i
GIỚI THIỆU CHUNG
Việc sử dụng năng lượng sạch vào trong cuộc sống hiện nay không còn là vấn đề
mới nữa. Xung quanh chúng ta có rất nhiều công trình ứng dụng những tiến bộ khoa học
kỹ thuật, sử dụng nguồn năng lượng sạch đưa vào cuộc sống, “Hệ Thống Điện Mặt Trời
Chiếu Sáng Công Cộng Bằng Led” là một công trình như vậy. Đây là hệ thống chiếu sáng
đường nội bộ gồm 4 trụ đèn từ cổng đến khu nhà A8 của trường Đại Học Nha Trang, sử
dụng năng lượng mặt trời do sinh viên Nguyễn Quang Hải khóa 52 Khoa Điện - điện tử
thiết kế lắp đặt.
Ứng dụng các nguồn năng lượng sạch vào cuộc sống đã được triển khai nghiên cứu
và đưa vào cuộc sống từ lâu nhưng việc làm sao để sử dụng các nguồn năng lượng này
với hiệu quả cao nhất lại không hề dễ dàng. Nghiên Cứu Tối Ưu Hóa Hệ Thống Sử Dụng
Điện Mặt Trời Chiếu Sáng Bốn Trụ Đèn Trên Đường Nội Bộ Trong Trường Đại Học Nha
Trang là đồ án môn học 2 của nhóm sinh viên lớp 53DDT được thực hiện với mục đích
tối ưu hóa hệ thống chiếu sáng sử dụng điện mặt trời này, nhằm làm cho hệ thống hoạt
động ổn định với hiệu quả cao nhất.
 TÍNH CẤP THIẾT ĐỀ TÀI
Sau 30 năm đưa vào sử dụng, các cột đèn chiếu trên tuyến đường đôi từ cổng lên
nhà hiệu bộ đã xuống cấp. Cụ thể độ sáng của các trụ đèn không còn đảm bảo tiêu chuẩn
chiếu sáng đường nội bộ như quy định của TCXDVN 333:2005. Trước tình trạng xuống
cấp của 4 cột đèn, sinh viên Nguyễn Quang Hải khóa 52 Trường Đại học Nha Trang đã
cải tạo hệ thống chiếu sáng này bằng hệ thống đèn LED sử dụng năng lượng mặt trời trên
truyến đường đôi từ cổng lên nhà hiệu bộ. Đưa công trình chiếu sáng công cộng của
trường đi theo xu hướng sử dụng nguồn năng lượng sạch phù hợp với sự phát triển chung
của đất nước và thế giới.
Sinh viên Nguyễn Quang Hải đã đưa hệ thống chiếu sáng bằng đèn LED sử dụng
năng lượng mặt trời thay thế hệ thống chiếu sáng cũ tuy nhiên hệ thống mới này chưa sử
dụng thực sự hiệu quả nguồn năng lượng mặt trời. Vì vậy cần phải tối ưu hệ thống chiếu
GVHD: Trần Tiến Phức
ii
sáng để nâng cao chất lượng chiếu sáng và sử dụng hiệu quả hơn nữa nguồn năng lượng

SÁNG CÔNG CỘNG BẰNG LED” tối ưu hóa, tăng hiệu suất làm việc cho hệ thống, nhằm
đưa hệ thống làm việc ổn định với hiệu quả cao nhất. Tìm ra những mặt hạn chế để khắc
phục hoặc đề ra hướng khác phục những hạn chế đó.
Giáo dục ý thức cho sinh viên và cán bộ viên chức về bảo vệ môi trường, hạn chế sử
dụng các nguồn năng lượng hóa thạch, hạn chế chất thải, tận dụng và ứng dụng rộng rãi
các nguồn năng lượng sạch như năng lượng mặt trời, năng lượng gió… Hưởng ứng và
chấp hành chủ trương, chính sách của Nhà nước về tiết kiệm điện năng, sử dụng nguồn
năng lượng sạch, chủ động ứng phó với biến đổi khí hậu. Chủ động nắm bắt và ứng dụng
những công nghệ, thành tựu của nhân loại vào phục vụ cuộc sống và công việc của chúng
ta.
Đây là đồ án môn học 2 nhằm tối ưu hóa hệ thống chiếu sáng đường nội bộ Trường
Đại học Nha Trang bằng điện mặt trời có nhiều vấn đề liên quan cần giải quyết, có nhiều
yếu tố tác động, nhiều vấn đề đã được giải quyết, bên cạnh đó một số vấn để chưa giải
quyết được.
Vì vậy hoàn thành đồn án chỉ dừng lại ở mức thành công nhất định, đòi hỏi phải
hoàn chỉnh hơn về sau nếu như có thêm thời gian. Vì hệ thông cần thời gian hoạt động
mới có thể bộc lộ hết những mặt, những khía cạnh chưa hoàn thiện.
GVHD: Trần Tiến Phức
iv
MỤC LỤC
GIỚI THIỆU CHUNG i
TÓM TẮT iii
MỤC LỤC iv
DANH SÁCH BẢNG v
DANH SÁCH HÌNH vi
TỔNG QUAN viii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI CHIẾU SÁNG CÔNG
CỘNG 1
1.1.PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1
1.1.1.Cấu tạo 1

DANH SÁCH BẢNG
Bảng Trang
Bảng 1. 1: Tỷ trọng bình ACU ở 25
0
C 9
Bảng 1. 2: Dòng nạp của một số ACU 12
Bảng 1. 3: Điện áp các trụ đèn 19
Bảng 1. 4: Độ sáng các trụ đèn 22
GVHD: Trần Tiến Phức
vi
DANH SÁCH HÌNH
Hình Trang
Hình 1. 1: Pin mặt trời sản xuất từ tinh thể Silic 2
Hình 1. 2: Các loại cấu trúc tinh thể của PNLMT 3
Hình 1. 3: Cấu tạo Pin năng lượng mặt trời 4
Hình 1. 4: 2 mức trạng thái năng lượng của điện tử 5
Hình 1. 5: Phân vùng năng lượng của điện tử trong chất bán dẫn 5
Hình 1. 6: Sự hình thành hai điện cực của bán dẫn p-n 6
Hình 1. 7: Nguyên lý hoạt động của Pin năng lượng mặt trời 7
GVHD: Trần Tiến Phức
vii
Hình 1. 8: Cấu tạo ACU chì – acid 8
Hình 1. 9: Sự biến đổi thông số bình ACU qua quá trình phóng nạp 10
Hình 1. 10: Quá trình phóng điện của ACU 11
Hình 1. 11: Quá trình nạp điện cho ACU 12
Hình 1. 12: Cấu tạo bên trong và hình dạng cơ bản của LED 15
Hình 1. 13: Phân loại LED theo công suất 17
Hình 2. 1: Các khe thông khí của tủ điện đã được nới rộng 22
Hình 2. 2: Lắp nắp nhựa cho các trạm bên trong trụ điện 23
Hình 2. 3: Điện trở của mối nối truớc và sau khi gắn cos và hàn mối nối 23

- Công ty TNHH MTV Quản lý đô thị và môi trường TP.Buôn Ma Thuộc sử dụng
đèn LED trong chiếu sáng công cộng từ tháng 2/2012 đến tháng 7/2012 đã tiết
kiệm được gần 5.5 tỷ đồng tiền điện.
- Cầu Thuận Phước, cầu Rồng và cầu mới Trần Thị Lý đều được chính quyền TP.Đà
Nẵng lắp đặt hệ thống chiếu sáng bằng LED cho cả hệ thống chiếu sáng mỹ thuật
và chiếu sáng giao thông.
- Tại Hà Nội ngày 22/4/2014, Bộ Giao Thông Vân Tải phối hợp với Đại sứ quán
Vương quốc Bỉ tại Việt Nam tổ chức Hội thảo “Giải pháp chiếu sáng LED cho các
dự án giao thông tại Việt Nam”. Phát triển đến năm 2020 tầm nhìn đến năm 2030.
Như vậy, trên thực tế đã có nhiều công trình ứng dụng, phát triển LED, Pin mặt trời và
cả những công trình kết hợp LED – Pin mặt trời được ứng dụng vào cuộc sống. Chứng tỏ
tầm ảnh hưởng của LED – Pin mặt trời là không hề nhỏ đối với sự phát triển của đất
nước.
Nha Trang là một trong những địa điểm có tổng số giờ nắng trong năm cao của cả
nước, hơn nữa đại học Nha Trang tọa lạc ở vị trí khá thuận lợi: gần biển, thoáng đản, cao
và lượng nắng trong năm cũng đáng kể rất phù hợp để phát triển các loại năng lượng sạch
như năng lượng mặt trời.
Đây chính là những điều kiện thuận lợi để phát triển những dự án, triển khai những
công trình LED – Pin mặt trời vào cuộc sống tại Việt Nam nói chung và thành phố biển
Nha Trang nói riêng.
“Hệ Thống Điện Mặt Trời Chiếu Sáng Công Cộng Bằng Led” là một công trình như
vậy. Đây là hệ thống chiếu sáng đường nội bộ gồm 4 trụ đèn từ cổng đến khu nhà A8
GVHD: Trần Tiến Phức
x
trường Đại Học Nha Trang sử dụng năng lượng mặt trời, do chính sinh viên của trường
thực hiện, đó là sinh viên Nguyễn Quang Hải khóa 52 Khoa Điện điện tử thiết kế lắp đặt.
Tuy nhiên đây là một dự án lớn đối với một sinh viên, liên quan đến nhiều lĩnh vực,
đòi hỏi kiến thức đa ngành, liên ngành chứ không đơn thuần là của chuyên ngành điện
-điện tử nữa. Chính vì vậy, khi dự án hoàn thành còn nhiều vất đề chưa được giải quyết
triệt để, đồng thời trong quá trình sử dụng có nhiều vấn đề mới phát sinh. Đây chính là lý

Vật liệu được coi là tối ưu nhất để làm pin Mặt Trời là các chất bán dẫn.
Chất bán dẫn (Semiconductor)
[1]
là vật liệu trung gian giữa chất dẫn điện và chất
cách điện chất bán dẫn cụ thể ở đây là silic.
Silic thuộc nhóm IV, tức là có 4 electron lớp ngoài cùng. Silic có thể kết hợp với
silicon khác để tạo nên chất rắn. Cơ bản có 2 loại chất rắn silicon, đa thù hình (không có
trật tự sắp xếp) và tinh thể (các nguyên tử sắp xếp theo thứ tự dãy không gian 3 chiều).
Pin năng lượng mặt trời phổ biến nhất dùng đa tinh thể silicon.
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. Các tầng năng lượng
GVHD: Trần Tiến Phức
2
không được phép này xem là tầng trống. Lý thuyết này căn cứ theo thuyết cơ học lượng
tử.
Ở nhiệt độ phòng, Silic nguyên chất có tính dẫn điện kém. 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. Các nguyên tử này chiếm vị trí của nguyên tử silic trong mạng
tinh thể, và liên kết với 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 ngoài
cùng, vì thế nên có chỗ trong mạng tinh thể có dư electron còn có chỗ thì thiếu electron.
Vì thế các electron thừa hay thiếu electron (gọi là lỗ trống) không tham gia vào các kết
nối mạng tinh thể. Chúng có thể tự do di chuyển trong khối tinh thể. Silic kết hợp với
nguyên tử nhóm III (nhôm hay gali) được gọi là loại bán dẫn p bởi vì năng lượng chủ yếu
mang điện tích dương (positive), trong khi phần kết hợp với các nguyên tử nhóm V (phốt
pho, asen) gọi là bán dẫn n vì mang năng lượng âm (Negative). Lưu ý rằng cả hai loại n
và p có năng lượng trung hòa, tức là chúng có cùng năng lượng dương và âm, loại bán
dẫn n, loại âm có thể di chuyển xung quanh, tương tự ngược lại với loại p.
Hình 1.1: Pin mặt trời sản xuất từ tinh thể Silic
Cho tới hiện nay thì vật liệu chủ yếu dùng cho sản xuất pin Mặt Trời (và cho các

pin bị nóng thì giảm hiệu suất hoạt động vì thế nên phải làm giảm thiểu nhiệt năng.
Hình 1.3: Cấu tạo Pin năng lượng mặt trời
Tấm năng lượng Mặt Trời tạo thành từ nhiều pin Mặt Trời. Mặc dù mỗi pin chỉ
cung cấp một lượng nhỏ năng

l ư

ợng , nhưng nhiều pin trải dài trên một diện tích lớn tạo
nên nguồn năng lượng đủ dùng
1.1.2. Nguyên lý hoạt động
Để nói về nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời trước tiên ta nói về hiệu
ứng quang điện.
Hiệu ứng quang điện
[1]
là một hiện tượng điện - lượng tử, trong đó các điện tử được
thoát ra khỏi nguyên tử (quang điện trong) hay vật chất (quang điện thường) sau khi hấp
thụ năng lượng từ các photon trong ánh sáng làm nguyên tử chuyển sáng trạng thái kích
thích làm bắn electron ra ngoài. Hiệu ứng quang điện đôi khi được người ta dùng với cái
tên Hiệu ứng Hertz, do nhà khoa học Heinrich Hertz tìm ra.
Đó là hiện tượng mà một điện tử đang ở trạng thái E
2
khi ánh sáng mặt trời gồm các
hạt nhỏ gọi là photon mang năng lượng hv (h là hằng số Plank, v là tần số ánh sáng) chiếu
vào điện tử đó sẽ hấp thu năng lượng và nhảy lên trạng thái E
2
GVHD: Trần Tiến Phức
5
Hình 1.4: 2 mức trạng thái năng lượng của điện tử
Trong chất bán dẫn các điện tử ở trạng thái cần bằng về về năng lượng nằm ở vùng
năng lượng thấp hay vùng hóa trị có mức năng lượng E


năng
l ư

ợng
của photon thấp hơn năng lượng đủ để đưa các hạt electr o

n

lên

mức
năng lượng cao
hơn.
- Năng lượng của photon được hấp thụ bởi silic. Điều này thường xảy
ra

khi
năng
lượng của photon lớn hơn năng lượng để đưa electron lên mức
năng

lượng
cao hơn.
Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các hạt
electron trong màng t i

nh

th ể

nhau (axit chì, chì khô, khí kín, niken….) Nhưng về cơ bản có thể chia thành hai loại
ACU chính là ACU chì – axit và ACU sắt – kiềm. Trong khuôn khổ đồ án này ta tập
trung nghiên cứu ACU chì – axit, sản xuất theo công nghệ kín khí, không cần bảo dưỡng,
GVHD: Trần Tiến Phức
8
đây cũng là loại ACU sử dụng trong hệ thống chiếu sáng đường nội bộ trường Đại học
Nha Trang sử dụng điện mặt trời.
1.2.1.1. Cấu tạo
ACU chì gồm có các bản cực bằng chì đi-ô-xít chì ngâm trong dung dịch acid
Sulfuric. Hình 1.8 trình bày cấu tạo của ACU.
Các bản cực thường có cấu trúc phẳng, dẹp, dạng khung lưới, làm bằng hợp kim chì
- Antimone, có nhồi các hạt hóa chất tích cực. Các hóa chất này khi được nạp đầy là
dioxit chì ở cực dương, và chì nguyên chất ở cực âm. Các bản cực được nối với nhau
bằng những thanh chì ở phía trên, bản cực dương nối với bản cực dương, bản cực âm
nối với bản cực âm. Thông thường, các bản cực âm được đặt ở bên ngoài, do đó số lượng
các bản cực âm nhiều hơn bản cực dương. Các bản cực âm ngoài cùng thường mỏng hơn,
vì chúng sử dụng diện tích tiếp xúc ít hơn.
Chất lỏng dùng trong bình accu này là dung dịch acid Sulfuric. Nồng độ của dung
dịch biểu trưng bằng tỷ trọng đo được, tuỳ thuộc vào loại bình accu, và tình trạng phóng
nạp của bình.
Trị số tỷ trọng của bình accu khi được nạp đầy được quy ra ở 25⁰C (77⁰F) được
cho ở Bảng 1.1
GVHD: Trần Tiến Phức
Hình 1.8: Cấu tạo ACU chì - acid
9
Bảng 1. 1: Tỷ trọng bình ACU ở 25
0
C
Loại bình accu Tỷ trọng điện
Bình accu làm việc ở chế độ tải nặng, thí dụ các xe tải điện 1,275

2
) khử mất ôxi và thành chì Pb, bản này sẽ thành cực âm (-) của
ACU. Còn ở bản nối với cực dương (+) của nguồn điện thì có ôxit bám vào, ôxi hóa
Pb
3
O
4
thành Chì đi-ôxit (PbO
2
), bản này sẽ trở thành cực dương (+) của ACU. Khi hai
cực đã trở thành Pb và PbO
2
thì giữa chúng có một hiệu điện thế, ACU trở thành nguồn
điện và bây giờ tự nó có thể phát ra dòng điện.
Nếu ta nối hai cực của ACU đã được nạp điện bằng một dây dẫn thì dòng điện
chạy trong dây sẽ có chiều ngược với dòng điện lúc nạp vào ACU. Dòng điện này sẽ
gây ra quá trình hóa học ngược lại, dung dịch axit lại bị điện phân nhưng lần này các ion
chuyển dời ngược chiều với lúc đầu, Hiđrô sẽ chạy về bản PbO
2
và khử ôxi, làm cho bản
này chở thành chì ôxit PbO. Cho đến khi hai cực đã hoàn toàn giống nhau thì dòng điện
tắt. Bây giờ muốn ACU lại phát điện, ta phải nạp điện cho nó để hai cực trở thành Pb và
PbO
2
.
GVHD: Trần Tiến Phức
Hình 1.9: Sự biến đổi thông số bình ACU qua quá trình phóng nạp
11
1.2.2. Phóng và nạp ACU
1.2.2.1. Phóng ACU

(+):
Bảng 1. 2: Dòng nạp của một số ACU
Loại accu Dòng điện nap A) Thời gian nạp (giờ)
12V.60Ah
5 12
12V.100Ah
10 10
12V.200Ah
10 18
GVHD: Trần Tiến Phức
Hình 1. 11: Quá trình nạp điện cho ACU
13
1.2.2.3. Chế độ hoạt động
Có hai chế độ vận hành chính đó là: Chế độ nạp thường xuyên và chết độ phóng nạp
xem kẽ:
 Chế độ nạp thường xuyên:
Đối với các loại bình ACU tĩnh điện, việc vận hành ACU được tiến hành theo chế
độ phụ nạp thường xuyên. ACU được đấu vào thanh cái một chiều song song với thiết
bị nạp. Nhờ vậy, tuổi thọ và độ tin cậy của ACU tăng lên và hạ thấp cho phí bảo dưỡng.
Để bảo đảm chất lượng ACU, trước khi đưa vào chế độ phụ nạp thường
xuyên phải phóng nạp tập dợt 4 lần. Trong quá trình vận hành ACU ở chế độ phụ nạp
thường xuyên. ACU không cần phóng tập dợt cũng như nạp lại. Trường hợp sau một
thời gian dài làm việc ở chế độ phụ nạp thường xuyên mà thấy chất lượng ACU bị giảm
thì phải thực hiện việc phóng nạp đột xuất.
Ở

chế độ phụ nạp thường xuyên cần duy trì điện thế trên mỗi
ACU

là

Min
). Như vậy, ACU sẽ được nạp và
phóng một cách an toàn để kéo dài tuổi thọ.
Các thông số kỹ thuật cần được quan tâm:
 Ngưỡng điện thế cắt V
Max
:
Ngưỡng điện thế cắt V
max
là giá trị hiệu điện thế trên hai cực của bộ ACU đã
được nạp điện đầy, dụng lượng đạt 100%, khi đó nếu tiếp tục nạp điện cho acquy thì
ACU sẽ bị quá đầy, dung dịch ACU sẽ bị sôi dẫn đến sự bay hơi dung dịch dẫn điện
và làm hư hỏng các bản cực. Vì vậy khi có dấu hiệu accu đã được nạp đầy, hiệu điện thế
trên các cực bộ ACU đạt đến V=V
max
, thì bộ điều khiển sẽ tự động cắt hoặc hạn chế
dòng nạp điện từ dàn pin Mặt Trời. Sau đó khi hiệu điện thế bộ accu giảm xuống dưới giá
trị ngưỡng, bộ điều khiển lại tự động đóng mạch nạp lại.
 Ngưỡng điện thế cắt - nạp V
Min
:
Ngưỡng điện thế nạp V
min
là giá trị hiệu điện thế trên hai cực bộ ACU, khi ACU đã
phóng điện đến giá trị cận dưới của dung lượng accu (ví dụ: đối với ACU Chì – axit, khi
trong ACU chỉ còn lại 30% dung lượng). Nếu tiếp tục sử dụng thì ACU sẽ bị phóng điện
quá kiệt dẫn đến hư hỏng ACU. Vì vậy, Khi bộ điều khiển nhận thấy hiệu điện thế
bộ ACU V ≤ V
min
thì nó sẽ tự động cắt mạch tải tiêu thụ và tiến hành nạp điện vào