Chương 1:Dẫnnhập Trìnhbàylý do chọnđềtài, yêucầucủađềtài,so sánhvớimộtsốđềtàitƣơngtựtrƣớcđây, ngƣờiđọcsẽhiểuthêmvềnhiệmvụcủađềtài, giớihạnmànhómlàmcũngnhƣphƣơngphápthựchiệnvàtiếpcậnvềkiếnthứcvàkỹthuậthiện nay. - Chương2:Cơsởlýthuyết Cấutạo, nguyênlýlàmviệcvàđặctínhcủa pin mặttrời ,Nguyênlýlàmviệccủađộngcơbƣớc , board Arduino Mega 2560. - Chương 3:Thiếtkếchếtạohệthốngcơkhí – điệntử CHƢƠNG 1 : DẪN NHẬP 2 do an THIẾT KẾ BỘ NẠP ACQUY TỪ PIN MẶT TRỜI VÀ GIÁM SÁT TẢI 2016 Cấutạo, nguyênlý, cácthànhphầncủahệthốngnạpacquytừ pin mặttrờicủanhómsẽđƣợcnóirõ.Từ ý tƣởngbắtđầuvềphầncứng, chƣơngtrìnhđiềukhiểntớikhihoànthànhmôhình. - Chương 4:Lưuđồgiảithuậtđiềukhiển Trìnhbàylƣuđồgiảithuậtđiềukhiểncủahệthống.
- Chương 5:Kếtquảnghiêncứu Trìnhbàykếtquảquátrìnhnhómnghiêncứuvàthicônghệthống, - Chương 6:Kếtluậnvàhướngpháttriển Trìnhbàynhữnggìđãđạtđƣợcvànhữnghạnchếcủađềtàivànêurahƣớngpháttriển. CHƢƠNG 1 : DẪN NHẬP 3 do an THIẾT KẾ BỘ NẠP ACQUY TỪ PIN MẶT TRỜI VÀ GIÁM SÁT TẢI 2016 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Pin Mặt Trời Pin mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện), là thiết bị bán dẫn chứa một số lƣợng lớn các diode p-n, đặt dƣới sự chiếu sáng của mặt trời có thể tạo ra dòng điện sử dụng đƣợc. Loại pin mặt trời thông dụng nhất hiện nay là loại sử dụng Silic tinh thể. Tinh thể Silic tinh khiết là chất bán dẫn điện rất kém vì các điện tử bị giam giữ bởi liên kết mạng, không có điện tử tự do.
Khi chiếu ánh sáng vào pin quang điện một phần sẽ bị phản xạ (do đó trên bề mặt pin quang điện có một lớp chống phản xạ ) và một phần bị hấp thụ khi truyền qua lớp N. Một phần may mắn hơn đến đƣợc lớp chuyển tiếp, nơi có các cặp e và lỗ trống nằm trong điện trƣờng của bề mặt giới hạn p-n. Với các bƣớc sóng thích hợp sẽ truyền cho e một năng lƣợng đủ lớn để bật khỏi liên kết. Sẽ không thể có chuyện gì nếu không có điện trƣờng nhỏ tạo bởi lớp chuyển tiếp.
Đó là lí do giải thích vì sao nếu ta chiếu ánh sáng vào một vật bán dẫn thì không thể sinh ra dòng điện. Bán dẫn loại N Bán dẫn loại P Hình 2.1 Tồn tại điện trường giữa hai lớp tiếp giáp P-N Những cặp e và lỗ trống này nằm trong tác dụng của điện trƣờng do đó e sẽ bị kéo về phía bán dẫn loại n còn lỗ trống bị kéo về phía bán dẫn loại p. Kết quả là nếu ta nối hai cực vào hai phần bán dẫn loại n và p sẽ đo đƣợc một hiệu điện thế. Giá trị hiệu điện thế CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4 do an THIẾT KẾ BỘ NẠP ACQUY TỪ PIN MẶT TRỜI VÀ GIÁM SÁT TẢI 2016 này phụ thuộc vào bản chất của chất làm bán dẫn và tạp chấp đƣợc hấp phụ.
Với Si ( B;P) thì giá trị này ở khoảng 0,6V.1 Cấu tạo pin mặt trời Cấu tạo của pin mặt trời là một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n, có khả năng biến đổi trực tiếp năng lƣợng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên trong. Cấu tạo tổng thể của pin mặt trời đƣợc trình bày trong hình sau: Hình 2.2 Cấu tạo tổng thể pin mặt trời Một tấm pin mặt trời điển hình có những thành phần chính sau đây: 2 điện cực, lớp chống phản quang, lớp bán dẫn loại n, lớp bán dẫn loại p. Pin mặt trời từ tinh thể Silic chia làm 3 loại: + Một tinh thể hay đơn tinh thể module: đƣợc sản xuất dựa trên quá trình Czochralski. Pin mặt trời loại này có thể đạt hiệu suất 11% - 16%, giá thành rất cao do chúng đƣợc cắt từ những thỏi hình ống, các tấm đơn tinh thể này có mặt trống ở góc nối các module.
CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5 do an THIẾT KẾ BỘ NẠP ACQUY TỪ PIN MẶT TRỜI VÀ GIÁM SÁT TẢI 2016 + Đa tinh thể: đƣợc làm từ các thỏi đúc bằng Silic nung chảy cẩn thận đƣợc làm nguội và làm rắn. Các pin loại này thƣờng rẻ hơn so với pin loại đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn, nó chỉ đạt 8% - 11%. Nhƣng chúng có thể tạo thành các tấm vuông có độ che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể, bù lại cho hiệu suất thấp của nó. + Dãi Silic: cấu tạo từ các miếng phim Silic mỏng nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể.
Loại này có hiệu suất thấp nhất khoảng 3% - 6%, nhƣng lại có giá thành rẻ nhất.3 Các loại cấu trúc tinh thể pin mặt trời Quá trình chế tạo một tấm pin năng lƣợng mặt trời nhƣ hình sau: Hình 2.4 Quá trình tạo một Panel pin mặt trời CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6 do an THIẾT KẾ BỘ NẠP ACQUY TỪ PIN MẶT TRỜI VÀ GIÁM SÁT TẢI 2016 Hình 2.5 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 2.2 Nguyên lý hoạt động của tấm pin mặt trời Hình 2.6 Hệ thống 2 mức năng lượng E1 < E2. CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 7 do an THIẾT KẾ BỘ NẠP ACQUY TỪ PIN MẶT TRỜI VÀ GIÁM SÁT TẢI 2016 Bình thƣờng điện tử chiếm mức năng lƣợng thấp E1. Khi đƣợc năng lƣợng mặt trời chiếu sáng, các lƣợng tử ánh sáng mang năng lƣợng (photon) bị điện tử hấp thụ và chuyển lên mức năng lƣợng E2. Phƣơng trình cân bằng: hv = E2 - E1 (2.1) Trong đó: h: hằng số plank v: vận tốc ánh sáng Trong các vật rắn, do lực tƣơng tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử ở vành ngoài, nên các năng lƣợng của nó bị tách ra nhiều mức năng lƣợng con rất sát nhau và tạo thành vùng năng lƣợng.
Vùng năng lƣợng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi ở trạng thái cân bằng, gọi là vùng hóa trị mà bên trên của nó có mức năng lƣợng EV, vùng năng lƣợng phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn, bên dƣới của vùng có mức năng lƣợng EC, cách ly giữa vùng hóa trị và vùng dẫn là vùng cấm có độ rộng năng lƣợng Eg, trong đó không có mức năng lƣợng cho phép nào của điện tử. Khi ánh sáng chiếu đến cùng có mức năng lƣợng nói trên, photon có mức năng lƣợng hv tới hệ thống, bị điện tử của vùng hóa trị hấp thụ và nó có thể chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự do e-, lúc này vùng hóa trị sẽ có một lỗ trống có thể di chuyển nhƣ “hạt” mang điện tích dƣơng (kí hiệu là h+). Lỗ trống này có thể di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện.7 Các vùng năng lượng Phƣơng trình hiệu ứng lƣợng tử: eV + hv → e- + h+ (2.2) CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 8 do an THIẾT KẾ BỘ NẠP ACQUY TỪ PIN MẶT TRỜI VÀ GIÁM SÁT TẢI 2016 Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lƣợng của photon và chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử cà lỗ trống là: hv > Eg = EC – EV (2.3) Suy ra bƣớc sóng tới hạn λC của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e- - h+ là: λC = hc/( EC – EV) (2.4) Vậy khi chiếu sáng vào vật rắn, điện tử ở vùng hóa trị hấp thụ năng lƣợng photon hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử - lỗ trống e- - h+ , tức là tạo ra một điện thế. Hiện tƣợng đó gọi là quang điện bên trong.
Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời chính là hiện tƣợng quang điện xảy ra trên lớp tiếp xúc p – n.8 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời Khi một photon chạm vào mảnh silic, một trong hai điều sẽ xảy ra: + Photon truyền trực tiếp xuyên qua mảnh silic. Điều này thƣờng xảy ra khi năng lƣợng của photon thấp hơn năng lƣợng cần thiết để đƣa các hạt electron lên mức năng lƣợng cao hơn. + Năng lƣợng của photon đƣợc hấp thụ bởi silic. Điều này thƣờng xảy ra khi năng lƣợng của photon lớn hơn năng lƣợng để đƣa electron lên mức năng lƣợng cao hơn.
CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9 do an THIẾT KẾ BỘ NẠP ACQUY TỪ PIN MẶT TRỜI VÀ GIÁM SÁT TẢI 2016 Khi photon đƣợc hấp thụ, năng lƣợng của nó đƣợc truyền đến các hạt electron trong màng tinh thể. Thông thƣờng các electron này lớp ngoài cùng, và thƣờng đƣợc kết dính với các nguyên tử lân cận vì thế không thể di chuyển xa. Khi electron đƣợc kích thích, trở thành dẫn điện, các electron này có thể tự do di chuyển trong bán dẫn. Khi đó nguyên tử sẽ thiếu một electron và đó gọi là lỗ trống.
Lỗ trống này tạo điều kiện cho các electron của nguyên tử bên cạnh di chuyển đến lấp vào lỗ trống, và điều này tạo ra lỗ trống cho nguyên tử lân cận có "lỗ trống". Cứ tiếp tục nhƣ vậy lỗ trống di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn. Một photon chỉ cần năng lƣợng lớn hơn năng lƣợng đủ để kích thích electron lớp ngoài cùng dẫn điện. Tuy nhiên, tần số của mặt trời thƣờng tƣơng đƣơng 6000oK vì thế phần lớn năng lƣợng mặt trời đƣợc hấp thụ bởi Silic.
Nhƣng hầu hết năng lƣợng mặt trời chuyển đổi thành lƣợng nhiệt nhiều hơn là chuyển đổi thành lƣợng điện để sử dụng.3 Đặc tính làm việc của pin mặt trời Đặc tính làm việc của pin mặt trời thể hiện qua hai thông số là điện áp hở mạch lớn nhất VOC lúc dòng ra bằng 0 và dòng điện ngắn mạch ISC khi điện áp ra bằng 0. Công suất của pin đƣợc tính theo công thức: P = I.5) Tại điểm làm việc U = UOC/I = 0 và U = 0/I = ISC, công suất làm việc của pin cũng có giá trị bằng 0.9 Đồ thị biểu diễn đặc tính làm việcA – V của pin mặt trời CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10 do an THIẾT KẾ BỘ NẠP ACQUY TỪ PIN MẶT TRỜI VÀ GIÁM SÁT TẢI 2016 Hình 2.10 Sơ đồ tương đương của pin mặt trời 2.1 Dòng qua diode : 𝑞𝑉𝑑 Id = IS(exp -1) (2.6) 𝑛𝑘𝑇 Trong đó: Id : dòng qua diode (A/m2) IS : dòng bão hòa của diode (A/m2) q : điện tích electron, q = 1,602. 10-19 (C) k : hằng số Boltzmann’s, k = 1,381. 10-23 (J/K) T : nhiệt độ lớp tiếp xúc (K) n : hệ số lý tƣởng của diode phụ thuộc vào các mức độ hoàn thiện công nghệ chế tạo pin mặt trời.
Gần đúng có thể lấy bằng n = 1.(v IRs ) (V IRs ) I = Iph - Id – Ish = Iph – I s e kT 1 Rs h (2.7) Trong đó: RS : nội trở của pin mặt trời (ohm) RSh : điện trở Shunt (ohm) 2.2 Dòng ngắn mạch ISC CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11 do an THIẾT KẾ BỘ NẠP ACQUY TỪ PIN MẶT TRỜI VÀ GIÁM SÁT TẢI 2016 Hình 2.11 Sơ đồ tương đương đơn giản của pin mặt trời gồm một nguồn dòng mắc song song với một diode lý tưởng Hình 2.12 Dòng ngắn mạch ISC Dòng ngắn mạch ISC là dòng điện trong mạch của pin trời khi làm ngắn mạch ngoài (chập các ra của pin).