Thiết kế và chế tạo hệ thống nguồn chiếu sáng dự phòng sử dụng năng lượng mặt trời

So với những nguồn năng lượng mới đang được khai thác sử dụng như năng lượng gió, năng lượng hạt nhân… Năng lượng mặt trời được coi là một nguồn năng lượng rẻ, vô tận, là một nguồn năng

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, đóng

góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cô, gia đình và bạn bè

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo ThS Phạm Quốc Thịnh đã

quan tâm giúp đỡ, hướng dẫn chỉ bảo tận tình cho em hoàn thành tốt bài đồ án tốt nghiệp này

Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy, cô trong Khoa Công nghệ tự động hóa, Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông - Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện tốt cho em hoàn thành đồ án

Đồng thời, em xin cảm ơn giáo viên chủ nhiệm và các bạn sinh viên trong lớp KTĐ-ĐT K11A đã động viên, giúp đỡ em hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp này

Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã luôn tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành đồ án tốt nghiệp

Em xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, tháng 5 năm 2017

Sinh viên

Vũ Viết Trường

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu độc lập, được thực hiện trong quá trình học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông – Đại học Thái Nguyên, trong đó có sử dụng thông tin từ nhiều nguồn tư liệu và dữ liệu khác nhau, các thông tin được trích rõ nguồn gốc Kết quả nghiên cứu đồ án tốt nghiệp chưa được công

bố bất kỳ công trình nghiên cứu khoa học nào trước đây

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

LỜI CAM ĐOAN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC HÌNH 5

LỜI MỞ ĐẦU 7

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 8

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10

1.1 Năng lượng mặt trời 10

1.1.1 Tổng quan về năng lượng mặt trời 10

1.1.2 Phân loại nguồn năng lượng mặt trời 10

1.1.3 Ứng dụng năng lượng mặt trời 10

1.2 Pin mặt trời 11

1.2.1 Giới thiệu về pin mặt trời 11

1.2.2 Cấu tạo của pin mặt trời 12

1.2.3 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 15

1.2.4 Ứng dụng của pin mặt trời 20

1.3 Bộ điều khiển sạc 21

1.3.1 Định nghĩa bộ điều khiển sạc 21

1.3.2 Nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển sạc 22

1.3.3 Chu kỳ sạc của bộ điều khiển sạc 23

1.3.4 Chức năng của bộ điều khiển sạc 24

1.4 Bình Ắc-quy 25

1.4.1 Giới thiệu chung về Ắc-quy 25

1.4.2 Cấu tạo của Ắc-quy 26

1.4.3 Các loại Ắc-quy 27

1.4.4 Nguyên lý hoạt động của Ắc-quy 28

1.4.9 Các tiêu chí lựa chọn Ắc-quy 40

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ HỆ THỐNG NGUỒN CHIẾU SÁNG 41

DỰ PHÒNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 41

2.1 Mô tả hệ thống 41

2.2 Thiết kế phần cứng 41

2.2.1 Sơ đồ khối 41

2.2.2 Linh kiện sử dụng 42

2.2.3 Sơ đồ nguyên lý 52

2.2.4 Sơ đồ mạch in 52

2.3 Lưu đồ thuật toán 53

CHƯƠNG 3: HOÀN THIỆN VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG 55

3.1 Hình ảnh sản phẩm sau khi hoàn thành 55

3.2 Hoạt động của hệ thống hoàn thiện 56

3.3 Đánh giá hệ thống 57

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

PHỤ LỤC 60

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Pin năng lượng mặt trời 11

Hình 1.2: Cấu tạo lớp bán dẫn [1] 13

Hình 1.3: Cấu tạo bán dẫn Silic [1] 13

Hình 1.4: Cấu tạo module [1] 14

Hình 1.5: Quá trình tạo module [1] 15

Hình 1.6: Các vùng năng lượng [1] 16

Hình 1.7: Hệ hai mức năng lượng 16

Hình 1.8: Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời [1] 18

Hình 1.9: Quan hệ (Eg) 19

Hình 1.10: Bộ điều khiển sạc 21

Hình 1.11: Nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển sạc [5] 22

Hình 1.12: Chu kỳ sạc của bộ điều khiển sạc [5] 23

Hình 1.13: Một số loại Ắc-quy 25

Hình 1.14: Cấu tạo Ắc-quy [4] 26

Hình 1.15: Mô phỏng bản cực Ắc-quy axit [4] 28

Hình 1.16: Quá trình phóng nạp điện [4] 29

Hình 1.17: Các bản cực của Ắc-quy được gắn song song nhau [4] 30

Hình 1.18: Bố trí các ngăn trong một Ắc-quy 12V [4] 31

Hình 1.19: Biểu đồ điện áp Ắc-quy [4] 32

Hình 1.20: Các chế độ nạp của Ắc-quy [4] 36

Hình 1.21: Sơ đồ chuyển trạng thái lôgic quá trình nạp ắc-quy tự động [5] 38

Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống 41

Hình 2.2: Pin năng lượng mặt trời 10W ICO-SPC-10W 42

Hình 2.3: Bộ điều khiển sạc pin mặt trời 12/24V 3A 43

Hình 2.4: Ắc-quy GS GTZ5S 45

Hình 2.5: Màn hình LCD 16X2 45

Hình 2.10: Đèn LED 51

Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý 52

Hình 2.12: Sơ đồ mạch in 52

Hình 2.13: Lưu đồ thuật toán 53

Hình 3.1: Hình ảnh mạch hiển thị 55

Hình 3.2: Sản phẩm sau khi hoàn thành 55

Hình 3.3: Chế độ Auto khi đèn sáng 56

Hình 3.4: Chế độ Auto khi đèn tắt 56

Hình 3.5: Chế độ Not Auto khi đèn sáng 57

Hình 3.6: Chế độ Not Auto khi đèn tắt 57

LỜI MỞ ĐẦU

Trong tiến trình phát triển của loài người, việc sử dụng năng lượng là đánh dấu một cột mốc rất quan trọng Từ đó đến nay, loài người sử dụng năng lượng ngày càng nhiều, nhất là trong vài thế kỷ gần đây Trong cơ cấu năng lượng hiện nay, chiếm phần chủ yếu là năng lượng tàn dư sinh học than đá, dầu mỏ, khí tự nhiên Kế là năng lượng nước thủy điện, năng lượng hạt nhân, năng lượng sinh khối (biogas,…), năng lượng mặt trời, năng lượng gió chỉ chiếm một phần khiêm tốn Xã hội loài người không phát triển nếu không có năng lượng

Ngày nay, năng lượng tàn dư sinh học, năng lượng không tái sinh, ngày càng kiệt, giá dầu mỏ tăng từng ngày, ảnh hưởng xấu đến sự phát triển kinh tế xã hội và môi trường sống Tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế là nhiệm vụ cấp bách của các nhà khoa học, kinh tế, các chính trị gia, và mỗi người chúng ta Nguồn năng lượng thay thế đó phải sạch, thân thiện với môi trường, chi phí thấp, không cạn kiệt (tái sinh), và

dễ sử dụng

Từ lâu, loài người đã mơ ước sử dụng năng lượng mặt trời Nguồn năng lượng hầu như vô tận, đáp ứng hầu hết các tiêu chí nêu trên Năng lượng mặt trời không chỉ

là năng lượng của tương lai mà còn là năng lượng của hiện tại

Sau thời gian học tập tại trường, được sự chỉ bảo hướng dẫn nhiệt tình của thầy

cô giáo trong Khoa Công nghệ Tự Động Hóa Trường Đại học công nghệ thông tin và truyền thông Thái Nguyên , em đã kết thúc khóa học và tích lũy được vốn kiến thức nhất định Được sự đồng ý của nhà trường và thầy cô giáo trong khoa em được giao đề

tài tốt nghiệp: “Thiết kế và chế tạo hệ thống nguồn chiếu sáng dự phòng sử dụng năng lượng mặt trời”

Bằng sự cố gắng nỗ lực của bản thân và đặc biệt là sự giúp đỡ tận tình, chu đáo

của thầy giáo ThS Phạm Quốc Thịnh, em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp đúng thời

hạn Do thời gian làm đồ án có hạn và trình độ còn nhiều hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1 Lý do chọn đề tài

Ngày nay với tình hình dân số và nền công nghiệp phát triển không ngừng, năng lượng càng thể hiện rõ vai trò quan trọng và trở thành yếu tố không thể thiếu trong cuộc sống Tuy nhiên trong khi nhu cầu sử dụng năng lượng đang ngày càng gia tăng thì các nguồn năng lượng truyền thống được khai thác sử dụng hàng ngày đang dần cạn kiệt và trở nên khan hiếm Một số nguồn năng lượng đang được sử dụng như nguồn nguyên liệu hoá thạch (dầu mỏ, than đá…) đang cho thấy những tác động xấu đến môi trường, gây ô nhiễm bầu khí quyển như gây hiệu ứng nhà kính, thủng tầng ozôn, là một trong những nguyên nhân làm trái đất ấm dần lên Các khí thải ra từ việc đốt các nguyên liệu này đã gây ra mưa axit, gây hại cho môi trường sống của con người Còn nguồn năng lượng thuỷ điện (vốn cũng được coi là một loại năng lượng sạch) thì cũng không đáp ứng được nhu cầu tiêu thụ điện hiện nay trong khi tình trạng mức nước trong hồ chứa thường xuyên xuống dưới mực nước chết Trước tình hình

đó, vấn đề phải tìm được những nguồn năng lượng mới để đáp ứng nhu cầu sử dụng năng lượng đang lớn mạnh hàng ngày, thay thế những nguồn năng lượng có hại cho môi trường hoặc đang cạn kiệt đang trở nên cấp thiết, đòi hỏi nhiều sự quan tâm

So với những nguồn năng lượng mới đang được khai thác sử dụng như năng lượng gió, năng lượng hạt nhân… Năng lượng mặt trời được coi là một nguồn năng lượng rẻ, vô tận, là một nguồn năng lượng sạch không gây hại cho môi trường đang thu hút sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học, nhà nghiên cứu và sẽ trở thành nguồn năng lượng tốt nhất trong tương lai Hệ thống quang điện sử dụng năng lượng mặt trời

có nhiều ưu điểm như không cần nguyên liệu, không gây ô nhiễm môi trường, ít phải bảo dưỡng, không gây tiếng ồn… Hiện nay năng lượng mặt trời đã được khai thác và đưa vào ứng dụng trong cuộc sống cũng như trong công nghiệp dưới nhiều dạng và hình thức khác nhau, thông thường để cấp nhiệt và điện

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Thiết kế và chế tạo hệ thống nguồn chiếu sáng dự phòng sử dụng năng lượng mặt trời

3 Phương pháp nghiên cứu

 Nghiên cứu lý luận: Tổng hợp các tài liệu kỹ thuật, công nghệ, phân tích và đánh giá nội dung liên quan đến đề tài

 Phương pháp thực nghiệm: Khảo sát, phân tích, thiết kế và đánh giá nội dung nghiên cứu trong quá trình thiết kế hệ thống nguồn chiếu sáng dự phòng Đề xuất phương án xây dựng, chế tạo hệ thống cho phù hợp

4 Đối tượng nghiên cứu

Hệ thống đèn chiếu sáng dùng năng lượng mặt trời gồm:

CHƯƠNG 1: “CƠ SỞ LÝ THUYẾT”

CHƯƠNG 2: “PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ HỆ THỐNG NGUỒN CHIẾU SÁNG

DỰ PHÒNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI”

CHƯƠNG 3: “HOÀN THIỆN VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG”

Trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp , em đã củng cố được những kiến thức đã được học và tiếp thu thêm được một số kiến thức, kinh nghiệm mới về pin mặt trời và rèn luyện được phương pháp làm việc, nghiên cứu một cách chủ động hơn, linh hoạt hơn Quá trình làm đồ án thực sự đã rất có ích cho em về nhiều mặt

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Năng lượng mặt trời

1.1.1 Tổng quan về năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời là một trong các nguồn năng luợng tái tạo quan trọng nhất

mà thiên nhiên ban tặng cho hành tinh chúng ta đồng thời nó cũng là nguồn gốc của các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, năng lượng sinh khối, năng lượng các dòng sông,… Năng lượng mặt trời có thể nói là vô tận, tuy nhiên để khai thác, sử dụng nguồn năng lượng này cần phải biết các đặc trưng và tính chất cơ bản của nó, đặc biệt là khi tới bề mặt quả đất

Ngày nay năng lượng mặt trời đang ngày càng thu hút được nhiều sự quan tâm

và đầu tư Tuy nhiên, vấn đề giá cả nguồn điện mặt trời hiện nay vẫn là một vấn đề lớn Hiện nay năng lượng mặt trời chỉ cung cấp một phần nhỏ bé trong nhu cầu về điện cho con người nhưng những người ủng hộ năng lượng này tin tưởng kỉ nguyên năng lượng mặt trời chỉ mới bắt đầu và càng ngày được đẩy mạnh khi các Quốc gia phát triển thực hiện chiến dịch chống biến đổi khí hậu và hạn chế việc phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch như dầu mỏ, khí đốt, than,… [1]

1.1.2 Phân loại nguồn năng lượng mặt trời

Người ta chia các nguồn năng lượng thành 2 nhóm năng lượng chính:

 Năng lượng hoá thạch như dầu, than đá hay khí đốt

 Năng lượng tái tạo từ những nguồn năng lượng như: Mặt trời, gió, hợp chất hữu cơ (sinh khối), năng lượng đại dương và nhiệt của trái đất

1.1.3 Ứng dụng năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng mà con người đã biết sử dụng từ rất sớm, nhưng ứng dụng năng lượng mặt trời vào công nghệ sản xuất quy mô rộng vào cuối thế kỷ 18 và cũng chủ yếu ở những nước nhiều năng lượng mặt trời Từ sau các cuộc khủng hoảng năng lượng thế giới năm 1968 và 1973, năng lượng mặt trời đặc biệt quan tâm Các nước công nghiệp phát triển đã đi tiên phong trong việc nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời Các ứng dụng năng lượng mặt trời phổ biến hiện nay bao gồm 2 lĩnh vực chủ yếu Thứ nhất năng lượng mặt trời được biến đổi trực tiếp thành điện năng nhờ các tế bào quang điện bán dẫn, hay còn gọi là pin mặt trời Các

chiếu tới Lĩnh vực thứ hai đó là sử dụng năng lượng mặt trời chiếu tới dưới dạng nhiệt năng, ở đây chúng ta dùng thiết bị thu bức xạ nhiệt mặt trời và tích trữ dưới dạng nhiệt năng và dùng nó vào các mục đích khác nhau

Việt Nam là nước có tiềm năng về năng lượng mặt trời trải dài từ vĩ độ 80 Bắc đến vĩ độ 230 Bắc, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao, với trị số tổng xạ khá lớn 100 - 175 kcal/cm2 năm Do đó việc sử dụng năng lượng mặt trời

ở nước ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế khá lớn Thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời ở nước ta chủ yếu dựa vào hệ thống cung cấp điện dùng pin mặt trời, hệ thống nấu cơm

có gương phản xạ, hệ thống cung cấp nước nóng… [1]

1.2 Pin mặt trời

1.2.1 Giới thiệu về pin mặt trời

Pin mặt trời là phương pháp sản xuất điện trực tiếp từ năng lượng mặt trời thông qua thiết bị biến đổi quang điện Pin mặt trời có ưu điểm gọn nhẹ, có thể lắp đặt bất kỳ nơi đâu có ánh sáng mặt trời, đặc biệt là trong lĩnh vực tàu vũ trụ Ứng dụng năng lượng mặt trời dưới dạng này được phát triển với tốc độ nhanh, nhất là các nước phát triển Ngày nay con người đã ứng dụng pin mặt trời trong lĩnh vực hàng không vũ

trụ, để chạy xe và trong sinh hoạt thay thế dần nguồn năng lượng truyền thống [1]

1.2.2 Cấu tạo của pin mặt trời

1.2.2.1 Cấu tạo silic

Trong bảng tuần hoàn Silic (Si) có số thứ tự 14 - 1s22s22p63s23p2 Các điện tử của nó được sắp xếp vào 3 lớp vỏ, 2 lớp vỏ bên trong được xếp đầy bởi 10 điện tử Tuy nhiên lớp ngoài cùng của nó chỉ được lấp đầy 1 nửa với 4 điện tử 3s23p2 Điều này làm nguyên tử Si có xu hướng dùng chung các điện tử của nó với các nguyên tử Si khác Trong cấu trúc mạng tinh thể nguyên tử Si liên kết với 4 nguyên tử Si lân cận để lớp vỏ ngoài cùng có chung 8 điện tử (bền vững)

Để tăng khả năng dẫn điện của bán dẫn silicon người ta thường pha tạp chất vào trong đó Trước tiên ta xem xét trường hợp tạp chất là nguyên tử photpho (P) với tỷ lệ khoảng một phần triệu P có 5 điện tử ở lớp vỏ ngoài cùng nên khi liên kết trong tinh thể Si sẽ dư ra 1 điện tử Điện tử này trong điều kiện bị kích thích nhiệt có thể bứt khỏi liên kết với hạt nhân P để khuếch tán trong mạng tinh thể

Chất bán dẫn Si pha tạp P được gọi là bán dẫn loại N (Negative) vì có tính chất dẫn điện bằng các điện tử tự do Ngược lại, nếu chúng ta pha tạp tinh thể Si bằng các nguyên tử Boron (B) chỉ có 3 điện tử ở lớp vỏ, chúng ta sẽ có chất bán dẫn loại P (Positive) có tính chất dẫn điện chủ yếu bằng các lỗ trống

Khi ta cho hai loại bán dẫn trên tiếp xúc với nhau Khi đó, các điện tử tự do ở gần mặt tiếp xúc trong bán dẫn loại N sẽ khuyếch tán từ bán dẫn loại N đến bán dẫn loại P và lấp các lỗ trống trong phần bán dẫn loại P này

Các điện tử tự do của bán dẫn N không bị chạy hết sang bán dẫn P Vì khi các điện tử di chuyển như vậy nó làm cho bán dẫn N mất điện tử và tích điện dương, ngược lại bán dẫn P tích điện âm Ở bề mặt tiếp xúc của hai chất bán dẫn bây giờ tích điện trái ngược và xuất hiện một điện trường hướng từ bán dẫn N sang P ngăn cản dòng điện tử chạy từ bán dẫn N sang P Và trong khoảng tạo bởi điện trường này hầu như không có electron hay lỗ trống tự do [1]

Hình 1.2: Cấu tạo lớp bán dẫn [1]

Tinh thể Si tinh khiết là chất bán dẫn dẫn điện rất kém vì các điện tử bị giam giữ bởi liên kết mạng, không có điện tử tự do Chỉ trong điều kiện kích thích quang, hay nhiệt làm các điện tử bị bứt ra khỏi liên kết, hay nói theo ngôn ngữ vùng năng lượng là các điện tử (tích điện âm) nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẫn bỏ lại vùng hóa trị 1 lỗ trống (tích điện dương), thì khi đó chất bán dẫn mới dẫn điện [1]

1.2.2.2 Cấu tạo pin mặt trời

Hiện nay vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời là các silic tinh thể Pin mặt trời từ tinh thể silic chia thành 3 loại:

+ Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình czoschralski, đơn tinh thể này có hiệu suất tới 16% và thường rất đắt tiền Do được cắt

từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module

Hình 1.4: Cấu tạo module [1]

+ Đa tinh thể 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 kém hơn Chúng có thể tạo thành các vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó

+ Một lớp tiếp xúc bán dẫn p - n có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức

xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên trong gọi là pin mặt trời Pin mặt trời được sản xuất và ứng dụng phổ biến hiện nay là các pin mặt trời được chế tạo

từ vật liệu tinh thể bán dẫn silicon (Si) có hóa trị 4 Từ tinh thể silic tinh khiết, để có vật liệu tinh thể bán dẫn Si loại n, người ta pha tạp chất donor là photpho có hóa trị 5 Còn có thể có vật liệu bán dẫn tinh thể loại p thì tạp chất acceptor được dùng để pha vào silic là Bo có hóa trị 3 Đối với pin mặt trời từ vật liệu tinh thể silic khi bức xạ mặt trời chiếu đến thì hiệu điện thế hở mạch giữa 2 cực khoảng 0,55V và dòng điện đoản mạch của nó khi bức xạ mặt trời có cường độ 1000W/m2 vào khoảng 25-30 mA/cm2

Hiện nay người ta đã chế tạo pin mặt trời bằng vật liệu Si vô định hình (a-Si)

So với pin mặt trời tinh thể Si thì pin mặt trời a-Si giá thành rẻ hơn nhưng hiệu suất thấp hơn và kém ổn định hơn Ngoài Si, hiện nay người ta đang nghiên cứu và thử nghiệm các loại vật liệu khác có nhiều triển vọng như Sunfit Cadmi - đồng (CuCds), Gallium - Arsenit (GaAs),… [1]

1.2.2.3 Quá trình tạo các module

Hình 1.5: Quá trình tạo module [1]

1.2.3 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

Pin mặt trời làm việc theo nguyên lý là biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện

1.2.3.1 Hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel Tuy nhiên tới năm 1883 thì một pin mặt trời mới tạo thành bởi Charles Fritts, ông phủ lên mặt bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối Thiết bị chỉ có hiệu suất 1%, Russell Ohl được xem là người tạo ra pin mặt trời đầu tiên vào năm 1946 Sau đó Sven Ason Berglund đã có các phương pháp liên quan đến việc tăng khả năng cảm nhận ánh sáng của pin

Hình 1.6: Các vùng năng lượng [1]

Xét một hệ hai mức năng lượng điện tử E1 < E2, bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E1 Khi nhận bức xạ mặt trời, lượng tử ánh sáng photon có năng lượng hv (trong đó h là hằng số Planck, v là tần số ánh sáng) bị điện tử hấp thụ

và chuyển lên mức năng lượng E2 Ta có phương trình cân bằng năng lượng:

Trong các vật thể rắn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vòng ngoài, nên các mức năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng sát nhau và tạo thành các vùng năng lượng Vùng năng lượng thấp bị các năng lượng điện tử chiếm đầy khi ở trạng thái cân bằng gọi là vùng hóa trị, mà mặt trên của nó có năng lượng Ev Vùng năng lượng ở trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ chiếm một phần gọi là vùng dẫn, mặt dưới của vùng có năng lượng Ec Cách ly giữa hai vùng hóa trị và vùng dẫn là một vùng có cấp độ rộng với năng lượng là Eg, trong đó không có mức năng lượng cho phép nào của điện tử

Hình 1.7: Hệ hai mức năng lượng

Khi nhận bức xạ mặt trời, photon có năng lượng hv tới hệ thống và bị điện tử ở vùng hóa trị thấp hấp thu và nó có thể chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự do , để lại ở vùng hóa trị một lỗ trống có thể như hạt mang điện dương, ký hiệu là

Lỗ trống này có thể duy chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện

Hiệu ứng lượng tử của quá trình hấp thụ photon có thể miêu tả bằng phương trình:

Ev + hv -> + (1-2) Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lượng của photon và chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử - lỗ trống là hv = hc/ λ ≥ Eg = Ec Ev Từ đó có thể tính bước sóng tới hạn λc của ánh sáng có thể tạo ra cặp - :

λc = = = . , [ ] (1-3) Trong thực tế các hạt dẫn bị kích thích và đều tự phát tham gia vào quá trình phục hồi, chuyển động đến mặt của các vùng năng lượng: điện tử giải phóng năng lượng để giải phóng đến mặt của vùng dẫn Ec, còn lỗ trống duy chuyển đến mặt của Ev, quá trình phục hồi chỉ xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn 10 ÷

10 giây và gây ra dao động mạnh (photon) Năng lượng bị tổn hao do quá trình phục hồi sẽ là:

Eph = hv Eg (1-4) Tóm lại khi vật rắn nhận tia bức xạ mặt trời, điện tử ở vùng hóa trị hấp thụ năng lượng photon hv và chuyển lên vùng dẫn và tạo ra cặp hạt dẫn điện tử - lỗ trống

, tức là đã tạo ra một hiệu điện thế Hiện tượng đó gọi là hiệu ứng quang điện bên trong [1]

Hình 1.8: Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời [1]

1.2.3.2 Hiệu suất của quá trình biến đổi quang điện

Ta có thể xác định hiệu suất giới hạn về mặt lý thuyết của quá trình biến đổi quang điện của hệ thống hai mức như sau:

= ∫ ( )

Trong đó:

+ (λ) : là mật độ photon có bước sóng λ

+ (λ)dλ : là tổng số photon tới bước song trong khoảng λ ÷ λ + dλ

+ : là năng lượng của photon

+ Eg = ∫ (λ)dλ : là năng lượng hữu ích mà điện tử hấp thụ của photon trong quá trình quang điện

+ ∫ (λ)[ ]dλ : là tổng năng lượng của các photon tới hệ

số khá rộng Không phải tần số nào cũng có đủ năng lượng để kích thích điện tử từ vùng hóa trị lên vùng dẫn Chỉ có những photon năng lượng cao hơn khe vùng bán dẫn mới làm được điều này Đối với bán dẫn Si khe vùng vào khoảng 1.1eV Các photon năng lượng thấp hơn sẽ không sử dụng được Nếu photon có năng lượng cao hơn khe vùng thì phần năng lượng dư đó cũng không có đóng góp gì thêm Vậy tại sao chúng

ta không chọn các vật liệu có khe vùng hẹp để tận dụng nguồn photon tần số thấp Vấn

đề là khe vùng cũng xác định hiệu điện thế (hay điện trường) ở bề mặt tiếp xúc Khe vùng càng bé thì hiệu điện thế này càng bé Nên nhớ công suất của dòng điện bằng hiệu điện thế nhân với dòng Người ta đã tính toán được khe vùng tối ưu là vào khoảng 1.4eV, khi đó công suất dòng điện thu được tối đa

Một nguyên nhân nữa cũng cản trở việc nâng cao hiệu suất của pin mặt trời, đó

là cách chúng ta bố trí các tiếp xúc kim loại để lấy dòng điện Ở mặt dưới của tấm pin hiển nhiên ta có thể cho tiếp xúc với 1 tấm kim loại nhưng ở mặt trên nó cần trong suốt

phủ lên bề mặt của pin mặt trời Tuy nhiên kích thước lưới không thể giảm vô hạn nên cũng phần nào làm giảm hiệu suất chuyển năng lượng ánh sáng thành điện năng [1]

1.2.4 Ứng dụng của pin mặt trời

Pin mặt trời là phương pháp sản xuất điện trực tiếp từ năng lượng mặt trời qua thiết bị biến đổi quang điện Pin mặt trời có ưu điểm là gọn nhẹ, có thể lắp bất kỳ ở đâu có ánh sáng mặt trời, đặc biệt là trong lĩnh vực tàu vũ trụ Ứng dụng năng lượng mặt trời dưới dạng này được phát triển với tốc độ rất nhanh, nhất là ở các nước phát triển Ngày nay ứng dụng năng lượng mặt trời để chạy xe thay thế dần nguồn năng lượng truyền thống

Tuy nhiên giá thành thiết bị pin mặt trời còn khá cao, trung bình hiện nay

khoảng 5 -10 USD/Wp, nên ở những nước đang phát triển, pin mặt trời hiện mới chỉ

có khả năng duy nhất là cung cấp năng lượng điện sử dụng cho các vùng sâu, vùng xa, nơi đường điện quốc gia chưa có

Ở Việt Nam, với sự hỗ trợ của nhà nước (các bộ, ngành) và một số tổ chức quốc

tế đã thực hiện thành công việc xây dựng các trạm pin mặt trời có công suất khác nhau phục vụ nhu cầu sinh hoạt và văn hóa của các địa phương vùng sâu, vùng xa, các công trình nằm trong khu vực không có lưới điện Tuy nhiên hiện nay pin mặt trời vẫn đang còn là món hàng xa xỉ đối với các nước nghèo như chúng ta

Đi đầu trong việc phát triển ứng dụng này là ngành bưu chính viễn thông Các trạm pin mặt trời phát điện sử dụng làm nguồn cấp điện cho các thiết bị thu phát sóng của các bưu điện lớn, trạm thu phát truyền hình thông qua vệ tinh Ở ngành bảo đảm hàng hải, các trạm pin mặt trời phát điện sử dụng làm nguồn cấp điện cho các thiết bị chiếu sáng, cột hải đăng, đèn báo sông Trong ngành công nghiệp, các trạm pin mặt trời phát điện sử dụng làm nguồn cấp điện dự phòng cho các thiết bị điều khiển trạm biến áp 500 kV, thiết bị máy tính và sử dụng làm nguồn cấp điện nối với điện lưới Quốc gia Trong sinh hoạt của các hộ gia đình vùng sâu, vùng xa, các trạm pin mặt trời phát điện sử dụng để thắp sáng, nghe đài, xem vô tuyến Trong ngành giao thông đường bộ, các trạm pin mặt trời phát điện dần được sử dụng làm nguồn cấp điện cho các cột đèn đường chiếu sáng [1]

1.3 Bộ điều khiển sạc

1.3.1 Định nghĩa bộ điều khiển sạc

Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời là thiết bị thực hiện chức năng điều tiết sạc cho ắc-quy, bảo vệ cho ắc-quy chống nạp quá tải và xả quá sâu nhằm nâng cao tuổi thọ của bình ắc-quy, và giúp hệ thống pin mặt trời sử dụng hiệu quả và lâu dài

Hình 1.10: Bộ điều khiển sạc

Bộ điều khiển sạc còn cho biết tình trạng nạp điện của pin mặt trời vào ắc-quy giúp cho người sử dụng kiểm soát được các phụ tải Ngoài ra nó còn giúp thực hiện việc bảo vệ nạp quá điện thế hoặc điện thế thấp [5]

1.3.2 Nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển sạc

Hình 1.11: Nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển sạc [5]

 Nguyên lý hoạt động rất đơn giản như sau:

Điotzener tạo điện áp tham chiếu ở đây sử dụng điotzener 6V Nhờ điot này mà điện áp tham chiếu vào chân 2 luôn được giữ cố định dù bình đã vơi điện

Biến trở và các điện trở phân áp vào chân số 3 lấy điện áp thực tế của bình so sánh với điện áp tham chiếu ở chân số 2 Khi điện áp của bình chứa đầy điện áp ở chân

số 3 nhỏ hơn điện áp chân 2 đầu ra khuếch đại thuật toán ở mức 0, rơle chưa có điện

áp kích mở, dòng điện áp được nạp ở bình nhờ cầu điot Khi bình đầy chân số 3 lớn hơn điện áp so sánh, lúc này chân số 6 cấp dòng kích mở transitor đóng điện cho rơle, khi đó sẽ cách ly bình với dòng nạp, đèn led báo sáng, khi đó ta có thể ngắt bình ra được [5]

Chú ý: Bình ắc-quy đầy ở điện áp tầm 13,7V sử dụng biến trở điều chỉnh đúng

điện áp sao cho rơle tự ngắt ở điện áp này, nếu không có điotzen 6V thì dùng điotzener 3V vẫn được nhưng cần phân áp lại , IC ở đây là Lm741 có thể thay thế bằng các loại khác như Lm358,324,… Cần xác định đúng chân trước khi dùng Dòng nạp nhỏ hơn 1/10 dung lượng ắc-quy sẽ kéo dài tuổi thọ của bình, với loại bình 25A thì biến áp chọn loại 3A là hợp lý Rơle sẽ không đóng ngay lập tức mà từ từ, do đó sẽ điều chỉnh được dòng nạp hợp lý

1.3.3 Chu kỳ sạc của bộ điều khiển sạc

Hầu hết các bộ điều khiển sạc thường có 3 quá trình trong 1 chu kỳ sạc:

Hình 1.12: Chu kỳ sạc của bộ điều khiển sạc [5]

 Quá trình quá độ bắt đầu nạp và khi đạt cường độ dòng điện không đổi (Bulk stage): Trong chu kỳ này, điện thế sẽ liên tục tăng đến giá trị cực đại Khi đó, ắc-quy

có cường độ dòng điện không đổi và lớn nhất Chu kỳ sẽ kết thúc khi điện thế đạt giá trị cực đại

 Quá trình hấp thụ (Absorption stage): Trong chu kỳ này, điện áp ở giá trị cực đại và không thay đổi, thường kéo dài khoảng 1 giờ Trong khi đó, cường độ dòng điện

sẽ liên tục giảm Chu kỳ kết thúc khi điện áp bắt đầu giảm

 Quá trình thả nổi (Float stage): Sau chu kỳ hấp thụ, điện áp giảm xuống, cường độ được phục hồi cho đến khi bắt đầu chu kỳ nạp mới Dòng điện cực đại của

bộ điều khiển chính là cường độ dòng điện tối đa đưa vào bộ điều khiển và nó cho biết

số lượng tấm mặt trời có thể đấu nối vào nó Mạch bảo vệ của bộ điều khiển sẽ thực hiện việc ngắt mạch khi bộ điều khiển xác nhận bình ắc-quy đã được nạp đầy hoặc điện áp bình quá thấp [5]

1.3.4 Chức năng của bộ điều khiển sạc

1.3.4.1 Bảo vệ bình ắc-quy

Khi bình đầy (13.8V - 14V đối với ắc-quy 12V) thì bộ điều khiển ngăn không cho nguồn điện tiếp tục nạp vào ắc-quy có thể gây sôi bình và làm ảnh hưởng đến tuổi thọ của bình Khi bình gần cạn đến ngưỡng phải ngắt để bảo vệ bình (10.5V đối với ắc-quy 12V), bộ điều khiển sẽ ngắt không cho sử dụng tải để bảo vệ bình không bị

“kiệt” [5]

1.3.4.2 Bảo vệ tấm pin mặt trời

Nguyên lý của dòng điện là chảy 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 không 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 và “đốt” tấm pin, 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 không để cho dòng điện có thể đi ngược lên tấm pin để tránh hiện tượng trên [5]

1.3.4.3 Đạt hiệu suất cao nhất từ tấm pin mặt trời

Có chức năng này thì thiết bị này mới có tên gọi là “điều khiển”, nghĩa là thiết

bị này điều khiển làm sao để công suất sạc đạt cực đại Pmax và nâng cao hiệu suất sử dụng của tấm pin mặt trời Các bộ điều khiển sạc kiểu cũ đơn giản thì chỉ điều khiển đóng cắt khi bình đầy hoặc bình cạn và bảo vệ không cho điện trào lên pin, hiện đại hơn là sử dụng phương pháp điều khiển điều rộng xung PWM (Pulse - Width - Modulation) sử dụng mạch transitor đóng cắt liên tục để ổn áp sạc cho ắc-quy, phương pháp này có nhược điểm lớn là làm hao phí khoảng trên dưới 20% lượng điện sạc từ pin mặt trời Các bộ điều khiển sạc hiện đại sử dụng phương pháp điều rộng xung không hao phí, có bộ vi xử lý và thiết bị đo chọn được điểm có công suất cực đại MPP (Max Power Point) Pmax để sạc cho ắc-quy [5]

1.3.4.4 Phương pháp sạc xung

Các bộ điều khiển sạc xung sẽ kéo dài tốt hơn tuổi thọ của ắc-quy Phương pháp sạc xung hiện nay được ứng dụng trong việc sạc laptop, sạc điện thoại và được đánh giá là phương pháp sạc ưu việt nâng cao tuổi thọ của pin hay ắc-quy [5]

1.3.4.5 Một số chức năng khác

Hiển thị mức điện còn trong bình ắc-quy, bảo vệ quá tải, chập mạch trong hệ thống, các chức năng bổ sung như tự động bật tắt thiết bị, tạo dòng 5V để sạc điện thoại…

1.4 Bình Ắc-quy

1.4.1 Giới thiệu chung về Ắc-quy

Hệ quang điện làm việc độc lập cần phải có khâu lưu giữ điện năng để có thể phục vụ cho tải trong những thời gian thiếu nắng, ánh sáng yếu hay vào ban đêm Có nhiều phương pháp lưu trữ năng lượng trong hệ mặt trời Phổ biến nhất vẫn là sử dụng ắc-quy để lưu trữ năng lượng Ắc-quy là thiết bị điện hoá, tồn trữ dưới dạng hoá năng

và khi có phụ tải sử dụng đấu nối vào, hoá năng được giải phóng dưới dạng điện năng

Bộ ắc-quy giúp lưu giữ điện năng chưa sử dụng và sẽ cung cấp cho bộ biến đổi DC/AC trong trường hợp khí hậu xấu, trời nhiều mây, mưa không cung cấp đủ ánh sáng Bộ ắc-quy cũng đồng thời trực tiếp cung cấp điện một chiều cho các thiết bị sử dụng điện một chiều

Hình 1.13: Một số loại Ắc-quy

Các tính năng cơ bản của ắc-quy:

- Sức điện động lớn, ít thay đổi khi phóng điện nạp

- Sự tự phóng điện bé nhất

số điện trở trong của ắc-quy khi nạp điện đầy là 0,001Ω và ắc-quy phóng điện hoàn toàn là 0.02 - 0.025Ω [4]

1.4.2 Cấu tạo của Ắc-quy

Các bộ phận chủ yếu của ắc-quy axit gồm:

+ Các lá cực dương làm bằng chì Pb2 được ghép song song với nhau thành một

+ Cấu nối bằng chì để nối tiếp các đầu cực âm của ngăn ắc-quy này với cực dương của ngăn ắc-quy kế tiếp [4]

Hình 1.14: Cấu tạo Ắc-quy [4]

1.4.3 Các loại Ắc-quy

1.4.3.1 Ắc-quy chì - axit

Ắc-quy chì - axit có cấu tạo điện cực dương là điôxit chì PbO2, điện cực âm là chì xốp Pb, dung dịch dùng là axit sulfuric H2SO4 Khi nối cực ắc-quy với mạch tải dung dịch sẽ biến đổi thành sulfat chì PbSO4

Trong quá trình làm việc của ắc-quy, có nhiều phản ứng hoá học xảy ra Trong quá trình nạp, sunfat chì ở cực dương biến đổi thành chì điôxit Còn khi ắc-quy phóng hết điện, các chất tích cực trên điện cực dương PbO2 và trên điện cực âm Pb biến thành PbSO4, còn axit sunfuric H2SO4 biến hết thành nước Trong một ắc-quy được nạp đến đầy dung lượng, thông thường dung dịch chứa khoảng 36% tỉ trọng axit, hay là 25% thể tích, còn lại là nước

Tỷ lệ giữa mật độ axit trong dung dịch so với mật độ nước gọi là tỷ trọng đặc trưng, là một trong những thông số quan trọng của ắc-quy, xác định điểm nhiệt độ hoá rắn của dung dịch khi ắc-quy phóng hết Điểm nhiệt độ hoá rắn của dung dịch lại xác định khả năng làm việc của ắc-quy tại các môi trường nhiệt độ khác nhau Ở môi trường nhiệt độ càng thấp càng yêu cầu tỷ trọng đặc trưng của ắc-quy phải cao Tỷ trọng đặc trưng khi ắc-quy nạp đầy thường trong phạm vi 1,250 đến 1,280 ở nhiệt độ

27oC, nghĩa là mật độ dung dịch lớn hơn nước sạch 1,25 đến 1,28 lần Khi ắc-quy phóng hết điện, tỷ trọng đặc trưng sẽ giảm dần về 1 Điện áp định mức của một ngăn ắc-quy chì là khoảng 2,1V

Loại ắc-quy này có tuổi thọ cao, dung lượng lớn Ắc-quy chì - axit được sử dụng phổ biến trong hệ quang điện làm việc độc lập vì nó có giá thành hợp lý, tính tiện dụng và khả năng lưu trữ điện năng từ vài tiếng đồng hồ đến vài ngày [4]

1.4.3.2 Ắc-quy kiềm

Ví dụ loại Nikel - Cadmium, sử dụng dung dịch là KOH, điện cực dương là hyđroxit Nikel và cực âm là Cadmium Cd Khi phóng điện hyđroxit Nikel chuyển thành Ni(OH)2 và Cadmium thành Cd(OH)2 Mật độ chất điện ly không thay đổi, vì

ngăn sẽ giảm đột ngột Ắc-quy Nikel - Cadmium có thể chấp nhận dòng nạp lớn có giá trị bằng dung lượng của ắc-quy và có thể được nạp tiếp tục lâu dài với dòng nạp có giá trị đến 1/15 giá trị dung lượng của ắc-quy [4]

1.4.4 Nguyên lý hoạt động của Ắc-quy

Hình 1.15: Mô phỏng bản cực Ắc-quy axit [4]

Trong hình này vẽ đại diện hai bản cực của một ắc-quy, trong đó cực cả hai cực được làm bằng Chì (Pb) và oxít Chì (PbO2) Điền đầy giữa các bản cực là dung dịch axít sulfuric (H2SO4) loãng, và tất nhiên là dung dịch loãng như vậy thì chứa nước (H2O) là chiếm phần lớn thể tích

Ở trạng thái được nạp đầy, các bản cực ắc-quy ở trạng thái hóa học nêu trên (như hình, tức là cực dương là PbO2, cực âm là Pb), trong các quá trình phóng điện và nạp điện cho ắc-quy, trạng thái hóa học của các cực bị thay đổi Có thể xem về trạng thái hóa học trong các quá trình phóng - nạp như hình dưới đây:

Quá trình nạp điện cho quy, do tác dụng của dòng điện nạp mà bên trong quy sẽ có phản ứng ngược lại so với chiều phản ứng trên, phản ứng chung gộp lại

ắc-Trong thực tế, các bản cực ắc-quy không giống như ở trên, các cực của ắc-quy

có số lượng nhiều hơn (để tạo ra dung lượng bình ắc-quy lớn) và mỗi bình ắc-quy lại bao gồm nhiều ngăn như vậy Nhiều tấm cực 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

Do kết cấu xếp lớp nhau giữa các tấm cực của ắc-quy nên thông thường số cực dương và cực âm không bằng nhau bởi sẽ tận dụng sự làm việc của hai mặt một bản cực (nếu số bản cực bằng nhau thì các tấm ở bên rìa sẽ có hai mặt trái chiều ở cách nhau quá xa, do đó phản ứng hóa học sẽ không thuận lợi) Ở giữa các bản cực của ắc-quy đều có tấm chắn, các tấm chắn này không dẫn điện nhưng có độ thẩm thấu lớn để thuận tiện cho quá trình phản ứng xảy ra khi các cation và anion xuyên qua chúng để đến các điện cực

Hình 1.17: Các bản cực của Ắc-quy được gắn song song nhau [4]

Mỗi một ngăn cực của ắc-quy axít chỉ cho mức điện áp khoảng 2 đến 2,2V Do

đó để đạt được các mức 6, 12V thì ắc-quy phải ghép nhiều ngăn nhỏ với nhau Ví dụ ghép 3 ngăn để thành ắc-quy 6V, ghép 6 ngăn để thành ắc-quy 12V [4]

Hình 1.18: Bố trí các ngăn trong một Ắc-quy 12V [4]

1.4.5 Các đặc tính của Ắc-quy

1.4.5.1 Điện áp của Ắc-quy theo dung lượng

Mặc dù điện áp của các ắc-quy là một số chẵn của 2 Ví dụ như ắc-quy 2V, 6V, 12V, 24V, nhưng trên thực tế thì điện áp thông thường của các ắc-quy không như vậy Mức điện áp mà các ắc-quy cung cấp thường lớn hơn so với định mức của chúng

Ví dụ như ắc-quy 12V sẽ cung cấp mức điện áp tới 13V hoặc hơn Có điều có vẻ vô lý này cũng xuất phát từ mức độ điện áp trên mỗi ngăn bình của chúng Mức điện áp mỗi ngăn bình ắc-quy axít là 2,1 đến 2,2V (±0,05V) Do tính chất cố hữu của ắc-quy axit

mà các ngăn của chúng không thể có mức điện áp cao hơn

Cũng để đánh giá dung lượng của ắc-quy axít, người ta có các thí nghiệm đo đạc và cho thấy dung lượng ắc-quy phụ thuộc vào mức độ điện áp (lúc không phát dòng) như hình sau: