Điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ pin quang điện mặt trời có xét đến hiện tượng bóng râm

11 Chương PIN QUANG ĐIỆN 3.1 Giới thiệu Năng lượng mặt trời ngày thu hút nhiều quan tâm đầu tư Tuy nhiên, vấn đề giá nguồn điện mặt trời vấn đề lớn Hiện nay, lượng mặt trời cung cấp phần nhỏ bé nhu cầu điện cho người người ủng hộ lượng tin tưởng kỉ nguyên lượng mặt trời bắt đầu ngày đẩy mạnh quốc gia phát triển thực chiến dịch chống biến đổi khí hậu hạn chế việc phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch dầu mỏ, khí đốt … Chính Phủ Nhật Bản, Đức Hoa Kỳ thúc đẩy việc hỗ trợ người dân từ bỏ nhiên liệu hoá thạch Chẳng hạn, Đức, gia đình phủ hỗ trợ 2000 euro (khoảng 2860 USD) để lắp đặt pin quang điện Họ trả phí 10 năm thu lợi 10 năm Tuy nhiên, nước phát triển việc tuyên truyền sử dụng lượng mặt trời lại hạn chế nước cần phải tranh thủ nguồn lượng mặt trời nhiều Các quốc gia có nhiều thuận lợi điều kiện địa lý gần xích đạo có cường độ xạ mặt trời lớn nước ôn đới Mặt trời xạ lượng tương ứng với dãy xạ rộng Tuy nhiên, nhận xạ tạo tượng quang điện Thực tế, có xạ với bước sóng, λ có lượng lớn mức lượng kích hoạt electron xạ có khả tạo tượng quang điện Hiện tượng ánh sáng, có bước sóng ngắn làm bật electron khỏi mặt kim loại gọi tượng quang điện, electron bị bật gọi electron quang điện Phổ lượng mặt trời tác động lên PV, Hình 3.1 cho thấy 20,2% lượng mặt trời tổn hao tác dụng có lượng thấp mức lượng tối thiểu để kích hoạt electron khỏi trạng thái tĩnh chúng (hv < Eg); 30,2% bị vùng lượng (hv > Eg) có 49,6% lượng hữu ích thu PV [3.1] 12 UV 2% Nhìn thấy 54% IR 44% Công suất xạ (W/m2 µm) Năng lượng vô ích, hυ > Eg 30,2% Năng lượng hữu ích 49,6% Năng lượng vô ích, hυ < Eg 20,2% Chiều dài mức lượng kích hoạt 1,11µm Chiều dài sóng (µm) Hình 3.1 Phổ lượng mặt trời Hình 3.2 cho thấy xạ mặt trời trung bình toàn cầu hình 3.3 cho thấy nhiệt độ trung bình toàn cầu Những hình cho thấy tiềm năng lượng mặt trời lớn lân cận đường xích đạo mức độ xạ mặt trời nhiệt độ cao khu vực Hình 3.2 Bản đồ xạ mặt trời trung bình toàn cầu [3.2] 13 Hình 3.3 Bản đồ nhiệt độ trung bình toàn cầu [3.2] Năng lượng mặt trời xem dạng quang mà biến đổi thành điện Về có hình thức biến đổi: - Quang  nhiệt  điện - Quang  điện Trong hình thức phát điện trên, nhận hình thức thứ với quang chuyển đổi trực tiếp thành điện nghiên cứu khai thác mạnh mẽ Hình thức khai thác thực thông qua hệ thống PV (Photovoltaic, PV) mà cấu thành từ chất bán dẫn PV sử dụng chất bán dẫn để biến đổi ánh sáng thành điện Kỹ thuật sản xuất PV giống với kỹ thuật sản xuất linh kiện bán dẫn diode, transistor, Nguyên liệu sử dụng để sản xuất PV giống linh kiện bán dẫn khác, thông thường tinh thể silicon, thuộc nhóm IV Có thể nói PV ngược lại diode quang Diode quang nhận điện tạo ánh sáng, PV nhận ánh sáng tạo điện Bảng 3.1 Bảng phân loại tuần hoàn trích lược với tinh thể Silicon thuộc nhóm IV I II III IV V VI 5B 6C 7N 8O 13 Al 14 Si 15 P 16 S 29 Cu 30 Zn 31 Ga 32 Ge 33 As 34 Se 47 Ag 48 Cd 49 In 50 Sn 51 Sb 52 Xe 14 Hình 3.4 Nguyên tắc chuyển đổi lượng mặt trời thành lượng điện PV Mô hình đơn giản PV mô tả sau, Hình 3.5 Photon Điện nạp âm Photon Lớp n ε Các lỗ trống Các electron Lớp p Điện nạp dương a) Photon Electron Các tiếp điểm điện Lớp n V Lớp p Tải I b) Hình 3.5 Mô hình đơn giản PV 3.2 Sơ đồ thay đơn giản PV Sơ đồ thay đơn giản PV biểu diễn sau, Hình 3.6 [3.1] I I Id Tải V ~ Isc V Tải Hình 3.6 Sơ đồ thay đơn giản PV Trong PV, hai tham số quan trọng dòng điện ngắn mạch, Isc điện áp hở mạch, V0c V=0 I=0 I = Isc a) Dòng điện ngắn mạch, Isc V = Voc b) Điện áp hở mạch, V0c Hình 3.7 Các tham số quan trọng PV: dòng điện ngắn mạch, Isc điện áp hở mạch, Voc Các đặc tuyến mô tả PV:  qV   I = I − I e kT − 1   sc Voc = kT ln q  Isc   I0  + 1  Trong đó: I: cường độ dòng điện PV V: điện áp PV (3.1) (3.2) 16 Isc: cường độ dòng điện ngắn mạch PV Voc: điện áp hở mạch PV -12 I0: dòng điện ngược diode, có giá trị nhỏ khoảng 10 A/cm -19 q: điện tích electron, q = 1,602.10 (C) -23 k: số Boltzman, k = 1,381 x 10 (J/K) T: nhiệt độ tuyệt đối (K) Trong điều kiện 25 C, ta có: I = Isc − I0 ( e 38,9V − 1) (3.3)   Voc = 0,0257 ln sc + 1 I   I0  (3.4) 3.3 Sơ đồ thay PV có xét đến tổn hao Trong thực tế, PV có tổn hao, đặc trưng cho tổn hao thông số Rs Rp Khi ấy, mô hình PV mô tả sau: V V I Rs I Vd ~ Id Ip Isc Rp I I Hình 3.8 Mô hình thay PV có xét đến tổn hao Biểu thức đặc trưng PV có xét đến ảnh hưởng Rs Rp: (3.5) s s − I exp  q ( V + IR )  − 1 −  V + IR  17 Đặc tính PV có xét đến ảnh hưởng Rs Rp Cường độ dòng điện (A) Rp = ∞; Rs = Rp = 1,0; Rs = 0,05 Điện áp (V) Hình 3.9 Đặc tính PV có xét đến ảnh hưởng Rs Rp 3.4 Module PV Một khuyết điểm PV điện áp dòng điện làm việc nhỏ Một PV có điện áp làm việc khoảng 0,5 V Do đó, để có điện áp làm việc lớn hơn, yêu cầu phải mắc nối tiếp PV để có dòng điện làm việc lớn yêu cầu phải mắc song song PV Cell Module Hình 3.10 Module PV Khi ấy, điện áp module PV xác định sau: Vmod ule = n( Vd − IRs ) Trong đó: Vmodule: điện áp module PV n: số PV module PV (3.6) 18 Vd: điện áp diode Rs: giá trị điện trở nối tiếp Các đường đặc tính module PV mô tả sau: Isc Cường độ dòng điện (A) cells 36 cells Mắc nối tiếp cell 36 cells x 0,6V = 21,6V 2,4V 21,6V Điện áp (V) 0,6V cho cell Hình 3.11 Đặc tính module PV 3.5 Mảng PV Mảng PV định nghĩa việc kết nối nhiều module PV Có hình thức kết nối module PV như: nối tiếp, song song hổn hợp 3.5.1 Nối nối tiếp nhiều module PV Hình thức sử dụng để nâng điện áp hệ thống PV V1 V2 V3 I Cường độ dòng điện V = V1 + V2+ V3 module modules modules Điện áp Hình 3.12 Các module PV kết hợp nối tiếp với 19 3.5.2 Nối song song nhiều module PV Hình thức sử dụng để nâng cường độ dòng điện hệ thống PV modules Cường độ dòng điện I = I1 + I2 + I3 modules I1 I2 I3 V module Điện áp Hình 3.13 Các module PV kết hợp song song với 3.5.3 Nối hỗn hợp nhiều module PV Hình thức sử dụng để nâng điện áp cường độ dòng điện hệ thống PV I I V V a) b) Cường độ dòng điện Điện áp Hình 3.14 Các module PV kết hợp hổn hợp với 3.6 Phân loại hệ thống PV 3.6.1 Hệ thống PV kết nối lưới điện Hệ thống phổ biến nước phát triển Châu Âu với hỗ trợ phủ Đây hệ thống mà kết nối PV trực tiếp vào lưới điện quốc gia mà xem giống nguồn điện khác Trong trường hợp này, lưới điện hoạt động hệ thống lưu trữ cho nhà sản xuất Khi ấy, điện nhà sản xuất bán cho lưới điện quốc gia nhu cầu sau mua lại từ lưới điện có nhu cầu Hệ thống cần biến tần để truyền tải điện từ DC (hệ thống PV sản xuất điện) sang AC lưới điện Khi hệ thống PV sản xuất điện nhà sản xuất sử dụng điện cho nhà hay doanh nghiệp họ, điện sử dụng trực tiếp từ hệ thống PV Khi hệ thống PV không đáp ứng đủ nhu cầu, điện sử dụng từ lưới điện, hình 3.15 Trường hợp ngược lại, hệ thống PV sản xuất điện nhiều nhu cầu, phần dư thừa bán cho lưới điện quốc gia Khoản tiền người dân nhận cung cấp điện cho lưới điện thường nhiều so với chi phí mua điện từ lưới điện Giá điện cao phải trả hệ thống điện quốc gia sử dụng vào tải đỉnh Các hệ thống PV đòi hỏi phải bảo dưỡng tiết kiệm chi phí lớn tòa nhà nơi hệ thống PV lắp đặt sử dụng điện sản xuất trực tiếp Đó động lực để kiếm tiền cách bán điện cho lưới điện quốc gia tòa nhà tiêu dùng điện thấp Hình 3.15 Hệ thống PV kết nối lưới điện 3.6.2 Hệ thống PV độc lập Đây hệ thống không kết nối với lưới điện quốc gia Nó cho phép nhà sản xuất sử dụng lượng điện mà sản xuất trực tiếp Công suất thường lưu trữ ắc-quy mức sản lượng vượt mức nhu cầu Đây loại hệ thống đặc biệt hữu ích khu vực giới nơi mà lưới điện quốc gia, chẳng hạn nước phát triển, trường học, bệnh viện, hệ thống đèn đường, Hệ thống thường liên quan đến việc sử dụng pin quang điện nhỏ nhiều so với pin quang điện sử dụng hệ thống kết nối lưới điện nhu cầu điện thấp đáng kể Hình 3.16 Hệ thống PV độc lập Dạng đơn giản hệ thống PV độc lập hệ thống PV độc lập trực tiếp Khi đó, ngõ DC PV nối trực tiếp với tải DC Vì vậy, phận lưu trữ điện hệ thống tải hoạt động ban ngày, phù hợp với ứng dụng quạt thông gió, bơm nước, 3.7 Các ảnh hưởng đến PV Các PV có bị ảnh hưởng yếu tố cường độ chiếu sáng, nhiệt độ, tượng bóng râm, 3.7.1 Ảnh hưởng cường độ chiếu sáng Cường độ chiếu sáng lớn công suất thu PV lớn, dòng Isc lớn, Hình 3.17 Nhiệt độ PV, 25 C Cường độ dòng điện (A) 1000 W/m2 800 W/m 600 W/m 2 400 W/m 200 W/m 2 10 20 30 Điện áp (V) Hình 3.17 Đặc tuyến V-I PV với cường độ chiếu sáng khác nhiệt độ PV không đổi, 25 C 3.7.2 Ảnh hưởng nhiệt độ Nhiệt độ PV cao Voc thấp, Hình 3.18 2 Cường độ chiếu sáng, kW/m Cường độ dòng điện (A) 0 75 C 50 C 25 C 0 10 20 Điện áp (V) 30 Hình 3.18 Đặc tuyến V-I PV với nhiệt độ khác cường độ chiếu sáng không đổi kW/m 3.7.3 Ảnh hưởng tượng bóng râm Hiện tượng bóng râm định nghĩa PV bị che phủ phần mà gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất PV Giả sử PV mảng PV bi che khuất I Rs PV thứ n Isc I Id Vn-1 V Rp I (n – 1) PV I Hình 3.19 Module PV với n PV trường hợp module không bị che khuất I PV thứ n bị che khuất Isc = Rs VSH I Id = I Rp Vn-1 I (n – 1) PV I Hình 3.20 Module PV với n PV trường hợp module bị che khuất phần Khi ấy, điện áp module PV là: VSH = Vn − I ( R p + Rs ) (3.7) −1 Trong đó: Vn −1 = −n1  V  n  (3.8) Thay (3.8) vào (3.7), ta có: n VSH =  − V − I ( Rp + Rs )  n  (3.9) Khi ấy, sụt áp gây tượng bóng râm xác định sau: ∆V = V − VSH ∆V = V +I n (R n = V − − V + I  n (R  p + Rs ) Mặt khác, Rp >> Rs Khi ấy: +R p ) (3.10) s (3.11) ∆V ~ V + IRp n (3.12) Đặc tính module PV bị ảnh hưởng tượng bóng râm biểu Cường độ dòng điện diễn hình 3.21 Đặc tuyến V-I với trường hợp PV không bị che khuất Đặc tuyến V-I với trường hợp PV bị che khuất ∆V ~ I VSH V n + IR p V Điện áp Hình 3.21 Ảnh hưởng tượng bóng râm module PV Trong trường hợp nhiều PV bị che khuất đặc tuyến biểu diễn hình 3.22 Cường độ dòng điện (A) Không bị che khuất PV bị che khuất 100% PV bị che khuất 50% Nạp ắc-quy PV bị che khuất 100% Điện áp (V) Hình 3.22 Module PV với nhiều PV bị che khuất Để bảo vệ PV bị ảnh hưởng tượng bóng râm, diode bypass kết hợp sử dụng Vc ≈ 0,5 V Vc ≈ - 0,6 V I I 0A I Diode bypass dẫn Diode bypass bị ngắt I I a) PV không bị che khuất b) PV bị che khuất Hình 3.23 Module PV sử dụng diode bypass Cường độ dòng điện (A) Đặc tính PV trường hợp sử dụng diode bypass mô tả hình 2.24 Bị che khuất không sử dụng diode bypass Bị che khuất với diode bypass Không bị che khuất Điện áp ắc-quy Điện áp (V) Hình 3.24 Đặc tính PV trường hợp sử dụng diode bypass Xét mảng PV dùng nạp điện cho ắc-quy, 65V có diode bypass bảo vệ I = 3,3 A 65 V I = 2,2 A Che khuất phần 52 V I = 3,2 A 65 V Che khuất phần 65 V On 65,6 V 80 V Off 39 V 49,2 V 60 V Off I = 3,3 A I = 2,2 A 13 V 32,8 V 40 V 26 V I = 3,2 A 20 V Off 16,4 V Off 0V a) Không bị che khuất 0V b) Bị che khuất không sử dụng dioide bypass 0V b) Bị che khuất sử dụng dioide bypass Hình 3.25 Đánh giá so sánh trường hợp có diode bypass Trong hình 3.25, bình thường PV nguồn phát điện ắc-quy khảo sát có điện áp 65 V Khi ấy, dựa vào đặc tuyến (V, I) PV giá trị điện áp 65 V, cường độ dòng điện PV xác định 3,3 A Khi có tượng bóng râm che khuất mô-đun PV, mô-đun không nguồn phát nữa, dòng điện chạy qua điện trở song song, Rp mô-đun tạo giá trị điện áp rơi, ΔV = I x Rp Giá trị điện áp rơi, ΔV cộng với giá trị điện áp ắc-quy, 65 V điện áp đặt mô-đun PV lại dựa vào đặc tuyến (V, I) PV, dòng điện giảm xuống Trong trường hợp, PV sử dụng diode bypass dòng điện chạy qua diode Điều có nghĩa PV chịu ảnh hưởng tưởng che khuất xảy Bóng râm không làm giảm công suất tế bào quang điện mà thay đổi điện áp hở mạch, Voc; dòng ngắn mạch, Isc hiệu suất chúng Tình trạng bị che phần tình trạng chung bóng tòa nhà, cối, mây bụi bẩn, gây Trong điều kiện bóng che phần, có phần chuỗi module mảng PV chiếu sáng Các module bị che phải chịu điện áp ngược module không bị che đặt lên, làm nhiệt module bị che làm giảm tuổi thọ module Điều tránh cách sử dụng diode bypass đặt module PV Điều cho phép dòng điện dãy hướng phần dãy hoàn toàn tối Hình 3.26 Các đặc tính mảng PV bóng râm Hình 3.26 cho thấy đặc tính mảng PV bao gồm chuỗi kết nối song song chuỗi bao gồm bốn module nối tiếp điều kiện Mặt khác, hình 3.27 cho thấy đặc tính module PV với hai tế bào chuỗi bị che phần, đường cong P-V tồn nhiều điểm cực đại địa phương, nghĩa có nhiều điểm MPP cục làm ảnh hưởng đến hoạt động điều khiển bám điểm cực đại công suất MPPT Công suất ngõ giảm tác động phần bóng che Khi số lượng tế bào bị che nhiều, công suất đầu giảm nhiều Hình 3.27 Các đặc tính mảng PV điều kiện có bóng râm Ảnh hưởng bóng râm lên hiệu suất PV phụ thuộc vào yếu tố sau: - Giảm cách nhiệt (giá trị trung bình) - Phân bố bóng che PV (hình học bóng) - Module có diode bypass - Dạng thiết kế module PV (kết nối kiểu nối tiếp song song) Tóm lại, hiệu ứng bóng râm khó tránh khỏi trình hoạt động hệ thống PV tổn thất công suất cao có hiệu ứng dù là phần nhỏ  ... động điều khiển bám điểm cực đại công suất MPPT Công suất ngõ giảm tác động phần bóng che Khi số lượng tế bào bị che nhiều, công suất đầu giảm nhiều Hình 3.27 Các đặc tính mảng PV điều kiện có bóng. .. viện, hệ thống đèn đường, Hệ thống thường liên quan đến việc sử dụng pin quang điện nhỏ nhiều so với pin quang điện sử dụng hệ thống kết nối lưới điện nhu cầu điện thấp đáng kể Hình 3.16 Hệ thống... = 0,05 Điện áp (V) Hình 3.9 Đặc tính PV có xét đến ảnh hưởng Rs Rp 3.4 Module PV Một khuyết điểm PV điện áp dòng điện làm việc nhỏ Một PV có điện áp làm việc khoảng 0,5 V Do đó, để có điện áp