etlsipltsiel' ielsyelllsipzlbsypalsypt EttsiprdtsaizUEopsltsipzEapaHngtsipzlESii als ats ea 1 al mS T mai aS eise'se! Sea eS .srpellenpeltspd<ip»lqpzlHsnpetsiz3zgeitSipdtsiyzltsaeltSqpvtsigzUtspzlEqpltsipalts TElSiffSirZfSifeftsipeltsiipc1sipcisiiztfsiicttsiittSipzttsipztSsrztSipztfsipaftsip SỞ” TRUONG DAIHOCVINH Sã Ệ KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THƠNG tị ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Dé tai:
NGUYEN CUU, THIET KE, CHE TAO BO BIEN DOI
NANG LUONG MAT TRỜI THÀNH NĂNG LƯỢNG ĐIỆN PHỤC VỤ CHIÉU SÁNG GIA ĐÌNH (Gea eds AS Sed oe ee SSeS eS 2S AS Se ae a eS eee
Trang 2BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HỊA XÃ HƠI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TĨT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: Bùi Đức Chung Số hiệu sinh viên: 0751080428
Ngành: Điện tử - Viễn thơng Khố: 49
1 Đâu đề đỗ án:
2 Các số liệu và đữ liệu ban đẫu:
Họ tên giảng viên hướng dan:
1 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: / /20
2 Ngày hồn thành đồ án:
tháng năm 2013
TRƯỞNG BỘ MƠN NGƯỜI HƯỚNG DẪN
Sinh viên đã hồn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày tháng năm 2013
Trang 3BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
BẢN NHẬN XÉT ĐƠ ÁN TĨT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: Bùi Đức Chung Số hiệu sinh viên: 0751080428
Ngành: Điện tử - Viễn thơng Khố: 49
Trang 4MỤC LỤC
Trang
LỜI NĨI ĐẦU 5552-222252t222221E 2222 2.1 21 re i TOM TAT DE TAL ceccssssssssssssssesssssssesssssssesessnniseesnnisssesnnesseesnieeseessnneesensnieesesaneeces ii
DANH > MUC CAC BANG vrcccsessessessessessessessessssessesssssussussussusssssussassussseesesseeseeavese Hi DANH MUC HINH VE cocccccsscsssessessessessessessessessecsessecssssussussussussussassassseesesseeseesvese iv CHUONG I TONG QUAN VE NANG LUONG MAT TRỊI 1
1.1 Mat troi va nguồn i00 0117777 1 1.2 Tiềm năng năng lượng mặt trời Việt Nam . -2- ce©cscxscr+ 3 1.3 Ưu điểm và nhược điểm của điện năng lượng mặt trời - - 5
E6 5 1.3.2 Nhược điểm ccccccthHEHHnHHHH Hee 6
1.4 Ứng dụng năng lượng mặt trời để sản xuất điện ở Việt Nam 6
CHUONG II CAC THANH PHAN CO BAN CUA HE THONG BIEN
DOI NANG LUONG MAT TROI THANH NĂNG LƯỢNG ĐIỆN 6 2.1 Pin năng lượng mặt tTỜI - - 6 + xxx vn HH nh nh Hàn 7
2.1.1, CẤu tẠO cv tt nh re 7
2.1.2 Sơ đồ tương đương của pin mặt trời ¿©cs-cceccsr+ 14 VI N6 0 nh ẽ ẽ a44 ƠỎ 21 2.1.4 Điểm cơng suất cực đại MPP (max power poin†) 22
2.1.5 Hệ số lắp đầy và hiệu suất của pin mặt trời ¿2 szcse++ 24
2.1.6 Khảo sát đặc tính pin mặt trời ở điều kiện lý tưởng 24
2.2 Bộ chuyên đổi DC-AC (Inverter) - 2 5+ ©cs+£+2EE2EEvEEz+rkrzreerre 27
2.3 Batery (Ác-duy)_ cc-ccs Sk 2E 2112112211011 211 01112111211 111 01111111 te 31
2.3.1 Giới thiệu chung về AC QUY eccecceeccessesssesssesseessesseessecsssssesssecssessecssees 31
2.3.2 Cấu ta0 CUA AC-QUY o ceecesccssesssesssesssessesssesssssseessecseessecsssssesssecssessecesees 32 2.3.3 Phân loại và nguyên lý hoạt động của ắc quy -2- ¿+ 32 2.3.4 Một số đặc tính của ắc QUY 2G SH HH nhiệt 35 2.3.4 So sánh hai loại ắc quy thơng dụng . 2-2252 ©cs+cxzczscrx 37
CHUONG III THIET KE, THI CONG HE THONG BIEN DOI NANG
Trang 53.1 Phương pháp thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời - 40 3.2 Thiết kế bộ chuyển đổi DC-AC cơng suất 600W -ccccccccez 43 3.3 Mạch sạc ắc quy -:-©2+2++22k22122112711211221121121111121111111 11121 12 54 3.3.1 So dd nguyén ly oocceccccccsssesssessesssesssessesssesssessesssecsusssesssesssessesssessesesess 54
3.3.2 Các linh kiện chính dùng trong mạch -s<+<<++s+ 55
3.4 Kết quả thực WiGN ooeceeccececcscsssssssesssssssssessssesssssessssssessseessseseessecsueesessseese 56
Trang 6LỜI NĨI ĐẦU
Việc sử dụng năng lượng đã đánh dấu một mốc rất quan trọng trong sự phát triển của khoa học kỹ thuật Từ đĩ đến nay, năng lượng được sự dụng ngày càng nhiều, nhất là trong những thập niên gần đây Trong cơ cấu năng lượng hiện nay, nguồn năng lượng chủ yếu than đá, dầu mỏ, khí tự nhiên Tiếp đĩ là nguồn năng lượng nước thủy điện, năng lượng hạt nhân, năng lượng sinh khối (bio.gas, .) năng
lượng mặt trời, năng lượng giĩ chỉ chiếm một phần khiêm tốn
Nhu cầu ngồn năng lượng phục vụ con người ngày càng cao Tuy nhiên, năng lượng hĩa thạch, năng lượng khơng tái sinh ngày càng kiệt, ảnh hưởng xấu đến sự phát triển kinh tế xã hội và mơi trường sống Việc tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế là nhiệm vụ cấp bách Nguồn năng lượng thay thế đĩ cần thân thiện
với mơi trường, chỉ phí thấp, cĩ thể tái sinh, và dé str dung
Từ lâu, lồi người đã sử dụng năng lượng mặt trời Nguồn năng lượng hầu như vơ tận, đáp ứng hầu hết các tiêu chí nêu trên Nhiều cơng trình nghiêng cứu đã được thực hiện, năng lượng mặt trời khơng chỉ là năng lượng của tương lai mà cịn là năng lượng
của hiện tại Do đĩ em đã lựa chọn đề tài “Nguyên cứu, thiết kế, chế tạo bộ biến đổi
năng lượng mặt trời thành năng lượng điện phục vụ chiếu sáng gia đình” Đồ án này trình bày tổng quan về hệ thống biến đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện
Đồ án gồm 3 chương với nội dung sau: Chương 1 Tổng quan về năng lượng mặt trời
Chương 2 Các thành phần của hệ thống biến đổi năng lượng mặt trời thành
năng lượng điện
Chương 3 Thiết kế, chế tạo bộ biến đổi năng lượng mặt trời thành năng
lượng điện phục vụ chiếu sáng gia đình
Do thời gian cĩ hạn, kinh nghiệm, kiến thức bản thân cịn hạn chế nên đồ án
khơng tránh khỏi những thiếu sĩt, em mong được sự gĩp ý của thầy cơ và các bạn đề đồ án được hồn thiện hơn
Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến ThS Tạ Hùng Cường và các thầy cơ
đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em hồn thành đồ án này
Sinh viên thực hiện
Trang 7TOM TAT DE TAI
Đồ án đã trình bày tổng quan về hệ thống biến đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện, cũng như trình bày tổng quan về các thành phần trong hệ
thống biến đổi năng lượng hiện nay, từ đĩ tính tốn thiết kế thi cơng bộ biến đổi
năng lượng mặt trời thành điện năng phục vụ chiếu sáng
ABSTRACT
Thesis presents about overview of solar conversion system to electrical
energy, as well as presents about overview of elements in electrical energy conversion system at the moment From this basis, we calculate, execute solar conversion system to electrical energy for home lighting
Trang 8Bang 2.1: Bang 2.2: Bang 2.3: Bang 2.4: Bang 3.1: Bang 3.2: Bang 3.3: Bang 3.4: Bang 4.1: Bang 4.2: Bang 4.3: Bang 4.4: Bang 4.5:
DANH MUC CAC BANG
Các thành phần trong hệ théng bién déi năng lượng mặt trời thành
năng lượng điện
Sự phụ thuộc dung lượng vào mức điện áp «+ <<+ 36
Dung lượng của ắc quy phụ thuộc vào cường độ dịng phĩng 37
So sánh ắc quy axít kiểu hở và ắc quy axít kiểu kín khí 38
Thơng số, điều kiện hoạt động của trasistor H1061 - 49
Bảng thơng số, điều kiện hoạt động trasistor 2SC5200 -.- 51
Thong sé hoat dng ctta IC LM317 o.eeescesseessesssesssesseesseeseessesssssssesseessees 55 Thơng số hoạt động của trasistor BO88 .cccssecssesssesssecsesssesssessseeseessees 56 Thống kê cường độ bức xạ năm 2011 của thành phố Buơn Mê Thuột 62
Thống kê cường độ bức xạ năm 2011 của thành phố Đà Nẵng 63
Thống kê cường độ bức xạ năm 201! của thành phố Hà Nội 64
Thống kê cường độ bức xạ năm 201 1 của thành phố Hồ Chí Minh 65
Thống kê cường độ bức xạ năm 201 1 của thành phố Huẽ 66
Trang 9Hình 1.1: Hình 1.2: Hình 2.1: Hình 2.2: Hình 2.3: Hình 2.4: Hình 2.5: Hình 2.6: Hình 2.7: Hình 2.8: Hình 2.9: Hình 2.10: Hình 2.11: Hình 2.12: Hình 2.13: Hình 2.14: Hình 2.15: Hình 2.16: Hình 2.17: Hình 2.18: Hình 2.19: Hình 2.20: Hình 2.21: Hình 2.22: Hình 2.23: Hình 2.24: Hình 2.25: DANH MỤC HÌNH VẼ Cấu trúc mặt trời Dải bức xạ điện từ
Các thành phần của một hệ thống điện năng lượng mặt trời 7
Cấu tạo của pin năng lượng mặt trỜi -. 555 Š5<S+csxcse+ 7 Các loại cấu trúc tinh thể của pin mặt trỜI -.- «<cc<cc+xe+ 8 Cấu tạo tỉnh thể silic cc 22ccccrrrrrkerrrrrrrirrrrrrrrrrrrrree 9 Cấu tạo tỉnh thé silic pha tạp Buron 2- 5¿©cs2ccescsecxs 10 Cấu tạo tỉnh thé silic pha tạp photpho -¿-22cce+cszcx+ 10 Quá trình tạo một pin mặt trời .- - 6 +5 + x£+x++xxeEeeeereeeeree 10 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời - -«++c<<<<+ 11 Hé thong 2 mire nang wong trong dé El < E2 wees 11 Các vùng năng ÏƯỢng - c1 k9 TH nh ng nh ng 12 Hiện tượng quang điện xảy ra trên lớp tiếp xúc p-n 13
Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời - «5+ 14 Sơ đồ tương đương của pin mặt trời -2-©cz+cxccxzvexcee 15 Sơ đồ tương đương của pin mặt trời gồm một nguồn dịng mắc song song với một diode lý tưởng - «+ ScsSc*+xsecsveeexes 15 Dong ngan MACH ͧc 5-6 2c 2221315113121 11 1E 2E EEkerreerreeee 16 Dịng hở mạch Ïsc «<6 1S SE nh rệt 16 Đồ thị V-A của pin mặt trời ¿-5-©ccccxeccxccrerrkeerseree 17 Đồ thị V-A của ví dụ .ccccerrriirrrrrrririrrrrriirerrree 17 Sơ đồ tương đương đơn giản với Rsh mắc song song 18
Đồ thị V-A của sơ đồ tương đương cĩ Rạ; mắc song song 18
Sơ đồ tương đương đơn giản với Rs mắc nối tiếp - 19
Đồ thị V - A của mạch điện tương đương cĩ R¿ mắc nối tiếp 19
Sơ đồ tương đương gồm R„¡ và R¿_ 2-22-5c2cccccrrrccee 20 Đồ thị V - A của sơ đồ tương đương trên với R;ụ = 1O, R¿ = 0,05 20 Mắc nối tiếp hoặc song song các pin mặt trời -e©cszcs+ 21
Trang 10Hình 2.26: Hình 2.27: Hình 2.28: Hình 2.29: Hình 2.30: Hình 2.31: Hình 2.32: Hình 2.33: Hình 2.34: Hình 2.35: Hình 2.36: Hình 2.37: Hình 2.38: Hình 2.39: Hình 2.40: Hình 2.41: Hình 2.42: Hình 2.43: Hình 2.44: Hình 2.45: Hình 2.46: Hình 2.47: Hình 2.48: Hình 2.49: Hình 2.50: Hình 3.1: Hình 3.2: Hình 3.3: Hình 3.4: Hình 3.5: Hình 3.6:
Đồ thị V - A của một tắm pin mặt trời -2- ¿+ ©ce+cxecrsrre 21 Tắm pin mặt trời - 2-2 + s9SkSEEEEE9211221211711111.111212 E121 tr 21
Mắc nối tiếp các tắm pin mặt trời -2:©++2c2z2cxrerxrrrrxrrrrree 22
Mắc song song các tắm pin mặt trời - c:cccccccxeccsee+ 2 Các giá trị chuẩn của một tắm pin mặt trời trong điều kiện chuẩn 22 Đồ thị V - A và đồ thị cơng suất của pin mặt trời - 23 Xác định điểm MPP 23 Đặc tuyến V-A của pin mặt trời
Đường đặc tuyến V-A, cơng suất và điểm cực đại cơng suất MPP Đồ thị V - A với sự thay đổi của cường độ ánh sáng
Đặc tuyến V - A dưới sự thay đổi của nhiệt độ
Đồ thị V - A khi mắc nối tiếp các pin lại với nhau
Đồ thị V - A khi các pin được mắc song song
Mạch Inverter dùng cơng NAND IC SN7400
Mach Inverter dung 2N3055
Mach Inverter str dung dao động đơn - s6 «+ sseseeseee 29 Sơ đồ mạch cầu HH . + t+E2ESEE2EEE191111E2121115E11121 11212 txe, 29 Dạng sĩng đầu ra - 2-52 SE SE 2E2E1221127112212211212 E121 tr 30 Một số loại ắc quy ©2c2cc2ck 2 22k 31 9i 1) 08 8Ẻ 6 4 32 Mơ phỏng bản cực ắc quy a-xÍt 5: ©522cc22cckSrkSrkrkrerkeerrrre 33 Các trạng thái hĩa học trong các quá trình phĩng - nạp 33 Các bản cực của ắc quy được gắn song song nhau 34 Bố trí các ngăn ắc quy . -©:¿cse+Ek22E2EE2E12711211.11121E 211.1 ce 35 Sự phụ thuộc dung lượng vào mức điện áp -‹ 35 Ngơi nhà sử dụng năng lượng mặt trỜI 5555 ++<+++see++ 40 Sơ đồ khối MACH ITIV€FẨ€T - 2G 2 6322613231 1128 1118111811151 1x2 43 Sơ đồ nguyên lý mạch chuyền đổi -¿©225522c<c++ 44
Sơ đồ chân IC CD4047 -22-©222222+22E22231222112221222112211 221222 45
Sơ đồ khối bên trong IC_CD4047 2- 2+ +2+2E2+ES2Esrxerrerre 46
Trang 11Hình 3.7: Hình 3.8: Hình 3.9: Hình 3.10: Hình 3.11: Hình 3.12: Hình 3.13: Hình 3.14: Hình 3.15: Hình 3.16: Hình 3.17: Hình 3.18: Hình 3.19: Hình 3.20: Hình 3.21: Hình 3.22: Hình 3.23: Sơ đồ chân IC LM358 -222¿22222222Et22 E22 EEEErrrrrrrree 48 Anh thurc 90.0065 0n 4 48
Sơ đỗ phần tử khuếch đại thuật tốn - -c-cccxcccxcrzrcrs 49
Sơ đồ chân transistor H1061 -2¿- 222 ©2++22++22++z2zxrzrxrsrrrreres 50
Sơ đồ chân transistor 2SC5200 - + +k+Et+k£E+EEEEEEEEEEEEEerkerkrxee 51
Sơ đồ khối biến Ap thuOng o ceececcecccecsesssesssesseessesssessesssesssessesssecseessees 52 Hình dạng lõi thép Sơ đồ khối mạch sạc ắc quy Ảnh thực tế IC LM317 Ảnh thực tế transitor B688 Mach in
Mạch sau khi gắn linh kiện Bộ chuyên đổi DC-AC hoạt động
Kết quả đo điện áp pin năng lượng mặt trời
Kết quả đo điện áp đầu ra bộ chuyển đổi DC-AC
Do tan số địng điện đầu ra của bộ chuyển đổi DC-AC 58
Đo điện áp bộ sạc ắc b0) ƯỐơốƠỐƠỐ - 58
Trang 12CHUONG I TONG QUAN VE NANG LUONG MAT TROI
1.1 Mat troi va nguon bức xạ mặt trời
Mặt trời là một khối khí hình cầu cĩ đường kính 1,390.106km (lớn hơn 110 lần đường kính trái đất), cách xa trái đất 150.106km Khối lượng mặt trời khoảng Mẹ =2.10°°kg Nhiệt độ Tụ ở trung tâm mặt trời thay đổi trong khoảng từ 10.10%K
đến 20.105K, trung bình khoảng 15,6.10%K Ở nhiệt độ này vật chất khơng thẻ giữ được cấu trúc trật tự thơng thường gồm các nguyên tử và phân tử Nĩ trở thành plasma trong đĩ các hạt nhân của nguyên tử chuyển động tách biệt với các electron Khi các hạt nhân tự do cĩ va chạm với nhau sẽ tạo ra những vụ nỗ nhiệt hạch Khi quan sát tính chất của vật chất nguội hơn trên bề mặt nhìn thấy được của mặt trời, các nhà khoa học đã kết luận rằng cĩ phản ứng nhiệt hạch xảy ra ở trong
lịng mặt trời Mặt Trời khơng cĩ ranh giới rõ ràng như ở các hành tinh cĩ đất đá
Ngược lại, mật độ các khí giảm dần xuống theo quan hệ số mũ theo khoảng cách tính từ tâm Mặt Trời Bán kính của Mặt Trời được đo từ tâm tới phần rìa ngồi của
quang quyền
Hình 1.1: Cấu trúc mặt trời [9]
Về cấu trúc, mặt trời cĩ thể chia làm 4 vùng, tất cả hợp thành một
khối cầu khí khơng lồ Vùng giữa gọi là nhân cĩ những chuyển động đối lưu, nơi xảy ra những phản ứng nhiệt hạt nhân tạo nên nguồn năng lượng mặt trời, vùng này
cĩ bán kính khoảng 175.000km, khối lượng riêng 160kg/dmỶ, nhiệt độ ước tính từ
Trang 1314 đến 20 triệu độ, áp suất vào khoảng hàng trăm tỷ atmotphe Vùng kế tiếp là vùng
trung gian cịn gọi là vùng “đổi ngược” năng lượng truyền từ trong ra ngồi, vật chất ở vùng này gồm cĩ sắt (Fe), can xi (Ca), nát ri (Na), stronti (Sr), crơm (Cr), kền (Ni), cacbon ( C), silic (Si) và các khí như hiđrơ (H;), hêli (He), chiều đày vùng này khoảng 400.000km Tiếp theo là vùng “đối lưu” dày 125.000km và vùng “quang
cầu” cĩ nhiệt độ khoảng 6000K, dày 1000km, ở vùng này gồm các bọt khí sơi sục,
cĩ chỗ tạo ra các vết đen, là các hế xốy cĩ nhiệt độ thấp khoảng 4500K và các tai lửa cĩ nhiệt độ từ 7000K -10000K Vùng ngồi cùng là vùng bắt định và gọi là “khí quyên” của mặt trời [9]
Trong tồn bộ bức xạ của Mặt trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các phản ứng hạt nhân xảy ra trong Mặt trời khơng quá 3% Bức xạ y ban đầu khi đi qua 5.10
km chiều đài của lớp vật chất Mặt trời của biến đổi rất mạnh Tắt cả các dạng của bức
xạ điện từ đều cĩ bản chất sĩng và chỉ khác nhau ở bước sĩng Bức xạ y là sĩng ngắn nhất trong các sĩng đĩ, phát ra từ tâm Mặt trời Do sự va chạm hoặc tán xạ mà năng lượng của chúng giảm đi và chuyên thành bức xạ Rơnghen cĩ bước sĩng đài hơn độ dài bước sĩng tm 10exp-8 10exp 10 I 1 Bức xạ nhiệt
| Tia gammar fad ngoai | Radio, TV, Radar
Tiacosmic | TiaX , ,Tỉa hồng ngoại ;
Năng lượng mặt trời
{
Hình 1.2: Dai bức xạ điện từ
Đặc trưng của bức xạ Mặt trời truyền trong khơng gian bên ngồi Mặt trời là một phổ rộng trong đĩ cực đại của cường độ bức xạ nằm trong dải 10”-10um
nhưng một nửa tống năng lượng Mặt trời tập trung trong khoảng bước sĩng cửa số
nhìn thay 0,38 - 0,78 pm
Chùm tia truyền thắng từ Mặt trời gọi là bức xạ trực xạ Tống hợp các tia
trực xạ và tán xạ gọi là tổng xạ Mật độ dịng bức xạ trực xạ ở ngồi lớp khí quyền,
Trang 14Trong đĩ: @p.r: Hệ số gĩc bức xạ giữa Trái đất và Mặt trời
$pr =⁄4
B: Gĩc nhin mat troi=32’
Co = 5,67 W/m’K?: Hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối
T= 5762°K: Nhiệt độ bề mặt Mặt trời
=> q=l353W/m?
Do khoảng cách giửa Trái đất và Mặt trời thay đơi theo mùa trong năm nên 8 cũng thay đổi, do đĩ q cũng thay đổi nhưng độ thay đối khơng lớn nên cĩ thể xem q
là khơng đổi và được gọi là hằng số Mặt trời
Khi truyền qua lớp khí quyền bao bọc quanh Trái đất, các chùm tỉa bức xạ bị hấp thụ và tán xạ ở tầng ozon, hơi nước và bụi trong khí quyền, chỉ một phần năng lượng được truyền trực tiếp đến Trái đất Tồn bộ bức xạ tử ngoại được sử dụng để duy trì quá trình phân ly và hợp nhất của O, O; và O; đĩ là quá trình ổn định Do
đĩ, khi đi qua khí quyên, bức xạ tử ngoại biến đổi thành bức xạ với năng lượng nhỏ
hơn Bức xạ mặt trời khi đi qua khí quyên cịn bị sự hấp thụ của các phần tử hơi nước, khí cacbơnic và các hợp chất khác, mức độ của sự hấp thụ này phụ thuộc vào bước sĩng, mạnh nhất ở khoảng giữa vùng hồng ngoại của phố Phần năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt trái đất trong những ngày quang đãng (khơng cĩ mây) ở thời điểm cao nhất vào khoảng 1000W/m2
Ứng dụng của năng lượng mặt trời: Đối với cuộc sống của lồi người, năng lượng Mặt Trời là một nguồn năng lượng tái tạo quý báu Cĩ thể chuyển năng lượng các photon của Mặt Trời thành điện năng, như trong pin Mặt Trời Năng lượng của các photon cũng cĩ thể được hấp thụ để làm nĩng (chuyển thành nhiệt năng) sử dụng cho bình đun nước Mặt Trời, hoặc làm sơi nước trong các máy nhiệt điện của tháp Mặt Trời
1.2 Tiềm năng năng lượng mặt trời Việt Nam
Trong bối cảnh nhiên liệu hĩa thạch ngày càng cạn kiệt, giá dầu thế giới tăng
Trang 15thách thức lớn Như vậy, “việc xem xét khai thác nguồn năng lượng tái tạo sạch cĩ ý nghĩa hết sức quan trọng cả về kinh tế, xã hội, an ninh lượng thực và phát triển bền vững”, Thứ trưởng Bộ Cơng thương Nguyễn Nam Hải phát biểu trong một buổi hội thảo về các nguồn năng lượng mới, vừa được tổ chức tại Hà Nội Ơng cũng cho rằng “Việt Nam là nước cĩ nguồn tài nguyên tái tạo sạch khá dồi đào, cĩ khả năng thay thế các nguồn năng lượng hĩa thạch, giảm thiểu tác động tới mơi trường” [6]
Theo đánh giá của các chuyên gia, cùng với năng lượng giĩ, năng lượng mặt trời là 2 trong số các nguồn năng lượng tái tạo khả thi và cĩ nhiều tiềm năng khai thác, phát triển nhất của Việt Nam Số liệu điều tra tính tốn của ngành khí tượng thủy văn cho thấy, cường độ bức xạ mặt trời trung bình ngày trong năm ở khu vực
phía Bắc là 3,69 kWh/m” và ở phía Nam là 5,9 kWh/m” Tính trung bình tồn quốc
thì bức xạ mặt trời dao động từ 3,8- 5,2 kWh/m’/ngay Số giờ nắng trung bình năm
ở phía Bắc là 1.600 giờ và ở phía Nam là 2700 giờ Miền Trung và miền Nam hầu
như nang quanh năm, bức xạ nhiệt ồn định, rất phù hợp và thuận lợi để phát triển điện mặt trời [6]
Những năm qua, Chính phủ đã quan tâm đầu tư cho nghiên cứu khai thác sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo, trong đĩ cĩ điện mặt trời Tuy nhiên, các thành tựu đạt được cho đến nay mới chỉ là bước đầu triển khai ứng dụng các cơng nghệ tiên tiến quang điện để cấp điện và quang nhiệt đề cấp nhiệt phục vụ cho nhu cầu phát triển kinh tế - xã hội Hiện tại, cả nước mới chỉ khai thác được khoảng 2,5 MWp, chủ yếu là các tắm pin mặt trời được lắp đặt trên nĩc các cơng trình xây dựng, các trạm thu phát sĩng viễn thơng, các cơ quan an ninh quốc phịng, giao thơng vận tải tại vùng sâu vùng xa, hải đảo chưa cĩ điện lưới quốc gia [6]
Trang 161.3 Ưu điểm và nhược điểm của điện năng lượng mặt trời
1.3.1 Uu điểm
a Khả năng kinh tế:
- Các hệ thống năng lượng mặt trời ít phải bảo dưỡng và tuổi thọ kéo dài
trong nhiều năm
- Sau xây dựng, sản phẩm thu được từ chuyên hĩa năng lượng mặt trời sẽ mang lại hiệu qua kinh tế cao và khơng phải tiếp tục đầu tư
- Được hưởng sự ưu đãi của chính phủ
- Nếu hệ thống pin mặt trời sản xuất năng lượng nhiều hơn sử dụng, chính
phủ cĩ thể mua lại phần điện đĩ
- Sản xuất điện từ Năng lượng mặt trời khơng phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu nào khác
b Thân thiện với mơi trường:
- Năng lượng mặt trời sạch, tái tạo (khơng giống như đầu, khí đốt và than đá)
và bền vững, gĩp phần báo vệ mơi trường
- Khơng gây ơ nhiễm khơng khí do khí carbon dioxide phát ra, oxit nitơ, khí lưu huỳnh, thủy ngân vào khí quyền giống như nhiều hình thức sản xuất điện truyền thống khác Vì vậy năng lượng mặt trời gĩp phần ngăn chặn sự nĩng lên tồn cầu, mưa axit và sương mù, giảm phát thải khí nhà kính cĩ hại
c Hoạt động độc lap:
- Năng lượng Mặt trời cĩ thé duoc str dung dé bu đắp năng lượng tiêu thụ, giảm chi phí sử dụng điện và tiếp tục cung cấp điện trong trường hợp bị mắt điện
- Một hệ thống biến đổi năng lượng mặt trời cĩ thể hoạt động hồn tồn độc
lập, khơng cần một kết nối đến một mạng lưới điện khác Hệ thống cĩ thể được cài
đặt từ xa
- Việc sử dụng năng lượng mặt trời làm giảm sự phụ thuộc vào các nguồn năng lượng cung cấp từ nước ngồi, ảnh hưởng do thiên tai vì thế gĩp phần vào một tương lai bền vững
Trang 171.3.2 Nhược điểm:
Chi phí xây dựng một hệ thống năng lượng mặt trời khá cao, phần lớn là của
các vật liệu bán dẫn
Giá thành điện năng lượng mặt trời khá cao so với các hính thức sản xuất điện truyền thống Nhưng tình trạng thiếu năng lượng đang trở nên phơ biến, cơng
nghệ xây dựng hệ thống điện mặt trời phát triển sẽ làm giám giá thành
Tắm pin năng lượng mặt trời địi hỏi diện tích khá một vùng rộng lớn
Hiệu quả của hệ thống cũng phụ thuộc vào vị trí của pin hướng tới mặt trời,
do đĩ phải cài đặt các thành phần điều khiển hướng thu của các tắm pin và cần cĩ
thêm một hệ thống lưu trữ năng lượng
1.4 Ứng dụng năng lượng mặt trời để sản xuất điện ở Việt Nam
Pin mặt trời là phương pháp sản xuất điện trực tiếp từ năng lượng mặt trời
(NLMT) qua thiết bị biến đổi quang điện Pin mặt trời (PMT) cĩ ưu điểm là gọn nhẹ, cĩ thể lắp bất kỳ ở đâu cĩ ánh sáng mặt trời, đặc biệt là trong lĩnh vực tàu vũ
trụ Ứng dụng NLMT dưới được phát triển với tốc độ rất nhanh, nhất là ở các nước phát triển Ngày nay ứng dụng NLMT để chạy xe thay thế dần nguồn năng lượng
truyền thống Tuy nhiên giá thành thiết bị pin mặt trời cịn khá cao, trung bình hiện
nay khoảng 2 - 4 USD/Wp, nên ở những nước đang phát triển, pin mặt trời hiện mới chỉ cĩ khả năng duy nhất là cung cấp năng lượng điện sử dụng cho các vùng sâu, vùng xa, nơi đường điện quốc gia chưa cĩ [6]
Ở Việt Nam, với sự hỗ trợ của nhà nước (các bộ, ngành) và một số tổ chức quốc tế đã thực hiện thành cơng việc xây dựng các trạm pin mặt trời cĩ cơng suất
khác nhau phục vụ nhu cầu sinh hoạt và văn hĩa của các địa phương vùng sâu, vùng
xa, các cơng trình nằm trong khu vực khơng cĩ lưới điện Tuy nhiên hiện nay giá
pin năng lượng mặt trời vẫn đang khá cao
Đi đầu trong việc phát triển ứng dụng này là ngành bưu chính viễn thơng Các trạm pin mặt trời phát điện sử dụng làm nguồn cấp điện cho các thiết bị thu phát sĩng của các bưu điện lớn, trạm thu phát truyền hình thơng qua vệ tỉnh Ở ngành 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 sơng Trong ngành cơng nghiệp, các trạm
pin mặt trời phát điện sử dụng làm nguồn cấp điện dự phịng 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 vơ tuyến Trong ngành giao thơng đường bộ, các trạm pin mặt trời phát điện được sử dụng làm nguồn cấp điện cho các cột đèn đường chiếu sáng [6]
Trang 18CHUONG II CAC THANH PHAN CO BAN CUA HE THONG BIEN ĐƠI NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI THÀNH NĂNG LƯỢNG ĐIỆN oo
Hình 2.1: Các thành phần của một hệ thống điện năng lượng mặt trời
Bảng 2.1: Các thành phần trong hệ thống biến đối năng lượng mặt trời thành năng lượng điện
TT | Tên thiết bị Ghi chú
1_ | Pin năng lượng mặt Monocrystalline (đơn tính thể ) Polycrytalline (đa trỜI tinh thé)
2 | BO diéu khiến sạc Lựa chọn tùy mức điện thế và cơng suất của hệ thống pin năng lượng mặt trời 3 |Bộ chuyển đổi DC-AC | Lựa chọn theo tổng cơng suất thiết bị 4 | Ac-quy Binh khơ, kín khí, khơng cần bảo dưỡng 2.1 Pin năng lượng mặt trời 2.1.1 Cấu tạo
Trang 19Cho tới hiện tại thì vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời (và cho các thiết bị bán
dẫn) là các silic tỉnh thể Pin mặt trời từ tỉnh thể silic chia ra thành 3 loại:
- Don tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski Pin mặt trời
đơn tinh thê cĩ thé đạt hiệu suất từ 11% - 16% Chúng thường rất đắt tiền do được
cắt từ các thỏi hình ống, các tắm đơn thể này cĩ các mặt trống ở gĩc nối các
module
- Da tinh thể làm từ các thỏi đúc từ silic nung chảy được làm nguội và làm
rắn Các pin này thường rẻ hơn loại don tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn, từ
8% - 11% Chúng cĩ thể tạo thành các tắm vuơng che phủ bề mặt nhiều hơn đơn
tỉnh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nĩ
- Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nĩng chảy và cĩ cấu trúc đa
tinh thé Hiệu suất thấp, từ 3% - 6%, tuy nhiên giá thanh sản xuất rẻ vì khơng cần phải cắt từ thỏi silicon
Cấu trúc đơn tinh thể Cấu trúc đa tỉnh thể Câu trú tính thể võ định hình
Hình 2.3: Các loại cấu trúc tinh thể của pin mặt trời
Silic thuộc nhĩm IV, tức là cĩ 4 electron lớp ngồi cùng Silic cĩ thể kết hợp với silicon khác để tạo nên chất rắn Cơ bản cĩ 2 loại chất rắn silicon, đa thù hình (khơng cĩ trật tự sắp xếp) va tinh thé (các nguyên tử sắp xếp theo thứ tự dãy khơng
gian 3 chiều) Pin năng lượng mặt trời phd biến nhất dùng da tinh thé silicon
Ở nhiệt độ phịng, Silic nguyên chất cĩ tính dẫn điện kém Để tạo ra silic cĩ tính dẫn điện tốt hơn, cĩ thể thêm vào một lượng nhỏ các nguyên tử nhĩm III hay V trong bảng tuần hồn hĩa học Các nguyên tử này chiếm vị trí của nguyên tử silic trong mang tinh thé, và liên kết với các nguyên tử silic bên cạnh tương tự như là một silic Tuy nhiên các phân tử nhĩm III cĩ 3 electron ngồi cùng và nguyên tử nhĩm V cĩ 5 electron ngồi cùng, vì thế nên cĩ chỗ trong mạng tinh thể cĩ dư electron cịn cĩ chỗ thì thiếu electron Vì thế các electron thừa hay thiếu electron
Trang 20(gọi là lỗ trống) khơng tham gia vào các kết nối mang tinh thể Chúng cĩ thé ty do di chuyển trong khối tinh thể Silic kết hợp với nguyên tử nhĩm III (nhơm hay gali) được gọi là loại bán dẫn p bởi vì năng lượng chủ yếu mang điện tích đương (positive), trong khi phần kết hợp với các nguyên tử nhĩm V (phốt pho, Asen) gọi là bán dẫn n vì mang năng lượng âm (negative)
Các tỉnh thé silic (Si) hay gali asenua (GaAs) là các vật liệu được sử dụng làm pin mặt trời Gali asenua đặc biệt tạo nên để dùng cho pin mặt trời, tuy nhiên
thỏi tỉnh thể silic cũng cĩ thể đùng được với giá thành thấp hơn, sản xuất chủ yếu để
tiêu thụ trong cơng nghiệp vi điện tử Đa tinh thé silic cĩ hiệu quả kém hơn nhưng giá tiền cũng thấp hơn
Khi đề trực tiếp đưới ánh sáng mặt trời, một pin silic cĩ đường kính 6 em cĩ thé sản xuất địng điện khoảng 0,5 ampe 6 0,5 volt Các tắm tinh thể mỏng hình đĩa,
được đánh bĩng để loại bỏ các khuyết tật trong quá trình cắt, chất kích thích được dùng cho các pin, và các tắm kim loại dẫn truyền đặt vào một mặt: một lưới mỏng trên bề mặt chiếu ánh sáng mặt trời, và mặt phẳng trên mặt cịn lại Tấm năng lượng mặt trời tạo thành từ các pin như vậy cắt theo hình dạng thích hợp, được bảo vệ khỏi tia bức xạ và hư hại trên mặt trước bằng các miếng gương, dán vào chất nền
Trang 22
Nguyên lý hoạt động: Anh sang mat trời Điện cực trên Lớp chống phản quang Lốp ke0 Kính bảo vệ 3 Bán dẫn lớp n cãi Bán dẫn lớp p Điện cực dưới Bán dẫn lớp n r Điện cực trên Lớp tiếp xúc p-n Bán dan lop p
Q = electron L Điện cực dưới
Trang 23Bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp hơn EI Khi chiếu sáng hệ
thống, lượng tử ánh sáng (photon) mang năng lượng hv (h là hằng số Plank và v là tần số ánh sáng) bị điện tử hấp thụ và chuyển lên mức E2 [1]
Phương trình cân bằng năng lượng:
hv = EI-E2 (2.1)
Trong các vật rắn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thé lên điện tử vành ngồi, nên các năng lượng của nĩ bị tách ra nhiều mức năng lượng con rất sát nhau và tạo thành vùng năng lượng Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi ở trạng thái cân bằng gọi là vùng hố trị mà bên trên của nĩ cĩ năng lượng Ey Vùng năng lượng phía trên tiếp đĩ hồn tồn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn, bên dưới của vùng cĩ năng lượng là Ec, cách ly giữa vùng hĩa trị và vùng dẫn đĩ gọi là một vùng cắm cĩ độ rộng năng lượng là E¿, trong đĩ khơng cĩ mức năng lượng cho phép sự cĩ mặt của điện tử
Khi ánh sáng chiếu đến vật rắn cĩ vùng năng lượng hĩa trị, photon cĩ năng
lượng hV tới và bị điện tử của vùng hố trị hấp thụ, nĩ cĩ thể chuyển lên vùng dẫn
để trở thành điện tử tự do e-, lúc này vùng hố trị sẽ cĩ một lỗ trống cĩ thể di
chuyền như “hạt“ mang điện tích dương nguyên tố (kí hiệu h”) Lỗ trống này cĩ thé di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện vùng hĩa trị Hình 2.10: Các vùng năng lượng Phương trình hiệu ứng lượng tử: eV+hv— e +hỶ (2.2)
Điều kiện để điện tử cĩ thể hấp thụ năng lượng của photon và chuyển từ vùng hố trị lên vùng dẫn, tạo ra căp điện tử -16 trống là:
Trang 24hv > Ey = Ec - Ey (2.3)
Suy ra bước sĩng tới hạn Ac của ánh sáng dé cĩ thể tạo ra cặp e - h' là: Ac = he/( Ec - Ey) (2.4) Vay khi chiéu sang vao vat rắn, điện tử ở vùng hố trị hấp thụ năng lượng
photon hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử - lỗ trống e - h”, tức là
tạo ra một điện thế Hiện tượng đĩ gọi là hiện tượng quang điện bên trong
Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời chính là hiện tượng quang điện xảy ra trên lớp tiếp xúc p-n [4] Cy Bien d E (ving dan) Ey (vùng hĩa trị)
Hình 2.11: Hiện tượng quang điện xảy ra trên lớp tiếp xúc p-n Khi một photon chạm vào mảnh silic, một trong hai điều sau sẽ Xảy ra: - Photon truyền xuyên qua mảnh silic khi năng lượng của photon thấp hơn năng lượng đủ đề đưa các hạt electron lên mức năng lượng cao hơn
- Năng lượng của photon được hấp thụ bởi silic Xảy ra khi năng lượng của photon lớn hơn năng lượng để đưa electron lên mức năng lượng cao hơn Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nĩ được truyền đến các hạt electron trong mang tinh thể, thơng thường là các electron ở lớp ngồi cùng và được kết dính với
các nguyên tử lân cận Khi electron được kích thích, trở thành dẫn điện, các electron
này cĩ thể tự đo di chuyển trong bán dẫn Khi đĩ nguyên tử sẽ thiếu 1 electron gọi là lỗ trống Lỗ trống này tạo điều kiện cho các electron của nguyên tử bên cạnh di
chuyên đến điền vào lỗ trống, và tạo ra lỗ trống cho nguyên tử lân cận cĩ "lỗ trống" Cứ tiếp tục như vậy lỗ trống di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn
Trang 25Một photon chỉ cần cĩ năng lượng lớn hơn năng luợng đủ để kích thích electron lớp ngồi cùng dẫn điện Bức xạ của mặt trời thường tương đương 6000°K, vì thế nên phần lớn năng lượng mặt trời đều được hấp thụ bởi silic Hầu hết năng lượng mặt trời chuyển đổi thành năng lượng nhiệt nhiều hơn năng lượng điện điện trưởng, điện trưởng, —— điện trưởng, Bước | âm tính @-@©@-@©6@-@Q| lỳpn đâO@COGCO@GCOI lỳỏpp ng tớnh Bc 2 in tớch dng : đ@O@â@O@â6@O6@G| lỳpn tiờp xỳc p-n đ$ââ@Câ@CCCâ6GCOI lỳnp in tớch âm Bước 3 Prơton we Mat trot đOđ@âđ c xi tip xỳc p-n Pay Sg BY yey lớp p Bước 4 “điện tử tự do vá EÉ [` XS @® Prơton Q Điện tỉ — Điện tử ti do O Lé tréng
Hình 2.12: Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 2.1.2 Sơ đồ trơng đương của pin mặt trời
Khi được chiếu sáng, nếu nối các bán dẫn p và n của một tiếp xúc p-n bằng
một dây dẫn, thì pin Mặt Trời phát ra một dịng quang điện I„ Pin mặt trời cĩ thể xem như một nguồn dịng Lớp tiếp xúc bán dẫn p-n cĩ tính chỉnh lưu tương đương
một diode Khi phân cực ngược, do điện trở lớp tiếp xúc cĩ giới hạn, nên cĩ một
dịng rị qua nĩ Đặc trưng cho dịng rị qua lớp tiếp xúc p-n người ta đưa vào đại lượng điện trở shunt R¿¡ Dịng quang điện chạy trong mạch phải đi qua các lớp bán dẫn p và n, các điện cực, các tiếp xúc, Đặc trưng cho tổng các điện trở của các lớp đĩ là một điện trở Rs nĩi tiếp trong mạch (cĩ thể coi là nội trở của pin mặt trời)
Trang 26G) | = Re v Su Hình 2.13: Sơ đồ tương đương của pin mặt trời Dịng qua diode: = qv ld=] s(exp 4-1) — (2.5) 2.5 Trong đĩ:
Id: Dong qua diode (A/m’)
Is: Dong bao hoa cita diode (A/m’)
q: Dién tich electron, q = 1,602.10"? (C)
k: hang s6 Boltzmann’s, k = 1,381.107? (J/K)
T: Nhiệt độ lớp tiếp xúc (K)
n: Hệ số lý tưởng của diode phụ thuộc vào các mức độ hồn thiện cơng nghệ chế tạo pin Mặt Trời Gần đúng cĩ thé lay n= 1 Phương trình đặc trưng Volt - Ampere của pin mặt trời: H
q(V+TR) - - (2.6)
nKT h ,
T= Ign - Ta - Ish = Ipn - Is [ exp
Rs: Nội trở của pin mặt trời (ohm) R¿: Điện trở shunt (ohm) Dịng điện ngắn mạch lạc: | œ: IV V te ly + + (4) Load = Igo Vv Load L——ọ
Hình 2.14: Sơ đồ tương đương cúa pin mặt trời gồm một nguồn dịng mắc song song với một diode lý tướng
Trang 27V=z0
ON @ thn
Hình 2.15: Dịng ngắn mạch ISC
Dịng điện ngắn mạch Isc là dịng điện trong mạch của pin mặt trời khi làm ngắn mạch ngồi (chập các cực ra của pin) Lúc đĩ hiệu điện thế mạch ngồi của pin bằng V=0
Đặt giá trị V = 0 ta được:
qĐls - _ RI
aT 1) R, (2.7) Isc = Ipn- Is(exp - 1) - IS(exp
Ở các điều kiện chiếu sáng bình thường (khơng cĩ hội tụ) thì hiệu ứng điện
trở nối tiếp Rs cĩ thể bỏ qua, và lạ =0 và do đĩ cĩ thể suy ra: Isc =Ipn = GE (2.8) Trong đĩ: E: Là cường độ sáng œ: Là hệ số tỷ lệ Ở điều kiện bình thường dịng ngắn mạch của pin mặt trời tỉ lệ thuận với cường độ bức xạ chiếu sáng Điện áp hở mạch Vọc: Hình 2.16: Dịng hớ mạch ISC
Trang 28vA Isc Light ao Dark Hình 2.17: Đồ thị V-A của pin mặt trời [9] Ví dụ: Xét pin mặt trời cĩ: Tiết diện 100cm2 Dịng điện bão hịa của diode: — I,= 10'Ì2 A/cmZ Dịng điện ngắn mạch: lý, = 40 mA/em2 6 25°C
Dịng điện bão hịa: I=10°12,100 = 1010 A
Trang 29Như hình 2.18 là mơ hình đơn giản của 2 pin mặt trời mắc nối tiếp nhau
nhưng chỉ cĩ 1 pin được chiếu sáng, pin cịn lại bị khuất hắn Khi đĩ chỉ cĩ một pin cĩ dịng điện chạy qua, pin bị khuất sáng khơng cĩ dịng điện chạy qua (I=0) Mặt khác, điode của các mơ hình trên ngăn khơng cho dịng chạy ngược qua tắm pin bị khuất sáng nên địng qua tải lúc này I=0 Qua đĩ ta đã xây dựng các sơ đồ tương đương sau [9]:
- Sơ đỗ cĩ dién tro Ry, mac song song voi diode
- Sơ đồ cĩ điện trở Rs mắc nĩi tiếp
- Sơ đồ cĩ cả hai điện trở trên
Ta cĩ: I= (Isc - Ia) - y (2.10)
C) l_TœV
Hình 2.19: Sơ đồ tương đương đơn gián với R„, mắc song song
Từ cơng thức 2.10 ta thấy dịng điện lý tưởng mà pin mặt trời cấp cho tải bị giảm đi một lượng bằng V/R.¡ Để tổn hao trên pin nhỏ hơn 1% thì giá trị cua Ry,
100Vo¢
sc
thỏa điều kiện: R,,
Trang 30Load
Hình 2.21: Sơ đồ tương đương đơn gián với Rs mắc nối tiếp
Với sơ đồ tương đương như hình 2.21 ta cĩ: Va, I=Ise-la= Isc (e* er? (2.10) Vạ= V+IRs (2.11) Thế Vụ vào cơng thức 2.10 ta cĩ: - q+IR I=lsc-lo(ex sc-lo(€Xp KT -1) (2.12) 4.5 4.0 Bạn =%, Rs= 0 3.5 3.0 25 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Voltage (V) Current (A) Hình 2.22: Đồ thị V - A cúa mạch điện tương đương cĩ Rs mắc núi tiếp [9]
Từ hình 2.22 ta thấy đồ thị V - A bị lệch nghiêng về phía bên trái với một lượng là AV = IR, Để tốn hao của pin mặt trời nhỏ hơn 1% thì Rs phải thỏa điều kiện:
(2.13)
V6i Isc = 4A, Voc khoang 0,6V thì điện trở R¿ị cĩ giá trị khoảng 0.0015 là
tốt nhất
Trang 31Xét sơ đồ tương đương gồm cả điện trở mắc song song R„› và điện trở mắc nối tiếp Rs, +OV a ot Vụ XK [ou] | = [a] “ye sh, [th 4, Ỗ Hình 2.23: Sơ đồ tương đương gồm Rsh và Rs Từ các cơng thức 2.6, 2.11 và 2.12 ta cĩ cơng thức: I= lạc - Infexp [821 ị VY (2.14) KT R,
O diéu kién chuan 1a 25°C:
T= Igo - 10 [e271] - VALS (2.15) R, Ash=~, Re= 0 40 sh $ _ 304 s Reh= 1.0, Rg=0.05 E 5 = 20- O 1.0 - 0.0 T T T T T 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Voltage (V)
Hinh 2.24: Dé thi V- A cúa sơ đồ tuong duong trén voi Ry, = 10, R, = 0,050 [9]
Trong thực tế pin mặt trời cĩ R„, cao hon nhiéu, vao khoang 300Q, R, cĩ giá
Trang 322.1.3 Tắm pin mặt trời
Cell Module Array
Hình 2.25: Mắc nối tiếp hoặc song song các pin mặt trời 36 cells Dong (A) 36 cells x 0.6 V=21.6V ⁄ N ° Áp (V) 216V 0.6 V(áp hở mạch của mỗi tám)
Hình 2.26: Đồ thị V - A của một tắm pin mặt trời [9]
Trang 33t+ we, + Me, / _ ~ ~ =c# ¬" ˆ — HÀ, HN Áp Hình 2.28: Mắc nối tiếp các tắm pin mặt trời [9] V oe Ne, : Dịng
Khi mắc nối tiếp các tắm pin mặt trời, địng điện ngắn mạch của hệ thống sẽ bằng dịng điện ngắn mạch của một tắm, điện áp hở mạch của hệ thống bằng tổng điện áp hở mạch của tất cá tắm pin mặt trời trong hệ thống l=h+th+h 3 modules ie _ œ 2modules Dịng Áp
Hình 2.29: Mắc song song các tắm pin mặt trời [9]
Khi mắc song song các tắm pin mặt trời, dịng điện ngắn mạch của hệ thống sẽ bằng tổng dịng điện ngắn mạch của tất cả tắm pin mặt trời trong hệ thống, điện áp hở mạch của hệ thống bằng điện áp hở mạch của một tắm
Trang 34Ta xét một tắm pin mặt trời trong điều kiện chuẩn
Trong trường hợp hở mạch, điện áp ra của pin mặt trời là áp hở mạch Vọc, nhưng dịng điện ]=0 nên cơng suất của pin P = 0
Trong trường hợp ngắn mạch, V = 0, I= Isc nén cơng suất của pin P= 0
Khi mắc tải vào pin thì giá trị dong điện, điện áp khác 0 hay pin cấp nguồn
cho tải với cơng suất là P Cơng suất I y's
Dang Cơng suất
N I a Điểm cực đại cơng suất ; i đ : (MPP) i P=0 ' / ‘ Ƒ 0 0 0 i Va Vọc
Hình 2.31: Đồ thị V - A va dé thi cong suất của pin mặt trời
Từ đồ thị trên ta thấy, tại hai điểm đầu cuối của đồ thị V - A ứng với hai
Trang 35Một cách khác để tìm vị trí của điểm cơng suất cực đại là tìm hình chữ nhật nằm đưới đường đồ thị V - A cĩ diện tích lớn nhất như ở hình 2.32 Diện tích của
những hình chữ nhật đĩ chính là cơng suất ứng với một đỉnh nằm trên đường đồ thị V-A, Cơng chức tính cơng suất của pin mặt trời: P=VI= V[lsc - Iạ(exp-#Ÿ - 1)] (2.16) nKT
Tại điểm cơng suất cực đại:
dP © -T1—1,[exp av * clexp nkT ] nKT °*” nKT qY, T=-1]— đổ» ay, av, m
Từ cơng thức trên ta cĩ giá trị dịng điện và điện áp tại điểm cực đại là: dv I, =I, m = lạc -I DU er m_—] ] (2.17) 2.17 nkT Vin V,, =Voe - In + 2) (2.18) 2.1.5 Hệ số lấp đây và hiệu suất của pin mặt trời
Một thơng số đặc trưng khác của pin mặt trời vẫn thường được sử dụng, đĩ
là hệ số lấp đầy Hệ số lấp đầy FF (fill factor) là tỷ số giữa cơng suất cực đại
Pạ= Vạ.Iạ và tích số Voc.lsc:
FF = (Valạ) /( Voclsc ) (2.19)
Như ở hình 2.32, hệ số lấp đầy là tỉ số điện tích của hai hình chữ nhật ứng
với điểm MPP và hình chữ nhật ứng với điểm (Voc.lsc)
Hiệu suất của pin mặt trời r là tỉ số giữa cơng suất cực đại của pin và cơng suất bức xạ mặt trời trên diện tích bề mat cua pin
= Nan _ pp Noctse _ pp Yoctse Pin Pin EA (2.20)
7
2.1.6 Khéo sat đặc tinh pin mặt trời ở điều kiện lý trồng
Phương trình đặc trưng Volt - Ampere của pin mặt trời:
aR yp YAIR (22)
T= In - Ia ~ lu = Tn - Is [exp p sh~ “p nKT R,
Chọn các thơng số của pin: (khảo sát trong điều kiện chuẩn E = 1000W/m?) Dịng bão hịa Is= 10'°(A)
Trang 36Nhiệt độ: t= 25°C, T=298K Diode xem như lý tưởng với: n = 1 Dịng ngắn mạch: lsc = S:= 4 (A) R¿ụ = 3000, Rs= 0,010 Từ các thơng, số đã chọn, ta cĩ giá trị điện áp hở mạch: -23 Voc = nkT inp ls 41] _ 138le “(25+ 273) 1 4 In(—“-+I)=0,672 q s 1e”? n= ) &) Kết quả tính tốn đúng như kết quả mơ phỏng bằng phần mềm 20 sim [9]: ##g 20-sim Simulator on: PV.exp | Eile View Properties Simulation Tools Help = ey Ị œ Bl 6 |đ3 se mi xị MA B bì b bị E vị # model 5 4 3 2 1 0 oO 81 a2 03 84 85 8.6 input Experiment saved as C:\Documents and Settings\MA1\Desktop\PV.exp A
Hình 2.33: Đặc tuyến V-A của pin mặt trời [9]
#g 20-sim Simulator on: PV.exp Bile View Properties Simulation Tools Help i Em Í œ E]j G@ ls 4 >l ị KỈ KM€ 5 bì b M Bị vị ee model ui = input 4 MA = plot lạ 3 : MPP Cơng suất 1 Va ũ 01 02 03 04 os ũ8 input Experimertt savecl as C:\Docurnents and Settings\MA1\Desktop\PV.exp A
Hình 2.34: Đường đặc tuyến V-A, đồ thị cơng suất
và điểm cục đại cơng suất MPP [9]
Trang 37Để khảo sát sự phụ thuộc của pin mặt trời vào cường độ ánh sáng, ta lần lượt thay đổi các giá trị cường độ ánh sáng mặt trời từ 1000, 800, 500, 300 va 150
(W/m2) Kết quả như sau: ae 7) YH H4 Ø8 bì b bề BS {| moà E=1000Wim? E=800W/m2 E=500W/m 2 E=300W/m2 E=150W/m 2 01 g2 03 pe 04 08 08 ‘Simulation finished after 613 steps in 0.073 seconds
Hình 2.35: Đồ thị V - A với sự thay đối cúa cường độ ánh sáng [9]
Từ đồ thị 2.35 ta thấy cường độ dịng điện I cung cấp cho tai giảm tuyến tinh theo cường độ ánh sáng E khi E giảm, đúng theo cơng thức: lsc = ơ.E
Trang 38Từ đồ thị 2.36 ta thấy khi nhiệt độ tăng thì điện áp giảm khá lớn trong khi
dịng điện tăng khơng đáng kể
Pune eas aoe) ia
fle Vew Properties Simulation Tool Help -
sHaRe rman MOND et & mã © model 0 02 04 06 08 1 1.2 14 16 18 pe
‘Simulation finished after 541 steps in 0.097 seconds A
Hinh 2.37: D6 thi V- A khi mic néi tiép cdc pin lại với nhau [9]
zz 20-sim Simulator on: PV.exp
file View Properties Simulation Tools Help ah & F 2 2: 5 ™ i wm DM DP model ae 3 cell 10 2 cell = 1 cell 0 O41 o2 03 pe 04 os os Simulation finished after SSO steps in 0.132 seconds A Hình 2.38: Đồ thị V - A khi các pin được mắc song song [9]
2.2 Bộ chuyển đổi DC-AC (Inverter)
Những đặc tính cơ bản của Inverter:
- Sử dụng ắc quy (12, 24 hay 48V DC )
- Điện áp đầu ra cĩ đặc tính giống như điện áp của lưới điện quốc gia: 220V, xoay chiều, tần số 50 Hz
Inverter là bộ chuyển đổi dong điện một chiều 12V, 24V, 48V thành dịng
điện xoay chiều 110V, 220V tần số 50Hz Tùy theo cách thức biến đổi mà ta chia
Trang 39Loại biến đổi một bước:
Nguyên tắc hoạt động của mạch là sử dụng IC tạo dao động cĩ tần số 50Hz, tín hiệu được đưa tới diéu khién transistor cong suất cĩ vai trị như khĩa điện đĩng
ngắt liên tục theo tần số để điều khiển dịng điện đưa tới biến áp điểm giữa Khi
khĩa điện đĩng ngắt nhanh và liên tục cơng, ta sẽ cĩ địng điện lần lượt chạy vào nửa cuộn đây sơ cấp biến áp, tại cuộn thứ cấp sẽ cĩ điện áp xoay chiều cĩ tần số tương ứng với tần suất chuyển mạch Tùy theo cấu tạo của mạch mà dịng điện 220V đầu ra cĩ dạng sĩng sine, vuơng hay giả sine Ưu điểm của mạch biến đổi một bước là cấu tạo đơn giản, dé sửa chữa hay thay thế, nhưng biến áp sử dụng là biến áp thường cồng kênh và đắt tiền
Dưới đây là một số mạch cơ bản của loại Inverter biến đối một bước: preter renee RS 280800 2N3055 Transformer Poe a tka 24v ee SN7400? Tai ALCON Ji PLE SE po ov IC ev ~ S| LNPUT 6 12
Hình 2.39: Mạch Inverter ding céng NAND IC SN7400
‘58 fp Pouer Suitch or Relay NOTE?
Cit = 0.1 uF metalized-filn capacitor, SH tolerance = '
RIX - 47K for S@Hz output, 39K for 6eHz output Baa ll = the ¬ wis nds odie adn : sử 12U-8-L8U Primaru H I—Ek—E—XK— fe 200V Seeordary 1 la êm 2a Pu Saitiy wea Fe.rtrioe 2a.biu Sash Ša.Ae Ps y = P " nz 3 Bá mạ, va Sg, 4 AT THE OUTPUT! ! LETHAL VOLTAGE = 26, F3 ˆ no ANDES 215
ORIGINAL DESIGNED BY: SYED ASHAD MUSTAFA YOUNUS REVISED BY: RONNIE B TABANAG
BASED ON AUDIOGURU MODIFICATION 5@@ Watt Power Inverter
Trang 40220 T0W ct I ih kì NHI TT ME œ Be Ris VK
Hinh 2.41: Mach Inverter sir dung dao động đơn ơn
Loại biến đồi hai buéc (Inverter “điện tử”):
Đối với Inverter “điện tử”, mạch điện cấp thứ nhất: (DC-DC) cũng cĩ
nguyên lý giống như Inverter điện từ, nhưng thay vì hoạt động ở tần số 50 Hz thì kích loại này sử dụng tần số cao hơn nhiều lần để cĩ thể sử dụng loại biến áp xung cĩ hiệu suất cao và kích thước nhỏ gọn Sau biến áp xung, dịng điện xoay chiều tần số cao được nắn thành điện một chiều đẻ biến đối thành điện xoay chiéu voi tần số 50Hz phù hợp với nhu cầu sử dụng Tuỳ theo cơng suất của kích điện mà
kích điện tử cĩ thế dùng một hay nhiều các biến áp xung Phần mạch biến đổi
thành xoay chiều tiếp sửu dụng các linh kiện đện tử thay đổi chiều đi qua tải của
dịng điện đầu ra Trên thực tế thì nguyên lý mạch điện tử biến đổi điện một chiều
thành xoay chiều lúc này qua cầu H như sau: Ban đầu dịng điện đi từ (+) đến transistor phía trên - bên trái, đi qua tải theo chiều từ trái sang phải rồi đi qua transistor phía dưới bên phải để đi vào cực âm Sau đĩ dịng điện đi từ cực dương đến transistor phía trên bên phải, đi qua tải (Load) theo chiều từ phải qua trái rồi đi qua transistor phía đưới bên trái để đi vào cực âm Dịng điện đi như vậy theo các chiều khác nhau sẽ cho ra địng xoay chiều trên tải Việc dẫn các dịng theo các chiều như vậy được thực hiện nhờ sự điều khiến các transistor
Hình 2.42: Sơ đồ mạch cầu H