BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CỬU LONG


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
CẤP CƠ SỞ GIAI ĐOẠN 2020 - 2021
ĐỀ TÀI:

CHẾ TẠO ROBOT VỆ SINH PIN NĂNG
LƯỢNG MẶT TRỜI

GVHD: TH.S PHẠM VĂN CHIẾN
SVTH: PHẠM VĂN NGHIÊM
PHẠM MINH NHỰT
LỚP: CNKT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

Vĩnh Long, 06/2021


XÁC NHẬN ĐÃ CHỈNH SỬA THEO YÊU CẦU HỘI ĐỒNG

i


TÓM TẮT ĐỀ TÀI
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo một thiết bị vệ sinh các tấm pin năng lượng mặt trời
có thể di chuyển trên bề mặt các tấm pin một cách dể dàng, thiết bị được chế tạo dựa
trên các bộ phận đã được tính tốn và thiết kế cũng như đã được thực nghiệm nhiều lần.
Hầu hết các phụ kiện trên thiết bị điều được sử dụng từ những vật dụng có sẵn trên thì
trường dể dàng tìm kiếm thay thế khi sửa chữa. Thiết bị được thiết kế đơn giản, nhỏ gọn
dể sử dụng để tiếp cận với các hệ thống năng lượng mặt trời cở nhỏ và đa dạng người

sử dụng. Sản phẩm mang lại hiệu quả vệ sinh vượt trội hơn nhiều lần so với con người,
vận hành dể dàng linh hoạt có thể thay thế con người trong một số điều kiện làm việc
khó khăn, khả năng nâp cấp cao, đồng thời giảm thiểu sử dụng nguồn năng lượng điện,
nước trong quá tình vận hành. Trong trình thi cơng củng góp phần huấn luyện kỹ năng,
củng cố các kiến thức về điều động cơ DC cỡ nhỏ và vận hành các thiết bị điều khiển từ
xa và một số kiến thức cũng như các kỹ năng khác cho sinh viên. Ngoài ra, đề tài cịn
có ý nghĩa lớn về mặt kinh tế, giảm chi phí đầu tư, có thể thương mại hóa và phát triển
rộng rãi.
Sản phẩm có thể ứng dụng trong giảng dạy để làm mơ hình tham khảo, có thể dùng
để vệ sinh các bề mặt khác ngoài pin năng lượng mặt trời như sàn nhà, sàn thi đấu thể
thao…

ii


LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cám ơn Ban Giám Hiệu trường Đại Học Cửu Long đã tạo điều
kiện thuận lợi cho em được học tập và nghiên cứu tại trường.
Cám ơn quý thầy cô trong khoa Kỹ Thuật Công Nghệ, cũng như các thầy cô đã giảng
dạy, giúp đỡ em trong những năm học vừa qua. Chính các thầy cô đã cung cấp cho em
những kiến thức quý báu, giúp em xây dựng được những kiến thức nền tảng và những
kiến thức chun mơn để em có thể thực hiện đề tài này, cũng như những công việc sau
này của em.
Cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy Th.S Phạm Văn Chiến, Khoa Kỹ Thuật Công
Nghệ trường Đại Học Cửu Long. Trong suốt thời gian thực hiện đề tài, mặc dù rất bận
rộn trong công việc nhưng thầy vẫn giành rất nhiều thời gian và tâm huyết để hướng dẫn
em hoàn thành đề tài. Thầy đã cung cấp cho em rất nhiều kiến thức và giúp em định
hướng được đề tài của mình. Trong quá trình thực hiện đề tài thầy ln góp ý và sửa
chữa những sai sót giúp em hồn thành đề tài của mình.
Cuối cùng, em muốn gửi lời cám ơn sâu sắc đến gia đình em và tất cả bạn bè đã động

viên và giúp đỡ em trong quá trình học tập cũng như thực hiện đề tài.
Trân trọng!
Vĩnh long, ngày tháng năm 20
Sinh viên thực hiện

Phạm Văn Nghiêm

iii


MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU ................................................................................. 1
1.1

Đặt vấn đề ................................................................................................. 1

1.2

Mục tiêu .................................................................................................... 1

1.3

Phương pháp nghiên cứu ........................................................................ 1

1.4

Nhiệm vụ và phạm vi của đề tài.............................................................. 2

1.4.1 Nhiệm vụ của đề tài. ..................................................................... 2

1.4.2 Giới hạn phạm vi của đề tài ......................................................... 3
1.5

Nội dung đề tài ......................................................................................... 3

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................. 4
2.1

Tổng quan về pin năng lượng mặt trời .................................................. 4

2.1.1 Giới thiệu chung về pin năng lượng mặt trời ............................... 4
2.1.2 Mức độ phát triển của pin năng lượng mặt trời ........................... 6
2.2

Vấn đề tổn thất và làm sạch tấm pin ...................................................... 7

2.2.1 Nguyên nhân ................................................................................... 7
2.2.2 Mức độ tổn thất ............................................................................ 8
2.2.3 Giải pháp làm sạch....................................................................... 8
2.3

Các phương pháp làm sạch được thực hiện. ......................................... 9

2.3.1 Phương pháp cơ học..................................................................... 9
2.3.2 Dùng thiết bị máy móc để làm sạch ........................................... 11
2.3.3 Loại bỏ bụi bằng phương pháp tĩnh điện ................................... 11
2.3.4 Dùng các hoá chất để tẩy rửa .................................................... 12
2.4

Tình hình nghiên cứu Robot và các Robot trên thị trường ............... 13


2.4.1 Tình hình nghiên cứu Robot ở nước ngoài ................................... 13

iv


2.4.2 Tình hình nghiên cứu Robot ở Việt Nam .................................... 13
2.4.3 Các Robot làm sạch pin hiện có ................................................. 14
Chương 3. PHÂN TÍCH PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ CHO SCR ........... 30
3.1

Yêu cầu kỹ thuật khi thiết kế ................................................................ 30

3.2

Phân tích phương án di chuyển cho SCR ............................................ 30

3.2.1 Phương án di chuyển bám trên rail nhôm .................................. 30
3.2.2 Phương án di chuyển trực tiếp trên bề mặt tấm pin ................... 32
3.2.3 Phân tích bánh đai và phân tích chọn dây đai ........................... 34
3.3

Phân tích lựa chọn cơ cấu truyền động cho bánh xe .......................... 35

3.3.1 Truyền động không thông qua bộ truyền ngoài ......................... 35
3.3.2 Truyền động bằng đai................................................................. 35
3.3.3 Truyền động bằng xích ............................................................... 36
3.3.4 Truyền động bằng bánh răng ..................................................... 37
3.4


Phân tích phương án làm sạch bề mặt tấm pin ................................... 37

3.4.1 Lựa chọn phương án làm sạch ................................................... 37
3.4.2 Cấu tạo của chổi lau .................................................................. 38
3.4.3 Phân tích đặc điểm cấu tạo của sợ chổi ..................................... 38
3.5

Phân tích phương án cấp nước cho SCR ............................................. 40

3.5.1 Phương án để nước trực tiếp trên SCR ...................................... 40
3.5.2 Phương án đưa nước lên SCR thông qua dây dẫn ..................... 40
3.6

Tổng hợp các phương án thiết kế cho SCR ......................................... 40

Chương 4. TÍNH TỐN THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG PHẦN CƠ KHÍ . 42
4.1

Phân tích động học và động lực học ..................................................... 42

4.1.1 Giới thiệu chung về động học..................................................... 42
4.1.2 Mơ hình động lực học ................................................................. 42
v


4.2

Nguyên lý cấu tạo sơ bộ về SCR ........................................................... 47

4.3


Tính tốn thiết kế và thi cơng phần thân chính của SCR .................. 48

4.3.1 Tính tốn và thiết kế bánh đai di chuyển ................................... 48
4.3.2 Tính tốn cơng suất cho động cơ bánh xe .................................. 50
4.3.3 Tính tốn thiết kế bộ truyền đai ................................................. 53
4.3.4 Thiết kế trục bánh đai ................................................................. 60
4.3.5 Chọn ổ lăn cho trục bánh ........................................................... 61
4.3.6 Thiết kế hệ thống nâng hạ gạt nước ........................................... 62
4.3.7 Thiết kế khung cho SCR.............................................................. 63
4.4

Tính tốn thiết kế và thi cơng cơ cấu chổi lau ..................................... 65

4.4.1 Tính tốn cơng suất cho động cơ chổi con lăn .......................... 65
4.4.2 Tính toán thiết kế bộ truyền đai răng ......................................... 67
4.4.3 Thi công chổi lau và cơ cấu chuyển động .................................. 69
4.5

Thiết kế đường dẫn nước chính và các chi tiết phụ cho SCR ............ 71

4.5.1 Thiết kế đường dẫn nước chính cho SCR .................................. 71
4.5.2 Thiết kế hệ thống bơm dung dịch và tản nhiệt ........................... 72
5.1

Phân tích và lựa chọn phương án điều khiển ...................................... 74

5.2

Mơ hình điều khiển chung ..................................................................... 76


5.2.1 Mạch điều khiển trung tâm ......................................................... 76
5.2.2 Khối nguồn ................................................................................. 80
5.3

Sơ đồ mạch điều khiển trung tâm của SCR ........................................ 85

5.4

Hướng dẫn sử dụng tay cầm điều khiển .............................................. 86

5.5

Sản phẩm hồn thiện ............................................................................ 87

Chương 6. BẢO TRÌ AN TỒN .............................................................. 88
6.1

Bảo trì. ..................................................................................................... 88

vi


6.2

An toàn. ................................................................................................... 88

Chương 7. KẾT LUẬN ................................................................................ 91
7.1


Kết quả đạt được.................................................................................... 91

7.2

Hạn chế trong thực hiện đề tài.............................................................. 95

7.3

Các hướng phát triển đề tài .................................................................. 95

vii


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1: Pin năng lượng mặt trời ......................................................................... 4
Hình 2.2: Cấu tạo của tấm pin mặt trời .................................................................. 5
Hình 2.3: Các tấm pin bẩn trên bề mặt .................................................................. 8
Hình 2.4: Làm sạch bằng con người .................................................................... 10
Hình 2.5: Hệ thống làm sạch bằng nước.............................................................. 10
Hình 2.6: Dùng thiết bị máy móc ........................................................................ 11
Hình 2.7: Nước tẩy rửa ........................................................................................ 12
Hình 2.8: Hình logo một số cơng ty..................................................................... 13
Hình 2.9: Robot cơng ty TNHH viễn thơng Chí Thành ...................................... 14
Hình 2.10: Ecoppia E4 ......................................................................................... 14
Hình 2.11: SolarDuster ........................................................................................ 15
Hình 2.12: Robot Washpanel ............................................................................... 15
Hình 2.13: Robot NOMADD ............................................................................... 16
Hình 2.14: Robot hyCLEANER .......................................................................... 17
Hình 2.15: Robot solarCleano ............................................................................. 18


Hình 3.1: Hướng di chuyển ngang bàn chải chạy dọc của Robot ....................... 30
Hình 3.2: Hướng di chuyển ngang bàn chải chạy ngang ..................................... 31
Hình 3.3: Robot hai dây treo song song............................................................... 32
Hình 3.4: Di chuyển bằng bánh xe ...................................................................... 32
Hình 3.5: Di chuyển bằng 2 bánh đai .................................................................. 33
Hình 3.6: Robot di chuyển bằng bốn cơ cấu bánh đai ......................................... 34
Hình 3.7: Dây đai cho bánh xe ............................................................................ 35
Hình 3.8: Truyền động đai ................................................................................... 36
viii


Hình 3.9: Truyền động xích ................................................................................. 36
Hình 3.10: Truyền động bánh răng ...................................................................... 37
Hình 3.11: Sợi Polypropylen ............................................................................... 38
Hình 3.12: Sợi nylon ............................................................................................ 39
Hình 3.13: Sợi polyester ...................................................................................... 39
Hình 3.14: Chổi lau trên thị trường...................................................................... 39

Hình 4.1: Lực tác dụng lên Robot ........................................................................ 46
Hình 4.2: Cấu tạo về Robot SCR ......................................................................... 48
Hình 4.3: Bánh đai sử dụng trên SCR ................................................................. 48
Hình 4.4: Bánh đai sử dụng trên SCR ................................................................. 49
Hình 4.5: Băng đai khi kết nối với bánh đai trên mơ hình .................................. 49
Hình 4.6: Sơ đồ lực. α: Góc nghiêng của nền, lấy α = 200 .................................. 50
Hình 4.7: Hình ảnh động cơ ................................................................................. 52
Hình 4.8: Thơng số động cơ ................................................................................ 52
Hình 4.9: Kích thước của pulley .......................................................................... 54
Hình 4.10: Pulley sơ cấp ...................................................................................... 54
Hình 4.11: Pulley thứ cấp .................................................................................... 54
Hình 4.12: Hình ảnh đai ....................................................................................... 55

Hình 4.13: Trục của SCR sau 3D ........................................................................ 61
Hình 4.14: Trục của SCR ..................................................................................... 61
Hình 4.15: Ổ lăn có gối đỡ ngang ........................................................................ 61
Hình 4.16: Hình ảnh gạt nước của SCR .............................................................. 62
Hình 4.17: Hình ảnh gạt nước đã lắp đặt trên SCR ............................................. 62
Hình 4.18: Khung của SCR ................................................................................. 63
ix


Hình 4.19: Hình ảnh mơ phỏng các thiết bị bố trí trên SCR ............................... 64
Hình 4.20: Hình ảnh gia cơng khung ................................................................... 64
Hình 4.21: Hình ảnh khung sau khi hồn thành .................................................. 65
Hình 4.22: Sơ đồ lực của chổi con lăn ................................................................. 65
Hình 4.23: Động cơ giảm tốc ............................................................................... 67
Hình 4.24: Hình ảnh các vật liệu ......................................................................... 69
Hình 4.25: Hình ảnh gia cơng chổi ...................................................................... 70
Hình 4.26: Hình ảnh chổi lau khi hồn thiện ....................................................... 70
Hình 4.27: Hình ảnh 3d thiết kế trục chổi............................................................ 70
Hình 4.28: Hình ảnh trục kết nối với chổi lau ..................................................... 71
Hình 4.29: Hình ảnh trục chổi khi hoạt động trên xe .......................................... 71
Hình 4.30: Khớp lấy nước vào SCR .................................................................... 71
Hình 4.31: Hệ thống đường nước trên SCR ........................................................ 72
Hình 4.32: Động cơ bơm dung dịch .................................................................... 73
Hình 4.33: Tản nhiệt cho động cơ ....................................................................... 73

Hình 5.1: Mạch thu phát tính hiệu MTP34 .......................................................... 75
Hình 5.2: Sơ đồ điều khiển chung của SCR ........................................................ 76
Hình 5.3: Sơ đồ khối phát tính hiệu ..................................................................... 76
Hình 5.4: Hình ảnh khối phát tính hiệu ............................................................... 77
Hình 5.5: Sơ đồ khối thu tính hiệu ....................................................................... 78

Hình 5.6: Hình ảnh khối thu tính hiệu ................................................................. 78
Hình 5.7: Mạch điều khiển tốc độ dộng cơ DC sử dụng NE555 ......................... 79
Hình 5.8: Hình ảnh cảm biến phát hiện vật cản và module relay ........................ 80
Hình 5.9: Cảm biến khi đã lắp đặt trên SCR ....................................................... 80
x


Hình 5.10: Hình ảnh pin lithium soner ................................................................ 81
Hình 5.11: Hình ảnh pin soner lắp đặt trên SCR ................................................. 82
Hình 5.12: Bộ sạc có điện áp 14,6V-5A .............................................................. 82
Hình 5.13: Pin năng lượng mặt trời cho SCR ...................................................... 83
Hình 5.14: Mạch tăng áp MT3608....................................................................... 83
Hình 5.15: Sơ đồ mạch điện tổng thể .................................................................. 86
Hình 5.16: Tay cầm điều khiển ............................................................................ 86
Hình 5.17: Hồn thành SCR ................................................................................ 87

Hình 7.1: Bánh đai di chuyển trên SCR............................................................... 91
Hình 7.2: Chi tiết các bộ phận bên trong SCR..................................................... 92
Hình 7.3: Chổi lau trên SCR ................................................................................ 92
Hình 7.4: Cảm biến trên SCR .............................................................................. 93
Hình 7.5: Di chuyển SCR một cách dễ dàng ....................................................... 93
Hình 7.6: Đầu cấp nước vào cho SCR ................................................................. 93
Hình 7.7: SCR di chuyển qua đường đi ............................................................... 94
Hình 7.8: Tấm pin năng lượng mặt trời trên SCR ............................................... 94

xi


DANH MỤC BẢNG
Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật của WS-42GX775R - 12V .................................... 52

Bảng 4.2: Thơng số tính tốn ............................................................................... 53
Bảng 4.3: Bảng thông số đai ................................................................................ 60
Bảng 4.4: Thông số kỹ thuật của động cơ WS-42GX775R 12V ......................... 67
Bảng 4.5: Thông số đai T2,5 ................................................................................ 68

Bảng 5.1: Thông số của pin lithium soner ........................................................... 82

xii


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
SCR: Solar Panel Cleaning Robot.

xiii


Chế tạo Robot vệ sinh pin năng lượng mặt trời

GVHD: Th.S Phạm Văn Chiến

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
1.1 Đặt vấn đề
Trong thời điểm mà các ngành năng lượng khác đang dần cạn kiệt thì năng lượng mặt
trời là nguồn năng lượng ổn định. Vì vậy, hiện nay điện năng lượng mặt trời được ứng
dụng rất nhiều vào sản xuất, sử dụng gia đình thậm chí là kinh doanh. Hiện nay số lượng
pin năng lượng mặt trời được sử dụng rất nhiều.
Pin năng lượng mặt trời bao gồm nhiều tế bào quang điện là phần tử bán dẫn có chứ
hàm lượng lớn các cảm biến ánh sáng là điốt quang vì thế khi trên bề mặt pin bám bụi
bẩn thì sẽ ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất của pin nên chúng ta phải vệ sinh các tấm pin
thường xuyên bằng các các thông thường như dùng cây lau, tưới nước…những cách vệ

sinh này sẽ khơng đạt hiệu quả cao vì khơng thể thao tác ở những chổ nguy hiểm, khó
thao tác, khơng sạch hồn tồn bề mặt…Vì vậy Robot vệ sinh pin năng lượng mặt trời
sẽ giúp con người làm công việc vệ sinh pin dể dàng và sạch sẽ, tiết kiệm thời gian.
Việc chế tạo ra một Robot góp phần huấn luyện kỹ năng, củng cố các kiến thức về vi
điều khiển, kiến thức về động cơ DC củng như các kết cấu cơ khí trên Robot.
Xuất phát từ những cơ sở nêu trên, tác giả đã quyết định thực hiện đề tài “Chế tạo
Robot vệ sinh pin năng lượng mặt trời” . Việc chế tạo ra một Robot vệ sinh pin năng
lượng mặt trời góp phần huấn luyện kỹ năng, củng cố các kiến thức về vi điều khiển,
kiến thức về động cơ DC củng như các kết cấu cơ khí trên Robot.
1.2 Mục tiêu
Chế tạo một Robot có khả năng di chuyển cơ động trên bề mặt pin năng lượng trời
để làm vệ sinh bằng cách phun nước và dùng chổi lau để đánh bay bụi bẩn bám trên bề
mặt pin năng lượng mặt trời được điều khiển từ xa.
Robot cịn có thể được ứng dụng để lau sàn nhà, vệ sinh phịng ốc trong bệnh viện…
góp phần hạn chế sức lao động của con người.

1.3 Phương pháp nghiên cứu

SVTH: Phạm Văn Nghiêm
Phạm Minh Nhựt

1

CNKT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ


Chế tạo Robot vệ sinh pin năng lượng mặt trời

GVHD: Th.S Phạm Văn Chiến


Phân tích, tổng hợp: Phân tích chương trình mơn học, xác định các nội dung cần thực
tập, thực hành. Xác định các thiết bị cần có, các thiết bị dùng chung trong nhiều phần
khác nhau… để tạo ra một Robot tối ưu hiệu quả nhất.
Kiểm chứng thực tế: Robot sẽ được kiểm chứng tính đa năng, tiện dụng, an tồn trong
q trình thực hiện và điều chỉnh để đạt kết quả khả dụng nhất.
1.4 Nhiệm vụ và phạm vi của đề tài

1.4.1 Nhiệm vụ của đề tài.
• Với mục tiêu đưa ra đề tài sẽ có nhiệm vụ mục tiêu như sau:
Yêu cầu thiết kế Robot làm sạch tấm pin cho các hộ gia đình quy mơ lớn hoặc các
cơng ty, xí nghiệp được lắp các tấm pin có diện tích khoảng 300m2 trở lên, pin được lắp
trên các mái nhà có góc nghiêng 0 - 200. Các tấm pin xếp liền nhau hoặc cách nhau tối
thiểu 30 cm, các mái đặt tấm pin cao khoảng 30 - 50m. Các tấm pin bám bụi từ 3 tháng
đến 6 tháng. Thiết bị sẽ di chuyển trên một dãy các bảng và làm sạch bằng cách sử dụng
hai bàn chải trên Robot, bàn chải đặt vào thân Robot và được làm bằng sợi nhỏ để đảm
bảo rằng các tấm pin sẽ không bị trầy xước, hệ thống bàn chải xoay sẽ được gắn trên
một trục quay cũng được quay bằng động cơ truyền động chính, làm sạch có thể dùng
nước hoặc không. Hệ thống sẽ di chuyển bằng bánh xe được điều khiển bởi động cơ
điện. Thiết bị sẽ có thêm ống dẫn nước để phun. Robot phải di chuyển linh hoạt trên tấm
pin có kích thước khơng đồng đều và khơng bị rơi do góc nghiêng. Thiết bị sẽ được điều
khiển bằng tay cầm được cung cấp năng lượng bởi một pin bên trong cả Robot và tay
cầm. Robot được đặt tên là SCR (Solar Panel Cleaning Robot). Bao gồm các cơng việc.
1. Thiết kế cơ khí cho SCR.
•

Thiết kế các cơ cấu khung cho SCR.

•

Phân tích chọn cơ cấu cơ khí cho linh kiện SCR như bánh xe, đai, con lăn.


•

Tính tốn phân tích lực và vận tốc của xe và con lăn.

•

Tính tốn lựa chọn ổ bi trục.

•

Thiết kế và đưa ra mơ hình 3D.

SVTH: Phạm Văn Nghiêm
Phạm Minh Nhựt

2

CNKT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ


Chế tạo Robot vệ sinh pin năng lượng mặt trời

GVHD: Th.S Phạm Văn Chiến

2. Thiết kế hệ thống điều khiển.
•

Tính tốn lựa chọn thiết bị điều khiển.


•

Bố trí và kế nối các thiết bị điện hợp lý.

•

Xây dựng giải thuật điều khiển.

1.4.2 Giới hạn phạm vi của đề tài
SCR hoạt động với 1 số điều kiện nhất định như sau:
•

Vận tốc di chuyển tối đa 0,5 m/s.

•

Cơng suất vệ sinh 800 - 900 m2/ giờ.

•

Góc nghiêng tối đa 200.

1.5 Nội dung đề tài
Đề tài được cấu trúc thành 7 chương như sau:
Chương 1: Mở đầu
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 3 : Phân tích phương án thiết kế SCR
Chương 4: Tính tốn thiết kế và thi cơng phần cơ khí
Chương 5: Thiết kế và thi hệ thống điều khiển
Chương 6: Bảo trì an tồn

Chương 7: Kết luận
Những kết quả đạt được khi thực hiện đề tài và hướng phát triển đề tài.

SVTH: Phạm Văn Nghiêm
Phạm Minh Nhựt

3

CNKT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ


Chế tạo Robot vệ sinh pin năng lượng mặt trời

GVHD: Th.S Phạm Văn Chiến

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Tổng quan về pin năng lượng mặt trời
2.1.1 Giới thiệu chung về pin năng lượng mặt trời
a) Cấu tạo
Pin năng lượng mặt trời hay pin mặt trời hay pin quang điện như hình 2.1 (Solar panel)
bao gồm nhiều tế bào quang điện (solar cells) - là phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt
một số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là diode quang, thực hiện biến đổi năng lượng
ánh sáng thành năng lượng điện. Cường độ dòng điện, hiệu điện thế hoặc điện trở sẽ
thay đổi phụ thuộc bởi lượng ánh sáng chiếu lên chúng. Tế bào quang điện được ghép
lại thành khối để trở thành pin mặt trời (từ 60 hoặc 72 tế bào quang điện trên một tấm
pin mặt trời). Tế bào quang điện có khả năng hoạt động dưới ánh sáng mặt trời hoặc ánh
sáng nhân tạo. Chúng có thể được dùng như cảm biến ánh sáng (ví dụ cảm biến hồng
ngoại), hoặc các phát xạ điện từ gần ngưỡng ánh sáng nhìn thấy hoặc đo cường độ ánh
sáng. Để bảo vệ cho tấm pin không bị các ngoại lực tác động lên bề mặt, pin được gắn
tấm kính cường lực, kính cường lực là loại kính được tơi nhiệt độ rất cao khoảng 700oC

và làm nguội nhanh bằng khí mát, chính vì điều đó tạo ra sức căng bề mặt của kính làm
tăng khả năng chịu bền, chịu tải trọng lớn và chịu nhiệt cao.

Hình 2.1: Pin năng lượng mặt trời

SVTH: Phạm Văn Nghiêm
Phạm Minh Nhựt

4

CNKT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ


Chế tạo Robot vệ sinh pin năng lượng mặt trời

GVHD: Th.S Phạm Văn Chiến

Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời:
Chúng thường được lắp đặt ở những nơi hấp thu được nhiều ánh sáng mặt trời nhất
như trên mái của các tịa nhà hay các cơng trình.
Ánh sáng năng lượng mặt trời gồm các hạt rất nhỏ gọi là photon được tỏa ra từ mặt
trời. Nó va chạm với các nguyên tử Silicon của tấm pin, lúc này 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. Sự mất cân bằng này cũng có thể được tạo ra bởi tổ chức bên trong của
silicon như hình 2.2.
Các nguyên tử silicon được sắp xếp cùng nhau trong một cấu trúc liên kết chặt chẽ. Bằng
cách ép một lượng nhỏ các nguyên tố khác vào cấu trúc này, nó sẽ tạo ra 2 loại silicon
là: Loại n (bán dẫn âm – Negative) và loại p (bán dẫn dương – Positive). Chất bán dẫn
loại n có tạp chất là các nguyên tố thuộc nhóm V, các nguyên tử này dùng 4 electron tạo

liên kết và một electron lớp ngoài liên kết lỏng lẻo với nhân, đấy chính là các electron
dẫn chính. Chất bán dẫn loại p có tạp chất là các nguyên tố thuộc nhóm III, dẫn điện chủ
yếu bằng các lỗ trống.

Hình 2.2: Cấu tạo của tấm pin mặt trời

Khi hai loại bán dẫn n và p này đặt cạnh nhau trong cùng một tấm pin mặt trời,
electron dẫn chính của loại n sẽ chuyển qua 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 nên
một điện trường trên tấm pin.
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

SVTH: Phạm Văn Nghiêm
Phạm Minh Nhựt

5

CNKT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ


Chế tạo Robot vệ sinh pin năng lượng mặt trời

GVHD: Th.S Phạm Văn Chiến

nguyên tử silicon, photon trong ánh sáng mặt trời đưa các electron này vào một trật tự
nhất định, từ đó cung cấp dịng điện cho máy tính, vệ tinh và tất cả các thiết bị ở giữa.
b) Phân loại pin năng lượng mặt trời
• Đơn tinh thể: Module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski. Đơn tinh thể loại
này có hiệu suất lên tới 16%. Chúng thường có giá thành cao 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: Được làm từ các thỏi đúc- đúc từ silic nung chảy cẩn thận sau đó
được làm nguội và làm rắn. Các loại pin này có giá rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên
hiệu suất kém hơn.
• Dải silic: Tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh
thể: Loại này thường có hiệu suất thấp nhất và có giá rẻ nhất trong các loại vì không cần
phải cắt từ thỏi silicon.
2.1.2 Mức độ phát triển của pin năng lượng mặt trời
a) Đối với các nước trên thế giới
Sự quan tâm ngày càng tăng đối với năng lượng tái tạo đã khiến ngành công nghiệp
quang điện mặt trời mở rộng đáng chú ý trong thập kỷ qua. Nhiều nước trên thế giới đã
đầu tư và phát triển pin mặt trời một cách nhanh chóng để tăng nguồn điện tiêu thụ. Đến
năm 2020, tổng công suất pin mặt trời tồn cầu đạt đến 177 MW.
b) Tình hình trong nước
Hiện trạng phát triển điện mặt trời nối lưới ở Việt Nam, theo số liệu cập nhật mới nhất
đến 08/2017 cho biết, tổng công suất lắp đặt điện mặt trời chỉ khoảng 28MW, chủ yếu
là quy mô nhỏ cấp điện tại chỗ (vùng ngoài lưới cho các hộ gia đình và một số dự án
trình diễn nối lưới điện hạ áp – lặp đặt trên các tịa nhà, cơng sở). Dự án điện mặt trời
được nối lưới đầu tiên là nhà máy quang năng An Hội (Côn Đảo, Bà Rịa - Vũng Tàu).
Dự án được triển khai từ giữa tháng 3/2014 và hoàn thành việc xây dựng lắp đặt và đấu
nối vào lưới điện của Điện lực Côn Đảo vào đầu tháng 12/2014 với công suất 36 kWp,
điện lượng hơn 50 MWh.

SVTH: Phạm Văn Nghiêm
Phạm Minh Nhựt

6

CNKT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ



Chế tạo Robot vệ sinh pin năng lượng mặt trời

GVHD: Th.S Phạm Văn Chiến

Năm 2016 cả nước có khoảng 30 nhà đầu tư bắt đầu xúc tiến lập các dự án điện mặt
trời có cơng suất từ 20 đến trên 300 MW tại một số địa phương, tập trung chủ yếu ở khu
vực miền Trung. Trong đó đáng chú ý là 2 dự án của Công ty Đầu tư và Xây dựng Thiên
Tân (tại tỉnh Quảng Ngãi và Ninh Thuận) và dự án Tuy Phong do Công ty TNHH
DooSung Vina (Hàn Quốc) đầu tư với quy mô 66 triệu USD, cơng suất 30 MW tại tỉnh
Bình Thuận. Tập đồn Điện lực Việt Nam cũng đang dự định triển khai nghiên cứu phát
triển 2 dự án trên đất liền tại thủy điện Trị An (tỉnh Đồng Nai) và dự án nổi trên mặt nước
tại hồ thủy điện Đa Mi (tỉnh Bình Thuận). Ngoài ra EVN cũng vừa đề xuất với tỉnh Ninh
Thuận về việc đầu tư dự án điện mặt trời với tổng vốn đầu tư khoảng 8.000 tỷ đồng,
công suất 200 MW trên diện tích 400 ha tại xã Phước Thái, huyện Ninh Phước, tỉnh Ninh
Thuận. Dự án này đã được tiến hành khởi cơng trong năm 2018. Tính tới hết tháng
4/2018, Bộ Công Thương đã phê duyệt hơn 70 dự án với tổng công suất trên 3.000 MW,
các dự án dự kiến đưa vào vận hành vào tháng 6/2019.
2.2 Vấn đề tổn thất và làm sạch tấm pin
2.2.1 Nguyên nhân
Bảng điều khiển năng lượng mặt trời bao gồm một lớp phủ thủy tinh hoặc lớp kính
chịu lực để bảo vệ pin mặt trời. Do môi trường ngày càng khắc nghiệt, biến đổi khí hậu,
mức ơ nhiễm về bụi bẩn cao, do đó lượng bụi tích tụ trên các bề mặt ngày càng nhiều.
Vì những tấm pin được đặt trong môi trường mở nên càng bẩn hơn. Kết quả là những
lớp bụi bẩn bám dày lên trên mặt kính làm giảm độ sáng truyền qua của nó và do đó làm
giảm sản lượng điện của toàn bộ hệ thống. Tốc độ giảm sức mạnh theo thời gian là
không thể dự đốn được vì nó phụ thuộc vào các yếu tố môi trường khác nhau như loại
đất, hoạt động nông nghiệp, lượng mưa, gió, phân chim, rác lá cây, phấn hoa... Yếu tố
chính của bụi bẩn ảnh hưởng đến hiệu quả của các tấm pin mặt trời là một trong những
thách thức lớn nhất. Vì vậy việc làm sạch càng trở nên quan trọng cho tấm pin. Một số

hình ảnh cho ta thấy bụi bám trên bề mặt tấm pin. Hình 2.3a thể hiện mức độ bẩm do
phân chim gây ra, hình 2.3b thể hiện các lớp bụi lâu ngày bám trên bề mặt do không
được vệ sinh thường xuyên.

SVTH: Phạm Văn Nghiêm
Phạm Minh Nhựt

7

CNKT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ


Chế tạo Robot vệ sinh pin năng lượng mặt trời

a) Bề mặt bẩn do phân chim

GVHD: Th.S Phạm Văn Chiến

b) Bề mặt bẩn do bụi bám

Hình 2.3: Các tấm pin bẩn trên bề mặt

2.2.2 Mức độ tổn thất
Thứ tự phổ biến về mức độ tổn thất do làm dơ có thể được ước tính từ 3 - 8% nhưng
có thể lên tới 30 - 40% ở vùng khí hậu khơ và cát. Nếu thiệt hại nhẹ thì làm cho năng
lượng điện hấp thụ giảm gây nên tổn thất về kinh tế cho việc kinh doanh điện, nặng thì
dẫn đến các lớp bụi được bám cứng như phân chim để lâu ngày, lên rêu, rất khó để làm
sạch. Vì vậy yếu tố làm sạch là một phần quan trọng trong việc giảm hấp thụ của pin.
Chúng ta thấy lượng mưa đóng một vai trò đáng kể trong khả năng làm sạch, nhưng phải
nói rằng lượng mưa thường khơng đủ, vì một số loại đất và phân chim bám trên tấm pin,

Lượng mưa nhiều thì khơng có ánh sáng mặt trời cho pin hấp thụ đó là một bất lợi lớn.
2.2.3 Giải pháp làm sạch
Làm sạch là một trong những hoạt động cần thiết trong cuộc sống hàng ngày của con
người nói chung và làm sạch các tấm pin nói riêng, làm sạch để làm cho các thiết bị hoạt
động tốt hơn và vẻ bề ngoài trở nên gần như mới. Tuy nhiên việc vệ sinh các tấm pin
mặt trời không phải lúc nào cũng đơn giản. Do có các tấm pin được đặt ở những nơi cao
và khó tiếp cận, nên có thể khó làm sạch chúng bằng tay và cần có thời gian để làm điều
đó một cách an tồn. Thứ hai, làm sạch bảng chỉ một lần một năm có thể khơng có tác
động đáng kể đến năng suất năng lượng hàng năm vì lý do đơn giản là bụi bẩn tích tụ lại
trong một khoảng thời gian ngắn làm cho sự khác biệt không đáng kể. Tuy nhiên, việc
để các tấm khơng được làm sạch cũng có thể khơng tốt vì việc làm bẩn có thể dẫn đến

SVTH: Phạm Văn Nghiêm
Phạm Minh Nhựt

8

CNKT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ


Chế tạo Robot vệ sinh pin năng lượng mặt trời

GVHD: Th.S Phạm Văn Chiến

hư hỏng vĩnh viễn của kính làm hạn chế tuổi thọ của việc lắp đặt. Cho nên máy móc,
Robot đã được phát minh để hỗ trợ chúng ta trong việc làm sạch cần thiết này. Sử dụng
Robot làm sạch là xu hướng tương lai nhất đang được nhìn thấy trong những năm gần
đây. Robot lau chùi là một thiết bị tự động có thể di chuyển xung quanh và làm sạch bề
mặt bằng các kỹ thuật khác nhau như lau, hút bụi hoặc đơn giản là chà rửa bề mặt bằng
bàn chải xoay. Hệ thống làm sạch bảng năng lượng mặt trời được đề xuất thuộc danh

mục làm sạch, với quy mô lớn dành cho ứng dụng làm sạch công nghiệp trong các nhà
máy điện mặt trời quy mơ lớn. Ngồi ra các hộ gia đình hay trang trại có hệ thống pin
mặt trời có quy mơ vừa và nhỏ cũng được cần làm sạch. Các công nghệ và phương pháp
làm sạch đang phát triển một cách nhanh chóng và dần đang đi vào ứng dụng thực tiễn
với con người.
Vì vậy mục đích của đề tài nghiên cứu này là phát triển Robot làm sạch để phục vụ
làm sạch bảng năng lượng mặt trời, quá trình Robot làm sạch này có thể trở nên chính
xác và nhanh chóng hơn, do đó làm tăng sản lượng điện của nhà máy cũng như các hộ
dân sử dụng pin mặt trời.
2.3 Các phương pháp làm sạch được thực hiện.
2.3.1 Phương pháp cơ học
Có nhiều loại phương pháp cơ học khác nhau được sử dụng để làm sạch bảng năng
lượng mặt trời. Một vài trong số đó là rung cơ học, làm sạch siêu âm, phun nước, cọ rửa
và lau chùi. Khi lau chùi được sử dụng để làm sạch, chủ yếu được thực hiện với sự trợ
giúp của bàn chải hoặc máy chà sàn. Dùng xơ chứa hố chất hồ với nước theo tỷ lệ nhất
định sau đó lấy các dụng cụ làm sạch nhúng vào xô và đưa lên chà để làm sạch tấm pin,
phương pháp này con người trực tiếp làm. Nhưng phương pháp làm sạch này không hiệu
quả vì tính chất dính và kích thước nhỏ của hạt bụi. Người ta cũng thấy rằng điều kiện
làm việc khó khăn và khắc nghiệt của nhà máy điện mặt trời với nhiều bảng pin làm cho
việc bảo trì các máy này trở nên khó khăn, cần số lượng người làm nhiều.

SVTH: Phạm Văn Nghiêm
Phạm Minh Nhựt

9

CNKT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ


Chế tạo Robot vệ sinh pin năng lượng mặt trời


GVHD: Th.S Phạm Văn Chiến

Hình 2.4: Làm sạch bằng con người

Ngồi ra, không thể sử dụng cho trang trại lớn, nhà máy điện mặt trời có mặt trên một
diện tích rất lớn khiến phương pháp làm sạch này trở nên đắt đỏ và khơng hiệu quả.
• Hệ thống phun nước:
Thường được sử dụng ở những khu vực khô ráo để giữ cho các tấm sạch sẽ. Nó có
tác dụng làm sạch tương tự như những cơn mưa và làm sạch các tấm với chi phí khá
thấp. Là phần lớn các hệ thống, bao gồm một hệ thống lọc nước và hệ thống pha chế xà
phòng. Chất lượng nước nên được kiểm tra và nên xử lý, do không đảm bảo cho các vị
trí có nước chưa được xử lý tốt. Mặt khác nước sạch càng làm giảm độ bám bụi trong
nước bám trên bề mặt như hình.

Hình 2.5: Hệ thống làm sạch bằng nước

Mặc dù đây là một hệ thống làm việc tương đối tốt, phù hợp với những nơi cát khơ,
các hộ gia đình có tấm pin đặt trên mái. Tuy nhiên hệ thống này có một số nhược điểm.
Trước hết, nó sử dụng rất nhiều nước vì nó làm sạch các tấm nhiều lần trong ngày tùy
theo lịch trình. Điều này là cần thiết bởi vì, khi các tấm trở nên bẩn hơn, nó trở nên phức
tạp hơn đối với các vòi phun nước để loại bỏ tất cả bụi bẩn. Thứ hai, cả bộ lọc và mức

SVTH: Phạm Văn Nghiêm
Phạm Minh Nhựt

10

CNKT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ



Chế tạo Robot vệ sinh pin năng lượng mặt trời

GVHD: Th.S Phạm Văn Chiến

độ xà phòng nên được theo dõi và chăm sóc, và điều này dẫn đến việc tốn rất nhiều thời
gian và tiền bạc.
2.3.2 Dùng thiết bị máy móc để làm sạch
Ưu điểm của hệ thống này là hiệu quả của phương pháp được sử dụng, nhờ vào con
lăn, cải thiện đáng kể hệ thống. Nó cũng làm giảm số lượng nhân viên cần thiết để sử
dụng hệ thống. Bạn có thể tối ưu hóa và giảm việc sử dụng nước mặc dù nó là khơng
hồn tồn. Những nhược điểm trái ngược với các hệ thống trước đây, nó là một hệ thống
thơ hơn nhiều và do đó cần nhiều không gian hơn để làm việc. Kinh nghiệm và đào tạo
là một trong những tính năng chính của việc điều hành thiết bị. Việc sử dụng con lăn
giúp cải thiện hiệu quả làm sạch, nhưng việc sử dụng sai cách này có thể ảnh hưởng
nghiêm trọng đến các tấm kính của pin. Dễ làm hỏng hóc các thiết bị.

Hình 2.6: Dùng thiết bị máy móc

Ngồi ra cịn có các q trình thổi khơng khí trên bề mặt của tấm pin mặt trời là một
phương pháp hiệu quả nhưng nó có một số tính năng tiêu cực như hiệu quả thấp, sử dụng
năng lượng lớn và khó bảo trì bố trí quạt gió.
2.3.3 Loại bỏ bụi bằng phương pháp tĩnh điện
Các công nghệ để loại bỏ bụi bằng phương pháp tĩnh điện chủ yếu dựa trên khái niệm
màn điện điện tử của F.B. Tatom và NASA vào năm 1967 và được phát triển thêm bởi
Masuda tại Đại học Tokyo vào những năm 1970 . Trong kỹ thuật này, các lực điện cơ
và dielectro-phoretic được sử dụng để nâng cao và vận chuyển các hạt tích điện và khơng
tích điện. Trong thời gian gần đây, rất nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để áp dụng
phương pháp này trong ứng dụng không gian, đặc biệt là trong các máy động lực đang
được gửi lên mặt trăng và sao hỏa. Khi các điện cực được kết nối với điện áp xoay chiều


SVTH: Phạm Văn Nghiêm
Phạm Minh Nhựt

11

CNKT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ