Thiết kế bộ điều khiển MPPT sử dụng phương pháp tìm kiếm trực tiếp cho hệ pin quang điện

Việc nghiên cứu hệ thống điện mặt trời có ý nghĩa rất quan trọng, góp phần khai thác triệt để nguồn năng lượng tự nhiên trong khi các nguồn năng lượng truyền thống đang ngày càng cạn kiệ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS Huỳnh Quang Minh

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP HCM

ngày 25 tháng 09 năm 2016

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

2 PGS.TS Nguyễn Thanh Phương Phản biện 1

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được

sửa chữa (nếu có)

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện MSHV : 1441830047

I Tên đề tài:

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MPPT SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP TÌM KIẾM

TRỰC TIẾP CHO HỆ PIN QUANG ĐIỆN

II Nhiệm vụ và nội dung:

+ Mô hình hóa hệ thống Pin quang điện trên Matlab/Simulink Khảo sát đặc tính

điện như dòng điện, điện áp, công suất của Pin quang điện khi thay đổi điều kiện

môi trường như bức xạ, nhiệt độ

+ Mô phỏng hệ thống tìm điểm MPP với giải thuật P&O (Perturb and Observe)

+ Mô phỏng hệ thống tìm điểm MPP với giải thuật Incond (Increamental

Conductance)

III Ngày giao nhiệm vụ : 23/01/2016

IV Ngày hoàn thành nhiệm vụ : 20/07/2016

V Cán bộ hướng dẫn : TS Huỳnh Quang Minh

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam kết các nội dung lý thuyết trình bày trong luận văn này là do tôi tham khảo các tài liệu và biên soạn lại, tất cả các kết quả mô phỏng, thực nghiệm đều do chính bản thân tôi tự làm ra, hoàn toàn không phải sao chép của từ bất kỳ một tài liệu hoặc công trình nghiên cứu nào khác

Nếu tôi không thực hiện đúng các cam kết nêu trên, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm trước kỷ luật của nhà trường

Tác giả

Nguyễn Thị Bích Liên

Nghiên Cứu Điện Tử Công Suất đã giúp đỡ và đồng hành cùng tôi trong thời gian thực hiện luận văn

Ngoài ra, trong suốt thời gian học tập tại trường đại học Công Nghệ TP HCM, tôi đã được các Thầy Cô khoa Điện – Điện tử, và đặc biệt là các Thầy Cô bộ môn Kỹ thuật điện giảng dạy tận tình, cho tôi nhiều kiến thức mới bổ ích, bên cạnh

đó tôi cũng được các đồng nghiệp đóng góp nhiều ý kiến cũng như các tài liệu có giá trị Xin gửi đến các Thầy, Cô và các bạn lời cảm ơn chân thành nhất

Cuối cùng, tôi xin cám ơn Cha Mẹ, các anh chị em trong gia đình và đặc biệt

là người chồng của tôi, đã động viên và tạo điều kiện giúp tôi vượt qua những khó khăn trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu vừa qua

Tp Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 07 năm 2016

Nguyễn Thị Bích Liên

TÓM TẮT

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch, hoàn toàn miễn phí và không gây ô nhiễm môi trường Việc nghiên cứu hệ thống điện mặt trời có ý nghĩa rất quan trọng, góp phần khai thác triệt để nguồn năng lượng tự nhiên trong khi các nguồn năng lượng truyền thống đang ngày càng cạn kiệt

Luận văn tập trung nghiên cứu và mô phỏng hai giải thuật tìm điểm công suất cực đại của Pin quang điện (MPPT) đáp ứng trong các điều kiện thay đổi của môi trường như bức xạ, nhiệt độ Đó là phương pháp nhiễu loạn và quan sát - Perturb and Observer (P&O), điện dẫn gia tăng - Increamental Conductance (Incond)

Luận văn sử dụng phần mềm Matlab/Simulink thực hiện các mô hình mô phỏng để kiểm chứng lý thuyết của đề tài, mô hình mô phỏng được xây dựng bằng hàm truyền, phương trình trạng thái mô hình hóa của hệ thống cũng như là mô phỏng hệ thống thực sử dụng Sim Power system

(Incond) methods

The thesis use the Matlab / Simulink software to implement the simulation model to verify the theory of the subject, the simulation model is built in the transfer function, the equation state of the modeling system Sim Power library of Matlab is also used in this thesis

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT iii

ABSTRACT iv

MỤC LỤC v

DANH MỤC HÌNH ẢNH vii

CHƯƠNG 1: TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1

1.1 Phạm vi nghiên cứu luận văn 3

1.2 Sản phẩm của luận văn 3

CHƯƠNG 2: TỔNG QUÁT VỀ HỆ THỐNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 4

2.1Nguồn năng lượng Mặt Trời 4

2.1.1Phổ của Mặt Trời 4

2.1.2 Định nghĩa tỷ số AM 6

2.1.3 Các dạng bức xạ thu được 8

2.2 Sơ lược lịch sử Pin Quang điện 9

2.3Cơ bản về bán dẫn 10

2.3.1 Dải năng lượng 11

2.3.2 Hiệu suất của Vật liệu Quang điện 13

2.3.3 Cấu trúc P-N cho PV 14

2.3.4 Công nghệ chế tạo PV 16

2.4 Hệ thống PV 17

2.4.1 Hệ thống PV độc lập 17

2.4.2 Hệ thống PV kết hợp 18

2.4.3 Hệ thống PV nối lưới 18

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH HÓA PV 20

3.1 Đặc tuyến và thông số cơ bản của PV 20

3.2 Phương trình toán của PV 22

CHƯƠNG 4: CÁC GIẢI THUẬT TRUY TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI25 4.1 Giới thiệu về đặc tuyến tải 25

CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG 34

5.1 Mô hình mô phỏng MPP trong Matlab Simulink 34

5.2 Mô hình hóa và mô phỏng PV 40

5.3 Kết quả mô phỏng của phương pháp P&O 45

5.4 Kết quả mô phỏng của phương pháp InCond 50

5.5 So sánh P&O và InCond 54

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 57

6.1 Ưu điểm của năng lượng mặt trời: Error! Bookmark not defined 6 2 Nhược điểm của năng lượng mặt trời Error! Bookmark not defined 6 3 Hướng phát triển: 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2 1 Phổ của vật thể đen 5

Hình 2 2 Phổ của mặt trời ngoài khí quyển 6

Hình 2 3 Tỷ số AM 7

Hình 2 4 Phổ của mặt trời theo AM khác nhau 7

Hình 2 5 Bức xạ trực tiếp 8

Hình 2 6 Tán xạ 8

Hình 2 7 Phản xạ 9

Hình 2 8 Nguyên tử Silic 11

Hình 2 9 Dải năng lượng 11

Hình 2 10 Vùng năng lượng có ích và hao phí 13

Hình 2 11 Phổ năng lượng có ích và hao phí 13

Hình 2 12 Nguyên tử hóa trị 5 14

Hình 2 13 Nguyên tử hóa trị 3 15

Hình 2 14 Tiếp xúc P-N 15

Hình 2 15 Mẫu PV 16

Hình 2 16 Hướng chế tạo PV 16

Hình 2 17 Bảng tuần hoàn 17

Hình 2 18 Hệ thống độc lập 18

Hình 2 19 Hệ thống kết hợp 18

Hình 2 20 Hệ thống kết lưới 19

Hình 3 1.Mô hình PV 20

Hình 3 2 Đặc tuyến PV 20

Hình 3 3 Thông số cơ bản PV 21

Hình 3 4 Hệ số lấp đầy 21

Hình 3 5 Mô hình 1 diode 22

Hình 3 6 Mô hình 2 diode 22

Hình 3 7 Mô hình 1 diode đơn giản 22

Hình 3 8 Datasheet solartech 24

Hình 3 9 Hệ số nhiệt K0 24

Hình 4 1 Điểm hoạt động của tải 25

Hình 4 9 Nguyên lý thực hiện thuật toán P&O 30

Hình 4 10 Lưu đồ P&O 31

Hình 5 1 Sơ đồ tổng quát hệ thống tìm MPP trong Matlab Simulink 34

Hình 5 2 Sơ đồ chi tiết triển khai giải thuật P&O và InCond 35

Hình 5 3 Mô hình hóa PV BX1 35

Hình 5 7 Mô hình trên Simulink 40

Hình 5 8 Đặc tuyến V-I khi nhiệt độ thay đổi, bức xạ không đổi 41

Hình 5 9 Đặc tuyến P-V khi nhiệt độ thay đổi, bức xạ không đổi 41

Hình 5 10 Đặc tuyến P-I khi nhiệt độ thay đổi, bức xạ không đổi 42

Hình 5 11 Đặc tuyến V-I khi bức xạ thay đổi, nhiệt độ không đổi 43

Hình 5 12 Đặc tuyến P-V khi bức xạ thay đổi, nhiệt độ không đổi 43

Hình 5 13 Đặc tuyến P-I khi bức xạ thay đổi, nhiệt độ không đổi 44

Hình 5 14 Điện áp PV tại MPP khi bức xạ thay đổi theo P&O 45

Hình 5 15 Dòng điện PV tại MPP khi bức xạ thay đổi theo P&O 45

Hình 5 16 Công suất PV tại MPP khi bức xạ thay đổi theo P&O 46

Hình 5 17 Điện áp PV tại MPP khi nhiệt độ thay đổi theo P&O 47

Hình 5 18 Dòng điện PV tại MPP khi nhiệt độ thay đổi theo P&O 48

Hình 5 19 Công suất PV tại MPP khi nhiệt độ thay đổi theo P&O 48

Hình 5 20 Đáp ứng dòng điện, điện áp, công suất của PV khi cả nhiệt độ và bức xạ thay đổi theo P&O 49

Hình 5 21 Điện áp PV tại MPP khi bức xạ thay đổi theo InCond 50

Hình 5 22 Dòng điện PV tại MPP khi bức xạ thay đổi theo InCond 50

Hình 5 23 Công suất PV tại MPP khi bức xạ thay đổi theo InCond 51

Hình 5 24 Điện áp PV tại MPP khi nhiệt độ thay đổi theo InCond 52

Hình 5 25 Dòng điện PV tại MPP khi nhiệt độ thay đổi theo InCond 52

Hình 5 26 Công suất PV tại MPP khi nhiệt độ thay đổi theo Incond 53

Hình 5 28 So sánh InCond và P&O khi bức xạ thay đổi, nhiệt độ không đổi 54

Hình 5 29 So sánh InCond và PO khi bức xạ không đổi, nhiệt độ thay đổi 55

triển kinh tế phải phát triển năng lượng

Vấn đề năng lượng hiện nay đang là chủ đề nóng và được cả thế giới quan tâm, các nhà nghiên cứu nhận định rằng thị trường tiêu thụ năng lượng ở các quốc gia trên thế giới không ngừng tăng đặc biệt là ở Bắc Mỹ, Châu Á, Châu

Âu Khi nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng gia tăng thì việc khai thác các nguồn năng lượng truyền thống không còn đáp ứng được do nguồn năng lượng ngày càng cạn kiệt, gây ô nhiễm môi trường, hiệu ứng nhà kính và biến đổi khí hậu và sự nóng lên của trái đất cùng hiện tượng băng tan v v Hiểu được tầm quan trọng đó, chúng ta đang tìm kiếm những nguồn năng lượng mới như năng lượng hạt nhân, năng lượng gió, năng lượng sinh học, năng lượng thủy triều, năng lượng mặt trời Theo tính toán và đánh giá của các nhà khoa học khi nghiên cứu về các nguồn năng lượng trên thì thấy nguồn năng lượng mặt trời có

ưu điểm hơn cả Tuy nhiên quá trình thu được lượng ánh sáng chiếu vào tấm pin quang điện và chuyển đổi được thành điện năng đạt được hiệu suất rất thấp, khoảng 9% đến 17% Đặc biệt là trong các điều kiện bức xạ thấp, bóng râm, độ

ẩm, khoảng cách hay nhiệt độ thay đổi liên tục Vì vậy việc nghiên cứu các giải pháp để nâng cao hiệu quả của hệ thống điện năng lương mặt trời là hết sức cần thiết và cấp bách Có rất nhiều các phương pháp và giải thuật đang được nghiên cứu và áp dụng vào thực tiễn như giải thuật nhiễu loạn và quan sát(P&O), giải thuật điện dẫn gia tăng(INC), giải thuật mạng nơron nhân tạo, giải thuật logic

mờ v v…Trong các giải thuật vừa nêu trên, tác giả chọn lựa hai giải thuật nhiễu loạn và quan sát P&O và giải thuật điện dẫn gia tăng INC để trình bày và mô phỏng 2 giải thuật trên phần mềm matlb Similink

CHƯƠNG 1: TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Các nguồn năng lượng truyền thống như dầu mỏ, than đá… đang dần cạn kiệt và vấn đề bức thiết đặt ra cho các nhà khoa học trên toàn thế giới đó chính là tìm ra các nguồn năng lượng thay thế Trong nhiều nguồn năng lượng mới, năng lượng mặt trời đóng một vai trò quan trọng và được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học

Tiếp cận được nguồn năng lượng mặt trời không chỉ góp phần giải quyết vấn

đề cung cấp điện năng, mà nguồn năng lượng này còn là một nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường Trong tất cả các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng mặt trời là phong phú và ít biến đổi nhất trong thời kỳ biến đổi khí hậu hiện nay

cThuận lợi tại Việt Nam: là một trong những nước nằm trong dải phân bổ ánh nắng mặt trời nhiều nhất trong năm trên bản đồ bức xạ mặt trời của thế giới cho nên nguồn năng lượng mặt trời ở Việt Nam rất phong phú

Việt Nam có nhiều đảo hiện có cư dân sinh sống nhưng nhiều nơi không thể đưa điện lưới đến được Sử dụng được nguồn năng lượng mặt trời sẽ có ý nghĩa như

“nguồn năng lượng tại chỗ” đáp ứng nhu cầu tiêu thụ điện của cư dân những vùng này Như vậy, yêu cầu sử dụng được nguồn năng lượng mặt trời ở Việt Nam còn mang ý nghĩa kinh tế, xã hội, quốc phòng

Tuy nhiên, tình hình nghiên cứu và ứng dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam cho đến nay vẫn chưa phát triển đủ để đáp ứng nhu cầu, thực trạng đó đòi hỏi phải có các nghiên cứu cụ thể nhằm chế tạo được các bộ nghịch lưu pin mặt trời tạo thành nguồn điện có khả năng ứng dụng được trong dân dụng cũng như trong công nghiệp Các bộ nghịch lưu này phải đảm bảo chất lượng điện áp, tính ổn định và giá thành hợp lý

Năng lượng điện tạo ra bởi các tấm pin mặt trời là năng lượng điện 1 chiều (DC), để sử dụng được (trong công nghiệp, dân dụng, hoà lưới điện), nó phải được

chuyển đổi thành năng lượng điện xoay chiều AC Sự chuyển đổi đó được thực hiện bởi các bộ nghịch lưu – inverter

Do đó, trong bài toán năng lượng mặt trời, làm sao để sử dụng công suất pin mặt trời hiệu quả nhất, hay nói cách khác là làm sao để làm việc ở điểm công suất cực đại MPP (Maximum power point) là một vấn đề hết sức quan trọng Có rất nhiều kĩ thuật tối ưu điểm công suất cực đại, những kĩ thuật này còn đang được tiếp tục nghiên cứu và phát triển

1.1 Phạm vi nghiên cứu luận văn

Luận văn tập trung nghiên cứu mô phỏng mô hình hóa Pin quang điện trên phần mềm Matlab Simulink, khảo sát các đặc tính của Pin như dòng điện, điện áp

và công suất khi thay đổi các điều kiện môi trường như bức xạ, nhiệt độ, tải

Tìm hiểu và phân tích hai giải thuật tìm điểm công suất cực đại là P&O và Incond Đưa ra các kết luận về ưu nhược điểm của hai phương pháp trên

1.2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:

Nghiên cứu mô phỏng bộ điều khiển công suất cực đại MPPT ( Maximum power Point Tracker ) sử dụng phương pháp tìm kiếm trực tiếp cho hệ Pin quang điện

Nội dung thực hiện:

Đề xuất hai giải thuật tìm điểm công suất cực đại của Pin Quang điện bao gồm:

 Perturb and Oberser (P&O): Phương pháp nhiễu loạn và quan sát

 Increamental Conductance (Incond): Phương pháp điện dẫn gia tăng

Khảo sát mô hình mô phỏng đặc tính Pin Quang Điện và mô hình toán tìm điểm công suất cực đại sử dụng trên phần mềm Matlab Simulink

CHƯƠNG 2: TỔNG QUÁT VỀ HỆ THỐNG SỬ DỤNG

NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

2.1 Nguồn năng lượng Mặt Trời

2.1.1 Phổ của Mặt Trời

Mặt trời là một nguồn sáng khổng lồ với đường kính 1.4 triệu km Bên trong mặt trời, các phản ứng hạt nhân biến đổi hydro thành heli liên tục diễn ra Sự hao hụt khối lượng do phản ứng hạt nhân này sinh ra nguồn năng lượng điện từ khoảng 3.8x1020 MW và bức xạ ra ngoài không gian Năng lượng bức xạ của một vật thể là hàm số phụ thuộc vào nhiệt độ Để mô tả độ bức xạ của một đối tượng, người ta thường dùng một khái niệm lý thuyết để so sánh, gọi là vật thể đen (blackbody) Phương trình bức xạ của vật thể đen được cho bởi định luật Planck:

Hình 2 1 Phổ của vật thể đen

Diện tích của đồ thị trên ở giữa 2 giá trị bước sóng bất kỳ chính là công suất bức

xạ của vật thể trong khoảng bước sóng đó Nếu lấy tích phân đồ thị trên từ 0 đến vô cùng chính là tổng công suất bức xạ của vật thể

Tổng công suất bức xạ của một vật thể đen (trên toàn bề mặt) được cho bởi định luật Stefan- Boltzmann:

(2.2) Trong đó:

E: công suất bức xạ tổng (W)

:: hằng số Stefan-Boltzmann =

5.67e-8 Wm-2K-4 T : nhiệt độ tuyệt đối (K)

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

Đường cong phổ bức xạ có giá trị cực đại ở bước sóng được xác định bởi công thức

(2.3)

Trong lòng mặt trời có nhiệt độ khoảng 15 triệu Kelvin, nhưng bức xạ từ bề mặt của mặt trời tương đồng với vật thể đen có nhiệt độ 5800 K Hình 2.2 diễn tả phổ bức xạ của mặt trời và phổ bức xạ của vật thể đen 5800 K Công suất bức xạ của vật thể đen 5800 K (toàn bộ diện tích của đường cong) là 1.37 kW/m2, bằng với công

suất bức xạ tổng của mặt trời ở ngoài khí quyển trái đất Công suất bức xạ tổng của mặt trời được phân tỷ lệ như sau: những bước sóng dưới tia cực tím (UltraViolet-UV) chiếm 7%, trong vùng khả kiến chiếm 47%, từ vùng hồng ngoại (Infrared-IR) trở lên chiếm 46% Nhắc lại về bước sóng trong vùng khả kiến có tầm từ 0.38  m

đến 0.78 m

Hình 2 2 Phổ của mặt trời ngoài khí quyển

Khi bức xạ mặt trời đi vào khí quyển cúa trái đất sẽ bị hấp thu bởi nhiều thành phần Do đó, đường cong phổ bức xạ của mặt trời nhận được trên mặt đất bị méo dạng nhiều so với ngoài không gian Phổ bức xạ nhận được trên mặt đất còn phụ thuộc vào góc chiếu của mặt trời so với bề mặt trái đất, được phản ánh theo tỷ số

(2.4)

Hình 2 3 Tỷ số AM

Tỷ số AM1 ( tương ứng với tia sáng chiếu trực tiếp vuông góc với mặt đất AM0 tương ứng với phổ bức xạ ở ngoài khí quyển Thông thường, AM1.5 được xem là phổ bức xạ trung bình trên mặt đất Công suất bức xạ tổng ứng với AM1.5 được phân tỷ lệ như sau: những bước sóng dưới UV chiếm 2%, trong vùng khả kiến chiếm 54%, từ vùng IR trở lên chiếm 44% Phổ công suất của mặt trời theo tỷ số AM được diễn tả trong hình 2.4 Đường cong có khuynh hướng giảm lại

và dịch chuyển về phía bước sóng lớn khi AM tăng lên

Hình 2 4 Phổ của mặt trời theo AM khác nhau

2.1.3 Các dạng bức xạ thu được

Khi luồng ánh sáng xuyên qua bầu khí quyển sẽ bị phân thành 3 thành phần chính soi vào vật thể 3 thành phần đó bao gồm: những tia sáng trực tiếp (đi xuyên thẳng qua bầu khí quyển), tán xạ do thành phần tạp chất trong bầu khí quyển, phản

xạ từ các bề mặt khác nhau

Bức xạ trực tiếp:

Như mô tả trong hình 2.5, nếu bức xạ từ mặt trời đi tới vật thu là IB thì bức

xạ mà vật thu thu được IBC tính bới công thức:

Hình 2 5 Bức xạ trực tiếp

Tán xạ:

Rất khó để có thể ước lượng chính xác lượng tán xạ đến vật thu Tán xạ gây ra

do nhiều thành phần tạp chất trong khí quyển Khi tia sáng đi vào khí quyển, sẽ bị phân ra do bụi, hơi nước lơ lửng, có khi là những đám mây Những tạp chất này không chỉ tác động đến tia sáng đi trực tiếp vào khí quyển, mà còn tác động đến cả những tia sáng do phản xạ từ những bề mặt khác vào khí quyển

Hình 2 6 Tán xạ

Dựa theo mô hình đơn giản được phát triển bởi Threlkeld và Jordan (1958), độ bức xạ do tán xạ có thể thiết lập theo độ bức xạ trực tiếp:

Phản xạ:

Phản xạ sinh ra do những bề mặt đặt trước tấm thu như mặt nước, mặt tuyết… Trong những ngày nắng tốt và xung quanh tấm thu có nhiều bề mặt phản chiếu thì việc tính đến phản xạ là cần thiết Cách đơn giản để tính độ phản xạ dựa vào hệ số phản xạ của bề mặt trước tấm thu và góc đặt của tấm thu:

(2.7)

Trong đó:

IRC : phản xạ nhận được của tấm thu

IBH , IDH : lần lượt là bức xạ trực tiếp và tán xạ chiếu vào bề mặt ngang

 : góc đặt tấm thu

Hình 2 7 Phản xạ

2.2 Sơ lược lịch sử Pin Quang điện

Lịch sử hình thành pin mặt trời (Photovoltaic-PV) bắt đầu từ năm 1839, nhà vật

lý 19 tuổi người Pháp, Edmund Becquerel, đã tạo ra hiệu điện thế bằng cách chiếu sáng Ông chiếu ánh sáng vào tấm điện cực kim loại nằm trong dung dịch điện phân yếu Suốt 40 năm sau đó, Adams và Day là những người đầu tiên nghiên cứu về pin

mặt trời ở dạng rắn Họ có thể tạo được những cell pin đầu tiên từ selenium với hiệu suất 1 đến 2 % Những cell pin này sau đó lại được dùng nhiều trong ngành nhiếp ảnh để đo cường độ sáng

Trong những năm đầu của ngành vật lý lượng tử, vào năm 1904, nhà vật lý vĩ đại Albert Einsteins đã công bố những nghiên cứu về hiệu ứng của vật chất quang điện Dựa vào việc lượng tử hóa năng lượng của photon, ông đã giải thích được việc phát sinh dòng điện khi chiếu sáng vào vật chất quang điện Cùng thời gian đó, nhà khoa học người Ba Lan Czochralski bắt đầu phát triển những tinh thể silicon hoàn hảo (perfect crystal of silicon), tạo ra bước ngoặt trong ngành điện tử hiện đại nói chung cũng như riêng về phần pin mặt trời Từ năm 1940 đến 1950, phương pháp của Czochralski bắt đầu tạo ra những thế hệ pin mặt trời dung đơn tinh thể silicon,

kỹ thuật này còn được dùng nhiều trong công nghiệp pin mặt trời ngày nay

Vào những thập niên 1950, nhiều cố gắng thương mại hóa PV đã gặp nhiều trở ngại do giá thành khá lớn Ứng dụng thực tiễn đáng chú ý của PV trong giai đoạn này là việc lắp đặt cho vệ tinh Vanguard I Trong các ứng dụng không gian, chi phí không còn là trở ngại lớn và thường đòi hỏi những thiết bị nhẹ gọn và độ tin cậy cao Các cell pin mặt trời đáp ứng được những yêu cầu đó, PV trở thành sự lựa chọn phù hợp để cấp năng lượng cho các vệ tinh và tàu không gian Những năm cuối thập niên 1980, giá thành của PV bắt đầu giảm và hiệu suất tăng Lúc này, PV được ứng dụng rộng rải cho máy tính bỏ túi, đèn chiếu sáng trên đường cao tốc, máy bơm ở nông thôn… Ngày nay, đến năm 2002, sản lượng PV bán ra trên toàn thế giới đạt được 600 MW mỗi năm và không ngừng gia tăng với mức 40% hàng năm

2.3 Cơ bản về bán dẫn

PV sử dụng vật liệu bán dẫn để chuyển đổi ánh sáng thành điện năng Công nghệ chế tạo PV rất giống với công nghệ để chế tạo transistor, diode và tất cả các thiết bị bán dẫn khác.Vật liệu sử dụng khởi nguồn cho hầu hết thiết bị bán dẫn và

PV thường là silicon tinh thể tinh khiết

Hình 2 8 Nguyên tử Silic

Silicon có hóa trị 4, hình 2.8 mô tả nguyên tử silicon ở dạng đầy đủ và rút gọn Trong tinh thể silicon tinh khiết, mỗi nguyên tử silicon sẽ hình thành các liên kết đồng hóa trị với 4 nguyên tử silicon khác để hình thành liên kết bền vững

2.3.1 Dải năng lượng

Ở 0 độ tuyệt đối, silicon là chất cách điện lý tưởng, không hề có electron tự do Khi nhiệt độ tăng lên, một vài electron có đủ năng lượng để di chuyển tự do có thể tạo thành dòng điện Độ dẫn của silicon tỷ lệ theo độ tăng của nhiệt độ Tuy nhiên,

độ dẫn của silicon vẫn còn rất thấp ở nhiệt độ thường, nguyên nhân mà silicon được gọi là bán dẫn

Lý thuyết lượng tử dùng giản đồ dải năng lượng để phân biệt vật liệu dẫn điện

và vật liệu bán dẫn Năng lượng của các electron đều nằm trong những dải năng lượng rời rạc cho phép Hình 2.9 mô tả những dải năng lượng của electron cho kim loại và bán dẫn

Hình 2 9 Dải năng lượng

Dải năng lượng trên cùng gọi là dải dẫn, những electron nằm trong dải năng lượng này có thể di chuyển tự do và tạo thành dòng điện Ở nhiệt độ phòng, chỉ khoảng 1 trong 1010 electron trong silicon là nằm trong dải dẫn

Những khe trống nằm giữa các dải năng lượng cho phép gọi là dải cấm Trong đó dải cấm ngăn cách dải dẫn và dải năng lượng cho phép gần kề dải dẫn được xét đến nhiều nhất Năng lượng cho một electron vượt qua dải cấm đó để đến dải dẫn gọi là năng lượng band-gap (band-gap energy) ký hiệu là Eg Đơn vị cho Eg thường là electron-Volt (eV) Đối với silicon, Eg = 1.12 eV Như vậy, mỗi một electron sẽ cần một năng lượng Eg để trở thành electron tự do Các electron tự do này sẽ tạo thành dòng điện khi có thể Cần nói thêm, mỗi khi có một electron được giải phóng, sẽ xuất hiện một lỗ trống tương ứng Những lỗ trống này cũng có khả năng di chuyển và tạo thành dòng điện Trong những vật liệu quang điện, nguồn năng lượng để giải phóng các electron tự do lấy từ photon của nguồn sáng Theo lý thuyết của vật lý lượng tử, mỗi photon là một sóng có tần số tương ứng Sóng điện

từ này có năng lượng được tính theo công thức:

(2.8) Trong đó:

E: năng lượng của photon (J)

sóng lớn hơn 1.11m sẽ không giải phóng electron, sinh ra dòng điện, mà chỉ đơn

thuần làm nóng pin Hơn nữa, mỗi photon chỉ giải phóng được một electron nên những photon có bước sóng ngắn hơn 1.11m (năng lượng lớn hơn Eg) chỉ dùng

được phần năng lượng để giải phóng electron, phần năng lượng dư sẽ sinh ra nhiệt làm nóng pin Hình 2.10 mô tả biểu đồ năng lượng tương ứng với bước sóng gồm những vùng góp năng lượng có ích để giải phóng electron và những vùng năng lượng hao phí sinh ra nhiệt

Hình 2 10 Vùng năng lượng có ích và hao phí

2.3.2 Hiệu suất của Vật liệu Quang điện

Như đã được mô tả ở phần trên, mỗi một electron cần một nguồn năng lượng đúng bằng Eg để giải phóng thành electron tự do Phần năng lượng nhỏ hơn Eg và phần năng lượng lớn hơn Eg (của một photon) đều không dùng được và phát sinh nhiệt Xét lại mật độ phổ công suất của mặt trời ứng với AM1.5, chỉ có vài vùng cho năng lượng có ích (mô tả ở hình 2.11)

Hình 2 11 Phổ năng lượng có ích và hao phí

Dựa vào hình trên, chỉ có 49.6% năng lượng công suất bức xạ mặt trời là có thể dùng được Nói một cách đơn giản, hiệu suất của pin silicon ở mức dưới 50% Thực tế, pin silicon còn có hiệu suất nhỏ hơn, ở dưới 25% Những nguyên nhân làm giảm hiệu suất:

+ Giá trị điện áp band-gap (band-gap voltage) khi đo ở 2 đầu cell pin chỉ khoảng phân nửa đến 2/3 giá trị đầy đủ

+ electron tự do và lỗ trống có khuynh hướng kết hợp làm giảm dòng điện pin

+ Nhưng photon không được hấp thụ trọn vẹn do phản xạ hoặc đi xuyên qua cell pin

+ trở nội của cell pin gây tổn hao công suất

2.3.3 Cấu trúc P-N cho PV

Năng lượng từ photon sinh ra cặp electron tự do - lỗ trống, nhưng chúng có khuynh hướng kết hợp làm giảm dòng điện pin Để ngăn chặn sự kết hợp đó, cần thiết tạo ra một điện trường nhằm tách electron tự do và lỗ trống thành 2 vùng Cách

để tạo điện trường là thiết lập 2 vùng khác biệt trong tinh thể silicon Một vùng gồm những tinh thể silicon tinh khiết trộn lẫn một lượng nhỏ nguyên tố hóa học có hóa trị 3, tương tự đối với vùng còn lại nhưng với nguyên tố hóa học hóa trị 5

Nguyên tố hóa học hóa trị 5 có thể là phospho, chỉ khoảng 1/1000 phospho

so với silicon Khi một nguyên tử phospho trộn lẫn vào tinh thể silicon tinh khiết, như hình 2.12, nguyên tử phospho sẽ liên kết đồng hóa trị với 4 nguyên tử silicon xung quanh Do đó, electron ngoài cùng còn lại của phospho sẽ trở thành electron tự do Ngoài ra, nguyên tử phospho bị mất đi một electron ngoài cùng sẽ có điện tích +1 và trở thành điện tích dương cố định trong mạng tinh thể Vùng trộn lẫn này, gồm có electron tự do, gọi là vùng n (negative, n-type)

Hình 2 13 Nguyên tử hóa trị 3

Nếu để vùng p cạnh vùng n, chỗ tiếp xúc của 2 vùng sẽ có hiện tượng khuếch tán electron-lỗ trống Như trên hình 2-14, electron ở vùng n sẽ khuếch tán qua chỗ tiếp xúc để lấp các lỗ trống ở vùng p Khi hiện tượng khuếch tán diễn ra, gần chỗ tiếp xúc p-n chỉ còn lại tương ứng điện tích dương cố định ở vùng n và điện tích âm cố định ở vùng p Một điện trường sẽ phát sinh ở chỗ tiếp xúc p-n đồng thời cản lại hiện tượng khuếch tán

Hình 2 14 Tiếp xúc P-N

Vùng phát sinh điện trường ở chỗ tiếp xúc p-n không còn các điện tích tự do

cả dương và âm được gọi là miền nghèo (depletion region) Miền nghèo rộng khoảng 1 cm và có hiệu điện thế 1V, điện trường trong miền này lên đến 10.000V/cm

Đối với PV có cấu trúc p-n sẽ ngăn được sự kết hợp trở lại của electron và lỗ trống Khi năng lượng photon được hấp thu, cặp electron-lỗ trống được tạo ra Điện trường ở miền nghèo sẽ đẩy electron về vùng n và lỗ trống về vùng p Hơn nữa, khi vùng p và vùng n tương ứng tích lũy nhiều lỗ trống và electron tự do sẽ tạo nên một

hiệu điện thế Dòng điện dễ dàng sinh ra khi 2 đầu hiệu điện thế này được nối tải thích hợp, như hình 2.15

Hình 2 15 Mẫu PV

2.3.4 Công nghệ chế tạo PV

Công nghệ chế tạo PV ngày càng phát triển đa dạng Từ những cell pin truyền thống có độ dày từ 200-500 m , những cell pin ở dạng “màng mỏng” (thin-

film) dần dần chiếm ưu thế Cell pin màng mỏng có độ dày 1-10m , không dùng

nhiều vật liệu bán dẫn và dể chế tạo hơn nên giá thành cạnh tranh hơn Loại cell pin này dùng nhiều cho các thiết bị: máy tính bỏ túi, đồng hồ và trong nhiều mạch điện

tử Hình 2.16 mô tả các hướng công nghệ cho PV dựa theo 2 hướng chính

Hình 2 16 Hướng chế tạo PV

Vật liệu chế tạo PV không chỉ dừng lại ở nguyên tố silicon, germanium (cùng nằm trong nhóm 4-bảng tuần hoàn nguyên tố hóa học với silicon) cũng được dùng thay thế Vật liệu chế tạo PV còn sử dụng hỗn hợp của 2 nguyên tố, thường sử dụng nhất là cell pin GaAs (Gallium và Arsenic) và CdTe (Cadmium và Tellurium) Những cặp vật liệu này thường nằm ở 2 nhóm đối xứng với nhóm 4, mô tả trên hình 2.17

Hình 2 18 Hệ thống độc lập

2.4.2 Hệ thống PV kết hợp

Hầu hết các trường hợp ứng dụng trong các hệ thống lớn, hệ thống PV thường được dùng thêm với máy phát diesel Đối với trường hợp đó, hệ thống PV độc lập thường không thể cung cấp đủ nguồn năng lượng yêu cầu cho tải Hệ thống

PV kết hợp máy phát vừa đáp ứng đủ yêu cầu của tải vừa sử dụng được thêm nguồn năng lượng từ PV

Hình 2 19 Hệ thống kết hợp

2.4.3 Hệ thống PV nối lưới

Hệ thống kết lưới PV góp phần gia tăng công suất cho hệ thống lưới điện quốc gia và tiết kiệm chi phí dùng điện cho các hộ sử dụng cũng như các công ty ở các nước phát triển Hơn nữa hệ thống PV kết lưới không cần phải có các thiết bị lưu trữ vì công suất không dùng hết có thể cấp hết lên lưới Trong những năm gần

Hình 2 20 Hệ thống kết lưới

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH HÓA PV

3.1 Đặc tuyến và thông số cơ bản của PV

Như đã giải thích ở những phần trên, trong cấu trúc của PV có mối nối P-N Do

đó có thể mô hình hóa PV bằng một diode mắc song song với một nguồn dòng như hình 3.1

Hình 3 2 Đặc tuyến PV

Trên đặc tuyến của PV có những thông số cơ bản nhưng rất quan trọng như dòng ngắn mạch, áp hở mạch và điểm công suất cực đại (MPP) Chỉ khi vận hành ở

(3.3)

Hình 3 4 Hệ số lấp đầy

FF luôn < 1 và thay đổi tùy theo vật liệu PV FF càng gần bằng 1, PV càng vận hành tốt Đối với những cell pin chất lượng cao, FF có khi lên đến 0.85 hoặc hơn Đối với các PV thương mại thông thường, FF chỉ ở mức 0.68

3.2 Phương trình toán của PV

Có nhiều cách, tùy theo độ chính xác khác nhau, để mô hình hóa PV như mô hình 1 diode, mô hình 2 diode Trong bài này, mô hình 1 diode và bỏ đi điện trở song song, hình 3.7, được áp dụng

+ là dòng bão hòa của diode

+ là dòng ngắn mạch của PV

+ A là hệ số phẩm chất của diode

+ k là hằng số Boltzmann = 1,38x

thay đổi theo nhiệt độ:

với

T: nhiệt độ tuyệt đối, Kelvin G: bức xạ, W/m2

q: điện tích electron = 1.6e-19 Coulomb k: hằng số Boltzmann = 1.38e-23 A: hệ số phẩm chất của diode Vg: điện áp bandgap

Các phương trình trên sẽ được giải theo phương pháp Newton-Ralphson để tính toán (IPV,VPV) ở trường hợp bức xạ và nhiệt độ bất kỳ Một số thông số trong phương trình sẽ được chọn để đơn giản tính toán PV của hãng Solartech SPM080P với công suất cực đại 80 watt được chọn để mô hình hóa

Hình 3 8 Datasheet solartech

Hệ số K0 được chọn là 0.065% dựa theo hệ số nhiệt của PV Còn Rs được lấy là 0.005 Ohms

Hình 3 9 Hệ số nhiệt K0