Dùng điện mặt trời để chiếu sáng bằng LED ở Nha Trang

Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn

Soá 2/2011

THOÂNG BAÙO KHOA HOÏC

DÙNG ĐIỆN MẶT TRỜI ĐỂ CHIẾU SÁNG BẰNG LED Ở NHA TRANG
SOLAR LED LIGHT IN NHA TRANG
TS. Trần Tiến Phức
Phòng Quản trị - Thiết bị, Trường Đại học Nha Trang
TÓM TẮT
Công nghệ sử dụng pin năng lượng mặt trời để chiếu sáng bằng điốt phát quang (Light Emitting
Diode – LED) đang tiếp tục hoàn thiện để ứng dụng cho nhiều nơi khác nhau như đường phố, bãi đỗ xe. Nha
Trang, thành phố biển ở Miền trung Việt Nam, nơi có nhiều nắng nên việc dùng pin mặt trời để chiếu sáng bằng
LED là sự lựa chọn đúng vì năng lượng sạch và phát triển bền vững. Tại đây, chúng tôi đã thay thế đèn huỳnh
quang compact CSC 4U/75W bằng LED chiếu sáng 12VDC 40W với tấm pin mặt trời 75W đạt kết quả rất tốt
cho bãi đỗ xe và đường phố. Chiếu sáng bằng LED dùng pin mặt trời có tính kinh tế và hiệu quả cao ở những
nơi có giá mua điện lưới đắt hoặc khó khăn.
Từ khóa: Điện mặt trời, chiếu sáng bằng LED, điều khiển độ sáng.
ABSTRACT
Solar LED street light presents the perfect and cost-effective solution for residential streets, parking lots
and other general lighting applications areas. Nha Trang, one of well-known coastal city in middle Vietnam,
has very good sunshine, solar LED light is a right choice for the clean energy with the sustainable development. Here we have removed the traditional CSC 4U/75W compact fluorescent lamp by installing our 12VDC
LED light, 40W, with the 75W solar panel. The obtained results demonstrate this solution is very good for lighting the parking lots and street. Solar LED light can be economically viable and efficient in areas where the cost
of providing electricity is expensive or problematic.
Keyword: Solar LED light, clean energy, solar panel.
I. ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong vài năm gần đây, nhiều nước có

năm và sẽ còn tiếp tục tăng cao hơn nữa trong
tương lai [1].

chính sách ưu tiên cho các nghiên cứu phát triển

Ở Việt Nam, nhà máy pin năng lượng mặt

nguồn năng lượng sạch mà trong đó có điện mặt

trời đầu tiên tại tỉnh Long An đã đi vào hoạt động.

trời. Sự quan tâm của Nhà nước được thể hiện

Một số nghiên cứu triển khai ứng dụng điện mặt

ở các chương trình trọng điểm về nghiên cứu

trời cho hải đảo, vùng sâu, vùng xa, địa danh lịch

vật liệu quang – điện hiệu suất cao, giá rẻ; giảm

sử đã được thực hiện (Phú Quốc; Buôn Chăn;

thuế cho các nhà máy sản xuất pin năng lượng

Đắk Lắk; Sóc Bom Bo; Bình Phước; quần đảo

mặt trời; ưu tiên các đề tài nghiên cứu triển khai

Trường Sa; đảo Cồn Cỏ; Ngã ba Đồng Lộc).

sử dụng điện mặt trời; mua lại điện mặt trời với

Lãnh thổ Việt Nam trải dài từ 08 độ đến 23 độ

giá cao hơn. Nhờ những chính sách đó mà thị

Vĩ Bắc và có nhiều vùng khí hậu nên cường độ

trường điện mặt trời tăng trưởng từ 200 - 400%/

nắng và số giờ nắng trong năm rất khác nhau.
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG ❖ 65

Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn

Soá 2/2011

Vì vậy, việc triển khai hệ thống điện mặt trời một

1). Đây là nơi có nhiều lợi thế để triển khai ứng

cách tối ưu với một mục đích sử dụng cụ thể

dụng năng lượng điện mặt trời mà trước hết là

(chiếu sáng công cộng, điện dân dụng…) tại mỗi

phục vụ chiếu sáng đường nội bộ và là tiền đề

địa phương cần được nghiên cứu thận trọng.

quan trọng để tiếp tục nghiên cứu hệ thống cung

Khánh Hòa là một tỉnh ở khu vực Nam Trung

cấp điện mặt trời cho nhà bè nuôi thủy sản trên

bộ, số ngày có dông trung bình hàng tháng trong

sông, trên biển – nơi không thể nối với hệ thống

năm luôn ở mức thấp so với các tỉnh ven biển

điện lưới quốc gia và việc chạy máy phát điện

của cả nước Việt Nam [2]. Khuôn viên cơ sở

gây nhiều bất lợi.

chính của Trường Đại học Nha Trang (ĐHNT)

Trên cơ sở các tấm pin năng lượng mặt trời

tại Số 02 đường Nguyễn Đình Chiểu, thành phố

và LED công suất hiện có ở thị trường Việt Nam

0

Nha Trang, tỉnh Khánh Hòa có vị trí tọa độ 12

cùng tiêu chuẩn TCXDVN 333: 2005, tác giả đã

16’ N; 109 12’ E. Nơi đây có khí hậu nhiệt đới

nghiên cứu xác định được cấu hình tối ưu cho

nóng ẩm, chịu ảnh hưởng của biển, với hai mùa

hệ thống chiếu sáng đường phố kết hợp bãi đỗ

rõ rệt: mùa khô dài, mùa mưa rất ngắn (Bảng

xe hoạt động rất ổn định và đạt hiệu suất cao.

0

Bảng 1: Tham số môi trường trung bình hàng năm tại Đại học Nha Trang [2]
Tham số

Chỉ số

Tham số

Chỉ số

Nhiệt độ

26,5 C

Số ngày có sương mù

10 đến 15 ngày

Tốc độ gió

2 đến 5 m/s

Số ngày có dông

30 đến 40 ngày

Độ ẩm tương đối

80 %

Lượng mưa trung bình

1643 mm/năm

Tổng số giờ nắng

2200 giờ/năm

Số cơn bão

0,75 cơn bão/năm

0

II. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN

thiện với môi trường và giá thành của nó ngày

CỨU

càng rẻ [4]. Nhiều tác giả đã và đang nghiên cứu

Điện mặt trời được tạo ra vào ban ngày mà
công suất phụ thuộc vào tấm pin và cường độ
nắng, trong khi đó, chiếu sáng công cộng lại thực
hiện vào ban đêm. Vì vậy, cấu hình tối ưu của hệ
thống bao gồm năm phần: pin năng lượng mặt
trời; mạch điều khiển nạp bình ắc quy; bình ắc
quy; mạch điều khiển đèn chiếu sáng và loại đèn
chiếu sáng (Hình 1) được xác định bằng phương
pháp thực nghiệm.
1. Đèn chiếu sáng

ứng dụng LED vào chiếu sáng theo các hướng:
- Mạch điện tử ổn định dòng điện qua LED
khi điện áp thay đổi [5];
- Lập trình điều chỉnh độ sáng của LED tùy
theo yêu cầu của đối tượng [6];
- Tối ưu tham số hệ thống chiếu sáng để tận
dụng tối đa điện năng của tấm pin [7].
Mạch điều khiển đèn chiếu sáng
Pin mặt trời tạo ra điện áp một chiều, nếu
dùng đèn huỳnh quang thì cần mạch nghịch lưu

Trong đề tài này, LED chiếu sáng hiệu suất

tạo dao động cho điện áp đầu ra hình sine, giả

cao được lựa chọn nhằm tăng hiệu suất sử dụng

sine, sóng vuông [4], sóng bậc thang. Một số hệ

năng lượng của bình ắc quy được tích điện từ

thống pin năng lượng mặt trời công suất lớn có

pin mặt trời. Trên thị trường đã có các loại LED

bộ nghịch lưu tạo thành điện áp ba pha để có

phát ánh sáng trắng [3], hiệu suất phát quang

thể hòa vào lưới điện khi dùng tại chỗ không hết.

lớn hơn 1,5 lần và tuổi thọ cao hơn 8 đến 10 lần

Có bộ nghịch lưu sẽ làm giảm hiệu suất của hệ

so với đèn huỳnh quang. LED là sản phẩm thân

thống vì tiêu hao năng lượng của mạch điện.

66 ❖ TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG

Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn

Soá 2/2011

Tuy nhiên, nếu chiếu sáng bằng LED thì không

được thiết kế có tính năng và chất liệu đặc biệt,

cần bộ nghịch lưu mà thay vào đó là mạch điều

chịu đựng được sự khắc nghiệt của thời tiết, khí

chỉnh độ rọi.

hậu [3]. Công suất của tấm pin được chọn tùy

2. Bình ắc quy
Bình ắc quy dùng để tích điện vào ban ngày
và cấp điện cho đèn vào ban đêm. Từ công suất

thuộc cường độ nắng, số giờ nắng nơi lắp đặt
và dung lượng ắc quy cần nạp đầy.
4. Mạch điều khiển nạp điện

của tấm pin năng lượng mặt trời, công suất tiêu

Mạch có chức năng điều tiết quá trình nạp

thụ của đèn, tính chất thời tiết của khu vực và

điện vào ắc-quy, chống nạp quá mạnh vào lúc

yêu cầu số đêm duy trì chiếu sáng khi trời không

nắng to. Ngoài ra, mạch bảo vệ trong bộ điều

nắng kéo dài để chọn dung lượng bình ắc quy

khiển sẽ ngắt mạch khi ắc quy đã được nạp đầy.

phù hợp.

Trên bộ điều khiển có chỉ báo tình trạng nạp điện

3. Pin năng lượng mặt trời
Với công nghệ hiện nay của thế giới, hiệu
suất quang – điện của pin mặt trời đạt khoảng
15% đến 18%. Do hoạt động ngoài trời và để
hứng được ánh nắng nhiều nhất nên các tấm pin

từ pin mặt trời vào ắc quy giúp cho người sử
dụng kiểm soát được chất lượng của hệ thống.
Trong đề tài này tác giả chú trọng nghiên cứu
xác lập cấu hình tối ưu hệ thống, đồng thời, thiết
kế và lắp ráp mạch điều khiển LED đạt chất
lượng cao.
III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
1. Nghiên cứu về chất lượng chiếu sáng
Đường nội bộ trong khuôn viên Trường
ĐHNT đã được thiết kế và thi công trong dự án
xây dựng cơ sở hạ tầng. Trục đường chính đi
lên từ cổng trường có dải phân cách cứng rộng
2 mét; lòng đường mỗi bên rộng 4,6 mét, cột đèn
chiếu sáng ở giữa cao 6 mét. Độ rọi đo được ở
mặt đường khu vực các cột sử dụng đèn huỳnh
quang đang hoạt động trên cùng tuyến đường là
6 lx. Kết quả đó cho thấy dự án đã thiết kế chiếu
sáng theo tiêu chuẩn tại Bảng 8 của TCXDVN
333: 2005 với đối tượng là đường nội bộ trong
trường học (≥5 lx). Tuy nhiên, ngoài chiếu sáng
phục vụ giao thông, vị trí lắp đèn chiếu sáng
trong nghiên cứu này còn có dịch vụ giữ xe cho
các lớp học ca tối nên cần chọn đối tượng là nơi
đỗ xe (≥10 lx) [8]. Hệ thống chiếu sáng trình bày
tại Hình 1 đã hoạt động ổn định từ tháng 9 năm
2010. Chất lượng chiếu sáng đảm bảo mức yêu

Hình 1: Hệ thống chiếu sáng đường nội bộ dùng điện
mặt trời tại ĐHNT

cầu của đối tượng là bãi đỗ xe theo TCXDVN
333: 2005. Trong những ngày mưa bão, không
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG ❖ 67

Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn

Soá 2/2011

có nắng kéo dài, hệ thống duy trì chiếu sáng được 03 đêm.
2. Nghiên cứu lựa chọn và bố trí LED trong đèn
LED trắng siêu sáng loại HG-SW4X-5W (Bảng 2) được chọn nhằm hạn chế phát nhiệt tập trung.
Mỗi đèn có 8 LED mắc thành 4 nhánh song song, trên mỗi nhánh có 2 LED mắc nối tiếp. Mạch điều
chỉnh độ rộng xung điện áp có thể thay đổi độ rọi đến mức cực đại 19 lx.
Bảng 2: Tham số của LED: HG-SW4X-5W được chọn sử dụng trong đèn [9]
Hình dạng

Tham số

Chỉ số

Tham số

Chỉ số

Màu sắc

Trắng

Công suất chiếu sáng

Công suất (max)

5 Watt

Điện áp (max)

Nhiệt độ màu

6000–7000 K

230 - 260 lm
7V

Dòng điện (max)

700 mA

Bảng 3 là kết quả đo được độ rọi bằng đồng hồ Digitales Luxmeter MS-1500 vào 20 giờ ngày 28
tháng 11 năm 2010 (ngày 23 tháng 10 năm Canh Dần). Hình 2 là đồ thị phân bố độ rọi lên mặt đường
quanh cột đèn. Toàn bộ hệ thống đã hoạt động ổn định từ tháng 9 năm 2010. Chất lượng chiếu sáng
đảm bảo mức yêu cầu của đối tượng là bãi đỗ xe theo TCXDVN 333: 2005. Trong những ngày mưa
bão, không có nắng kéo dài, hệ thống duy trì chiếu sáng được 03 đêm.
Bảng 3: Phân bố độ rọi trên mặt đường quanh cột đèn (đơn vị đo lx)
Ngang
Dọc

5m

4m

3m

2m

1m

0m

1m

2m

3m

4m

5m

5m

2.74

3.78

4.55

4.93

5.42

5.75

4.94

4.91

4.20

3.84

3.14

4m

4.09

5.05

5.74

6.78

7.48

7.83

6.96

6.70

5.74

4.69

3.64

3m

5.12

6.53

8.11

9.21

9.41

10.3

10.06

9.16

7.73

6.20

5.14

2m

5.72

8.08

9.96

11.77

12.89

13.54

13.15

11.30

9.35

7.17

5.21

1m

6.39

8.68

11.48

13.93

15.43

15.87

15.61

13.33

10.85

7.85

6.24

0m

6.51

9.06

11.46

14.72

16.34

16.89

16.33

14.26

10.35

8.60

6.10

1m

6.40

8.65

11.41

14.11

15.74

15.92

15.20

13.45

10.92

7.56

6.30

2m

5.50

7.46

9.71

12.04

13.16

13.43

12.94

11.51

9.63

7.37

5.66

3m

4.57

6.00

7.47

9.45

10.54

10.83

10.25

9.01

7.52

6.09

4.64

4m

3.57

4.50

5.74

6.82

7.65

7.98

7.33

6.85

5.84

4.88

3.58

5m

2.74

3.24

3.91

4.78

5.68

5.87

5.16

4.81

4.10

3.62

2.70

3. Nghiên cứu mạch điều khiển (Hình 3)

Dz1 là một mạch hạn chế bảo vệ cho Q1 khi

Khi ánh sáng chiếu vào tấm pin tạo nên điện

ánh sáng mạnh làm điện áp tấm pin tăng cao

áp lớn hơn 3,5 V thì transistor Q1 thông; điện áp

quá mức giới hạn UBC phân cực cho transistor

điều khiển vào chân 1 của IC2 (ổn áp có điều

Q1. Điện áp điều khiển vào bazơ Q1 biến đổi

khiển đóng/mở) ở mức thấp; IC2 ngắt mạch;

rất chậm nên có thể coi như tín hiệu một chiều.

không có điện áp nguồn cung cấp cho toàn bộ

Các tụ điện C1, C2, C3 có tác dụng lọc nhiễu

mạch tự dao động tạo xung dùng IC2 nên Q2

điện áp cảm ứng do hệ thống dây dẫn từ tấm pin

cấm và LED không sáng. Các linh kiện R1 và

xuống. Các tụ hóa C6 và C7 có giá trị lớn để lọc

68 ❖ TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG

Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn
phẳng điện áp nguồn trước và sau mạch ổn áp
dùng IC2.

Soá 2/2011
Bằng cách thay đổi VR ta có thể thay đổi
được thời gian phát xung tx tức là thay đổi được

Khi trời tối, điện áp của pin giảm dần xuống

độ rọi của đèn LED [10].

dưới mức 3,5 V thì Q1 chuyển sang trạng cấm,
UCQ1 ở mức điện áp cao tác động vào chân 4 của
IC2 làm đóng mạch ổn áp có lối ra 09VDC. IC1
và các linh kiện phụ thuộc là một mạch tự dao
động tạo xung vuông. Ta có thể điểu chỉnh độ

Hình 3: Sơ đồ nguyên lý mạch điều chỉnh độ sáng đèn
bằng độ rộng xung

Khi điện áp bình ắc quy quá thấp (≤
10,5V) thì UCQ1 < 0,8V (ngưỡng đóng/ngắt của
PQ09RF1) làm IC2 sẽ ngắt nguồn cung cấp cho
phần mạch tự dao động tạo xung, đèn tắt. Khi
IC2 ngắt mạch, bình ắc quy có thể hồi phục điện
áp lên cao gây đóng mạch làm đèn sáng nhấp
nháy. Khắc phục hiện tượng này, thông qua các
linh kiện Dz4, mắc nối tiếp với một trong số 4
điện trở từ R4 đến R7 (tùy thuộc vị trí chuyển
mạch) sẽ có một dòng điện tiêu thụ rất nhỏ qua
IC1 tiếp tục duy trì mức điện áp thấp sau R8 để
IC2 giữ trạng thái ngắt ổn định. Sang ngày hôm

Hình 2: Biểu đồ phân bố độ rọi

sau, nếu trời nắng, bình được nạp đủ điện thì hệ

rộng xung bằng VR để thay đổi độ rọi theo yêu

thống hoạt động trở lại với chu kỳ bình thường.

cầu của đối tượng chiếu sáng như tiêu chuẩn

Mỗi tấm pin mặt trời 75W, qua mạch nạp vào

xây dựng quy định.

bình ắc quy loại 12V-100A, mạch điều khiển đèn

Tần số xung được tính theo công thức (1)

1
ƒ = 
ln (2).C4.(R9 + 2Rtd )

(1)

Trong đó, Rtd là điện trở tương đương của
ba linh kiện: VR tại một vị trí cụ thể của con chạy,
RD1 và RD2 với giá trị điện áp phân cực tương
ứng. Độ rộng xung (hay còn gọi là thời gian phát
xung) được tính theo công thức (2).

tx = ln (2).(R9 + Rtd ). C4

(2)

chiếu sáng, trong đèn có 8 LED mắc 4 nhánh
song song.
So với các mạch điện điều khiển độ sáng
cho LED đã được các tác giả khác công bố thì
mạch điện trong bài báo này này có một số ưu
điểm nổi bật:
Mạch sử dụng các linh kiện rất phổ thông
trên thị trường, dễ lắp ráp, kết quả đồng đều.
Số linh kiện tham gia vào mạch ít hơn.
Những linh kiện làm việc vào ban ngày thì ban
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG ❖ 69