Nhận dạng thông số pin mặt trời dùng giải thuật tối ưu nâng cao p2

18 Chương 2 MÔ HÌNH PIN MẶT TRỜI 2 1 Tổng quan Pin mặt trời (solar cell hay photovoltaic PV cell) là một thiết bị cho phép biến đổi trực tiếp quang năng thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện được phát hiện vào năm 1839 bởi nhà vật lý người Pháp Alexandre Edmond Becquerel Cho đến năm 1883, mẫu pin mặt trời đầu tiên được chế tạo bởi Charles Fritts, với mẫu bán dẫn selen tráng một lớp vàng cực kỳ mỏng để tạo thành các lớp tiếp giáp cho hiệu suất 1% Albert Einstein đã giải thíc.

Chương MƠ HÌNH PIN MẶT TRỜI 2.1 Tổng quan Pin mặt trời (solar cell hay photovoltaic - PV cell) thiết bị cho phép biến đổi trực tiếp quang thành điện nhờ hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện phát vào năm 1839 nhà vật lý người Pháp Alexandre-Edmond Becquerel Cho đến năm 1883, mẫu pin mặt trời chế tạo Charles Fritts, với mẫu bán dẫn selen tráng lớp vàng mỏng để tạo thành lớp tiếp giáp cho hiệu suất 1% Albert Einstein giải thích hiệu ứng quang điện vào năm 1905, cơng trình giúp ơng giành giải Nobel vật lý năm 1921 Năm 1946, Russell Ohl cấp sáng chế cho pin mặt trời đại sử dụng tiếp giáp p-n bán dẫn Si Từ năm 1954 bắt đầu thời kỳ công nghệ lượng mặt trời đại xuất pin mặt trời có khả ứng dụng mắt Phịng thí nghiệm Bell Daryl Chapin, Calvin Souther Fuller Gerald Pearson Đến năm 1960, pin mặt trời ứng dụng thực tế làm nguồn cấp cho thiết bị công nghệ vệ tinh Các pin mặt trời, tạo thành từ mô-đun tế bào PV, bắt đầu xuất mái nhà vào cuối năm 1980 Công suất quang điện phát triển ổn định kể từ đầu kỷ 21, dẫn đầu việc xây dựng trang trại lượng mặt trời khổng lồ Đức (53MWp-2009), Tây Ban Nha (2013300MWp), Trang trại quang điện Topaz – Mỹ (2014 - 550 MWp),… Việt Nam có tiềm lớn lượng mặt trời, gần xích đạo tồn vùng khô nắng nhiều tỉnh nam Trung Bộ Vì điện mặt trời với điện gió Nhà nước khuyến khích phát triển Quyết định 2068/QĐ-TTg ngày 25/11/2015 Thủ tướng Chính phủ phê duyệt Chiến lược phát triển lượng tái tạo Việt Nam đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2050, đảm bảo phát triển nguồn điện dừng dự án điện hạt nhân giảm bớt nhiệt điện đốt hóa thạch [29] Tuy bắt đầu xây dựng nhà máy điện mặt trời từ năm 2015, đến năm 2019 có vài trăm dự án có cơng suất lắp máy từ 20 đến 250 MWp hoàn thành Theo thống kê Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) tính tới ngày 30/5/2019 có 47 dự án điện mặt trời với tổng công suất 2.300 MWp đấu nối vào lưới điện quốc gia Đặc biệt Quyết định số 13/2020/QĐ-TTg Thủ tướng Chính phủ chế khuyến khích phát triển điện mặt trời Việt Nam, hệ thống điện mặt trời áp mái nhà (dùng cho hộ đơn lẻ) phát triển nhanh Theo EVN, tính tới ngày 31/7/2020, nước có 42.694 hệ thống điện mặt trời áp mái phát triển, với công suất 917 MWp Cũng tháng đầu năm 2020, tổng sản lượng điện mà hệ thống phát lên lưới 300 triệu kWh [30] 18 2.2 Cấu tạo nguyên lý hoạt động PV cell Pin mặt trời có cấu trúc gồm hai lớp bán dẫn p-n photodiode hoạt động chế độ photo-ganvanic hay photovoltaic cell (Hình 2.1) Tải Lớp nhạy sáng photons I Electron flow - n + + p - photons n (Si) Tiếp giáp p-n p (Si) Hình 2.1 Cấu tạo nguyên lý photovoltaic cell Khi chiếu sáng, photon tới hấp thụ nguyên tử bán dẫn kích thích hiệu ứng tạo cặp electron (e-) – lỗ trống (+) theo nguyên lý quang điện Các cặp điện tích trái dấu điện trường miền tiếp giáp gia tốc di chuyển hai phía Các electron tập trung miền bán dẫn n, ngược lại lỗ (+) tập trung miền bán dẫn p Kết làm giảm hiệu tiếp xúc làm xuất hai bề mặt đối diện suất điện động quang điện Hiệu điện hở mạch hai cực (VOC) tương đương với giá trị lớn suất điện động quang điện có giá trị từ 0,5V – 0,6V Ở trạng thái ngắn mạch hai điện cực, qua tiếp giáp p-n theo hướng khóa có dịng cực đại (dịng ngắn mạch ISC), lúc suất điện động quang điện không Khi mắc với tải mạch ngồi qua tải có dòng chảy nhỏ dòng ISC hiệu tải nhỏ hở mạch VOC Hiệu ứng phát dòng quang điện phụ thuộc vào khoảng cách từ tiếp giáp p-n tới bề mặt chiếu sáng Nếu hấp thụ photon trình tạo cặp electron-lỗ trống xảy khoảng cách gần tiếp giáp p-n, phần lớn hạt mang điện kịp khuếch tán qua tiếp giáp, phần nhỏ chúng bị tái hợp Giả sử khoảng cách từ tiếp giáp p-n tới bề mặt chiếu sáng l nhỏ nhiều lần chiều dài khuếch tán L Nếu bỏ qua tái hợp bề mặt tái hợp thể tích dịng quang chảy qua tiếp giáp p-n theo hướng khóa là: I PH = q  b (2.1) Trong q = 1,60217646×10−19 C điện tích ngun tố; b số điện tử giải phóng xạ giây Nếu tính đến hiệu ứng tái hợp bề mặt thể tích (với  hệ số tái hợp) biểu thức dịng quang là: 19 I PH = q  b(1 −  ) (2.2) Dòng tạo tiếp giáp p-n theo hướng thuận hiệu làm giảm hiệu tiếp xúc Qua chuyển tiếp có dịng thuận theo cơng thức Shockley: ID I SD exp qV nkT (2.3) Trong ISD dịng nhiệt (dịng ngược bão hịa) qua tiếp giáp, n hệ số lý tưởng Khi hở mạch pin quang điện, dòng thuận dòng quang: I PH ID I SD exp qV nkT (2.4) Từ (2.4) xác định hở mạch pin quang điện, tức độ lớn suất điện động quang điện: E VOC n I kT ln PH q I SD (2.5) Khi mắc pin với tải mạch ngồi, R dịng chạy qua tải là: I I PH ID I PH I SD exp qV nkT (2.6) Các pin quang điện chế tạo từ bán dẫn dạng khác nhau: Silic đơn tinh thể, silic đa tinh thể, silic vơ định hình, CIS (CuInSe2), GaIn-GaAs 2.3 Đặc tuyến vơn – ampe (I-V) mơ hình PV Từ phương trình (2.6) ta có mơ hình tương đương đơn giản tế bào PV hình 2.2 Trong diode biểu thị tiếp giáp p-n, IPH dòng quang I ID IPH + V D - Hình 2.2 Mơ hình đơn giản pin PV Khi không chiếu sáng (=0), dịng quang IPH = 0, từ (2.6) ta có I tuân theo phương trình Shockley: I ID I SD exp qV nkT Đồ thị I-V có dạng đặc trưng vôn – ampe diode (đường =0) 20 (2.7) Khi tế bào PV chiếu sáng với quang thông , bắt đầu xuất dòng quang IPH Dòng đầu tuân theo phương trình (2.6) Đường đặc tuyến I-V (đường màu đỏ >0) qua hai điểm đặc biệt đặc trưng cho thơng số tế bào PV dịng ngắn mạch ISC hiệu điện hở mạch VOC (Hình 2.3) Hiệu điện hở mạch hai cực VOC tương đương với giá trị lớn suất điện động quang điện có giá trị từ 0,5V – 0,6V I I (mA) + ID IPH D 60 R V =0 40 20 -0.5 ID I SD exp qV nkT 0.5 -20 VOC 1.0 V (V) 0 -40 I I PH ID I PH I SD exp qV nkT (Vm,Im) ISC -60 Hình 2.3 Mơ hình đơn giản đặc tuyến I-V tế bào PV 2.4 Mơ hình diode đơn Mơ hình mạch diode đơn SDM (single diode model) hình 2.4 sử dụng rộng rãi để mô pin mặt trời đơn giản tính xác kết thu Mơ hình SDM bao gồm diode mắc song song với nguồn dòng IPH điện trở shunt RSH tổn hao dòng rò qua tiếp giáp, RS điện trở mối nối điện cực Theo định luật Kirchoff dòng điện, dòng đầu IL mơ hình mạch tương đương xác định: I L = I PH − ( I D + I SH ) (2.8) Trong đó, IPH dịng quang điện tạo tế bào; ID dịng qua diode xác định theo phương trình Shockley (2.9); ISH dòng rò qua điện trở shunt RSH Ta có phương trình sau: ID I SD exp q VL I SH RS I L nkT VL RS I L RSH (2.9) (2.10) Ở đây, RSH RS tương ứng điện trở shunt điện trở nối tiếp; ISD VL tương ứng với dòng ngược bão hòa diode điện áp đầu ra; n, k, q T tương ứng hệ 21 số lý tưởng diode, số Boltzmann (k = 1,3806503×10−23 J/K), điện tích ngun tố (q = 1,60217646×10−19 C) nhiệt độ Kelvin tế bào quang điện RS + ID IPH IL ISH VL RSH - Hình 2.4 Mạch tương đương diode đơn (SDM) Kết hợp công thức (2.7), (2.8) (2.9) ta có dịng điện đầu cho mơ hình diode đơn SDM biểu diễn sau: IL I PH I SD exp q VL RS I L nkT VL RS I L RSH (2.11) Như vậy, mơ hình diode đơn chứa năm tham số IPH, ISD, RS, RSH n trích xuất từ tập hợp đường cong I-V cho xSDM =  I PH , I SD , RSH , RS , n  (2.12) 2.5 Mơ hình diode kép Mơ hình mạch tương đương diode kép DDM (double diode model) pin mặt trời thể hình 2.5 Trong đó, hai điốt mắc song song với điện trở shunt nguồn dòng quang tạo ánh sáng RS + IPH ID1 ID2 ISH IL RSH VL - Hình 2.5 Mạch tương đương diode kép (DDM) Dịng điện đầu IL mơ hình DDM theo định luật Kirchoff tính: I L = I PH − ( I D1 + I D + I SH ) (2.13) Trong đó, dịng điện I D1 , I D tính theo cơng thức Shockley, đó:     q(VL + RS I L )    q(VL + RS I L )   VL + RS I L    I L = I PH −  I SD1 exp   (2.14)  − 1 + I SD exp   − 1 + n kT n kT R     SH         22 Trong ID1 n1 thành phần dòng điện khuếch tán hạt tải điện qua tiếp giáp hệ số khuếch tán lý tưởng tương ứng; ID2 n2 thành phần dòng điện tái hợp qua tiếp giáp hệ số tái hợp lý tưởng diode, tương ứng Như vậy, mơ hình DDM chứa bảy tham số IPH, ISD1, ISD2, RS, RSH, n1 n2 trích xuất từ tập hợp đường cong I-V cho xDDM =  I PH , I SD1 , I SD , RS , RSH , n1 , n2  (2.15) 2.6 Mơ hình module PV Đối với ứng dụng thực tế, pin mặt trời thường lắp ráp thành mơ-đun, có khung nhơm bề mặt kính bảo vệ Sản phẩm thương mại mô-đun, bao gồm nhánh NP song song, nhánh có NS pin mặt trời mắc nối tiếp Thơng thường có khoảng 60 72 pin mặt trời kết nối với để tạo thành pin mặt trời Hình 2.6 mơ tả mơ-đun PV dựa mơ hình diode đơn điển hình bao gồm NP nhánh mắc song song, nhánh có NS pin mặt trời ghép nối tiếp IPH NS + IL ISH RSH VL   RS - NP Hình 2.6 Mạch tương đương module PV Dòng điện IL đầu mô đun PV cho công thức sau: IL N P I PH I SD exp q(VL / N S RS I L / N P ) nkT (VL / N S RS I L / N P ) R SH (2.16) Cũng tương tự mơ hình diode đơn, mơ hình mơ đun PV có chứa tham số chưa biết I PH , I SD , RSH , RS n cần phải trích xuất xPVM I PH , I SD , RSH , RS , n 23 (2.17) ... có khoảng 60 72 pin mặt trời kết nối với để tạo thành pin mặt trời Hình 2.6 mơ tả mơ-đun PV dựa mơ hình diode đơn điển hình bao gồm NP nhánh mắc song song, nhánh có NS pin mặt trời ghép nối tiếp... với ứng dụng thực tế, pin mặt trời thường lắp ráp thành mơ-đun, có khung nhơm bề mặt kính bảo vệ Sản phẩm thương mại mô-đun, bao gồm nhánh NP song song, nhánh có NS pin mặt trời mắc nối tiếp Thơng... Trong q = 1,60217646×10−19 C điện tích nguyên tố; b số điện tử giải phóng xạ giây Nếu tính đến hiệu ứng tái hợp bề mặt thể tích (với  hệ số tái hợp) biểu thức dòng quang là: 19 I PH = q  b(1