Đang tải... (xem toàn văn)
MỤC LỤC Trang Lời nói đầu……………………………………………………………………....... Chương 1. Giới thiệu về hệ thống nguồn điện Pin Mặt Trời…………1... 1.1. Hệ năng lượng pin Mặt Trời tổng quát……………………………....1... 1.2. Đặc điểm từng thành phần của hệ…………………………………….1... Chương 2. Pin Mặt Trời………………………………………………..3... 2.1. Cấu tạo pin Mặt Trời…………………………………………………...3... 2.2. Nguyên lý hoạt động của pin Mặt Trời…………………..…….……..4... 2.3. Các đặc trưng điện của pin Mặt Trời ………………………………...4... 2.3.1. Sơ đồ tương đương………………………………………………………4... 2.3.2. Dòng ngắn mạch Isc……………………………………………………..6... 2.3.3. Điện áp hở mạch Voc……………………………………………………7... 2.2.4. Điểm làm việc với công suất cực đại……………………………………8... 2.2.5. Hiệu suất cuyển đổi năng lượng………………………………………..10... 2.4. Ghép nối các pin Mặt Trời (dàn pin Mặt Trời)..……………………11... 2.4.1. Ghép nối tiếp các modun pin Mặt Trời giống nhau…………………….11... 2.4.2. Ghép nối tiếp các modun pin Mặt Trời không giống nhau……………..12... 2.4.3. Ghép song song các modun pin Mặt Trời giống nhau……………...…..14... 2.4.4. Ghép song song các modun pin Mặt Trời không giống nhau…………..15... 2.4.5. Các thông số kỹ thuật của modun pin Mặt Trời………………………..18... Chương 3. Thiết kế, tính toán và xây dựng hệ thống điện pin Mặt Trời độc lập……………………………………......19... 3.1. Các thông số cần thiết để thiết kế hệ nguồn điện pin Mặt Trời.......19… 3.1.1. Yêu cầu và đặc trưng của tải tiêu thụ điện……………………………..19… 3.1.2. Vị trí lắp đặt hệ năng lượng……………………………………………19… 3.1.2.1. Bức xạ Mặt Trời……………………………………………………...20… 3.1.2.2. Góc nghiêng của dàn pin Mặt Trời……………………………..……20… 3.1.2.3. Nhiệt độ làm việc của dàn pin Mặt Trời…………………………..…21… 3.2. Tính toán hệ năng lượng pin Mặt Trời độc lập…………………….22… 3.2.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động………………………………………22… 3.2.2. Tính toán các thành phần trong hệ nguồn………………………………23... 3.2.3. Tính toán dung lượng của bộ acquy theo Ampegiờ………………...…26... 3.2.4. Các bộ điều phối năng lượng…………………………………………...27... 3.2.4.1. Bộ điều khiển nạp – phóng điện……………………………………...27... 3.2.4.2. Bộ biến đổi điện ……………………………………………………...28... 3.2.5. Các đồng hồ chỉ thị…………………………………………………….29… 3.2.6. Các diot bảo vệ………………………………………………………...30… Chương 4. Thiết kế, tính toán và xây dựng một hệ thống nguồn điện Mặt Trời áp mái hòa lưới……………………………31... 4.1. Hệ thống điện Mặt Trời hòa lưới không lưu trữ ……………………31... 4.1.1. Cấu trúc…………………………………………………………………31... 4.1.2. Nguyên lý hoạt động……………………………………………………32... 4.1.3. Ưu – nhược điểm……………………………………………………….32... 4.2. Hệ thống điện Mặt Trời hòa lưới có lưu trữ………………………...33... 4.2.1. Cấu trúc…………………………………………………………………33... 4.2.2. Nguyên lý hoạt động……………………………………………………34... 4.2.3. Ưu – nhược điểm…………………………………………………...….34… Chương 5. Các thiết bị điện tử trong hệ nguồn điện pin Mặt Trời....35... A . Bộ điều khiển sạc……………………………………………………35... 5.1. Điều khiển trong hệ thống năng lượng Mặt Trời…………………...35... 5.2. Các loại điều khiển cơ bản……………………………………………36... 5.2.1. Nguyên lý của tự điều khiển……………………………………………36... 5.2.2. Bộ điều khiển song song……………………………………………….37… 5.2.3. Bộ điều khển nối tiếp…………………………………………………...39... 5.2.4. Bộ điều khển nối tiếp dùng role cơ điện………………………………..41... 5.2.5. Mạch cầu điện tử tự động………………………………………………42... B. Các bộ biến đổi điện………………………………………………..44... 5.3. Bộ biến đổi DCDC…………………………………………………...44... 5.3.1. Bộ giảm áp (Voltage Buck)…………………………………………….44... 5.3.2. Bộ tăng áp (Voltage Boost)…………………………………………….46... 5.3.3. Bộ tăng giảm áp………………………………………………………48… 5.4. Bộ nghịch lưu DCAC…………………………………………………50... 5.4.1. Lý thuyết về phương pháp điều rộng xung PWM……………………...50... 5.4.2. Bộ nghịch lưu nguồn áp một pha dạng cầu…………………………….52… 5.5. Phương pháp dò điểm công suất cực đại MPPT……………………54… 5.5.1. Giới thiệu chung……………………………………………………….54… 5.5.2. Nguyên lý cân bằng tải…………………………………………………55... 5.5.3. Các phương pháp dò tìm điểm công suất cực đại………………………56... 5.5.3.1. Phương pháp điện áp hằng số………………………………………...56... 5.5.3.2. Phương pháp PO (Perturb and Observe)…………………………...57... 5.5.3.3. Phương pháp InC (Incremental Conductance)………………………..59... 5.5.4. Phương pháp điều khiển MPPT………………………………………...60... Tài liệu tham khảo……………………………………………………….....61...
LỜI NÓI ĐẦU Nhu cầu lượng người thời đại khoa học kĩ thuật ngày tăng Trong khí nguồn nhiên liệu dự trữ than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên thủy điện có hạn khiến cho nhân loại đứng trước nguy thiếu hụt lượng Việc tìm kiếm khai thác nguồn nặng lượng lượng hạt nhân, lượng địa nhiệt, lượng gió, lượng Mặt Trời … hướng quan trọng kế hoạch phát triển lượng Việc nghiên cứu sử dụng lượng Mặt Trời ngày quan tâm, tình trạng thiếu hụt lượng vấn đề cấp bách môi trường Năng lượng Mặt Trời xem dạng lượng ưu việt tương lai, nguồn lượng sẵn có, siêu miễn phí Do lượng Mặt Trời ngày sử dụng rộng rãi nước khắp giới Để sản suất điện Mặt Trời người ta thường sử dụng hai công nghệ: nhiệt Mặt Trời Pin Mặt Trời (pin quang điện) Trong báo cáo em tập chung nghiên cứu lĩnh vực sản điện Mặt Trời Pin Mặt Trời (pin quang điện) qua chương : - Chương 1: Giới thiệu hệ thống nguồn điện Pin Mặt Trời - Chương 2: Trình bày nguyên lý hoạt động cấu tạo Pin Mặt Trời, dàn Pin Mặt Trời - Chương 3: Thiết kế, tính tốn xây dựng nhà máy điện pin Mặt Trời độc lập cung cấp cho hộ tiêu thụ khu vực khơng có điện lưới - Chương 4: Thiết kế, tính tốn xây dựng hệ thống nguồn điện Mặt Trời áp mái hòa lưới - Chương 5: Các thiết bị điện tử hệ nguồn điện pin Mặt Trời MỤC LỤC Trang Lời nói đầu…………………………………………………………………… Chương Giới thiệu hệ thống nguồn điện Pin Mặt Trời…………1 1.1 1.2 Hệ lượng pin Mặt Trời tổng quát…………………………… Đặc điểm thành phần hệ…………………………………….1 Chương Pin Mặt Trời……………………………………………… 2.1 Cấu tạo pin Mặt Trời………………………………………………… 2.2 Nguyên lý hoạt động pin Mặt Trời………………… …….…… 2.3 Các đặc trưng điện pin Mặt Trời ……………………………… 2.3.1 Sơ đồ tương đương………………………………………………………4 2.3.2 Dòng ngắn mạch Isc…………………………………………………… 2.3.3 Điện áp hở mạch Voc……………………………………………………7 2.2.4 Điểm làm việc với công suất cực đại……………………………………8 2.2.5 Hiệu suất cuyển đổi lượng……………………………………… 10 2.4 Ghép nối pin Mặt Trời (dàn pin Mặt Trời) ……………………11 2.4.1 Ghép nối tiếp modun pin Mặt Trời giống nhau…………………….11 2.4.2 Ghép nối tiếp modun pin Mặt Trời không giống nhau…………… 12 2.4.3 Ghép song song modun pin Mặt Trời giống nhau…………… … 14 2.4.4 Ghép song song modun pin Mặt Trời không giống nhau………… 15 2.4.5 Các thông số kỹ thuật modun pin Mặt Trời……………………… 18 Chương Thiết kế, tính tốn xây dựng hệ thống điện pin Mặt Trời độc lập…………………………………… 19 3.1 Các thông số cần thiết để thiết kế hệ nguồn điện pin Mặt Trời .19… 3.1.1 Yêu cầu đặc trưng tải tiêu thụ điện…………………………… 19… 3.1.2 Vị trí lắp đặt hệ lượng……………………………………………19… 3.1.2.1 Bức xạ Mặt Trời…………………………………………………… 20… 3.1.2.2 Góc nghiêng dàn pin Mặt Trời…………………………… ……20… 3.1.2.3 Nhiệt độ làm việc dàn pin Mặt Trời………………………… …21… 3.2 Tính tốn hệ lượng pin Mặt Trời độc lập…………………….22… 3.2.1 Cấu trúc nguyên lý hoạt động………………………………………22… 3.2.2 Tính tốn thành phần hệ nguồn………………………………23 3.2.3 Tính tốn dung lượng acquy theo Ampe-giờ……………… …26 3.2.4 Các điều phối lượng………………………………………… 27 3.2.4.1 Bộ điều khiển nạp – phóng điện…………………………………… 27 3.2.4.2 Bộ biến đổi điện …………………………………………………… 28 3.2.5 Các đồng hồ thị…………………………………………………….29… 3.2.6 Các diot bảo vệ……………………………………………………… 30… Chương Thiết kế, tính tốn xây dựng hệ thống nguồn điện Mặt Trời áp mái hòa lưới……………………………31 4.1 Hệ thống điện Mặt Trời hòa lưới không lưu trữ ……………………31 4.1.1 Cấu trúc…………………………………………………………………31 4.1.2 Nguyên lý hoạt động……………………………………………………32 4.1.3 Ưu – nhược điểm……………………………………………………….32 4.2 Hệ thống điện Mặt Trời hịa lưới có lưu trữ……………………… 33 4.2.1 Cấu trúc…………………………………………………………………33 4.2.2 Nguyên lý hoạt động……………………………………………………34 4.2.3 Ưu – nhược điểm………………………………………………… ….34… Chương Các thiết bị điện tử hệ nguồn điện pin Mặt Trời 35 A Bộ điều khiển sạc…………………………………………………… 35 5.1 Điều khiển hệ thống lượng Mặt Trời………………… 35 5.2 Các loại điều khiển bản……………………………………………36 5.2.1 Nguyên lý tự điều khiển……………………………………………36 5.2.2 Bộ điều khiển song song……………………………………………….37… 5.2.3 Bộ điều khển nối tiếp………………………………………………… 39 5.2.4 Bộ điều khển nối tiếp dùng role điện……………………………… 41 5.2.5 Mạch cầu điện tử tự động………………………………………………42 B Các biến đổi điện……………………………………………… 44 5.3 Bộ biến đổi DC/DC………………………………………………… 44 5.3.1 Bộ giảm áp (Voltage Buck)…………………………………………….44 5.3.2 Bộ tăng áp (Voltage Boost)…………………………………………….46 5.3.3 Bộ tăng - giảm áp………………………………………………………48… 5.4 Bộ nghịch lưu DC/AC…………………………………………………50 5.4.1 Lý thuyết phương pháp điều rộng xung PWM…………………… 50 5.4.2 Bộ nghịch lưu nguồn áp pha dạng cầu…………………………….52… 5.5 Phương pháp dị điểm cơng suất cực đại MPPT……………………54… 5.5.1 Giới thiệu chung……………………………………………………….54… 5.5.2 Nguyên lý cân tải…………………………………………………55 5.5.3 Các phương pháp dị tìm điểm cơng suất cực đại………………………56 5.5.3.1 Phương pháp điện áp số……………………………………… 56 5.5.3.2 Phương pháp P&O (Perturb and Observe)………………………… 57 5.5.3.3 Phương pháp InC (Incremental Conductance) ……………………… 59 5.5.4 Phương pháp điều khiển MPPT……………………………………… 60 Tài liệu tham khảo……………………………………………………… 61 CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG NGUỒN ĐIỆN PIN MẶT TRỜI 1.1 Hệ lượng pin Mặt Trời tổng qt: Hiện có hai cơng nghệ nguồn điện pin Mặt Trời thơng dụng Đó hệ nguồn điện pin Mặt Trời nối lưới hệ nguồn độc lập Trong hệ nguồn pin Mặt Trời nối lưới, điện chiều từ dàn pin Mặt Trời biến đổi thành dòng điện xoay chiều hòa vào mạng lưới điện công nghiệp Ưu điểm loại nguồn dùng dự trữ điện năng, thành phần chiếm tỷ trọng chi phí lớn, phải chăm sóc bảo dưỡng phức tạp gây nhiễm mơi trường Đối với khu vực khơng có lưới điện sử dụng với quy mô nhỏ, người ta dùng công nghệ nguồn pin Mặt Trời độc lập Phần lớn ứng dụng nguồn điện Mặt Trời khu vực nông thôn, vùng sâu vùng xa nước phát triển người ta sử dụng công nghệ nguồn độc lập Một hệ thống lượng pin Mặt Trời tổ hợp thành phần sau đây: - Dàn pin hay máy phát pin Mặt Trời; - Bộ tích trữ điện năng; - Các thiết bị điều khiển, biến đổi điện, tạo cân lượng hệ; - Các tải tiêu thị điện; Dàn hay máy phát pin Mặt Trời Các điều phối lượng Tải Bộ tích trữ lượng Hình 1.1 Sơ đồ hệ lượng pin Mặt Trời tổng quát [2] 1.2 Đặc điểm thành phần hệ: [2] Dàn pin Mặt Trời: Dàn pin Mặt Trời gồm modun pin Mặt Trời ghép (song song, nối tiếp hay hỗn hợp) để có cơng suất điện, hiệu điện phù hợp với yêu cầu tải Dàn pin Mặt Trời thành phần hệ nguồn điện Mặt Trời chiếm đến khoảng 60% tổng chi phí đầu tư Dàn pin Mặt Trời nhận lượng ánh sáng Mặt Trời biến đổi trực tiếp thành điện chiều cung cấp cho tải tiêu thụ điện Bộ tích trữ lượng: Thông thường tải tiêu thụ điện thiết bị thơng tín, đèn chiếu sáng, TV, radio cần có nguồn điện làm việc liên tục vào thời gian khơng có nắng Trong lúc đó, pin Mặt Trời chi phát điện lúc có nắng Vì cần phải có tích trữ lượng (ví dụ acquy) Ngồi bỏ tích trữ lượng ổn định điện cấp cho tài Trong số trường hợp đặc biệt, ví dụ tài máy bơm nước, không cần phải hoạt động lúc nắng, hệ khơng cần thành phần tích trữ lượng Các điều phối lượng: Để điều khiển tự động trình dàn pin Mặt Trời nạp điện cho acquy trình acquy phóng điện cấp cho tải tiêu thu, tránh trạng thái có hại acquy bị nạp điện quỏ noă hoc phúng in "quỏ úi", ngi ta phi dùng Bộ điều khiển kiểm soát cách tự động q trình phóng nạp cho acquy Các thiết bị tiêu thụ điện nói chung cần dịng điện xoay chiều, 220 V 110 V, tần số 50 ÷ 60 Hz Trong lúc điện từ dàn pin Mặt Trời acquy điện chiều Vì vậy, để có điện xoay chiều, người ta pahir đưa vào biến đổi điện Tất thiết bị điều khiển q trình phóng nạp điện cho acquy, thiết bị đổi điện, có nhiệm vụ chung phối hợp, điều tiết cung cấp cân lượng hệ thống; nên chúng gọi chung thành phần cân lượng, viết tắt BOS (Balance of System) Các thiết bị thành phần BOS, tất nhiên, gây tổn hao lượng Vì hệ lượng pin Mặt Trời, việc lựa chọn loại thiết bị, chất lượng kích cỡ thiết bị vấn đề quan trọng cônig tác thiết kế, lắp đặt hệ thống Tải: Phạm vi cấp điện hệ thống điện Mặt Trời hộ gia đình khu cơng nghiệp khu vực hải đảo, vùng xâu vùng xa, …tùy thuộc vào công suất nguồn CHƯƠNG PIN MẶT TRỜI 2.1 Cấu tạo pin Mặt Trời: Pin Mặt Trời sản xuất ứng dụng phổ biến pin Mặt Trời chế tạo từ vật liệu tinh thể bán dân silicon (Si) Si chất bán dẫn điển hình có hoá trị Từ tinh thể Si tinh khiết, để có vật liệu tinh thể bán dẫn Si loại n, người ta pha tạp chất donor photpho (P) có hố trị Cịn để có vật liệu bán dẫn tinh thể loại P tạp chất acceptor lùng để pha vào Si Bo có hố trị Đối với pin Mặt Trời từ vật liệu tinh thể Si chiều sáng hiệu điện hở mạch hai cực vào khoảng 0,55V, dòng đoạn mạch xạ Mặt Trời 1000w/m2 vào khoảng (25-30} mA/ cm Hiện người ta đưa thị trường pin Mặt Trời vật liệu Si vơ định hình (a-Si) Pin Mặt Trời a -Si có ưu điểm tiết kiệm vật liệu sản xuất có giá thành rẻ Tuy nhiên, so với pin Mặt Trời tinh thể hiệu suất biến đổi quang điện thấp ổn định làm việc trời [2] Cấu tạo pin Mặt Trời chế tạo thành phần mơ tả viết Chúng lắp ráp nhà máy sản xuất tiên tiến, đại bậc giới với độ xác cực cao Các lượng Mặt Trời chế tạo pin Mặt Trời tinh thể silicon, xem công nghệ lượng Mặt Trời phổ biến hiệu suất cao Các công nghệ PV Mặt Trời khác có sẵn tế bào in màng mỏng hình cơng nghệ cải tiến phát triển [4] thành phần để cấu tạo pin lượng Mặt Trời bao gồm: Các tế bào quang điện Mặt Trời (Solar cell) Kính cường lực - dày đến mm Khung nhôm ép Bao bọc - Các lớp màng EVA Tấm phía sau Polymer Hộp kết nối - điốt kết nối Hình ảnh cấu tạo hệ thống pin Mặt Trời [4] Tinh thể silicon có độ tinh khiết cao sử dụng để sản xuất pin Mặt Trời Các tinh thể xử lý vào pin Mặt Trời phương pháp nấu chảy đúc Đúc hình khối sau cắt thành thỏi, sau cắt thành mỏng mỏng 2.2 Nguyên lý hoạt động pin Mặt Trời: Các mô-đun quang điện, thường gọi mô-đun lượng Mặt Trời, thành phần pin lượng Mặt Trời, sử dụng để chuyển đổi ánh sáng Mặt Trời thành điện Các mô-đun lượng Mặt Trời làm chất bán dẫn giống với mô-đun sử dụng để tạo mạch tích hợp cho thiết bị điện tử Loại chất bán dẫn phổ biến sử dụng làm từ tinh thể silicon Với nguyên lý pin Mặt Trời tinh thể silic ép thành lớp loại n loại p, xếp chồng lên Ánh sáng chiếu vào tinh thể tạo hiệu ứng quang điện trong, tạo điện Điện sản xuất từ pin gọi dòng điện trực tiếp (DC) sử dụng lưu trữ pin để chuyển hóa thành dịng điện xoay chiều AC sử dụng cho thiết bị,… 2.3 2.3.1 Các đặc trưng điện pin Mặt Trời: Sơ đồ tương đương: [1] Như trình bày trên, chiếu sáng, ta nối bạn dẫn P n tiếp xúc p-n dây dẫn, pin Mặt Trời phát dịng quang điện Iph Vì trước hết pin Mặt Trời xem tương đương nguồn dịng Lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có tính chỉnh lưu tương đương điọt Tuy nhiên, phân cực ngược, điện trở lớp tiếp xúc có giới hạn, nên có dịng điện- gọi dịng dị qua Đặc trưng cho dịng dị qua lớp tiếp xúc p-n người ta đưa vào đại lượng điện trở sơn Rsh (shun) Khi dòng quang điện chạy mạch, phải qua lớp dẫn p n, điện cực, tiếp xúc, Đặc trưng cho tổng điện trở lớp điện trở Rs nối tiếp mạch (có thể coi điện trở pin Mặt Trời) Hình 2.1 sơ đồ tương đương pin Mặt Trời đường đặc trưng sáng pin Mặt Trời Từ sơ đồ tương đương, dễ dàng viết phương trình đặc trưng Volt – Ampere pin Mặt Trời sau: q (V RsI ) V RsI 1 I = 𝐼ph − 𝐼𝑑 − 𝐼𝑠ℎ = 𝐼ph − 𝐼𝑠 [𝑒𝑥𝑝 nkT ] − Rsh (2.1) Trong đó: Iph : dịng quang điện (A/m2 ) Id : dòng qua diot (A/m2 ) Ish : dòng dò (A/m2 ) Is : dòng bão hòa (A/m2 ) n : gọi thừa số lý tưởng phụ thuộc vào mức độ hồn thiện cơng nghệ pin Mặt Trời Gần lấy n = Rs : điện trở nối tiếp (điện trở trong) pin Mặt Trời (Ω/m2); Rsh : điện trở shun (Ω/m2); q : điện tích điện tử (C); Thơng thường điện trở sơn Rsh lớn bỏ qua số hạng cuối biểu thức (2.1) Đường đặc trưng sáng V-A pin Mặt Trời cho biểu thức có dạng đường cong (hình 2.1b) Có ba điểm quan trọng đường đặc trưng này: Dòng ngắn mạch Isc Điện áp hở mạch Voc Điểm công suất cực đại PM 2.3.2 Dòng ngắn mạch Isc: [1] Dòng ngắn mạch Isc dòng điện mạch pin Mặt Trời làm ngắn mạch ngồi (chập cực pin) Lúc hiệu điện mạch pin V = Đặt giá trị V = vào biểu thức (1.1) ta có: qRsIsc RsIsc 𝐼𝑠𝑐 = 𝐼ph − 𝐼𝑠 [𝑒𝑥𝑝 nkT − 1] - Rsh (2.2) Ở điều kiện chiếu sáng bình thường (khơng có hội tụ) hiệu ứng điện trở nối tiếp Rs bỏ qua, Id= ta có: Isc = Iph = αE.E Trong E cường độ sáng, αE hệ số tỉ lệ Như điều kiện bình thường, dịng ngắn mạch Isc pin Mặt Trời tỷ lệ thuận với cường độ xạ chiếu sáng ... thống nguồn điện Pin Mặt Trời? ??……? ?1 1. 1 1. 2 Hệ lượng pin Mặt Trời tổng quát…………………………… Đặc điểm thành phần hệ…………………………………… .1 Chương Pin Mặt Trời? ??…………………………………………… 2 .1 Cấu tạo pin Mặt Trời? ??………………………………………………... lượng……………………………………… 10 2.4 Ghép nối pin Mặt Trời (dàn pin Mặt Trời) …………………? ?11 2.4 .1 Ghép nối tiếp modun pin Mặt Trời giống nhau…………………… .11 2.4.2 Ghép nối tiếp modun pin Mặt Trời không giống nhau…………… 12 ... pin Mặt Trời: Các mô-đun quang điện, thường gọi mơ-đun lượng Mặt Trời, thành phần pin lượng Mặt Trời, sử dụng để chuyển đổi ánh sáng Mặt Trời thành điện Các mô-đun lượng Mặt Trời làm chất bán