LUAN VAN điều KHIỂN PIN mặt TRỜI

Mặt trời bức xạ năng lượng theo một dãy rất rộng, tuy nhiên không phải tia bức xạ nào cũng có thể tạo ra hiện tượng quang điện. Chỉ có những tia bức xạ (ứng với bước sóng ג ) có năng lượng lớn hơn mức năng lượng kích hoạt electron (tuỳ từng chất bán dẫn) mới có khả năng tạo ra hiện tượng quang điện.

Luận văn cao học ………………………………………………………………………………………………… CHƯƠNG I : ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ TẦM QUAN TRỌNG CỦA LUẬN VĂN Ngày ô nhiễm môi trường cạn kiệt nguồn lượng thiên nhiên vấn đề thách thức lớn cho toàn nhân loại Làm để chất lượng sống nâng cao cải thiện sức khoẻ cho người vấn đề nhiều người quan tâm Khai thác nguồn lượng xanh, sạch( lượng mặt trời, gió, thuỷ triều…) đã, thu hút nhiều tổ chức , nhiều nhà khoa học … dồn nhiều thời gian tiền bạc để nghiên cứu , triển khai, đưa nguồn lượng xanh sớm ứng dụng sống Hoà vào xu thầy hướng dẫn góp ý, tơi mạnh dạn tổng hợp, phân tích đề xuất số vấn đề liên quan đến lĩnh vực biến đổi lượng mặt trời thành lượng điện phục vụ cho đời sống người Đặc biệt dùng phần mềm Psim 9.0 để khảo sát mô hệ PV, với yếu tố mơi trường thay đổi xạ mặt trời nhiệt độ môi trường nơi đặt hệ PV Trọng tâm luận văn : Công nghệ chuyển lượng mặt trời thành lượng điện hoà vào lưới điện hệ thống Đây tên luận văn mà thực Tính đến nay, có nhiều cơng trình khoa học nghiên cứu điện mặt trời : qui trình kỹ thuật, phần mềm, sản xuất thiết bị Luận văn cao học ………………………………………………………………………………………………… Các nước đứng đầu giới lĩnh vực kỹ thuật Mỹ, Nhật, Nga…ngày đêm cạnh tranh riết, để chứng tỏ nước đứng đầu giới lĩnh vực “hot” này, mà vấn đề không chỗ hình thức, mà ngày khơng xa mạch máu ( nguồn lượng) ni sống thể ( sống) Và nước ta khơng phải ngoại lệ, tình hình giá dầu, than đá ngày tăng có khơng kiểm sốt Do việc nghiên cứu thực luận văn thúc tơi có suy nghĩ, đưa đất nước Việt nam cạnh tranh với nước tiên tiến Thế giới, để chứng tỏ khơng thấp Mà để biến ý tưởng thành thực- tốn cơng sức, thời gian tiền bạc nhất, tơi nghỉ phải học từ cơng nghệ nước ngồi, ứng dụng thành tựu mà loài người phát minh khám phá Chúng ta không chê cười người Nhật, họ xả thân đất nước, mổ bụng để chứa, đưa cơng trình khoa học lấy cắp từ nước ngồi, ứng dụng cho nước nhà Và hoan nghênh người Việt nam có tinh thần Luận văn cao học ………………………………………………………………………………………………… CHƯƠNG II : TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU I Điểm lại số nét công nghệ biến lượng mặt trời thành lượng điện Điện mặt trời nhà khoa học đề cập vào năm đầu thập kỷ 70 Trong khứ sử dụng lượng điện mặt trời cho truyền thông vệ tinh, cho khu dân cư tải công nghiệp Ở Mỹ có nhà máy điện lượng mặt trời đưa vào sử dụng Và tương lai có nhà máy điện mặt trời vũ trụ (Châu Âu) Công ty không gian lớn châu Âu đề kế hoạch xây dựng nhà máy điện mặt trời vũ trụ Theo kế hoạch EADS Estrium, vệ tinh phóng lên quỹ đạo để thu lượng mặt trời vũ trụ truyền lượng trái đất để cung cấp điện cho dân cư hành tinh xanh thông qua tia laser hồng ngoại Giám đốc điều hành EADS Astrium, ông Francois Auque, nói hệ thống giai đoạn thử nghiệm, nhiên ơng khẳng định hãng sớm hoàn thành hệ thống khả thi nhằm thu truyền lượng từ vũ trụ Theo ông Auque, sản xuất lượng mặt trời ý tưởng hấp dẫn dạng lượng không cạn kiệt.Không giống nhà máy điện mặt trời trái đất, thiết bị hấp thụ lượng mặt trời quỹ đạo hoạt động liên tục ngày qua ngày khác, không chịu tác động mây loại bụi khí bầu khí Điều có nghĩa mức lượng quang điện hấp thụ quỹ đạo lớn nhiều so với mặt đất Luận văn cao học ………………………………………………………………………………………………… Hình II.1 Dự án Nhà máy nhiệt điện mặt trời dạng tháp California đầu tư triển khai xây dựng EADS Astrium tiến hành thử nghiệm trình truyền lượng laser hồng ngoại hãng tập trung vào việc cải thiện hiệu hệ thống Công việc phát triển thiết bị có chức chuyển lượng hồng ngoại thành lượng điện tiến triển nhanh EADS Astrium làm việc với phối hợp chuyên gia thuộc Đại học Survey Anh EADS Astrium hy vọng đạt 80% hiệu q trình chuyển hố lượng nói Theo Giám đốc công nghệ EADS Astrium Robert Laine, mức lượng xử lý hệ thống hãng bị hạn chế kích cỡ tia laser tạo Ơng cho cần thành lập nhóm chuyên trách đánh giá tín hiệu hệ thống q trình diễn thập kỷ Khái niệm tận dụng lượng mặt trời bàn thảo thập kỷ qua, dường chưa khắc phục vấn đề thất thoát lượng truyền Luận văn cao học ………………………………………………………………………………………………… trái đất, vấn đề chi phí lắp ráp khối lượng lớn thu lượng mặt trời vũ trụ Nhật nước có cơng trình nghiên cứu điện mặt trời có tầm cỡ Ngồi việc chế tạo pin mặt trời có hiệu suất phát điện cao Nhật dự định xây nhà máy điện mặt trời vũ trụ II Tầm quan trọng điện mặt trời Năng lượng tái tạo thành phần quan trọng hệ thống điện đại CHƯƠNG III: KHÁI QUÁT VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ PIN MẶT TRỜI Luận văn cao học ………………………………………………………………………………………………… Năng lượng mặt trời Mặt trời xạ lượng theo dãy rộng, nhiên tia xạ tạo tượng quang điện Chỉ có tia xạ (ứng với bước sóng ‫ ) ג‬có lượng lớn mức lượng kích hoạt electron (tuỳ chất bán dẫn) có khả tạo tượng quang điện Phân tích điển hình phổ lượng mặt trời tác động lên pin quang điện silicon : Hình III.1 : Quang phổ mặt trời với tỉ lệ khơng khí 1.5 Những Photons có : * [ h υ > Eg ( chiếm 30.2 %) h υ < Eg ( chiếm 20.2 %) khơng thể kích hoạt silicon solar cell * Chỉ có photons vùng tô đậm ( Energy available, chiếm 49.6 %) khả kích hoạt silicon solar cell Nguồn cung cấp quang phổ từ ERDA/NASA (1997) Khái niệm photovoltaic (pin mặt trời): Luận văn cao học ………………………………………………………………………………………………… Pin quang điện photovoltaic (PV) chất bán dẫn có mối nối p-n, pin quang điện PV xem trường hợp ngược lại diode quang Diode quang nhận lượng điện sinh ánh sáng, pin PV nhận lượng ánh sáng sinh điện -Nhiệm vụ photon điện lượng mặt trời : kích hoạt electron khỏi trạng thái tĩnh chúng -Mơ hình PV Hình III.2 : Mơ hình vật lý pin PV RS :Series resistance, Rp: parallel resistance, Ip : dòng điện qua Rp , ISC : short circuit current dòng ngắn mạch Vật liệu làm photovoltaic : Vật liệu làm nên photovoltaic, chúng có dạng đây: -Crystalline silicon -Thin film photovoltaic Thick Silic (200-500 µ m) PHOTOVOLTAICS Single – crystal Si Czochralski Thin films (1-10 µ m ) Homojunction Polycrystalline thin GaAs CZ Ribbo Multicrystal Heterojunction film Si, Amorphous Si 20% InP Luận văn cao học ………………………………………………………………………………………………… Flat Concentrater n Si (30%) plate CdTe Multijunction CIS Tandem Cells 50% Bảng III.1 Phân loại theo vật liệu tỉ lệ bán thị trường pin quang điện ( thống kê vào năm 1990) Hình III.3 Các loại vật liệu làm photovoltaic Luận văn cao học ………………………………………………………………………………………………… Ghi chú: Buried Contact: Công tắc ẩn, Pyramid-shaped: dạng tháp Vật liệu tương đối đại Multi-junction (GaInP / AsGa) hiệu suất đạt đến 30,3 % , vật liệu thông thường silicium khoảng 12 % Nguyên lý làm việc photovoltaic: Dựa vào mơ hình ngun tử Boh, electron có khối lượng me = 9.1093897.10 −31 kg Xoay xung quanh hạt nhân, quỹ đạo với bán kính r n tần số góc ω n Sự di chuyển xung quanh quỹ đạo sinh lực ly tâm Fz = me rn ω 2n Nhửng electron yếu tố mang điện e = 1.6 x 10-19 A s Nó giữ vị trí quanh hạt nhân nguyên tử với lực hấp dẫn Coulomb FC = Z e 4π ε r  Với ε = 8.8 x 10-12 (As /Vm) Gọi số điện môi Lực ly tâm lực Coulomb cân với để giữ electron quanh quỹ đạo Theo thuyết Planck, electron giữ quỹ đạo, nơi mà mơ men góc quỹ đạo nhân lên η = Với số h = 6.6 x 10-34 Js Lượng tử hố mơ men góc quỹ đạo dẫn đến h 2π Luận văn cao học ………………………………………………………………………………………………… Hình III.4 : Mức trượt Electrons từ dãy hoá trị đến dãy dẫn gây nên lượng ánh sáng bán dẫn ( Inner Photo Effect) Sự trượt electron từ vùng hoá trị đến vùng dẫn tác dụng lượng ánh sáng, mà nguyên tố thường dùng chất bán dẫn ( Si, Ge, Sn) , nhóm – đặc biệt Si Hình III.5 : Nguyên lý tế bào mặt trời với mơ hình dãy lượng Chú thích : p – region : vùng mang điện tích dương n- region : vùng mang điện tích âm valence band : vùng hố trị Conduction : vùng dẫn Space charge region : vùng khơng gian điện tích ( vùng nạp điện ) Đặc tuyến pin lượng điện mặt trời phương trình chúng 5.1 Phương trình mơ tả đặc tính pin quang điện I = I SC − I [e38.9 (V + IRS ) − 1] − (V + IRS ) 250 C (Ghi : RP diode PV ISC, RS, RP : xem mơ hình thay pin PV ) 5.2 Các đặc tuyến a) Các đặc tuyến I (v), P(v) 10 I0 : dòng điện bão hồ Luận văn cao học ………………………………………………………………………………………………… Stick L(H), nhấp Ok, Sau giao diện: 60 Luận văn cao học ………………………………………………………………………………………………… Nhấp Ok Sau hình điều áp với thông số sau: Vẽ thêm kết nối DC-DC Converter vào điều áp regulator voltage (các số liệu DC-DC Converter thiết kế cho sẵn, thiết kế riêng cho hệ PV, thông số ta nhập vào giao diện thứ chương VII/ 61 Luận văn cao học ………………………………………………………………………………………………… Chạy mô , đại lượng : IO, Ve, VO , nhập giá trị VO =10V vào Ta dạng sóng V0 (t) : Sau nhấp vào ‘ Properties’ để cửa sổ sau: 62 Luận văn cao học ………………………………………………………………………………………………… Chọn I0, Khi hình cho ta dạng sóng V0 (t), I0(t) sau: Các giao diện mục VII.8 : Mô tả bước để thiết kế DC-DC Coverter Mô hệ điện mặt trời gồm : Module PV, DC-DC, MPPT, Battery Tải 63 Luận văn cao học ………………………………………………………………………………………………… ( Dùng thuật toán Incremental Conductance) +Mổi thuật tốn MPPT có thành phần cấu trúc khác nhau, nhấp đúp chuột vào Gating ta khảo sát bên gồm phần tử vật lý ( chủ yếu cổng logic) + Khởi động Psim 9.0, mở thư mục solar power , open, chọn Buck Converter- MPPTIncremental Conductance Tiếp tục Open, sau mắc vào mạch điện bóng đèn tròn sợi tóc 40W/ 110 V ( R tải = 302 Ω ) , ta có mạch điện (hình VII.25) : Hình VII.25 : Mạch điện dùng để mô hệ PV Chạy mơ , dạng sóng sau: 64 Luận văn cao học ………………………………………………………………………………………………… Pmax = 60.59 W, tương đối phẳng P0= 60 W, nhỏ Pmax ( hợp lý) Dòng điện qua bóng đèn (I3 ) 0.55 A Ánh sáng mờ Hình VII.26 : đặc tuyến mô cho mục VII.9 CHƯƠNG VIII : 65 Luận văn cao học ………………………………………………………………………………………………… SỰ KẾT NỐI VÀ HOÀ HỆ PV VÀO LƯỚI HỆ THỐNG Các khối lưới 1.1.PV CELL, PV Array ( để tăng công suất phát) 1.2 DC-DC Converter 1.3 Tụ điện C lọc sóng hài tích trữ lượng 1.4 Khối nghịch lưu DC-AC Inverter 1.5 Tải AC 1.6 Biến áp tăng điện áp truyền tải muốn hoà vào lưới truyền thống) Một số sơ đồ kết nối hệ PV với lưới 2.1 Hình VI.2 sơ đồ kết nối hệ thống điện mặt trời với lưới AC hệ thống 2 Một số ví dụ khác hệ thống PV kết nối lưới 66 Luận văn cao học ………………………………………………………………………………………………… Hình VIII.2 : Sơ đồ kết nối lưới, đầy đủ khối Ở sơ đồ ta thấy PWM có vai trò : vừa điều khiển khối DC-DC vừa điều khiển khối DC-AC Hình VIII.3 : Một hệ thống PV thu nhỏ tự cung tự cầu cho chung cư/ văn phòng làm việc Colombia (BIPV: Building Intergrate Photovoltaic System) Nguyên lý hoạt động Điều kiện để kết nối lưới: giá trị 67 Luận văn cao học ………………………………………………………………………………………………… -u -f -Góc pha điện mặt trời phải tương ứng với giá trị u, f, góc pha lưới 3.2 Tiến hành kết nối lưới Các giá trị dòng điện điện áp ngõ vào (PV) ngõ ( đầu chuẩn bị để kết nối lưới): DC input: (VPV , IPV) PPV = VPV IPV AC output: vac(t) = VRMS Sin( ω t) iac = IRMS Sin( ω t) , pac = VRMS IRMS , pac(t) = vac iac = VRMS IRMS(1-cos(2 ω t)) Trong VRMS , IRMS giá trị điện áp dòng điện hiệu dụng Lọc sóng hài lọc tích cực trước kết nối lưới Hình VIII.4 : Lưới điện với lọc sóng hài Hệ số cơng suất độ méo sóng hài kết nối lưới phụ thuộc vào tần số đường dây 68 Luận văn cao học ………………………………………………………………………………………………… Hình VIII.5 Biểu diển mối tương quan Cos ϕ (f), THD (f) CHƯƠNG IX : 69 Luận văn cao học ………………………………………………………………………………………………… GIẢI PHÁP ỔN ĐỊNH P , Q CHO LƯỚI HỆ THỐNG VÀO BAN ĐÊM HOẶC CÁC NGÀY MÙA ĐÔNG 1- Nạp điện mặt trời vào hệ thống pin/ accu, vào ban đêm xả dung lượng điện pin/ accu lên lưới 2- Phát nhà máy nhiệt điện thuỷ điện lên lưới Những công việc có trung tâm điều độ thuộc phạm vi vùng/ miền điều độ quốc gia làm Hình IX : Hình ảnh PV Array CHƯƠNG X: TỔNG KẾT, NHẬN XÉT VÀ KẾT LUẬN Kết mà luận văn đạt : 70 Luận văn cao học ………………………………………………………………………………………………… 1.1 Với tính mạnh Psim 9.0 dùng cho Green Energy , ta khảo sát nhiều đặc tính ( I-V, P-V, P0, P max , S ( insolation), cường độ phụ tải ) hệ PV nhờ vào giao diện trực quan linh hoạt Bằng phần mềm này, nghiên cứu kết hợp Module PV, DC-DC Converter, MPPT, Bộ lưu trữ điện chiều ( battery) Tải qua dạng sóng thu Oscilocope Psim 9.0 có khối nghịch lưu sẵn ( dc-ac), mà kết nối vào hệ PV trên, ta hệ điện mặt trời hoàn chỉnh, tiếc người làm luận văn không kịp thời gian để làm phần 1.2 Những nội dung mà luận văn tổng hợp, phân tích : Những vấn đề nêu luận văn khơng phải mới, nằm rải rác tài liệu khác nhau, người thực đề tài, tổng hợp phân loại theo thư mục, phân tích so sánh, đưa nhận xét - để có ưu khuyết điểm cho loại Về nội dung mà đề tài tổng hợp, phân tích : Xem tên đề mục từ chương III đến chương IX Đề xuất số vấn đề liên quan đến nội dung đề tài : Đối với Việt nam ta điện mặt trời dường Các quan chức tổ chức nước liên quan đến lĩnh vực này, cần cập nhật thường xuyên công nghệ lượng tái tạo lượng nước tiên tiến giới Ở trường Đại học có đào tạo ngành điện nên đem nội dung vào dạy mơn học có mơ hình vật lý để làm thí nghiệm , kiểm chứng, thay đổi hệ thống thực Việt nam nước nhiệt đới, ánh nắng có quanh năm, việc lợi dụng nguồn lượng để thay cho nguồn dầu mỏ than đá cạn kiệt, cần phải đẩy mạnh Điều để đạt cần trợ giúp nhiều nhà lãnh đạo đất nước, nhà khoa học, đặc biệt tầng lớp trí thức Sự hữu ích đề tài : Tham khảo luận văn này, người đọc có nhìn tổng qt hơn, chi tiết hơn, cụ thể hơn, cập nhật thu thập số liệu vấn đề liên quan đến điện mặt trời - nguồn lượng tương lai, lượng mặt trời nguồn lượng sạch, xanh không cạn kiệt 71 Luận văn cao học ………………………………………………………………………………………………… Trong tình hình giới nước ta nay, giá dầu ga tăng lên cách chóng mặt, chí nhà nước khơng kiểm sốt nổi, việc khai thác sử dụng nguồn lượng tái tạo, đến lúc khẩn cấp hết TÀI LIỆU THAM KHẢO I Các báo khoa học 1.Renewable and Efficient Electric Power System (Gilbert M Masters – Standford University) 2.ECEN 2060 Matlab Simulink material 72 Luận văn cao học ………………………………………………………………………………………………… Understanding Renewable Energy System (Volker Quaschning) 4.Wind and Solar power System U.S Department of Energy 1997.’’ International Energy Outlook 1997 with Projections to 2015’’ DOE Office of the Integrated Analysis and Forecasting, Report No DE -97005344, April 1997 Felix, F.1992 “ State of the Nuclear Economy’’, IEEE Spectrum, November 1997, p.29-32 Novel control strategy for grid connected DC-AC converter with load power factor and MPPT control ( Pedro G.Barbosa, Luis G.B Rolim, Vladimir V Tavares- Brazil, Germany) Comparison of Photovoltaic Array Maximum Power Point Tracking Techniques (Trishan Esram, student member Patrick L Chapman, Member Nhiều báo điện mặt trời, nguồn báo từ Elsevier (Contents list available at Science Direct ) journal homepage: www.elsevier.com/locate/renene Các tài liệu liên quan từ Internet II Phần mềm Psim 9.0 III Các kiến thức học chương trình Cao học 73 Luận văn cao học ………………………………………………………………………………………………… 74 ... lớn thu lượng mặt trời vũ trụ Nhật nước có cơng trình nghiên cứu điện mặt trời có tầm cỡ Ngoài việc chế tạo pin mặt trời có hiệu suất phát điện cao Nhật dự định xây nhà máy điện mặt trời vũ trụ... trời vũ trụ II Tầm quan trọng điện mặt trời Năng lượng tái tạo thành phần quan trọng hệ thống điện đại CHƯƠNG III: KHÁI QUÁT VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ PIN MẶT TRỜI Luận văn cao học …………………………………………………………………………………………………... trụ Theo ông Auque, sản xuất lượng mặt trời ý tưởng hấp dẫn dạng lượng khơng cạn kiệt.Không giống nhà máy điện mặt trời trái đất, thiết bị hấp thụ lượng mặt trời quỹ đạo hoạt động liên tục ngày