2.4.1. Pin quang điện
2.4.1.1. Giới thiệu
Pin quang điện hay thường gọi pin mặt trời hấp thụ bức xạ mặt trời biến đổi biến đổi trực tiếp thành điện năng nhờ các tế bào quang điện bán dẫn, hay còn gọi là các pin quang điện, được chế tạo ra từ các vật liệu bán dẫn điện. Các pin quang điện sản xuất ra điện năng một cách liên tục chừng nào còn có bức xạ mặt trời tới nó. Các hệ thống năng lượng mặt trời đơn giản, không đòi hỏi phải bảo dưỡng chăm sóc thường xuyên như các hệ thống năng lượng khác… nên được quan tâm nghiên cứu, phát triển và ứng dụng.
2.4.1.2. Cấu tạo
Một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên trong gọi là pin quang điện. Cấu táo một tấm pin quang điện hoàn chỉnh như hình 2.8 gồm: (1) khung, (2) hộp nối chống thấm nước, (3) nhãn thông số kỹ thuật, (4) lớp bảo vệ thời tiết tuổi thọ 30 năm, (5) tế bào pin quang điện, (6) lớp kính hấp thụ nhiệt bức xạ mặt trời, (7) đường dẫn điện bên ngoài, (8) độ hở chỉnh khung.
Hình 2.7: Cấu tạo tế bào pin quang điện
Hình 2.8: Cấu tạo tấm pin quang điện [17]
2.4.1.3. Nguyên lý hoạt động
Một khối PV (Photovoltaic) thường được tạo bởi 2 lớp vật liệu bán dẫn mà có thể là loại p hay loại n. Có thể tham khảo cấu tạo của pin theo hình dưới đây:
Hình 2.9: Nguyên lý hoạt động của pin quang điện [11]
Khi ánh sáng chiếu vào một tế bào của pin quang điện, với những photon có mức năng lượng thích hợp, nó làm bức các electron có trong phân tử của chất bán dẫn lớp n di chuyển sang lớp n, khi hai lớp p – n được nối kín, một dòng electron được hình thành chạy từ lớp p đến lớp n tạo ra dòng điện cung cấp cho tải. Để có đủ công suất và điện áp thích hợp, ta cần ghép nối các tế bào thành một panel và ghép nối song song hay nối tiếp các panel thành các hệ thống pin quang điện lớn.
2.4.1.4. Mô đun và hệ pin quang điện
Mô đun pin quan điện được tạo thành bằng cách ghép các tế bào quang điện lại với nhau. Một hệ pin quang điện thường bao gồm nhiều mô đun.
Hình 2.10: Một số tế bào pin quang điện ghép thành một mô đun,
Hình 2.11: Các phương pháp lắp đặt pin quang điện [17] 2.4.1.4. Phân loại pin quang điện
Trên cơ sở công nghệ chế tạo pin quang điện màng mỏng trên một số vật liệu quan trọng có 4 loại như sau [10]:
- Pin quang điện vô định Si (a-Si): Silicon ở trạng thái vô định hình có các
tính chất hóa lý khác Si tinh thể. Một pin quang điện màng mỏng a-Si là cấu trúc p- i-n chỉ có độ dày nhỏ hơn 1 µm, rất tiết kiệm về mặt vật liệu. Sự chế tạo các lớp màng a-Si thường được thực hiện nhờ công nghệ lắng đọng hơi hóa học (CVD) từ hỗn hợp solan.
- Pin quang điện vô định hình bán dẫn hợp chất: Phần lớp các bán dẫn tạp
chất thích hợp đối với pin quang điện vô định hình có độ dẫn loại n hay p. Vì vậy việc tạo ra các lớp tiếp xúc pn hay p-i-n theo như phương pháp a-Si là không phù hợp, Đối với các pin quang điện màng mỏng bán dẫn hợp chất người ta thường phải dùng cấu trúc tiếp xúc khác chất (heterojunction) hoặc cấu trúc MIS (Metal – Isolation – Semiconductor).
- Pin quang điện trên cơ sở vật liệu CuInSe2: Pin quang điện vô định hình
hệ CuInSe2 có hiệu suất tương đối cao được chế tạo bằng cách bốc hơi đồng thời Cu, In và Se lên một đế thủy tinh đã phủ một lớp mỏng Mo và sau đó được kế tiếp một màng cửa sổ CdS hoặc (Zn. Cd)S.
Hình 2.13: Cấu trúc điển hình của một pin quang điện màng mỏng hệ CuInSe2 [10]
- Pin quang điện trên cơ sở vật liệu CdTe (CdTe): Ưu điểm của pin quang
điện hệ CdTe là ít phụ thuộc vào công nghệ chế tạo, các phương pháp chế tạo khác nhau cho pháp pin quang điện có phẩm chất không hơn kém nhiều. Pin quang điện hệ CdTe có diện tích 1 – 4 cm2 thu được hiệu suất từ 10 – 17%.
2.4.2. Ưu nhược điểm pin quang điện
Bảng 2.10: Ưu nhược điểm pin quang điện tinh thể silic
và pin quang điện màng mỏng [23]
Nhận xét: Nên lựa chọn pin quang điện đơn tinh thể (mono) để đảm bảo hiệu
suất làm việc và mang tính phổ biến, thông dụng trên thị trường Việt Nam.
2.5. Hệ thống phát điện hỗn hợp năng lượng gió - mặt trời
Hệ thống phát điện hỗn hợp năng lượng gió – mặt trời là hệ thống kết hợp việc sử dụng các thành phần chuyển đổi năng lượng gió (tuabin gió) và năng lượng bức xạ mặt trời (pin quang điện) thành điện năng.
2.5.1. Các thành phần cấu trúc của hệ thống
Cấu trúc hệ thống phát điện hỗn hợp năng lượng gió – mặt trời bao gồm các thành phần sau:
- Máy phát điện tuabin gió (gồm tuabin gió và máy phát điện - Dynamo). - Hệ pin quang điện.
- Bộ điều khiển sạc hỗn hợp giữa năng lượng gió và mặt trời (Controller Wind & Solar hybrid).
- Cụm ắc quy lưu trữ điện năng. - Bộ nghịch lưu (Inverter).
Hình 2.15: Cấu trúc hệ thống phát điện hỗn hợp năng lượng gió - mặt trời
Hình 2.16:
Trạm phát điện hỗn hợp năng lượng mặt trời và gió với công suất 8,6 kW tại Trường Đại học Bách khoa, Đà Nẵng
Hình 2.17:
Trạm phát điện hỗn hợp năng lượng mặt trời và gió với công suất 9 kW
tại Ga Nha Trang, Khánh Hòa
2.5.2. Ưu nhược điểm
- Hệ thống này hạn chế được các yếu tố bất lợi và dung hòa về điều kiện tự nhiên của 2 nguồn năng lượng tái tạo (bức xạ mặt trởi – vận tốc gió) ở tại một thời điểm của không gian. Năng lượng đều, ổn định trong cả năm (mùa đông ít ánh nắng nhưng nhiều gió, mùa hè nhiều nắng)
- Với sự kết hợp việc sử dụng năng lượng gió và mặt trời làm chi phí rẻ đi so với việc xây dựng hai hệ thống thu hai loại năng lượng riêng biệt.
Chương 3
CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3.1. Tuabin gió
3.1.1. Định luật Bezt
Năng lượng gió là nguồn năng lượng do chuyển động của không khí với một tốc độ trong một thời gian nhất định. Theo định luật Bezt (nhà vật lý người Đức –
Albert Bezt 1885 – 1968) về động lực học khí quyển thì nguồn năng lượng gió này không thể chuyển tất cả sang một loại năng lượng khác [9].
Khi một khối lượng gió thổi vào tuabin làm cho cánh quạt quay, năng lượng của gió chuyển vào cánh quạt thành cơ năng. Nguồn năng lượng mà gió chuyển vào cánh quạt phụ thuộc vào tốc độ gió, mật độ của không khí và diện tích mặt đón gió của cánh quạt [9].
Động năng E của một khối lượng không khí m chuyển động với tốc độ v là: E = ½ m.v2 (Nm) (3.1) trong đó: E - Động năng của năng lượng gió (Nm)
m - Khối lượng không khí (kg) v - Tốc độ gió (m/s)
Thể tích V của không khí chuyển động qua một mặt phẳng A trong một đơn vị thời gian là: V = v.A (m3) (3.2)
Khối lượng không khí chuyển động phụ thuộc vào mật độ không khí.
m = .v.A (Kg) (3.3) công suất thu được từ khối lượng không khí chuyển động qua một mặt phẳng là:
P = ½ m.v2 = 1/2 .A.v3 (W) (3.4) với: P - Công suất (W)
- Mật độ không khí (Kg/m3)
3.1.2. Hệ số công suất Cp
Xét mô hình khí động học của gió tác dụng lên cánh quạt như hình 3.1 trong điều kiện lý tưởng.
v-Vận tốc gió tại cánh quạt; v1-Vận tốc gió trước cánh quạt; v2-Vận tốc gió sau cánh quạt; A-Diện tích mặt đón gió tại cánh quạt;
A1-Diện tích mặt đón gió trước cánh quạt; A2-Diện tích mặt đón gió sau cánh quạt.
Hình 3.1: Ống động lực học Bezt trong điều kiện lý tưởng [3]
Để việc chế tạo các rotor gió có hiệu quả thì lực của gió đi qua rotor giảm, nghĩa là v2 phải nhỏ hơn v1.
Với sự khác biệt của tốc độ gió trước và sau cánh quạt trong điều kiện lý tưởng (khối lượng được bảo toàn) thì:
m = v1 .A1 = v2 .A2 = v.A (Kg) (3.5) Như vậy thấy rằng, công suất P có được đúng bằng sự biến thiên của động năng từ đầu cơn gió đến cuối cơn gió có giá trị:
P = ∆E = ½ .v.A.(v12 – v22) = ½ m.(v12 – v22) (W) (3.6) Vận tốc gió tại cánh quạt là:
1 2
2
v v
v
(m/s) (3.7)
Khối lượng không khí tại cánh quạt là:
m = .v.A = ½ .A (v1 + v2) (Kg) (3.8) Công suất P sẽ là:
P = ½ .A (v1 + v2). ½ (v12 – v22) (W) (3.9) Theo công thức (3.9) thì công suất P là hàm phụ thuộc vận tốc gió phía sau cánh quạt v2.
Vi phân hai vế của phương trình (3.9) ta có: 12 1 2 22 2 1 ( 2 3 ) 4 dP A v v v v dv (3.10) 2 0 dP
dv có hai trường hợp xảy ra:
+ Thứ nhất: v2 = -v1 không xảy ra. (3.11)
+ Thứ hai: v2 = v1/3 công suất đạt giá trị lớn nhất. (3.12) Hệ số công suất lý tưởng Cp được tính theo công suất thực của gió và công suất tuabin có thể đạt được:
Cp = 2 2 1 2 1 2 3 0 1 1 . .( ).( ) 4 1 . . 2 A v v v v P P A v (3.13) Rút gọn biểu thức (2.13) ta có: Cp = 2 3 2 2 2 1 1 1 1 1 2 v v v v v v (3.14)
Theo (3.12) để công suất đạt cực đại khi v2/v1 = 1/3, thay vào (3.14) ta được: Cp max = 16/27 = 0,593
Hệ số CP (power coefficient) tối đa là CP max=16/27=0,593 thường được gọi là hệ số Betz. Như vậy một tuabin gió lý tưởng chỉ thu được 59,3% năng lượng từ gió.
Vậy công suất thực tế mà một tuabin gió thu được là: Pt = 1 . . .A. v3
2cp (W) (3.15)
Trong đó: Pt - Công suất (W)
- Hệ số công suất của máy phát và của hệ thống truyền động Cp - Hệ số Bezt Cp max = 0,593
- Mật độ không khí = 1,225 (kg/m3) v - Tốc độ gió (m/s)
3.1.3. Tỉ số tốc độ gió đầu cánh TSR
Do Cp là mối quan hệ giữa tốc độ gió và tốc độ rotor. Mối quan hệ này chính là tỷ số giữa tốc độ quay của rotor tại tiếp tuyến của rìa cánh quạt với tốc độ gió mặt. Còn được gọi tỉ số tốc độ gió đầu cánh TSR- Tip Speed Ratio là tỉ số giữa tốc độ vòng quay tại đầu cánh quạt và tốc độ của gió:
vtop .R
v v
(3.16)
Trong đó: - Tỉ số tốc độ gió đầu cánh vtop - Tốc độ quay tại đầu cánh quạt v - Tốc độ gió (m/s)
- Vận tốc góc của rotor (rad/s) R - Bán kính của rotor (m)
Theo [14], tỉ số tốc độ gió là một yếu tố quan trọng trong việc thiết kế một tuabin gió. Rotor phải quay ở một tốc độ tối ưu để cho hiệu suất cao nhất. Nếu tuabin quay với tốc độ quá chậm thì gió sẽ thổi qua khe hở giữa các cánh dẫn tới năng lượng thu được thấp. Nếu tuabin quay với tốc độ quá nhanh, các cánh tạo thành một bức tường chắn gió và cũng làm giảm năng lượng thu được từ gió.
Vậy vấn đề đặt ra là tuabin phải được thiết kế sao cho luôn vận hành với một tối ưu để thu được năng lượng nhiều nhất.
Tỉ số tốc độ gió đầu cánh tối ưu để thu được năng lượng nhiều nhất suy ra từ mối quan hệ:
- Thời gian gió xáo động khi qua cánh trở về bình thường, tw (s)
- Thời gian cần thiết để cánh quạt quay với vận tốc ω (rad/s) đến vị trí trước đó, ts (s)
Với rotor có n cánh, thì chu kỳ để cánh di chuyển đến vị trí trước đó là: 2 . s t n (s) (3.17)
Cho rằng quãng đường luồng gió xáo động từ trước tới sau cánh quạt là At (m), thì thời gian để luồng gió trở về bình thường (có tốc độ của môi trường không khí) là:
t w A t v (s) (3.18)
2 . t A n v hay 2 . opt t n A (3.19)
Vậy tỉ số tốc độ gió đầu cánh tối ưu được tính theo công thức: opt opt. 2 t R R v n A (3.20)
Với: opt - Tỉ số tốc độ gió đầu cánh tối ưu opt - Vận tốc quay tối ưu của rotor n - Số cánh
At - Độ dài của luồng gió động từ trước tới sau cánh quạt (m) R - Bán kính của rotor (m)
3.1.4. Số cánh quạt
Do opt phải là số dương, theo công thức (3.20) ta suy ra số cánh càng ít thì tuabin quay càng nhanh (tỉ lệ nghịch) và công suất thu được từ gió là lớn nhất.
Thông thường thì tỉ số t R A = 2 [14], vậy ta có: opt 2 4 t R n A n (3.21)
3.1.5. Đường cong công suất lý tưởng của tuabin gió
Một trong những thông số kỹ thuật quan trọng nhất đối với từng loại tuabin gió là đường công suất, thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ gió và công suất đầu ra. Thường được gọi là đường cong công suất lý tưởng. Thể hiện ở hình 3.2 các thông số trong đó:
- Vận tốc gió Cut-in (Vc): là vận tốc gió tối thiểu cần để thắng ma sát và tạo công suất.
- Vận tốc gió định mức (VR): Khi vận tốc gió tăng lên, công suất đầu ra cũng tăng theo và tỷ lệ thuận với lũy thừa bậc ba của vận tốc gió. Khi vận tốc gió đạt đến giá trị VR, công suất đầu ra bằng công suất định mức theo thiết kế. Khi lớn hơn VR
thì cần phải điều chỉnh để hệ thống tuabin lượt bớt công suất nhằm tránh quá tải cho máy phát.
- Vận tốc gió Cut-out (VF) : Khi tốc độ gió tiếp tục tăng và đạt đến ngưỡng VF
thì hệ thống tuabin cần phải được ngưng hoạt động để bảo vệ máy phát và các cấu trúc cơ khí khác, trong trường hợp này công suất phát ra bằng không.
Hình 3.2: Đường cong công suất lý tưởng của tuabin gió [11] 3.1.6. Lực tác dụng lên rotor
Khi gió tác động vào cánh với vận tốc V, sẽ tạo ra áp lực làm cho rotor quay. Khảo sát lực tác dụng lên một cánh tại hai vị trí A, B đối xứng nhau qua tâm O (hệ trục tọa độ Oxy có gốc tọa độ đặt tại tâm trục rotor) như hình 3.3.
- góc hướng tâm (góc hợp bởi OA và OX)
i - góc tới (góc hợp bởi vận tốc gió và dây cung cánh)
- góc đặt cánh (góc hợp bởi dây cung cánh và phương hướng kính)
Tính áp lực gió trên kỳ sinh công, xét lực tác dụng lên cánh tại vị trí A bao gồm: - Lực gió tác dụng lên cánh: 2 1 1 1 . . cos 29, 91 A F S C V (N) (3.22) - Lực cản do rotor quay: 2 2 2 1 . . 29, 91 A F S C R (N) (3.23)
- Vậy hợp lực của gió tác dụng lên cánh tại vị trí A là: 2 2 1 2 1 2 1 . cos 29,91 A A A F F F S C V C R (N) (3.24)
Tính áp lực gió trên kỳ cản công, xét lực tác dụng lên cánh tại vị trí B bao gồm: - Lực gió tác dụng lên cánh: 2 1 2 1 . . cos 29,91 B F S C V (N) (3.25) - Lực cản do rotor quay: 2 2 2 1 . . 29, 91 B F S C R (N) (3.26) - Vậy hợp lực của gió tác dụng lên cánh tại vị trí B là:
2 2 1 2 2 1 . . cos 29,91 B B B F F F S C V R (N) (3.27) trong đó: V - Vận tốc gió (m/s) F - Lực tác động lên cánh tuabin (N) - Mật độ không khí (Kg/m3)
S - Diện tích hình chiếu bề mặt cản gió của cánh (m2)
C1 - Hệ số cản gió tác dụng lên bề mặt lõm của cánh, C1 = 2,3 [13] C2 - Hệ số cản gió tác dụng lên bề mặt lồi của cánh, C2 = 1,2 [13] R - Bán kính rotor (m)
- Vận tốc góc (rad/s)
Giá trị cản gió của một số hình dạng hình học được trình bày ở hình 3.4. Theo [12], lực tác dụng lên cánh rotor được xác định bằng công thức.