên cứu, phát triển và ứng dụng ngày
càng mạnh mẽ vào khoa học kỹ thuật và cuộc sống.


7

Hiǹ h 2.2: Tế bào quang điện và tấm panel pin Mặt Trời
2.2.2 Cấu tạo pin Mặt Trời
Các tế bào quang điện trong tấm pin Mặt Trời đóng vai trị 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.
Pin Mặt Trời ngày nay được sản xuất chủ yếu từ vật liệu tinh thể bán dẫn
Silicon (Si). Để có vật liệu tinh thể bán dẫn tinh khiết loại N thì người ta pha vào
tinh thể Si một tạp chất là Photpho ở nhóm V gọi là Donor, còn để tạo ra bán dẫn
loại P thì người ta pha vào Bo ở nhóm III gọi là Acceptor. Đối với pin Mặt Trời làm
từ vật liệu tinh thể Si, khi được chiếu sáng thì hiệu điện thế hở mạch giữa hai bản
cực là khoảng 0,55V, dịng ngắn mạch của nó dưới bức xạ Mặt Trời 1000W/m2 là
khoảng 30mA/cm2.
Ngoài pin làm từ vật liệu tinh thể Si, người ta còn nghiên cứu chế tạo thử
nghiệm từ các loại vật liệu khác có nhiều hứa hẹn như hệ bán dẫn hợp chất nhóm 35, như hợp chất đồng-cadimi sunfit (CuCdS), Galium-Arsent (GaAs),… tuy nhiên
hiện nay việc nghiên cứu và chế tạo các loại pin này mới chỉ dừng ở quy mơ thí
nghiệm.


8

2.2.3 Phân loại pin Mặt Trời
Ngày nay thì vật liệu chủ yếu chế tạo pin Mặt Trời là Silic dạng tinh thể. Pin

Mặt Trời từ tinh thể Silic chia ra thành 3 loại:
2.2.3.1 Silicon đơn tinh thể
Một tế bào quang điện đơn tinh thể đơn (Monocrystalline) có hiệu quả cao hơn
và cũng đắt hơn so với các loại tế bào khác. Các cạnh của tế bào trông như bị cắt
xén, trở thành giống như một hình bát giác do các tấm wafer được cắt từ các phơi
Silic hình trụ dựa trên quá trình Czochralski.

Hình 2.3: Panel pin Mặt Trời loại đơn tinh thể
Ưu điểm:
 Có hiệu suất cao nhất trong các loại tế bào quang điện vì được chế tạo từ
các tinh thể Silic chất lượng cao, hiệu suất có thể lên tới 22%.
 Vì do có hiệu suất cao nhất nên các tế bào đơn tinh thể chiếm diện tích
nhỏ nhất khi so sánh với các tế bào quang điện khác.
 Có tuổi thọ cao, phần lớn các tấm pin có thể sử dụng lên đến 25 năm, một
phần là do Silicon.
Nhược điểm:
 Có giá thành cao nhất trong các loại tế bào quang điện, thường chỉ được
các nhà đầu tư lớn sử dụng.


9

2.2.3.2 Silicon đa tinh thể
Tế bào quang điện đa tinh thể (Polycrystalline) được làm từ các thỏi đúc tiết
diện hình vng, đúc từ Silic nóng chảy sau đó được làm nguội và làm rắn. Các tấm
pin cấu tạo từ Silic đa tinh thể này thường rẻ hơn các loại đơn tinh thể, tuy nhiên
hiệu suất cũng kém hơn. 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.

Hiǹ h 2.4: Panel pin Mặt Trời loại đa tinh thể

Ưu điểm:
 Quá trình sản xuất ra tế bào quang điện đa tinh thể ít tốn kém và lượng
Silicon bị lãng phí cũng ít hơn khi so sánh với tế bào đơn tinh thể.
 Có hiệu quả về nhiệt cao hơn so với tế bào đơn tinh thể. Có nghĩa là khi
nhiệt độ tăng thì nguồn điện đầu ra của tấm pin sẽ giảm ít hơn.
Nhược điểm:
 Hiệu suất thấp (khoảng 14 – 16%) do được chế tạo từ Silicon khơng
ngun chất.
 Chiếm diện tích lớn hơn so với khi sử dụng tấm pin tế bào đơn tinh thể.


10

2.2.3.3 Silicon màng mỏng
Silicon màng mỏng (Thin film) được áp dụng cơng nghệ hồn tồn khác so
với pin đơn tinh thể và đa tinh thể, nó được cấu tạo từ các miếng phim mỏng từ silic
nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể. Loại này có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại
này rẻ nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon. Được áp dụng công
nghệ sản suất tấm mỏng để tạo ra các tấm phim có độ dày khoảng 300 μm.

Hình 2.5: Tấm pin Mặt Trời loại màng mỏng
Ưu điểm:
 Trọng lượng rất nhẹ, có khả năng uốn cong được.
 Rẻ tiền hơn tế bào đơn tinh thể và đa tinh thể.
 Hiệu năng ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và độ khuất sáng.
Nhược điểm:
 Hiệu suất rất thấp, chiếm diện tích lớn nếu muốn cho ra công suất bằng
với khi sử dụng tế bào tinh thể.
 Tuổi thọ không cao, nhanh bị lão hóa hơn các tế bào tinh thể.



11

2.3 Bộ điều khiển sạc cho pin Mặt Trời
2.3.1 Giới thiệu bộ điều khiển sạc

Hiǹ h 2.6: Bộ điều khiển sạc cho pin Mặt Trời
Bộ điều khiển sạc là một thiết bị trung gian giữa các tấm pin Mặt Trời và các
bình ắc quy lưu trữ. Nhiệm vụ chính của nó là điều khiển việc sạc bình ắc quy từ
nguồn điện sinh ra từ pin Mặt Trời. Cụ thể là các nhiệm vụ sau:
 Bảo vệ bình ắc quy: Khi bình đầy (VD: 13.8V – 14.2V đối với ắc quy
12V) thì bộ điều khiển ngăn khơng cho nguồn điện tiếp tục nạp vào ắc
quy vì có thể gây sơi bình và làm ảnh hưởng đến tuổi thọ của bình. Khi
bình gần cạn đến ngưỡng phải ngắt để bảo vệ bình (VD: 10.7V đối với ắc
quy 12V), bộ điều khiển sẽ ngắt khơng cho sử dụng tải để bảo vệ bình.
 Bảo vệ tấm pin Mặt Trời: Nguyên lý của dòng điện là đi từ nơi điện áp
cao đến nơi điện áp thấp. Ban ngày trời nắng thì điện áp tấm pin loại 12V
sẽ từ khoảng 15 đến hơn 20V, cao hơn điện áp ắc quy nên dòng điện sẽ đi
từ pin xuống ắc quy. Nhưng ban đêm khi khơng có ánh nắng, điện áp của
pin sẽ thấp hơn điện áp của ắc quy và dòng điện sẽ đi từ ắc quy lên ngược
tấm pin, điều này làm giảm hiệu suất tấm pin dần dần và có thể hỏng tấm
pin. Vậy nên bộ điều khiển sẽ ngăn một cách triệt để khơng để cho dịng
điện có thể đi ngược lên tấm pin để tránh hiện tượng trên.


12

 Tăng hiệu suất sạc: Giúp chúng ta đạt hiệu suất cao nhất từ tấm pin Mặt
Trời bằng cách điều khiển làm sao để công suất sạc đạt cực đại Pmax,
nâng cao hiệu suất sử dụng của tấm pin Mặt Trời.

2.3.2 Phân loại bộ điều khiển sạc
2.3.2.1 Bộ điều khiển sạc PWM
Các bộ điều khiển sạc xung sẽ kéo dài tốt hơn tuổi thọ của ắc quy. Trong quá
trình sạc, bộ điều khiển cho phép sạc ắc quy với dòng điện tối đa mà pin Mặt Trời
có thể tạo ra để có thể đạt điện áp ngưỡng đã được cài đặt sẵn. Khi ắc quy đã sạc
được tới điện áp này, bộ sạc sẽ đóng cắt (MOSFET) liên tục bằng xung PWM để
giảm điện áp từ pin Mặt Trời xuống bằng với điện áp ngưỡng của bình.

Hình 2.7: Cấu trúc bộ điều khiển sạc PWM
Bộ điều khiển sạc xung sẽ hoạt động gần tới điểm công suất cực đại, đường
cong hoạt động được thể hiện ở hình 2.8.


13

Hiǹ h 2.8: Đường cong hoạt động của bộ điều khiển sạc PWM
Ưu điểm:
 Giá thành rẻ hơn gấp 2 – 3 lần so với bộ điều khiển sạc MPPT.
 Có kích thước nhỏ hơn bộ điều khiển sạc MPPT.
 Tuổi thọ cao hơn do có ít linh kiện điện tử hơn và tỏa nhiệt ít hơn bộ điều
khiển sạc MPPT.
Nhược điểm:
 Hiệu suất thấp hơn bộ điều khiển sạc MPPT.
 Yêu cầu điện áp ra của pin Mặt Trời phải bằng với điện áp định mức của
ắc quy.
2.3.2.2 Bộ điều khiển sạc MPPT
Bộ điều khiển sạc MPPT không kết nối trực tiếp pin Mặt Trời với bộ lưu trữ.
Điện từ pin Mặt Trời sẽ đi qua một bộ chuyển đổi DC/DC, bộ chuyển đổi này có
chức năng giảm bớt điện áp từ pin Mặt Trời đồng thời tăng dòng điện lên để nạp
cho ắc quy.



14

Hiǹ h 2.9: Cấu trúc bộ điều khiển sạc MPPT
Bộ điều khiển sạc MPPT sử dụng một thuật toán đáp ứng để bắt điểm công
suất cực đại của pin Mặt Trời và điều chỉnh điện áp ra của bộ DC/DC sao cho hiệu
suất sạc là cao nhất.

Hiǹ h 2.10: Đường cong hoạt động của bộ điều khiển sạc MPPT


15

Ưu điểm:
 Có hiệu suất sạc bình cao hơn bộ sạc PWM.
 Điện áp ra của pin Mặt Trời và điện áp định mức của ắc quy có thể tùy ý.
 Linh hoạt trong việc mở rộng hệ thống.
Nhược điểm:
 Đắt hơn 2 – 3 lần so với bộ điều khiển sạc MPPT.
 Tuổi thọ kém hơn do có nhiều linh kiện điện tử và tỏa nhiệt nhiều hơn bộ
điều khiển PWM.
2.4 Bộ tích trữ năng lượng (Ắc quy)
2.4.1 Tổng quan
Trong hệ thống nguồn pin năng lượng Mặt Trời có một thành phần rất quan
trọng đó là bộ tích trữ năng lượng. Vào ban ngày, khi có nắng thích hợp, điện năng
thu được từ tấm pin sẽ được tích vào bộ tích trữ này, vào ban đêm hoặc khi trời mưa
khơng có ánh nắng (nghĩa là khơng có năng lượng phát ra từ tấm pin) năng lượng
này được lấy ra cung cấp cho tải tiêu thụ.
Trong hệ thống nguồn pin năng lượng Mặt Trời độc lập phổ biến hiện nay thì

năng lượng phát ra từ tấm pin chủ yếu được tích trữ vào các bộ ắc quy có dung
lượng phù hợp. Trên thực tế có rất nhiều loại ắc quy khác nhau với cấu tạo, chủng
loại, mẫu mã đa dạng phù hợp với các hệ thống khác nhau.
2.4.2 Cấu tạo ắc quy
Cấu tạo của ắc quy chì bao gồm 2 bản cực, trong đó bản cực dương (+) được
làm bằng oxit Chì (PbO2) và bản cực âm (-) được làm bằng Chì (Pb). Điền đầy giữa
các bản cực là dung dịch axít sulfuric (H2SO4) lỗng, trong đó nước (H2O) là
chiếm phần lớn thể tích.
Trên thực tế, các cực của ắc quy có số lượng nhiều (để tạo ra dung lượng bình
ắc quy lớn) và mỗi bình ắc quy lại bao gồm nhiều ngăn (cells). Nhiều tấm cực mắc


16

song song nhau để tạo ra tổng diện tích bản cực được nhiều hơn, giúp cho quá trình
phản ứng xảy ra đồng thời tại nhiều vị trí và do đó dòng điện cực đại xuất ra từ ắc
quy đạt trị số cao hơn - và tất nhiên là dung lượng ắc quy cũng tăng lên.
Vỏ bảo vệ

Cực dương

Cực âm

Tấm
Bản cực
Bản cực
H2SO4
Hiǹ h 2.11: Cấu tạo bình ắc quy axit-chì kiểu kín
Một bình Ắc quy kín khí thơng thường sẽ bao gồm các thành phần sau: Vỏ
bảo vệ để axit không chảy ra ngồi, cọc bình để nối với tải ngồi hoặc nối ghép các

bình với nhau, bản cực gồm các bản cực dương và bản cực âm, dung dịch điện phân
và tấm chắn nằm giữa các bản cực (hình 2.11). Nếu là Ắc quy Axit-chì hở khí thì
cấu tạo cũng giống với ắc quy kín nhưng sẽ có thêm nút thông hơi.
2.5 Board phát triển Arduino
2.5.1 Giới thiệu chung về Arduino
Arduino là một board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác
với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn. Phần cứng bao gồm một board
mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM
Atmel 32-bit. Những Model mới nhất có tốc độ xử lý lên đến 84MHz, có tới 16
chân đầu vào analog, 54 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng
khác nhau.