Tính toán và chế tạo hệ thống tracking năng lượng mặt trời thụ động ứng dụng thiết kế cho các mô hình nhà máy điện mặt trời

22 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 39 (12/2016) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
TÍNH TOÁN VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG TRACKING 
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI THỤ ĐỘNG ỨNG DỤNG THIẾT KẾ 
CHO CÁC MÔ HÌNH NHÀ MÁY ĐIỆN MẶT TRỜI 
PASSIVE SOLAR TRACKING SYSTEM 
FOR DESIGNING ON-GRID SOLAR POWER PLANT PROJECTS 
Tăng Huệ Hưng, Nguyễn Văn Hiếu 
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên- ĐHQG TP.HCM 
Ngày tòa soạn nhận bài 20/9/2016, ngày phản biện đánh giá 30/9/2016, ngày chấp nhận đăng 20/10/2016 
TÓM TẮT 
Phương pháp tracking là một trong số các giải pháp giúp nâng cao năng lượng thu 
được từ các hệ thống điện mặt trời được ứng dụng tại nhiều nước phát triển nhưng chưa được 
sử dụng rộng rãi tại Việt Nam. Trong công trình nghiên cứu này, tác giả tập trung vào việc 
thiết kế và chế tạo một hệ tracking năng lượng mặt trời theo phương pháp tracking thụ động 
dựa các dữ kiện như kinh vĩ độ và các tham số thời gian. 
Tác giả đã tiến hành tổng hợp các phương pháp xác định chính xác vị trí góc mặt trời, 
từ đó chế tạo và xây dựng thuật toán điều khiển cho hệ tracking; đo thực nghiệm so sánh điện 
năng thu được của hệ thống điện mặt trời giữa hệ tracking chế tạo và hệ lắp cố định trong 
một số điều kiện thời tiết khác nhau. Từ đó phân tích đánh giá hiệu quả của giải pháp khi áp 
dụng tại Việt Nam. Các kết quả thực nghiệm cho thấy giải pháp có nhiều ưu điểm và kỳ vọng 
có thể giúp tăng trên 30% lượng điện năng thu được so với các hệ lắp cố định. Ngoài ra 
nhóm đã bước đầu xây dựng phần mềm giúp người sử dụng thiết kế tính toán cho các hệ 
thống điện mặt trời hòa lưới theo các khu vực khắp Việt Nam. 
Với khả năng nâng cao hiệu quả thu điện đáng kể cho các hệ thống điện mặt trời, giải 
pháp tracking giúp giảm công suất thiết kế và chi phí đầu tư đồng thời tiết kiệm nguyên vật 
liệu và hoàn toàn phù hợp áp dụng tại Việt Nam. Đặc biệt, khi công nghệ phát triển, hiệu suất 
pin mặt trời càng nâng cao, hiệu quả giải pháp mang lại càng được phát huy. 
Từ khóa: năng lượng mặt trời; tracking thụ động; hệ thống hòa lưới; góc mặt trời; kinh vĩ độ. 
ABSTRACT 
Solar tracking method is one of the methods to help improve the obtained energy for 
solar power system. It has been applied in many developed countries, but not yet widely used 
in Vietnam. In this study, the authors focused on design and manufacture of a solar tracking 
method based on latitude, longitude and time. 
The authors synthesized methods for determining the exact angle of the sun, thus 
manufactured and built an algorithm for tracking system; experimentally measured and 
compared the obtained energy of solar power systems between tracking and fixed installation 
systems in different weather conditions. Then the effectiveness of solution was analyzed when 
it would be applied in Vietnam. The experimental results showed that the solution brought 
back advantages and helped increase 30% obtained energy compared to a non-tracking 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 39 (12/2016) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
23 
system. In addition, software to help users calculate and design solar on-grid system based on 
location throughout Vietnam was developed. 
With the ability to help improve efficiency for solar power systems, this tracking 
solution can help reduce total capacity of solar project, investment costs and save materials. 
It is very applicable in Vietnam. In particular, with developing technology, the higher 
efficiency the solar panel will have, the more meaningful contribution of the tracking solution 
will be promoted. 
Keywords: solar energy; tracking; on-grid system; sun angle; solar panel; longitude; latitude.
1. GIỚI THIỆU 
Trong những năm vừa qua, nhu cầu sử 
dụng năng lượng ngày càng cao và tác động 
trực tiếp đến sự phát triển kinh tế xã hội đến 
nhiều quốc gia trên thế giới trong đó có Việt 
Nam. Chi phí về năng lượng ngày càng tăng 
do các nguồn năng lượng hóa thạch bị khai 
thác quá mức và có xu hướng cạn kiệt trong 
tương lai không xa [1,2]. Năng lượng tái tạo 
(NLTT), trong đó nổi bật là năng lượng mặt 
trời (NLMT) là vô tận được nhiều nước phát 
triển khai thác, thay thế dần các nhà máy 
điện truyền thống [3]. 
Việt Nam có vị trí địa lý nằm hoàn toàn 
trong khu vực nhiệt đới. Phần đất liền có vĩ 
độ từ 8o27’ - 23o23’ Bắc, có tiềm năng rất lớn 
về NLTT nói chung và NLMT nói riêng. 
Theo Quy hoạch điện VII, cơ cấu nguồn điện 
NLTT sẽ chiếm 5.6% về công suất (trên tổng 
số 75 000MW) và 4.5% về lượng điện (trên 
tổng số 330 tỷ KWh) vào năm 2020. Đến 
năm 2030, công suất và sản lượng điện tăng 
gấp đôi (146 800MW và 695 tỷ KWh). Trong 
đó tỷ trọng NLTT tăng đáng kể với tỉ lệ 
tương ứng lần lượt là 9.4% và 6.0%[4]. 
Điều này cho thấy NLTT sẽ được chú 
trọng và phát triển mạnh trong thời gian tới, 
nhiều dự án nhà máy điện NLMT sẽ được 
triển khai. Vì vậy, việc nghiên cứu và ứng 
dụng các giải pháp nâng cao năng suất các hệ 
thống điện mặt trời (ĐMT) nhằm mục đích 
tiết kiệm chi phí đầu tư và tài nguyên vật liệu, 
tài nguyên đất đai, là một vấn đề quan 
trọng và cấp thiết. Trong đó giải pháp “solar 
tracking” cơ học giúp thu được lượng điện 
tối đa được ứng dụng thành công tại nhiều 
nơi trên thế giới. Một số nghiên cứu hệ về 
solar energy [5] và tracking tự động [6] đã 
được nhóm nghiên cứu và công bố. 
Trong đề tài nghiên cứu này, chúng tôi 
tập trung vào việc thiết kế chế tạo một hệ 
solar trackingcó thể lắp đặt các tấm solar 
panel công suất lớn bằng phương pháp 
“tracking thụ động” phù hợp với điều kiện vĩ 
độ thấp của nước ta. Từ đó đo đạc thực 
nghiệm và phân tích hiệu quả của giải pháp 
cả về kỹ thuật và kinh tế tạo cơ sở lý luận và 
thực tiễn cho các dự án và công trình NLMT 
trong tương lai. 
2. HỆ THỐNG TRACKING THỤ ĐỘNG 
2.1 Cơ sở lý thuyết 
 Phương pháp solar tracking 
Solar tracking là phương pháp điều 
khiển tấm solar panel luôn hướng vuông góc 
với mặt trời nhằm thu được năng lượng tối đa. 
Có hai giải pháp chính về solar 
tracking: một là sử dụng cảm biến quang dò 
bức xạ mặt trời để xác định vị trí có bức xạ 
cực đại. Hai là sử dụng giải pháp tracking thụ 
động, giải pháp này đòi hỏi phải biết chính 
xác vị trí góc mặt trời (góc phương vị, cao 
độ) theo các thời điểm trong ngày, các mùa 
trong năm ứng với vị trí lắp đặt (kinh độ, vĩ 
độ) để điều khiển hệ tracking. Trong đề tài 
nghiên cứu này chúng tôi lựa chọn giải pháp 
24 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 39 (12/2016) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
tracking thụ động phù hợp ứng cho dụng các 
hệ thống điện mặt trời hòa lưới. 
Tại nước ta, các công trình lắp đặt pin 
mặt trời dân dụng được khuyến cáo lắp đặt 
nghiêng theo hướng chính Nam (cao Bắc, 
thấp Nam), góc nghiêng tùy vào vĩ độ khu 
vực lắp đặt (12-15o) để thu được lượng điện 
tối ưu. Điều này không thực sự chính xác, nó 
chỉ có thể giảm độ chênh lệch về lượng điện 
thu được giữa các mùa. 
Hình 1. Chuyển động mặt trời so với vị trí 
mặt đất tại khu vực TP HCM[2] 
a) Ngày 21/6 b) Ngày 22/12 
 Góc mặt trời[3] 
Các phương trình tính góc mặt trời 
- Góc lệch theo ngày thứ N trong năm 
được tính: 
δ = 23.45sin[
360
365
(284 + 𝑁)] (1) 
Hình 2. Các tham số tính góc mặt trời 
- Góc giờ h được tính theo giờ mặt trời 
AST (apparent solar time) 
h = (AST-12)15 (2) 
Hình 3. Góc phương vị và góc cao độ 
- Góc cao độ (α) và góc phương vị (z) 
được tính với L là vĩ độ khu vực. 
sin(α)=sin(L)sin(δ)+ cos(L)cos(δ)cos(h) (3) 
sin(z) = 
cos(δ)sin(h)
cos⁡(α)
 (4) 
Dựa vào α và z, ta cần xử lý và chuyển 
đổi giá trí của chúng thành giá trị tương ứng 
phù hợp để điều khiển chuyển động của hai 
trục tracking. 
Các hướng chuyển động của mặt trời 
vào các mùa khác nhau có sự chênh lệch rất 
lớn. Vào mùa hè, hướng di chuyển mặt trời 
phần lớn lệch hẳn về hướng Bắc. Còn vào 
các tháng cuối năm, đường chuyển động mặt 
trời lệch hoàn toàn hướng nam so với đường 
đông – tây. Tại các thời điểm mùa xuân và 
thu, theo đường di chuyển quanh trục đông 
tây, mặt trời đi qua đỉnh đầu. 
2.2 Thiết kế chế tạo 
 Thiết kế mô phỏng hệ cơ khí 
Hình 4. Mô phỏng thiết kế hệ cơ khí 
Hệ được thiết kế mô phỏng trên phần 
mềm SolidWorks bao gồm: 
+ Trục đứng: điều khiển xoay chiều đông tây 
+ Trục ngang: điều khiển góc nghiêng panel 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 39 (12/2016) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
25 
 Nguyên lý điều khiền 
Hình 5.Sơ đồ nguyên lý điều khiển 
Gồm 3 khối chính: 
+ Khối điều khiển: mạch điều khiển 
trung tâm, xử lý mọi hoạt động hệ tracking. 
+ Khối vận hành: mạch công suất cho 
động cơ, nhận tín hiệu vị trí trục trả về cho 
mạch điều khiển. 
+ Khối giám sát cài đặt: cài đặt các 
tham số ban đầu, giám sát và điều khiển hệ 
tracking qua giao tiếp không dây. 
 Thuật toán điều khiển tracking 
Nguyên lý điều khiển chính: 
- Tính toán được vị trí mặt trời 
- Xác định vị ví trục xoay 
- Điều khiển động cơ thu hẹp độ lệch 
giữa vị trí trục và vị trí góc mặt trời 
Hình 6. Giải thuật tracking thụ động 
 Hệ tracking hoàn thành 
Các thông số của hệ: 
+ Kích thước: 90x110x120 cm 
+ Khả năng lắp đặt: 2m2 solar panel 
+ Sai số vị trí trục và góc mặt trời: ~1o 
*Trục đứng: 
- Giới hạn góc quay: 0-180o 
- Tốc độ: 6o/phút 
* Trục ngang: 
- Giới hạn góc quay: -45o- 45o 
- Tốc độ trung bình: 1o/s 
Hình 7. Hệ tracking hoàn thành thực tế 
 Giám sát điều khiển từ máy tính 
Hệ tracking có thể được điều khiển và 
giám sát từ máy tính qua giao tiếp không dây 
theo chuẩn UART (truyền thông nối tiếp 
không đồng bộ). 
Giao diện điều khiển có có năng 
- Cài đặt các tham số ban đầu: thời gian, 
kinh vĩ độ, thời gian hoạt động, 
- Điều khiển manual 
- Giám sát và thu thập dữ liệu 
- Xuất lưu dữ liệu định dạng excel 
26 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 39 (12/2016) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
Hình 8. Giao diện điều khiển giám sát 
3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 
3.1 Hiệu quả kĩ thuật 
Để xác định được hiệu quả của giải pháp, 
chúng tôi đã thiết lập hai hệ điện mặt trời có 
cấu hình giống nhau, đo thực nghiệm so sánh 
trong cùng vị trí và thời gian trong một số điều 
kiện thời tiết khác nhau (năng lượng bức xạ). 
+ Hệ 1: lắp cố định tấm panel góc nghiêng 
15otheo hướng chính nam 
+ Hệ 2: lắp trên hệ tracking thụ động 
Địa điểm khảo sát: khu dân cư Vĩnh 
Lộc B, huyện Bình Chánh, TP HCM. 
Cấu hình mỗi hệ gồm: 
- Solar panel: 80Wp 
- Bộ điều khiển sạc: MPPT 12V-20A 
- Ắc quy: 12V-18Ah 
Bảng 1. Kết quả đo khảo sát về năng lượng 
Năng 
lượng 
bức xạ 
Ngày 
Điện năng thu 
được (KWh) 
Chênh 
lệch (%) 
Cố 
định 
Tracking 
Thấp 19/8/16 0.16 0.22 37.5 
Trung 
bình 
24/7/16 0.27 0.34 25.9 
Cao 21/8/16 0.34 0.46 35.3 
Hình 9. Công suất ngõ ra panel hệ cố định 
và hệ tracking ngày 21/08.2016 
3.2 Năng lượng tiêu thụ của hệ tracking 
Bảng 2. Kết quả đo khảo sát về năng lượng 
tiêu thụ của hệ tracking 
Thiết 
bị 
Chu 
kì 
xoay 
(phút) 
Công 
suất 
TB(W) 
Thời 
gian 
hoạt 
động 
Năng 
lượng tiêu 
thụ/ngày 
(Wh) 
ĐC1 30.5 0.88 
61 
phút 
0.90 
ĐC2 1.5 1.53 3 phút 0.08 
Mạch 
điện 
 0.73 12 giờ 8.76 
Năng lượng tiêu thụ lớn nhất của hệ 
tracking: 9.74 Wh/ngày. 
Điện lượng tiêu thụ tính riêng phần 
truyền động: 0.98Wh/ngày. 
3.3 Phân tích và thảo luận 
Hệ tracking thụ động có thể điều khiển 
tracking góc mặt trời với độ chính xác rất 
cao và không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố 
bên ngoài. 
Năng lượng tiêu hao của hệ rất bé so 
với năng lượng thu được chênh lệch nhiều 
hơn, chiếm 0.8-1.6%. 
Trong các điều kiện thời tiết khác nhau, 
giải pháp tracking luôn thu được lượng điện 
lớn hơn rất nhiều so với các hệ lắp cố định từ 
25.9% - 37.5%. Vì thế giải pháp kì vọng đạt 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 39 (12/2016) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
27 
hiệu quả về năng lượng trên 30% so với lắp 
cố định. 
4. THIẾT KẾ PHÂN TÍCH DỰ ÁN 
ĐIỆN MẶT TRỜI HÒA LƯỚI 
4.1 Cơ sở thiết kế 
Năng lượng bức xạ mặt trời: dữ liệu sử 
dụng gồm các số liệu về vị trí kinh vĩ độ, 
cường độ bức xạ trung bình các tháng,... của 
38 khu vực tỉnh khắp Việt Nam. 
Thông số kỹ thuật pin mặt trời: các 
thông số kỹ thuật của tấm pin mặt trời: công 
suất, điện áp hở mạch, dòng ngắn mạch, điện 
áp và dòng tại điểm đạt công suất cực đại.[4] 
Phần mềm thiết kế sử dụng chủ yếu các 
model pin mặt trời công ty Mặt Trời Đỏ. 
Thông số kỹ thuật thiết bị hòa lưới: các 
thông số quan trọng trong việc thiết kế tính 
toán của thiết bị hòa lưới là: công suất, số 
ngõ MPPT(Maximum power point traking- 
dò điểm công suất cực đại) độc lập, số input 
trên mỗi ngõ, dãy điện áp MPPT và dòng 
giới hạn trên mỗi ngõ,Phần mềm sử dụng 
các thông số thiết bị hòa lưới hãng SMA.[5] 
Giải pháp lắp đặt: ứng dụng từ kết quả 
nghiên cứu, giả thuyết giải pháp tracking 
giúp tăng năng suất 30% so với lắp cố định. 
4.2 Phần mềm thiết kế hệ thống điện 
mặt trời 
Hình 10. Giao diện phần mềm thiết kế hệ 
thống điện mặt trời hòa lưới-Solar design 
Từ các dữ liệu, phần mềm sẽ tính toán 
ra cầu hình cho hệ thống, phương thức kết 
nối panel với thiết bị hòa lưới, năng lượng 
thu được trung bình các tháng, v.v Người 
dùng có thể phân tích kết quả từ đồ thị biểu 
diễn bức xạ mặt trời và sản lượng điện thu 
được trung bình các tháng, xuất file thiết kế 
định dạng word.doc. 
4.3 Hiệu quả kinh tế cho hệ thống 50 KWp 
Sử dụng kết quả tính toán từ phần mềm, 
khối lượng thiết bị vật tư chính được công ty 
CPNL Mặt Trời Đỏ lập dự toán chi tiết. Theo 
đó, hiện tại chi phí cho hệ thống 50KWp lắp 
khung giá cố định là 1.505 tỷ đồng. Chi phí 
lắp đặt cho tracking dao động trong khoảng 
200-250USD/KWp. 
Hình 11. Cơ cấu tỉ lệ về giá thành hệ 50KWp 
lắp cố định và tracking 
Kết quả tính toán cho thấy để thu được 
cùng sản lượng điện, giải pháp tracking dù có 
hạng mục khung giá lắp đặt cao hơn 
60-100% so với lắp cố định nhưng nhờ giảm 
được 30% tổng công suất thiết kế nên cuối 
cùng có thể giảm được khoảng 17% tổng chi 
phí đầu tư so với việc lắp cố định. 
5. KẾT LUẬN 
Giải pháp tracking thụ động có nhiều 
ưu điểm nổi bật so với một số phương pháp 
khác. Năng lượng sử dụng cho điều khiển 
tracking chỉ chiếm khoảng 1% lượng điện 
thu được nhiều hơn. Giải pháp kỳ vọng giúp 
tăng hơn 30% năng suất thu điện các hệ 
thống điện mặt trời so với việc lắp cố định 
các tấm solar panel. Với thời điểm hiện tại, 
28 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 39 (12/2016) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
giải pháp có thể giúp tiết kiệm 17% chi phí 
đầu tư ban đầu cho các hệ thống điện mặt trời 
quy mô lớn. 
Phần mềm thiết kế cho các dự án điện 
mặt trời với cơ sở dữ liệu đặc thù cho các khu 
vực Việt Nam sẽ giúp cho người sử dụng thiết 
kế cấu hình cho một hệ thống hòa lưới và ước 
lượng sản lượng điện theo phương pháp lắp 
đặt một cách nhanh chóng góp phần phổ biến 
việc sử dụng năng lượng mặt trời, đạt được 
các mục tiêu quốc gia. Tuy nhiên cần cập nhật 
đầy đủ hơn các dữ liệu và tạo thêm chức năng 
phân tích tác động đến môi trường và hiệu quả 
kinh tế, thời gian thu hồi vốn dựa trên chi phí 
đầu tư, giá mua điện, v.vđể có thể tạo thành 
một sản phẩm hoàn chỉnh. 
Các yếu tố về điều kiện thời tiết, bức 
xạ mặt trời là bất định, cũng như sự khác biệt 
về vị trí địa lý là nguyên nhân khách quan 
dẫn đến kết quả thực nghiệm và tính toán 
mang tính ước lượng và kì vọng áp dụng cho 
một phạm vi khu vực riêng. Cần phải mở 
rộng phạm vi khu vực đo thực nghiệm đồng 
thời thực hiện liên tục xuyên suốt thời gian 
dài để có kết quả chính xác hơn. Tuy nhiên 
các kết quả nghiên cứu ban đầu cho thấy giải 
pháp mang lại hiệu quả rất lớn về kinh tế và 
kỹ thuật. Với sự phát triển công nghệ, hiệu 
suất pin mặt trời ngày càng được cải thiện thì 
giá trị giải pháp mang lại sẽ càng được nâng 
cao trong tương lai không xa. 
LỜI CẢM ƠN 
Nhóm tác giả xin chân thành cảm ơn 
Công ty CPNL Mặt Trời Đỏ đã hỗ trợ một số 
thiết bị, dụng cụ và giúp dự toán đánh giá chi 
phí về các hạng mục cho hệ thống điện mặt 
trời hòa lưới trong quá trình thực hiện nghiên 
cứu đề tài. Phần khảo sát và đo được thực hiện 
tại BM VLĐT (Trường ĐHKHTN-ĐHQG 
Tp.HCM)
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Seteris A. Kalogirou, Solar energy engineering: processes and systems, 2009. 
[2] www.pveducation.org và www.sma.com.de/en/ 
[3] Hans-Güther Wagemann, Heinz Eschrich, Photovoltaik, 2010. (Dịch giả Dương Minh 
Trí, Quang điện, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, năm 2013). 
[4] Quyết định Phê duyệt Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011-2020 có xét 
đến năm 2030 (Quy hoạch điện VII), Số 1208/QĐ-TTg, ngày 21-07-2011. 
[5] Nguyễn Hùng Minh, Luận văn Thạc sỹ: Tính chất, mô phỏng chế tạo và ứng dụng của tấm 
Pin mặt trời CdS/CdTe (Trường ĐHSPKT Tp.HCM, 2010, CBHD: TS. Nguyễn Văn Hiếu) 
[6] Nguyễn Phan Anh Quốc, Luận văn Thạc sỹ: Hệ tracking năng lượng mặt trời tự động 
(Trường ĐHSPKT Tp.HCM, 2011, CBHD: TS. Nguyễn Văn Hiếu) 
Tác giả chịu trách nhiệm bài viết: 
Tăng Huệ Hưng 
Trường ĐH Khoa học Tự nhiên TP HCM 
Email: hung.dt.1902@gmail.com