Mô phỏng, thi công hệ thống pin mặt trời nuôi tải dc. Tìm hiểu vận hành hệ thống pin mặt trời độc lập (aa10-121107_isole)

Mô phỏng, thi công hệ thống pin mặt trời nuôi tải dc. Tìm hiểu vận hành hệ thống pin mặt trời độc lập (aa10-121107_isole)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN THIẾT BỊ ĐIỆN

-

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

MÔ PHỎNG, THI CÔNG HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI NUÔI TẢI DC

TÌM HIỂU VẬN HÀNH HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI ĐỘC LẬP (AA10-121107_ISOLE)

GVHD: PGSTS NGUYỄN HỮU PHÚC ThS PHAN QUANG ẤN SVTH: NGÔ MINH AN

MSSV: 40200009

TP Hồ Chí Minh, Tháng 6/2008

Đại học Quốc Gia TPHCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Đại học Bách Khoa TPHCM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Khoa Điện – Điện tử

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

SVTH: Ngô Minh An MSSV: 40200009 Lớp: DD02KTD1 Ngành: Kĩ thuật điện Bộ môn: Thiết bị điện

1 - Đề tài:

MÔ PHỎNG, THI CÔNG HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI NUÔI TẢI DC TÌM HIỂU VẬN HÀNH HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI ĐỘC LẬP

(AA-121107_ISOLE) 2 - Nhiệm vụ:

- Mô phỏng hệ thống pin mặt trời độc lập bằng chương trình Bond-Graph: + Giới thiệu phần mềm 20 SIM (Bond - Graph)

+ Pin mặt trời (tính toán, cơ sở lý thuyết, mô phỏng)

+ Mạch biến đổi DC-DC (tính toán, cơ sở lý thuyết, mô phỏng) + Acquy (tính toán, cơ sở lý thuyết, mô phỏng)

+ Mô phỏng hệ thống

- Thiết kế và thi công mạch nạp acquy trong hệ thống pin mặt trời - Tìm hiểu vận hành hệ thống pin mặt trời độc lập (AA-121107_ISOLE) 3 – Ngày nhận đề tài luận văn: 03-03-2008

4 – Ngày hoàn thành luận văn: 22-06-2008

5 - Giáo viên hướng dẫn : Phần hướng dẫn:

LỜI CẢM ƠN

Kính thưa quý thầy cô!

Em xin được gửi lời cám ơn chân thành đến Ban Giám Hiệu và các thầy cô trong trường, đặc biệt là các thầy cô trong khoa Điện-Điện tử trường Đại học Bách Khoa TPHCM, đã tận tình chỉ dạy, truyền đạt kiến thức cũng như tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình học tập vừa qua

Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Hữu Phúc và thầy Phan Quang Ấn đã dành nhiều thời gian, công sức, quan tâm theo dõi, tận tình hướng dẫn, động viên và nhắc nhở em hoàn thành tốt luận văn này

Qua đây, em cũng xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các bạn bè và người thân xung quanh đã động viên, giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình học tập

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Năng lượng mặt trời cũng như nhiều nguồn năng lượng mới khác như năng lượng gió, năng lượng thủy triều…, tuy không còn là đề tài mới đối với thế giới nhưng đối với Việt Nam vấn đề này gần đây mới được quan tâm

Luận văn “MÔ PHỎNG, THI CÔNG HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI NUÔI TẢI DC , TÌM HIỂU VẬN HÀNH HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI ĐỘC LẬP” là một đề tài chỉ nghiên cứu một mảng nhỏ trong hệ thống pin mặt trời, đó là phần nuôi tải DC Luận văn gồm 2 phần chính:

- Phần mô phỏng : mô phỏng hệ thống pin mặt trời nuôi tải DC bằng chương trình Bond-Graph gồm có: mô phỏng tấm pin mặt trời, mô phỏng bộ biến đổi DC-DC, mô phỏng Acquy và mô phỏng hệ thống gồm 3 phần trên

- Phần thi công: thiết kế và thi công mạch nạp cho acquy và cung cấp cho phụ tải từ nguồn pin mặt trời Mạch điện có hai phần chính là mạch điều khiển dùng PIC 18F8722 và mạch biến đổi DC-DC (Cuk converter)

Nội dung luận văn gồm 5 chương:

Chương 1: GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI

Chương 2: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI NUÔI TẢI DC BẰNG CHƯƠNG TRÌNH BOND-GRAPH

Chương 3: THI CÔNG MẠCH ĐIỆN VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN NẠP ACQUY TỪ PIN MẶT TRỜI

Chương 4: TÌM HIỂU VẬN HÀNH HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI ĐỘC LẬP AA-121107_ISOLE

Chương 5: KẾT QUẢ, HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI

Trong luận văn này tôi đã cố gắng đưa vào nội dung những phần lý thuyết quan trọng về hệ thống pin mặt trời Đặc biệt là phần mô phỏng trong chương 2, nội dung giới thiệu về một công cụ mô phỏng mới, đó là chương trình 20Sim Qua đây tôi không chỉ muốn giới thiệu về mô phỏng pin mặt trời mà còn mong muốn người đọc xem như đây là một ví dụ để tìm hiểu về chương trình mô phỏng này

Phần mạch điện chưa thật sự hoàn thiện nhưng những ai quan tâm đến vi điều khiển PIC, các mạch hồi tiếp dòng áp, mạch Cuk và mạch nguồn cách ly đều có thể lấy đây làm ví dụ để tham khảo

Mặc dù là kết quả tâm huyết của gần 3 tháng làm việc nhưng cũng không tránh được những sai xót, xin quý thầy cô và các bạn đóng góp ý kiến

Rất tiếc tôi đã không có đủ thời gian và khả năng để theo đuổi đến cùng đề tài này, mong các bạn khóa sau phát triển và hoàn thiện hơn nữa Xin đừng nghĩ đây chỉ là một luận văn, hãy nghĩ đến một ngày có một sản phẩm hệ thống pin mặt trời mang

thương hiệu Việt Nam

1.1 Mặt trời và nguồn bức xạ Mặt trời 1

1.2 Ứng dụng của năng lượng Mặt trời 4

1.3 Pin mặt trời, cấu tạo và nguyên lý hoạt động……… 6

1.3.1 Cấu tạo 7

1.3.2 Nguyên lý hoạt động 10

1.4 Hệ thống pin mặt trời ………13

1.4.1 Thiết kế một hệ thống pin mặt trời 14

1.4.2 Ứng dụng của pin mặt trời 16

CHƯƠNG 2: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI NUÔI TẢI DC BẰNG CHƯƠNG TRÌNH BOND-GRAPH 18

2.1 Giới thiệu chương trình Bond-Graph 18

2.1.1 Giao diện và các công cụ cơ bản……….19

2.1.2 Một số mô hình cơ bản của chương trình Bond Graph……… 23

2.1.3 Một số quy tắc xây dựng mô hình mạch điện trên Bond-Graph…………25

2.1.4 Các quy ước biểu diễn đường liên kết 26

2.2 Mô phỏng pin mặt trời 28

2.2.1 Sơ đồ tương đương của pin mặt trời 28

2.2.2 Dòng ngắn mạch Isc 29

2.2.3 Điện áp hở mạch VOC 29

2.2.4 Mạch điện tương đương chính xác 31

2.2.5 Tấm pin mặt trời 34

2.2.6 Điểm công suất cực đại MPP 36

2.2.7 Hệ số lấp đầy và hiệu suất của pin mặt trời 38

2.2.8 Mô phỏng pin mặt trời 38

2.3 Mạch biến đổi DC-DC 42

2.3.1 Mạch Cuk converter 42

2.3.2 Tính thông số chi tiết mạch Cuk 44

2.3.3 Mô phỏng mạch Cuk bằng chương trình Bond-Graph 46

2.4 Acquy 48

2.4.1 Giới thiệu về Acquy 48

2.4.2 Các phương pháp phóng và nạp Acquy 50

2.4.3 Các chế độ vận hành 51

2.4.4 Mô hình Bond Graph của Acquy 51

2.5 Mô phỏng mạch nạp Acquy trong hệ thống pin mặt trời độc lập 53

CHƯƠNG 3: THI CÔNG MẠCH ĐIỆN VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN NẠP ACQUY TỪ PIN MẶT TRỜI 57

3.1 Thi công mạch nạp Acquy từ nguồn pin mặt trời 57

3.1.1 Mạch điều khiển 58

3.1.2 Mạch Cuk converter 61

3.1.3 Các mạch hồi tiếp dòng áp 63

3.1.4 Các mạch nguồn 67

3.2 Chương trình điều khiển 71

CHƯƠNG 4: TÌM HIỂU VẬN HÀNH HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI ĐỘC LẬP

AA-121107_ISOLE ……… 74

4.1 Giới thiệu về hệ thống pin mặt trời độc lập AA10-121107_ISOLE 74

4.2 Vận hành hệ thống pin mặt trời độc lập AA10-121107_ISOLE 84

5.1.1 Kết quả khảo sát pin mặt trời 106

5.1.2 Kết quả phần thi công mạch 110

5.2 Nhận xét 112

5.3 Hướng phát triển 112

TÀI LIỆU THAM KHẢO 114

PHỤ LỤC : DATASHEET CỦA PIC 18F8722 115

Hình 1.7 Các loại cấu trúc tinh thể của pin mặt trời Hình 1.8 Một số loại panel pin mặt trời

Hình 1.9 Quá trình tạo một panel pin mặt trời Hình 1.10 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

Hình 1.11 Hệ thống 2 mức năng lượng trong đó E1 < E2 Hình 1.12 Các vùng năng lượng

Hình 1.13 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời Hình 1.14 Sơ đồ khối hệ thống pin mặt trời độc lập Hình 1.15 Sơ đồ khối hệ thống pin mặt trời

Hình 1.16 Bộ Acquy của hãng KesslerSun Hình 1.17 Bộ điều khiển

Hình 1.18 Inverter của Sunny Boy Hình 1.19 Trạm vũ trụ ISS

Hình 1.20 Robot tự hành trên sao hỏa và vệ tinh nhân tạo

Hình 1.21 Pin mặt trời được ứng dụng tại các hộ gia đình và trong nông nghiệp Hình 2.1 Chương trình mô phỏng 20-SIM

Hình 2.2 Cửa sổ 20-Sim Editor

Hình 2.3 Cửa sổ Editor với mô hình Central Heating System Hình 2.4 Cửa sổ Icon Editor

Hình 2.5 Cửa sổ Type Editor Hình 2.6 Cửa sổ mô phỏng

Hình 2.7 Cửa sổ Parameter/Initial Values Editor Hình 2.8 Cửa sổ Variable Chooser

Hình 2.9 Cửa sổ Run Properties Hình 2.10 Cửa sổ Plot Properties

Hình 2.11 Sơ đồ mạch điện cần được mô phỏng và mô hình chưa được rút gọn Hình 2.12 Cách biểu diễn thứ hai của ví dụ trên

Hình 2.13 Ví dụ một nguồn pin cấp cho tải Hình 2.14 Sơ đồ tương đương của pin mặt trời

Hình 2.15 Sơ đồ tương đương đơn giản của pin mặt trời gồm một nguồn dòng mắc song song với một diode lý tưởng

Hình 2.16 Đồ thị V-A của pin mặt trời Hình 2.17 Đồ thị V-A của ví dụ trên

Hình 2.18 Mô hình đơn giản với một pin bị khuất sáng

Hình 2.19 Sơ đồ tương đương đơn giản với Rsh mắc song song Hình 2.20 Đồ thị V-A của sơ đồ tương đương có Rsh mắc song song Hình 2.21 Sơ đồ tương đương đơn giản với Rs mắc nối tiếp

Hình 2.22 Đồ thị V – A của mạch điện tương đương có Rs mắc nối tiếp Hình 2.23 Sơ đồ tương đương gồm Rsh và Rs

Hình 2.24 Đồ thị V – A của sơ đồ tương đương trên với Rsh = 1Ω, Rs = 0,05Ω Hình 2.25 Mắc nối tiếp hoặc song song các pin mặt trời tạo thành tấm hay kết nối các tấm pin lại tạo thành mảng để đạt công suất cao hơn

Hình 2.26 Đồ thị V - A của một tấm pin mặt trời

Hình 2.27 Khi mắc nối tiếp các tấm pin mặt trời, dòng ngắn mạch của hệ thống sẽ bằng dòng ngắn mạch của một tấm, áp hở mạch của hệ thống bằng tổng áp hở mạch của tất cả tấm pin mặt trời trong hệ thống

Hình 2.28 Khi mắc song song các tấm pin mặt trời, dòng ngắn mạch của hệ thống sẽ bằng tổng dòng ngắn mạch của tất cả tấm pin mặt trời trong hệ thống, áp hở mạch của hệ thống bằng áp hở mạch của một tấm

Hình 2.29 Pin mặt trời khi hở mạch, ngắn mạch và mắc với tải Hình 2.30 Đồ thị V – A và đồ thị công suất của pin mặt trời Hình 2.31 Xác định điểm MPP

Hình 2.32 Mô hình Bond-Graph của pin mặt trời Hình 2.33 Mô hình nguồn dòng và tải

Hình 2.34 Đặc tuyến V-A của pin mặt trời

Hình 2.35 Đường đặc tuyến V-A, đồ thị công suất và điểm cực đại công suất MPP

Hình 2.36 Đồ thị V – A với sự thay đổi của cường độ ánh sáng Hình 2.37 Đặc tuyến V – A dưới sự thay đổi của nhiệt độ Hình 2.38 Đồ thị V – A khi mắc nối tiếp các pin lại với nhau Hình 2.39 Đồ thị V – A khi các pin được mắc song song

Hình 2.40 Sơ đồ mạch sạc acquy từ hệ thống pin mặt trời dùng mạch Cuk Converter

Hình 2.41 Sơ đồ mạch nguyên lý

Hình 2.42 Sơ đồ tương đương của mạch Cuk khi Q dẫn Hình 2.43 Sơ đồ tương đương của mạch Cuk khi Q ngắt Hình 2.44 Khảo sát chế độ dòng tải liên tục

Hình 2.45 Sơ đồ nguyên lý mạch Cuk

Hình 2.46 Sơ đồ Bond Graph của mạch Cuk Converter Hình 2.47 Đồ thị Vin, Vout của mạch Cuk converter Hình 2.48 Đồ thị Iin, Iout của mạch Cuk converter Hình 2.49 Cấu tạo của Acquy chì

Hình 2.50 Sơ đồ tương đương của Acquy Hình 2.51 Mô hình Bond Graph của Acquy

Hình 2.52 Đồ thị điện áp và dòng điện của Acquy khi nối tải 30Ω Hình 2.53 Đồ thị điện áp và dòng điện của Acquy khi nạp từ nguồn 30V Hình 2.54 Sơ đồ nguyên lý mạch nạp acquy từ pin mặt trời

Hình 2.55 Sơ đồ chu trình hoạt động của mạch Hình 2.56 Chu trình kín của dòng IL2

Hình 2.57 Sơ đồ khái quát chu trình điện áp

Hình 2.58 Sơ đồ điều khiển vòng kín mạch nạp Acquy

Hình 2.59 Mô hình Bond Graph mạch nạp acquy từ hệ thống pin mặt trời Hình 3.1 Mô hình hệ thống

Hình 3.2 Sơ đồ khối mạch điện

Hình 3.3 Sơ đồ chân của PIC 18F8722 Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển Hình 3.5 Mạch chỉnh điện áp chuẩn cho bộ ADC Hình 3.6 Mạch giao tiếp máy tính dùng MAX232 Hình 3.7 Sơ đồ chân MAX232

Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý mạch Cuk converter Hình 3.9 Sơ đồ chân của FGA25N120 ANTD

Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý mạch kích IGBT Hình 3.11 Sơ đồ chân HCPL 2231

Hình 3.12 Sơ đồ chân HEF40106BP Hình 3.13 Sơ đồ chân của OP07

Hình 3.14 Sơ đồ nguyên lý mạch hồi tiếp áp ngõ vào Hình 3.15 Sơ đồ chân LM393

Hình 3.16 Sơ đồ nguyên lý mạch hồi tiếp áp ngõ ra Hình 3.17 Cảm biến dòng LTS25-NP

Hình 3.18 Sơ đồ chân của LTS25-NP

Hình 3.19 Sơ đồ nguyên lý mạch hồi tiếp dòng ngõ vào Hình 3.20 Mạch hồi tiếp dòng ngõ ra

Hình 3.21 Mạch nguồn DC 5V Hình 3.22 Sơ đồ chân của 205S24FR Hình 3.23 Sơ đồ mạch nguồn DC 12V Hình 3.24 Sơ đồ mạch nguồn DC ±15V Hình 3.25 Sơ đồ chân của B688

Hình 3.26 Sơ đồ chân của LM78XX Hình 3.27 Sơ đồ chân 0515

Hình 3.28 Mạch điện sau khi hoàn thành Hình 3.29 Giao diện chương trình MPLAB Hình 3.30 Giao diện chương trình WinPic800 Hình 3.31 Lưu đồ giải thuật

Hình 3.32 Chương trình điều khiển giao tiếp với máy tính

Hình 4.1 Sơ đồ khối hệ thống pin mặt trời độc lập AA10 – 121107_Isole Hình 4.2 Tủ điện hệ thống pin mặt trời độc lập

Hình 4.3 Hệ thống pin mặt trời độc lập AA10 – 121107_ISOLE Hình 4.4 Acquy dùng trong hệ thống

Hình 4.5 Bộ biến tần sử dụng trong hệ thống

Hình 4.6 Sơ đồ đấu dây của tủ điều khiển Hình 4.7 Sơ đồ đấu dây bộ BP controller Hình 4.8 Bộ điều khiển BP-GM

Hình 4.9 Giao diện đầu tiên của BP –GM Hình 4.10 Giao diện menu A

Hình 4.11 Giao diện menu C Hình 4.12 Giao diện menu D Hình 4.13 Giao diện menu E Hình 4.14 Giao diện menu F

Hình 4.14 Giao diện menu F

Hình 4.16 Đăng nhập và chọn đường dẫn Hình 4.17 Cửa sổ làm việc chính

Hình 4.18 Nhập site number, site name, địa chỉ, số điện thoại, ngày tháng năm Hình 4.19 Nhập các thông số kĩ thuật của acquy

Hình 4.20 Chọn thiết bị,nhập số seri của BP- GM Hình 4.21 Pin quang điện, acquy, tải, BP-GM kết nối Hình 4.22 Chọn cổng kết nối

Hình 4.23 Chọn tốc độ bauds Hình 4.24 Kết nối BP-GM Hình 4.25 Kết nối thành công

Hình 4.26 Các giá trị Ip1, P, Iu1, P của pin và tải Hình 4.27 Ngắt khóa S3, S7

Hình 4.28 Chọn kiểu điện áp acquy, ngày giờ Hình 4.29 Chọn kiểu acquy S3, S7

Hình 4.30 Chọn giá trị dòng I1, I3 Hình 4.31 Xem cài đặt BP-GM

Hình 4.32 Chọn ngày giờ bắt đầu và kết thúc vận hành Hình 4.33 Kết nối dữ liệu

Hình 4.34 Chọn ngày, tháng, năm hiển thị Hình 4.35 Đồ thị điện áp acquy

Hình 4.36 Đồ thị dòng điện của pin quang điện Hình 4.37 Đồ thị dòng điện pin quang điện và tải

Hình 4.38 Đồ thị dòng nạp, dòng phóng điện, dòng bão hòa của acquy Hình 5.1 Đồ thị V – A khảo sát lần 1

Hình 5.2 Đồ thị V – A khảo sát lần 2 Hình 5.3 Đồ thị V – A khảo sát lần 3 Hình 5.4 Đồ thị V – A khảo sát lần 4 Hình 5.5 Đồ thị V – A khảo sát lần 5 Hình 5.6 Đồ thị V – A khảo sát lần 6

Hình 5.7 Mạch nạp Acquy sau khi hoàn thiện Hình 5.8 Tín hiệu kích IGBT sau khi qua bộ đệm Hình 5.9 Áp trên cuộn cảm L1

Hình 5.10 Áp trên cuộn cảm L2 Hình 5.11 Điện áp ngõ ra trên tụ C2 Hình 5.12 Điện áp trên tụ C1

Chương 1: GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI

1.1 Mặt trời và nguồn bức xạ Mặt trời :

Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1,390.106km (lớn hơn 110 lần đường kính trái đất), cách xa trái đất 150.106km (bằng một đơn vị thiên văn AU ánh sáng mặt trời cần khoảng 8 phút để vượt qua khoảng này đến trái đất) Khối lượng mặt trời khoảng Mo = 2.1030kg Nhiệt độ T ở trung tâm mặt trời thay đổi trong khoảng từ 10.106K đến 20.106K, trung bình khoảng 15600000 K Ở nhiệt độ như vậy vật chất không thể giữ được cấu trúc trật tự thông thường gồm các nguyên tử và phân tử Nó trở thành plasma trong đó các hạt nhân của nguyên tử chuyển động tách biệt với các electron Khi các hạt nhân tự do có va chạm với nhau sẽ xuất hiện những vụ nổ nhiệt hạch Khi quan sát tính chất của vật chất nguội hơn trên bề mặt nhìn thấy được của mặt trời, các nhà khoa học đã kết luận rằng có phản ứng nhiệt hạch xảy ra ở trong lòng mặt trời Mặt Trời không có ranh giới rõ ràng như ở các hành tinh có đất đá Ngược lại, mật độ các khí giảm dần xuống theo quan hệ số mũ theo khoảng cách tính từ tâm Mặt Trời Bán kính của Mặt Trời được đo từ tâm tới phần rìa ngoài của quang quyển

Hình 1.1 Cấu trúc của mặt trời

Nhiệt độ To tại trung tâm mặt trời thay đổi trong khoảng từ 10.106K đến 20.106K, trung bình khoảng 15600000 K Ở nhiệt độ như vậy vật chất không thể giữ được cấu trúc trật tự thông thường gồm các nguyên tử và phân tử Nó trở thành plasma trong đó các hạt nhân của nguyên tử chuyển động tách biệt với các electron Khi các hạt nhân tự do có va chạm với nhau sẽ xuất hiện những vụ nổ nhiệt hạch Khi quan sát tính chất của vật chất nguội hơn trên bề mặt nhìn thấy được của mặt trời, các nhà khoa

học đã kết luận rằng có phản ứng nhiệt hạch xảy ra ở trong lòng mặt trời

Về cấu trúc, mặt trời có thể chia làm 4 vùng, tất cả hợp thành một khối cầu khí khổng lồ Vùng giữa gọi là nhân hay “lõi” có những chuyển động đối lưu, nơi xảy ra những phản ứng nhiệt hạt nhân tạo nên nguồn năng lượng mặt trời, vùng này có bán kính khoảng 175.000km, khối lượng riêng 160kg/dm3, nhiệt độ ước tính từ 14 đến 20 triệu độ, áp suất vào khoảng hàng trăm tỷ atmotphe Vùng kế tiếp là vùng trung gian còn gọi là vùng “đổi ngược” qua đó năng lượng truyền từ trong ra ngoài, vật chất ở vùng này gồm có sắt (Fe), can xi (Ca), nát ri (Na), stronti (Sr), crôm (Cr), kền (Ni), cácbon ( C), silíc (Si) và các khí như hiđrô (H2), hêli (He), chiều dày vùng này khoảng 400.000km Tiếp theo là vùng “đối lưu” dày 125.000km và vùng “quang cầu” có nhiệt độ khoảng 6000K, dày 1000km ở vùng này gồm các bọt khí sôi sục, có chỗ tạo ra các vết đen, là các hố xoáy có nhiệt độ thấp khoảng 4500K và các tai lửa có nhiệt độ từ 7000K -10000K Vùng ngoài cùng là vùng bất định và gọi là “khí quyển” của mặt trời

Ánh sáng nói riêng, hay bức xạ điện từ nói chung, từ bề mặt của Mặt Trời được xem là nguồn năng lượng chính cho Trái Đất Hằng số năng lượng mặt trời được tính bằng công suất của lượng bức xạ trực tiếp chiếu trên một đơn vị diện tích bề mặt Trái Đất, bằng khoảng 1370 W/m2 Ánh sáng Mặt Trời bị hấp thụ một phần trên bầu khí quyển Trái Đất, nên một phần nhỏ hơn tới được bề mặt Trái Đất, gần 1000 W/m² năng lượng Mặt Trời tới Trái Đất trong điều kiện trời quang đãng Năng lượng này có thể dùng vào các quá trình tự nhiên hay nhân tạo Quá trình quang hợp trong cây sử dụng ánh sáng mặt trời và chuyển đổi CO2 thành ôxy và hợp chất hữu cơ, trong khi nguồn nhiệt trực tiếp là làm nóng các bình đun nước dùng năng lượng Mặt Trời, hay chuyển thành điện năng bằng các pin năng lượng Mặt Trời Năng lượng dự trữ trong dầu mỏ được giả định rằng là nguồn năng lượng của Mặt Trời được chuyển đổi từ xa xưa trong quá trình quang hợp và phản ứng hóa sinh của sinh vật cổ

Trong toàn bộ bức xạ của Mặt trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các phản ứng hạt nhân xảy ra trong Mặt trời không quá 3% Bức xạ γ ban đầu khi đi qua 5.105 km chiều dầy của lớp vật chất Mặt trời của biến đổi rất mạnh Tất cả các dạng của bức xạ điện từ đều có bản chất sóng và chúng khác nhau ở bước sóng Bức xạ γ là sóng ngắn nhất trong các sóng đó, tứ tâm Mặt trời đi ra cho sự va chạm hoặc tán xạ mà năng lượng của chúng giảm đi và bây giờ chúng ứng với bức xạ có bước sóng dài Như vậy bức xạ chuyển thành bức xạ Rơnghen có bước sóng dài hơn Gần đến bề mặt Mặt trời nơi có nhiệt độ đủ thấp để có thể tồn tại vật chất trong trạng thái nguyên tử và các cơ chế khác bắt đầu xảy ra

Hình 1.2 Dải bức xạ điện từ

Đặc trưng của bức xạ Mặt trời truyền trong không gian bên ngoài Mặt trời là một phổ rộng trong đó cực đại của cường độ bức xạ nằm trong dải 10-1 – 10 µm và hầu như một nửa tổng năng lượng Mặt trời tập trung trong khoảng bước sóng 0,38 – 0,78 µm đó là vùng nhìn thấy của phổ

Chùm tia truyền thẳng từ Mặt trời gọi là bức xạ trực xạ.Tổng hợp các tia trực xạ và tán xạ gọi là tổng xạ Mật độ dòng bức xạ trực xạ ở ngoài lớp khí quyển, tính đối với 1m2 bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ, được tính theo công thức:

Khi truyền qua lớp khí quyển bao bọc quanh Trái đất, các chùm tia bức xạ bị hấp thụ và tán xạ ở tầng ozon, hơi nước và bụi trong khí quyển, chỉ một phần năng lượng được truyền trực tiếp đến Trái đất.Toàn bộ bức xạ tử ngoại được sử dụng để duy trì quá trình phân ly và hợp nhất của O,O2 và O3 đó là quá trình ổn định Do quá trình này, khi đi qua khí quyển, bức xạ tử ngoại biến đổi thành bức xạ với năng lượng nhỏ hơn

Các bức xạ với bước sóng ứng với các vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoại của phổ tương tác với các phân tử khí và các hạt bụi của không khí nhưng không phá vỡ

các liên kết của chúng, khi đó các photon bị tán xạ khá đều theo mọi hướng và một số photon quay trở lại không gian vũ trụ Bức xạ chịu dạng tán xạ đó chủ yếu là bức xạ có bước sóng ngắn nhất Sau khi phản xạ từ các phần khác nhau của khí quyển bức xạ tán xạ đi đến chúng ta mang theo màu xanh lam của bầu trời trong sáng và có thể quan sát được ở những độ cao không lớn Các giọt nước cũng tán xạ rất mạnh bức xạ mặt trời Bức xạ mặt trời khi đi qua khí quyển còn gặp một trở ngại đáng kể nữa đó là do sự hấp thụ của các phần tử hơi nước, khí cacbônic và các hợp chất khác, mức độ của sự hấp thụ này phụ thuộc vào bước sóng, mạnh nhất ở khoảng giữa vùng hồng ngoại của phổ

Phần năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt trái đất trong những ngày quang đãng (không có mây) ở thời điểm cao nhất vào khoảng 1000W/m2

1.2 Ứng dụng của năng lượng Mặt trời:

Đối với cuộc sống của loài người, năng lượng Mặt Trời là một nguồn năng lượng tái tạo quý báu

Có thể trực tiếp thu lấy năng lượng này thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển năng lượng các photon của Mặt Trời thành điện năng, như trong pin Mặt Trời Năng lượng của các photon cũng có thể được hấp thụ để làm nóng các vật thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, sử dụng cho bình đun nước Mặt Trời, hoặc làm sôi nước trong các máy nhiệt điện của tháp Mặt Trời, hoặc vận động các hệ thống nhiệt như máy điều hòa Mặt Trời

Năng lượng của các photon có thể được hấp thụ và chuyển hóa thành năng lượng trong các liên kết hóa học của các phản ứng quang hóa

Một phản ứng quang hóa tự nhiên là quá trình quang hợp Quá trình này được cho là đã từng dự trữ năng lượng Mặt Trời vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch không tái sinh mà các nền công nghiệp của thế kỷ 19 đến 21 đã và đang tận dụng Nó cũng là quá trình cung cấp năng lượng cho mọi hoạt động sinh học tự nhiên, cho sức kéo gia súc và củi đốt, những nguồn năng lượng sinh học tái tạo truyền thống Trong tương lai, quá trình này có thể giúp tạo ra nguồn năng lượng tái tạo ở nhiên liệu sinh học, như các nhiên liệu lỏng (diesel sinh học, nhiên liệu từ dầu thực vật), khí (khí đốt sinh học) hay rắn

Năng lượng Mặt Trời cũng được hấp thụ bởi thủy quyển Trái Đất và khí quyển Trái Đất để sinh ra các hiện tượng khí tượng học chứa các dạng dự trữ năng lượng có thể khai thác được Trái Đất, trong mô hình năng lượng này, gần giống bình đun nước của những động cơ nhiệt đầu tiên, chuyển hóa nhiệt năng hấp thụ từ photon của Mặt Trời, thành động năng của các dòng chảy của nước, hơi nước và không khí, và thay đổi tính chất hóa học và vật lý của các dòng chảy này

Thế năng của nước mưa có thể được dự trữ tại các đập nước và chạy máy phát điện của các công trình thủy điện Một dạng tận dụng năng lượng dòng chảy sông suối

có trước khi thủy điện ra đời là cối xay nước Dòng chảy của biển cũng có thể làm chuyển động máy phát của nhà máy điện dùng dòng chảy của biển

Hình 1.3 Các tuốc bin gió phát điện nhờ sức gióvà thủy triều, tận thu một cách gián tiếp năng lượng Mặt Trời

Dòng chảy của không khí, hay gió, có thể sinh ra điện khi làm quay tuốc bin gió Trước khi máy phát điện dùng năng lượng gió ra đời, cối xay gió đã được ứng dụng để xay ngũ cốc Năng lượng gió cũng gây ra chuyển động sóng trên mặt biển Chuyển động này có thể được tận dụng trong các nhà máy điện dùng sóng biển

Đại dương trên Trái Đất có nhiệt dung riêng lớn hơn không khí và do đó thay đổi nhiệt độ chậm hơn không khí khi hấp thụ cùng nhiệt lượng của Mặt Trời Đại dương nóng hơn không khí vào ban đêm và lạnh hơn không khí vào ban ngày Sự chênh lệch nhiệt độ này có thể được khai thác để chạy các động cơ nhiệt trong các nhà máy điện dùng nhiệt lượng của biển

Khi nhiệt năng hấp thụ từ photon của Mặt Trời làm bốc hơi nước biển, một phần năng lượng đó đã được dự trữ trong việc tách muối ra khỏi nước mặn của biển Nhà máy điện dùng phản ứng nước ngọt - nước mặn thu lại phần năng lượng này khi đưa nước ngọt của dòng sông trở về biển

Hình 1.4 Nhà máy điện mặt trời

Điện năng còn có thể tạo ra từ năng lượng mặt trời dựa trên nguyên tắc tạo nhiệt độ cao bằng một hệ thống gương phản chiếu và hội tụ để gia nhiệt cho môi chất làm việc truyền động cho máy phát điện

Hiện nay trong các nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời có các loại hệ thống bộ thu chủ yếu sau đây:

Hệ thống dùng parabol trụ để tập trung tia bức xạ mặt trời vào một ống môi chất đặt dọc theo đường hội tụ của bộ thu, nhiệt độ có thể đạt tới 400oC

Hệ thống nhận nhiệt trung tâm bằng cách sử dụng các gương phản xạ có định vị theo phương mặt trời để tập trung năng lượng mặt trời đến bộ thu đặt trên đỉnh tháp cao, nhiệt độ có thể đạt tới trên 1500oC

Trong thời đại khoa học kỹ thuật phát triển, nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng Trong khi đó các nguồn nhiên liệu dự trữ như than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên và ngay cả thủy điện thì có hạn khiến cho nhân loại đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới như năng lượng hạt nhân, năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió và năng lượng mặt trời là một trong những hướng quan trọng trong kế hoạch phát triển năng lượng, không những đối với những nước phát triển mà ngay cả với những nước đang phát triển

Năng lượng mặt trời - nguồn năng lượng sạch và tiềm tàng nhất - đang được loài người thực sự đặc biệt quan tâm Do đó việc nghiên cứu nâng cao hiệu quả các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời và triển khai ứng dụng chúng vào thực tế là vấn đề có tính thời sự

Việt Nam là nước có tiềm năng về năng lượng mặt trời, trải dài từ vĩ độ 8” Bắc đến 23” Bắc, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao, với trị số tổng xạ khá lớn từ 100-175 kcal/cm2.năm (4,2 -7,3GJ/m2.năm) do đó việc sử dụng năng lượng mặt trời ở nước ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế rất lớn

1.3 Pin mặt trời, cấu tạo và nguyên lý hoạt động :

Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện), là thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các diod p-n, duới sự hiện diện của ánh sáng mặt trời có khả năng tạo ra dòng điện sử dụng được Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện

Các pin năng lượng mặt trời có nhiều ứng dụng Chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng mà điện năng trong mạng lưới chưa vươn tới, các vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo trái đất, máy tính cầm tay, các máy từ xa, thiết bị bơm nước Pin năng lượng mặt trời (tạo thành các module hay các tấm năng lượngmặt trời) xuất hiện trên nóc các tòa nhà nơi chúng có thể kết nối với bộ chuyển đổi của mạng lưới điện

Hình 1.5 Một cell pin mặt trời

Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel Tuy nhiên cho đến 1883 một pin năng lượng mới được chế tạo thành công, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối Russell Ohl được xem là người tạo ra pin năng lượng mặt trời đầu tiên năm 1946 tuy nhiên nó chỉ có hiệu suất 1% Pin mặt trời lần đầu tiên được ứng dụng là trên vệ tinh Vangaurd 1 của Mĩ, được phóng năm 1958 Ngày nay pin mặt trời được sản xuất trên toàn thế giới đặt biệt là ở các nước tiên tiến như Mĩ,

Đức, Tây Ban Nha…

Cho tới hiện tại thì vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời (và cho các thiết bị bán dẫn) là các

silic tinh thể Pin mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại:

- Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski Pin mặt trời dơn tinh thể có thể đạt hiệu suất từ 11% - 16% Chúng thường rất mắc tiền do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module

- Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm nguội và làm rắn Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn, từ 8% - 11% Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó

- Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể Loại này có hiệu suất thấp nhất, từ 3% - 6%, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon

Hình 1.7 Các loại cấu trúc tinh thể của pin mặt trời

Silic thuộc nhóm IV, tức là có 4 electron lớp ngoài cùng Silic có thể kết hợp với silicon khác để tạo nên chất rắn Cơ bản có 2 loại chất rắn silicon, đa thù hình (không có trật tự sắp xếp) và tinh thể (các nguyên tử sắp xếp theo thứ tự dãy không gian 3 chiều) Pin năng lượng mặt trời phổ biến nhất dùng đa tinh thể silicon

Silic là chất bán dẫn Tức là thể rắn silic, tại một tầng năng lượng nhất định, electron có thể đạt được, và một số tầng năng lượng khác thì không được Các tầng năng lượng không được phép này xem là tầng trống Lý thuyết này căn cứ theo thuyết cơ học lượng tử

Ở nhiệt độ phòng, Silic nguyên chất có tính dẫn điện kém Trong cơ học lượng tử, giải thích thất tế tại mức năng lượng Fermi trong tầng trống Để tạo ra silic có tính dẫn điện tốt hơn, có thể thêm vào một lượng nhỏ các nguyên tử nhóm III hay V trong bảng tuần hoàn hóa học Các nguyên tử này chiếm vị trí của nguyên tử silic trong mạng tinh thể, và liên kết với các nguyên tử silic bên cạnh tương tự như là một silic Tuy nhiên các phân tử nhóm III có 3 electron ngoài cùng và nguyên tử nhóm V có 5

electron ngoài cùng, vì thế nên có chỗ trong mạng tinh thể có dư electron còn có chỗ thì thiếu electron Vì thế các electron thừa hay thiếu electron (gọi là lỗ trống) không tham gia vào các kết nối mạng tinh thể Chúng có thể tự do di chuyển trong khối tinh thể Silic kết hợp với nguyên tử nhóm III (nhôm hay gali) được gọi là loại bán dẫn p bởi vì năng lượng chủ yếu mang điện tích dương (positive), trong khi phần kết hợp với các nguyên tử nhóm V (phốt pho, asen) gọi là bán dẫn n vì mang năng lượng âm (negative) Lưu ý rằng cả hai loại n và p có năng lượng trung hòa, tức là chúng có cùng năng lượng dương và âm, loại bán dẫn n, loại âm có thể di chuyển xung quanh, tương tự ngược lại với loại p

Các tinh thể silic (Si) hay gali asenua (GaAs) là các vật liệu được sử dụng làm pin mặt trời Gali asenua đặc biệt tạo nên để dùng cho pin mặt trời, tuy nhiên thỏi tinh thể silic cũng có thể dùng được với giá thành thấp hơn, sản xuất chủ yếu để tiêu thụ trong công nghiệp vi điện tử Đa tinh thể silic có hiệu quả kém hơn nhưng giá tiền cũng thấp hơn

Khi để trực tiếp dưới ánh sáng mặt trời, một pin silic có đường kính 6 cm có thể sản xuất dòng điện khoảng 0,5 ampe ở 0,5 volt

Các tấm tinh thể mỏng hình đĩa, được đánh bóng để loại bỏ các khuyết tật trong quá trình cắt, chất kích thích được dùng cho các pin, và các tấm kim loại dẫn truyền đặt vào một mặt: một lưới mỏng trên bề mặt chiếu ánh sáng mặt trời, và mặt phẳng trên mặt còn lại Tấm năng lượng mặt trời tạo thành từ các pin như vậy cắt theo hình dạng thích hợp, được bảo vệ khỏi tia bức xạ và hư hại trên mặt trước bằng các miếng gương, dán vào chất nền Sự liền mạch được tạo nên thành các dãy song song để quyết định năng lượng tạo ra Chất keo và chất nền phải có tính dẫn nhiệt, vì khi các pin được làm nóng khi hấp thụ năng lượng hồng ngoại, vốn không thể chuyển hóa thành năng lượng Một khi các pin bị làm nóng thì giảm hiệu suất hoạt động vì thế nên phải làm giảm thiểu nhiệt năng

Hình 1.8 Một số loại panel pin mặt trời

Hình 1.9 Quá trình tạo một panel pin mặt trời

1.3.2 Nguyên lý hoạt động :

Hình 1.10 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

Hình 1.11 Hệ thống 2 mức năng lượng trong đó E1 < E2

Bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E1 Khi chiếu sáng hệ thống, lượng tử ánh sáng (photon) mang năng lượng hv (h là hằng số Plank và v là tần số ánh sáng) bị điện tử hấp thụ và chuyển lên mức E2

Phương trình cân bằng năng lượng:

hv = E1-E2 (1.3) Trong các vật rắn ,do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vành ngoài , nên các năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng con rất sát nhau và tạo thành vùng năng lượng Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi ở trạng thái cân bằng gọi là vùng hoá trị mà bên trên của nó có năng lượng EV Vùng năng lượng phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn, bên dưới của vùng có năng lượng là EC, cách ly giữa vùng hóa trị và vùng dẫn đó gọi là một vùng cấm có độ rộng năng lượng là Eg, trong đó không có mức năng lượng cho phép nào của điện tử

Khi ánh sáng chiếu đến vật rắn có vùng năng lượng nói trên, photon có năng lượng hv tới hệ thống , bị điện tử của vùng hoá trị hấp thụ và nó có thể chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự do e-,lúc này vùng hoá trị sẽ có một lỗ trống có thể di chuyển như “hạt“ mang điện tích dương nguyên tố (kí hiệu h+) Lỗ trống này có thể di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện

Hình 1.12 Các vùng năng lượng

Phương trình hiệu ứng lượng tử:

Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lượng của photon và chuyển từ vùng hoá trị lên vùng dẫn, tạo ra căp điện tử –lỗ trống là:

Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời chính là hiện tượng quang điện xảy ra trên lớp tiếp xúc p-n

Khi một photon chạm vào mảnh silic, một trong hai điều sau sẽ xảy ra:

Photon truyền trực xuyên qua mảnh silic Điều này thường xảy ra khi năng lượng của photon thấp hơn năng lượng đủ để đưa các hạt electron lên mức năng lượng cao hơn

Năng lượng của photon được hấp thụ bởi silic Điều này thường xảy ra khi năng lượng của photon lớn hơn năng lượng để đưa electron lên mức năng lượng cao hơn

Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các hạt electron trong màng tinh thể Thông thường các electron này lớp ngoài cùng, và thường được kết dính với các nguyên tử lân cận vì thế không thể di chuyển xa Khi electron được kích thích, trở thành dẫn điện, các electron này có thể tự do di chuyển trong bán dẫn Khi đó nguyên tử sẽ thiếu 1 electron và đó gọi là lỗ trống Lỗ trống này tạo điều kiện cho các electron của nguyên tử bên cạnh di chuyển đến điền vào lỗ trống, và điều này tạo ra lỗ trống cho nguyên tử lân cận có "lỗ trống" Cứ tiếp tục như vậy lỗ trống di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn

Một photon chỉ cần có năng lượng lớn hơn năng luợng đủ để kích thích electron lớp ngoài cùng dẫn điện Tuy nhiên, tần số của mặt trời thường tương đương 6000°K,

vì thế nên phần lớn năng lượng mặt trời đều được hấp thụ bởi silic Tuy nhiên hầu hết năng lượng mặt trời chuyển đổi thành năng lượng nhiệt nhiều hơn là năng lượng điện sử dụng được

Hình 1.14 Sơ đồ khối hệ thống pin mặt trời độc lập

1.4.1 Thiết kế một hệ thống pin mặt trời:

Thiết kế một hệ thống pin mặt trời là xây dựng một quan hệ tương thích giữa các thành phần của hệ về mặt định tính và định lượng để đảm bảo hiệu quả cao

Các bước thiết kế:

1.4.1.1 Lựa chọn sơ đồ khối:

Từ sự phân tích các yêu cầu và các đặc trưng của các phụ tải điện ta sẽ chọn một sơ đồ khối thích hợp

Hình 1.15 Sơ đồ khối hệ thống pin mặt trời

Hình 1.12 là một sơ đồ khối thường dùng đối với các hệ thống pin mặt trời 1.4.1.2 Tính toán hệ nguồn điện pin mặt trời:

Có nhiều phương pháp tính toán nhưng thông dụng nhất chủ yếu dựa trên sự cân bằng điện năng trung bình hằng ngày

1 – Tính phụ tải điện theo yêu cầu:

Giả sử hệ cần cấp điện cho các tải T1, T2, T3,… có các công suất tiêu thụ tương ứng P1, P2, P3,… và thời gian làm việc hàng ngày của chúng là t1, t2, t3,…

Tổng điện năng phải cấp hằng ngày cho các tải:

Eng = P1t1+P2t2+P3t3+…= (1.7)

Từ Eng nếu nhân với số ngày trong tháng hoặc trong năm ta sẽ tính được nhu cầu điện năng trong các tháng hoặc cả năm

2 – Tính năng lượng điện mặt trời cần thiết Ec :

Năng lượng hằng ngày dàn pin mặt trời cần phải cấp cho hệ được xác định theo công thức :

ηm là hiệu suất của pin ở nhiệt độ T

4 – Tính số module mắc song song và nối tiếp : Các giá trị đặc trưng cơ bản của module : - Thế làm việc tối ưu : Vm - Dòng làm việc tối ưu : Im - Công suất đỉnh : Pm Số module cần dùng trong hệ thống :

N = với N = Ns.Np (1.10) Số module mắc nối tiếp:

V: điện thế yêu cầu của hệ Số module mắc song song:

I: điện thế yêu cầu của hệ

5 – Tính dung lượng của bộ acquy:

Dung lượng của bộ acquy được tính theo công thức:

D: số ngày cần dự trữ năng lượng (số ngày không có nắng) ηb: hiệu suất nạp phóng điện của acquy

DOS: độ sâu phóng điện thích hợp (khoảng 0,6 0,7)

Hình 1.16 Bộ Acquy của hãng KesslerSun

1.4.1.3 Các bộ điều phối năng lượng:

Các bộ điều phối năng lượng gồm bộ điều khiển quá trình nạp, phóng điện cho Acquy và bộ biến đổi DC/AC

Bộ điều khiển là thiết bị có chức năng kiểm soát tự động các quá trình nạp và phóng điện của bộ acquy Bộ điều khiển theo dõi trạng thái của acquy thông qua hiệu điện thế trên cá điện cực của nó

Hình 1.17 Bộ điều khiển

Bộ biến đổi điện có chức năng biến đổi dòng điện một chiều từ dàn pin mặt trời hoặc từ bộ acquy thành dòng điện xoay chiều

Hình 1.18 Inverter của Sunny Boy

1.4.2 Ứng dụng của pin mặt trời:

Pin mặt trời có ưu điểm là gọn nhẹ có thể lắp bất kì đâu có ánh sáng mặt trời, đặc biệt là trong lĩnh vực hàng không vũ trụ Ứng dụng của pin mặt trời phát triển rất nhanh, nhất là ở các nước phát triển Ngày nay pin mặt trời được ứng dụng trong nhiều dụng cụ cá nhân như máy tính, đồng hồ và các đồ dùng hằng ngày Pin mặt trời còn được dùng để chạy xe ôtô thay thế dần các nguồn năgn lượng truyền thống, dùng thắp sáng đèn đường, đèn sân vườn và sử dụng trong từng hộ gia đình

Hình 1.19 Trạm vũ trụ ISS

Hình 1.20 Robot tự hành trên sao hỏa và vệ tinh nhân tạo

Hiện giá thành thiết bị của pin mặt trời còn khá cao, trung bình hiện nay khoảng 5USD/Wp, nên ở các nước đang phát triển pin mặt trời hiện mới chỉ có khả năng duy nhất là cung cấp năng lượng điện sử dụng cho các vùng sâu, vùng xa mà đường điện quốc gia chưa có

Hình 1.21 Pin mặt trời được ứng dụng tại các hộ gia đình và trong nông nghiệp

Ở Việt Nam, với sự hỗ trợ của một số tổ chức quốc tế đã thực hiện xây dựng các trạm điện dùng pin mặt trời phục vụ nhu cầu sinh hoạt và văn hóa của các địa phương vùng sâu, vùng xa nhất là đồng bằng sông Cửu Long và Tây Nguyên Tuy nhiên giá thành của pin mặt trời còn quá cao so với thu nhập của người dân

Chương 2: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI NUÔI TẢI DC BẰNG CHƯƠNG TRÌNH BOND-GRAPH

2.1 Giới thiệu chương trình Bond-Graph:

Chương trình Bond-Graph được phát minh bởi H Paynter tại Học Viện Kỹ Thuật Massachusetts MIT (Boston, Mỹ) vào năm 1961và được công bố bởi D Karnopp et R Rosenberg Chương trình được du nhập vào Châu Âu vào cuối thập niên 70(Đại Học Twente, Hà Lan; Alstom, Pháp)

Phần mềm mô phỏng 20-Sim được phát triển bởi nhóm Điều khiển tự động tại trường Đại Học Twente, Hà lan 20-Sim được sử dụng để mô hình hóa và mô phỏng các hệ thống Cơ điện tử 20-Sim cho phép mô hình hóa hệ thống theo các cách sau: - Equation models

- Block Diagram models

- Bond Graph models (Matlab chưa có chức năng này) - Iconic Diagram models (Matlab chưa có chức năng này) - Kết hợp các dạng trên

Hình 2.1 Chương trình mô phỏng 20-SIM

Hiện nay chương trình đã được sử dụng bởi nhiều công ty sản xuất ôtô và động cơ hàng đầu thế giới như PSA, Renault, Ford, Toyota, EDF, Thomson, CEA, Airbus, GM, Hélion, CNES,…

2.1.1 Giao diện và các công cụ cơ bản:

Chương trình 20-Sim gồm hai cửa sổ chính là cửa sổ Thiết kế mô hình (Editor) và cửa sổ Mô phỏng (Simulator)

Hình 2.2 Cửa sổ 20-Sim Editor

Cửa sổ Editor gồm 4 cửa sổ chương trình con:

-Hierachi: liệt kê các linh kiện, mô hình, các submodel đang sử dụng

-Implementation: cửa sổ workspace, nơi người dùng thiết kế các sơ đồ, mô hình để mô phỏng

-Icon: hỗ trợ người dùng thiết kế hoặc chỉnh sửa icon của các mô hình -Type: chỉnh sửa các cổng giao tiếp và thông số của các mô hình

Hình 2.3 Cửa sổ Editor với mô hình Central Heating System

Ví dụ ở trên là mô hình mô phỏng thiết bị điều khiển nhiệt độ Ta thấy chức năng của từng cửa sổ thể hiện rất rõ:

-Hierachi: liệt kê các linh kiện, mô hình đang sử dụng trong sơ đồ thiết kế Khi người dùng muốn xem hoặc thay đổi thuộc tính của chi tiết nào chỉ cần click vào biểu tượng của chi tiết đó trong cửa sổ Hierachi

-Implementation: các chi tiết đang biểu diễn được liên kết với nhau tạo thành sơ đồ mô phỏng

-Icon: thể hiện icon của chi tiết, khi muốn chỉnh sửa icon, người dùng chỉ cần click vào icon của chi tiết ở cửa sổ Icon, cửa sổ Icon Editor xuất hiện cho người dùng thiết kế lại

Hình 2.4 Cửa sổ Icon Editor

-Type: để chỉnh sửa các cổng giao tiếp của chi tiết, click vào cổng cần chỉnh sửa, cửa sổ Type Editor hiện ra

Hình 2.5 Cửa sổ Type Editor

Icon cần chỉnh sửa

Hình 2.6 Cửa sổ mô phỏng

Khi cần chỉnh sửa thông số nào đó, click vào nút Parameters, cửa sổ Parameter/ Initial Value Editor hiện ra Chọn thông số cần chỉnh sửa và điền giá trị vào ô Value

Hình 2.7 Cửa sổ Parameter/Initial Values Editor

Parameters: chỉnh sửa thông số mô phỏng Variables: giá trị các thông số của mô hình Run Properties: đặt thời gian khảo sát

Plot Properties: chọn các thông số, đại lượng cần khảo sát

Run Simulation: khởi động quá trình mô phỏng Numerical Values: khảo sát giá trị trên đồ thị

Khi cần biết giá trị các thông số vào cuối quá trình mô phỏng, click vào nút Variables, tất cả các giá trị đều được thể hiện trong cửa sổ Variable Chooser:

Hình 2.8 Cửa sổ Variable Chooser

Để đặt thời gian khảo sát,click vào nút Run Properties,ta sẽ có cửa sổ Run Properties như sau:

Hình 2.9 Cửa sổ Run Properties

Để chọn các thông số cần biểu diễn trên đồ thị mô phỏng, click vào nút Plot Properties ta có cửa sổ sau:

Hình 2.10 Cửa sổ Plot Properties

Trên cửa sổ này ta có thể chọn thông số cần biểu diễn trên hai trục xy,màu sắc của đồ thị, độ đậm của đường biểu diễn, khoảng giá trị cần khảo sát…

2.1.2 Một số mô hình cơ bản của chương trình Bond Graph:

- Nguồn dòng:

-Nguồn áp:

-Điện trở:

e=R1.f

-Điểm nối nối tiếp:

e1 = e2 + e3 f1 = f2 = f3

-Transformer:

-Gyrator GY :

2.1.3 Một số quy tắc xây dựng mô hình mô phỏng mạch điện trên Graph:

Bond Quy ước rõ chiều dòng điện của từng linh kiện trong mô hình - Chọn điện thế gốc

- Đánh số thứ tự cho mỗi nút trên mạch điện và biểu diễn nó trên Bond-Graph bằng điểm nối 0

- Biểu diễn điện áp rơi trên mỗi linh kiện bởi một điểm nối 1 với 3 liên kết, trong đó có hai mối liên kết với hai điểm nối 0 của hai nút nối với nó trong sơ đồ mạch điện

- Các linh kiện đặt trên mối liên kết tự do của các điểm nối 1

- Rút gọn lại mô hình vừa được xây dựng: loại bỏ các điểm nối 0 liên kết với điện thế gốc Bỏ các mối liên kết tự do nối với các nút gốc trên Cuối cùng ta bỏ tất cả các điểm nối 0 và 1 chỉ có hai liên kết và có dạng:

Ví dụ:

Hình 2.11 Sơ đồ mạch điện cần được mô phỏng và mô hình chưa được rút gọn

Các điểm nối và các liên kết bị gạch chéo là các thành phần bị loại bỏ Sau khi rút gọn, ta có mô hình được xây dựng hoàn chỉnh như sau:

Chú ý:

Một cách xây dựng mô hình cho mạch điện trên đơn giản hơn: ban đầu ta xem hai linh kiện mắc song song C, L là một trở kháng ZL//C Liên kết 3 linh kiện Se, R và ZL//C với nhau bằng mối nối 1 Cuối cùng, ta chuyển ZL//C về L và C bằng cách liên kết 3 nhánh Se-R, C và L bằng mối nối 0

Hình 2.12 Cách biểu diễn thứ hai của ví dụ trên

2.1.4 Các quy ước biểu diễn đường liên kết:

Ta xét 2 linh kiện A và B, trong đó A cấp cho B một điện áp e và B trả lại A một giá trị dòng điện f

Xét ngược lại, B cấp điện áp e cho A và A trả lại dòng f cho B:

Hình 2.13 Ví dụ một nguồn pin cấp cho tải

Quy ước biểu diễn đường liên kết của một số linh kiện cơ bản: - Nguồn áp và nguồn dòng:

0 hoặc 2 vạch ngang của liên kết nằm gần GY

2.2 Mô phỏng pin mặt trời:

2.2.1 Sơ đồ tương đương của pin mặt trời:

Có thể thấy rằng khi được chiếu sáng, nếu ta nối các bán dẫn p và n của một tiếp xúc p-n bằng một dây dẫn, thì pin Mặt Trời phát ra một dòng quang điện Iph Vì vậy trước hết pin mặt trời có thể xem như một nguồn dòng

Lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có tính chỉnh lưu tương đương như một diode Tuy nhiên, khi phân cực ngược, do điện trở lớp tiếp xúc có giới hạn, nên vẫn có một dòng điện được gọi là dòng rò qua nó Đặt trưng cho dòng rò qua lớp tiếp xúc p-n người ta đưa vào đại lượng điện trở shunt Rsh

Dòng quang điện chạy trong mạch phải đi qua các lớp bán dẫn p và n, các điện cực, các tiếp xúc,…Đặt trưng cho tổng các điện trở của các lớp đó là một điện trở RSnối tiếp trong mạch (có thể coi là nội trở của pin mặt trời)

Hình 2.14 Sơ đồ tương đương của pin mặt trời

n : hệ số lý tưởng của diode phụ thuộc vào các mức độ hoàn thiện công nghệ chế tạo pin Mặt Trời Gần đúng có thể lấy n = 1

Phương trình đặc trưng Volt – Ampere của pin mặt trời:

I = Iph – Id – Ish = Iph – IS[exp – 1] – (2.2) RS: nội trở của pin mặt trời (ohm)

Rsh: điện trở shunt (ohm)

2.2.2 Dòng ngắn mạch Isc: