tổng quan Năng lượng mặt trời

CÔNG TY CP THỦY ĐIỆN BUÔN ĐÔN TỔ KTNC NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BÁO CÁO SỐ 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI MỤC LỤC: Tổng quan lượng mặt trời Mặt Trời nguồn lượng lớn mà người tận dụng được: sạch, mạnh mẽ, dồi dào, đáng tin cậy, gần vơ tận, có khắp nơi dù hay nhiều Việc thu giữ lượng Mặt Trời (NLMT) gần khơng có ảnh hưởng tiêu cực đến mơi trường Việc sử dụng NLMT khơng thải khí nước độc hại, khơng góp phần vào vấn đề nhiễm mơi trường hiệu ứng nhà kính Bản chất xạ mặt trời sóng điện từ có phổ bước sóng trải dài từ 10 -10 đến 1014 µm Ứng dụng vào việc sản xuất điện từ lượng mặt trời: 2.1 Nhà máy điện dùng lượng nhiệt mặt trời (concentrated solar power, CSP): Chuyển xạ mặt trời thành nhiệt sau dùng nhiệt để quay tuabin tạo điện Ưu điểm lưu trữ lượng nhiệt để phát điện lúc không nhận lượng mặt trời cách dễ dàng Nhưng cấu tạo nhà máy điện loại phức tạp Phân loại nhà máy điện dùng lượng nhiệt mặt trời sau: Sơ đồ nguyên lý cấu tạo nhà máy điện dùng lượng nhiệt mặt trời sau: Hiện có nhiều nhà máy nhiệt điện mặt trời lớn giới: Tên nhà máy Ivanpah Solar Electric Generating System Solar Energy Generating Systems Solana Generating Station Solnova Solar Power Station Andasol Solar Power Station Cơng suất (MW) Thời gian hồn thành Nước Diện tích (ha) 392 2014 Mỹ 1400 354 2014 Mỹ 647 280 2013 Mỹ 780 250 2010 Tây Ban Nha 1000 150 2009 Tây Ban Nha 600 2.2 Nhà máy điện mặt trời PV solar (Solar Photovoltaic, SPV): Chuyển ánh sáng mặt trời thành điện nguyên lý quang điện Pin lượng mặt trời dựa vào tượng quang điện Hiện tượng quang điện tượng ánh sáng giải phóng electron liên kết chúng trở thành electon dẫn đồng thời tạo lỗ trống tham gia vào trình dẫn điện Theo thuyết lượng tử ánh sáng: Ánh sáng tạo thành hạt gọi photon Mỗi lần nguyên tử hay phân tử hấp thụ ánh sáng chúng hấp thụ photon Để giải phóng electron lượng photon ánh sáng kích thích phải thắng liên kết nguyên tử phân tử Muốn bước sóng ánh sáng kích thích λ≤λ0 (λ0 giới hạn quang điện) Các nhà khoa học chứng minh lượng từ electron giải phóng phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng khơng phụ thuộc vào cường độ sáng Ánh sáng cường độ thấp tạo electron hơn, electron có lượng nhau, bất chấp cường độ sáng Hơn nữa, nhận thấy ánh sáng có bước sóng ngắn giải phóng electron có lượng lớn lượng electron tự giải phóng ánh sáng có bước sóng dài Kết luận cường độ ánh sáng xác định số electron giải phóng tượng quang điện, bước sóng ánh sáng xác định lượng lượng nội chứa electron giải phóng Ánh sáng có cường độ lớn gây nhiều photon va chạm lên kim loại đơn vị thời gian, tương ứng làm bật nhiều electron Năng lượng electron phát phụ thuộc vào bước sóng (tần số) ánh sáng gây phát xạ, với ánh sáng tần số cao tạo electron có lượng cao Chất bán dẫn: chất mà nhiệt độ bình thường có độ dẫn điện nằm chất dẫn điện chất cách điện Hiện nay, chất bán dẫn thường sử dụng silic, silic tinh khiết có cấu trúc tinh thể bền vững Ở nhiệt độ thấp khơng có điện tích tự do, silic tinh khiết hoạt động chất cách điện Hỗn hợp silic với nguyên tố khác có ảnh hưởng lớn đến độ dẫn điện silic Một số hỗn hợp silic (pha với tạp chất thuộc nhóm V Arsenic, Photpho, Antimony,…) thừa điện tích tự điện tích trở thành hạt dẫn điện, hỗn hợp tạo chất bán dẫn N, mang điện tích âm Một số hỗn hợp silic (pha tạp chất thuộc nhóm III Indium, Galium, Nhơm,…) thiếu điện tích chúng tạo lỗ trống Các lỗ trống tạo thành thành phần dẫn điện Hỗn hợp loại tạo thành bán dẫn loại P, mang điện tích dương Lớp tiếp xúc bán dẫn P-N: Trạng thái lớp tiếp xúc p-n Khi chưa kích thích Trạng thái kích thích xảy tượng quang điện Tại vị trí tiếp xúc P - N chênh lệch mật độ điện dẫn nên điện tử lớp N khuếch tán sang bán dẫn loại P khuếch tán ngược lại từ lớp P sang lớp N Sự khuếch tán làm cho phần bán dẫn lớp N sát lớp tiếp xúc tích điện dương bán dẫn lớp P ngày đối diện tích điện âm Trong miền tiếp xúc hình thành điện trường tiếp xúc hướng từ lớp bán dẫn N sang lớp bán dẫn P, Si vào cỡ 0,6V đến 0,7V Điện trường tiếp xúc ngăn không cho khuếch tán tiếp tục điện tử qua lớp tiếp xúc Nếu đưa phiến bán dẫn tạo lớp tiếp xúc P - N cho ánh sáng mặt trời chiếu vào photon ánh sáng mặt trời kích thích làm cho điện tử liên kết với nguyên tử bị bật khỏi nguyên tử, đồng thời nguyên tử xuất chỗ trống thiếu electron, người ta gọi photon đến tạo cặp electron - lỗ trống Nếu cặp electron - lỗ trống sinh gần chỗ có tiếp P - N điện trường tiếp xúc đẩy electron bên (bên bán dẫn N) đẩy lỗ trống bên (bên bán dẫn P) Nhưng electron nhảy từ miền hoá trị (dùng để liên kết) lên miền dẫn mức cao hơn, chuyển động tự Càng có nhiều photon chiếu đến có nhiều hội để electron nhảy lên miền dẫn Do tạo hiệu điện hai điện cực P N Lưu ý rằng, có cặp điện tử tạo miền tiếp xúc cách bờ miền tiếp xúc khoảng gọi độ dài khuếch tán trung bình cặp điện tử bị điện trường tiếp xúc tách tạo hiệu điện quang điện Mô hoạt động pin PV Solar: https://www.youtube.com/watch?v=f01UyQj0feM https://www.youtube.com/watch?v=epFsYcDNxjQ Nhà máy điện lượng mặt trời PV (solar photovoltaic): Các hệ thống nhà máy điện lượng mặt trời PV 3.1 Pin lượng mặt trời PV: Pin mặt trời PV cấu tạo nhiều cell PV loại silicon tinh thể (crystalline silicon) màng mỏng (thin film) Các loại công nghệ sản xuất pin lượng mặt trời PV mô tả sau: 3.1.1 Mono-crystalline silicon: Được làm từ wafer đơn tinh thể silic Bằng phương pháp Czochralski float zone sản xuất khối ingot đơn tinh thể, cắt khối ingot wafer mỏng hình vẽ 3.2.1 Bộ chuyển đổi điện DC sang AC (Bộ nghịch lưu): Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu dùng sơ đồ cầu pha với tải trở: Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu dùng sơ đồ cầu ba pha với tải trở Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu dùng sơ đồ cầu pha với tải có tính cảm Sơ đồ ngun lý nghịch lưu dùng sơ đồ cầu ba pha với tải có tính cảm: Giản đồ sóng điện áp dòng điện thực tế xoay chiều thu mạch nghịch lưu Khi ta thay đổi tần số chuyển mạch cặp thyristor ta thay đổi tần số đầu Khi ta thay đổi tần số đóng mở chu kì cặp thyristor (điều biến độ rộng xung) ta thay đổi điện áp đầu Việc điều khiển thay đổi tần số điện áp nguyên lý nguyên tắc để Inverter hòa vào điện lưới 3.2.2 MPPT (Maximum Power Point Tracker): Đây điều khiển dò tìm điểm làm việc có cơng suất tối ưu hệ thống nguồn pin mặt trời Tại thời điểm khác điểm MPP có giá trị khác phụ thuộc nhiều yếu tố từ xạ mặt trời, nhiệt độ pin, loại pin sử dụng, tuổi thọ pin, … Điểm công suất lớn đường cong V-I pin mặt trời, điện áp khoảng 80% Voc điện áp hở mạch, dòng điện khoảng 95% dòng điện ngắn mạch Thể đường đặc tính làm việc I – V mức cường độ xạ khác tăng dần giá trị nhiệt độ (25 độ C) Thể đường đặc tính làm việc mức cường độ xạ với nhiệt độ tăng dần Từ hai hình vẽ này, ta nhận thấy có dịch chuyển điện áp quan sát vị trí điểm MPP Vì điểm MPP cần phải dùng thuật toán để xác định Thuật toán trung tâm điều khiển MPPT Thuật toán MPPT coi phần thiếu hệ PV, áp dụng với mong muốn nâng cao hiệu sử dụng chuỗi pin mặt trời Nó đặt điều khiển biến đổi DC/DC Các thuật toán MPPT điều khiển biến đổi DC/DC sử dụng nhiều tham số, thường tham số dòng PV, điện áp PV, dòng ra, điện áp DC/DC Các thuật toán so sánh dựa theo tiêu chí hiệu điểm làm việc có cơng suất lớn nhất, số lượng cảm biến sử dụng, độ phức tạp hệ thống, tốc độ biến đổi… Nhìn chung có nhiều thuật tốn MPPT nghiên cứu ứng dụng nhiều hệ thống Một phương pháp đo điện áp hở mạch Voc pin mặt trời 30 giây lần cách tách pin mặt trời khỏi mạch khoảng thời gian ngắn Sau nối mạch trở lại, điện áp pin điều chỉnh lên 76% Voc Tỷ lệ % phụ thuộc vào loại pin mặt trời sử dụng Việc thực phương pháp điều khiển mạch hở đơn giản chi phí hiệu MPPT thấp (từ 73% đến 91%) Phương pháp tính tốn dự đốn vị trí điểm MPPT, nhiên thực tế, phương pháp làm việc khơng hiệu khơng theo thay đổi vật lý, tuổi thọ pin ảnh hưởng bên khác bóng vật cản … Các thuật tốn sử dụng phương pháp điều khiển kín mạch cho hiệu cao hơn, nên thuật toán sử dụng phổ biến cho MPPT Có phương pháp MPPT ứng dụng rộng rãi trở nên phổ biến, quen thuộc: Phương pháp nhiễu loạn quan sát P&O Phương pháp điện dẫn gia tăng INC Các phương pháp nghiên cứu kỹ đề tài nghiên cứu chuyên sâu Inverter dùng cho PV Solar Sơ đồ khối MPPT 3.2.3 Grid-tied: Chức Grid-tied để lọc sóng đầu tạo sóng sin chuẩn điện lưới tránh việc gây nhiễu cho thiết bị Mặt khác có chức ngắt inverter điện lưới tránh ảnh hưởng đến hệ thống lượng mặt trời nguy hiểm cho thao tác lưới điện Sơ đồ khối chức Inverter nối lưới Sau qua chuyển đổi DC/AC sóng điện áp AC đầu khơng hồn tồn hình sin Việc ảnh hưởng lớn đến phụ tải sử dụng gây nhiễu cho thiết bị điện tử hệ thống điện Vì cần phải lọc sóng hài bậc cao để tạo sóng chuẩn sin Lọc thụ động: Thành phần tụ điện kháng điện thiết kế tạo mạch cộng hưởng với tần số phù hợp với tần số bậc sóng hài cần lọc Với ZL=ωL=2πfL ZC=1/ωC=1/2πfC Sự kết hợp giá trị L,C,R tạo lọc hài có giá trị tổng trở thíc hợp để lọc tần số khơng mong muốn Các lọc sóng hài bậc cao đơn giản Lọc tích cực: Thành phần gồm thiết bị điện tử cơng suất, xử lý tín hiệu số, kiểm tra, …để phát sóng hài có tần số độ lớn với sóng hài cần lọc ngược pha để chúng triệt tiêu sóng hài sinh Vì triệt tiêu hầu hết sóng hài kể sóng hài thay đổi theo thời điểm Hình minh họa sơ đồ ngun lý lọc sóng hài tích cực để chặn sóng hài sinh từ tải lưới điện 3.3 Kết cấu giá đỡ pin: Dự án Solar PV đặt mặt đất: Khung dàn giá đỡ cho hệ thống pin PV đơn giản dễ chế tạo nên có tính kinh tế cao lại chiếm diện tích đất lớn Do dó nơi đặt dự án nhà máy điện dùng pin solar PV thường vùng đất khô cằn, không thuận lợi phát triển nông nghiệp Mặt khác hiệu suất pin Solar PV nhạy cảm với nhiệt độ nên nhiệt độ cao hiệu suất pin giảm nhiều, cần có biện pháp giảm nhiệt độ cho pin Dự án Solar PV đặt mặt nước: Giúp giảm diện tích đất sử dụng tận dụng diện tích mặt nước Đồng thời tăng hiệu suất tuổi thọ pin hiệu ứng nhiệt Nhưng việc làm khung, giàn, giá đỡ phức tạp nên tăng chi phí đầu tư 3.4 Sơ đồ đấu nối nhà máy lượng mặt trời PV: Sơ đồ đấu nối pin hệ thống PV nối tiếp module pin lại với tạo thành chuỗi (string) Mỗi chuỗi khoảng 20 đến 30 module pin có điện áp lên tới 1000VDC Đối với nhà máy lớn điện áp DC string lên tới 1500VDC Điều làm giảm tiết diện dây dẫn kích thước thiết bị liên quan Có hai sơ đồ đấu nối pin Solar PV vào Inverter: Sơ đồ đấu nối Central inverter: Với sơ đồ nhiều string nối vào Inverter với cơng suất đầu lên tới MW Ưu điểm: - Nhiều string đấu inverter nên sơ đồ đơn giản, tiết kiệm chi phí Nhược điểm: - Khó khăn điều khiển tìm điểm cơng suất tối ưu string đấu vào MTTP Nên hiệu suất không kiểu đấu single string inverter - Khi bị cố inverter phần điện string đấu nối vào inverter Sơ đồ đấu nối single string inverters: Mỗi inverter có vài string đấu vào chúng Ưu điểm: - Việc xác định công suất tối ưu string pin PV dễ dàng nên hiệu suất cao Khi yếu tố ảnh hưởng đến string ảnh hưởng đến riêng string - Khi cố inverter lượng riêng string Nhược điểm: - Mỗi chuỗi hay vài chuỗi ghép vào inverter nên có nhiều inverter nhỏ giá thành xây dựng cao - Chi phí để đấu nối lắp đặt cao Sơ đồ đầu nối thực tế đính kèm file: ĐMT.17.07-NM.D.01-2-3-So noi dien.dwg Tổ KTNC NLMT Nguyễn Hữu Lượng ... 2.2 Nhà máy điện mặt trời PV solar (Solar Photovoltaic, SPV): Chuyển ánh sáng mặt trời thành điện nguyên lý quang điện Pin lượng mặt trời dựa vào tượng quang điện Hiện tượng quang điện tượng... điện lượng mặt trời PV 3.1 Pin lượng mặt trời PV: Pin mặt trời PV cấu tạo nhiều cell PV loại silicon tinh thể (crystalline silicon) màng mỏng (thin film) Các loại công nghệ sản xuất pin lượng mặt. .. điện từ lượng mặt trời: 2.1 Nhà máy điện dùng lượng nhiệt mặt trời (concentrated solar power, CSP): Chuyển xạ mặt trời thành nhiệt sau dùng nhiệt để quay tuabin tạo điện Ưu điểm lưu trữ lượng nhiệt