thiết kế và chế tạo bộ thí nghiệm năng lượng mặt trời

- Thiết kế và xây dựng bộ thí nghiệm năng lượng mặt trời, thể hiện một số đặc tính cơ bản của hệ thống năng lượng mặt trời.. CHƯƠNG 2: PIN QUANG ĐIỆN 2.1 Tế bào quang điện 2.1.1 Vật liệu

Trang 1

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ THÍ NGHIỆM NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

GVHD : TS BẠCH THANH QUÝ SINH VIÊN : NGÔ MẠNH HÙNG MSSV : 15018091

80Thursday, June 13, 20249:51:32 PM9:51:32 PM80Thursday, June 13, 20249:51:32 PM9:51:32 PM80Thursday, June 13, 20249:51:32 PM9:51:32 PM

puy hoaeh uhat trieh xah xuat lam hohg hghieu eho xa lam xc huyeh ba thuoe tihh thchh hoc gici doah 2019 2029puy hoaeh uhat trieh xah xuat lam hohg hghieu eho xa lam xc huyeh ba thuoe tihh thchh hoc gici doah 2019 2029puy hoaeh uhat trieh xah xuat lam hohg hghieu eho xa lam xc huyeh ba thuoe tihh thchh hoc gici doah 2019 2029puy hoaeh uhat trieh xah xuat lam hohg hghieu eho xa lam xc huyeh ba thuoe tihh thchh hoc gici doah 2019 2029puy hoaeh uhat trieh xah xuat lam hohg hghieu eho xa lam xc huyeh ba thuoe tihh thchh hoc gici doah 2019 2029puy hoaeh uhat trieh xah xuat lam hohg hghieu eho xa lam xc huyeh ba thuoe tihh thchh hoc gici doah 2019 2029puy hoaeh uhat trieh xah xuat lam hohg hghieu eho xa lam xc huyeh ba thuoe tihh thchh hoc gici doah 2019 2029puy hoaeh uhat trieh xah xuat lam hohg hghieu eho xa lam xc huyeh ba thuoe tihh thchh hoc gici doah 2019 2029puy hoaeh uhat trieh xah xuat lam hohg hghieu eho xa lam xc huyeh ba thuoe tihh thchh hoc gici doah 2019 2029puy hoaeh uhat trieh xah xuat lam hohg hghieu eho xa lam xc huyeh ba thuoe tihh thchh hoc gici doah 2019 2029puy hoaeh uhat trieh xah xuat lam hohg hghieu eho xa lam xc huyeh ba thuoe tihh thchh hoc gici doah 2019 2029puy hoaeh uhat trieh xah xuat lam hohg hghieu eho xa lam xc huyeh ba thuoe tihh thchh hoc gici doah 2019 2029puy hoaeh uhat trieh xah xuat lam hohg hghieu eho xa lam xc huyeh ba thuoe tihh thchh hoc gici doah 2019 2029puy hoaeh uhat trieh xah xuat lam hohg hghieu eho xa lam xc huyeh ba thuoe tihh thchh hoc gici doah 2019 2029puy hoaeh uhat trieh xah xuat lam hohg hghieu eho xa lam xc huyeh ba thuoe tihh thchh hoc gici doah 2019 2029puy hoaeh uhat trieh xah xuat lam hohg hghieu eho xa lam xc huyeh ba thuoe tihh thchh hoc gici doah 2019 2029

puy hoaeh uhat trieh xah xuat lam hohg hghieu eho xa lam xc huyeh ba thuoe tihh thchh hoc gici doah 2019 2029puy hoaeh uhat trieh xah xuat lam hohg hghieu eho xa lam xc huyeh ba thuoe tihh thchh hoc gici doah 2019 2029puy hoaeh uhat trieh xah xuat lam hohg hghieu eho xa lam xc huyeh ba thuoe tihh thchh hoc gici doah 2019 2029puy hoaeh uhat trieh xah xuat lam hohg hghieu eho xa lam xc huyeh ba thuoe tihh thchh hoc gici doah 2019 2029puy hoaeh uhat trieh xah xuat lam hohg hghieu eho xa lam xc huyeh ba thuoe tihh thchh hoc gici doah 2019 2029puy hoaeh uhat trieh xah xuat lam hohg hghieu eho xa lam xc huyeh ba thuoe tihh thchh hoc gici doah 2019 2029puy hoaeh uhat trieh xah xuat lam hohg hghieu eho xa lam xc huyeh ba thuoe tihh thchh hoc gici doah 2019 2029puy hoaeh uhat trieh xah xuat lam hohg hghieu eho xa lam xc huyeh ba thuoe tihh thchh hoc gici doah 2019 2029puy hoaeh uhat trieh xah xuat lam hohg hghieu eho xa lam xc huyeh ba thuoe tihh thchh hoc gici doah 2019 2029puy hoaeh uhat trieh xah xuat lam hohg hghieu eho xa lam xc huyeh ba thuoe tihh thchh hoc gici doah 2019 2029puy hoaeh uhat trieh xah xuat lam hohg hghieu eho xa lam xc huyeh ba thuoe tihh thchh hoc gici doah 2019 2029puy hoaeh uhat trieh xah xuat lam hohg hghieu eho xa lam xc huyeh ba thuoe tihh thchh hoc gici doah 2019 2029

puy hoaeh uhat trieh xah xuat lam hohg hghieu eho xa lam xc huyeh ba thuoe tihh thchh hoc gici doah 2019 2029puy hoaeh uhat trieh xah xuat lam hohg hghieu eho xa lam xc huyeh ba thuoe tihh thchh hoc gici doah 2019 2029puy hoaeh uhat trieh xah xuat lam hohg hghieu eho xa lam xc huyeh ba thuoe tihh thchh hoc gici doah 2019 2029puy hoaeh uhat trieh xah xuat lam hohg hghieu eho xa lam xc huyeh ba thuoe tihh thchh hoc gici doah 2019 2029

puy hoaeh uhat trieh xah xuat lam hohg hghieu eho xa lam xc huyeh ba thuoe tihh thchh hoc gici doah 2019 2029puy hoaeh uhat trieh xah xuat lam hohg hghieu eho xa lam xc huyeh ba thuoe tihh thchh hoc gici doah 2019 2029puy hoaeh uhat trieh xah xuat lam hohg hghieu eho xa lam xc huyeh ba thuoe tihh thchh hoc gici doah 2019 2029puy hoaeh uhat trieh xah xuat lam hohg hghieu eho xa lam xc huyeh ba thuoe tihh thchh hoc gici doah 2019 2029puy hoaeh uhat trieh xah xuat lam hohg hghieu eho xa lam xc huyeh ba thuoe tihh thchh hoc gici doah 2019 2029puy hoaeh uhat trieh xah xuat lam hohg hghieu eho xa lam xc huyeh ba thuoe tihh thchh hoc gici doah 2019 2029puy hoaeh uhat trieh xah xuat lam hohg hghieu eho xa lam xc huyeh ba thuoe tihh thchh hoc gici doah 2019 2029puy hoaeh uhat trieh xah xuat lam hohg hghieu eho xa lam xc huyeh ba thuoe tihh thchh hoc gici doah 2019 2029

80puy hoaeh uhat trieh xah xuat lam hohg hghieu eho xa lam xc huyeh ba thuoe tihh thchh hoc gici doah 2019 2029Thursday, June 13, 2024

Trang 2

PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP

1 Họ và tên nhóm sinh viên được giao đề tài

Ngô Mạnh Hùng MSSV: 15018091

2 Tên đề tài THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ THÍ NGHIỆM NĂNG LƯỢNG

MẶT TRỜI 3 Nội dung

- Tìm hiểu về năng lượng mặt trời

- Thiết kế và xây dựng bộ thí nghiệm năng lượng mặt trời, thể hiện một số đặc

tính cơ bản của hệ thống năng lượng mặt trời

- Ứng dụng kỹ thuật in 3D vào quá trình thực hiện bộ thí nghiệm năng lượng mặt trời và xây dựng các bài thí nghiệm

- Ứng dụng kỹ thuật cnc và in kỹ thuật số trong quá trình chế tạo bộ thí nghiệm năng lượng mặt trời

- Thực hiện một số bài thí nghiệm về năng lượng mặt trời

Trang 3

LỜI MỞ ĐẦU

Nhu cầu về năng lượng của con người trong thời đại Khoa học-Kỹ thuật phát triển ngày càng tăng Trong khi đó, các nguồn nguyên liệu dự trữ như than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên và ngay cả thủy điện đều có nguy cơ cạn kiệt, điều đó khiến cho toàn nhân loại đang đứng trước nguy cơ bị thiếu hụt năng lượng Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới như năng lượng hạt nhân, năng lương địa nhiệt, năng lượng gió và năng lượng mặt trời là một hướng đi quan trọng trong việc phát triển một nguồn năng lượng thay thế về sau này

Việc nghiên cứu sử dụng năng lượng mặt trời ngày càng được quan tâm, nhất là trong tình trạng thiếu hụt năng lượng và giải quyết vấn đề cấp bách về môi trường hiện nay Năng lượng mặt trời được xem là nguồn năng lượng ưu việt trong tương lai, đó là nguồn năng lượng có sẵn, siêu sạch và thân thiện với môi trường Do vậy năng lượng mặt trời đang được sử dụng ngày càng rộng rãi ở các nước trên thế giới

Dựa trên cơ sở đó, để tìm hiểu rõ hơn về quá trình sản xuất điện năng và ứng dụng của năng lượng mặt trời, em lựa chọn đề tài nghiên cứu bộ thí nghiệm năng lượng mặt trời Đề tài nghiên cứu về quá trình sản xuất điện năng từ ánh sáng mặt trời và các ảnh hưởng bên ngoài tác động tới quá trình

Trong quá trình thực hiện báo cáo tốt nghiệp, em đã củng cố được những kiến thức đã được học và tiếp thu một số kiến thức và kinh nghiệm mới về một nguồn năng lượng mới Trên tất cả là em đã được học và rèn luyện được phương pháp làm việc, nghiên cứu một cách chủ động hơn, linh hoạt hơn và đặc biệt là phương pháp triển khai công việc Quá trình làm báo cáo đã giúp em hoàn thiện hơn về mọi mặt

puy hoaeh uhat trieh xah xuat lam hohg hghieu eho xa lam xc huyeh ba thuoe tihh thchh hoc gici doah 2019 2029puy hoaeh uhat trieh xah xuat lam hohg hghieu eho xa lam xc huyeh ba thuoe tihh thchh hoc gici doah 2019 2029puy hoaeh uhat trieh xah xuat lam hohg hghieu eho xa lam xc huyeh ba thuoe tihh thchh hoc gici doah 2019 2029puy hoaeh uhat trieh xah xuat lam hohg hghieu eho xa lam xc huyeh ba thuoe tihh thchh hoc gici doah 2019 2029802413069:51:32 PM9:51:32 PM802413069:51:32 PM9:51:32 PM802413069:51:32 PM9:51:32 PM

Trang 4

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian học tập và nghiên cứu chuyên ngành Kỹ thuật điện tại Khoa Công Nghệ Điện-Trường Đại học Công Nghiệp TP Hồ Chí Minh, được sự hướng dẫn và dạy dỗ nhiệt tình của các thầy cô trong khoa em đã hoàn thành tốt khóa luận tốt nghiệp của mình

Đặc biệt em xin gửi lời cám ơn tới giảng viên hướng dẫn TS.Bạch Thanh Quý người đã trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ tận tình em hoàn thành bài luận văn này Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô trong khoa Điện đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi nhất cho em hoàn thành quyển báo cáo tốt nghiệp này

Trong suốt quá trình làm đồ án, em đã cố gắng học hỏi tìm hiểu đề hoàn thành đề tài một cách tốt nhất, nhưng do kiến thức còn hạn chế nên bài làm của em sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Do vậy em kính mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô và các bạn để em có thể hoàn thiện đề tài của mình

Được sự giúp đỡ và hướng dẫn của thầy cô trong bộ môn Thiết bị điện khoa Điện Đặc biệt là sự hướng dẫn giúp đỡ và đóng góp của thầy Bạch Thanh Quý, trong quá trình làm báo cáo tốt nghiệp đã giúp em hoàn thành được báo cáo với đề tài

Em xin chân thành cảm ơn!

Trang 5

123docz.net - File bi loi xin lienhe: lethikim34079@hotmail.com

Trang 6

123docz.net - File bi loi xin lienhe: lethikim34079@hotmail.com

Trang 7

DANH MỤC HÌNH ẢNH, BẢNG BIỂU viii

Chương 1: Tổng quan về năng lượng mặt trời 1

1.1 Quang phổ mặt trời 1

1.1.1 Tỷ trọng khí quyển - Air Mass Ratio 3

1.2 Quỹ đạo của Trái Đất 4

1.2.1 Thiên độ δ - Solar Declination 5

1.2.2 Góc cao độ và góc phương vị 7

1.2.3 Góc cao độ β và góc phương vị ϕs 8

1.3 Số giờ nắng trong năm 9

1.3.1 Giờ mặt trời và giờ địa phương 9

Chương 2: Pin quang điện 16

2.1 Tế bào quang điện 16

2.1.1 Vật liệu 16

2.1.2 Đặc tính làm việc của pin mặt trời 22

2.1.3 Những yếu tố bên ngoài ảnh hưởng tới pin mặt trời 23

2.2 Cell, Module, Array 24

Trang 8

2.3.2 Đặc tính cho tải động cơ DC 30

2.3.3 Hệ thống PV độc lập 32

2.3.4 Một số hệ thống SPV 34

2.4 Ảnh hưởng của hiệu ứng bóng che 35

2.4.1 Ảnh hưởng của hiệu ứng bóng che lên hệ thống PV 35

2.4.2 Dùng điốt bypass làm giảm ảnh hưởng của hiệu ứng bóng che 38

Chương 3: Bộ thí nghiệm năng lượng mặt trời 41

3.1 Giới thiệu về bộ thí nghiệm 41

Chương 4: Tiến hành thí nghiệm 48

Thí nghiệm 1: Thí nghiệm kiểm tra sự chuyển đổi năng lượng của tấm pin 48

Thí nghiệm 2: Đo điện áp không tải của tấm pin Mặt trời khi bị bóng che 49

Thí nghiệm 3: Đo dòng điện ngắn mạch của tấm pin Mặt trời khi bị bóng che 51

Thí nghiệm 4: Giá trị dòng ngắn mạch với góc nghiêng khác nhau 53

Thí nghiệm 5: Đo các giá trị của tấm pin mắc nối tiếp khi có bóng che 55

Thí nghiệm 6: Đo các giá trị của tấm pin mắc song song khi có bóng che 58

Thí nghiệm 7: Đo dòng điện và điện áp của hệ thống với tải điện trở 61

Thí nghiệm 8: Đo điểm công suất cực đại của hệ thống pin mặt trời 63

Thí nghiệm 9: Đo dòng điện ngắn mạch với các góc bức xạ khác nhau 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

Trang 9

Hình 1.10: Vị trí Mặt Trời theo góc cao độ và phương vị 8

Hình 1.11: Chênh lệch giữa giờ mặt trời và giờ địa phương vào một số ngày trong năm 9

Hình 1.12: Các hướng của bức xạ đến tấm thu 10

Hình 1.13: Góc tới của tia sáng từ Mặt Trời 11

Hình 1.14: Góc phương vị của tấm thu 12

Hình 1.15: Bức xạ của ánh sáng Mặt Trời 12

Hình 1.16: Lượng bức xạ khuếch tán trên một tấm thu 13

Hình 1.17: Sự phản xạ của ánh sáng trên mặt đất 13

Hình 1.18: Hệ thống 1 trục xoay 14

Hình 1.19: Tác động của góc giờ H tới bộ thu 15

Hình 2.1: Một tấm cell pin mặt trời 16

Hình 2.2: Cấu tạo của pin mặt trời 17

Hình 2.3: Dải năng lượng của kim loại và chất bán dẫn 18

Hình 2.4: Quá trình kết hợp của cặp hole – electron 18

Hình 2.5: Các cặp lỗ trống – electron liên kết với nhau 19

Hình 2.6: Mức năng lượng của các chất bán dẫn 20

Hình 2.7: Silic hoá trị IV kết hợp với nguyên tố hoá trị V 20

Hình 2.8: Silic hóa trị IV kết hợp với nguyên tố hóa trị III 21

Trang 10

Hình 2.9: Lớp chuyển tiếp p-n 21

Hình 2.10: Sơ đồ tương đương của pin mặt trời 22

Hình 2.11: Đặc tuyến làm việc I-V của pin mặt trời 22

Hình 2.12: Sự phụ thuộc của đặc tính I –V trong pin mặt trời vào cường độ bức xạ mặt trời 24

Hình 2.13: Sự phụ thuộc của đặc tính I – V vào nhiệt độ môi trường 24

Hình 2.14: Photovoltaic cells, Module, Array 25

Hình 2.15: Đặc tuyến I –V của pin mặt trời theo từng cell 25

Hình 2.16: Các module được ghép nối tiếp với nhau 26

Hình 2.17: Các module được ghép song song với nhau 27

Hình 2.18: Ghép nối hỗn hợp các module 27

Hình 2.19: Hệ thống PV làm việc độc lập 28

Hình 2.20: Hệ thống PV nối lưới đơn giản 28

Hình 2.21: Điểm vận hành của tải và hệ thống PV 29

Hình 2.22: Điểm làm việc của module tải trở 29

Hình 2.23: Sự thay đổi của điểm vận hành theo từng giá trị 30

Hình 2.24: Mô hình điện của nam châm vĩnh cửu DC 30

Hình 2.25: Đặc tính điện của động cơ DC nam châm vĩnh cửu 31

Hình 2.26: Đặc tuyến làm việc của động cơ DC 31

Hình 2.27: Đặc tuyến I –V của pin mặt trời theo từng cell 32

Hình 2.28: Hệ thống điện mặt trời đơn giản 33

Hình 2.29: Hệ thống gồm SPV và tải DC 34

Hình 2.30: Hệ thống SPV+ tải DC+ bộ điều khiển Electronic controller 34

Hình 2.31: Hệ thống gồm SPV, tải DC và tải AC 35

Hình 2.32: Hệ thống SPV+ tải DC+ bình Acquy+ ECC 35

Hình 2.33: Mạch tương đương của một tế bào quang điện 36

Hình 2.34: Ảnh hưởng của bóng che tới đặc tuyến I –V 37

Hình 2.35: Đặc tuyến I – V theo từng thời điểm bóng che 38

Hình 2.36: Điện áp ra của tấm pin khi bị che bóng và khi được chiếu sáng 38

Hình 2.37: Tấm pin có mắc thêm điốt Bypass 39Hình 2.38: Ảnh hưởng của điốt bypass lên tấm pin khi bị bóng che 40

Trang 11

Hình 2.39: Dòng và điện áp ra của chuỗi module nối tiếp 40

Hình 3.1: Bộ thí nghiệm năng lượng mặt trời 41

Hình 4.1: Thí nghiệm với tấm pin mặt trời 48

Hình 4.2: Sơ đồ đấu dây thí nghiệm hoạt động của tấm pin 48

Hình 4.3: Thí nghiệm điện áp không tải 49

Hình 4.4: Sơ đồ đấu dây thí nghiệm đo điện áp không tải với bóng ce 50

Hình 4.5: Đồ thị thể hiện giá trị điện áp không tải 51

Hình 4.6: Sơ đồ nguyên lý thí nghiệm ngắn mạch 51

Hình 4.7: Sơ đồ đấu dây thí nghiệm ngắn mạch 52

Hình 4.8: Biểu đồ thể hiện giá trị dòng điện 53

Hình 4.9: Sơ đồ thí nghiệm đo dòng ngắn mạch với các góc nghiêng khác

nhau 53

Hình 4.10: Sơ đồ đấu dây thí nghiệm dòng ngắn mạch với các góc nghiêng khác nhau 54

Hình 4.11: Dòng ngắn mạch tại các góc nghiêng khác nhau 55

Hình 4.12: Thí nghiệm với các tấm pin ghép nối tiếp 56

Hình 4.13: Sơ đồ đấu dây thí nghiệm đo điện áp và dòng điện trong ghép nối tiếp 56

Hình 4.14: Thí nghiệm với các tấm pin ghép song song 58

Trang 12

Hình 4.15: Sơ đồ đấu dây thí nghiệm đo điện áp và dòng điện trong ghép song

song 59

Hình 4.16: Thí nghiệm đo giá trị điện áp với tải trở 61

Hình 4.17: Sơ đồ đấu dây thí nghiệm đo điện áp và dòng điện với tải trở 61

Hình 4.18: Biểu đồ dòng và điện áp của tấm pin tại các giá trị khác nhau 62

Hình 4.19: Thí nghiệm đo điểm công suất làm việc cực đại 63

Hình 4.20: Sơ đồ đấu dây thí nghiệm đo điểm công suất cực đại với tải trở 64

Hình 4.21: Biểu đồ thê hiện điểm công suất cực đại MPP 65

Hình 4.22: Thí nghiệm đo dòng ngắn mạch tại các góc bức xạ khác nhau 65

Hình 4.23: Sơ đồ đấu dây thí nghiệm đo dòng điện với góc bức xạ khác nhau 66Hình 4.24: Biểu đồ giá trị dòng điện tại các góc khác nhau 66

Bảng 4.1: Giá trị điện áp không tải 50

Bảng 4.2: Giá trị dòng ngắn mạch 52

Bảng 4.3: Giá trị dòng ngắn mạch tại các góc bức xạ 54

Bảng 4.4: Giá trị điện áp và dòng điện tại từng tấm pin 57

Bảng 4.5: Giá trị điện áp và dòng điện tại các cell pin ghép nối tiếp 57

Bảng 4.6: Giá trị điện áp và dòng điện khi bị bóng che 57

Bảng 4.7: Giá trị điện áp và dòng điện tại các tấm pin 59

Bảng 4.8: Giá trị điện áp và dòng điện khi ghép song song các tấm pin 60

Bảng 4.9: Giá trị điện áp và dòng điện khi bị bóng che 60

Bảng 4.10: Giá trị điện áp và dòng điện với bức xạ ở mức 10 62

Bảng 4.11: Giá trị điện áp và dòng điện với bức xạ ở mức 8 62

Bảng 4.12: Giá trị công suất tính toán 64

Bảng 4.13: Giá trị dòng điện đo được 66

Trang 13

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

1.1 Quang phổ mặt trời Mặt trời:

Có đường kính 1.4 triệu km

Tổng công suất bức xạ điện từ vào không gian là 3.8 x 1020 MW

Vật thể đen:

Là vật thể vừa hấp thụ hoàn toàn, vừa bức xạ hoàn hảo

Bức xạ hoàn hảo – phát xạ lượng năng lượng trên mỗi đơn vị diện tích nhiều hơn bất kỳ một vật thể thực ở cùng nhiệt độ

Hấp thụ hoàn toàn – hấp thụ tất cả bức xạ, hoàn toàn không có phản xạ

Định luật Plank:

Bước sóng phát xạ từ vật thể đen phụ thuộc vào nhiệt độ của nó: 𝐸𝜆 = 3.74 ×108

𝜆5 [𝑒𝑥𝑝(14400𝜆𝑇 )−1] (1.1) λ = bước sóng (μm)

Eλ công suất phát xạ trên mỗi đơn vị diện tích của vật thể đen (W/m2-μm) T = nhiệt độ tuyệt đối (K)

Trang 14

Hình 1.2: Phát xạ quang phổ của một vật thể đen 288K

Trang 15

E = A𝜎𝑇4 (1.2) E = tổng mức phát xạ của vật thể đen (W)

σ = hằng số Stefan-Boltzmann = 5.67x10-8 W/m2-K4 T = nhiệt độ tuyệt đối (K)

A = tổng diện tích bề mặt của vật thể đen (m2)

Quy tắc Wien:

Bước sóng mà công suất bức xạ trên mỗi đơn vị diện tích lớn nhất là: λmax(μm) = 2898

T (K) (1.3) T = nhiệt độ tuyệt đối (K)

λ = bước sóng (μm)

λmax =0.5 μm cho mặt trời, T = 5800 K

λmax = 10.1 μm với trái đất (một vật đen), T = 288 K

1.1.1 Tỷ trọng khí quyển - Air Mass Ratio

Khi tia sáng băng qua bầu khí quyển, lượng năng lượng đến được bề mặt trái đất sẽ bị suy giảm

h1 = chiều dài đường đi qua khí quyển với ánh nắng mặt trời ngay trên đỉnh đầu

h2 = chiều dài đường đi qua bầu khí quyển để đến bề mặt trái đất

Trang 16

β = góc cao độ của mặt trời

Air Mass ratio bằng 1 đồng nghĩa với mặt trời ngay trên đỉnh đầu (m=1) AM0 ở bên ngoài bầu khí quyển

AM1.5 là trị trung bình trên bề mặt trái đất (m=1.5)

1.2 Quỹ đạo của Trái Đất

Trái Đất quay 1 vòng xung quanh Mặt Trời mất 365.25 ngày theo quỹ đạo hình elip

Khoảng cách từ Trái Đất đến mặt trời:

d = 1.5 × 108 {1 + 0.017 𝑠𝑖𝑛 [360(𝑛−93)

365 ]} km (1.4)

n = số ngày (bắt đầu từ ngày 1.1)

d (km) thay đổi từ 147×106 km vào ngày 2.1 đến

152×106 km vào ngày 3.7 (tương ứng với mùa đông và mùa hè) Đơn vị góc tính bằng độ

Trong một ngày, trái đất quay 360,99˚

Quỹ đạo trái đất quay còn gọi là mặt phẳng hoàng đạo Trái đất quay quanh một trục nghiên 23.45˚

Ngày và đêm dài bằng nhau vào ngày 21.3 và 21.9 (Xuân phân và Thu phân)

Đông chí là ngày mà Bắc cực xa mặt trời nhất

Hình 1.4: Vị trí của Mặt Trời và Trái Đất trong năm

Trang 17

1.2.1 Thiên độ δ - Solar Declination

Thiên độ δ – là góc hợp bởi mặt phẳng xích đạo với đường thẳng nối tâm mặt trời và tâm trái đất (δ<0 khi mặt trời ở bán cầu Nam)

δ biến thiên trong khoảng +/- 23.45˚

Là một hàm của hình sin tính theo ngày, bắt đầu từ ngày Xuân phân (n=81) tính cho cả năm 365 ngày

𝛿 = 23.45 sin [360

365(𝑛 − 81)] (1.5)

Góc thu giữa trưa:

Giữa trưa – khi mặt trời chiếu thẳng theo đường kinh tuyến

Phía Bắc bán cầu – mặt phẳng thu sẽ nghiêng một góc bằng đúng với vĩ độ vào thời điểm Xuân phân

Vào giữa trưa, tia nắng vuông góc với tấm thu L < 0 ở bán cầu Nam

Trang 18

Cao độ giữa trưa βN - Altitude Angle:

Góc cao độ giữa trưa là góc giữa tia nắng mặt trời với mặt phẳng trái đất 𝛽𝑁 = 90° − 𝐿 + 𝛿 (1.6)

Zenith – trục hướng tâm, vuông góc với mặt phẳng trái đất (hay đường chân trời)

Hình 1.6: Hướng chiếu của ánh sáng Mặt Trời tới Trái Đất

Trang 19

Góc nghiêng tấm pin mặt trời:

Để tia nắng mặt trời chiếu vuông góc với dàn pin mặt trời thì góc nghiêng bằng:α = 90° − 𝛽𝑁= 90° − 49.6° = 41.4° (1.7)

Ví dụ: 𝛽𝑁 = 49.6°

1.2.2 Góc cao độ và góc phương vị Vị trí mặt trời trong ngày:

Vị trí mặt trời trong ngày được xác định theo góc cao độ β và góc phương vị ϕS β và ϕS phụ thuộc vào vĩ độ, ngày và giờ

Góc phương vị (ϕS):

Góc phương vị (ϕS) > 0 vào buổi sáng Góc phương vị (ϕS) < 0 vào buổi chiều Lấy giờ giữa trưa là chuẩn

Góc giờ H:

Là góc cần để trái đất quay cho đến khi mặt trời nằm ngay trên đường kinh độ mà bạn đang đứng

Hình 1.8: Góc nghiêng của tấm pin

Trang 20

Nếu xem trái đất quay một góc 15˚/giờ, thì:

Hình 1.10: Vị trí Mặt Trời theo góc cao độ và phương vị

Trang 21

Sin 𝛽 = cos L.cos δ.cos H + sin L.sin δ (1.9) Sin 𝛷𝑆 = cos δ.sin 𝐻

cos 𝛽 (1.10)

H = góc giờ (độ) (<0 vào buổi chiều) L = vĩ độ (độ) (<0 ở bán cầu Nam)

Kiểm tra góc phương vị nhỏ hơn hay lớn hơn 90˚ theo phương Nam:

Nếu Cos H ≥ tan δ

tan 𝐿 => |𝛷𝑆| ≤ 90° (1.11) Nếu Cos H ≤ tan δ

tan 𝐿 => |𝛷𝑆| > 90° (1.12)

1.3 Số giờ nắng trong năm

1.3.1 Giờ mặt trời và giờ địa phương

Giờ mặt trời (ST): mọi thứ được đo tương đối so với mặt trời giữa trưa (khi mặt trời nằm trên đường kinh độ)

Giờ địa phương (CT): giờ tính theo kinh độ

Khi trái đất di chuyển qua quỹ đạo của nó, sự khác biệt giữa một ngày 24 giờ và một ngày mặt trời thay đổi theo một biểu thức được gọi là phương trình của thời gian

E = 9.87sin2B −7.53cosB −1.5sinB (1.13) B = 360

364(𝑛 − 1) n: số ngày

Hình 1.11: Chênh lệch giữa giờ mặt trời và giờ địa phương vào một số ngày trong năm

Trang 22

Kết hợp việc điều chỉnh kinh độ và phương trình thời gian cho chúng ta mối quan hệ cuối cùng giữa thời gian đồng hồ tiêu chuẩn địa phương (CT) và thời gian mặt trời (ST):

Giờ mặt trời (ST) = Giờ địa phương (CT) + 4 𝑚𝑖𝑛

độ (kinh độ giờ Meridian – kinh độ địa phương)° + E (phút)

Bức xạ phản xạ (Reflected radiation) IRC – phản chiếu từ bền mặt phản xạ

Cường độ bức xạ ngoài khí quyển I0:

Tính toán cho ngày bầu trời quang đãng

I0 là công suất bức xạ qua một đơn vị diện tích bên ngoài bầu khí quyển

I0 phụ thuộc vào khoảng cách giữa trái đất và mặt trời (có thể ước định được theo từng ngày trong năm)

Hình 1.12: Các hướng của bức xạ đến tấm thu

Trang 23

Bỏ qua các vết đen của mặt trời, I0 có thể tính: I0 = SC [1 + 0.034cos (360n

365)] (W/m2) (1.14)

Hằng năm, chỉ gần một nửa I0 truyền tới được bề mặt trái đất dưới dạng bức xạ trực tiếp (IBC)

Khi trời quang, bức xạ trực tiếp có thể lên đến 70% I0

Có thể tính độ suy giảm cường độ bức xạ qua bầu khí quyển theo hàm mũ: 𝐼𝐵 = 𝐴𝑒−𝑘𝑚 (W/m2) (1.15)

𝐼𝐵 = cường độ bức xạ đến bề mặt trái đất A = thông lượng ngoài khí quyển

k = độ sâu quang học m = tỷ trọng khí quyển

Bức xạ trực tiếp IBC là hàm giữa của góc hợp bởi tia nắng và mặt phẳng thu: 𝐼𝐵𝐶 = 𝐼𝐵 𝑐𝑜𝑠𝜃 (W/m2) (1.19)

Hình 1.13: Góc tới của tia sáng từ Mặt Trời

Trang 24

Trang 25

Trang 26

Để đánh giá bức xạ tán xạ và tái phản xạ, chúng ta cần biết góc nghiêng của bộ thu

Trang 27

Như có thể thấy trong hình, trong khi trục quay có độ nghiêng bằng vĩ độ, trừ khi nó là mặt trời giữa trưa, chính bản thân bộ thu được nghiêng ở một góc lẻ so với mặt phẳng nằm ngang Độ nghiêng hiệu dụng, là góc giữa bộ thu và mặt phẳng ngang, được cho bởi:

Ʃ𝑒𝑓𝑓𝑒𝑐𝑡𝑖𝑣𝑒 = 90 − 𝛽 + 𝛿 (1.24)

Các công thức tính bức xạ:

IBC = IBcos δ (1.25) IDC = C IB[1+cos (90°−β+δ)

2 ] (1.26) IRC = ρ(IBH + IDH) [1−cos (90°−β+δ)

2 ] (1.27)

1.5.2 Hệ thống 2 trục xoay

IBC = IB (1.28) IDC = C IB[1+cos (90°−β)

2 ] (1.29) IRC = ρ(IBH+ IDH) [1−cos (90°−β)

2 ] (1.30)

Hình 1.19: Tác động của góc giờ H tới bộ thu

Trang 28

CHƯƠNG 2: PIN QUANG ĐIỆN

2.1 Tế bào quang điện 2.1.1 Vật liệu

Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện) là thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các diod p-n, dưới sự hiện diện của ánh sáng mặt trời có khả năng tạo ra dòng điện Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện

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 điện rất kém vì các điện tử bị giam giữ bởi liên kết mạng, không có điện tử tự do Khi bị ánh sáng hay nhiệt độ kích thích, các điện tử bị bứt ra khỏi liên kết, hay là các điện tử tích điện âm nhảy từ vùng hoá trị lên vùng dẫn và để lại một lỗ trống tích điện dương trong vùng hoá trị Lúc này chất bán dẫn mới dẫn điện

Pin quang điện sử dụng vật liệu bán dẫn để chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng Các pin quang điện thường được làm từ các chất bán dẫn như Si, Se, Ga, Te, Cd… Hiện nay pin quang được đang được sử dụng nhiều nhất chủ yếu được làm bằng các silic tinh thể Có 3 loại pin mặt trời làm từ tinh thể silic:

- Một tinh thể đơn hay tinh thể module Loại này thường đắt tiền do được cắt từ các thỏi hình ống, tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module - Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc từ silic nung chảy, sau đó được làm nguội và

làm rắn Loại pin này thường rẻ hơn loại đơn tinh thể, nhưng lại có hiệu suất kém hơn

Hình 2.1: Một tấm cell pin mặt trời

Trang 29

- 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 nhưng cũng là loại rẻ nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon

Về bản chất pin quang điện là một điốt bán dẫn bao gồm hai tấm pin bán dẫn loại P và loại N đặt sát cạnh nhau, khác ở chỗ là pin quang điện có diện tích bề mặt rộng và có lớp N cực mỏng để ánh sáng có thể truyền qua Trên bề mặt của pin quang điện có một lớp chống phản xạ vì khi chiếu ánh sáng vào pin mặt trời sẽ có một phần ánh sáng bị hấp thụ truyền qua lớp N và một phần ánh sáng sẽ bị phản xạ ngược lại còn một phần ánh sáng sẽ đến được lớp chuyển tiếp, nơi có các cặp electron và lỗ trống nằm trong điện trường của bề mặt giới hạn Với các bước sóng thích hợp sẽ truyền cho electron một năng lượng đủ lớn để thoát khỏi liên kết Khi thoát khỏi liên kết dưới tác dụng của điện trường electron 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 vào hai phần bán dẫn loại P và loại N 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 được hấp thụ

Hình 2.2: Cấu tạo của pin mặt trời

Trang 30

Mức năng lượng:

Ở nhiệt độ không tuyệt đối Silicon là chất cách điện hoàn hảo Không có các electron tự do di chuyển xung quanh như kim loại khi nhiệt độ tăng lên, một số electron sẽ được cung cấp đủ năng lượng để tự giải thoát khỏi hạt nhân của chúng hình

thành một dòng điện chạy quanh

Ở trong kim loại có một dải năng lượng trong dây dẫn, cho phép dòng điện dễ dàng di chuyển trong đó Trong chất bán dẫn, ở nhiệt độ không tuyệt đối thì không có

Hình 2.3: Dải năng lượng của kim loại và chất bán dẫn

Hình 2.4: Quá trình kết hợp của cặp hole – electron

Trang 31

electron tự do di chuyển ở trong dải băng, chất bán dẫn cách điện

Khi một photon có đủ năng lượng có thể tạo ra một cặp lỗ trống-electron như hình 2.4(a) Một electron có thể tái kết hợp với lỗ trống và giải phóng một photon của năng lượng hình 2.4(b).

Khi một lỗ trống được lấp đầy bởi một electron hóa trị gần đó, môt lỗ trống mới lại xuất hiện để di chuyển Do đó, các photon có đủ năng lượng để tạo ra một cặp lỗ trống – electron trong một chất bán dẫn Các photon được đặc trưng bởi bước sóng hoặc tần số của chúng cũng như năng lượng của chúng, chúng có mối liên hệ qua công thức sau:

C = λv (2.1)

c là tốc độ của ánh sáng (3×108 m/s) v là tần số (Hz)

Hình 2.5: Các cặp lỗ trống – electron liên kết với nhau

Trang 32

Mối nối P – N

zPin mặt trời là một bán dẫn gồm 2 lớp bán dẫn loại P và loại N kết nối với nhau Một solar cell được tiếp xúc với photon với năng lượng ở dải năng lượng, một cặp lỗ trống – electron được tạo thành Tuy nhiên, các electron đó có thể rơi ngược trở lại lỗ trống khiến cả hai điện tích đều biến mất

Để tăng độ dẫn điện cho Silicon, các nhà khoa học đã “tạp chất hóa” nó bằng cách kết hợp nó với các vật liệu khác Khi kết hợp Silicon với các vật liệu khác tạo ra được nhiều lỗ trống và electron

Hình 2.6: Mức năng lượng của các chất bán dẫn

Hình 2.7: Silic hoá trị IV kết hợp với nguyên tố hoá trị V

Trang 33

Để tạo ra lớp bán dẫn loại N, ta dùng Si có hóa trị IV kết hợp với một nguyên tố có hóa trị V như Phôtpho Khi đó các ion của 2 nguyên tử kết hợp với nhau, do P có hóa trị V nên còn một electron tự do bên ngoài Electron tự do tạo thành một lớp bao quanh bên ngoài lớp N

Để tạo ra lớp bán dẫn loại P, ta dùng Si có hóa trị IV kết hợp với một nguyên tố có hóa trị III Khi đó các ion của 2 nguyên tử kết hợp với nhau, do nguyên tố có hóa trị III nên khi 2 nguyên tử kết hợp có một lỗ trống tự do ở bên ngoài Các lỗ trống liên kết với nhau tạo nên một lớp mỏng trên bề mặt lớp P

Trang 34

Khi đường giao nhau giữa 2 bán dẫn p –n được hình thành, các lỗ trống ở lớp p di động về phía lớp n, còn các electron di động về phía lớp p Khi chúng xuyên qua mối giao nhau giữa 2 lớp p – n, trường điện tích tụ lại và phản ứng nhanh chóng

2.1.2 Đặc tính làm việc của pin mặt trời

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 Isc khi điện áp ra bằng 0

Công suất của pin được tính bằng công thức:

P = U×I (2.3)

Hình 2.11: Đặc tuyến làm việc I-V của pin mặt trời

Hình 2.10: Sơ đồ tương đương của pin mặt trời

Trang 35

Khi được chiếu sáng thì pin quang điện phát ra một dòng quang điện 𝐼𝑆𝐶 vì vậy pin mặt trời được xem như một nguồn dòng Lớp tiếp xúc p – n có tính chất chỉnh lưu tương đương một điốt Tuy nhiên khi phân cực ngược, do diện tích tiếp xúc có giới hạn nên cũng có một dòng điện rò qua nó Đặc trưng cho dòng điện rò qua lớp tiếp súc p – n là điện trở 𝑅𝑆𝐻

Dòng quang điện chạy trong mạch phải qua lớp bán dẫn p, n và các điện cực, các tiếp xúc… Đăc trưng cho tổng các điện trở của các lớp đó là điện trở 𝑅𝑆 mắc nối tiếp trong mạch

Từ sơ đồ tương đương, ta có phương trình đặc trưng V-I của pin mặt trời như sau:

2.1.3 Những yếu tố bên ngoài ảnh hưởng tới pin mặt trời

Khí hậu thời tiết ảnh hưởng rất lớn đối với hoạt động của pin mặt trời Trong đó nhiệt độ và cường độ ánh sáng là những yếu tố tiêu biểu ảnh hưởng mạnh nhất tới đặc tính I – V của pin mặt trời dẫn tới thay đổi về điểm làm việc có công suất lớn nhất MPP của pin mặt trời

Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng:

Dòng ngắn mạch 𝐼𝑆𝐶 tỉ lệ thuận với cường độ bức xạ chiếu sáng Cường độ bức xạ càng lớn thì dòng ngắn mạch 𝐼𝑆𝐶 càng lớn và ngược lại Do dòng điện và điện áp tăng dẫn tới công suất hoạt động của pin cũng tăng, điểm công suất cực đại MPP tăng

lên di chuyển về phía trên khi cường độ bức xạ chiếu sáng tăng lên

Trang 36

Ảnh hưởng của nhiệt độ:

Khi nhiệt độ tăng thì điện áp hoạt động của pin mặt trời giảm mạnh, còn dòng điện thì tăng ít

Công suất của pin mặt trời giảm khi nhiệt độ tăng

2.2 Cell, Module, Array

Thành phần cơ bản của hệ thống PV là tế bào quang điện, hay còn gọi là tế bào năng lượng mặt trời Một Solar cell là một thiết bị bán dẫn có thể chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng thông qua “Hiệu ứng quang điện” (chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện)

Hình 2.12: Sự phụ thuộc của đặc tính I –V trong pin mặt trời vào cường độ bức xạ mặt trời

Hình 2.13: Sự phụ thuộc của đặc tính I – V vào nhiệt độ môi trường

Trang 37

Solar cell là phần tử nhỏ nhất cấu tạo thành pin mặt trời, các tế bào pin mặt trời ghép nối lại với nhau tạo thành 1 module Một module thường có 36 cell kết nối với nhau

Khi pin quang điện được kết nối theo chuỗi, tất cả đều có dòng điện bằng nhau và điện áp tại các solar cell liên kết với nhau là khác nhau

Hình 2.14: Photovoltaic cells, Module, Array

Hình 2.15: Đặc tuyến I –V của pin mặt trời theo từng cell

Trang 38

Với số lượng cell kết nối với nhau ta thu được giá trị điện áp tương ứng với số cell được liên kết với nhau Giá trị điện áp module:

Vmodule = n.(Vd – IRS) (2.5)

Để xây dựng một hệ thống có công suất lớn ta cần ghép các module lại với nhau tạo thành chuỗi Array Có hai cách ghép phổ biến đó là ghép nối tiếp và ghép song song Các module có thể được ghép nối tiếp với nhau để tăng điện áp hoặc ghép song song với nhau để tăng dòng điện Yếu tố quan trọng trong việc thiết kế hệ thống PV là phải xác định được số lượng module cần để ghép nối tiếp nhau hay song song để cung cấp đủ công suất cần thiết

Với các module mắc nối tiếp, đường cong đặc tuyến I – V được thêm vào dọc theo trục điện áp Tức là, dòng điện qua các modele là bằng nhau còn điện áp chính là tổng điện áp của các module riêng lẻ cộng lại với nhau

Hình 2.16: Các module được ghép nối tiếp với nhau

Trang 39

Với các module mắc song song với nhau, thì điện áp rơi trên mỗi module là bằng nhau, dòng điện tổng là dòng qua các module cộng lại với nhau Tại một giá trị điện áp bất kỳ, đường cong đặc tuyến I – V trong ghép song song thể hiện giá trị dòng điện trên các module riêng lẻ tại giá trị điện áp đó

Khi cần năng suất cao, hệ thống được ghép nối hỗn hợp, có nghĩa là hệ thống được ghép nối tiếp và song song với nhau Tổng đường cong I – V trong hệ thống là tổng đường cong I –V của các module riêng lẻ

Hiện nay cách ghép hỗn hợp đang được áp dụng chủ yếu khi lắp đặt hệ thống điện năng lượng mặt trời Cách ghép nối hỗn hợp mang lại hiệu suất cao hơn đáp ứng nhu cầu đầu ra của hệ thống

Hình 2.17: Các module được ghép song song với nhau

Trang 40

2.3 Hệ thống PV

Hệ thống pin mặt trời (hệ PV – photovoltaic system) được chia thành 2 loại cơ bản:

- Hệ PV làm việc độc lập - Hệ PV làm việc nối lưới

Hệ PV độc lập thường được sử dụng ở ngững vùng xa xôi hẻo lánh, nơi mà lưới điện không kéo đến được

Với hệ PV làm việc nối lưới, mạng lưới pin mặt trời được mắc với lưới điện qua bọ biến đổi mà không cần bộ dự trữ năng lượng Trong hệ này, bộ biến đổi DC/AC làm việc với lưới phải đồng bộ với lưới điện về tần số và điện áp

Hình 2.19: Hệ thống PV làm việc độc lập

Hình 2.20: Hệ thống PV nối lưới đơn giản