Hệ thống quang điện sử dụng năng lượng mặt trời hệ pin mặt trời cónhiều ưu điểm như không cần nguyên liệu, không gây ô nhiễm môi trường, ít phải bảodưỡng, không gây tiếng ồn… Hiện nay nă
TỔNG QUAN CHUNG VỀ ĐỀ TÀI
Giới thiệu về đồ án
1.1.1 Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay nhu cầu sử dụng năng lượng của con người ngày càng tăng nhất là năng lượng điện Con người cần năng lượng điện để phục vụ cho nhu cầu đời sống sinh hoạt, sản xuất Từ những nhu cầu đơn giản như chiếu sáng sinh hoạt cho đến các dây chuyền sản xuất hiện đại Trong khi đó các nguồn nhiên liệu truyền thống đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng Năng lượng mặt trời được xem là dạng năng lượng ưu việt trong tương lai, nó được xem là nguồn năng lượng sẵn có, sạch và miễn phí Do vậy ưu điểm và khả năng thay thế nguồn nguyên liệu truyền thống thì hiện nay, năng lượng mặt trời đang được rất nhiều các nhà khoa học, các chuyên gia, các công ty năng lượng trên thế giới quan tâm nghiên cứu về tiềm năng năng lượng cũng như khả năng ứng dụng.
Xe điện vốn dĩ từ lâu đã được đánh giá là xu thế của ngành công nghiệp ô tô trong tương lai bởi mối lo ngại ô nhiễm môi trường do hệ thống khí thải độc hại từ các thế hệ xe diesel Thêm vào đó, những yêu cầu gắt gao về chất lượng khí thải của các quốc gia càng khiến ngành công nghiệp ô tô chuyển sang sử dụng ô tô điện Đấy là chưa kể, công nghệ luôn phát triển không ngừng và điều này khiến chi phí của những chiếc xe ô tô điện vì thế mà cũng rẻ hơn Với những lợi ích to lớn mà công nghệ ô tô điện mang lại cho con người, việc sử dụng ô tô điện là bước đi quan trọng để con người không còn phụ thuộc vào nguồn năng lượng hóa thạch mà sẽ sử dụng nguồn năng lượng sạch trong tương lai Đi đôi với việc sử dụng ô tô điện, nhược điểm của ô tô điện là chưa đáp ứng được là di chuyển khoảng cách xa cần phải có nguồn sạc vào để tiếp tục vận hành, yêu cầu cấp thiết hiện nay là phải xây dựng hệ thống phân phối năng lượng điện rải khắp trên những tuyến đường, khu vực mà ô tô điện hoạt động như: khu dân cư, sân bay, khu du lịch, cảng biển Mà việc xây dựng nhiều trạm sạc điện xe điện sẽ cần dùng nhiều đến điện năng vậy cần giảm việc sử dụng nguồn điện năng hòa lưới, vậy thì việc khai thác nguồn năng lượng mặt trời là cách tốt nhất Trong đó việc xây dựng trạm sạc điện ô tô điện bằng năng lượng mặt trời là bước đi quan trọng nhất trong việc hình thành nên hệ thống này Việc kết hợp hệ thống năng lượng mặt trời để cung cấp nguồn cho trạm sạc ô tô điện là một trong những bước đi đầu tiên để tiến đến khai thác và sử dụng hoàn toàn năng lượng mặt trời nguồn năng lượng sạch, có sẵn và vô tận trong tương lai Từ những lý do trên cần tìm hiểu và tính toán
“Nghiên cứu và ứng dụng pin năng lượng mặt trời cho trạm sạc điện xe điện” để sử dụng hiệu quả năng lượng mặt trời vào trong trạm sạc.
Từ những lý do trên, đồ án đặt ra mục tiêu chính là “Nghiên cứu và ứng dụng pin năng lượng mặt trời cho trạm sạc điện xe điện”.
Mục đích của đề tài là nghiên cứu rõ cấu tạo, nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời.
Nghiên cứu rõ đặc tính làm việc của pin năng lượng mặt trời.
Nghiên cứu tính toán số lượng tấm pin, công suất trạm sạc cần đáp ứng và tiến hành đo đạc kiểm tra điện áp và dòng điện của tấm pin trong lúc làm việc.
1.1.3 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đồ án là pin năng lượng mặt trời.
Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu hệ thống trạm sạc bằng năng lượng mặt trời, từ đó làm nền tản cho nghiên cứu và ứng dụng rộng hơn.
Phương pháp nghiên cứu tham khảo các tài liệu tham khảo để làm rõ:
+ Khái niệm, cấu tạo, nguyên lý làm việc pin năng lượng mặt trời
+ Đặc tính làm việc của pin năng lượng mặt trời.
+ Thuật toán điều khiển bám công suất của tấm pin năng lượng mặt trời.
+ Khảo sát tính toán công suất thực tế của pin năng lượng trời của trạm sạc.
1.1.4 Ý nghĩa của việc nghiên cứu Đề tài giúp sinh viên có thể củng cố kiến thức, tổng hợp và nâng cao kiến thức chuyên ngành cũng như kiến thức ngoài thực tế, xã hội Sử dụng nguồn năng lượng mặt trời sẽ mang lại nhiều lợi ích về kinh tế.
Mang đến những bước tiến vượt trội trong việc áp dụng khoa học công nghệ hiện đại vào ngành năng lượng và đặc biệt là mang lại bước tiến phát triển cho ngành công nghiệp ô tô điện đang phát triển Có ý nghĩa rất lớn trong việc làm giảm ô nhiễm khí thải từ động cơ đốt trong Việc ứng dụng các trạm sạc sử dụng năng lượng mặt trời rộng rãi trong tương lai sẽ là 1 phần lớn trong việc ngăn ngừa lượng khí thải nhà kính và ngăn cho việc cạn kiệt năng lượng hóa thạch và tận dụng triệt để lượng năng lượng mặt trời dồi dào để sử dụng.
Tổng quan về trạm sạc điện xe điện
Trạm sạc điện xe điện là nơi cung cấp năng lượng điện cho các phương tiện giao thông vận hành bằng điện như xe ô tô điện, xe máy điện, xe buýt điện…
Trạm sạc điện xe điện có vai trò cung cấp điện năng cần thiết cho các phương tiện điện trong trường hợp cạn kiệt năng lượng trong quá trình di chuyển Nhờ những trạm sạc này mà các phương tiện được nạp đầy pin và tránh được tình trạng gặp sự cố hết pin giữa đường trong quá trình đi lại
Hình 1 1 Hình ảnh thực tế của một trạm sạc nhỏ
Ngày nay, ô tô điện ngày một phổ biến trên thị trường xe điện thế giới So với xe đạp điện và xe máy điện thì ô tô điện lại có nhu cầu năng lượng cao hơn nhiều Việc sạc điện tại nhà không còn đáp ứng đủ nhu cầu năng lượng cho số lượng lớn ô tô điện hiện nay Điều này đòi hỏi sự ra đời của các hệ thống trạm sạc chuyên dụng. Để đáp ứng nhu cầu cung cấp năng lượng cho xe điện tăng cao, các trạm sạc truyền thống tạo nên áp lực lớn cho hệ thống điện quốc gia và hiện tượng quá tải giờ cao điểm Ngoài ra, việc mua điện từ lưới điện có chi phí cao Khi các nhà sản xuất ô tô tăng cường sản xuất xe điện, việc cho ra đời những giải pháp sáng tạo để cung cấp nguồn điện bền vững cho ô tô điện nói riêng và xe điện nói chung là một điều tất yếu.
Xu hướng trạm sạc xe điện năng lượng mặt trời là giải pháp vừa thân thiện với môi trường, vừa khắc phục được những nhược điểm của hệ thống sạc truyền thống.
1.2.2 Cấu tạo nguyên lý của trạm sạc
1.2.2.1 Cấu tạo của một trạm sạc
Hình 1 2 Sơ đồ mô hình trạm sạc xe điện
Trạm sạc xe điện năng lượng mặt trời là một hệ thống được thiết kế chuyên dụng để sử dụng năng lượng mặt trời sạc pin cho xe điện Trạm sạc có thể kết nối với bộ sạc xe điện năng lượng mặt trời hoặc bộ sạc ô tô điện thông thường Nhìn chung, một hệ thống trạm sạc xe điện năng lượng mặt trời bao gồm các thành phần sau:
+Hệ thống pin năng lượng mặt trời: Pin mặt trời gồm các tế bào quang điện là phần tử bán dẫn có cấu tạo chính là silic tinh khiết, giúp chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành dòng điện một chiều.
+Biến tần (bộ biến đổi điện áp DC → AC ): Pin mặt trời tạo ra dòng điện một chiều, trong khi xe điện cần dòng điện xoay chiều để sạc điện Bộ biến tần giúp chuyển đổi dòng điện một chiều thành xoay chiều để cung cấp năng lượng cho xe điện
+Hệ thống pin lưu trữ năng lượng: Hệ thống pin lưu trữ giúp lưu trữ năng lượng được tạo ra từ các tấm pin mặt trời Khi xe ngắt kết nối, năng lượng mặt trời sẽ lưu trữ tại đây, khi xe kết nối lại, nguồn điện đã lưu trữ sẽ sạc cho pin xe
+Các bộ sạc pin cho xe ô tô và cho xe máy điện.
1.2.2.2 Nguyên lý của trạm sạc xe điện sử dụng năng lượng mặt trời
Các trạm sạc điện truyền thống sẽ sử dụng điện lưới thông qua bộ sạc chuyên dụng để sạc cho xe điện Bất lợi của hệ thống sạc truyền thống này là tốn chi phí mua điện từ lưới và gây ra hiện tượng quá tải trong giờ cao điểm Hệ thống sạc điện tích hợp điện năng lượng mặt trời và điện lưới sẽ khắc phục được bất lợi này Ban ngày hệ thống sẽ sử dụng điện từ tấm pin năng lượng mặt trời để sạc cho xe trong trạm, ban đêm hoặc khi trời tối, lượng điện từ tấm pin không đủ sẽ sử dụng điện lưới để sạc. Việc kết hợp này giúp chủ các trạm sạc vừa tiết kiệm chi phí vừa có thể hoạt động vào ban đêm và trời không đủ nắng Tuy nhiên, hệ thống này vẫn còn phụ thuộc vào điện lưới (không có điện thì không hoạt động được) nên cần đặt ở những khu vực có điện lưới ổn định Nếu khu vực có điện lưới không ổn định thì các trạm sạc cần đầu tư bộ lưu trữ lớn để đảm bảo hiệu suất tối đa của hệ thống.
Hình 1 3 Sơ đồ nguyên lý đơn giản để biến đổi năng lượng mặt trời
Vào thời điểm trong ngày, trạm sạc sẽ sử dụng nguồn điện năng được tạo ra từ hệ thống điện mặt trời để cung cấp cho các phương tiện hoạt động Nếu dư thừa, năng lượng sẽ được lưu trữ vào bộ lưu trữ (thường là ắc quy hoặc pin lithium) Sau khi lưu trữ đầy pin, phần năng lượng còn lại sẽ được đẩy trở lại lưới điện. Đến thời điểm ban đêm hoặc khi có ít ánh sáng mặt trời, năng lượng được lưu trữ trong pin sẽ được cung cấp lại cho trạm sạc Và khi sử dụng hết nguồn điện dự trữ,trạm sạc sẽ lấy điện từ điện lưới để sử dụng (với hệ thống trạm sạc hòa lưới).
1.2.2.3 Phân loại trạm sạc xe điện
Trạm sạc năng lượng mặt trời có thể sử dụng hoàn toàn năng lượng mặt trời hoặc sử dụng thêm một phần điện lưới để cung cấp năng lượng cho xe Do đó, hiện nay có hai cách thiết lập trạm năng lượng mặt trời là:
Trạm sạc năng lượng mặt trời độc lập (không nối lưới).
Trạm sạc năng lượng mặt trời nối lưới.
+ Trạm sạc năng lượng mặt trời độc lập (không nối lưới).
Hệ thống trạm sạc năng lượng mặt trời không nối lưới sẽ hoạt động hoàn toàn độc lập, không kết nối với lưới điện địa phương Năng lượng mặt trời thu được sẽ chuyển hóa vào trong hệ thống pin lưu trữ, sau đó hệ thống này sẽ cung cấp cho nhu cầu năng lượng của bộ sạc.
Hình 1 4 Sơ đồ khối hệ quang điện làm việc độc lập.
Hệ thống trạm sạc này không cần kết nối với lưới điện nên hầu như có thể đặt được ở bất cứ đâu, đặc biệt phù hợp với những khu vực không có lưới điện hoặc không đủ năng lượng tái tạo để đáp ứng nhu cầu Tuy nhiên, các tấm pin hấp thụ năng lượng mặt trời khá lớn và đón nhiều gió nên cần được xây dựng với nền thép vững chắc. +Trạm sạc năng lượng mặt trời kết với nối lưới
Hệ thống trạm sạc năng lượng mặt trời nối kết nối với lưới sẽ được kết hợp với lưới điện Điện năng tạo ra từ năng lượng mặt trời vẫn được lưu trữ trong hệ thống pin lưu trữ và dùng nó để bổ sung năng lượng cho xe điện Tuy nhiên, khi hết năng lượng trong pin lưu trữ, hệ thống sẽ tự động chuyển đổi dùng năng lượng trong lưới điện để nạp cho xe Ngược lại, khi năng lượng trong pin lưu trữ dư thừa không sử dụng hết, nó sẽ được đưa vào trong lưới điện để phục vụ nhu cầu khác.
Hình 1 5 Sơ đồ hệ quang điện làm việc kết nối lưới điện
Sự kết hợp này giúp khách hàng có thể sạc được xe điện ngay cả vào ban đêm hoặc những ngày không có nắng, không thu được đủ năng lượng mặt trời Tuy nhiên, hệ thống này vẫn phụ thuộc vào lưới điện nên cần được đặt ở những khu vực có điện lưới ổn định Như vậy, trạm sạc xe điện năng lượng mặt trời không những thân thiện với môi trường mà còn giải quyết được gánh nặng cho lưới điện quốc gia, tiết kiệm chi phí cho người tiêu dùng Tiềm năng để phát triển trạm sạc xe điện năng lượng mặt trời trong tương lai tại thị trường Việt Nam là vô cùng lớn Đây là xu hướng tất yếu khi số lượng xe sử dụng động cơ điện đi vào hoạt động ngày một tăng dần.
Tổng quan về hệ thống pin năng lượng mặt trời
Trước khi nói về năng lượng mặt trời, hãy tìm hiểu về mặt trời và các vấn đề:
+ Giới thiệu chung về nguồn năng lượng mặt trời
+ Bức xạ mặt trời ra sao từ đó xác định bức xạ trung bình nhận được mỗi ngày + Các ảnh yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của tấm pin năng lượng mặt trời.
Trong thái dương hệ mặt trời có nguồn năng lượng lớn nhất Nó là khối vật chất khổng lồ với hoạt động hạt nhân xảy ra liên tục Mặt trời cung cấp trực tiếp hoặc gián tiếp, cho loài người và mọi vật sống trên trái đất Mặt trời quyết định khí hậu và thời tiết không có mặt trời trái đất là vùng đất chết đóng băng vĩnh cửu Cảm giác cháy da trong những ngày hè nóng bỏng hay cái ấm áp của những ngày mùa đông nắng tốt như là một lời nhắc nhở đến sự hiện hữu của mặt trời mà lắm lúc ta xem như một tồn tại đương nhiên Ánh sáng mặt trời là một nguồn năng lượng dồi dào, nhưng khi tính ra con số rất ít người biết đến là mặt trời truyền đến cho ta một năng lượng khổng lồ vượt ra ngoài sự tưởng tượng của mọi người Trong 10 phút truyền xạ, quả đất nhận một năng lượng khoảng 500 tỷ tỷ Joule, tương đương với lượng tiêu thụ của toàn thể nhân loại trong vòng một năm Trong 36 giờ truyền xạ, mặt trời cho chúng ta một năng lượng bằng tất cả những giếng dầu của quả đất Năng lượng mặt trời vì vậy gần như vô tận Hơn nữa, nó không phát sinh các loại khí nhà kính và khí gây ô nhiễm Nếu con người biết cách thu hoạch nguồn năng lượng sạch và vô tận này thì đây sẽ là nguồn năng lượng vô tận Điện năng lượng măt trời là ý tưởng tuyệt vời Lấy năng lượng từ mặt trời và chuyển thành điện năng cung cấp cho các trang thiết bị là mong ước của chúng ta, sẽ không còn hóa đơn tiền điện, không còn phụ thuộc vào công ty điện lực và bạn sẽ có nguồn năng lượng tái tạo, xanh sạch và bảo vệ môi trường Tạo ra năng lượng mặt trời nhờ vào ánh sáng mặt trời chiếu vào các tấm năng lượng mặt trời tạo ra nguồn điện 1 chiều DC qua các bộ biến tần điều chỉnh thành các nguồn điện xoay chiều AC cung cấp cho các thiết bị điện.
Hình 1 6 Hình ảnh bên ngoài mặt trời
Tấm năng lượng mặt trời tạo ra điện là do hiệu ứng quang điện giữa 2 lớp bán dẫn, 1 lớp thiếu electron Khi các electron này bị các photon kích thích làm cho chúng chuyển từ lớp bán dẫn này sang bán dẫn kia, nên tạo ra điện tích Các Tấm năng lượng này thường là Si được cắt thành các tấm mỏng xếp kết hợp vừa song song và nối tiếp.Nối tiếp thì tăng hiệu suất của pin mắc song song thì tăng áp cung cấp cho phụ tải.
Thực chất bức xạ mặt trời là một dạng tài nguyên mà mặt trời mang đến cho con người Nó chiếu xạ mặt trời phát ra từ Mặt Trời Những bức xạ đó được hấp thụ rồi bị biến đổi thành dạng năng lượng hữu ích Ngày nay nhiệt và điện được sử dụng cho nhiều công nghệ Tuy nhiên tính khả thi kỹ thuật cũng như hoạt động của các công nghệ phụ thuộc vào nguồn năng lượng mặt trời có sẵn Phần năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt trái đất trong những ngày quang đãng ở thời điểm cao nhất vào khoảng 1.000W/m2 (hình 1.7) Yếu tố cơ bản xác định cường độ của bức xạ mặt trời ở một điểm nào đó trên Trái đất là quãng đường nó đi qua Sự mất mát năng lượng trên quãng đường đó gắn liền với sự tán xạ, hấp thụ bức xạ và phụ thuộc vào thời gian trong ngày, mùa, vị trí địa lý Có 2 loại bức xạ mặt trời: bức xạ mặt trời đến bên ngoài bầu khí quyển và bức xạ mặt trời đến trên mặt đất.
Hình 1 7 Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời với tấm pin mặt trời 1.3.3 Tính toán bức xạ năng lượng mặt trời
Quan hệ giữa bức xạ mặt trời ngoài khí quyển và thời gian trong năm có thể xác định theo phương trình sau:
365 ) [W/m 2 ] Với: E ng là là bức xạ ngoài khí quyển được đo trên mặt phẳng vuông góc với tia bức xạ vào ngày thứ n trong năm.
E o là bức xạ tiêu chuẩn trong năm.
Nguồn gốc năng lượng mặt trời, năng lượng mặt trời có vai trò quan trọng đối với sự tồn tại và tồn tại và phát triển của các yến tố sự sống trên trái đất.
1.3.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của tấm pin năng lượng mặt trời
Hiệu suất pin mặt trời bị ảnh hưởng bởi rất nhiều yếu tố như: thành phần cấu tạo pin, vị trí, điều kiện môi trường, cách bảo dưỡng…Vị trí của mặt trời ở đâu tại mọi thời điểm ảnh hưởng như nào, cường độ ánh sáng, chọn vị trí và góc lắp đặt dàn pin mặt trời sao cho hiệu quả nhất.
Một số vật liệu phổ biến được sử dụng để chế tạo pin mặt trời: Polycrystalline, Monocrystalline hay Silic vô định hình… Mỗi chất liệu sẽ có đặc điểm riêng, vì vậy mà hiệu suất pin mặt trời cũng thay đổi:
Polycrystalline là pin đa tinh thể, thường có hiệu quả không cao bằng loại pin được cấu tạo từ tế bào mặt trời đơn tinh thể Hiệu suất pin mặt trời này dao động trong khoảng 15-22%.
Monocrystalline được gọi là pin đơn tinh thể Giá thành của loại pin này có nhỉnh hơn so với pin đa tinh thể vì vậy mà nó mang lại hiệu quả cao hơn. Hiệu suất pin mặt trời Monocrystalline là 22-27%.
Silic vô định hình là loại pin mặt trời được phủ 1 lớp nền nhựa, thủy tinh hoặc kim loại Loại pin này khá linh hoạt nhưng quy trình sản xuất phức tạp nên sản lượng không cao Hiệu suất pin mặt trời này thấp hơn so với Monocrystalline, dao động từ 15-22%.
Không cần nhắc thì tất cả mọi người đều biết rằng với tấm pin năng lượng mặt trời thì điều kiện cần để hệ thống có thể hoạt động đó là điều kiện ánh sáng khu vực lắp đặt Cơ chế hoạt động của các tấm pin là thiết bị giúp chuyển hoá trực tiếp năng lượng ánh sáng mặt trời thành năng lượng điện dựa trên hiệu ứng quang điện Các tấm pin này có bề mặt lớn để có thể thu thập ánh sáng mặt trời mà tiếp xúc trực tiếp với nó. Theo đó, lượng ánh sáng mặt trời nhận được càng nhiều thì sản lượng điện sinh ra càng lớn Khi ánh sáng yếu như bóng râm, thời tiết âm u hay ban đêm… thì khả năng hoạt động của các tấm pin sẽ bị giảm xuống
Vì cơ chế hoạt động của các tấm pin mặt trời là hấp thụ quang năng để chuyển hóa thành điện năng nên thời tiết râm mát, ít ánh sáng mặt trời cũng là một trong những nguyên nhân làm giảm tổng sản lượng điện từ hệ thống Bởi vậy, mùa hè thường sẽ cho sản lượng điện nhiều hơn so với mùa đông khi trên cùng một hệ thống. +Nhiệt độ Điều kiện thời tiết khắc nghiệt có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của các tấm pin mặt trời Nhiệt độ môi trường vượt quá 35 ° C sẽ khiến hiệu suất phát điện của tấm pin mặt trời bắt đầu suy giảm Vì vậy nếu nhiệt độ ngoài trời quá cao, bạn có thể tránh nóng cho pin mặt trời bằng cách lắp tấm pin cách mái nhà một khoảng để gió có thể lưu thông bên dưới và làm mát Hoặc lắp thêm các tấm lợp màu trắng để phản chiếu ánh sáng mặt trời xung quanh tấm pin, điều này cũng sẽ làm giảm đáng kể mức nhiệt lên pin, giúp pin hoạt động tốt hơn.
1.3.4.3 Vị trí lắp đặt pin mặt trời
Nếu bạn lắp giàn pin điện mặt trời ở các khu vực bị che khuất khỏi ánh nắng mặt trời hoặc tại nơi nhiều bụi bẩn, nhiều lá rụng thì sản lượng từ hệ thống sẽ giảm mạnh.
Vì vậy cần lắp hệ thống pin tại những nơi quang đãng, đón được nhiều ánh nắng mặt trời Đồng thời, cần lưu ý vệ sinh các tấm pin mặt trời thường xuyên để chúng đạt được hiệu quả cao nhất.
1.3.4.4 Hướng và độ nghiêng của tấm pin mặt trời Để các tấm pin mặt trời tạo ra nhiều năng lượng nhất, bạn cần đảm bảo chúng đón được nhiều ánh sáng mặt trời nhất có thể trong ngày.
Tình hình nghiên cứu và ứng dụng pin năng lượng mặt trời tại Việt Nam
Nguồn năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng lớn và vĩnh cữu, nó có sẵn và đã là nguồn nhiệt được sử dụng mà không cần trả tiền Nước ta do vị trí nằm ở vành đai nội chí tuyến nên độ cao mặt trời và độ dài ban ngày biến dổi không lớn lắm trong năm Vào mùa đông, độ dài của ngày ở các vĩ độ trên dưới 11 giờ Vào mùa hè độ dài của ngày trên dưới 12 giờ Số giờ nắng thực tế là rất lớn, trung bình trong các tháng mùa khô ở dồng bằng nam bộ đạt 8 đến 9 giờ, mùa mưa đạt từ 5 đến 6 giờ Số giờ nắng/năm ở miền bắc vào khoảng 1.500-1700 giờ, ở đồng bằng nam bộ đạt 2.200- 2.600 giờ Do vậy trên khắp các vùng lãnh thổ nước ta từ bắc chí nam đều nhận được một lượng mặt trời rất lớn. Ở Việt Nam, với sự hỗ trợ của nhà nước (các bộ, ngành) và một số tổ chức quốc tế đã thực hiện thành công việc xây dựng các trạm pin mặt trời có công suất khác nhau phục vụ nhu cầu sinh hoạt và văn hóa của các địa phương vùng sâu, vùng xa, các công trình nằm trong khu vực không có lưới điện Tuy nhiên hiện nay pin mặt trời vẫn đang còn là món hàng xa xỉ đối với các nước nghèo như chúng ta. Đi đầu trong việc phát triển ứng dụng này là ngành bưu chính viễn thông Các trạm pin mặt trời phát điện sử dụng làm nguồn cấp điện cho các thiết bị thu phát sóng của các bưu điện lớn, trạm thu phát truyền hình thông qua vệ tinh Ở ngành bảo đảm hàng hải, các trạm pin mặt trời phát điện sử dụng làm nguồn cấp điện cho các thiết bị chiếu sáng, cột hải đăng, đèn báo sóng Trong ngành công nghiệp, các trạm pin mặt trời phát điện sử dụng làm nguồn cấp điện dự phòng cho các thiết bị điều khiển trạm biến áp 500 kV, thiết bị máy tính và sử dụng làm nguồn cấp điện nối với điện lưới quốc gia Trong sinh hoạt của các hộ gia đình vùng sâu, vùng xa, các trạm pin mặt trời phát điện sử dụng để thắp sáng, nghe đài, xem vô tuyến Trong ngành giao thông đường bộ, các trạm pin mặt trời phát điện dần được sử dụng làm nguồn cấp điện cho các cột đèn đường chiếu sáng.
Khu vực phía Nam ứng dụng các dàn pin mặt trời phục vụ thắp sáng và sinh hoạt văn hoá tại một số vùng nông thôn xa lưới điện Các trạm điện mặt trời có công suất từ
500 - 1.000 Wp được lắp đặt ở trung tâm xã, nạp điện vào ắc qui cho các hộ gia đình sử dụng Các dàn pin mặt trời có công suất từ 250 - 500 Wp phục vụ thắp sáng cho các bệnh viện, trạm xá và các cụm văn hoá xã Đến nay có khoảng 800 - 1.000 dàn pin mặt trời (PMT) đã được lắp đặt và sử dụng cho các hộ gia đình, công suất mỗi dàn từ 22,5
- 70 Wp Khu vực miền Trung có bức xạ mặt trời khá tốt và số giờ nắng cao, rất thích hợp cho việc ứng dụng pin mặt trời Hiện tại ở khu vực miền Trung có hai dự án lai ghép với pin mặt trời có công suất lớn nhất Việt Nam, đó là:
- Dự án phát điện ghép giữa pin mặt trời và thuỷ điện nhỏ, công suất 125 kW được lắp đặt tại xã Trang, huyện Mang Yang, tỉnh Gia Lai, trong đó công suất của hệ thống pin mặt trời là 100 kWp và của thuỷ điện là 25 kW Dự án được đưa vào vận hành từ cuối năm 1999, cung cấp điện cho 5 làng Hệ thống điện do Điện lực Mang Yang quản lý và vận hành.
- Dự án phát điện lai ghép giữa pin mặt trời và động cơ gió phát điện với công suất là 9 kW, trong đó pin mặt trời là 7 kW Dự án trên được lắp đặt tại làng Kongu 2, huyện Đak Hà, tỉnh Kon Tum, do Viện Năng lượng thực hiện Công trình đã được đưa vào sử dụng từ tháng 11/2000, cung cấp điện cho một bản người dân tộc thiểu số với
42 hộ gia đình Hệ thống điện do sở Công thương tỉnh quản lý và vận hành.
- Các dàn pin đã lắp đặt ứng dụng tại các tỉnh Gia Lai, Quảng Nam, Bình Định, Quảng Ngãi và Khánh Hoà, hộ gia đình công suất từ 40 - 50 Wp Các dàn đã lắp đặt ứng dụng cho các trung tâm cụm xã và các trạm y tế xã có công suất từ 200 - 800 Wp.
Hệ thống điện sử dụng chủ yếu để thắp và truyền thông, đối tượng phục vụ là người dân, do dân quản lý và vận hành.
- Ở khu vực phía Bắc, việc ứng dụng các dàn pin mặt trời phát triển với tốc độ khá nhanh, phục vụ các hộ gia đình ở các vùng núi cao, hải đảo và cho các trạm biên phòng Công suất của dàn pin dùng cho hộ gia đình từ 40 - 75 Wp Các dàn dùng cho các trạm biên phòng, nơi hải đảo có công suất từ 165 - 300 Wp Các dàn dùng cho trạm xá và các cụm văn hoá thôn, xã là 165 - 525 Wp. Ứng dụng năng lượng mặt trời vào trạm sạc xe điện
Những năm gần đây tại các thành phố lớn của Việt Nam, sự gia tăng dân số và đô thị hóa nhanh chóng song song với sự bùng nổ của các phương tiện giao thông truyền thống và sự xuất hiện của các loại hình xe điện Ngược lại với sự phát triển nhanh chóng của thị trường xe điện, cơ sở hạ tầng cho việc sạc điện vẫn còn rất hạn chế Hiện nay tại Hà Nội, đã có một số trạm sạc công cộng miễn phí cho xe hai bánh chạy bằng điện, tuy nhiên, số lượng các trạm này rất ít và chỉ hỗ trợ cho các khách hàng mua và sử dụng sản phẩm của hãng Đối với Việt Nam, việc nghiên cứu xây dựng trạm sạc điện sử dụng năng lượng mặt trời, đặc biệt là trạm sạc điện sử dụng năng lượng mặt trời có nối lưới tại các khu đô thị lớn là thực sự cấp thiết, có ý nghĩa cả về lý thuyết và thực tiễn Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần tạo nền tảng cho sự phát triển của các phương tiện xe điện, đảm bảo an ninh năng lượng và hỗ trợ giảm phát thải khí nhà kính.
Hiện tại, các loại xe đạp điện, xe máy điện và ô tô điện mới chỉ chiếm một số lượng khiêm tốn nhưng giả sử, đến một ngày nào đó, trên đường phố tràn ngập xe điện thì hệ thống điện của Việt Nam sẽ bị ảnh hưởng không nhỏ Vì việc sử dụng nhiều xe đạp điện và xe máy điện khoảng cách di chuyển xa có thể gây ra hết điện khi sử dụng. Để đáp ứng nhu cầu cung cấp năng lượng cho xe điện tăng cao, các trạm sạc truyền thống tạo nên áp lực lớn cho hệ thống điện quốc gia và hiện tượng quá tải giờ cao điểm, vì vậy cần phát triển các trạm sạc để đáp ứng nhu cầu sử dụng điện năng cho các loại xe điện.
Tiềm năng bức xạ mặt trời và năng lượng mặt trời tại tỉnh Hưng Yên
Phân tích về yếu tố địa lý, Hưng Yên là một địa phương có tiềm năng để phát triển điện mặt trời với vị trí địa lý và khí hậu đặc thù Cũng như các tỉnh đồng bằng sông Hồng, Hưng Yên chịu ảnh hưởng của khí hậu nhiệt đới gió mùa nóng ẩm Hàng năm, trên địa bàn tỉnh có hai mùa nóng và lạnh riêng biệt Địa hình 100% là đồng bằng, ít rừng, núi cao, độ cao trung bình tại các vùng đồng đều Dải nhiệt độ trung bình năm khoảng 23 ° C, số giờ nắng trung bình trong năm từ 1550-1650 giờ Có lượng bức xạ hằng năm khoảng 1300-1500 kWH/m 2 /năm.
Hình 1 8 Vị trí địa lý và cường độ bức xạ của tỉnh Hưng Yên
Lượng mưa trung bình là từ 1.450 mm đến 1.650 mm và lượng mưa từ tháng 5 đến tháng 10 chiếm tới 70% tổng lượng mưa của năm Độ ẩm không khí trung bình là 86%; độ ẩm cao nhất là 92%, thấp nhất là 79% Mùa nóng ở Hưng Yên từ tháng 5 đến tháng 10 hàng năm, số giờ nắng chiếm khoảng 1080 – 1100 giờ Mùa lạnh từ tháng 11 đến tháng 4 năm sau số giờ nắng chiếm khoảng 500 – 520 giờ Nhiệt độ trung bình là 23,2 °C vào mùa hè và 16 °C vào mùa đông, phân bố khá đồng đều trên toàn tỉnh.
Bảng 1 1: Bảng số liệu về bức xạ mặt trời tại các tỉnh thành ở Việt Nam
Vùng Giờ nắng trong năm Cường độ BXMT
(kWh/m 2 /ngày¿ Ứng dụng Đông Bắc 1600 - 1750 3.3 – 4,1 Trung bình
Trung bình cả nước 1700 - 2500 4.6 Tốt
Hình 1 9 Nhiệt độ trung bình cao và thấp của Hưng Yên trong năm
Bảng 1 2: Bảng số liệu về nhiệt độ trung bình các tháng của Hưng Yên
Khái niệm về pin năng lượng mặt trời
Giới thiệu về pin mặt trời
Pin mặt trời (PV – photovoltaic) còn gọi là pin quang điện, là thiết bị ứng dụng hiệu ứng quang điện trong chất bán dẫn (thường gọi là hiệu ứng quang điện trong quang dẫn) để tạo ra dòng điện một chiều, từ ánh sáng mặt trời Loại pin mặt trời thông dụng nhất hiện nay, là loại sử dụng Silic tinh thể Tinh thể Silic tinh khiết, là chất bán dẫn, dẫn điện rất kém vì: các điện tử bị giữ bởi lực liên kết mạng, nên hầu như trong tinh thể không có điện tử tự do Khi bị ánh sáng hay nhiệt độ kích thích, các điện tử bị bứt ra khỏi liên kết, nhảy từ vùng hoá trị lên vùng dẫn và để lại một lỗ trống, tích điện dương Lúc này, chất bán dẫn mới dẫn điện.
Có 3 loại pin mặt trời làm từ tinh thể Silic:
- Một tinh thể hay đơn tinh thể: loại này có hiệu suất tới 16%, nên thường đắt tiền do được cắt từ các thỏi hình ống.
- Đa tinh thể: làm từ các thỏi, đúc từ Silic nung chảy, sau đó được làm nguội và làm rắn Loại này thường rẻ hơn loại đơn tinh thể, nhưng lại có hiệu suất kém hơn Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn loại đơn tinh thể bù cho hiệu suất thấp của nó.
- Dải Silic: tạo từ các miếng phim mỏng Silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể Loại này thường có hiệu suất thấp nhất nhưng cũng là loại rẻ nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi Silic.
Về bản chất pin quang điện là một điốt bán dẫn bao gồm hai tấm bán dẫn loại P và loại N đặt sát cạnh nhau, có lớp N cực mỏng để ánh sáng có thể truyền qua Trên bề mặt của pin quang điện còn có một lớp chống phản xạ vì: khi ánh sáng chiếu vào pin quang điện, sẽ có một phần ánh sáng bị hấp thụ khi truyền qua lớp N, một phần ánh sáng sẽ bị phản xạ ngược lại, và một phần ánh sáng sẽ đến được lớp chuyển tiếp, nơi có các cặp điện tử và lỗ trống nằm trong điện trường của bề mặt giới hạn Với các bước sóng thích hợp, sẽ truyền cho điện tử một năng lượng đủ lớn để thoát khỏi liên kết Khi thoát khỏi liên kết, dưới tác dụng của điện trường, điện tử sẽ bị kéo về phía bán dẫn loại N, còn lỗ trống bị kéo về phía bán dẫn loại P Khi đó nếu nối hai cực của hai phần bán dẫn loại N và P sẽ đo được một hiệu điện thế Giá trị của hiệu điện thế này, phụ thuộc vào bản chất của chất làm bán dẫn và tạp chất có trong chất bán dẫn đó. Pin mặt trời là một thiết bị điện tử nhận ánh sáng mặt trời và chuyển hóa trực tiếp thành điện năng Các cell pin năng lượng mặt trời liên kết với nhau được gọi là mô- đun năng lượng mặt trời, các mô-đun ghép thành các đơn vị lớn hơn được gọi là tấm pin mặt trời Cũng giống như các cell pin, các mô-đun cũng được thiết kế để tạo ra điện, nhưng không phải bằng hóa chất mà thay vào đó các cell pin của tấm pin năng lượng mặt trời tạo ra năng lượng bằng cách thu ánh sang mặt trời Chúng được gọi là tế bào quang điện vì chúng sử dụng ánh sáng mặt trời Ánh sáng được tạo ra từ các hạt nhỏ gọi là photon, vì vậy ánh sáng mặt trời mang theo hàng nghìn tỷ photon Nếu chúng ta đặt một tấm pin mặt trời vào đường đi của nó và bắt các photon năng lượng này sau đó chuyển chúng thành dòng điện thì sẽ tạo ra một lượng điện và điện áp hữu ích.
Hình 1 10 Hình ảnh thực tế tấm pin mặt trời
Sự chuyển đổi này thực hiện theo hiệu ứng quang điện Hoạt động của pin mặt trời được chia làm ba giai đoạn:
Đầu tiên năng lượng từ các photon ánh sáng được hấp thụ và hình thành các cặp electron-hole trong chất bán dẫn.
Các cặp electron-hole sau đó bị phân chia bởi ngăn cách tạo bởi các loại chất bán dẫn khác nhau (p-n junction) Hiệu ứng này tạo nên hiệu điện thế của pin mặt trời
Pin mặt trời sau đó được nối trực tiếp vào mạch ngoài và tạo nên dòng điện.
Lịch sử hình thành và phát triển của pin năng lượng mặt trời
Về lý thuyết, năng lượng mặt trời được con người sử dụng từ đầu thế kỷ thứ 7 trước Công nguyên khi lịch sử cho chúng ta biết rằng con người đã sử dụng ánh sáng mặt trời để đốt lửa bằng vật liệu thủy tinh phóng đại Sau đó, vào thế kỷ thứ 3 trước Công nguyên, người Hy Lạp và La Mã đã biết khai thác năng lượng mặt trời bằng gương để đốt đuốc cho các nghi lễ tôn giáo Những chiếc gương này đã trở thành một công cụ được chuẩn hóa được gọi là gương đốt cháy Nền văn minh Trung Quốc đã ghi nhận việc sử dụng gương cho cùng một mục đích vào cuối năm 20 sau Công nguyên.
Vào cuối những thế kỷ 16,17 các nhà nghiên cứu và nhà khoa học đã thành công khi sử dụng ánh sáng mặt trời để cung cấp năng lượng cho lò nướng cho những chuyến đi dài Cuối cùng, rõ ràng rằng thậm chí hàng ngàn năm trước kỷ nguyên của các tấm pin mặt trời, khái niệm thao túng sức mạnh của mặt trời là một thực tế phổ biến Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp AlexandreEdmond Becquerel lúc ông 19 tuổi khi đang làm thí nghiệm tại phòng nghiên cứu của cha Willoughby Smith nhắc đến phát minh này trong một bài báo xuất bản ngày 20 tháng 2 năm 1873 trên tạp chí Nature Tuy nhiên cho đến 1883 một pin năng lượng mới được tạo thành, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối, thiết bị chỉ có hiệu suất 1% Năm 1888, nhà vật lý học người Nga Aleksandr Stoletov tạo ra tấm pin đầu tiên dựa vào hiệu ứng quang điện được phát hiện bởi Heinrich Hertz trước đó vào năm 1887.
Hình 1 11 Charle Fritts và những cell pin mặt trời đầu tiên trên thế giới.
+Albert Einstein đã giải thích được hiệu ứng quang điện vào năm 1905, công trình đã giúp ông giành giải Nobel vật lý năm 1921.
+Vadim Lashkaryov phát hiện ra phân lớp p-n trong CuO và bạc sul-phát vào năm 1941.
+Russell Ohl được xem là người tạo ra pin năng lượng Mặt trời đầu tiên năm 1946 Sven Ason Berglund đã có phương pháp liên quan đến việc tăng khả năng cảm nhận ánh sáng của pin.
+Pin mặt trời đầu tiên có khả năng ứng dụng được ra mắt vào 25/4/1954 tại Bell Laboratories bởi Daryl Chapin, Calvin Souther Fuller và Gerald Pearson.
Sự phát triển nhanh về công nghệ và liên tục cải tiến của các nhà thiết kế nên giá có giảm đi liên tục từ đầu năm 2009 tạo nên tiến bộ rõ rệt trong lĩnh vực công nghệ năng lượng sạch Trước những năm 2007 thì việc ứng dụng nguồn năng lượng mặt trời là điều coi là không thực tế Ngày nay thì nó có tính khả thi cao Thậm chí còn hiệu quả về cả kinh tế và công nghệ Các tấm pin panel ngày càng nhỏ gọn hơn và đa dạng hơn về định mức công suất, chi phí ngày càng thấp hơn Đổi nhiều ứng dụng, năng lượng mặt trời đang trở thành phương pháp cung cấp điện năng có hiệu quả kinh tế cao hơn nhiều phương pháp khác Với tiến độ phát triển của nghành công nghệ điện hiện nay thì dự đoán đến năm 2020 thì năng lượng mặt trời sẽ thành nguồn điện rẻ nhất, rẻ hơn các năng lượng được sản xuất trong các nhà máy: nhiệt năng, thủy năng Chúng ta sẽ chứng kiến năng lượng mặt trời tích hợp vào các vật dụng, máy móc hằng ngày.
Năng lượng mặt trởi là thiết bị cấp điện dễ sử dụng, thải cacbon thấp Năng lượng này sẽ cung cấp được những nơi như: sa mạc, các vùng sâu vùng xa Dần thay thế các nguồn điện khác và trở thành nguồn cung cấp điện chính trong tương lại.
+Vào cuối những năm 1950 và 1960: Chương trình không gian của NASA đã đóng một vai trò tích cực trong sự phát triển của quang điện “Các tế bào là nguồn năng lượng điện hoàn hảo cho vệ tinh vì chúng rất chắc chắn, nhẹ và có thể đáp ứng các yêu cầu công suất thấp đáng tin cậy.”
+Năm 1958: Các tấm pin mặt trời ở ngoài vũ trụ – Một số ứng dụng đầu tiên của công nghệ năng lượng mặt trời thực sự ở ngoài vũ trụ nơi năng lượng mặt trời được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các vệ tinh.
Hình 1 12.Vệ tinh có lắp các tấm pin năng lượng đầu tiên trên thế giới.
+ Năm 1973: Nơi lưu trữ năng lượng mặt trời đầu tiên – Đại học Delwar chịu trách nhiệm xây dựng tòa nhà năng lượng mặt trời đầu tiên, có tên là Solar Solar One. + Năm 1981: Máy bay chạy bằng năng lượng mặt trời.
+Năm 1982: Nhà máy điện mặt trời đầu tiên có công suất 1MW được hoàn thành ở Mỹ.
+Năm 1983: Sản xuất pin mặt trời trên toàn thế giới vượt mức 20 MW, và doanh số bán vượt mức 250 triệu USD.
+Năm 1997: Sanyo bắt đầu sản xuất hàng loạt pin mặt trời hiệu xuất cao HIT c-Si/a-Si: H.
+Đến năm 1999 Tổng công suất lắp đặt pin mặt trời trên thế giới đạt 1GW.
+Năm 2002: Hội nghị Solar Silicon đầu tiên đối phó với cuộc khủng hoảng của nguyên tố Si được tổ chức bởi Photon tại Munich, Đức.
+Năm 2006: Wacker mở rộng sản xuất pin năng lượng mặt trời Poly-Si tại Burghausen, Đức, Công suất lên đến 16.000 tấn / năm để trở thành công ty lớn thứ hai trong lĩnh vực này trên toàn thế giới.
+Năm 2010: Tổng công suất pin mặt trời trên thế giới ước tính đạt 37,4GW(trong đó Đức có công suất lớn nhất với 7,6GW).
CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI
Cấu tạo của pin năng lượng mặt trời
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 quan điện bên trong gọi là pin mặt trời Pin mặt trời được sản xuất và ứng dụng phổ biến hiện nay là các pin mặt trời được chế tạo từ vật liệu tinh thể bán dẫn silicon (Si) có hóa trị 4.
Hình 2 1 Cấu tạo các lớp của pin mặt trời
Hình 2 2 Cấu tạo các lớp tấm pin
Hình 2 3 Cấu tạo hoàn chỉnh của tấm pin mặt trời thực tế
Tấm pin năng lượng mặt trời được cấu tạo bởi 8 bộ phận chính, đó là:
Là một bộ phận có kết cấu cứng cáp để tích hợp các tế bào quang điện (solar cells) và các bộ phận khác Tuy được thiết kế cứng cáp nhưng đồng thời vẫn đủ nhẹ để có thể bảo vệ và cố định các thành phần khác trước các yếu tố từ ngoại lực tác động. Màu sắc chủ yếu của nhôm là màu bạc.
Giúp bảo vệ solar cells khỏi các tác động của thời tiết như nhiệt độ, bụi, mưa đá và các tác động va chạm khác từ bên ngoài Kính được thiết kế có độ dày 3m- 3.5m Để đảm bảo có thể bảo vệ nhưng vẫn giữ được độ trong suốt của kính cường lực để dễ dàng hấp thụ ánh sáng mặt trời.
+Lớp EVA (ethylene vinyl acetate) Đây là thành phần được coi là chất kết dính, là 2 lớp polyme mỏng đặt trên và dưới lớp solar cells Nhằm kết dính lớp tế bào quang điện với kính cường lực phía trên và lớp phía dưới Ngoài ra lớp này còn tối ưu hóa khả năng hấp thụ và bảo vệ solar cells khỏi sự rung động, tránh bám bụi bẩn và sự tích tụ hơi nước Là vật liệu có khả năng chịu nhiệt rất tốt và độ bền cao.
Pin năng lượng mặt trời thông dụng được làm từ silic – chất bán dẫn phổ biến. Trong một tế bào (cell), tinh thể silic nằm ở giữa hai lớp dẫn điện Một solar cells được sử dụng 2 lớp silic khác nhau.
Có chức năng cách điện, bảo vệ cơ học và giữ độ ẩm Tùy vào từng hãng sản xuất mà tấm nền pin sẽ có độ dày khác nhau Màu sắc chủ yếu là màu trắng.
Hộp đấu dây có tên tiếng anh là junction box, là hộp nằm ở phía sau cùng, là nơi tập hợp và chuyển giao năng lượng điện được tạo ra từ tấm pin năng lượng mặt trời ra ngoài Chính vì lẽ đó nên đây được coi là vị trí quan trọng nên được lắp ráp và thiết kế chắc chắn.
Là loại cáp điện chuyên dụng cho điện năng mặt trời, có khả năng cách điện tốt đồng thời là khả năng chống chịu tốt từ môi trường bên ngoài như: tia cực tím, bụi… +Jack kết nối MC4
Là đầu nối để kết nối tấm pin mặt trời với nguồn điện thường dùng Loại jack này giúp chúng ta dễ dàng kết nối tấm pin và dãy pin từ các tấm pin liền kề với nhau bằng cách gắn jack.
Nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời
Pin năng lượng mặt trời (solar panel/ pin mặt trời/ pin quang điện) là thiết bị giúp chuyển hóa trực tiếp năng lượng ánh sáng mặt trời (quang năng) thành năng lượng điện (điện năng) dựa trên hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện là khả năng phát ra điện tử (electron) khi được ánh sáng chiếu vào của vật chất.
Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý người pháp Alexandre Edmond Becquerel Tuy nhiên cho đến năm 1883 một pin năng lượng mới được tạo thành, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối thiết bị chỉ có hiệu suất 1%, Russell Ohl xem là người tạo ra pin năng lượng mặt trời đầu tiên năm 1946 Sau đó Sven Ason Berglund đã có các phương pháp liên quan đến việc tăng khả năng cảm nhận ánh sáng của pin.
Hình 2 4 Hệ hai năng lượng
Xét một hệ hai mức năng lượng điện tử (hình 2.4) E 1>E 2 , bình thường điện tử chiếm mức 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 Planck, v là tần số ánh sáng) bị điện tử hấp thụ và chuyển lên mức năng lượng E 2 Ta có 2 phương trình cân bằng năng lượng: hv = E 1−E 2 Trong các vật thể rắn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vòng ngoài, nên các mức năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng sát nhau và tạo thành các vùng năng lượng Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi ở trạng thái cân bằng gọi là vùng hóa trị, mà mặt trên của nó có mức năng lượng E v
Vùng năng lượng phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn, mặt dưới của vùng gọi là E c Cách ly giữa 2 vùng hóa trị và vùng dẫn là một vùng cấp độ rộng với năng lượng là E g 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 thụ và nó 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 và tham gia vào quá trình dẫn điện Hiệu ứng lượng tử của quá trình hấp thụ photon có thể mô tả bằng phương trình:
Hình 2 5 Các vùng năng lượng Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lượng photon và chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử - lỗ trống là hv = hc λ ≥ E g =E c −E v Từ đó có thể tính ra được bước sóng tới hạn λ c của ánh sáng để tạo ra cặp e −¿¿ , h +¿ ¿ : λ c = hc
Trong thực tế các hạt dẫn bị kích thích e −¿¿ và h +¿ ¿ đều tự phát tham gia vào quá trình phục hồi, chuyển động đến mặt của các vùng năng lượng: điện tử e −¿¿ giải phóng năng lượng để chuyển đến trên mặt của vùng dẫn E c , còn lỗ trống h + chuyển đến mặt của E v , quá trình phục hồi chỉ xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn 10 −12 ÷10 −1 giây và gây ra dao động mạnh (photon) Năng lượng bị tổn hao do quá trình phục hồi sẽ là:
E ph = hv – E g Tóm lại khi vật rắn nhận tia bức xạ mặt trời, điện tử ở vùng hóa trị thấp hấp thụ năng 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 thế điện Hiện tượng đó gọi là hiệu ứng quang điện bên trong.
Hình 2 6 Nguyên lý hiện tượng quang điện
Sự chuyển đổi này thực hiện theo hiệu ứng quang điện Hoạt động của pin mặt trời được chia làm ba giai đoạn:
Đầu tiên năng lượng từ các photon ánh sáng được hấp thụ và hình thành các cặp electron-hole trong chất bán dẫn.
Các cặp electron-hole sau đó bị phân chia bởi ngăn cách tạo bởi các loại chất bán dẫn khác nhau (p-n junction) Hiệu ứng này tạo nên hiệu điện thế của pin mặt trời
Pin mặt trời sau đó được nối trực tiếp vào mạch ngoài và tạo nên dòng điện.
2.2.2 Nguyên lý hoạt động của tấm pin
Silicon được biết đến là một chất bán dẫn Chất bán dẫn là vật liệu trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện chất bán dẫn hoạt động như một chất cách điện ở nhiệt độ thấp và có tính dẫn điện ở nhiệt độ phòng với tính chất như vậy, silicon là một thành phần quan trọng trong cấu tạo của pin năng lượng mặt trời.
Hình 2 7 Nguyên lý của pin năng lượng mặt trời
Silicon tuy có mức dẫn điện hạn chế nhưng nó có cấu trúc tinh thể rất phù hợp cho việc tạo ra chất bán dẫn Nguyên tử silicon cần 4 electron để trung hòa điện tích nhưng lớp vỏ bên ngoài một nguyên tử silicon chỉ có một nửa số electron cần thiết nên nó sẽ bám chặt với các nguyên tử khác để tìm cách trung hòa điện tích. Để tăng độ dẫn điện của silicon, các nhà khoa học đã “tạp chất hóa” nó bằng cách kết hợp nó với các vật liệu khác Quá trình này được gọi là “doping” và silicon pha tạp với các tạp chất tạo ra nhiều electron tự do và lỗ trống Một chất bán dẫn silicon có hai phần, mỗi phần được pha tạp với một loại vật liệu khác Phần đầu tiên được pha với phốt pho, phốt pho cần 5 electron để trung hòa điện tích và có đủ 5 electron trong vỏ của nó Khi kết hợp với silicon, một electron sẽ bị dư ra Electron đặc trưng cho điện tích âm nên phần này sẽ được gọi là silicon loại N (điện cực N) Để tạo ra silicon loại P (điện cực P), các nhà khoa học kết hợp silicon với boron Boron chỉ cần 3 electron để trung hòa điện tích và khi kết hợp với silicon sẽ tạo ra những lỗ trống cần được lấp đầy bởi electron.
Một pin mặt trời bao gồm một lớp silicon loại P được đặt bên cạnh một lớp silicon loại N Ở lớp loại N chứa electron, còn ở lớp loại P thừa lỗ trống mang điện dương (là những chỗ trống do thiếu electron hoá trị) Gần chỗ tiếp giáp của hai lớp, các electron ở một bên của lớp tiếp giáp (lớp loại N) di chuyển vào các lỗ trống ở phía bên kia của lớp tiếp xúc (lớp loại P) Điều này tạo ra một vùng xung quanh đường giao nhau, được gọi là vùng suy giảm, trong đó các điện tử lấp đầy các lỗ trống.
Hình 2 8 Nguyên lý hoạt động của các nguyên tố trong tấm pin
Khi tất cả các lỗ trống được lấp đầy bởi các điện tử trong vùng suy giảm, thì mặt loại P của vùng suy giảm bây giờ chứa các ion mang điện tích âm và mặt loại N của vùng suy giảm bây giờ chứa các ion mang điện tích dương Sự có mặt của các ion mang điện trái dấu này tạo ra điện trường bên trong ngăn cản các electron ở lớp N lấp đầy các lỗ trống ở lớp P.
Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào pin mặt trời, các điện tử trong silicon bị đẩy ra,dẫn đến hình thành các "lỗ" (chỗ trống do các điện tử thoát ra để lại) Nếu điều này xảy ra trong điện trường, điện trường sẽ chuyển các electron đến lớp loại N và các lỗ trống đến lớp loại P Nếu chúng ta nối một một sợi dây kim loại giữa hai lớp, các electron sẽ đi từ lớp loại N sang lớp loại P bằng cách băng qua vùng suy giảm sau đó đi qua dây bên ngoài tạo ra một dòng điện.
Hình 2 9 Nguyên lý của các photon và silic khi có ánh sáng mặt trời tác động
Khi một photon chạm vào mảnh silic, một trong hai điều sau sẽ xảy ra:
1 Photon truyền trực xuyên qua mảnh silic Điều này thường xảy ra khi năng lượng của photon thấp hơn năng lượng đủ để đưa các hạt electron lên mức năng lượng cao hơn.
Đặc tính của pin năng lượng mặt trời
Đặc tính của pin mặt trời phụ thuộc vào các yếu tố cường độ bức xạ mặt trời (BXMT), nhiệt độ, áp suất khí quyển, độ ẩm Trong đó có 2 yếu tố ảnh hưởng lớn nhất tới hoạt động của pin mặt trời là nhiệt độ và cường độ bức xạ mặt trời Hình 2.10a thể hiện rõ cường độ dòng điện thay đổi theo chiều thuận với cường độ bức xạ mặt trời.
Hình 2 10 Ảnh hưởng bức xạ mặt trời (a) và nhiệt độ (b) tới đặc tính của Pin Mặt Trời
Khi thay đổi nhiệt độ từ 0 0 C đến 60 0 C và cường độ bức xạ được giữ nguyên thì điện áp pin mặt trời giảm dần còn cường độ dòng điện hầu như không thay đổi (Hình 2.10b) Hình 2.11 thể hiện đường đặc tính P-V ứng với 3 trạng thái điều kiện thời tiết
Hình 2 11 Đường đặc tính P-V khi thay đổi nhiệt độ và bức xạ mặt trời Điện áp hở mạch VOC là hiệu điện thế được đo khi mạch ngoài của pin mặt trời hở Khi đó dòng mạch ngoài I = 0.
Hình 2 12 Hình ảnh Thể hiện Điện áp hở mạch V OC
Dòng ngắn mạch ISC là dòng điện trong mạch của pin mặt trời khi làm ngắn mạch ngoài(chập các cực ra của pin) Lúc đó hiệu điện thế mạch ngoài của pin bằng V = 0.
Hình 2 13 Hình ảnh thể hiện dòng ngắn mạch I SC Đặc tính làm việc của pin mặt trời thể hiện qua ba tham số là điện áp hở mạch
V OC V OC , lúc dòng ra bằng 0, thông thường V OC V OC = 0,6 ÷ 0,7 V, dòng điện ngắn mạch
I SC I SC khi điện áp ra bằng 0 thông thường I SC = 20 ÷ 40 mA và cuối cùng là hệ số lấp đầy FF = V V mp I mp
OC I SC đối với pin mặt trời silic, FF thường từ 0.6÷0,8. Đặc tính làm việc của pin mặt trời thể hiện qua hai thông số là điện áp hở mạch lớn nhất VOC lúc dòng ra bằng 0 và dòng điện ngắn mạch I SC khi điện áp ra bằng 0. Công suất của pin được tính theo công thức:
Tại điểm làm việc U = U OC
I = 0 và U = O I = ISC , Công suất làm việc của pin cũng có giá trị bằng 0.
Hình 2 14 Đường đặc tính làm việc U - I của pin mặt trời
Hình 2 15 Đường đặc tính làm việc U – I của pin mặt trời
Hình 2 16 Đường đặc tính làm việc V – I của pin mặt trời
Hình 2 17 Sơ đồ tương đương của pin mặt trời
Từ sơ đồ tương đương, ta có phương trình đặc trưng vôn – ampe của pin như sau :
I sc là dòng quang điện ( dòng ngắn mạch khi không có R s và R sh ).
I 01 là dòng bão hòa (A/m 2 ) q là điện tích của điện tử (C = 1,6.10 -19 ) k là hệ số Boltzman = 1,38.10 -23 (J/k)
I, R, R s , R sh ,lần lượt là dòng điện ra, điện áp ra, điện trở Rs và Rsh của pin trong mạch tương đương
Dòng ngắn mạch I SC tỉ lệ thuận với cường độ bức xạ chiếu sáng Nên đường đặc tính V-I của pin mặt trời cũng phụ thuộc vào cường độ bức xạ chiếu sáng Ở mỗi tầng bức xạ chỉ thu được duy nhất một điểm làm việc V = V MPP có công suất lớn nhất thể hiện trên hình vẽ sau Điểm làm việc có công suất lớn nhất được thể hiện là điểm chấm đen to trên hình vẽ (đỉnh của đường cong đặc tính).
Hình 2 18 Sự phụ thuộc của đặc trưng V-A của pin mặt trời vào cường độ bức xạ
Mặt trời Điện áp hở mạch V OC phụ thuộc trực tiếp vào nhiệt độ nên đường đặc tính V-A của pin mặt trời cũng phụ thuộc vào nhiệt độ của pin.
Hình 2 19 Sự phụ thuộc của đường đặc tính của pin mặt trời vào nhiệt độ của pin Để toàn bộ hệ PV có thể hoạt động được một cách hiệu quả thì đường đặc tính của tải cũng phải phù hợp với điểm MPPT.
Hình 2 20 Đường đặc tính tải và đặc tính của pin mặt trời
Trên hình vẽ 2.20 đường OA và OB là những đường đặc tính tải Nếu tải được mắc trực tiếp với dãy pin mặt trời thì tải có đường đặc tính là OA Khi đó, pin làm việc ở điểm A1 và phát công suất P1 Công suất lớn nhất do phơi nắng thu được là P2 Để có thể thu được công suất P2, cần có một bộ điều chỉnh công suất để liên kết giữa dãy pin mặt trời và tải.
Nền tảng và vật liệu chế tạo Pin năng lượng mặt trời
Vật liệu chế tạo Pin năng lượng mặt trời
Tấm năng lượng mặt trời được tạo thành từ nhiều pin mặt trời có thể gồm 36 đến 72 pin mặt trời mắc nối tiếp với nhau Qua những tấm pin mặt trời, năng lượng mặt trời được chuyển hoá thành điện năng Mỗi pin mặt trời cung cấp một lượng nhỏ năng lượng, nhưng nhiều pin được đặt trải dài trên một diện tích lớn tạo nên nguồn năng lượng lớn hơn đủ để các thiết bị điện sử dụng Mỗi tấm pin mặt trời có công suất khác nhau như: 30W, 40W, 45W, 50W, 75W, 100W, 125W, 150W, 200W Điện áp của các tấm pin thường là 12VDC Công suất và điện áp của hệ thống tuỳ thuộc vào cách ghép nối các tấm pin lại với nhau Nhiều tấm năng lượng mặt trời có thể ghép nối tiếp hoặc song song với nhau để tạo thành một dàn pin mặt trời Để đạt được hiệu năng tốt nhất, những tấm năng lượng phải luôn được phơi nắng và hướng trực tiếp đến mặt trời.
Hiệu suất thu được điện năng từ pin mặt trời ở các vùng miền vào các giờ trong ngày là khác nhau, do bức xạ mặt trời trên bề mặt trái đất không đồng đều nhau Hiệu suất của pin mặt trời phụ thuộc vào nhiều yếu tố:
- Chất liệu bán dẫn làm pin.
- Vị trí đặt các tấm panel mặt trời
- Thời tiết khí hậu, mùa trong năm.
- Thời gian trong ngày: sáng, trưa, chiều
Các tấm năng lượng mặt trời được lắp đặt ở ngoài trời nên thiết kế sản xuất đã đảm bảo được các thay đổi của khí hậu, thời tiết, mưa bão, sự ăn mòn của nước biển, sự oxi hoá… Tuổi thọ của mỗi tấm pin khoảng 25 đến 30 năm.
Vật liệu pin năng lượng mặt trời (Solar panel) bao gồm nhiều tế bào quang điện (solar cells) – là phần tử bán dẫn có thành phần chính là sillic tinh khiết – có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là điốt quang, thực hiện biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện 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 lượng điện từ và năng lượng ánh sáng Mặt Trời Vào buổi trưa một ngày trời trong, ánh Mặt Trời tỏa nhiệt khoảng 1000 W/m² trong đó10% hiệu suất của 1 module 1 m² cung cấp năng lượng khoảng 100 W hiệu suất của pin Mặt Trời thay đổi từ 6% từ pin Mặt Trời làm từ silic vô định 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 là phát 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 Mặt Trời là 1 yếu tố quyết định trong giá thành Nói chung, với toàn hệ thống, là tổ hợp các tấm pin Mặt Trời, thì hiệu suất là rất quan trọng Và để tạo nên ứng dụng thực tế cho pin năng lượng, điện năng tạo nên có thể nối với mạng lưới điện sử dụng dạng chuyển đổi trung gian; trong các phương tiện di chuyển, thường sử dụng hệ thống ắc quy để lưu trữ nguồn năng lượng chưa sử dụng đến Các pin năng lượng thương mại và hệ thống công nghệ cho nó có hiệu suất từ 5% đến 15%
Ngày nay thì vật liệu chủ yếu chế tạo pin Mặt Trời (và cho các thiết bị bán dẫn) là silic dạng tinh thể Pin Mặt Trời từ tinh thể silic chia ra thành ba loại:
Một tinh thể hay tinh thể đơn (module) sản xuất dựa trên quá trình Czochralski. Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16% Chúng thường rất đắt tiền do được cắt từ các thỏi silic hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module.
Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc - đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm nguội và làm rắn Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó.
Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon.
Nền tảng chế tạo dựa trên Công nghệ sản xuất tấm mỏng, có độ dày 300 μmm và xếp lại để tạo nên các module tạo thành các loại pin trên.
Nền tảng của pin năng lượng mặt trời
Tìm hiểu về pin Mặt trời, thì cần một chút lý thuyết nền tảng về vật lý chất bán dẫn Để đơn giản, miêu tả sau đây chỉ giới hạn hoạt động của một pin năng lượng tinh thể silic.
Nguyên tố Silic thuộc nhóm IVA trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học,tức là có 4 electron lớp ngoài cùng Silic nguyên tố không tìm thấy trong tự nhiên mà tồn tại dạng hợp chất phân tử ở thể rắn Cơ bản có hai loại chất rắn silicon, là vô định hình (không có trật tự sắp xếp) và tinh thể (các nguyên tử sắp xếp theo thứ tự dãy không gian 3 chiều) Pin năng lượng Mặt trời phổ biến nhất là dạng đa tinh thể silicon. Silic là vật liệu bán dẫn Nghĩa là trong thể rắn của silic, tại một tầng năng lượng nhất định, electron có thể đạt được, và một số tầng năng lượng khác thì không được Đơn giản hiểu là có lúc dẫn điện, có lúc không dẫn điện Lý thuyết này căn cứ theo thuyết cơ học lượng tử. Ở nhiệt độ phòng thí nghiệm (khoảng 28 ° C), Silic nguyên chất có tính dẫn điện kém (cơ học lượng tử giải thích mức năng lượng Fermi trong tầng trống) Trong thực tế, để tạo ra các phân tử silic có tính dẫn điện tốt hơn, chúng được thêm vào một lượng nhỏ các nguyên tử nhóm III hay V trong bảng tuần hoàn hóa học Các nguyên tử này chiếm vị trí của nguyên tử silic trong mạng tinh thể, và liên kết với các nguyên tử silic bên cạnh tương tự tạo thành một mạng silic (mạng tinh thể) Tuy nhiên các phân tử nhóm III có 3 electron ngoài cùng và nguyên tử nhóm V có 5 electron ngoài cùng, vì thế nên có chỗ trong mạng tinh thể có dư electron còn có chỗ thì thiếu electron Vì thế các electron thừa hay thiếu electron (gọi là lỗ trống) không tham gia vào các kết nối mạng tinh thể Chúng có thể tự do di chuyển trong khối tinh thể Silic kết hợp với nguyên tử nhóm III (nhôm hay gali) được gọi là loại bán dẫn p bởi vì năng lượng chủ yếu mang điện tích dương (positive), trong khi phần kết hợp với các nguyên tử nhóm V (phosphor, asen) gọi là bán dẫn n vì mang năng lượng âm (negative) Lưu ý rằng cả hai loại n và p có năng lượng trung hòa, tức là chúng có cùng năng lượng dương và âm, loại bán dẫn n, loại âm có thể di chuyển xung quanh, tương tự ngược lại với loại p.
Phân loại Pin năng lượng mặt trời
Các loại pin mặt trời được chia làm các loại chính là:
Tấm pin năng lượng mặt trời mono
Tấm pin năng lượng mặt trời poly
Tấm pin năng lượng mặt trời dạng phim mỏng (thin – film)
Các loại tấm pin khác
Hình 2 21 Hình ảnh các loại pin năng lượng mặt trời phổ biến
2.5.1 Pin mặt trời mono đơn tinh thể (Monocrystalline)
Pin mặt trời Mono đơn tinh thể (Monocrystalline) được cắt ra từ thỏi Silic hình ống Những tấm đơn tinh thể này có mặt trống ngay góc nối các module Do được cấu tạo bởi chỉ một tế bào tinh thể, các phân tử electron tạo ra dòng điện có nhiều khoảng trống để chúng di chuyển Do đó, quy trình điều chế những Silic đơn tinh thể rất quan trọng khi chế tạo ra vi mạch bán dẫn Pin mono bề ngoài có màu đen sẫm, tế bào quang điện hình vuông vạt góc xếp liền nhau tạo ra những khoảng trống hình thoi. Đặc điểm của pin năng lượng mặt trời Monocrystalline là hấp thụ ánh sáng mặt trời nhanh Chỉ cần có ánh sáng bình thường, kể cả khi trời không có nắng, loại pin này đều có thể tạo ra điện, tiến hành đo Vôn hay Ampe đều đầy đủ hai chỉ số.
Tấm pin mặt trời mono gồm có các solar cell (tế bào quang điện) được chế tạo từ các tấm silic Mỗi tấm silic là một lá cắt tinh thể silic đơn, tinh khiết Trong quá trình sản xuất, người ta gắn lớp nhôm dẫn điện và các lớp bảo vệ khác lên tấm wafer (miếng silic mỏng có độ dày khoảng 0,76mm) để tránh tác động từ môi trường Sau đó, người ta lắp các tấm wafer theo từng hàng, cột tạo thành hình chữ nhật và phủ kính, đóng khung lại làm nên tấm pin mặt trời.
Màu sắc: Thiết bị có màu đen do tác động của ánh sáng lên tinh thể silic nguyên chất và sự phản xạ lại.
Hình dáng: Các tế bào quang điện có hình vuông vạt góc và được xếp nối tiếp nhau tạo ra các khoảng hình thoi màu trắng.
Kích thước: Hiện nay, số lượng tế bào quang điện được nâng lên thành 120 – 144 thay vì 60 như trước kia.
Hiệu suất chuyển đổi (khoảng 20%) và công suất cao hơn tấm pin poly và tấm pin thin-film
Những tấm pin mono có giá cao hơn so với pin poly và pin thin – film Bên cạnh đó, nó được ứng dụng ở các khu vực ít nắng, diện tích nhỏ hẹp,…
Hình 2 22 Hình ảnh thực tế tấm pin mono 2.5.2 Pin mặt trời poly đa tinh thể (Polycrystalline)
Pin năng lượng mặt trời Polycrystalline được tạo nên từ silicon đa tinh thể; có màu xanh đậm, các tế bào quang điện xếp khít với nhau
Có những ưu điểm trong quá trình sản xuất đơn giản và ít tốn kém nên giá thành của pin đa tinh thể thấp hơn so với pin mono Tuy nhiên Pin mặt trời Poly sẽ ngưng hoàn toàn khi tắt nắng hoặc trời có nhiều mây Nếu điều kiện thời tiết không cho phép chẳng hạn như trời âm u thì pin mặt trời poly đa tinh thể tạm dừng hoạt động.
Tấm pin năng lượng mặt trời poly gồm các tế bào quang điện được chế tạo từ các tấm silic Mỗi tấm silic được cấu tạo từ nhiều mảnh tinh thể silic nung nóng chảy trong khuôn, để nguội, cắt ra thành tấm wafer.
Màu sắc: Màu xanh do ánh sáng tác động đến các mảnh silic trong cell phản xạ theo nhiều hướng khác nhau Nếu sử dụng công nghệ Black Silicon, phủ thêm một lớp cấu trúc nano lên bề mặt, tỉ lệ phản xạ ánh sáng bị giảm xuống mức tối đa, tấm pin trông đen hơn các tấm pin poly bình thường.
Kích thước: Tấm pin có khoảng 60 tế bào quang điện.
+Về hiệu suất và giá thành:
Hiệu suất chuyển đổi khoảng 15 – 19% Thiết bị có giá thấp hơn so với pin mono Nó thường được sử dụng nhiều ở các nơi có số giờ nắng cao như miền Nam Việt Nam.
Hình 2 23 Hình ảnh thực tế của tấm pin poly 2.5.3 Pin năng lượng mặt trời dạng phim mỏng thin – film
Loại pin này được tạo từ những miếng phim rất mỏng do Silic nóng chảy tạo nên.
So sánh với hai dòng pin trên, Pin mặt trời dạng phim mỏng cho hiệu suất thấp nhất. Bên cạnh đó, việc sản xuất cũng vô cùng đơn giản nên giá cả cũng mềm hơn so với pin Mono và Poly Ngoài ra, một số pin năng lượng được kết hợp từ các dạng pin trên; giúp hiệu suất sử dụng cao hơn, nhưng đồng thời giá cũng cao hơn Các loại pin này thường được sử dụng chủ yếu cho quốc phòng, lĩnh vực không gian.
Nhìn chung các dòng pin năng lượng mặt trời đều được làm từ Silic Đây là một nguyên tố tự nhiên, bền Tuy nhiên Silic luôn nằm trong hợp chất với các nguyên tố khác Do đó việc tách, sản xuất Silic quyết định giá thành của các sản phẩm Pin năng lượng mặt trời Mỗi loại pin năng lượng mặt trời được tạo ra đều có hiệu quả và ưu điểm riêng Tuy nhiên nếu xét trong lĩnh vực thương mại, pin năng lượng mặt trời Mono và Poly nổi trội hơn hẳn Tùy từng mục đích, lượng ánh sáng thực tế, thời tiết tại các địa điểm khác nhau như thế nào để chọn dòng pin phù hợp Từ đó pin năng lượng mặt trời có thể phát huy hết tác dụng được hiệu năng của chúng.
+Về chất liệu: Thiết bị được làm từ nhiều loại vật liệu khác nhau, đó là:
Cadmium Telluride (CdTe): Gồm một lớp CdTe ở giữa và các lớp màng dẫn trong suốt ở hai bên Phía trên cùng là lớp kính giữ vai trò bảo vệ.
Silic vô định hình (a-Si): Silic không kết tinh đặt trên nhựa hoặc thủy tinh, kim loại (thường là nhôm) để tạo thành tấm pin.
Copper Indium Gallium Selenide (CIGS): Gồm 4 thành phần đặt giữa hai lớp dẫn điện như nhựa, thủy tinh, thép, nhôm Mặt trước và mặt sau tấm pin là các điện cực có tác dụng thu dòng điện.
Hình 2 24 Hình ảnh thực tế của tấm pin thin – film
Màu sắc: Tùy theo chất liệu cấu tạo, tấm pin thin-film có thể có màu đen hoặc xanh.
Kích thước: Không theo một tiêu chẩn nhất định và không đồng đều, mỏng hơn rất nhiều so với pin mono và pin poly.
+Về hiệu suất và giá thành:
Hiệu suất pin khoảng 11% Hiệu suất cụ thể tùy theo chất liệu tạo ra các tế bào quang điện Giá pin thin-film phụ thuộc vào chất liệu Xếp theo mức giá từ thấp đến cao là CdTe, silicon vô định hình (a-Si), CIGS Loại pin này thường được lắp đặt ở nơi hay di chuyển hoặc không thể chịu được trọng lượng của các thiết bị năng lượng mặt trời truyền thống.
2.5.4 Các loại pin mặt trời khác
Bên cạnh 3 loại pin mặt trời trên, vẫn còn 2 loại pin mặt trời khác là pin mặt trời sinh học (Biohybrid) và pin mặt trời PV tập trung (Concentrated PV) Tuy nhiên, hai loại pin này mới chỉ đang trong giai đoạn nghiên cứu phát triển, chưa sử dụng nhiều trong thực tế.
2.5.4.1 Pin mặt trời sinh học (Biohybrid)
Pin mặt trời sinh học (Biohybrid) được phát triển dựa trên công nghệ mới, kết hợp giữa chất vô cơ và chất hữu cơ photosystem 1 (công nghệ mô phỏng quá trình quang hợp tự nhiên) Trong đó, chất vô cơ giống như các tấm pin mặt trời khác Còn chất hữu cơ photosystem 1 có vai trò tập trung ánh sáng và chuyển đổi thành năng lượng hóa học, tạo ra dòng điện Nhờ chất hữu cơ này mà việc chuyển đổi điện năng hiệu quả hơn.
Hình 2 25 Pin mặt trời sinh học thu năng lượng từ vi khuẩn phát điện
2.5.4.2 Pin mặt trời PV tập trung (Concentrated PV)
Pin mặt trời PV tập trung (Concentrated PV) có bề mặt gương cong, thấu kính,được cấu tạo từ nhiều thành phần nên có thể gọi là hệ thống pin Có trường hợp tấm pin này tích hợp thêm hệ thống làm mát để tập trung tia sáng vào tế bào quang điện nhỏ giúp tăng hiệu suất của tấm pin Hiệu suất pin tối đa là 41%, cao hơn tất cả các loại pin mặt trời hiện nay. Để đạt được hiệu suất tối đa, tấm pin mặt trời PV tập trung cần phải đặt ở vị trí có góc độ hoàn hảo, hứng được ánh sáng mặt trời một cách tối đa Vì thế, khi lắp pin mặt trời PV tập trung, người ta cần sử dụng một máy theo theo dõi hướng ánh sáng mặt trời và dàn xoay đổi hướng (solar tracker) giúp lấy được nguồn sáng trực tiếp một cách tối đa.
Hình 2 26 Hình ảnh thực tế của Pin mặt trời PV tập trung (Concentrated PV)
So với các loại tấm pin mặt trời khác pin mặt trời PV tập trung có bề mặt gương cong, thấu kính và đôi khi cả hệ thống làm mát được sử dụng để tập trung các tia sáng lại vào một cell nhỏ và làm tăng hiệu quả của chúng Loại tấm pin mặt trời đa chức năng này có hiệu suất chuyển đổi lên tới 41%, cao nhất trong số tất cả các loại pin mặt trời cho đến nay (Ta có thể coi đây là một hệ thống bởi vì nó có rất nhiều thành phần chứ không chỉ đơn giản là tấm pin.)
Thuật toán điều khiển bám công suất cực đại tấm pin
Khi một tấm PV được mắc trực tiếp vào một tải, điểm làm việc của tấm PV đó sẽ là giao điểm giữa đường đặc tính làm việc I – V và đường đặc tính I – V của tải Giả sử nếu tải là thuần trở thì đường đặc tính tải là một đường thẳng tắp với độ dốc là 1/R tải.
Hình 2 27 Pin mặt trời mắc trực tiếp với tải Ứng với mỗi điều kiện thời tiết nhất định sẽ có một đường đặc tính về công suất khác nhau và trong đường đặc tính ấy sẽ có một điểm công suất lớn nhất Như vậy nhiệm vụ là cần phải tìm ra điểm này và giữ hệ thống làm việc tại đó Bộ điều khiển bám công suất cực đại (MPPT) sẽ thực hiện nhiệm vụ đó thông qua việc điều khiển đóng mở van đóng cắt của bộ biến đổi DC/DC Giả sử tấm pin mặt trời (PMT) được mắc trực tiếp vào một tải thuần trở có thể thay đổi giá trị như Hình 2.28 Khi đó điểm làm việc của pin mặt trời(PMT) là giao điểm giữa đường đặc tính I–V của pin mặt trời (PMT) và đường đặc tính I–V của tải Xét tải thuần trở nên đường đặc tính tải là một đường thẳng với độ dốc là 1/R Giả sử có 3 giá trị của tải là R1, R2, R3 thì 3 đường đặc tính I-V tương ứng sẽ có độ dốc lần lượt là 1/R1, 1/R2, 1/R3 Trong số đó chỉ có đường đặc tính tải tương ứng R2 là cắt đường đặc tính I-V của PMT tại điểm MPP như Hình 2.28.
Hình 2 28 Đặc tính làm việc của pin mặt trời và của tải
Như vậy ứng với tải có giá trị R2 thì pin mặt trời (PMT) sẽ làm việc tại điểm có công suất cực đại MPP, tuy nhiên điều này chỉ xảy ra một cách hết sức ngẫu nhiên.
Khi điều kiện thời tiết thay đổi hoặc tải biến động, để pin mặt trời vẫn hoạt động ở điểm công suất cực đại MPP ta cần bộ MPPT hoạt động theo nguyên lý dung hợp tải.
2.6.2 Nguyên lý dung hợp tải
Như đã nói ở trên, khi PMT được mắc trực tiếp với một tải, điểm làm việc của PMT sẽ do đặc tính tải xác định Điện trở tải được xác định như sau:
Trong đó: V 0 là điện áp ra, I o là dòng điện ra.
Tải ứng điểm làm việc lớn nhất của PMT được xác định như sau:
Trong đó: V MPP và I MPP là điện áp và dòng điện cực đại Khi giá trị của tải lớn nhất khớp với giá trị R opt thì công suất truyền từ PV đến tải sẽ là công suất lớn nhất.Tuy nhiên, điều này thường độc lập và hiếm khi khớp với thực tế Mục đích của MPPT là phối hợp trở kháng của tải với trở kháng lớn nhất của PV
Dưới đây là ví dụ của việc dung hợp tải sử dụng mạch Boost.
Ta giả sử rằng đây là bộ biến đổi lý tưởng, công suất trung bình do nguồn cung cấp phải bằng với công suất trung bình tải hấp thụ được.
Khi giá trị của tải lớn nhất khớp với giá trị R opt thì công suất truyền từ PMT đến tải sẽ là công suất lớn nhất Tuy nhiên, điều này thường độc lập và hiếm khi khớp với thực tế Mục đích của MPPT là phối hợp trở kháng của tải với trở kháng lớn nhất củaPMT đây cũng chính là nguyên lý dung hợp tải.
Hình 2 29 Pin mặt trời kết nối với tải qua bộ biến đổi DC/DC
Từ hình vẽ 2.29 trở kháng do PMT tạo ra là trở kháng vào R t cho bộ biến đổi. Bằng cách điều chỉnh tỉ lệ làm việc D, giá trị của Rt được điều chỉnh giá trị phù hợp với R opt Vì vậy, trở kháng của tải không cần phải quan tâm nhiều miễn là tỉ lệ làm việc của khoá điện tử trong bộ biến đổi được điều chỉnh đúng quy tắc hợp lý.
Có nhiều thuật toán MPPT đã được tìm ra trong đó có 2 thuật toán thông dụng nhất là thuật toán: gây nhiễu loạn và quan sát (P&O), điện dẫn gia tăng (INC) Đồ án này chỉ tập trung vào phương pháp gây nhiễu loạn và quan sát.
2.6.3 Thuật toán xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất MPPT
Như đã nói ở trên, điểm làm việc có công suất lớn nhất MPP định trên đường đặc tính I – V luôn thay đổi dưới điều kiện nhiệt độ và cường độ bức xạ thay đổi Chẳng hạn, hình vẽ 2.30 thể hiện đường đặc tính làm việc I – V ở những mức cường độ bức xạ khác nhau tăng dần ở cùng một giá trị nhiệt độ (25 ° C) và hình 2.31 thể hiện các đường đặc tính làm việc ở cùng một mức cường độ bức xạ nhưng với nhiệt độ tăng dần.
Hình 2 30 Đường đặc tính làm việc của pin khi cường độ bức xạ thay đổi ở cùng một mức nhiệt độ
Hình 2 31 Đặc tính làm việc I – V của pin khi nhiệt độ thay đổi ở cùng một mức cường độ bức xạ
Từ hai hình vẽ này, ta nhận thấy có sự dịch chuyển điện áp quan sát được ở vị trí của điểm MPP Vì vậy điểm MPP cần phải dùng thuật toán để xác định Thuật toán này là trung tâm của bộ điều khiển MPPT.
Thuật toán MPPT được coi là một phần không thể thiếu trong hệ PV, được áp dụng với mong muốn nâng cao hiệu quả sử dụng của dãy pin mặt trời Nó được đặt trong bộ điều khiển bộ biến đổi DC/DC.
Các thuật toán MPPT điều khiển của bộ biến đổi DC/DC sử dụng nhiều tham số, thường là các tham số như dòng PV, điện áp PV, dòng ra, điện áp ra của bộ DC/DC. Các thuật toán này được so sánh dựa theo các tiêu chí như hiệu quả định điểm làm việc có công suất lớn nhất, số lượng cảm biến sử dụng, độ phức tạp của hệ thống, tốc độ biến đổi…
Nhìn chung có rất nhiều thuật toán MPPT đã được nghiên cứu và ứng d ụng trên nhiều hệ thống Một phương pháp đo điện áp hở mạch V OC của các pin mặt trời cứ 30 giây một lần bằng cách tách pin mặt trời ra khỏi mạch trong một khoảng thời gian ngắn Sau khi nối mạch trở lại, điện áp pin được điều chỉnh lên 76% của V OC Tỷ lệ % này phụ thuộc vào loại pin mặt trời sử dụng Việc thực hiện phương pháp điều khiển mạch hở này đơn giản và ít chi phí mặc dù hiệu quả MPPT là thấp (từ 73% đến 91%). Phương pháp tính toán cũng có thể dự đoán vị trí của điểm MPP, tuy nhiên trong thực tế, phương pháp này làm việc không hiệu quả vì nó không theo được những thay đổi vật lý, tuổi thọ của tấm pin và các ảnh hưởng bên ngoài khác như bóng của các vật cản
… Hơn nữa, một học nhật xạ kế đo cường độ bức xạ có giá thành rất đắt.
2.6.4 Thuật toán nhiễu loạn và quan sát (P&O)
Cách ghép nối các tấm pin mặt trời
Như đã biết, các module pin mặt trời đều có công suất và điện áp ra xác định từ nhà sản xuất Để tạo ra công suất và điện áp ra, theo yêu cầu thì buộc phải ghép nối nhiều module lại với nhau Có hai cách ghép cơ bản:
- Ghép nối tiếp các module sẽ cho điện áp ra lớn hơn.
- Ghép song song các module sẽ cho dòng điện ra lớn.
Trong thực tế, phương pháp ghép hỗn hợp được sử dụng nhiều hơn để đáp ứng cả yêu cầu về điện áp và dòng điện.
2.7.1 Các phương pháp ghép nối tấm pin năng lượng mặt trời
+ Phương pháp ghép nối tiếp các module pin mặt trời:
Hình 2 35 Ghép nối tiếp hai module pin mặt trời (a) - Đường đặc tính V-A của từng module và của cả hệ (b)
Giả sử, các module đều giống hệt nhau, có đường đặc tính V-A giống hệt nhau, các thông số như: dòng ngắn mạch Isc, điện áp hở mạch Voc bằng nhau Giả sử rằng, cường độ chiếu sáng trên các tấm là đồng đều nhau.
Khi ghép nối tiếp, các module này thì ta có:
I, P, V: là dòng điện, công suất và hiệu điện thế của cả hệ.
I i , V i , P i : là dòng điện, công suất, hiệu điện thế của module thứ i trong hệ.
I opi , V opi , P opi : là dòng điện làm việc tối ưu, điện thế làm việc tối ưu, công suất làm việc tối ưu của các module thứ i trong hệ.
I op , V op , P op : là dòng điện làm việc tối ưu, điện thế làm việc tối ưu, công suất làm việc tối ưu của hệ.
Khi tải có giá trị 0 < R
