Thiết kế hệ thống điện mặt trời độc lập

Năng lượng mặt trời dần trở thành sự lựa chọntối ưa trong quá trình quy hoạch và phát triển nguồn điện tại Việt Nam hiện nay.Hiện nay, với các chính sách hỗ trợ của chính phủ Việt Nam tạ

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

PHAN VIỆT HOÀNG

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI ĐỘC LẬP

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Đà Nẵng, 12/2021

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiêm cứu của riêng tôi.

Các số liệu, kết quả nêu trong Đồ án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Đà Nẵng, ngày tháng năm 2021

Phan Việt Hoàng

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI 3

1.1 NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 3

1.1.1 Lịch sử phát triển của pin mặt trời 3

1.1.2 Vật liệu, hiệu suất và sự chuyển đổi ánh sáng của pin mặt trời 4 1.2 ỨNG DỤNG CỦA NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 6

1.2.1 Nhà máy điện năng lượng mặt trời 7

1.2.2 Thiết bị làm lạnh và điều hoà không khí dùng NLMT 8 1.2.3 Thiết bị đun nước nóng bằng NLMT 8

1.3 PHÂN LOẠI HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI 9

1.3.1 Hệ thống điện mặt trời độc lập 9

1.3.2 Hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới 11

1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 12

CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI CẤP ĐIỆN ĐỘC LẬP 13

2.1 PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 13

2.1.1 Cấu tạo của pin mặt trời 13

2.1.2 Hiệu ứng quang điện 18

2.2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA PIN 20

2.2.1 Cell quang điện 20

2.2.2 Mô đun quang điện 21

2.2.3 Mảng quang điện 22

2.3 ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CHO DÀN PIN NLMT 23

2.3.1 Giới thiệu 23

2.3.2 Bộ biến đổi DC-DC 24

2.3.3 Một số thuật toán điều khiển MPPT 28

2.4 BỘ BIẾN ĐỔI DC-AC ĐỘC LẬP 33

2.4.1 Sơ đồ nguyên lý 33

2.4.2 Nguyên lý hoạt động 34

2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 35

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI ĐỘC LẬP CÓ LƯU TRỮ CHO HỘ GIA ĐÌNH 36

3.1 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CHO HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI ĐỘC LẬP CÓ LƯU TRỮ CHO HỘ GIA ĐÌNH 36

3.1.1 Tính tổng công suất tiêu thụ của hộ gia đình 36

3.1.2 Tính chọn bình ắc quy lưu trữ 37

3.1.3 Tính chọn tấm pin quang điện 38

3.1.4 Chọn bộ điều khiển sạc 40

3.1.5 Chọn máy kích điện inventer 40

3.2 TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ BỘ BIẾN ĐỔI BUCK – BOOST SẠC ẮC QUY 41

3.3 MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 42

3.3.1 Mô phỏng đặc tính của tấm pin 42

3.3.2 Mô phỏng mạch sạc điện cho bình ắc quy từ dàn pin 43 3.3.3 Mô phỏng khối nghịch lưu DC-AC cấp điện cho hộ tiêu thụ gia đình 46

3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 48

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 49 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Bảng 3.1 Bảng thống kê về số lượng và thời gian sử dụng các thiết bị điện trong một hộ gia đình 37 Bảng 3.2 Thông số cơ bản của tấm PV đo ở điều kiện tiêu chuẩn 39

Hình 1.1 Tấm pin năng lượng mặt trời 6

Hình 1.2 Nhà máy điện mặt trời 7

Hình 1.3 Hệ thống cung cấp nước nóng dùng NLMT 9

Hình 1.4 Hệ thống năng lượng mặt trời độc lập 9

Hình 1.5 Hệ thống hòa lưới có dự trữ 11

Hình 2.1 Quá trình tạo mudule 14

Hình 2.2 Hình ảnh cấu tạo của hệ thống pin mặt trời 14

Hình 2.3 Tế bào quang điện 15

Hình 2.4 Kính bảo vệ 16

Hình 2.5 Khung nhôm 16

Hình 2.6 Hộp nối 17

Hình 2.7 Hệ 2 mức năng lượng 18

Hình 2.8 Các vùng năng lượng 19

Hình 2.9 Sơ đồ mạch điện tương đương của cell quang điện 20

Hình 2.10 Đặc tính cell quang điện khi xét tới ảnh hưởng của R s và R p 21

Hình 2.11 Mô đun quang điện 21

Hình 2.12 Đường đặc tính V-I của mô đun quang điện 21

Hình 2.13 Ghép nối tiếp các mô đun quang điện 22

Hình 2.13 Ghép song song các mô đun quang điện 22

Hình 2.14 Ghép nối tiếp và song song các mô đun quang điện 23

Hình 2.15 Đặc tính V-I và V-P của mô đun quang điện 23

Hình 2.16 Đặc tính V-I của mô đun quang điện với cường độ ánh sáng thay đổi 24

Hình 2.17 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển bám điểm MPP 24

Hình 2.18 Sơ đồ của bộ biến đổi Buck 25

Hình 2.19 Sơ đồ của bộ biến đổi Boost 26

Hình 2.20 Sơ đồ của bộ biến đổi Buck-Boost 27

Hình 2.21 Lưu đồ thuật toán P&O 30

Hình 2.22 Sự phân kỳ của thuật toán P&O khi cường độ bức xạ thay đổi 31

Hình 2.23 Đường đặc tính P-V và thuật toán INC 32

Hình 2.24 Lưu đồ thuật toán INC điều khiển gián tiếp qua Vref 33

Hình 2.25 Sơ đồ nghịch lưu áp cầu một pha 34

Hình 2.26 Đồ thị nghịch lưu áp cầu một pha 35

Hình 3.3 Sơ đồ kết nối bình ắc quy trong hệ thống thiết kế 38

Hình 3.4 Hình ảnh tấm pin 300W lựa chọn lắp đặt 39

Hình 3.5 Sơ đồ đấu cho bộ sạc pin mặt trời 40

Hình 3.6 Hình ảnh bộ hybrid inverter công suất 10 kW độc lập 41

Hình 3.7 Sơ đồ mô phỏng đặc tính của tấm pin quang điện sử dụng trong hệ thống 42

Hình 3.8 Đường đặc tính P-V của mô đun quang điện ứng dụng trong hệ thống cấp điện độc lập cho hộ tiêu thụ gia đình 43

Hình 3.9 Đường đặc tính I-V của mô đun quang điện ứng dụng trong hệ thống cấp điện độc lập cho hộ tiêu thụ gia đình 43

Hình 3.10 Sơ đồ mô phỏng mạch sạc điện cho bình ắc quy 43

Hình 3.11 Sơ đồ khối dàn pin PV 44

Hình 3.12 Sơ đồ khối bám điểm công suất cực đại MPPT 44

Hình 3.13 Khối sơ đồ mạch Buck - Boost 44

Hình 3.14 Khối bình ắc quy 45

Hình 3.15 Dạng sóng điện áp đầu ra của dàn pin 45

Hình 3.16 Dạng sóng công suất của dàn pin và của bình ắc quy 46

Hình 3.17 Sơ đồ khối nghịch lưu DC-AC 46

Hình 3.18 Kết quả mô phỏng với công suất tải tiêu thụ là 3kW 47

Hình 3.20 Kết quả mô phỏng với công suất tải tiêu thụ là 9.6kW 48

PHIẾU NHẬN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆPTên đề tài: Thiết kế hệ thống điện mặt trời độc lập

Họ và tên sinh viên : Phan Việt Hoàng

Mã sinh viên : 2321174172

Khoa : Điện – Điện Tử

Nội dung thuyết minh cần tính toán

- Giới thiệu tổng quan về hệ thống năng lượng mặt trời.

- Phương pháp thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời

- Thiết kế mô hình hệ thống điện mặt trời độc lập cho hộ gia đình

- Đánh giá khả năng cấp điện của hệ thống.

- Dự toán cho công trình.

- Lợi ích công trình mang lại.

Trưởng bộ môn Đà Nẵng, ngày tháng năm 2021

Giáo viên hướng dẫn

ThS.Nguyễn Thanh Hùng

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Điện năng đang ngày càng đóng vai trò hết sức quan trọng trong đời sống conngười chúng ta Chính vì những ưu điểm vượt trội của nó so với các nguồn nănglượng khác (như: dễ chuyển thành các dạng năng lượng khác, dễ truyền tải đi xa,hiệu suất cao) mà ngày nay điện năng được sử dụng hết sức rộng rãi trong mọi lĩnhvực từ công nghiệp, dịch vụ, cho đến phục vụ đời sống sinh hoạt hằng ngày củamỗi gia đình Có thể nói rằng ngày nay không một quốc gia nào trên thế giới khôngsản xuất và tiêu thụ điện năng, và trong tương lai thì nhu cầu của con người vềnguồn năng lượng đặc biệt này sẽ tiếp tục được nâng cao

Kinh tế triển kéo theo sự mở rộng của các khu công nghiệp lớn Điều này làmcho năng lượng điện năng tiêu thụ ngày một cao trong khi các nguồn thủy điện vànhiệt điện gần như được khai thác triệt để, năng lượng gió tốn quá nhiều chi phí đầu

tư cũng như diện tích xay dựng lớn Năng lượng mặt trời dần trở thành sự lựa chọntối ưa trong quá trình quy hoạch và phát triển nguồn điện tại Việt Nam hiện nay.Hiện nay, với các chính sách hỗ trợ của chính phủ Việt Nam tại các địaphương, việc xây dựng các nguồn năng lượng mặt trời sử dụng pin quang điện, nhất

là các hệ thống năng lượng mặt trời lắp mái đang và sẽ là xu hướng phát triển vớimục tiêu giải quyết các nhu cầu về điện năng, tránh các tính trạng thiếu hụt nănglượng

Việt Nam nói chung và thành phố Đà Nẵng nói riêng, định hướng về việc pháttriển thành phố thông minh (smart city) hay thành phố môi trường, trong đó có vấn

đề sử dụng tiết kiệm và hiệu quả nguồn năng lượng sạch là một xu thế tất yếu trongtương lai Đặc biệt với một thành phố năng động, luôn phát triển, luôn đổi mới thìviệc sử dụng năng lượng xanh – năng lượng mặt trời cho hệ thống các công trìnhcông cộng: công sở, hệ thống chiếu sáng và dân sinh là nền tảng để trở thành mộtthành phố thông minh, thành phố môi trường hiện đại cũng như góp phần vào việcgiảm phát thải khí CO2

Trên cơ sở đó và được sự hướng dẫn của Thầy ThS.Nguyễn Thanh Hùng

chúng em thực hiện đề tài “Thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời độc lập cho

hộ gia đình” vừa là một trong những giải pháp tiết kiệm, sử dụng hiệu quả nănglượng đồng thời cũng gớp phần thực hiện công bảo vệ môi trường, giảm lượng khíthải gây hiệu ứng ảnh hưởng đến tình hình biến đổi khí hậu toàn cầu hiện nay

2 Mục đích nghiêm cứu.

Mục tiêu của đề tàilà đề xuất giải pháp thiết kế , tạo ra được một bản thiết kếhoàn chỉnh hệ thống điện mặt trời độc lập sử dụng ở những nơi không có điện lướiquốc gia (vùng núi , vùng biển , quần đảo ,…) Giảm thiểu tình trạng lệ thuộc hoàntoàn nguồn năng lượng tiêu thụ từ lưới điện và giảm tác động đến môi trường

3 Đối tượng và phạm vi nghiêm cứu.

3.1 Đối tượng nghiêm cứu.

- Nguồn bức xạ mặt mặt trời tại nơi triển khai mô hình hệ thống điện nănglượng mặt trời

- Nhu cầu điện năng của hộ gia đình

3.2 Phạm vi nghiêm cứu.

- Tổng quan về năng lượng mặt trời, tìm hiểu các mô hình biến đổi năng lượngmặt trời thành điện năng để triển khai áp dụng cho hộ gia đình

4 Phương pháp nghiêm cứu.

- Trên cơ sở phân tích lý thuyết và các mô hình biến đổi năng lượng mặt trờithành điện năng

5 Ý nghĩa thực tiễn và khoa học của đề tài.

Năng lượng tái tạo được chú trọng nghiêm cứu nhiều hơn để đáp ứng nhucầu của lưới điện Việt Nam nói chung và của thành phố Đà Nẵng nói riêng trongthời gian đến Đảm bảo vấn đề an ninh năng lượng trong khi các nguồn năng lượngtruyền thống đang dần cạn kiệt Là một phần không thể thiếu của thành phố Thôngminh và Thành phố môi trường Kết quả nghiêm cứu sẽ là giải pháp làm giảm bớtgánh nặng về tình trạng thiếu hụt năng lượng của quốc gia

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG

ĐIỆN MẶT TRỜI1.1 NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

1.1.1 Lịch sử phát triển của pin mặt trời

Mặt Trời là nguồn năng lượng lớn nhất mà con người có thể tận dụng được:sạch, dồi dào, đáng tin cậy, và có ở khắp nơi Việc sử dụng năng lượng mặt trờikhông thải ra khí và nước độc hại, do đó không gây ra ô nhiễm môi trường và hiệuứng nhà kính

Hai phương pháp phổ biến dùng để thu nhận và trữ năng lượng mặt trời làphương pháp thụ động và phương pháp chủ động Phương pháp thụ động sử dụngcác nguyên tắc thu giữ nhiệt trong cấu trúc và vật liệu của các công trình xây dựng.Phương pháp chủ động sử dụng các thiết bị đặc biệt để thu bức xạ nhiệt và sử dụngcác hệ thống quạt và máy bơm để phân phối nhiệt Phương pháp thụ động có lịch sửphát triển dài hơn hẳn, trong khi phương pháp chủ động chỉ mới được phát triển chủyếu trong thế kỷ 20

Hai ứng dụng chính của năng lượng mặt trời là:

+ Nhiệt mặt trời: chuyển bức xạ mặt trời thành nhiệt năng, sử dụng ở các hệ

thống sưởi, hoặc để đun nước tạo hơi quay turbin điện

+ Điện mặt trời: chuyển bức xạ mặt trời (dưới dạng ánh sáng) trực tiếp thành

điện năng (hay còn gọi là quang điện - photovoltaics)

Mặt trời là một khối cầu có đường kính khoảng 1,4 triệu km với thành phầngồm các khí có nhiệt độ rất cao Nhiệt độ bên trong mặt trời đạt đến gần 15 triệu độ,với áp suất gấp 70 tỷ lần áp suất khí quyển của Trái Đất Đây là điều kiện lý tưởngcho các phản ứng phân hạch của các nguyên tử hydro Bức xạ gamma từ các phảnứng phân hạch này, trong qua trình được truyền từ tâm Mặt Trời ra ngoài, tương tácvới các nguyên tố khác bên trong Mặt Trời và chuyển thành bức xạ có mức nănglượng thấp hơn Bức xạ điện từ này, với phổ năng lượng trải dài từ cực tím đếnhồng ngoại, phát ra không gian ở mọi hướng khác nhau

Mỗi giây, Mặt Trời phát ra một khối năng lượng khổng lồ vào Thái Dương

Hệ, tuy nhiên chỉ một phần rất nhỏ tổng lượng bức xạ đến được Trái Đất Tuynhiên, phần năng lượng này vẫn được xem là rất lớn, vào khoảng 1.367 MW/m2 ởngoại tầng khí quyển của Trái Đất Một phần lớn bức xạ Mặt Trời phản xạ lại vềkhông gian trên bề mặt các đám mây 99% bức xạ Mặt Trời chiếu xuống bề mặt TráiĐất chuyển thành nhiệt và sau đó tỏa nhiệt lại về không gian Chỉ cần một phần nhỏ

năng lượng Mặt Trời được sử dụng thì có thể đáp ứng được nhu cầu về năng lượngcủa thế giới.

Pin năng lượng Mặt trời ( hay pin quang điện ), là phần tử bán dẫn quang có

chứa trên bề mặt một số lượng lớn các linh kiện cảm biến ánh sáng là các lớp tiếpgiáp p-n, dùng biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện Sự chuyển đổinày gọi là hiệu ứng quang điện Các pin năng lượng Mặt trời có nhiều ứng dụngtrong thực tế Do giá thành còn đắt, chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng mà điệnlưới khó vươn tới như núi cao, ngoài đảo xa, hoặc phục vụ các hoạt động trên khônggian; cụ thể như các vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo trái đất, máy tính cầm tay,các máy điện thoại cầm tay từ xa, thiết bị bơm nước… Các Pin năng lượng Mặt trờiđược thiết kế như những modul thành phần, được ghép lại với nhau tạo thành cáctấm năng lượng Mặt trời có diện tích lớn, thường được đặt trên nóc các tòa nhà nơichúng có thể có thể đó ánh sáng nhiều nhất, và kết nối với bộ chuyển đổi của mạnglưới điện Các tấm pin Mặt Trời lớn ngày nay được lắp thêm bộ phận tự động điềukhiển để có thể xoay theo hướng ánh sáng, giống như cây xanh hướng về ánh sángMặt Trời

Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý PhápAlexandre Edmond Becquerel lúc ông 19 tuổi khi đang làm thí nghiệm tại phòngnghiên cứu của cha Willoughby Smith nhắc đến phát minh này trong một bài báoxuất bản ngày 20 tháng 2 năm 1873 Tuy nhiên cho đến 1883 một pin năng lượngmới được tạo thành, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cựcmỏng vàng để tạo nên mạch nối, thiết bị chỉ có hiệu suất 1% Năm 1888, nhà vật lýhọc người Nga Aleksandr Stoletov tạo ra tấm pin đầu tiên dựa vào hiệu ứng quangđiện được phát hiện bởi Heinrich Hertz trước đó vào năm 1887 Albert Einstein đãgiải thích được hiệu ứng quang điện vào năm 1905, công trình đã giúp ông giànhgiải Nobel vật lý năm 1921 Russell Ohl được xem là người tạo ra pin năng lượngMặt trời đầu tiên năm 1946 Sven Ason Berglund đã có phương pháp liên quan đếnviệc tăng khả năng cảm nhận ánh sáng của pin

1.1.2 Vật liệu, hiệu suất và sự chuyển đổi ánh sáng của pin mặt trời

Đã có nhiều loại vật liệu khác nhau được thử nghiệm chế tạo pin Mặt trời

Có hai tiêu chuẩn đánh giá, là hiệu suất và giá cả Hiệu suất là tỉ số giữa năng lượngđiện từ và năng lượng ánh sáng Mặt trời Vào buổi trưa một ngày trời trong, ánhMặt trời tỏa nhiệt khoảng 1000 W/m².trong đó 10% hiệu suất của 1 module 1 m²cung cấp năng lượng khoảng 100 W hiệu suất của pin Mặt trời thay đổi từ 6% từpin Mặt trời làm từ silic không thù hình, và có thể lên đến 30% hay cao hơn nữa

Có nhiều cách để nói đến giá cả của hệ thống cung cấp điện (chính xác làphát điện), là tính toán cụ thể giá thành sản xuất trên từng kilo Watt giờ điện (kWh).Hiệu năng của pin Mặt trời tạo dòng điện với sự bức xạ của Mặt trời là 1 yếu tốquyết định trong giá thành Nói chung, với toàn hệ thống, là tổ hợp các tấm pin Mặttrời, thì hiệu suất là rất quan trọng Và để tạo nên ứng dụng thực tế cho pin nănglượng, điện năng tạo nên có thể nối với mạng lưới điện sử dụng dạng chuyển đổitrung gian; trong các phương tiện di chuyển, thường sử dụng hệ thống ắc quy để lưutrữ nguồn năng lượng chưa sử dụng đến Các pin năng lượng thương mại và hệthống công nghệ cho nó có hiệu suất từ 5% đến 15% Giá của 1 đơn vị điện từ 50Eurocent/kWh (Trung Âu) giảm xuống tới 25 eurocent/kWh trong vùng có ánh Mặttrời nhiều.

Ngày nay thì vật liệu chủ yếu chế tạo pin Mặt trời (và cho các thiết bị bándẫn) là silic dạng tinh thể Pin Mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại:

(1) Một tinh thể hay tinh thể đơn sản xuất dựa trên quá trình Czochralski.Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16%

(2) Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc – đúc từ silic nung chảy cẩn thận đượclàm nguội và làm rắn Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệusuất kém hơn Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặtnhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó

(3) Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đatinh thể Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong cácloại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon

Nền tảng chế tạo dựa trên công nghệ sản suất tấm mỏng, có độ dày 300 μm

và xếp lại để tạo nên các module tạo thành các loại pin trên Khi một photon chạmvào một mảnh silic, một trong hai điều sau sẽ xảy ra:

- Photon truyền trực xuyên qua mảnh silic Điều này thường xảy ra khi nănglượng của photon thấp hơn năng lượng đủ để đưa các hạt electron lên mức nănglượng cao hơn

- Năng lượng của photon được hấp thụ bởi silic Điều này thường xảy ra khinăng lượng của photon lớn hơn năng lượng để đưa electron lên mức năng lượng caohơn Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các hạt electrontrong mạng tinh thể Thông thường các electron này lớp ngoài cùng, và thườngđược kết dính với các nguyên tử lân cận vì thế không thể di chuyển xa Khi electronđược kích thích, trở thành dẫn điện, các electron này có thể tự do di chuyển trongbán dẫn Khi đó nguyên tử sẽ thiếu 1 electron và đó gọi là “lỗ trống” Lỗ trống nàytạo điều kiện cho các electron của nguyên tử bên cạnh di chuyển đến điền vào “lỗ

trống”, và điều này tạo ra lỗ trống cho nguyên tử lân cận có “lỗ trống” Cứ tiếp tụcnhư vậy “lỗ trống” di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn.

Một photon chỉ cần có năng lượng lớn hơn năng lượng đủ để kích thíchelectron lớp ngoài cùng dẫn điện Tuy nhiên, tần số của Mặt trời thường tươngđương 6000°K, vì thế nên phần lớn năng lượng Mặt trời đều được hấp thụ bởi silic.Tuy nhiên hầu hết năng lượng Mặt trời có tác dụng nhiệt nhiều hơn là năng lượngđiện sử dụng được

Hình 1.1 Tấm pin năng lượng mặt trời

1.2 ỨNG DỤNG CỦA NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Năng lượng mặt trời (NLMT) là nguồn năng lượng mà con người biết sửdụng từ rất sớm, nhưng ứng dụng năng lượng mặt trời vào các công nghệ sản xuất

và trên quy mô rộng thì mới chỉ thực sự vào cuối thế kỷ 18 và cũng chủ yếu ởnhững nước nhiều năng lượng mặt trời, những vùng sa mạc Từ sau các cuộc khủnghoảng năng lượng thế giới năm 1968 và 1973, năng lượng mặt trời càng được đặcbiệt quan tâm Các nước công nghiệp phát triển đã đi tiên phong trong việc nghiêncứu ứng dụng năng lượng mặt trời

Các ứng dụng năng lượng mặt trời phổ biến hiện nay bao gồm 2 lĩnh vực chủyếu:

Thứ nhất là năng lượng mặt trời được biến đổi trực tiếp thành điện năng nhờcác tế bào quang điện bán dẫn, hay còn gọi là Pin mặt trời, các Pin mặt trời sản xuất

ra điện năng một cách liên tục chừng nào còn có bức xạ mặt trời chiếu tới

Lĩnh vực thứ hai đó là sử dụng năng lượng mặt trời dưới dạng nhiệt năng, ởđây, chúng ta dùng các thiết bị thu bức xạ nhiệt mặt trời và tích trữ nó dưới dạngnhiệt năng để dùng vào các mục đích khác nhau.

Việt Nam là nước có tiềm năng về NLMT, trải dài từ vĩ độ 80 Bắc đến 230Bắc, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao, với trị số tổng

xạ khá lớn từ 100-175 kcal/cm2.năm Do đó, việc sử dụng NLMT ở nước ta sẽ đemlại hiệu quả kinh tế lớn Thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam hiện naychủ yếu là hệ thống cung cấp điện dùng pin mặt trời, hệ thống nấu cơm có gươngphản xạ, hệ thống cung cấp nước nóng, chưng cất nước dùng NLMT, dùng NLMTchạy các động cơ nhiệt (động cơ Stirling), và ứng dụng NLMT để làm lạnh là đề tàihấp dẫn có tính thời sự đã và đang được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nướcnghiên cứu

1.2.1 Nhà máy điện năng lượng mặt trời

Hình 1.2 Nhà máy điện mặt trời

Điện năng còn có thể tạo ra từ NLMT dựa trên nguyên tắc tạo nhiệt độ caobằng một hệ thống gương phản chiếu và hội tụ để gia nhiệt cho môi chất làm việctruyền động cho máy phát điện.Hiện nay trong các nhà máy nhiệt điện sử dụngNLMT có các loại hệ thống bộ thu chủ yếu sau đây:Hệ thống dùng parabol trụ đểtập trung tia bức xạ mặt trời vào một ống môi chất đặt dọc theo đường hội tụ của bộthu, nhiệt độ có thể đạt tới 4000C Hệ thống nhận nhiệt trung tâm bằng cách sử dụngcác gương phản xạ có định vị theo phương mặt trời để tập trung NLMT đến bộ thu

đặt trên đỉnh tháp cao, nhiệt độ có thể đạt tới trên 1.5000C Hệ thống sử dụng gươngparabol tròn xoay định vị theo phương mặt trời để tập trung NLMT vào một bộ thuđặt ở tiêu điểm của gương, nhiệt độ có thể đạt trên 1.5000C.

1.2.2 Thiết bị làm lạnh và điều hoà không khí dùng NLMT

Trong số những ứng dụng của NLMT thì làm lạnh và điều hoà không khí làứng dụng hấp dẫn nhất vì nơi nào khí hậu nóng nhất thì nơi đó có nhu cầu về làmlạnh lớn nhất, đặc biệt là ở những vùng xa xôi héo lánh thuộc các nước đang pháttriển không có lưới điện quốc gia vì giá nhiên liệu quá đắt so với thu nhập trungbình của người dân Với các máy lạnh làm việc trên nguyên lý biến đổi NLMTthành điện năng nhờ pin mặt trời là thuận tiện nhất, nhưng trong giai đoạn hiện naygiá thành pin mặt trời còn quá cao Ngoài ra, các hệ thống lạnh còn được sử dụngNLMT dưới dạng nhiệt năng để chạy máy lạnh hấp thụ, loại thiết bị này ngày càngđược ứng dụng nhiều trong thực tế Tuy nhiên, hiện nay các hệ thống này vẫn chưađược thương mại hóa và sử dụng rộng rãi vì giá thành còn rất cao và hơn nữa các bộthu dùng trong các hệ thống này chủ yếu là bộ thu phẳng với hiệu suất còn thấp(dưới 45%) nên diện tích lắp đặt bộ thu cần rất lớn chưa phù hợp với yêu cầu thực

tế Ở Việt Nam cũng đã có một số nhà khoa học nghiên cứu tối ưu hoá bộ thu nănglượng mặt trời kiểu hộp phẳng mỏng cố định có gương phản xạ để ứng dụng trong

kỹ thuật lạnh, với loại bộ thu này có thể tạo được nhiệt độ cao để cấp nhiệt cho máylạnh hấp thụ, nhưng diện tích mặt bằng cần lắp đặt hệ thống cần phải rộng

1.2.3 Thiết bị đun nước nóng bằng NLMT

Ứng dụng đơn giản, phổ biến và hiệu quả nhất hiện nay của NLMT là dùng

để đun nước nóng Các hệ thống nước nóng dùng NLMT đã được dùng rộng rãi ởnhiều nước trên thế giới

Ở Việt Nam hệ thống cung cấp nước nóng bằng NLMT đã và đang được ứngdụng rộng rãi ở Hà Nội, TP HCM và Đà Nẵng Các hệ thống này đã tiết kiệm chongười sử dụng một lượng đáng kể về năng lượng, góp phần rất lớn trong việc thựchiện chương trình tiết kiệm năng lượng của nước ta và bảo vệ môi trường chung củanhân loại

Hệ thống cung cấp nước nóng dùng NLMT hiện nay ở Việt nam cũng nhưtrên thế giới chủ yếu dùng bộ thu cố định kiểu tấm phẳng hoặc dãy ống có cánhnhận nhiệt, với nhiệt độ nước sử dụng 60oC thì hiệu suất của bộ thu khoảng 45%,còn nếu sử dụng ở nhiệt độ cao hơn thì hiệu suất còn thấp

Hình 1.4 Hệ thống năng lượng mặt trời độc lập

Hệ thống điện mặt trời độc lập là hệ thống sử dụng năng lượng mặt trời đểtạo ra điện năng, rồi lưu trữ trực tiếp vào ắc quy và hoạt động độc lập mà không cầnthông qua mạng điện lưới quốc gia Có tất cả 4 thiết bị cần để cho hệ thống pin mặttrời độc lập hoạt động được như sau:

Tấm Pin năng lượng mặt trời: Thành phần chính để giúp tạo ra điện năng từ

pin mặt trời Tùy vào công suất yêu cầu mà sẽ cần số lượng tấm pin khác nhau

Điều khiển sạc năng lượng mặt trời: Giúp bảo vệ ắc quy và hệ thống, chống

sét đánh

Hệ dự trữ ắc quy hoặc pin sạc: Bạn cần chọn hệ thống lưu trữ có dung

lượng, công suất đủ để đáp ứng nhu cầu sử dụng của gia đình và cơ quan

Bộ đổi nguồn DC/AC: Dùng để chuyển đổi dòng điện một chiều DC thành

dòng điện xoay chiều AC và cũng cấp điện năng cho các tải

* Nguyên lý hoạt động của hệ thống: Tấm pin năng lượng mặt trời khi tiếp xúc với

ánh nắng vào ban ngày sẽ hấp thụ vào hoạt động để tạo ra điện năng một chiều DC.

Dòng điện DC sẽ đi qua bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời và tự động nạp điệnvào ắc quy hay pin lưu trữ ở đó Khi bạn cần sử dụng điện năng, thì ắc quy sẽ trựctiếp cấp điện năng đến những tải một chiều, với những tải dùng điện xoay chiềuđiện năng sẽ thông qua bộ chuyển đổi điện sẽ biến dòng điện một chiều thành dòngđiện hai chiều AC

Đây là mô hình dành cho những nơi không có điện lưới quốc gia như: vùngsâu vùng xa, miền núi, hải đảo… nơi điện lưới chưa thể tới được Hay những hộ giađình không muốn sở hữu điện lưới muốn tự cung tự cấp điện để dùng

 Chi phí mà bạn cần dùng để đầu tư cho hệ thống ban đầu rất cao, do cần

hệ thống ắc quy dùng để lưu trữ điện chi phí khá lớn;

 Chi phí bảo dưỡng lớn và thường xuyên do hệ thống ắc quy có tuổi thọkhông cao nó chỉ kéo dài trong khoảng thời gian từ 2-5 năm tùy loại ắc quy Chính

vì thể bạn cần thay thế thường niên sau đó;

 Hiệu suất chuyển đổi điện thấp (chủ yếu do hệ thống ắc qui, giữa chu trìnhphóng và chu trình nạp bị tiêu hao rất lớn)

1.3.2 Hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới

Hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới được sử dụng rất nhiều vào các

dự án cho cơ quan, trường học và hộ gia đình… ở Việt Nam do kinh phí phù hợp,

mà hiệu quả mang lại cao

Đây là một hệ thống pin năng lượng mặt trời sẽ nhận bức xạ mặt trời vàchuyển hóa chúng thành nguồn điện một chiều DC, sau đó điện DC sẽ thông qua bộchuyển đổi chuyển thành dòng điện xoay chiều AC Điện năng này sẽ được hòa vàolưới quốc gia và nội bộ Cụ thể như sau:

+ Khi không có năng lượng mặt trời: Hệ thống pin mặt trời sẽ không hoạt động và

sản sinh ra điện Các phụ tải sẽ sử dụng từ lưới như bình thường;

+ Khi có ánh nắng: Bộ hòa lưới điện năng lượng mặt trời sẽ hoạt động và sinh ra

điện DC, sau đối chuyển đổi thành điện AC có tần số, pha và điện áp trùng với điệnlưới, sau đó điện năng này sẽ hòa vào lưới điện thông qua đồng hồ hai chiều;

+ Khi mất điện lưới: Hệ thống điện mặt trời nối lưới sẽ ngừng hoạt động.

Hình 1.5 Hệ thống hòa lưới có dự trữ

* Ưu điểm

Không sử dụng ắc quy: Nhờ đó giảm được rất nhiều chi phí cần bỏ ra để

mua hệ thống ắc quy và pin lưu trữ điện năng

Khai thác hiệu quả: Điện mặt trời nối lưới hoạt động theo nguyên tắc thu và

nhận, biến đổi và bổ sung trực tiếp ngay vào lưới điện quốc gia do đó không có sựhao tổn như lưu trữ bằng ắc quy hay pin

Tuổi thọ cao hơn: Bộ hòa lưới điện năng lượng mặt trời hoạt động song

hành cùng với hệ thống lưới điện quốc gia nên bị tác động trực tiếp bởi các sự cố về

tải, điện áp hay nguồn… như các hệ thống khác Chính vì thế mà tuổi thọ của cáclinh kiện có tuổi thọ cao hơn so với những hệ thống khác lên tới 25 năm.

Bảo trì đơn giản: Chi phí dành cho việc bảo trì cực thấp (gần như khôngphải bảo trì)

Ứng dụng rộng rãi: Kính phí thấp, tuổi thọ cao, gần như không phải bảo trì

hệ thống có thể ứng dụng rộng rãi cho cả cơ quan, trường học, hộ gia đình… miễn

họ là đang sử dụng điện lưới quốc gia

Lấy lại vốn nhanh: Không chỉ cung cấp điện cho gia đình và cơ quan màngười dùng còn có thể bán điện cho nhà nước với mức giá cao hơn

Mô hình này được sử dụng rất nhiều trong thực tế nhất là ở các nước đangphát triển Tại Việt Nam, đây cũng được xem là giải pháp tiếp kiệm chi phí và hữuích nhất để người dùng lựa chọn Điều kiện cần vào đủ để pin mặ trời hoạt độngchính là có điện lưới

1.4 Kết luận chương 1

Trong chương 1, em đã nghiên cứu và tìm hiểu được các nội dung sau:

o Tìm hiểu được về lịch sử phát triển của pin mặt trời, vật liệu, hiệu suất và

sự chuyển đổi ánh sáng của pin mặt trời

o Trình bày được các ứng dụng của năng lượng mặt trời

o Phân loại được hệ thống điện mặt trời độc lập và năng lượng điện mặt trờinối lưới

CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI

CẤP ĐIỆN ĐỘC LẬP2.1 PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

2.1.1 Cấu tạo của pin mặt trời

Hiện nay nguyên liệu chủ yếu cho pin mặt trời là các silic đơn thể Pin mặttrời từ các tinh thể silic chia thành 3 loại:

o Đơn tinh thể: tấm pin sản xuất dựa trên quá trình Crochralski Đơn tinh thểloại này có hiệu suất lên tới 16% Chúng thường rất đắt tiền do được cắt từ các thỏihình ống, các tấm đơn thể này có mặt trống ở góc nối các module

o Đa tinh thể: được làm từ các thỏi đúc, đúc từ silic nung chảy cẩn thận đượclàm nguội và làm rắn Các pin này thường rẻ hơn các pin đơn thể, tuy nhiên hiệusuất kém hơn Nhưng chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiềuhơn loại đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó

o Dãy silic tạo từ các tấm pin mỏng tạo từ silic nóng chảy và có cấu trúc đatinh thể Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên nó rẻ nhất trong các loại

vì không cần phải cắt từ thỏi silicon

Một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức

xạ năng lượng mặt trời nhờ hiệu ứng quang điện bên trong gọi là pin mặt trời Pinmặt trời được sản xuất và ứng dụng phổ biến nhất hiện nay là các pin mặt trời đượcchế tạo từ các vật liệu tinh thể bán dẫn Silicon (Si) có hóa trị 4 Tinh thể Si tinh

khiết, để có vật liệu tinh thể bán dẫn Si loại n, người ta pha tạp chất donor là

photpho có hóa trị 5 Còn vật liệu tinh thể bán dẫn loại p thì tạp chất acceptor dùng

để pha vào Si là Bo có hóa trị 3 Đối với pin mặt trời từ tinh thể Si, khi bức xạ mặttrời chiếu đến thì hiệu điện thế hở mạch giữa 2 cực khoảng 0.55V và dòng ngắnmạch của nó khi bức xạ mặt trời có cường độ 1000W/m2 vào khoảng 25-30mA/c

Hiện nay người ta chế tạo Pin mặt trời bằng Si vô định hình (a-Si) So vớiPin mặt trời tinh thể thì Pin mặt trời a-Si giá thành rẻ hơn nhưng hiệu suất thấp hơn

và kém ổn định

Công nghệ chế tạo Pin mặt trời gồm nhiều công đoạn khác nhau, ví dụ đểchế tạo Pin năng lượng mặt trời từ Si đa tinh thể cần qua các công đoạn như hình2.1 cuối cùng ta được module.

Hình 2.1 Quá trình tạo mudule.

Cấu tạo pin mặt trời được chế tạo bằng 6 thành phần chính Chúng được lắpráp tại các nhà máy sản xuất tiên tiến, hiện đại bậc nhất thế giới với độ chính xáccực cao Các tấm năng lượng mặt trời được chế tạo bằng pin mặt trời tinh thểsilicon, cho đến nay đây được xem là công nghệ năng lượng mặt trời phổ biến nhất

và hiệu suất cao nhất hiện nay Các công nghệ PV mặt trời khác có sẵn như các tếbào in màng mỏng và màn hình những công nghệ này vẫn đang được cải tiến vàphát triển

6 thành phần chính để cấu tạo pin năng lượng mặt trời bao gồm:

 Tế bào quang điện

 Kính cường lực – dày 3 – 4mm

 Khung nhôm gia cố

 Vật liệu đóng gói (làm kín) – Các lớp màng EVA

 Tấm nền phía dưới bằng Polymer

 Hộp nối – điốt và các bộ ghép nối

Hình 2.2 Hình ảnh cấu tạo của hệ thống pin mặt trời

a Tế bào quang điện PV

Các tế bào quang điện mặt trời hoặc tế bào PV là một nguyên liệu làm pinmặt trời nhằm giúp việc chuyển đổi ánh sáng mặt trời trực tiếp thành năng lượngđiện DC Hiệu suất của bảng điều khiển năng lượng mặt trời được xác định bởi các

tế bào và đặc tính của silicon được sử dụng, với hai loại chính là silicon đơn tinh thể

và đa tinh thể Cơ sở của tế bào silicon có thể được xây dựng bằng cách sử dụng cácchất phụ gia khác nhau để tạo ra silicon loại p dương tính hoặc silicon loại n âmtính Có một số kích thước và cấu hình ô khác nhau có sẵn cung cấp mức độ hiệuquả cũng như hiệu suất khác nhau [11]

Hình 2.3 Tế bào quang điện

Hầu hết các tấm pin mặt trời chứa 60 tế bào đơn hoặc đa tinh thể được liên kếtvới nhau thông qua các thanh nối tiếp để tạo ra điện áp trong khoảng 30-40 V tùythuộc vào loại tế bào được sử dụng Các tấm pin mặt trời lớn hơn được sử dụng chocác hệ thống thương mại và nhà ở năng lượng mặt trời quy mô tiện ích chứa 72hoặc 96 tế bào và lần lượt hoạt động ở điện áp cao hơn Các tiếp điểm điện kết nốicác tế bào được gọi là thanh cái và cho phép dòng điện chạy qua tất cả các tế bàotrong một mạch

b Tấm kính bảo vệ

Tấm kính phía trước là một thành phần cấu tạo pin mặt trời để bảo vệ các tếbào PV khỏi thời tiết và tác động từ mưa đá hoặc mảnh vụn trong không khí Kínhđược sử dụng thường là kính cường lực với cường độ cao, dày từ 3.0 đến 4.0 mm vàđược thiết kế chống lại tải trọng cơ học và thay đổi nhiệt độ khắc nghiệt Thửnghiệm tác động tiêu chuẩn tối thiểu theo tiêu chuẩn IEC yêu cầu các tấm pin mặttrời chịu được tác động của mưa đá có đường kính 1 inch (25mm) di chuyển lên đến

60 dặm/giờ (27 m/s) Trong trường hợp xảy ra tai nạn hoặc kính cường lực va chạmmạnh cũng an toàn hơn nhiều so với kính tiêu chuẩn vì nó vỡ thành các mảnh nhỏthay vì các phần răng cưa sắc nhọn

Hình 2.4 Kính bảo vệ

Để cải thiện hiệu quả và hiệu suất, kính cường lực xuyên thấu được sử dụngphổ biến ở các nhà sản xuất, bởi loại kính này hàm lượng sắt rất thấp và lớp phủchống phản chiếu ở phía sau để giảm tổn thất và cải thiện khả năng truyền ánh sáng

c Khung nhôm

Khung nhôm đóng một vai trò quan trọng trong cấu tạo pin năng lượng mặt trời đểbảo vệ cạnh của phần gỗ chứa các tế bào, cung cấp một cấu trúc vững chắc để gắnbảng điều khiển năng lượng mặt trời vào vị trí Các phần nhôm ép đùn được thiết kếcực kỳ nhẹ, cứng và có thể chịu được áp lực cực lớn, tải từ gió lớn và các lực bênngoài [11]

Khung nhôm có thể có màu bạc hoặc đen tùy thuộc vào nhà sản xuất bảngđiều khiển, các phần góc có thể được vặn, ép hoặc kẹp lại với nhau cung cấp mức

độ ẩm khắc nghiệt, nó đóng một phần quan trọng trong hiệu suất dài hạn, ngăn chặnhơi ẩm và bụi bẩn xâm nhập vào trong cấu tạo của pin mặt trời

Việc ghép hai bên của các tế bào PV sẽ tạo ra một số sự hấp thụ sốc giúp bảo

vệ các tế bào và dây kết nối khỏi sự rung động, tác động đột ngột từ mưa đá và các

vật thể khác Một bộ phim chất lượng cao của EVA với mức độ cao được gọi làlinking liên kết chéo có thể là sự khác biệt giữa tuổi thọ dài hoặc lỗi bảng điều khiển

do thấm nước [11] Trong quá trình sản xuất, các tế bào được lắp đặt trước tiên vớiEVA trước khi được lắp ráp bên trong tấm kính và tấm lưng

e Tấm nền phía sau Polymer

Tấm nền là lớp phía sau cùng để cấu tạo pin năng lượng mặt trời, thôngthường nó đóng vai trò như một hàng rào chống ẩm và lớp da bên ngoài cuối cùng

để nhằm mục đích bảo vệ cơ học và cách điện Vật liệu tấm nền được làm từ nhiềuloại Polymer hoặc nhựa khác nhau bao gồm PP, PET và PVF cung cấp các mức độbảo vệ khác nhau, ổn định nhiệt và chống tia cực tím lâu dài Tấm nền thường cómàu trắng nhưng cũng có thể dưới trong suốt hoặc đen tùy thuộc vào nhà sản xuất

nó là điểm trung tâm, nơi tất cả các tế bào đặt liên kết với nhau và phải được bảo vệkhỏi độ ẩm và bụi bẩn

Hình 2.6 Hộp nối

Hầu như trong cấu tạo tấm pin năng lượng mặt trời thì tất cả các tấm pin mặttrời được kết nối với nhau bằng cách sử dụng phích cắm và ổ cắm chịu được thờitiết đặc biệt gọi là đầu nối MC4 Thuật ngữ MC4 là viết tắt của đầu nối đường kính4mm đa tiếp xúc Do điều kiện thời tiết khắc nghiệt, các đầu nối phải rất chắc chắn,

an toàn, chống tia cực tím và duy trì kết nối tốt với điện trở tối thiểu ở cả điện ápthấp và cao đến 1000V.

Các đầu nối được thiết kế để được sử dụng với cáp DC năng lượng mặt trờicách điện kép 4mm hoặc 6 mm với lõi đa sợi đồng mạ thiếc cho điện trở tối thiểu

Để lắp ráp chính xác các đầu nối, một công cụ uốn đặc biệt được sử dụng để uốncáp nhiều sợi vào đầu cực bên trong, sau đó được lắp và ngắt vào vỏ MC4

Sử dụng đầu nối năng lượng trong cấu tạo pin mặt trời để tránh và giảm thiểunhững tai nạn cháy nổ, hoặc hư hỏng hệ thống pin năng lượng mặt trời Những hìnhthức hoạt động khác nhau này tạo ra các loại tấm pin mặt trời khác nhau, mức giácũng chênh lệch nhau đáng kể, cũng như tuổi thọ và sản lượng điện được tạo ra

2.1.2 Hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý PhápAlexandre Edmond Becquerel Tuy nhiên cho đến 1883 một pin năng lượng mớiđược hình thành, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cựcmỏng vàng để tạo nên mạch nối Thiết bị chỉ có hiệu suất 1%, Rusell Ohl xem làngười sáng tạo ra pin năng lượng mặt trời đầu tiên năm 1946 Sau đó Sven AsonBerglund đã có các phương pháp liên quan đến việc tăng khả năng cảm nhận ánhsáng của pin

Xét một hệ hai mức năng lượng điện tử E1<E2, bình thường điện tử chiếmmức năng lượng thấp hơn E1 Khi nhận bức xạ mặt trời, lượng tử ánh sáng photon

có năng lượng hv (trong đó h là hằng số Plank, v là tần số ánh sáng) bị điện tử hấpthu và chuyển lên mức năng lượng E2

Ta có phương trình cân bằng năng lượng:

Hv = E2 – E1

Hình 2.7 Hệ 2 mức năng lượng

Trong các vật thể rắn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tửvòng ngoài, nên các mức năng lượng của nó bị tách ra nhiều năng lượng sát nhau vàtạo thành các vùng năng lượng (hình 2.7) Vùng năng lượng thấp bị các điện tửchiếm đầy khi ở trạng thái cân bằng gọi là vùng hóa trị, mà mặt trên của nó có mứcnăng lượng Ev Vùng năng lượng phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bịchiếm một phần gọi là vùng dẫn, mặt dưới của vùng có năng lượng là Ec Cách ly

giữa hai vùng giá trị và vùng dẫn là một vùng cấp có độ rộng với năng lượng là Eg,trong đó không có mức năng lượng cho phép nào của điện tử

Khi nhận bức xạ mặt trời, photon có năng lượng hv tới hệ thống và bị điện tử

ở vùng hóa trị thấp hấp thu và có thể chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự

do e, để lại ở vùng hóa trị một lỗ trống có thể coi như hạt mang điện dương, ký hiệu

là h+ Lỗ trống này có thể di chuyển cà tham gia và quá trình dẫn điện

Hiệu ứng lượng tử của quá trình hấp thu photon có thể mô tả bằng phươngtrình:

Ev, quá trình phục hồi chỉ xảy ra trong thời gian rất ngắn 10-12 ÷ 10-1 giây và gây radao động mạnh (photon)

Năng lượng bị tổn hao do quá trình phục hồi là:

Eph=hv - E g.Tóm lại khi vật rắn nhận tia bức xạ mặt trời, điện trở ở vùng hóa trị hấp thunăng lượng photon hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử - lỗ trống e-

- h+, tức là đã tạo ra một điện thế Hiện tượng đó gọi là hiệu ứng quang điện bêntrong

2.2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA PIN

Mục đích chính của việc mô hình hóa tấm pin quang điện là nhằm mô phỏngcác đặc tuyến V-P, V-I ứng với nhiệt độ môi trường và cường độ ánh sáng khácnhau, để từ đó có thể kết hợp với các bộ biến đổi công suất phía sau thành mô hình

hệ thống NLMT

2.2.1 Cell quang điện

Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng mô hình hai điốt như đã giới thiệutrong Đây là mô hình cho đáp ứng nhanh và gần đúng với đặc tuyến của cell quangđiện PV thực tế, đặc biệt là dưới cường độ ánh sáng thấp Sơ đồ mạch điện hai điốttương đương được thể hiện trong hình 2.9

Hình 2.9 Sơ đồ mạch điện tương đương của cell quang điện

Dòng điện đầu ra của cell quang điện có thể viết được như sau:

Trong đó: R s và R P là điện trở nối tiếp và song song; V T1 và V T2 là giá trị điện

áp ngưỡng và a 1 , a 2 là hệ số lý tưởng cho điốt 1 và 2 tương ứng; S và T là cường độ ánh sáng và nhiệt độ môi trường Chú ý I PV_STC và các biến khác có cùng chỉ số là là

được đo trong điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn (S = 1000 W/m2, T = 250C) K I là hệ

số nhiệt độ của dòng điện , thường được cung cấp bởi nhà sản xuất Dòng điện bãohòa của điốt được đưa ra bởi:

 

-

của R s và R P được thể hiện trên hình 2.2

Hình 2.10 Đặc tính cell quang điện khi xét tới ảnh hưởng của R s và R p

2.2.2 Mô đun quang điện

Một cell quang điện có điện áp làm việc nhỏ khoảng 0,5 V Do đó, để cóđiện áp đầu ra lớn hơn, yêu cầu phải mắc nối tiếp các cell và để có dòng điện đầu ralớn hơn yêu cầu cần phải mắc song song các cell quang điện

Hình 2.11 Mô đun quang điện

Đường đặc tính I-V của một mô đun quang điện được mô tả như sau:

Hình 2.12 Đường đặc tính V-I của mô đun quang điện

2.2.3 Mảng quang điện

Mảng quang điện được định nghĩa là việc ghép nối nhiều mô đun quang điệnlại với nhau Có 3 hình thức kết nối các mô đun PV với nhau như: nối tiếp, songsong và hỗn hợp

- Ghép nối tiếp: Hình thức này nhằm mục đích nâng điện áp đầu ra của mảng quang

điện

Hình 2.13 Ghép nối tiếp các mô đun quang điện

- Ghép song song: Hình thức được sử dụng để nâng cao cường độ dòng điện đầu ra

của mảng quang điện

Hình 2.13 Ghép song song các mô đun quang điện

- Ghép song song: Hình thức này nhằm nâng cao cường độ dòng điện và điện áp

đầu ra của mảng quang điện

Hình 2.14 Ghép nối tiếp và song song các mô đun quang điện

2.3 ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CHO DÀN PIN NLMT