Thiết kế, chế tạo mạch tự độngchiếu sáng, ứng dụng nguồn mặt trời

Pin năng lượng mặt trời hay pin quang điện, tế bào quang điện, là thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các diod p-n, duới sự hiện diện của ánh sáng mặt trời có khả năng tạo ra dòng điện sử dụ

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH.

Hình 1.1: Cấu tạo pin đầu tiên.……… ……….… ….9

Hình 1.2: Cấu tạo của pin hiện tại ……… ……… ….10

Hình 1.3: Cấu tạo ắc quy axit ……… ……… ….… 11

Hình 1.4: Ắc quy kiềm ……… ……… …….12

Hình 1.5: Một cell pin mặt trời ……… ……… ….….13

Hình 1.6: Cấu tạo pin mặt trời ……… ……….………14

Hình 1.7: Các loại cấu trúc tinh thể pin mặt trời… ……….… …………15

Hình 1.8: Một số loại panel pin mặt trời ……… ……….………17

Hình 1.9: Pin mặt trời cảm biến màu ……… ……….….17

Hình 1.10: Sơ đồ hoạt động pin mặt trời DSC ……… ………18

Hình 1.11: Pin mặt trời lá nhân tạo ……… ……….20

Hình 1.12: Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời……….… 21

Hình 1.13 : Nhà máy năng lượng mặt trời……….26

Hình 1.14: Sơ đồ khối hệ thống pin năng lượng mặt trời ….…… …… 27

Hình 2.1 : mô hình chiếu sáng dùng pin mặt trời………29

Hình 2.2: Thiết bị đo cường độ sáng ……… ………30

Hình 2.3: Bảng thông số cường độ ánh sáng ……… ……….… 31

Hình 2.4: Quan hệ của cường độ ánh sáng với thời gian ứng với (bảng 2.1)…41 Hình 2.5: Quan hệ của cường độ ánh sáng với thời gian ứng với (bảng 2.2)…42 Hình 2.6: Quan hệ của cường độ ánh sáng với thời gian ứng với (bảng 2.3) 43

Hình 2.7: Quan hệ giữa cường độ ánh sáng với điện áp ra ứng với (bảng2.4) 44

Hình 2.8: Quan hệ giữa cường độ ánh sáng với điện áp ra ứng với (bảng 2.5) 45

Hình 2.9: Quan hệ giữa cường độ ánh sáng với điện áp ra ứng với (bảng 2.6) 46

Hình 2.10: Quan hệ giữa cường độ ánh sáng với điện áp ra ứng với (bảng 2.7)47 Hình 3.11: Quan hệ giữa cường độ ánh sáng với dòng ra ứng với (bảng 2.8) 48

Hình 2.12: Quan hệ giữa cường độ ánh sáng với dòng ra ứng với (bảng 2.9)…49 Hình 3.1: Mối tiếp xúc P - N => Cấu tạo của Diode ……….… ….….…51

Hình 3.2: Ký hiệu và hình dáng của Diode bán dẫn……….……… …….51

Hình 3.3: Diode cầu trong mạch chỉnh lưu điện xoay chiều……… ….52

Hình 3.4: ký hiệu của Diode Zener……….…52

Hình 3.5: Hình dạng của Diode zener……….…….… 53

Hình 3.6: Cấu tạo của transistor ……… …….…….… …….… ….54

Hình 3.7 Hình dạng thực tế của một số transistor……….….….….… …54

Hình 3.8: Hình ảnh quang trở.……… ……….….…… …55

Hình 3.9: Flash mô hình quang trở cho dòng điện đi qua……… … …55

Hình 3.10: Cấu tạo bên trong và hình dạng của LM358……….…56

Hình 3.11: Sơ đồ chân IC7805………57

Hình 3.12: Sơ đồ kết nối IC7805.……… ……….……… … …57

Hình 3.13: Hình dạng thực relay ……… ……….………… 58

Hình 3.14: Sơ đồ nguyên lý mạch nạp ắc quy tự động……… ….59

Hình 3.15: Sơ đồ mạch in mạch nạp ắc quy tự động ……… 60

Hình 3.16: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển chiếu sáng …….… 61

Hình 3.17: Sơ đồ mạch board ……… ……….62

Hình 3.18: Hình dạng sản phẩm hoàn thiện ……… ………63

DANH MỤC BẢNGBảng 2.1: Sự phân bố của cường độ ánh sáng vào thời gian vào ngày mưa 35Bảng 2.2: Sự phân bố của cường độ ánh sáng với thời gian ngày nhiều mây 36Bảng 2.3: Sự phân bố của cường độ ánh sáng với thời gian ngày nắng to 37Bảng 2.4: Quan hệ giữa cường độ ánh sáng với điện áp ra ứng với (bảng 2.1).37Bảng 2.5: Quan hệ giữa cương độ ánh sáng với điện áp ra ứng với (bảng 2.2).38Bảng 2.6: Quan hệ giữa cường độ ánh sáng với điện áp ra ứng với (bảng 2.3).38Bảng 2.7: Quan hệ giứa cường độ ánh sáng với dòng ra ứng với (bảng 2.1) 39Bảng 2.8: Quan hệ giữa cường độ ánh sáng với dòng ra ứng với (bảng 2.2) 30Bảng 2.9: Quan hệ giữa cường độ ánh sáng với dòng ra ứng với (bảng 2.3) 30

LỜI NÓI ĐẦU

Việc nghiên cứu sử dụng năng lượng mặt trời ngày càng được quan tâm, nhất

là trong tình trạng thiếu hụt năng lượng và vấn đề cấp bách về môi trường hiệnnay Năng lượng mặt trời được xem như là dạng năng lượng ưu việt trong tươnglai, đó là nguồn năng lượng sẵn có, siêu sạch, miễn phí và vô hạn

Trên thế giới đã có rất nhiều nước sử dụng nguồn năng lượng mặt trời để tạo

ra điện năng Hai nước đi đầu trong việc sử dụng năng lượng mặt trời để tạo rađiện năng là Anh và Đức Đây là một số công trình lớn

Việt Nam là một trong những nước có nguồn năng lượng mặt trời rất dồi dào,với số giờ nắng trung bình 2200 giờ/năm và cường độ bức xạ cao nhất có thểđến 980W/m2 Do vậy chúng ta cần phải tập trung nghiên cứu, khai thác, sửdụng nguồn năng lượng này một cách hiệu quả để phục vụ cho sự phát triển củakinh tế và khoa học kỹ thuật Tuy nhiên hiện tại giá thành của hệ thống pin nănglượng mặt trời còn khá cao, nhưng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật vàkinh tế xã hội thì trong tương lai không xa giá thành của nó sẽ giảm và ngàycàng được ứng dụng nhiều hơn trong cuộc sống

Qua quá trình tìm hiểu về hệ thống pin năng lượng mặt trời, em nhận thấy

hệ thống thường bao gồm các thành phần chính sau: các tấm pin mặt trời, bộchuyển đổi DC-DC, bộ điều khiển nạp và ắc quy, bộ chuyển đổi DC-AC Và

trong khuôn khổ đề tài, em sẽ đi sâu vào “Thiết kế, chế tạo mạch tự độngchiếu

sáng, ứng dụng nguồn mặt trời” Đây là một đề tài mới nó góp phần làm tối ưu

quá trình chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng trong hệ thống pin

mặt trời

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.

- Nghiên cứu về pin mặt trời và các ứng dụng của pin mặt trời

- Tìm hiểu về một số linh kiện liên quan trong mạch

- Tiến hành thực nghiệm trên mô hình lý thuyết và mô hình thực tế

3 Phạm vi ứng dụng

-Sản phảm có thể ứng dụng rộng để thu năng lượng mặt trời chuyển thành nănglượng điện năng mà chúng ta sử dụng

- Có thể bật tắt đèn tự động và cảnh báo khi có người vào nhà

4 Phương pháp nghiên cứu.

- Tham khảo và tổng hợp tài liệu

- Nghiên cứu các loại pin mặt trời, các loại IC

- Nghiên cứu các thiết bị mạch nạp thực tế

- Khảo sát tấm pin mặt trời sử dụng trong đồ án

- Lắp ráp mạch trên test board

- Thiết kế, chế tạo mạch in

- Hàn linh kiện và hiệu chỉnh thông số cho mạch điện

- Đóng gói sản phẩm

5 Ý nghĩa đề tài.

- Bản thuyết minh đề tài “ Thiết kế, chế tạo mạch tự độngchiếu sáng, ứng

dụng nguồn mặt trời” có thể làm tài liệu tham khảo cho các sinh viên khóa sau

hoặc những người quan tâm đến pin mặt trời Sản phẩm có tính ứng dụng caotrong thực tế

- Trong quá trình thực hiện đề tài, do vấn đề thời gian và kinh nghiệm nên đồ áncòn có chỗ thiếu sót Em mong nhận được ý kiến đóng góp của quý thầy cô vàcác bạn để đồ án được hoàn thiện hơn

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ HIỆN TRẠNG SỬ DỤNG Ở

VIỆT NAM

1.1 Các loại pin.

Pin đã xuất hiện trong lịch sử nhân loại từ rất sớm

Hình 1.1: Cấu tạo pin đầu tiên.

Năm 1938, nhà khảo cổ học Wilhelm Konig đã phát hiện ra một vài chậu đấtsét nung trông khá kì lạ khi ông đang khai quật ở Khujut Rabu, ngoại ô BaghdadIrag ngày nay Những chiếc bình dài khoảng 5 inch (12.7 cm) có chứa một quesắt bao phủ bên ngoài bằng đồng có niên đại từ những năm 200 trước côngnguyên

Vào năm 1799 nhà vật lý người Ý Alessandro Volta đã tạo ra viên pin đầutiên bằng cách xếp chồng các lớp kẽm, lớp bìa giấy hoặc vải đã thấm nước muối

và bạc với nhau Tuy không phải thiết bị đầu tiên có thể tạo ra dòng điện nhưnglại là thứ đầu tiên có thể tạo ra dòng điện lâu dài và ổn định Tuy nhiên phátminh này của Volta tồn tại một số hạn chế Chiều cao của các lớp được xếp lênnhau bị hạn chế bởi khối lượng của chồng đĩa kim loại sẽ ép nước muối chảy rakhỏi bìa giấy hoặc vải thấm Các đĩa kim loại cũng có xu hướng bị ăn mònnhanh làm rút ngắn tuổi thọ của pin Trong hệ đơn vị đo lường quốc tế SI ngày

nay lực chuyển động của các electron hay điện áp biểu thị bằng đơn vị volt đểvinh danh Volta vì cống hiến của ông.

Đột phá tiếp theo trong công nghệ làm pin xuất hiện vào năm 1836 khi nhàhóa học John Frederick Daniell phát minh ra pin Daniell Trong những mẫu pinloại này đầu tiên, một tấm đồng được đặt ở dưới đáy của một bình thủy tinh vàđồng sulfate được đổ đầy đến nửa bình Sau đó, một tấm kẽm được treo trongbình, và thêm vào dung dịch kẽm sulfat

Cấu tạo của pin hiện tại

Hình1.2: Cấu tạo của pin hiện tại.

Pin hiện đại sử dụng nhiều loại hóa chất để thúc đẩy phản ứng điện hóa tạo radòng điện Các pin hóa học thường gặp là:

- Pin kẽm - carbon: pin sử dụng điện cực kẽm, carbon khá phổ biến đối với cácloại pin rẻ tiền AAA, AA, C và pin khô D Anode là kẽm còn cathode là mangandioxide, và chất điện phân là amoni clorua hoặc kẽm clorua

- Pin Alkaline (pin kiềm): pin hóa học này cũng phổ biến trong các loại pin AA,

C và pin khô D Cathode tạo thành từ hỗn hợp mangan dioxide, trong khi anode

là một loại bột kẽm Pin được đặt tên theo chất điện phân bên trong là kalihydroxit, là một chất kiềm (alkaline)

- Lithium-ion pin (có thể sạc lại): pin thường được sử dụng trong các thiết bịhiệu suất cao, chẳng hạn như điện thoại di động, máy ảnh kỹ thuật số và xe điện.Nhiều chất được sử dụng trong pin lithium, nhưng một sự kết hợp phổ biến làLithium Cobalt oxide để làm cathode và cacbon làm anode

- Pin chì - axit (có thể sạc): Đây là loại pin được sử dụng phổ biến trong các xehơi hay còn gọi là ắc quy Các điện cực thường được làm bằng chì dioxide vàchì kim loại, trong khi chất điện phân là dung dịch axit sulfuric

1.2 Các loại ắc quy.

Có hai loại chính là ắc quy axit và ắc quy kiềm

1.2.1 Ắc quy axit.

Cấu tạo ắc quy axit

Hình 1.3: Cấu tạo ắc quy axit.

Các đặc điểm cơ bản của ắc quy axit

- Khả năng quá tải không cao, dòng nạp lớn nhất đạt được khi quá tải là: Inmax

= 20%C10

- Hiện tượng phóng lớn, do đó ắc quy nhanh hết điện ngay cả khi không dụng.

- Sử dụng rộng rãi trong đời sống, công nghiệp đặc biệt ở những nơi có nhiệt độcao, va đập lớn nhưng công suất và quá tải vừa phải

- Dùng trong ôtô, xe máy và các động cơ máy nổ công suất vừa và nhỏ

- Không có bán thông dụng trên thị trường

- Dùng phổ biến trong công nghiệp hàng không, hàng hải và những nơi nhiệt độmôi trường thấp

1.3 Các loại pin mặt trời.

Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện), là thiết

bị bán dẫn chứa lượng lớn các diod p-n, duới sự hiện diện của ánh sáng mặt trời

có khả năng tạo ra dòng điện sử dụng được Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng

quang điện Các pin năng lượng mặt trời có nhiều ứng dụng Chúng đặc biệtthích hợp cho các vùng mà điện năng trong mạng lưới chưa vươn tới, các vệ tinhquay xung quanh quỹ đạo trái đất, máy tính cầm tay, các máy từ xa, thiết bị bơmnước Pin năng lượng mặt trời (tạo thành các module hay các tấm năng lượngmặt trời) xuất hiện trên nóc các tòa nhà nơi chúng có thể kết nối với bộ chuyểnđổi của mạng lưới điện để chuyển hóa năng lượng mặt trời mà tấm pin thu đượcthành năng lượng điện Để sử dụng các thiết bị điện trong nhà

Hình 1.5: Một cell pin mặt trời.

Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý PhápAlexandre Edmond Becquerel Tuy nhiên cho đến 1883 một pin năng lượng mớiđược chế tạo thành công, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selenmột 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, đượcphóng 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, Anh, Tây Ban Nha…

1.3.1 Cấu tạo chung của pin mặt trời.

Cấu tạo của pin mặt trời silic là một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biếnđổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quangđiện bên trong

Một lớp bán dẫn p-n có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ nănglượng mặt trời nhờ hiệu ứng quang điện bên trong gọi là pin mặt trời Pin mặttrời được sản xuất và ứng dụng chủ yếu hiện nay là các pin mặt trời được chếtạo từ vật liệu tinh thể bán dẫn silicon (Si) có hóa trị 4 Tinh thể Si tinh khiết, để

có vật liệu tinh thể bán dẫn Si loại n, người ta hòa tạp chất donor photpho có hóatrị 5 Còn vật liệu tinh thể bán dẫn loại p thì tạp chất acceptor được dùng để phavào Si là Bo có hóa trị 3 Đối với pin mặt trời từ tinh thể Si, khi bức xạ mặt trờichiếu đến thì hiệu điện thế hở mạch giữa 2 cực khoảng 0.55V và dòng ngắnmạch của nó khi bức xạ mặt trời có cường độ 1000W/ m² vào khoảng 25-30mA/cm²

Hình 1.6: Cấu tạo pin mặt trời.

1.3.2 Các loại pin mặt trời hiện nay.

Cho tới hiện tại thì vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời (và cho các thiết bị bándẫn) 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 rấtmắc 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 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 kémhơn, từ 8%÷11% Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bềmặt nhiều hơn đơn tinh thể để có thể bù lại cho hiệu suất thấp hơn của nó

- Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinhthể Loại này có hiệu suất thấp nhất từ 3%÷6%, tuy nhiên loại này rẻ nhất trongcác loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon

- Silic thuộc nhóm IV, tức là có 4 electron lớp ngoài cùng Silic có thể kết hợpvới silicon khác để tạo nên chất rắn Cơ bản có 2 loại chất rắn silicon, đa thùhình (không có trật tự sắp xếp) và tinh thể (các nguyên tử sắp xếp theo thứ tựdãy không gian 3 chiều) Pin năng lượng mặt trời phổ biến nhất dùng đa tinh thểsilicon

Hình 1.7: Các loại cấu trúc tinh thể pin mặt trời.

- Silic là chất bán dẫn Tức là thể rắn silic, tại một tầng năng lượng nhất định,electron có thể đạt được, và một số tầng năng lượng khác thì không được Cáctầng năng lượng không được phép này xem là tầng trống Lý thuyết này căn cứtheo thuyết cơ học lượng tử Ở nhiệt độ phòng, Silic nguyên chất có tính dẫnđiện kém Trong cơ học lượng tử, giải thích thất tế tại mức năng lượng Fermitrong tầng trống Để tạo ra silic có tính dẫn điện tốt hơn, có thể thêm vào một

lượng nhỏ các nguyên tử nhóm III hay V trong bảng tuần hoàn hóa học Cácnguyên tử này chiếm vị trí của nguyên tử silic trong mạng tinh thể, và liên kếtvới các nguyên tử silic bên cạnh tương tự như là một silic Tuy nhiên các phân

tử nhóm III có 3 electron ngoài cùng và nguyên tử nhóm V có 5 electron ngoàicùng, vì thế nên có chỗ trong mạng tinh thể có dư electron còn có chỗ thì thiếuelectron Vì thế các electron thừa hay thiếu electron(gọi là lỗ trống) không thamgia vào các kết nối mạng tinh thể Chúng có thể tự do di chuyển trong khối tinhthể Silic kết hợp với nguyên tử nhóm III (nhôm hay gali) được gọi là loại bándẫn p bởi vì năng lượng chủ yếu mang điện tích dương (positive), trong khi phầnkết hợp với các nguyên tử nhóm V (phốt pho, asen) gọi là bán dẫn n vì mangnăng lượng âm (negative) Lưu ý rằng cả hai loại n và p có năng lượng trunghòa, tức là chúng có cùng năng lượng dương và âm, loại bán dẫn n, loại âm cóthể di chuyển xung quanh, tương tự ngược lại với loại p Các tinh thể silic (Si)hay gali asenua (GaAs) là các vật liệu được sử dụng làm pin mặt trời Galiasenua đặc biệt tạo nên để dùng cho pin mặt trời, tuy nhiên thỏi tinh thể siliccũng có thể dùng được với giá thành thấp hơn, sản xuất chủ yếu để tiêu thụtrong công nghiệp vi điện tử Đa tinh thể silic có hiệu quả kém hơn nhưng giátiền cũng thấp hơn Khi để trực tiếp dưới ánh sáng mặt trời, một pin silic cóđường kính 6cm có thể sản xuất dòng điện khoảng 0.5 ampe ở 0.5 volt

Các tấm tinh thể mỏng hình đĩa, được đánh bóng để loại bỏ các khuyết tậttrong quá trình cắt, chất kích thích được dùng cho các pin, và các tấm kim loạidẫn truyền đặt vào một mặt: một lưới mỏng trên bề mặt chiếu ánh sáng mặt trời,

và mặt phẳng trên mặt còn lại Tấm năng lượng mặt trời tạo thành từ các pin nhưvậy cắt theo hình dạng thích hợp, được bảo vệ khỏi tia bức xạ và hư hại trên mặttrước bằng các miếng gương, dán vào chất nền Sự liền mạch được tạo nên thànhcác dãy song song để quyết định năng lượng tạo ra Chất keo và chất nền phải cótính dẫn nhiệt, vì khi các pin được làm nóng khi hấp thụ năng lượng hồng ngoại,vốn không thể chuyển hóa thành năng lượng Một khi các pin bị làm nóng thìgiảm hiệu suất hoạt động vì thế nên phải làm giảm thiểu nhiệt năng

Hình 1.8: Một số loại panel pin mặt trời.

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

Hình 1.9: Pin mặt trời cảm biến màu.

Cấu tạo nguyên thuỷ của pin DSC gồm ba phần chính Trên cùng là một lớpmỏng chất dẫn điện trong suốt, đóng vai trò anôt làm bằng oxyt thiếc pha tạpfluo (SnO2: F) Lớp này phủ lên tấm thuỷ tinh trong suốt Tiếp đó là một lớp códiện tích bề mặt rất lớn Lớp dẫn điện SnO2: F và lớp hạt bột oxyt titan TiO2được nhúng vào hỗn hợp chất màu nhạy quang ruthenium-polypyridin và dungmôi Sau khi nhúng, một lớp mỏng chất màu nhạy quang bám dính vào các hạtTiO2 bằng liên kết cộng hoá trị Tiếp đó mặt sau được tráng bằng một lớp mỏng

chất điện ly iôt và đậy kín bằng tấm điện cực kim loại, thường là platin Toàn bộđược dán kín sao cho dung dịch không bị rò chảy ra.

Hình 1.10: Sơ đồ hoạt động pin mặt trời DSC.

Pin DSC hoạt động như sau: ánh sáng Mặt trời qua tấm kính, qua lớp điện cựctrong suốt SnO2:F chiếu vào chất màu nhạy quang dính trên bề mặt các hạtTiO2 Photon kích thích các phân tử chất màu nhạy quang làm cho electron ở đó

bị bứt ra nhảy vào miền dẫn của TiO2 rồi từ đó dễ dàng chuyển động chạy vềđiện cực trong suốt ở phía trên Khi bị mất electron để nhận thêm cho phân tửkhông bị phân huỷ Phân tử chất màu nhạy quang bèn lấy electron của iôt ởdung dịch điện phân, biến anion iôt một I- thành anion iôt ba I3- Các anion iôtnày khi tiếp xúc với điện cực kim loại sẽ lấy lại electron từ điện cực trong suốtqua mạch ngoài chạy về điện cực kim loại Như vậy đã thực hiện cơ chế photonkích thích làm cho electron nhảy lên, đến điện cực trong suốt rồi qua mạch ngoàichạy về điện cực kim loại tạo ra dòng điện Vì nhiều lí do, hiệu suất của loại pinnày chỉ vào cỡ 11% thấp hơn hiệu suất của pin Mặt trời silic (12 - 15%) Tuynhiên ưu điểm rõ rệt của loại pin này mà ta thấy được là:

- Vật liệu chế tạo rẻ, dễ kiếm Đặc biệt TiO2 là chất bột trắng hay dùng để làmsơn

- Kỹ thuật chế tạo đơn giản, không phải cần máy móc cao cấp đắt tiền như ởtrường hợp pin Mặt trời silic Thậm chí có thể làm pin mặt trời kiểu thủ công.

- Dễ dàng cải tiến nhiều khâu kỹ thuật, nhất là ứng dụng công nghệ nano để làmbột TiO2 có diện tích mặt ngoài cực lớn Nhược điểm của loại pin này là cóchứa chất lỏng phải có các biện pháp chống rò rỉ khi dùng lâu (Loại pin này tuổithọ là 10 năm, bằng một nửa tuổi thọ của pin Mặt trời silic) Hiện nay đã cónhiều cải tiến đối với chất màu nhạy quang làm cho ánh sáng thuộc nhiều bướcsóng trong phổ ánh sáng mặt trời đều dễ dàng bị hấp thụ để kích thích làm thoátđiện tử tạo ra dòng điện Nhờ đó, khác với pin mặt trời silic, loại pin mặt trờimới này vẫn hoạt động tốt khi nắng yếu, đặc biệt là hoạt động với ánh sángtrong nhà Nên rất thích hợp với những vùng ít ánh nắng mặt trời

Hình 1.11: Pin mặt trời 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 còn thấp

1.3.3 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời.

Khi chiếu ánh sáng vào pin quang điện một phần sẽ bị phản xạ (và do đó trên

bề mặt pin quang điện có một lớp chống phản xạ) và một phần bị hấp thụ khitruyền qua lớp n Một phần may mắn hơn đến được lớp chuyển tiếp, nơi có cáccặp e và lỗ trống nằm trong điện trường của bề mặt giới hạn p-n Với các bướcsóng thích hợp sẽ truyền cho e một năng lượng đủ lớn để bật khỏi liên kết Sẽkhông thể có điều gì xảy ra nếu không có điện trường nhỏ tạo bởi lớp chuyểntiếp Đó là lí do giải thích vì sao nếu ta chiếu ánh sáng vào một vật bán dẫn thìkhông thể sinh ra dòng điện Nhưng cặp e và lỗ trống này nằm trong tác dụng

của điện trường do đó e sẽ bị kéo về phía bán dẫn loại n còn lỗ trống bị kéo vềphía bán dẫn loại p Kết quả là nếu ta nối hai cực vào hai phần bán dẫn loại n và

p sẽ đo được một hiệu điện thế Giá trị hiệu điện thế này phụ thuộc vào bản chấtcủa chất làm bán dẫn và tạp chấp được hấp phụ Với Si (B, P) thì giá trị này ởkhoảng 0.6V

Hình 1.12: Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời.

1.3.4 Tính ưu việt của pin mặt trời so với một số nguồn năng lượng khác Năng lượng mặt trời là năng lượng thu được từ mặt trời được khai thác và

chuyển đổi sang năng lượng nhiệt hoặc điện Trong điều kiện của nó đơn giản,năng lượng mặt trời, như tên cho thấy, có thể được định nghĩa là năng lượngnhận được từ mặt trời Nếu bạn muốn biết làm thế nào các công trình nănglượng mặt trời trong ngắn, sau đó lưu ý rằng năng lượng hoặc điện từ mặt trờiđược thu thập với sự giúp đỡ của các tấm pin mặt trời và được sử dụng để sảnxuất điện Nó cũng chứng minh rằng năng lượng mặt trời là tốt hơn so với nănglượng tạo ra từ các nguồn khác Vì vậy, chính xác một số lợi thế của năng lượngmặt trời là gì? Cho chúng ta xem xét ưu điểm của năng lượng mặt trời và khuyếtđiểm cụ thể

Một trong những lợi thế lớn nhất của năng lượng mặt trời là nó là một nguồnnăng lượng tái tạo Năng lượng có thể được sản xuất như lâu dài như mặt trờikéo dài, đó là hàng triệu năm tới Do đó, năng lượng mặt trời thực sự có thểđược gọi như là một nguồn năng lượng lâu dài

- Như điện trực tiếp phát triển từ năng lượng mặt trời, không có sự khan hiếm

nguyên liệu thôi, ánh nắng mặt trời Nó được tìm thấy trong sự phong phú

- Các tế bào năng lượng mặt trời rất dễ cài đặt, có thể được cài đặt trên nóc nhà

và do đó, không có không gian thêm là cần thiết Thế hệ năng lượng ở quy mônhỏ, trên cơ sở người dùng cá nhân, cũng có thể

- Các tấm pin mặt trời là không ồn ào và văn phòng phẩm Họ cũng đòi hỏi phải

bảo dưỡng rất ít

- Năng lượng mặt trời có thể được sản xuất tại bất kỳ phần nào của thế giới, ở

bất cứ nơi nhiều ánh sáng mặt trời có sẵn

- Một trong những lợi thế quan trọng nhất về môi trường của năng lượng mặt

trời là nó là một nguồn gây ô nhiễm phi năng lượng như không có khí thảicarbon dioxide hoặc các khí khác trong sản xuất điện

- Do các lý do nêu trên, năng lượng mặt trời không gây nguy hiểm cho môi

trường và do đó, còn được biết đến như là một nguồn năng lượng sạch

- Khi nghĩ đến những lợi thế kinh tế của năng lượng mặt trời, sau đó ta nên lưu ý

rằng ngoài các chi phí cài đặt ban đầu, thế hệ năng lượng mặt trời và sử dụng làmiễn phí Không có phí, các dự luật để có xu hướng!

- Giá than, khí thiên nhiên và dầu mỏ và nhiên liệu hóa thạch khác có xu hướng

tăng liên tục Năng lượng mặt trời, mặt khác, là miễn phí

- Năng lượng mặt trời có thể được sử dụng để nấu ăn, làm nóng nước, và cũng

để vận hành các thiết bị điện khác nhau dựa ở nhà, văn phòng

- Cuối cùng, lợi ích lớn của năng lượng mặt trời là năng lượng tái tạo này là lành

mạnh, an toàn và dễ dàng để dụng tại nhà, văn phòng hoặc trên quy mô lớn.Ngoài những ưu điểm của năng lượng mặt trời ra, thì bất kỳ cái gì cũng cókhó khăn hoặc khuyết điểm Vấn đề là khuyết điểm đó có dễ khắc phục đượckhông mà thôi Khuyết điểm của năng lượng mặt trời là một số khía cạnh tiêucực của nguồn năng lượng Cho chúng tôi biết nhiều hơn về nó hơn

Chỉ có một vài khó khăn hoặc khuyết điểm của năng lượng mặt trời nhưng ta

có thể dễ dàng khắc phục được:

- Chi phí lắp đặt ban đầu của các tế bào năng lượng mặt trời là khá cao Tuynhiên, một nhu cầu để đầu tư chỉ trong cài đặt và sau đó điện là miễn phí Hiệnnay các nhà khoa học đang nghiên cứu chất liệu làm pin mặt trời mới để giảmgiá thành sản phẩm

- Năng lượng mặt trời có thể không hiệu quả làm việc ở nước lạnh do sự khanhiếm của ánh sáng mặt trời Also, nó ít hiệu quả trong mùa mưa và thời tiếtlạnh Ngoài ra Also, năng lượng mặt trời chỉ có thể được sản xuất trong ngày, vàkhông sản xuất vào ban đêm Cách khắc phục là dùng acquy để tích điện

- Đối với các ứng dụng quy mô lớn, diện tích lớn hơn và cao hơn đầu tư là cầnthiết, mà có thể không được đáp ứng một cách dễ dàng

Sau khi biết lợi thế và bất lợi của năng lượng mặt trời, chúng tôi kết luận rằngnhững lợi thế hoặc những thuận lợi nhiều hơn so với các khuyết điểm Nhữngkhuyết điểm cũng đã tìm ra giải pháp khắc phục và vì thế, chúng ta có thể nóirằng năng lượng mặt trời là một trong những nguồn tốt nhất của năng lượng

Mặc dù không được sử dụng trong một quy mô lớn ngày hôm nay, năng lượngmặt trời có tiềm năng sản xuất nhiều hơn hàng nghìn lần lượng điện mà hiện tạiđang yêu cầu trên toàn thế giới Do đó, nó là cần thiết để tạo ra nhận thức về lợiích của năng lượng mặt trời cho một tương lại tốt hơn trong tương lai.

1.4 Hiện trạng sử dụng pin năng lượng mặt trời ở Việt Nam

Việt Nam là một trong các quốc gia có tiềm năng đáng kể về năng lượng mặttrời, phía Bắc bình quân có khoảng từ 1.800-2.100 giờ nắng/năm, phía Nam (từ

Đà Nẵng trở vào) bình quân từ 2.000-2.600 giờ nắng/năm

-Nhìn một cách khái quát, lượng bức xạ mặt trời ở các tỉnh phía Bắc giảm 20%

so với các tỉnh miền Trung và miền Nam, không phân phối đều quanh năm Vàomùa đông, mùa xuân mưa kéo dài dẫn đến nguồn bức xạ mặt trời dường như

cho việc ứng dụng điện mặt trời

Tuy nhiên, điều này không xảy ra đối với các tỉnh phía Nam và TP Hồ ChíMinh do có mặt trời chiếu quanh năm, ổn định kể cả vào mùa mưa Có thể kếtluận rằng, bức xạ mặt trời là một nguồn tài nguyên to lớn cho các tỉnh miềnTrung và miền Nam trong quá trình phát triển bền vững

-Tuy còn non trẻ, song ngành công nghiệp điện mặt trời ở Việt Nam cũng đã đạtđược những thành tựu bước đầu đáng kể, trong đó TP Hồ Chí Minh với nguồn

"tài nguyên nắng” dồi dào, các điều kiện thuận lợi về cơ sở hạ tầng cũng nhưchất lượng lực lượng sản xuất… đây là một trung tâm có tiềm năng phát triểnngành công nghiệp năng lượng mặt trời nhất trong cả nước Vì vậy, TP Hồ ChíMinh được đánh giá là một “điểm tựa”, đột phá cho ngành công nghiệp điện mặttrời Việt Nam với lộ trình 20 năm

Đến nay, ngành công nghiệp điện mặt trời ở TP Hồ Chí Minh đã tạo dựng đượcmột số cơ sở sản xuất tiêu biểu như: nhà máy sản xuất Module PMT, quy môcông nghiệp đầu tiên tại Việt Nam, cơ sở hạ tầng công nghiệp sản xuất chế tạocác thiết bị điện tử ngoại vi, phục vụ cho điện mặt trời xây dựng dựa trên sự hợptác giữa Solar và Công ty CP Nam Thái Hà, nhà máy “Solar Materials

Incorporated” có khả năng cung cấp cả hai loại Silic khối (mono and multi-crystalline) sử dụng cho công nghiệp sản xuất PMT.

-Có thể kể đến một số sản phẩm tiêu biểu như modul PMT, các thiết bị ngoại viinveter, các máy smarts, thiết bị điện mặt trời nối lưới công nghệ SIPV đã chiếmlĩnh một phần thị trường trong nước và bước đầu vươn ra thị trường trong khuvực và thị trường thế giới

-Theo đánh giá của các nhà khoa học, công nghiệp pin mặt trời ở TP HCM đãgần đi vào hoàn thiện, hiện chỉ còn thiếu hai khâu trong một quy trình côngnghiệp khép kín, đó là tinh chế quặng silic từ cát và chế tạo phiến PMT từ phiếnsilic Nếu hoàn thiện nốt hai khâu trên, Việt Nam sẽ trở thành một trong số ítnhững nước ở châu Á có nền công nghiệp chế tạo PMT khép kín

-Việc xem xét phát triển các nguồn năng lượng khác bên cạnh các nguồn nănglượng cơ bản ngày càng trở nên quan trọng trong cơ cấu nguồn năng lượng ViệtNam trong tương lai, đặc biệt là các nguồn năng lượng tái tạo Theo đánh giácủa các nhà khoa học Viện Khoa học năng lượng, trong các nguồn năng lượngtái tạo, trong tương lai, nguồn địa nhiệt có thể khai thác tổng cộng khoảng 340MW; Năng lượng mặt trời, gió, tổng cộng tiềm năng phát triển cả hai loại hình

dự báo có thể đạt tới 800-1000 MW vào năm 2025; Tiềm năng sinh khối đượcđánh giá vào khoảng 43-46 triệu TOE/năm Việc phát triển nguồn năng lượngmới này không chỉ giải quyết vấn đề cân bằng cung cầu năng lượng, an ninhnăng lượng mà còn góp phần quan trọng giảm phát thải khí nhà kính, chống biếnđổi khí hậu toàn cầu

Hình 1.13 : Nhà máy năng lượng mặt trời

Trong thời gian tới, các nghiên cứu khoa học về phương pháp luận và xây dựng

mô hình tối ưu phát triển tổ hợp năng lượng nhiên liệu để cung cấp cơ sở khoahọc cho việc xây dựng chiến lược, chính sách phát triển năng lượng bền vững vàđảm bảo an ninh năng lượng quốc gia cần được đẩy mạnh hơn nữa

Năng lượng mặt trời ở Việt Nam có tiềm năng to lớn về khai thác và ứng dụng Việt Nam có lợi thế là nước nằm trong giải phân bổ ánh nắng mặt trời nhiều nhất trong năm trên bản đồ bức xạ mặt trời của thế giới Theo giáo sư, tiến sĩ khoa học Nguyễn Tiến Khiêm, nguyên Viện trưởng Viện Cơ học, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam, trong tất cả các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng mặt trời là phong phú và ít biến đổi nhất trong thời kỳ biến đổi khí hậu hiện nay

Ứng dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam hiện cũng rất phong phú với đa dạng sản phẩm như: Máy nước nóng, điện mặt trời, đèn, Tuy nhiên, hiện nhu cầu

sử dụng năng lượng mặt trời còn rất nhiều Với bờ biển dài hơn 3.000km, có hàng nghìn đảo hiện có cư dân sinh sống nhưng nhiều nơi không thể đưa điện lưới đến được

Vì vậy, ứng dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam như một nguồn năng lượng tại chỗ để thay thế cho các dạng năng lượng truyền thống, đáp ứng nhu cầu của các vùng dân cư này là một kế sách có ý nghĩa về mặt kinh tế, an ninh quốc

phòng Tuy nhiên, ứng dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam cho đến nay vẫn chưa phát triển một cách có kế hoạch ở tầm vĩ mô.

Một số mô hình ứng dụng pin mặt trời hiện nay thường dùng

Hình 1.14: Sơ đồ khối hệ thống pin năng lượng mặt trời.

Hình 1.14 là sơ đồ khối một hệ thống pin mặt trời hoàn chỉnh và hệ thống cókhả năng làm việc offline (điện từ pin nạp cho ắc quy, sau đó lấy điện từ ắc quy

để đem đi nuôi các khối khác) hoặc làm việc online (điện từ các tấm pin đượcđưa trực tiếp vào để chuyển đổi DC-DC, DC-AC ) Hệ thống bao gồm:

- Các panel pin mặt trời được mắc song song và nối tiếp với nhau để làm tăngđiện áp và công suất đầu ra

- Khối điều khiển nạp Charger Control và ắc quy: Điều khiển điện áp và dòngnạp cho ắc quy để tích trữ năng lượng điện dưới dạng hóa năng

- Khối tạo ra các nguồn một chiều phụ 3.3V, 5V, 12V để nuôi các khối điềukhiển, DC-DC, bảo vệ Protection

- Khối chuyển đổi điện áp DC-DC: Ổn định điện áp cấp cho khối DC-AC

- Khối DC-AC: Chuyển đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều220V/50Hz

- Khối bảo vệ Protection: Bảo vệ quá tải, ngắn mạch

- Khối cách ly Isolation: Cách ly khối điều khiển với các khối có điện áp cao

- Khối điều khiển: Điều khiển toàn bộ hoạt động của hệ thống

- Hệ thống giao diện giao tiếp với người dùng: Bao gồm các giao diện giao tiếpbằng RS232, RF, CAN, RS485…

Một số thông số cơ bản của tấm pin mặt trời CTC-10W-MONO

- Hiện tại ngắn mạch (Isc): 0.64A

- Hệ thống điện áp tối đa: 1000V

- Điều kiện thử nghiệm: AM1.5, 1000W/m2, 25 ℃

- Mưa đá có đường kính 80km/h: Lên đến 25mm

- Tiếp tục áp lực gió: Lên đến 130 km / h

- Nhiệt độ hoạt động: -40 ° C ~ + 85 ° C

- Kích thước: 355 x 290x17mm

CHƯƠNG 2:TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI

2.1 Giới thiệu các thiết bị dùng để khảo sát nguồn năng lượng mặt trời

2.1.1 Pin mặt trời và đèn chiếu sáng

Hình 2.1: Mô hình chiếu sáng dùng pin mặt trời.

2.1.2 Thiết bị đo quang năng.

- Thiết bị đo cường độ ánh sáng: Dùng để đo cường độ ánh sáng ngoài trờikhi ta khảo sát pin năng lượng mặt trời

Hình 2.2: Thiết bị đo cường độ ánh sáng.

- Một vài nét về cường độ ánh sáng

Khi quan sát các khu vực có ánh sáng khác nhau, một thông số mà chúng tacần chú ý đó là Minimum Illumination Cường độ ánh sáng nhỏ nhất thườngđược tính bằng Lux, Lux là đơn vị dẫn xuất được tính cho công suất ánh sángchiếu trên một diện tích 1m2 Thông số này cho chúng ta biết cường độ ánh sángtối thiểu mà cảm biến ánh sáng của camera có thể nhận biết được màu sắc giữacác vật thể Trong điều kiện cường độ sáng nhỏ hơn cường độ sáng nhỏ nhất màcamera cảm nhận được, thì chúng ta phải lắp thêm đèn chiếu sáng để tăng cường

độ sáng, hoặc lắp thêm đèn hồng ngoại nếu camera có hỗ trợ hồng ngoại, hoặcthay thế bằng camera có cường độ sáng tối thiểu nhỏ hơn hoặc chúng ta thaybằng camera hồng ngoại khác mới có thể quan sát được

Một số ví dụ về cường độ ánh sáng tự nhiên

+ Ánh sáng Mặt Trời trung bình trong ngày có độ rọi dao động trong khoảng32.000 (32 klx) tới 100.000 lux (100 klx)

+ Các trường quay truyền hình được chiếu sáng với độ rọi khoảng 1.000 lux (1klx).

+ Một văn phòng sáng sủa có độ rọi khoảng 400 lux

+ Vào thời điểm hoàng hôn và bình minh, ánh sáng ngoài trời cũng có độ rọikhoảng 400 lux (nếu trời trong xanh)

+ Ánh sáng phản chiếu từ Mặt Trăng có độ rọi khoảng 1lux

+ Ánh sáng từ các ngôi sao có độ rọi khoảng 0,00005 lux (= 50 μlx)

Một số camera quan sát có chức năng Auto Iris (Tự động hiệu chỉnh ánhsáng) Đặc điểm của Camera loại này là chỉ với 1 nguồn sáng nhỏ, nó có thể tựđộng khuyếch đại nguồn sáng đó lên để có thể quan sát được

Hình 2.3: Bảng thông số cường độ ánh sáng.

Ánh sáng (light)

- Dải dao động có bước sóng từ 3800 đến 7000 A.U (từ 740nm đến 400 nm)

“Ánh sáng” được hiểu mở rộng ra bên ngoài vùng giới hạn mà mắt người có thểthấy được: bên ngoài vùng đỏ (hồng ngoại) và bên ngoài vùng tím (tử ngoại)

- Ánh sáng từ các nguồn sáng tự nhiên (mặt trời, lửa) và ánh sáng nhân tạo (cácloại đèn chiếu) tạo hiệu ứng ánh sáng cho cảnh phim

- Ánh sáng là cách gọi tắt của công việc chiếu sáng (lighting), bộ phận ánh sáng(lighting group) do trưởng bộ phận ánh sáng (lighting director) chịu trách nhiệmđiều phối theo ý tưởng tạo hình của nhà quay phim (cường độ, góc, hướng, màusắc, nhiệt độ màu, phin tơ, hiệu ứng v.v …)

- Ánh sáng từ các nguồn sáng chiếu vào chủ đề bức xạ qua hệ thống thấu kínhrọi vào lớp nhũ tương cảm quang trên mặt phim, tạo ra quá trình biến đổi quang-hoá, lưu lại hình ảnh tiềm ẩn trên lớp nhũ tương phim

- Ánh sáng là một thành phần kỹ thuật căn bản trong quá trình sản xuất một bộphim Cảnh quay “ngoại/ngày” thường tận dụng ánh sáng thiên nhiên hoặc kếthợp ánh sáng nhân tạo nếu cần Cảnh quay nội dù ngày hay đêm được chiếusáng bằng đèn

Bố cục ánh sáng truyền thống thường có 4 cây đèn:

- Đèn chính (key light) là nguồn sáng mạnh, nhưng đều và lỳ chiếu vào chủ đề ởphía trước

- Đèn khử bóng (fill light) có chức năng như đèn chính, kiểm soát sự tương phản

và tỷ lệ ánh sáng chiếu vào chủ đề ở phía trước nhưng khác hướng đèn chính

- Đèn hậu (back light) chiếu trực diện ở phía sau chủ đề và camera, nhằm tách

nó ra khỏi phông và tạo ven cho chủ đề

- Đèn phông (back ground light) làm sáng hậu cảnh và tách chủ đề ra khỏiphông Ngoài ra, còn có những nguồn ánh sáng phụ, công suất nhỏ hơn để tạohiệu ứng: đèn ven (rimlight) chiếu thẳng vào phía sau chủ đề; đèn kích (kickerlight) cũng có chức năng như đèn ven và đèn hậu nhưng ở góc thấp hơn, đối