Thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời lưu trữ với hệ thống theo dõi sản lượng và cơ chế cảnh báo bụi bẩn

Đồ án thiết kế hệ thống điện mặt trời lưu trữ và cảnh báo bụi bẩn tại ĐH SPKT TP.HCM

• Tác giả: Nguyễn Hương Quỳnh
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Trần Phú
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Năng lượng tái tạo
• Đề tài: Thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời lưu trữ với hệ thống theo dõi sản lượng và cơ chế cảnh báo bụi bẩn
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống năng lượng mặt trời lưu trữ tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP

Đồ án tốt nghiệp năm 2025 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM trình bày thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời lưu trữ hoàn chỉnh. Đề tài thuộc ngành Năng lượng tái tạo, Khoa Cơ khí Động lực. Giảng viên hướng dẫn là TS. Nguyễn Trần Phú. Hai sinh viên thực hiện gồm Nguyễn Hương Quỳnh và Nguyễn Ngọc Uyên Phương.

Hệ thống tích hợp ba chức năng cốt lõi. Thứ nhất là sản xuất điện từ pin mặt trời. Thứ hai là lưu trữ năng lượng vào bộ pin. Thứ ba là giám sát sản lượng theo thời gian thực kết hợp cơ chế cảnh báo bụi bẩn trên bề mặt tấm pin.

Năng lượng mặt trời đang trở thành nguồn điện chiến lược tại Việt Nam. Bức xạ mặt trời trung bình ở TP.HCM đạt 4,5–5,5 kWh/m²/ngày. Điều này tạo điều kiện lý tưởng để triển khai hệ thống quang điện. Các trường đại học kỹ thuật đóng vai trò tiên phong trong nghiên cứu và ứng dụng công nghệ xanh. Đề tài này minh chứng rõ nét cho xu hướng đó. Mô hình thiết kế có thể nhân rộng cho các công trình công cộng và dân dụng trên cả nước.

1.1. Mục tiêu và phạm vi của đồ án tốt nghiệp

Đồ án xác định sáu nhiệm vụ cụ thể. Nhóm nghiên cứu tiến hành khảo sát hiện trạng, tra cứu tài liệu và lựa chọn đề tài phù hợp. Tiếp theo, nhóm xây dựng đề cương tóm tắt các yêu cầu kỹ thuật. Sau đó, nhóm thiết kế trường pin mặt trời có lưu trữ và kết nối cơ sở dữ liệu. Song song đó, nhóm nghiên cứu mô hình phát hiện bụi bẩn và triển khai lên phần cứng thực tế. Cuối cùng, nhóm kiểm tra thực nghiệm, đánh giá hiệu năng và hoàn thiện báo cáo. Thời gian thực hiện từ tháng 9/2024 đến tháng 12/2024.

1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Đề tài đóng góp vào kho tàng nghiên cứu năng lượng tái tạo trong nước. Về mặt khoa học, kết quả cung cấp dữ liệu thực nghiệm về hiệu suất pin mặt trời tại điều kiện khí hậu TP.HCM. Về mặt thực tiễn, hệ thống theo dõi sản lượng giúp phát hiện sớm sự cố và tối ưu vận hành. Cơ chế cảnh báo bụi bẩn giải quyết một trong những nguyên nhân chính làm suy giảm hiệu suất tấm pin tại các khu vực đô thị đông dân. Mô hình có thể áp dụng trực tiếp cho các tòa nhà trường học, cơ quan nhà nước và khu công nghiệp.

II. Phân tích nguyên lý hoạt động và thách thức kỹ thuật của hệ thống điện mặt trời lưu trữ

Pin mặt trời hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện. Khi photon từ ánh sáng mặt trời chiếu vào tấm pin, năng lượng photon giải phóng electron từ dải hóa trị lên dải dẫn. Quá trình này tạo ra cặp electron–lỗ trống. Cấu trúc mối nối p-n trong tế bào quang điện tách riêng hai loại hạt mang điện này.

Vật liệu loại n được pha tạp phosphorus, tạo ra điện tử tự do dư thừa. Vật liệu loại p được pha tạp boron, tạo ra lỗ trống tích điện dương. Tại mối nối p-n hình thành vùng suy giảm với điện trường nội tại. Điện trường này ngăn tái hợp electron–lỗ trống và thúc đẩy dòng điện một chiều.

Thách thức lớn nhất là hiệu suất pin suy giảm theo nhiệt độ. Với silicon, điện áp mạch hở giảm khoảng 2,2 mV/°C khi nhiệt độ tăng. Dòng bão hòa ngược I₀ tăng gần gấp đôi khi nhiệt độ tăng thêm 10°C. Ngoài ra, bụi bẩn tích tụ trên bề mặt tấm pin cản trở lượng bức xạ đến tế bào quang điện, gây tổn thất sản lượng đáng kể trong điều kiện đô thị.

2.1. Cơ chế vật lý của tế bào quang điện silicon

Tế bào quang điện silicon khai thác cấu trúc bán dẫn tinh vi. Khi hai loại vật liệu p và n tiếp xúc, electron khuếch tán từ phía n sang phía p trong khi lỗ trống di chuyển theo chiều ngược lại. Quá trình khuếch tán này dừng lại khi điện trường vùng suy giảm đủ mạnh để cân bằng lực khuếch tán. Khi photon được hấp thụ trong vùng suy giảm, electron và lỗ trống bị tách ra trước khi kịp tái hợp. Điều này tạo ra hiệu điện thế và dòng điện có thể khai thác ngoài mạch. Hiệu suất chuyển đổi phụ thuộc vào chất lượng vật liệu, mức độ pha tạp và thiết kế cấu trúc tế bào.

2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ và bụi bẩn đến hiệu suất hệ thống

Nhiệt độ tác động trực tiếp đến các thông số điện của pin mặt trời. Điện áp mạch hở V_OC giảm khi nhiệt độ tăng theo hệ số âm xác định bởi các tham số vật liệu silicon. Pin mặt trời có điện áp danh định cao hơn chịu ảnh hưởng nhiệt độ ít hơn. Tại TP.HCM, nhiệt độ môi trường và nhiệt độ bề mặt tấm pin thường cao, làm trầm trọng thêm sự sụt giảm hiệu suất. Bụi bẩn là yếu tố thứ hai gây tổn thất sản lượng. Lớp bụi hấp thụ và phản xạ một phần bức xạ mặt trời trước khi đến bề mặt tế bào quang điện. Mức độ tổn thất phụ thuộc vào loại bụi, độ ẩm và thời gian tích tụ.

III. Giải pháp thiết kế hệ thống theo dõi sản lượng và cảnh báo bụi bẩn

Nhóm nghiên cứu triển khai hệ thống theo dõi sản lượng theo thời gian thực. Dữ liệu đo lường từ bộ cảm biến được truyền lên cơ sở dữ liệu tập trung. Quản trị viên có thể truy xuất thông tin sản lượng từ xa thông qua giao diện web hoặc ứng dụng di động.

Cơ chế cảnh báo bụi bẩn dựa trên mô hình phát hiện tự động. Nhóm nghiên cứu và triển khai mô hình này trực tiếp trên phần cứng nhúng. Khi mức bụi vượt ngưỡng cho phép, hệ thống phát cảnh báo để vận hành viên tiến hành vệ sinh tấm pin kịp thời.

Hệ thống lưu trữ năng lượng bằng bộ pin sạc. Pin lưu trữ điện năng dư thừa trong giờ cao điểm nắng. Điện năng lưu trữ được sử dụng vào ban đêm hoặc khi trời흐 mây. Thiết kế này đảm bảo nguồn cung điện ổn định và liên tục. Toàn bộ hệ thống được tích hợp, kiểm tra thực nghiệm và tinh chỉnh tại cơ sở của Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM trước khi hoàn thiện báo cáo tốt nghiệp.

3.1. Kiến trúc hệ thống thu thập và lưu trữ dữ liệu

Kiến trúc hệ thống gồm ba lớp chính. Lớp thiết bị bao gồm các cảm biến đo điện áp, dòng điện, nhiệt độ và bức xạ mặt trời gắn trực tiếp trên trường pin. Lớp truyền thông sử dụng giao thức không dây để gửi dữ liệu lên máy chủ định kỳ. Lớp lưu trữ là cơ sở dữ liệu trung tâm lưu toàn bộ lịch sử sản lượng. Thiết kế này cho phép phân tích xu hướng dài hạn, phát hiện bất thường và đưa ra khuyến nghị bảo trì. Dữ liệu lịch sử cũng phục vụ nghiên cứu học thuật và cải tiến thiết kế trong tương lai.

3.2. Mô hình phát hiện bụi bẩn trên bề mặt tấm pin mặt trời

Mô hình phát hiện bụi bẩn được xây dựng dựa trên phương pháp học máy. Nhóm thu thập tập dữ liệu hình ảnh bề mặt tấm pin ở các mức độ bụi khác nhau. Mô hình được huấn luyện để phân loại mức độ bụi và dự đoán tổn thất sản lượng tương ứng. Sau khi đạt độ chính xác yêu cầu, mô hình được triển khai trực tiếp trên phần cứng nhúng gắn với hệ thống. Cảnh báo tự động được kích hoạt khi mô hình phát hiện bụi bẩn vượt ngưỡng. Giải pháp này giảm thiểu chi phí vận hành và kéo dài tuổi thọ tấm pin nhờ vệ sinh đúng thời điểm, tránh vệ sinh định kỳ không cần thiết.

IV. Kết quả thực nghiệm và hướng ứng dụng hệ thống điện mặt trời lưu trữ thông minh

Quá trình kiểm tra thực nghiệm xác nhận hệ thống hoạt động đúng thiết kế. Trường pin mặt trời sản xuất điện năng ổn định trong điều kiện khí hậu thực tế tại TP.HCM. Bộ lưu trữ pin hoạt động hiệu quả, đảm bảo nguồn điện liên tục cho tải. Hệ thống theo dõi ghi nhận và truyền dữ liệu sản lượng lên cơ sở dữ liệu không có gián đoạn đáng kể.

Mô hình cảnh báo bụi bẩn phát hiện chính xác các trường hợp bụi tích tụ trong điều kiện thực tế. Thời gian phản hồi cảnh báo đáp ứng yêu cầu vận hành thực tế.

Hướng ứng dụng rộng mở. Mô hình có thể triển khai tại các trường học, bệnh viện, tòa nhà văn phòng và khu công nghiệp. Công nghệ theo dõi thông minh giúp tăng hiệu suất khai thác hệ thống quang điện. Về lâu dài, nghiên cứu tiếp theo có thể tích hợp trí tuệ nhân tạo để dự báo sản lượng và tối ưu lịch sử dụng điện từ lưới kết hợp với năng lượng mặt trời.

4.1. Đánh giá hiệu năng hệ thống sau thực nghiệm

Kết quả đánh giá dựa trên ba tiêu chí. Tiêu chí đầu tiên là độ chính xác dữ liệu sản lượng so với phép đo chuẩn. Tiêu chí thứ hai là hiệu suất lưu trữ và phóng điện của bộ pin. Tiêu chí thứ ba là tỷ lệ phát hiện đúng của mô hình bụi bẩn. Hệ thống đáp ứng cả ba tiêu chí ở mức chấp nhận được trong môi trường vận hành thực tế. Nhóm nghiên cứu đã thực hiện điều chỉnh thêm sau giai đoạn thử nghiệm ban đầu để nâng cao độ ổn định. Kết quả cuối cùng được ghi nhận đầy đủ trong báo cáo đồ án tốt nghiệp tháng 1/2025.

4.2. Tiềm năng nhân rộng và phát triển trong tương lai

Mô hình thiết kế từ đề tài này có tính modular cao. Quy mô trường pin và dung lượng lưu trữ có thể điều chỉnh linh hoạt theo nhu cầu công trình. Hệ thống theo dõi và cảnh báo có thể tích hợp vào nền tảng quản lý tòa nhà thông minh hiện có. Trong bối cảnh Việt Nam đẩy mạnh chuyển đổi năng lượng xanh theo cam kết Net Zero 2050, các giải pháp kỹ thuật được nghiên cứu và kiểm chứng trong nước như đề tài này có giá trị thực tiễn cao. Các nghiên cứu sinh và kỹ sư có thể kế thừa kết quả để phát triển hệ thống thế hệ tiếp theo với khả năng tự động hóa cao hơn và chi phí vận hành thấp hơn.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự phục hồi và tăng trưởng của nền kinh tế cùng với hiện tượng thời tiết nắng nóng kéo dài đã khiến nhu cầu tiêu thụ điện năng gia tăng đáng kể. Trong bức tranh năng lượng tổng thể, năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo dồi dào, thân thiện với môi trường, đóng vai trò giảm thiểu phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và cắt giảm phát thải khí nhà kính. Dẫn chứng số liệu năm 2023 được trình bày trong đồ án cho thấy: điện năng lượng tái tạo chiếm 27% cơ cấu sản xuất điện, trong đó công suất lắp đặt của điện mặt trời đạt 12.836 MW (chưa tính điện mặt trời mái nhà hiện hữu), chiếm 8,5% tổng công suất nguồn điện toàn hệ thống (bao gồm 10.236 MW điện mặt trời tập trung và 2.600 MW điện mặt trời tự sản tự tiêu).

Tuy nhiên, nguồn năng lượng mặt trời phụ thuộc lớn vào điều kiện thời tiết tự nhiên, đòi hỏi phải tích hợp hệ thống lưu trữ điện năng để đảm bảo tính ổn định của nguồn cấp. Đồng thời, các yếu tố môi trường như nhiệt độ vận hành cao và bụi bẩn bám trên bề mặt tấm pin quang điện (PV) làm suy giảm nghiêm trọng hiệu suất chuyển đổi quang - điện cũng như tuổi thọ thiết bị. Việc thay mới tấm pin khi hiệu suất suy giảm gây tốn kém chi phí, trong khi nhiều đơn vị vận hành thường chỉ chú trọng vào chất lượng vật liệu ban đầu mà bỏ qua việc tối ưu quy trình bảo trì, theo dõi vận hành thực tế.

Xuất phát từ thực tiễn trên, đề tài "Thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời lưu trữ với hệ thống theo dõi sản lượng và cơ chế cảnh báo bụi bẩn" được thực hiện bởi sinh viên Nguyễn Hương Quỳnh và Nguyễn Ngọc Uyên Phương, dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Trần Phú tại Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Đề tài xác định 6 nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

1. Khảo sát đề tài, tham khảo tài liệu, đọc và lựa chọn đề tài.
2. Viết đề cương tóm tắt các yêu cầu của đề tài, đưa ra các hướng xử lý các yêu cầu.
3. Thiết kế hệ thống pin mặt trời có lưu trữ để đẩy dữ liệu lưu trữ lên cơ sở dữ liệu.
4. Nghiên cứu mô hình phát hiện bụi bẩn và triển khai lên phần cứng.
5. Kiểm tra thực nghiệm hệ thống, đánh giá và điều chỉnh chức năng hệ thống.
6. Viết luận văn báo cáo đề tài.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là xây dựng mô hình phát điện mặt trời kết hợp pin lithium lưu trữ, tích hợp hệ thống đo lường - giám sát sản lượng thời gian thực thông qua vi điều khiển và giao diện web, đồng thời ứng dụng trí tuệ nhân tạo để phát hiện, cảnh báo mức độ bụi bẩn trên bề mặt pin dựa trên hình ảnh camera và thông số công suất đầu ra.

Về đối tượng nghiên cứu, đề tài tập trung vào tấm pin quang điện, pin lưu trữ lithium, vi điều khiển ESP32, máy tính nhúng Raspberry Pi, các cảm biến đo lường và thuật toán học sâu phát hiện bụi bẩn. Về phạm vi nghiên cứu, thực nghiệm được giới hạn trên một mô hình phần cứng quy mô nhỏ cố định loại pin quang điện và pin lưu trữ, lắp đặt thử nghiệm tại TP. Thủ Đức, TP. Hồ Chí Minh trong mốc thời gian thực hiện từ tháng 9/2024 đến tháng 1/2025.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết

Cơ sở lý thuyết của đề tài được xây dựng trên các nguyên lý vật lý bán dẫn quang điện, công nghệ lưu trữ năng lượng và các thuật toán học máy:

• Tính chất ánh sáng và bức xạ mặt trời: Ánh sáng mang tính chất lưỡng tính sóng - hạt. Năng lượng của photon ($E$) tỷ lệ nghịch với bước sóng ($\lambda$) qua biểu thức $E = hc/\lambda$, với $h = 6{,}626 \times 10^{-34}\ \text{J}\cdot\text{s}$ và $c = 2{,}998 \times 10^8\ \text{m/s}$. Mật độ năng lượng bức xạ mặt trời ngoài khí quyển Trái đất được tính toán xấp xỉ $1{,}36\ \text{kW/m}^2$, biến thiên khoảng 3,4% trong năm do quỹ đạo elip của Trái đất.
• Hiệu ứng quang điện và tiếp giáp P-N: Năng lượng vùng cấm (band gap - $E_g$) quyết định khả năng kích thích electron từ dải hóa trị lên dải dẫn. Tinh thể silicon có $E_g \approx 1{,}12\ \text{eV}$. Tiếp giáp P-N tạo ra vùng suy giảm với điện trường nội tại giúp phân tách các cặp electron - lỗ trống sinh ra khi hấp thụ photon, từ đó hình thành dòng điện một chiều (DC).
• Ảnh hưởng của nhiệt độ: Khi nhiệt độ tăng, vùng cấm của chất bán dẫn bị thu hẹp, làm tăng nồng độ hạt dẫn nội tại $n_i$ và dòng điện bão hòa nghịch $I_0$. Kết quả là điện áp mạch hở ($V_{oc}$) suy giảm rõ rệt (đối với silicon, mức suy giảm xấp xỉ $2{,}2\ \text{mV/}^\circ\text{C}$).
• Công nghệ pin lưu trữ: Đề tài phân tích cấu tạo gồm 5 phần chính của pin Li-ion (cực âm graphite, cực dương oxit kim loại/LiFePO4, dung dịch điện ly chứa muối lithium như $\text{LiPF}_6$, màng ngăn separator và collector thu dòng). Phản ứng điện hóa trong pin LiFePO4 có chu kỳ sạc - xả bền bỉ, dải điện áp vận hành danh định 12V gồm 4 cell $3{,}2\ \text{V}$ mắc nối tiếp (điện áp sạc đầy $14{,}6\ \text{V}$, điện áp ngắt xả $10\ \text{V}$).
• Mô hình học sâu và mạng nơ-ron: Sử dụng mạng nơ-ron tích chập (CNN) Inception V3 để trích xuất đặc trưng không gian từ hình ảnh bề mặt pin nhằm phân loại trạng thái bám bụi.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu áp dụng các phương pháp kỹ thuật thực nghiệm kết hợp mô phỏng:

• Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Thu thập thông số từ datasheet linh kiện, tài liệu chuyên khảo về pin mặt trời, pin lưu trữ và mô hình học sâu.
• Phương pháp mô phỏng số: Ứng dụng phần mềm MATLAB/Simulink (phiên bản 2022b) để mô hình hóa tấm pin PV, tái hiện đặc tuyến I-V và P-V dưới tác động thay đổi của bức xạ, nhiệt độ và lớp bụi bẩn.
• Phương pháp thiết kế cơ khí và hệ thống nhúng: Sử dụng phần mềm SolidWorks để thiết kế kết cấu cơ khí, giá đỡ tấm pin; dùng Arduino IDE lập trình C/C++ cho khối điều khiển ESP32; dùng Python trên môi trường Google Colab để huấn luyện mô hình mạng Inception V3 với framework PyTorch.
• Phương pháp thu thập dữ liệu và kiểm thử thực tế: Lắp đặt mô hình thực nghiệm, dùng cảm biến thu nhận dòng điện, điện áp, nhiệt độ, độ ẩm và cường độ sáng, truyền dữ liệu không dây lên đám mây Firebase và hiển thị trên giao diện web.

---

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế dưới dạng một trạm phát điện mặt trời độc lập có lưu trữ kết hợp khối quan trắc thông minh, bao gồm các thành phần phần cứng và phần mềm cụ thể:

Thành phần	Thiết bị / Công nghệ	Thông số kỹ thuật & Vai trò
Nguồn quang điện	Tấm pin Mono 60W	Điện áp danh định 18V; cung cấp nguồn điện một chiều cho hệ thống.
Bộ lưu trữ	Pin Lithium LiFePO4 12V	Ghép nối tiếp từ 4 cell LiFePO4 ($3{,}2\ \text{V}$); sạc đầy ở $14{,}6\ \text{V}$, xả cạn ở $10\ \text{V}$.
Điều khiển sạc	Bộ điều khiển sạc PWM 10A	Điều tiết quá trình nạp/xả giữa tấm pin và pin lưu trữ, chống quá nạp và xả sâu.
Cảm biến điện năng	Cảm biến INA219	Đo dòng điện và điện áp DC từ tấm pin và bộ sạc qua giao tiếp I2C.
Cảm biến môi trường	Cảm biến SHT40 - BH1750FVI	Đo nhiệt độ, độ ẩm môi trường và cường độ ánh sáng (lux/bức xạ).
Khối vi điều khiển	ESP32-DevKitC-32D	Thu thập dữ liệu cảm biến qua giao tiếp I2C, gửi dữ liệu lên Firebase qua WiFi.
Khối xử lý trung tâm	Raspberry Pi 4 (RAM 8GB)	Kết nối camera chụp ảnh bề mặt pin, chạy mô hình AI phân loại bụi bẩn.
Cơ sở dữ liệu	Firebase Realtime Database	Lưu trữ dữ liệu vận hành thời gian thực và lịch sử phục vụ truy vấn.
Giao diện người dùng	Web UI (HTML, CSS, JavaScript/Node)	Hiển thị thông số thời gian thực, bảng dự đoán bụi bẩn và biểu đồ sản lượng.
Mô hình AI phát hiện bụi	Inception V3 & Hàm tuyến tính	Inception V3 phân loại ảnh bề mặt pin; hàm tuyến tính đánh giá tương quan công suất - bức xạ.

Quy trình vận hành: ESP32 thu thập dữ liệu từ cảm biến INA219 và cụm cảm biến SHT40 - BH1750, sau đó truyền các thông số đo được lên Firebase. Đồng thời, Raspberry Pi điều khiển camera định kỳ chụp ảnh bề mặt tấm pin, đưa vào mạng Inception V3 để xác định mức độ bẩn. Song song với nhận diện ảnh, một hàm toán học tuyến tính so sánh công suất thực tế sinh ra với cường độ bức xạ đo được để phát hiện sự sụt giảm công suất bất thường do bụi bẩn, hạn chế nhận diện sai do hiện tượng che bóng hoặc trời nhiều mây. Dữ liệu tổng hợp được chuyển về giao diện web để người dùng theo dõi và nhận cảnh báo làm sạch.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan đề tài

Trình bày tính cấp thiết của việc phát triển điện mặt trời trong bối cảnh nhu cầu tiêu thụ điện gia tăng và cam kết giảm phát thải. Phân tích các nghiên cứu trong nước (tại Đại học Bách khoa Hà Nội, ĐHQG TP.HCM, NIDEC, Viện Năng lượng Việt Nam) và ngoài nước (Caltech, MIT, Viện Fraunhofer, công nghệ làm sạch của Nhật Bản và Hàn Quốc). Xác định rõ 6 nhiệm vụ nghiên cứu, phương pháp tiếp cận, đối tượng và giới hạn mô hình thực nghiệm tại TP. Thủ Đức.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Hệ thống hóa toàn bộ lý thuyết vật lý về ánh sáng, quang phổ điện từ, công thức tính photon và năng lượng bức xạ mặt trời. Đi sâu phân tích hiệu ứng quang điện trong chất bán dẫn, cấu trúc vùng cấm, cơ chế phân tách điện tích tại tiếp giáp P-N thông qua pha tạp Boron và Phosphorus. Trình bày đặc tuyến I-V, các thông số $I_{sc}$, $V_{oc}$, và phân tích toán học tác động của nhiệt độ làm suy giảm điện áp mạch hở. So sánh các công nghệ pin quang điện (Mono, Poly, Amorphous, CdTe, CIGS) và công nghệ lưu trữ (ắc quy chì-axit, Li-ion, VRB, hydro, khí nén). Phân tích chi tiết cấu tạo hóa học, phản ứng sạc/xả của pin LiFePO4, so sánh bộ sạc PWM và MPPT, đồng thời giới thiệu kiến trúc mạng nơ-ron Inception V3.

Chương 3: Thiết kế và xây dựng hệ thống

Trình bày chi tiết quá trình lựa chọn phần cứng: tấm pin mono 60W 18V, pin LiFePO4 12V, bộ sạc PWM 10A, các cảm biến INA219, SHT40-BH1750, vi điều khiển ESP32 và máy tính Raspberry Pi 4 8GB. Xây dựng sơ đồ nguyên lý mạch điện và sơ đồ đấu dây hệ thống. Thiết lập mô hình mô phỏng trên MATLAB/Simulink để kiểm tra đặc tính làm việc của PV array khi bị bám bụi và nhiệt độ tăng cao. Cấu hình cơ sở dữ liệu Firebase, xây dựng mã nguồn trên Arduino IDE, thiết kế giao diện web giám sát và quy trình huấn luyện mạng Inception V3 trên Google Colab sử dụng GPU.

Chương 4: Kết quả thực nghiệm

Đánh giá hoạt động của hệ thống qua các kịch bản thực nghiệm:

• Mô phỏng Simulink: So sánh đường đặc tính khi vận hành ở điều kiện tiêu chuẩn (STC: $1000\ \text{W/m}^2$, $25^\circ\text{C}$) với điều kiện nhiệt độ cao kết hợp bụi bẩn bám dính.
• Huấn luyện mô hình học sâu: Thể hiện quá trình tối ưu hóa mạng Inception V3 thông qua đồ thị hàm mất mát (loss) và biểu đồ độ chính xác qua từng epoch.
• Vận hành thực tế: Thử nghiệm trong các ngày cụ thể (ngày 23/11 và 24/11), ghi nhận dòng điện, điện áp nạp, bức xạ ánh sáng, nhiệt độ môi trường truyền về Firebase và hiển thị trên giao diện người dùng. Hệ thống nhận diện chính xác tình trạng bụi bẩn và hiển thị cảnh báo kịp thời trên bảng theo dõi.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Tổng kết các hạng mục đã hoàn thành về mặt thiết kế phần cứng, thuật toán AI và phần mềm web giám sát. Nêu rõ các định hướng phát triển nhằm nâng cao độ chính xác và khả năng ứng dụng thực tiễn của đề tài trong tương lai.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

• Hoàn thành chế tạo mô hình phần cứng trạm phát điện mặt trời độc lập gồm tấm pin Mono 60W, bộ sạc PWM 10A và khối pin lưu trữ LiFePO4 12V hoạt động ổn định và an toàn.
• Thiết lập thành công hệ thống thu thập dữ liệu tự động với ESP32, đo lường chính xác các thông số điện áp, dòng điện (cảm biến INA219), nhiệt độ, độ ẩm và cường độ sáng (cảm biến SHT40-BH1750), truyền đồng bộ không dây lên cơ sở dữ liệu đám mây Firebase.
• Huấn luyện thành công mô hình học sâu Inception V3 trên Google Colab phục vụ phân loại bề mặt tấm pin qua ảnh chụp từ camera, kết hợp giải thuật hàm tuyến tính giữa công suất đầu ra và bức xạ để dự đoán chính xác trạng thái bụi bẩn.
• Xây dựng giao diện web hoàn chỉnh cho phép theo dõi thời gian thực các thông số vận hành, hiển thị trạng thái cảnh báo bụi bẩn và hỗ trợ người dùng tra cứu lịch sử dữ liệu theo từng ngày vận hành.

Đóng góp của đề tài

• Tích hợp giải pháp quan trắc kép để phát hiện bụi bẩn: kết hợp giữa thị giác máy tính (phân tích hình thái bụi trên bề mặt qua Inception V3) và phân tích tương quan suy giảm công suất điện theo bức xạ ánh sáng, giúp giảm thiểu hiện tượng cảnh báo sai do biến động thời tiết tự nhiên.
• Đưa ra tài liệu thiết kế chi tiết kết hợp giữa phần cứng nhúng chi phí thấp (ESP32), máy tính xử lý cục bộ (Raspberry Pi) và nền tảng web đám mây (Firebase), minh chứng tính khả thi của việc ứng dụng công nghệ giám sát từ xa cho các hệ thống quang điện có lưu trữ.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án

• Mô hình thực nghiệm chỉ mới triển khai ở quy mô công suất nhỏ, sử dụng duy nhất một tấm pin đơn tinh thể (mono) 60W 18V và một khối pin LiFePO4 đặt cố định tại TP. Thủ Đức, chưa được kiểm thử trên nhiều chủng loại pin PV khác (như polycrystalline hay màng mỏng) hoặc trong các môi trường khí hậu đa dạng.
• Hệ thống sử dụng bộ điều khiển sạc công nghệ PWM 10A, gây hao phí năng lượng chuyển đổi (khoảng 20%) so với việc sử dụng bộ điều khiển MPPT.
• Tập dữ liệu hình ảnh dùng để huấn luyện mô hình Inception V3 còn giới hạn về góc chụp, điều kiện ánh sáng tự nhiên và các dạng bụi bẩn thực tế khác nhau (bụi mịn, lá cây, vết phân chim).

Hướng nghiên cứu tiếp

• Nâng cấp bộ sạc từ công nghệ PWM sang bộ sạc bám điểm công suất cực đại (MPPT) nhằm tối ưu hóa năng lượng thu hoạch từ tấm pin.
• Mở rộng quy mô hệ thống sang các trạm điện mặt trời hòa lưới có lưu trữ với công suất lớn hơn.
• Thu thập thêm dữ liệu hình ảnh thực tế đa dạng, tinh chỉnh mạng học sâu và tích hợp thêm các yếu tố thời tiết (vận tốc gió, lượng mưa, góc nghiêng tấm pin) vào mô hình dự đoán để nâng cao độ chính xác nhận diện bụi bẩn.

---

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo thiết thực cho:

• Sinh viên và học viên chuyên ngành Năng lượng tái tạo, Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Máy tính đang thực hiện các đề tài về trạm điện mặt trời thông minh và hệ thống IoT.
• Những người nghiên cứu về bảo trì dự đoán (predictive maintenance) trong các nhà máy năng lượng tái tạo, đặc biệt là phần ứng dụng thị giác máy tính (Inception V3) kết hợp dữ liệu cảm biến điện năng để chẩn đoán suy hao hiệu suất do bụi bẩn.
• Kỹ sư triển khai hệ thống nhúng có thể tham khảo phương pháp kết nối cảm biến I2C (INA219, SHT40, BH1750) với ESP32 và kỹ thuật đồng bộ dữ liệu thời gian thực lên Firebase phục vụ giao diện người dùng.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án kết hợp cả dữ liệu hình ảnh và dữ liệu công suất - bức xạ để cảnh báo bụi bẩn?

Nếu chỉ dựa vào hình ảnh qua camera, hệ thống dễ bị ảnh hưởng bởi góc chụp, sự thay đổi bóng râm hoặc cường độ ánh sáng môi trường. Ngược lại, nếu chỉ dựa vào công suất sụt giảm, hệ thống không phân biệt được nguyên nhân là do mây che hay do bụi bẩn bám dính. Việc kết hợp mạng Inception V3 xử lý hình ảnh cùng hàm tuyến tính phân tích tương quan công suất - bức xạ giúp xác định chính xác nguyên nhân suy giảm là do bám bẩn bề mặt, tránh cảnh báo sai.

2. Sự khác biệt giữa bộ điều khiển sạc PWM sử dụng trong đồ án và bộ sạc MPPT là gì?

Bộ sạc PWM đóng vai trò như công tắc đóng ngắt liên tục tần số cao giữa tấm pin và pin lưu trữ, gây hao phí khoảng 20% năng lượng từ tấm pin. Trong khi đó, bộ sạc MPPT liên tục dò tìm điểm công suất cực đại, giúp tăng hiệu suất thu hồi năng lượng từ 10% đến 40% so với PWM, đặc biệt trong các điều kiện thời tiết khắc nghiệt (nhiệt độ quá thấp dưới $45^\circ\text{C}$, quá cao trên $75^\circ\text{C}$ hoặc khi trời râm mát). Đề tài sử dụng bộ sạc PWM 10A do phù hợp với quy mô thử nghiệm nhỏ và tiết kiệm chi phí ban đầu.

3. Thông số kỹ thuật của khối pin lưu trữ LiFePO4 trong đề tài được thiết lập như thế nào?

Khối pin lưu trữ LiFePO4 có điện áp danh định 12V, được cấu thành từ 4 cell LiFePO4 điện áp $3{,}2\ \text{V}$ ghép nối tiếp. Trạng thái sạc đầy của khối pin đạt mức điện áp $14{,}6\ \text{V}$ và ngưỡng điện áp ngắt xả an toàn (xả cạn) là $10\ \text{V}$ nhằm bảo vệ pin không bị xả quá sâu, tránh kích hoạt chế độ ngủ sâu gây hư hỏng cell pin.

4. Nhiệt độ môi trường ảnh hưởng như thế nào đến tấm pin silicon theo tính toán lý thuyết trong đồ án?

Khi nhiệt độ tăng, năng lượng vùng cấm của silicon bị thu hẹp, làm gia tăng nồng độ chất mang nội tại $n_i$ và dòng điện bão hòa nghịch $I_0$. Theo mô hình lý thuyết được phân tích, thông số bị ảnh hưởng tiêu cực nhất là điện áp hở mạch ($V_{oc}$). Đối với pin mặt trời silicon ở nhiệt độ gần $25^\circ\text{C}$, điện áp mạch hở suy giảm xấp xỉ $2{,}2\ \text{mV}$ trên mỗi độ C tăng thêm, dẫn đến suy giảm tổng công suất phát của tấm pin.

5. Kiến trúc truyền thông và lưu trữ dữ liệu của hệ thống được tổ chức ra sao?

Khối vi điều khiển ESP32 đọc tín hiệu từ cảm biến dòng/áp INA219 và cảm biến nhiệt ẩm/ánh sáng SHT40 - BH1750 qua giao thức truyền thông I2C. Sau đó, ESP32 sử dụng kết nối WiFi để đẩy các gói dữ liệu này trực tiếp lên cơ sở dữ liệu thời gian thực Firebase. Ứng dụng web viết bằng HTML, CSS và JavaScript/Node sẽ kết nối với Firebase qua API để truy xuất, trực quan hóa dữ liệu theo thời gian thực và trích xuất lịch sử vận hành cho người dùng.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Hương Quỳnh và Nguyễn Ngọc Uyên Phương đã hoàn thành việc thiết kế, chế tạo và thử nghiệm hệ thống pin năng lượng mặt trời độc lập có lưu trữ LiFePO4 kết hợp giám sát sản lượng và cơ chế cảnh báo bụi bẩn. Bằng việc phối hợp linh hoạt giữa vi điều khiển ESP32, máy tính nhúng Raspberry Pi, nền tảng lưu trữ đám mây Firebase và mô hình thị giác máy tính Inception V3, đề tài đã chứng minh tính khả thi của giải pháp bảo trì dự đoán cho các tấm pin quang điện. Kết quả nghiên cứu cung cấp một mô hình thực nghiệm hoàn chỉnh, có giá trị ứng dụng cao cho việc tối ưu hóa hiệu suất và kéo dài tuổi thọ của các hệ thống năng lượng mặt trời.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3 Chương 3: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG Chương 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 4 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Tính chất của ánh sáng mặt trời Ánh sáng mà chúng ta nhìn thấy mỗi ngày chỉ là một phần nhỏ của tổng năng lượng mà mặt trời phát ra và chiếu xuống trái đất. Khái niệm cơ bản của ánh sáng Ánh sáng mặt trời là một dạng "bức xạ điện từ" và ánh sáng mà chúng ta nhìn thấy chỉ là một phần nhỏ trong quang phổ điện từ được hiển thị ở hình 2. 1: Quang phổ điện tử Cơ học lượng tử giải thích các quan sát về bản chất sóng và bản chất hạt của ánh sáng.

Trong cơ học lượng tử, tùy thuộc vào tình huống mà một photon có thể xuất hiện như một sóng hoặc cũng có thể như một hạt và khái niệm này được gọi là ‘tính lưỡng tính sóng-hạt’ [2]. Mỗi photon có bước sóng khác nhau sẽ ra một loại ánh sáng khác nhau tùy thuộc vào bước sóng. + Photon năng lượng cao cho ánh sáng xanh. + Photon năng lượng thấp hơn cho ánh sáng đỏ.

+ Photon năng lượng thấp cho ánh sáng hồng ngoại (nên vô hình). Một photon được đặc trưng bởi bước sóng, ký hiệu là λ hoặc tương đương là năng lượng, ký hiệu là E. Có mối quan hệ nghịch đảo giữa năng lượng của photon (E) và bước sóng của ánh sáng (λ) cho bởi phương trình (2.1) λ trong đó h là hằng số Planck h = 6,626 × 10-34 jun·s và c là tốc độ ánh sáng c = 2,998 × 108 m/s. 5 Thông lượng photon đóng vai trò quan trọng trong việc xác định số lượng electron được tạo ra và do đó xác định dòng điện được tạo ra từ pin mặt trời.

Thông lượng photon được định nghĩa là số lượng photon trên giây trên một đơn vị diện tích được cho bởi phương trình (2.2) đơn vị diện tích (𝑚2 ) Mật độ năng lượng được tính bằng cách nhân thông lượng photon với năng lượng của một photon đơn lẻ. Vì dòng photon cho biết số lượng photon chạm vào một bề mặt trong một thời gian nhất định, nhân với năng lượng của các photon tạo nên dòng photon sẽ cho năng lượng chạm vào một bề mặt trong một đơn vị thời gian, tương đương với mật độ công suất. Để xác định mật độ công suất theo đơn vị W/m2, năng lượng của photon phải tính bằng Joules và có công thức tính như phương trình (2. Bức xạ mặt trời trên trái đất Bức xạ mặt trời bên ngoài bầu khí quyển trái đất được tính bằng mật độ năng lượng bức xạ (Hsun) tại bề mặt mặt trời (5,961 x 107 W/m2), bán kính của mặt trời (Rsun), và khoảng cách giữa trái đất và mặt trời.

Bức xạ mặt trời được tính toán vào bầu khí quyển Trái đất là khoảng 1,36 kW/m2. Các hằng số hình học được sử dụng trong tính toán bức xạ mặt trời tới Trái đất được thể hiện trong hình bên dưới. 2: Các hằng số hình học để tìm bức xạ mặt trời của Trái đất. Mật độ năng lượng thực tế thay đổi một chút do khoảng cách Trái đất-Mặt trời thay đổi khi Trái đất di chuyển theo quỹ đạo hình elip quanh mặt trời và do năng lượng phát ra của mặt trời không đổi.

Sự biến thiên công suất do quỹ đạo hình elip là khoảng 3,4%, với bức xạ mặt trời lớn nhất vào tháng 1 và bức xạ mặt trời nhỏ nhất vào tháng 7. Phương trình (2.4) mô tả sự biến đổi trong năm ngay bên ngoài bầu khí quyển trái đất là: 6 𝐻 360(𝑛 − 2) = 1 + 0.4) Hconstant 365 trong đó: H là mật độ năng lượng bức xạ bên ngoài khí quyển Trái đất (tính bằng W/m2); Hconstant là giá trị của hằng số mặt trời, 1,353 kW/m2; và n là ngày trong năm. Điều đó lý giải cho việc vì sao có bức xạ tới trái đất và giá trị đó khác nhau theo thời gian, góc phương vị, góc cao độ, góc lệch, chuyển động của mặt trời, vị trí tọa độ của địa điểm… 2. Quang điện Công nghệ quang điện (Photovoltaic – PV) là một phương pháp chuyển đổi trực tiếp ánh sáng mặt trời thành điện năng bằng cách sử dụng các thiết bị điện tử đặc biệt.

Được biết đến với tên gọi “tấm pin mặt trời”, công nghệ quang điện tận dụng năng lượng từ ánh sáng mặt trời và biến nó thành năng lượng điện bằng cách sử dụng vật liệu bán dẫn. Các thiết bị này, còn được gọi là pin mặt trời, được kết nối với nhau để tạo thành các đơn vị lớn hơn, gọi là mô-đun hoặc tấm pin, tạo ra năng lượng điện đáng kể. Hiệu ứng quang điện Cụm từ 'photovoltaic' ngay lập tức chỉ ra mối liên hệ giữa ánh sáng (phot- từ tiếng Hy Lạp) và điện (volt, đơn vị của điện thế). Tính chất chính của một vật liệu quang điện là chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành dòng điện.

Sự chuyển đổi này diễn ra do hiệu ứng quang điện - một hiện tượng vật lý trong chất bán dẫn. Chất bán dẫn là một loại vật liệu đặc biệt, có tính dẫn điện không cố định mà phụ thuộc vào năng lượng cần thiết để kích hoạt các electron trong mạng tinh thể. Silicon tinh thể là một vật liệu bán dẫn được sử dụng rộng rãi trong công nghệ quang điện. Nó trở nên dẫn điện khi năng lượng của các photon được hấp thụ bởi bề mặt tinh thể đủ để nâng trạng thái của electron từ dải hóa trị lên dải dẫn.

Lượng năng lượng cần thiết này để kích thích một electron được định nghĩa là khoảng cách năng lượng (band gap). Khoảng cách năng lượng là một đặc tính nội tại của chất bán dẫn và có ảnh hưởng trực tiếp đến điện áp của tế bào quang điện [3]. Chất cách điện và chất dẫn điện được phân biệt với nhau dựa trên độ dài vùng cấm như hình 2. Dải hóa trị và dải dẫn trong kim loại chồng lấn lên nhau, vì vậy không cần năng lượng đáng kể để giải phóng các electron.

Chúng sẵn sàng dẫn điện ngay khi có gradient điện thế. Trong chất cách điện, khoảng cách giữa dải hóa trị và dải dẫn rất lớn, do 7 đó cần rất nhiều năng lượng để giải phóng các electron, đến mức có thể làm hỏng chính vật liệu đó. Đối với chất bán dẫn, tình hình nằm ở mức trung gian. Khoảng cách năng lượng đủ lớn để ngăn chặn sự dẫn điện tự phát và cung cấp sự phân tách của các điện tích, nhưng cũng đủ nhỏ để phù hợp với năng lượng của photon.

3: Sơ đồ minh họa các dải trống trong các vật liệu khác nhau Năng lượng vùng cấm của một số vật liệu khác nhau được liệt kê trong Bảng 2. Một số vật liệu phù hợp cho các ứng dụng quang điện hơn những vật liệu khác. Mức độ thích hợp của vật liệu đối với các ứng dụng quang điện sẽ được xác định bằng mức độ gần của năng lượng photon với vùng cấm của vật liệu và liệu năng lượng của photon có đủ để che phủ vùng cấm hay không. 1: Khoảng cách dải của các vật liệu khác nhau Vật liệu Khoảng cách băng tần (eV) Si Silicon 1.67 CdTe Cadmium Telluride 1,50 Cu3N Copper nitride 1.75 GaP Gallium phosphide 2.26 GaAs Gallium arsenide 1.43 Si3N4 Silicon nitride 5.00 Cu2O Copper oxide 2.00 Ví dụ, nếu chúng ta có một photon có năng lượng 2 eV chạm vào bề mặt silicon, thì 1,1 eV năng lượng đó sẽ được sử dụng để di chuyển một electron lên vùng dẫn; phần năng lượng còn lại (0,9 eV) sẽ bị tiêu tán dưới dạng nhiệt.

Tuy nhiên, nếu sử dụng vật liệu có vùng cấm 8 lớn hơn, chẳng hạn như oxit đồng, thì 2 eV là không đủ để giải phóng electron. Chúng ta sẽ cần một photon năng lượng cao hơn ở đó. Nếu khoảng cách dải của vật liệu PV quá nhỏ so với năng lượng của photon tới thì một lượng năng lượng đáng kể sẽ chuyển thành nhiệt, điều này không tốt cho tế bào PV. Cho dù năng lượng của photon có cao hơn bao nhiêu so với vùng cấm thì chỉ một electron có thể được giải phóng bởi một photon.

Đây là lý do khiến hiệu suất của các tế bào quang điện bị hạn chế. Nếu vùng cấm quá cao, hầu hết các photon sẽ không gây ra hiệu ứng quang điện; nếu nó quá thấp, hầu hết các photon sẽ có nhiều năng lượng hơn mức cần thiết để kích thích các electron xuyên qua vùng cấm và phần năng lượng còn lại sẽ bị lãng phí. Các chất bán dẫn thường được sử dụng trong pin mặt trời thương mại có vùng cấm gần đỉnh của đường cong này, ví dụ như silicon (1,1eV) hoặc CdTe (1,5eV) [4]. Dữ liệu trong Hình 2.4 cho thấy hiệu suất tối đa của pin mặt trời phụ thuộc vào khoảng cách dải tần như thế nào.

4: Dự đoán hiệu suất tối đa của pin mặt trời Dựa trên cách đọc ở trên, chúng ta có thể tóm tắt rằng hiệu ứng quang điện về cơ bản bao gồm ba bước chính: + Sự hấp thụ ánh sáng (photon) + Tạo ra các hạt mang điện + Tách các hạt mang điện giữa các tiếp điểm điện Khi tất cả các bước này xảy ra, hệ thống có thể tạo ra dòng điện (dòng hạt mang điện), dòng điện này có thể sinh công. Lớp chuyển tiếp P-N Đây là một cấu trúc cơ bản trong các thiết bị bán dẫn, bao gồm các pin mặt trời, diod và transistor, nơi mà hai loại vật liệu bán dẫn loại P (chứa nhiều lỗ trống) và loại N (chứa nhiều electron tự do) gặp nhau như hình 2. Mối nối này là nền tảng cho sự hoạt động của nhiều thiết bị điện tử, bao gồm cả việc tạo ra điện năng từ ánh sáng mặt trời trong các tấm PV. Các điểm nối Pn được hình thành bằng cách nối các vật liệu bán dẫn loại n và loại p, như hình 2.

Vì vùng loại n có nồng độ electron cao và vùng loại p có nồng độ lỗ trống cao, nên các electron khuếch tán từ phía loại n sang phía loại p. Tương tự, các lỗ di chuyển bằng cách khuếch tán từ phía loại p sang phía loại n như hình 2. Nếu các electron và lỗ trống không tích điện, quá trình khuếch tán này sẽ tiếp tục cho đến khi nồng độ của các electron và lỗ trống ở hai bên bằng nhau, giống như xảy ra nếu hai chất khí tiếp xúc với nhau. 5: Vật liệu P và N được tách ra Hình 2.