Thiết kế mô hình nhà ở năng lượng xanh

TDMU, số 2 - 2016 Thiết kế mô hình nhà ở năng lượng xanh 
 35 
THIẾT KẾ MÔ HÌNH NHÀ Ở NĂNG LƯỢNG XANH 
Nguyễn Thanh Tùng 
Trường Đại học Thủ Dầu Một 
TÓM TẮT 
 Bằng phương pháp thiết kế mô hình nhà ở sử dụng các thiết bị pin năng lượng mặt trời, 
biogas chúng tôi đã đưa ra hướng giải quyết cơ bản về vấn đề cung cấp điện năng cho các 
nhu cầu thiết yếu của một căn hộ gia đình. Đáp ứng lời kêu gọi của Liên Hiệp Quốc về việc 
khuyến khích sử dụng nguồn năng lượng tái tạo là một giải pháp tất yếu cho vấn đề năng 
lượng của toàn cầu trong tương lai nhằm chống biến đổi khí hậu và ô nhiễm môi trường. 
Từ khóa: thiết kế, mô hình, năng lượng, mặt trời, tái tạo 
1. Tổng quan 
1.1. Đặt vấn đề 
Nguồn năng lượng hóa thạch (than đá, 
dầu hoả và khí đốt) được hình thành bởi 
quá trình phân huỷ của các sinh vật bị chôn 
vùi cách đây hàng triệu năm, là nguồn năng 
lượng có hạn và đã được khai thác từ nhiều 
năm, đang cạn kiệt dần. Quá trình khai thác 
các loại nhiên liệu hoá thạch thường tác 
động xấu đến nguồn nước và đa dạng sinh 
học, làm ô nhiễm môi trường. Khi đốt cháy 
chúng thường sinh ra khí CO2 đây là 
nguyên nhân chính gây ra hiệu ứng nhà 
kính, biến đổi khí hậu và hậu quả là làm trái 
đất nóng lên kéo theo rất nhiều hệ quả khác 
ảnh hưởng đến cuộc sống của con người. 
Năng lượng tái tạo hay “năng lượng 
xanh” là năng lượng từ những nguồn liên tục 
có thể xem gần như vô hạn (năng lượng mặt 
trời, gió, thủy triều, năng lượng sinh học, 
sóng và địa nhiệt). Việc khai thác sử dụng 
các nguồn năng lượng tái tạo cũng không 
(hoặc ít) gây ảnh hưởng xấu đến môi trường 
sinh thái. Việc đưa vào sử dụng năng lượng 
tái tạo nhanh và hiệu quả có ý nghĩa quan 
trọng trong an ninh năng lượng, giảm thiểu 
biến đổi khí hậu, có lợi ích kinh tế. 
1.2. Mặt trời và năng lượng mặt trời 
Mặt trời là một khối khí hình cầu có 
đường kính 1,39 triệu km (lớn hơn 110 lần 
đường kính trái đất), cách xa trái đất 150 
triệu km (bằng một đơn vị thiên văn AU). 
Khối lượng mặt trời khoảng Mo = 2.10
30
kg. 
Nhiệt độ T ở trung tâm mặt trời thay đổi 
trong khoảng từ 1.107K đến 2.107K, trung 
bình khoảng 1,56.107K. Ánh sáng nói 
riêng, hay bức xạ điện từ nói chung, từ bề 
mặt của mặt trời được xem là nguồn năng 
lượng chính cho trái đất. Chùm tia truyền 
thẳng từ mặt trời gọi là bức xạ trực xạ. 
Tổng hợp các tia trực xạ và tán xạ gọi là 
tổng xạ. Mật độ dòng bức xạ trực xạ ở 
ngoài lớp khí quyển, tính đối với 1m2 bề 
mặt đặt vuông góc với tia bức xạ, được 
tính theo công thức: 
q = ϕD-T.Co(T/100)
4
Trong đó: ϕ
D-T 
= β2/4 hệ số góc bức xạ 
giữa Trái đất và Mặt trời; β : góc nhìn Mặt trời 
với β ≃32’; 
Co = 5,67 W/m
2
.K
4 
hệ số bức xạ của 
vật đen tuyệt đối; T ≃ 5762 K- nhiệt độ bề 
mặt Mặt trời. Suy ra: q ≃ 1353 W/m2. 
Do khoảng cách giữa trái đất và mặt 
trời thay đổi theo mùa trong năm nên β 
ạp chí Khoa học TDMU Số 3(28) – 2016, Tháng 6 – 2016 
ISSN: 1859 - 4433 
TDMU, số 2 - 2016 Nguyễn Thanh Tùng 
 36 
cũng thay đổi, do đó q cũng thay đổi 
nhưng độ thay đổi không lớn lắm nên có 
thể xem q là không đổi và được gọi là 
hằng số mặt trời. 
Ở Việt Nam bình quân có khoảng 
1800 – 2200 giờ nắng hay 300 ngày/năm, 
lượng bức xạ mặt trời ở phía Nam tăng 
20% so với các tỉnh phía Bắc. Ở vùng này, 
mặt trời chiếu gần như quanh năm, kể cả 
vào mùa mưa. Do đó, đối với các địa 
phương ở Nam Trung Bộ và Nam Bộ, 
nguồn bức xạ mặt trời là một nguồn tài 
nguyên to lớn để khai thác sử dụng, trung 
bình các ngày trong năm năng lượng mặt 
trời ở phía bắc là 3,6 kWh/m2.ngày và phía 
nam là 5 kWh/m
2
.ngày. 
1.3.Cấu tạo, hệ thống 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 lượng bức xạ mặt trời thành 
điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên 
trong. Cho tới hiện tại thì vật liệu chủ yếu 
cho pin mặt trời là các silic tinh thể có hiệu 
suất từ 3% - 16%. Hệ thống pin mặt trời bao 
gồm các thành phần: các tấm pin mặt trời 
(Solar Array), các tải tiêu thụ điện, các thiết 
bị lưu trữ điện năng (Battery) và các thiết bị 
điều khiển sạt (Charge Controller), bộ 
chuyển đổi dòng điện một chiều DC thành 
xoay chiều AC (Inverter) Khi có ánh 
nắng mặt trời các tấm pin sẽ chuyển đổi 
năng lượng ánh nắng thành dòng điện DC. 
Dòng điện này sẽ thông qua thiết bị điều 
khiển sạc để nạp cho ắc quy. Khi ắc quy 
đầy sẽ tự động ngưng sạc đồng thời khi ắc 
quy quá cạn nó sẽ không đưa điện DC ra tải 
nhằm bảo vệ và kéo dài tuổi thọ của ắc quy. 
Khi điện áp của ắc quy giảm mạch sẽ tự 
động nạp lại cho đến khi đầy. Inverter có 
chức năng chuyển đổi điện năng DC từ ắc 
quy thành điện xoay chiều hình sine 
220V/50Hz để dùng cho các tải AC. Tổng 
công suất của các tải AC luôn phải nhỏ 
hơn công suất cực đại của Inverter. 
Hình 1. Sơ đồ hệ thống 
điện năng lượng mặt 
trời 
1.4. Thành phần khí sinh học 
Biogas hay khí sinh học là hỗn hợp khí 
phát sinh từ sự phân huỷ các vật chất hữu 
cơ gồm CH4, CO2, N2, O2, H2S, CO 
được thuỷ phân trong môi trường yếm khí, 
xúc tác nhờ nhiệt độ từ 20 - 40oC 
Thiết kế của thiết bị composit gồm 
những bộ phận được chôn chìm dưới mặt 
đất gồm có: bể phân giải, ngăn chứa khí, 
ống dẫn khí, cửa nạp nguyên liệu, cửa xả. 
2. Thực nghiệm 
2.1. Thiết kế mô hình nhà ở 
 Ý tưởng, mục tiêu của đề tài là thiết 
kế mô hình một căn nhà giống như căn nhà 
thật, nằm trong khuôn viên một mảnh đất 
TDMU, số 2 - 2016 Thiết kế mô hình nhà ở năng lượng xanh 
 37 
rộng, có sân vườn, cây cảnh và kết hợp cả 
chuồng trại có thể chăn nuôi gia súc, gia 
cầm. Căn nhà chính và các phương tiện, 
thiết bị sử dụng điện đều được tạo từ 
nguồn năng lượng mặt trời thông qua hệ 
thống 2 tấm pin mặt trời 21V/6W, qua bộ 
sạc điện (mô hình chỉ sử dụng diode ngăn 
dòng ngược) dòng điện tích vào bộ nguồn 
ắc quy và bằng bộ chuyển đổi điện 
(Inverter) biến dòng DC thành dòng AC sử 
dụng cho các thiết bị điện công suất nhỏ. 
Trên mái nhà có tích hợp mô hình máy 
nước nóng dùng năng lượng mặt trời và 
các tấm pin nhỏ dùng để cung cấp cho hệ 
thống đèn, quạt khi ban ngày có nắng. 
Hệ thống hầm biogas làm bằng 
composit (chỉ dùng vật minh họa) sử dụng 
khí sinh học lấy từ chất thải hữu cơ (do 
người và gia súc, vật nuôi trong nhà) thay 
thế khí gas dùng để nấu ăn cho gia đình. 
Với hệ thống vườn rau, cây cảnh xung 
quanh nhà được làm mát bằng hệ thống 
phun sương năng lượng mặt trời, máy bơm 
nước mini dùng nguồn DC làm cho khu 
nhà luôn có cảm giác mát mẻ, thân thiện 
môi trường và chủ nhân có thể tự cải thiện 
bữa ăn gia đình bằng cách tự trồng các loại 
rau cải quanh nhà. 
Ngoài ra chúng tôi còn thử lắp đặt 
thêm hệ thống 02 mạch cảm biến ánh sáng, 
dùng để tự động đóng ngắt nguồn điện 
cung cấp cho các thiết bị khi trời bắt đầu 
tối (cảm biến 1) và ngược lại có thể kích 
hoạt máy bơm nước phun sương (cảm biến 
2) khi trời nắng gắt. Với chiếc xe trò chơi 
trẻ em chúng tôi cũng lắp đặt tấm pin Mặt 
trời 6V/6W để sạt vào bộ 3 pin Li-Ion khi 
có nắng và nguồn DC này sẽ cung cấp cho 
động cơ xe hoạt động. Trong thực tế người 
ta cũng sản xuất xe chạy bằng ắc quy theo 
cách này. 
Hình 2. Toàn cảnh khu nhà mô hình 
TDMU, số 2 - 2016 Nguyễn Thanh Tùng 
 38 
Hình 3. Sơ đồ mạch cảm biến ánh sáng dùng IC 
Hình 4. Sơ đồ mạch Inverter DC/AC 40W 
2.2. Khảo sát hoạt động của hệ thống 
pin năng lượng mặt trời nhà mô hình 
Để khảo sát hệ thống pin mặt trời của 
nhà mô hình, chúng tôi đặt hai tấm pin mặt 
trời hợp nhau một góc 900 trên mái nhà với 
các dụng cụ đo: nhiệt kế, máy đo cường độ 
sáng LUX kế, thước đo góc, vôn kế chỉ thị 
led 7 đoạn. Chúng tôi tiến hành ghi nhận 
các số liệu sau mỗi 45 phút, 12 thời điểm 
mỗi ngày, đo vào 2 ngày có nắng tốt 
23/04/2016-(1) và 29/04/2016-(2), tại Biên 
Hòa, Đồng Nai, với kết quả ở bảng 1.
Bảng 1. Thống kê số liệu đo đạc ngày 23 và 29/04/2016 tại Biên Hòa, Đồng Nai 
STT Thời điểm đo Điện thế ra(V) Nhiệt độ (
0
C) Cường độ (klx) Góc (
0
) 
 (1) (2) (1) (2) (1) (2) 
1 7h30’ 17,1 17,2 27 26 36,4 28,3 70 
2 8h30’ 18,2 18,4 31 29 58,3 31,3 60 
3 9h15’ 18,8 18,5 32 32 58,4 31,7 35 
4 10h 18,7 18,6 36 33 80,9 44,5 30 
5 10h45’ 18,8 18,7 37 30 83,2 48,3 20 
6 11h30’ 18,4 18,8 36 33 83,4 47,1 10 
7 12h15’ 18,3 19,2 35 35 77,1 53,6 5 
8 13h 18,2 19,1 37 34 56,6 52,4 -10 
9 13h45’ 18 19,2 35 37 50,6 53,5 -20 
10 14h30’ 17,8 18,6 36 37 31,3 44,7 -30 
11 15h15’ 17,2 18,2 33 34 29,7 22,6 -45 
12 16h 16 16,6 31 32 25,2 14,2 -60 
TB 18,2 V 33,2
0
C 47,6 klx 
TDMU, số 2 - 2016 Thiết kế mô hình nhà ở năng lượng xanh 
 39 
Hình 5. Đồ thị 
quan hệ giữa 
điện thế đầu ra 
và các thời điểm 
trong ngày 
Qua đo số liệu đo chúng tôi nhận thấy 
nhiệt độ môi trường ngoài trời trung bình 
33
0C và điện thế thu được có giá trị trung 
bình sau 02 ngày là 18,2V với độ chiếu 
sáng trung bình là 47,6 klx (Kilo Lux). 
Chuyển đổi đơn vị 1 Lux = 1,46 mW/m2 = 
1 lumen/m
2 
( hay 1lm/1W = 683). Theo giá 
trị đo được thì tấm pin Mặt trời nhận được 
độ rọi sáng chiếu trên bề mặt là: 
47,6 klux = 47,6 klm/m
2
 = 47,6.10
3
 x 
1,46 x 10
-3
 = 69,5 W/m
2 
(Theo quy chuẩn QCVN09:2013 của 
Bộ Xây dựng, độ chiếu sáng tối đa trong 
nhà là 13 W/m
2
). 
Với giá trị điện thế từ pin mặt trời 
18,2V hoàn toàn có thể sạt điện cho hệ 
thống ắc quy trong ngày từ gần 7h30 đến 
sau 16h (8,5 giờ sạt). Qua đó, chúng tôi có 
thể đánh giá khả năng cung cấp điện năng 
của pin Mặt trời hoàn toàn có thể thay thế 
điện từ nguồn năng lượng hóa thạch. 
3. Bài toán kinh tế thông qua mô hình 
nhà ở 
3.1. Chi phí điện hàng tháng ở hộ gia 
đình 
Theo thiết kế mô hình căn nhà có thể 
sử dụng cho 6 người. Chi phí sử dụng điện 
năng, giá thành khi dùng điện lưới cho hộ 
gia đình với các thiết bị điện cơ bản nhất 
(tính ở mức sử dụng điện trung bình hàng 
ngày) như trong bảng 2. 
Bảng 2. Thống kê các thiết bị sử dụng điện trong hộ gia đình 
STT Thiết bị Công suất (W) SL Số giờ/ngày Số ngày/tháng Công suất (kWh) 
1 Đèn neon 40 6 5 30 36 
2 Tủ lạnh 100 1 24 30 72 
3 Tivi 40 3 4 30 14,4 
4 Quạt máy 30 3 4 30 10,8 
5 Nồi cơm điện 450 1 2 30 27 
6 Máy tính 30 3 5 30 13,5 
7 Bơm mini 40 1 2 30 2,4 
8 Máy nước nóng 200 2 1 30 12 
9 Bàn ủi điện 1000 1 1 30 30 
10 Đun nước 2000 1 1 30 60 
 TỔNG CỘNG 237 
TDMU, số 2 - 2016 Nguyễn Thanh Tùng 
 40 
Với tính toán mức điện năng bình 
quân của EVN chi phí tiền điện là 
453.644VNĐ. Chi phí nấu ăn trung bình 
của hộ gia đình là 12kg gas/tháng với giá 
270.000 VNĐ (Petro Viet Nam), tổng chi 
phí cho điện và gas là: 453.644 + 
270.000 = 723.644 VNĐ. 
3.2. Chi phí lắp đặt hệ thống năng 
lượng mặt trời 
– Tính tổng số tấm pin cần dùng M, 
Wh-tổng công suất tiêu thụ trong ngày, 
W-giá trị công suất của mỗi tấm pin, A 
(kW/m
2
/ngày) là năng lượng ánh sáng 
chiếu lên pin, ta có công thức: 
1.3hWM
W A
– Tính dung lượng ắc quy cần trang 
bị theo công thức thực nghiệm sau: 
1 2
hWC
H H U
Trong đó, C- dung lượng ắc quy 
(Ah), Wh-tổng công suất tiêu thụ mỗi 
ngày, H1 - hiệu suất ắc quy, H2 - hệ số 
mức xả sâu DOD, U-điện thế ắc quy. 
Để tính dung lượng bình ắc quy 
chúng ta lấy hiệu suất khoảng 85% và hệ 
số mức xả sâu DOD khoảng 60%, điện 
thế bình 12V. Dự phòng số ngày không 
có nắng Aday (autonomyday) ta có công 
thức thực nghiệm là: 
1 2
h
day
W
C A
H H U
Thay các thông số với số ngày dự 
phòng không nắng là 3 và công suất từ 
Bảng 1, ta có dung lượng ắc quy cần dùng 
cho hệ thống là: 
1 2
7900.3
3.873( )
0,85.0,6.12
h
day
W
C A Ah
H H U
 Tương ứng số ắc quy loại 400Ah (mắc 
song song) là: 3.873 / 400 = 9,7 = 10 (ắc 
quy). Chúng tôi có thể tạm thống kê chi phí 
trang bị hệ thống pin năng lượng mặt trời, 
theo số liệu cập nhật (bảng 3). 
Bảng 3. Bảng kê chi phí vật tư, thiết bị cơ bản 
STT Vật tư Đơn vị Số lượng Đơn giá Giá thành 
1 Pin solar cell 400W Bộ 5 7.200.000 36.000.000 
2 Charge controller 30A Bộ 1 4.000.000 4.000.000 
3 Inverter 30A/3000W Bộ 1 5.600.000 5.600.000 
4 Accu 400Ah Cái 10 4.000.000 40.000.000 
5 Dây cáp điện mét 100 10.000 1.000.000 
6 Nước nóng NLMT/200L Bộ 1 6.000.000 6.000.000 
7 Biogas Composit Bộ 1 15.000.000 15.000.000 
8 Vật tư khác (giàn sắt) 4.000.000 
9 Chi phí lắp đặt 3.000.000 
 TỔNG CỘNG 114.600.000 
Theo số liệu bảng 3, chi phí cần thiết 
để lắp đặt thiết bị cho hệ thống năng lượng 
mặt trời cung cấp điện năng, máy nước 
nóng và hầm biogas chúng tôi có thể tính 
giá trị tương ứng chi trả chi phí tương ứng: 
114.600.000 / 723.000 = 159 tháng 
= 13 năm 3 tháng 
Với nguồn kinh phí đầu tư cho hệ 
thống pin năng lượng mặt trời và hầm 
biogas theo giá thị trường hiện tại thì cần 
phải sau hơn 13 năm mới hoàn vốn. Với 
các tấm pin được bảo hành 15 năm còn 
các thiết bị khác cần phải thay thế, sửa 
chữa vài lần trong thời gian này, dẫn đến 
TDMU, số 2 - 2016 Thiết kế mô hình nhà ở năng lượng xanh 
 41 
tăng nguồn kinh phí đầu tư lên cao hơn 
nhiều. 
4. Kết luận 
Qua nghiên cứu thực tế bằng nhà mô 
hình chúng tôi đã lắp đặt các thiết bị tương 
đối đủ để nó hoạt động như một căn nhà 
thật, kết quả cho thấy nhà mô hình có thể 
hoạt động độc lập, tự cung cấp điện bằng 
năng lượng mặt trời. Qua đó chúng tôi đã 
tính toán được chi phí lắp đặt xây dựng hệ 
thống sử dụng năng lượng Mặt trời cho đối 
tượng nhà ở với quy mô lớn và đã thu được 
kết quả cụ thể. Kết quả đề tài cho thấy với 
hiệu quả kinh tế khi chuyển đổi hình thức 
dùng các nguồn năng lượng tái tạo thay 
cho hoá thạch thì không có, phải nhiều 
năm mới hoàn vốn vì giá thành các thiết bị 
hiện thời còn khá đắt. 
Với chi phí còn cao nhưng chúng ta 
vẫn có thể chuyển đổi sang cách dùng các 
nguồn năng lượng tái tạo để giảm thiểu sự 
ảnh hưởng khi khai thác và sử dụng các 
nguồn năng lượng hoá thạch gây ô nhiễm 
môi trường, hiệu ứng nhà kính và tác động 
không tốt đến môi trường sinh thái, biến 
đổi khí hậu đã và đang ảnh hưởng rất lớn 
đến cuộc sống hiện tại và tương lai của con 
người trên hành tinh này. 
DESIGN MODEL OF GREEN ENERGY HOUSE 
Nguyen Thanh Tung 
ABTRACT 
 By design methodology housing model using application equipment battery solar 
energy, biogas cellars we have been solving basic problems of power supply for the 
essential needs of a family apartments. Responding to a call by the United Nations to 
encourage the use renewable energy sources is an essential solution to the problem of 
global energy in the future to combat climate change and environmental pollution. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Ngô Minh An, Mô phỏng, thi công hệ thống pin mặt trời nuôi tải DC, tìm hiểu vận hành hệ 
thống pin mặt trời độc lập (AA10-121107_Isole), Luận văn tốt nghiệp cử nhân, Trường Đại học 
Bách khoa (VNU-HCM), 2008. 
[2] Nguyễn Quang Khải, Công nghệ khí sinh học, NXB Lao động Xã hội, 2002. 
[3] Nguyễn Công Vân, Năng lượng mặt trời quá trình nhiệt và ứng dụng, NXB Khoa học và Kỹ 
thuật, 2005. 
[4] Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về các công trình xây dựng sử dụng năng lượng hiệu quả, QCVN, 
BXD, 09:2013. 
[5] Nhiên liệu hoá thạch, https://vi.wikipedia.org/wiki 
[6] Năng lượng tái tạo, https://vi.wikipedia.org/wiki 
 Ngày nhận bài: 19/03/2016 
 Chấp nhận đăng: 16/05/2016 
Liên hệ: Nguyễn Thanh Tùng 
 Khoa Khoa học Tự Nhiên Trường Đại học Thủ Dầu Một 
 Số 6 Trần Văn Ơn, Phú Hòa – Thủ Dầu Một – Bình Dương 
 Email: nttung@tdmu.edu.vn