tổng quan Năng lượng mặt trời

Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của nhà máy điện dùng năng lượng nhiệt mặt trời như sau:... Hiện tại có khá nhiều nhà máy nhiệt điện mặt trời lớn trên thế giới:Tên nhà máy Công suấtMW hoàn thành

CÔNG TY CP THỦY ĐIỆN BUÔN ĐÔN

TỔ KTNC NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAMĐộc lập – Tự do – Hạnh phúc

BÁO CÁO SỐ 1:

TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜIMỤC LỤC:

1 Tổng quan về năng lượng mặt trời

Mặt Trời là nguồn năng lượng lớn nhất mà con người có thể tận dụng được: sạch,mạnh mẽ, dồi dào, đáng tin cậy, gần như vô tận, và có ở khắp nơi dù ít hay nhiều Việcthu giữ năng lượng Mặt Trời (NLMT) gần như không có ảnh hưởng tiêu cực gì đến môitrường Việc sử dụng NLMT không thải ra khí và nước độc hại, do đó không góp phầnvào vấn đề ô nhiễm môi trường và hiệu ứng nhà kính

Bản chất của bức xạ mặt trời là sóng điện từ có phổ bước sóng trải dài từ 10-10 đến

1014 µm

2 Ứng dụng vào việc sản xuất điện từ năng lượng mặt trời:

CSP):

Chuyển bức xạ mặt trời thành nhiệt năng sau đó dùng nhiệt năng này để quaytuabin tạo ra điện Ưu điểm là có thể lưu trữ năng lượng nhiệt để phát ra điện những lúckhông nhận được năng lượng mặt trời một cách dễ dàng Nhưng cấu tạo nhà máy điệnloại này rất phức tạp

Phân loại nhà máy điện dùng năng lượng nhiệt mặt trời như sau:

Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của nhà máy điện dùng năng lượng nhiệt mặt trời như sau:

Hiện tại có khá nhiều nhà máy nhiệt điện mặt trời lớn trên thế giới:

Tên nhà máy Công suất(MW) hoàn thànhThời gian Nước Diện tích(ha)Ivanpah Solar Electric

Solar Energy Generating

Solnova Solar Power

Andasol Solar Power Station 150 2009 Tây Ban Nha 600

Chuyển ánh sáng mặt trời thành điện năng bằng nguyên lý quang điện

Pin năng lượng mặt trời dựa vào hiện tượng quang điện trong Hiện tượng quangđiện trong là hiện tượng ánh sáng giải phóng các electron liên kết để cho chúng trở thànhcác electon dẫn đồng thời tạo ra các lỗ trống cùng tham gia vào quá trình dẫn điện

Theo thuyết lượng tử ánh sáng: Ánh sáng được tạo thành bởi các hạt gọi là photon.Mỗi lần nguyên tử hay phân tử hấp thụ ánh sáng thì chúng hấp thụ một photon

Để giải phóng các electron thì năng lượng photon ánh sáng kích thích phải thắngđược liên kết trong nguyên tử hoặc phân tử

Muốn như vậy thì bước sóng ánh sáng kích thích λ≤λ0 (λ0 là giới hạn quang điện).

Các nhà khoa học đã chứng minh được rằng năng lượng từ electron giải phóng chỉphụ thuộc vào bước sóng ánh sáng chứ không phụ thuộc vào cường độ sáng Ánh sángcường độ thấp tạo ra ít electron hơn, nhưng mỗi electron đều có năng lượng như nhau, bấtchấp cường độ sáng Hơn nữa, còn nhận thấy ánh sáng có bước sóng ngắn giải phóngelectron có năng lượng lớn hơn năng lượng electron tự do được giải phóng bằng ánh sáng

có bước sóng dài hơn Kết luận rằng cường độ ánh sáng xác định số electron được giảiphóng bởi hiện tượng quang điện, và bước sóng ánh sáng xác định lượng năng lượng nộitại chứa trong mỗi electron được giải phóng

Ánh sáng có cường độ lớn hơn chỉ gây ra nhiều photon hơn va chạm lên kim loạitrong một đơn vị thời gian, tương ứng làm bật ra nhiều electron hơn Năng lượng của mỗielectron phát ra phụ thuộc vào bước sóng (tần số) của ánh sáng gây ra sự phát xạ, với ánhsáng tần số cao hơn sẽ tạo ra electron có năng lượng cao hơn

Chất bán dẫn: là chất mà trong nhiệt độ bình thường nó có độ dẫn điện nằm giữachất dẫn điện và chất cách điện Hiện nay, chất bán dẫn thường được sử dụng là silic, silictinh khiết có cấu trúc tinh thể rất bền vững Ở nhiệt độ thấp nó không có các điện tích tự

do, vì thế silic tinh khiết hoạt động như chất cách điện

Hỗn hợp silic với các nguyên tố khác có ảnh hưởng rất lớn đến độ dẫn điện củasilic Một số hỗn hợp silic (pha với tạp chất thuộc nhóm V như Arsenic, Photpho,Antimony,…) thừa điện tích tự do và điện tích này trở thành hạt dẫn điện, hỗn hợp nàytạo ra chất bán dẫn N, mang điện tích âm Một số hỗn hợp của silic (pha tạp chất thuộc

nhóm III như Indium, Galium, Nhôm,…) thiếu điện tích và chúng tạo ra lỗ trống Các lỗtrống tạo thành thành phần dẫn điện Hỗn hợp loại này tạo thành bán dẫn loại P, mangđiện tích dương.

Nếu đưa phiến bán dẫn đã tạo lớp tiếp xúc P - N cho ánh sáng mặt trời chiếu vàothì photon của ánh sáng mặt trời có thể kích thích làm cho điện tử đang liên kết vớinguyên tử bị bật ra khỏi nguyên tử, đồng thời ở nguyên tử xuất hiện chỗ trống vì thiếuelectron, người ta gọi là photon đến tạo ra cặp electron - lỗ trống Nếu cặp electron - lỗtrống này sinh ra ở gần chỗ có tiếp P - N thì điện trường tiếp xúc sẽ đẩy electron về mộtbên (bên bán dẫn N) đẩy lỗ trống về một bên (bên bán dẫn P) Nhưng cơ bản là electron

đã nhảy từ miền hoá trị (dùng để liên kết) lên miền dẫn ở mức cao hơn, có thể chuyểnđộng tự do Càng có nhiều photon chiếu đến càng có nhiều cơ hội để electron nhảy lênmiền dẫn Do đó tạo ra hiệu điện thế hai điện cực của tấm P và N

Lưu ý rằng, chỉ có các cặp điện tử được tạo ra ở miền tiếp xúc hoặc cách bờ miềntiếp xúc một khoảng gọi là độ dài khuếch tán trung bình của cặp điện tử thì mới bị điệntrường tiếp xúc tách ra và tạo ra hiệu điện thế quang điện

Mô phỏng hoạt động của pin PV Solar:

https://www.youtube.com/watch?v=f01UyQj0feM

https://www.youtube.com/watch?v=epFsYcDNxjQ

Nhà máy điện năng lượng mặt trời PV (solar photovoltaic):

3 Các hệ thống trong nhà máy điện năng lượng mặt trời PV

Pin mặt trời PV được cấu tạo bởi nhiều cell PV loại silicon tinh thể (crystallinesilicon) hoặc màng mỏng (thin film) Các loại công nghệ sản xuất pin năng lượng mặttrời PV như mô tả sau:

3.1.1 Mono-crystalline silicon:

Được làm từ các tấm wafer đơn tinh thể silic Bằng phương pháp Czochralski hoặcfloat zone sản xuất được khối ingot đơn tinh thể, cắt khối ingot được những tấm wafermỏng như hình vẽ

3.1.2 Poly-crystalline silicon:

Được làm từ các tấm wafer đa tinh thể silic Bằng tinh luyện ở nhiệt độ cao sảnxuất được khối ingot đa tinh thể, cắt khối ingot được những tấm wafer đa tinh thể mỏngnhư hình vẽ

Quy trình sản xuất tấm pin năng lượng mặt trời tinh thể silic:

- Hàn kín đường biên và gắn lớp kính bảo vệ;

Hiệu suất chuyển đổi năng lượng của pin PV solar tương ứng với các công nghệchế tạo

Ta có thể dễ dàng nhận thấy hiệu suất chuyển đổi quang điện của pin dùng côngnghệ Crystalline silicon có hiệu suất cao hơn rất nhiều số với loại thin film Nhưng thinfilm là loại công nghệ mới và cũng có những ưu điểm nối bật của nó đặc biệt giá rẻ hơnnhiều so với pin tinh thể.

Chất lượng của cell pin PV Solar quyết định đến hiệu suất của tấm pin Thôngthường ta chia chất lượng cell pin PV Solar thành 24 loại khác nhau, loại A là loại từ 1đến 8 có chất lượng cao nhất và cho hiệu suất cao nhất Loại B từ loại 9 đến 16 và loại C

từ loại 17 đến 24 Nếu chất lượng cell pin sản xuất ra kém hơn tiêu chuẩn loại 24 thì sẽ bịloại

Một đặc tính quan trọng của pin năng lượng mặt trời là hệ số nhiêt độ Nhiệt độtấm pin càng cao thì hiệu suất chuyển đổi quang điện càng giảm

Ở nhiệt độ càng cao tốc độ chuyển động điện tử càng lớn Khi các điện tử đượckích thích bởi photon sẽ chuyển vùng năng lượng và di chuyển về các điện cực qua vùngtiếp xúc P- N do điện trường tiếp xúc gây ra Với nhiệt độ càng cao chuyển động các điện

tử càng nhanh, trong quá trình di chuyển các điện tử kích thích sẽ gặp các điện tử trái dấunhiều hơn gây ra cản trở dòng di chuyển về phía các cực của các điện tử kích thích Vìvậy nhiệt độ càng cao càng làm giảm hiệu suất tấm pin

Đặc tính như hình bên dưới

Các nhà khoa học Hungary đã làm thí nghiệm lắp đặt 3 loại pin này ở cùng một vịtrí giống nhau, chúng đều có cùng một công suất lắp đặt là 1kwp, mỗi loại pin lắp 3 mẫuthử nghiệm Qua một mùa nắng họ đã thu được kết quả như sau;

Pin mono-crystalline silicon (c-Si): 890-970kwh/kwp;

Pin poly-crystalline silicon (p-Si): 850-960 kwh/kwp;

Pin thin film silicon (a-Si): 960-1060kwh/kwp

Như vậy, mặc dù hiệu suất chuyển đổi quang điện thấp nhưng điện năng thu đượctrong cả một mùa trên1kwp của loại a-Si lại cao hơn Bằng những thí nghiệm khác cácnhà khoa học còn xác định được pin a-Si có thể làm việc được trong điều kiện trời cómây mù và cả trong môi trường không khí có nhiệt độ cao, mà các pin c-Si và p-Si làmviệc không hiệu quả bằng

Các tấm pin mặt trời cấu tạo từ các cell pin PV Solar Các cell pin PV Solar giảiphóng các điện tích dưới tác động của ánh sáng mặt trời Để tạo ra dòng điện cần phảidồn các điện tích này thành một dòng tập trung, đó chính là nhiệm vụ các thanh finger vàbusbar

Trong đó các thanh finger là các đường dẫn phụ đưa các điện tích đến thanhbusbar là đường dẫn chính để ra điện cực ngoài Như vậy, các đường busbar góp vai tròquan trọng tạo nên dòng điện cho các cell pin PV Solar và tạo nên dòng điện tổng chotấm pin mặt trời Với một cell pin có nhiều busbar, các electron dễ dàng tập trung để tạothành dòng điện hơn Mặc khác, với các cell pin cùng diện tích, cùng công suất, tức cùngsinh ra một giá trị dòng điện thì việc sử dụng nhiều busbar sẽ làm giảm giá trị dòng điệntrên mỗi busbar, điều này góp phần giảm tổn hao trên các đường busbar, đặc biệt là khighép các cell pin thành một tấm pin, từ đó góp phần nâng cao hiệu suất của tấm pin mặttrời.

Hiện nay, trên thế giới có nhiều chuẩn busbar khác nhau: 2BB, 3BB, 4BB, 5BB.Việc sản xuất 1 tấm pin mặt trời theo chuẩn busbar nào phụ thuộc nhiều vào công nghệcủa từng nhà sản xuất, trong đó công nghệ 4BB đang là công nghệ tiên tiến nhất rất phổbiến, mang lại hiệu suất cao nhất Công nghệ 5BB đang được một số hãng nghiên cứu sảnxuất nhưng chưa áp dụng vào triển khai diện rộng do chi phí sản xuất còn khá cao

Sơ đồ nguyên lý của bộ Inverter 1 pha và 3 pha của INVT:

3.2.1 Bộ chuyển đổi điện DC sang AC (Bộ nghịch lưu):

Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu dùng sơ đồ cầu một pha với tải thuần trở:

Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu dùng sơ đồ cầu ba pha với tải thuần trở

Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu dùng sơ đồ cầu một pha với tải có tính cảm

Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu dùng sơ đồ cầu ba pha với tải có tính cảm:

Giản đồ sóng điện áp và dòng điện thực tế xoay chiều thu được trong mạch nghịchlưu

Khi ta thay đổi tần số chuyển mạch giữa các cặp thyristor thì ta sẽ thay đổi được tần số đầu ra.

Khi ta thay đổi tần số đóng mở trong một chu kì của một cặp thyristor (điều biến

độ rộng xung) thì ta thay đổi được điện áp đầu ra

Việc điều khiển thay đổi được tần số và điện áp như nguyên lý trên là nguyên tắc

cơ bản để bộ Inverter hòa được vào điện lưới

Đây là bộ điều khiển dò tìm điểm làm việc có công suất tối ưu của hệ thống nguồnpin mặt trời Tại một những thời điểm khác nhau thì điểm MPP có giá trị khác nhau phụ thuộc nhiều yếu tố từ bức xạ mặt trời, nhiệt độ tấm pin, loại pin sử dụng, tuổi thọ tấm pin,

…

Điểm công suất lớn nhất của đường cong V-I pin mặt trời, điện áp bằng khoảng 80% Voc điện áp hở mạch, dòng điện bằng khoảng 95% dòng điện ngắn mạch.

Thể hiện đường đặc tính làm việc I – V ở những mức cường độ bức xạ khác nhau tăng dần ở cùng một giá trị nhiệt độ (25 độ C)

Thể hiện các đường đặc tính làm việc ở cùng một mức cường độ bức xạ nhưng vớinhiệt độ tăng dần.

Từ hai hình vẽ này, ta nhận thấy có sự dịch chuyển điện áp quan sát được ở vị trícủa điểm MPP Vì vậy điểm MPP cần phải dùng thuật toán để xác định Thuật toán này làtrung tâm của bộ điều khiển MPPT Thuật toán MPPT được coi là một phần không thểthiếu trong hệ PV, được áp dụng với mong muốn nâng cao hiệu quả sử dụng của chuỗipin mặt trời Nó được đặt trong bộ điều khiển bộ biến đổi DC/DC Các thuật toán MPPTđiều khiển của bộ biến đổi DC/DC sử dụng nhiều tham số, thường là các tham số nhưdòng PV, điện áp PV, dòng ra, điện áp ra của bộ DC/DC Các thuật toán này được so sánhdựa theo các tiêu chí như hiệu quả điểm làm việc có công suất lớn nhất, số lượng cảmbiến sử dụng, độ phức tạp của hệ thống, tốc độ biến đổi…

Nhìn chung có rất nhiều thuật toán MPPT đã được nghiên cứu và ứng dụng trênnhiều hệ thống Một phương pháp đo điện áp hở mạch Voc của các pin mặt trời cứ 30giây một lần bằng cách tách pin mặt trời ra khỏi mạch trong một khoảng thời gian ngắn.Sau khi nối mạch trở lại, điện áp pin được điều chỉnh lên 76% của Voc Tỷ lệ % này phụthuộc vào loại pin mặt trời sử dụng Việc thực hiện phương pháp điều khiển mạch hở nàyđơn giản và ít chi phí mặc dù hiệu quả MPPT là thấp (từ 73% đến 91%)

Phương pháp tính toán cũng có thể dự đoán vị trí của điểm MPPT, tuy nhiên trongthực tế, phương pháp này làm việc không hiệu quả vì nó không theo được những thay đổivật lý, tuổi thọ của tấm pin và các ảnh hưởng bên ngoài khác như bóng của các vật cản …

Các thuật toán sử dụng phương pháp điều khiển kín mạch có thể cho hiệu quả caohơn, nên các thuật toán này được sử dụng phổ biến hơn cho MPPT Có 2 phương phápMPPT được ứng dụng rộng rãi và đã trở nên phổ biến, quen thuộc: Phương pháp nhiễuloạn và quan sát P&O và Phương pháp điện dẫn gia tăng INC Các phương pháp này sẽ

được nghiên cứu kỹ hơn trong đề tài nghiên cứu chuyên sâu về Inverter dùng cho PVSolar.

Sơ đồ khối của bộ MPPT

3.2.3 Grid-tied:

Chức năng Grid-tied là để lọc sóng đầu ra tạo sóng sin chuẩn như điện lưới tránh việc gây nhiễu cho thiết bị Mặt khác còn có chức năng ngắt inverter khi mất điện lưới tránh ảnh hưởng đến hệ thống năng lượng mặt trời và nguy hiểm cho các thao tác trên lưới điện

Sơ đồ khối chức năng của bộ Inverter nối lưới

Sau khi qua bộ chuyển đổi DC/AC sóng điện áp AC đầu ra không hoàn toàn hình sin Việc này ảnh hưởng rất lớn đến phụ tải sử dụng cũng như gây nhiễu cho các thiết bị điện tử trong hệ thống điện Vì vậy cần phải lọc sóng hài bậc cao để tạo ra sóng chuẩn sin

Lọc thụ động: Thành phần chính là các tụ điện và kháng điện được thiết kế tạo ra mạch cộng hưởng với tần số phù hợp với tần số của bậc sóng hài cần lọc.

Với ZL=ωL=2πfL

ZC=1/ωC=1/2πfC

Sự kết hợp các giá trị L,C,R tạo ra những bộ lọc hài có giá trị tổng trở thíc hợp để lọc những tần số không mong muốn

Các bộ lọc sóng hài bậc cao đơn giản

Lọc tích cực: Thành phần chính gồm các thiết bị điện tử công suất, bộ xử lý tín hiệu số, bộ kiểm tra, …để phát ra các sóng hài có tần số và độ lớn bằng với sóng hài cần lọc nhưng ngược pha để chúng triệt tiêu sóng hài sinh ra Vì thế nó có thể triệt tiêu hầu hết các sóng hài kể cả khi sóng hài thay đổi theo thời điểm

Hình minh họa sơ đồ nguyên lý bộ lọc sóng hài tích cực

để chặn sóng hài sinh ra từ tải đi về lưới điện

3.3 Kết cấu giá đỡ pin:

Dự án Solar PV đặt trên mặt đất: Khung dàn giá đỡ cho hệ thống pin PV đơn giản

dễ chế tạo nên có tính kinh tế cao nhưng lại chiếm diện tích đất rất lớn Do dó nơi đặt dự

án nhà máy điện dùng pin solar PV thường là những vùng đất khô cằn, không thuận lợiphát triển nông nghiệp Mặt khác hiệu suất tấm pin Solar PV rất nhạy cảm với nhiệt độnên khi nhiệt độ cao hiệu suất tấm pin giảm rất nhiều, do đó cũng cần có biện pháp giảmnhiệt độ cho tấm pin

Dự án Solar PV đặt nổi trên mặt nước: Giúp giảm được diện tích đất sử dụng dotận dụng được diện tích mặt nước Đồng thời tăng hiệu suất và tuổi thọ tấm pin vì hiệuứng nhiệt Nhưng việc làm khung, giàn, giá đỡ rất phức tạp nên tăng chi phí đầu tư.

3.4 Sơ đồ đấu nối của nhà máy năng lượng mặt trời PV:

Sơ đồ đấu nối pin của hệ thống PV nối tiếp các module pin lại với nhau tạo thànhmột chuỗi (string) Mỗi chuỗi khoảng 20 đến 30 module pin có điện áp có thể lên tới1000VDC Đối với những nhà máy lớn điện áp DC của một string có thể lên tới1500VDC Điều này làm giảm tiết diện dây dẫn và kích thước các thiết bị liên quan

Có hai sơ đồ đấu nối pin Solar PV vào Inverter:

Sơ đồ đấu nối Central inverter:

Với sơ đồ này thì nhiều string được nối vào một Inverter với công suất đầu ra cóthể lên tới 2 MW