CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
2.2. Công nghệ pin Full cell
Tấm pin mặt trời Full cell là loại pin truyền thống thơng thường gồm có 60 cell hoặc 72 cell mắc nối tiếp với nhau, có kích thước 156mm*156mm.
Hình 2.9. Cấu tạo của tấm pin Full cell
Các cell pin được chia thành 3 dãy mắc nối tiếp nhau, mỗi dãy có được mắc vào 1 diode. Diode này có chức năng khi dãy cell nào bị che bóng thì diode có nhiệm vụ tách các dãy
Nhà sản xuất Model Công suất (W)
Loại cell Hiệu suất (%)
JINKO
SOLAR Eagle 60M 325W P-Mono Half-cell 19.3
JA SOLAR JAM60S03 325W P-Mono Half-cell 19.3
LONGI
SOLAR LR6-60HPH 320W P-Mono Half-cell 19.3
SUMEC PHONO SOLAR
Twin Plus 320W P-Mono Half-cell 19.3
TRINA SOLAR
Honey M
bị che bóng đó giúp cho các dãy cịn lại không bị ảnh hưởng. Như vậy công suất của tấm pin sẽ chỉ bị giảm 1/3 so hiệu suất ban đầu.
Hình 2.10. Cấu tạo của tấm pin Full cell khi bị bóng đổ 2.3. Cơng nghệ pin Half cell
Công nghệ Half cell xuất hiện vào năm 2014 bởi nhà sản xuất pin năng lượng mặt trời REC Solar. Với các ưu điểm vượt trội mà công nghệ Half cell mang lại, đó là bước ngoặt mới cho nền sản xuất pin năng lượng mặt trời sau này. Vì vậy mà ngày nay các nhà sản xuất pin năng lượng mặt trời như VSUN, Trina Solar, Hanwha Q cells. Jinko Solar… đã áp dụng công nghệ này cho các dây chuyền sản xuất pin năng lượng mặt trời của mình.
Pin năng lượng mặt trời (hay cịn gọi là Pin Quang điện), nó bao gồm nhiều tế bào Quang điện (cell). Các tế bào Quang điện làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng của ánh sáng thành năng lượng điện. Các cell pin truyền thống được cắt đơi bằng cơng nghệ tia Laser (Half-cut-cell). Vì vậy các cell pin hoạt động độc lập sẽ tăng lên gấp đơi. Ví dụ trên cùng tấm pin nếu Full cell có 60 cell hoặc 72 cell thì Half cell sẽ tăng lên 120 cell và 144 cell. Công nghệ này chia tấm pin thành hai phần và hoạt động độc lập. Khi bị che bóng một nữa tấm thì cơng suất ra của tấm pin bị ảnh hưởng sẽ ít hơn so với tấm pin Full cell thơng thường. Đó là ưu điểm của cơng nghệ Half cell so với công nghệ Full cell.
Hình 2.11. Cấu tạo của tấm pin Half cell
Đối với các tấm pin Half cell các cell pin được chia làm 6 dãy. Do đó, nếu một hoặc một dãy cell pin bị che bóng thì chỉ làm giảm 1/6 cơng suất của tấm pin. Đó chính là điểm nổi trội của cơng nghệ Half cell so với cơng nghệ Full cell.
Hình 2.12. Pin Half cell khi bị bóng đổ 2.4. So sánh giữa cơng nghệ Pin Half cell và Full cell
- Kích thước
+ Kích thước của cell pin Haff-cell là 3*6 inch còn Full-cell là 6*6 inch
+ Chiều dài tấm pin Haff – cell tăng thêm khoảng 20 mm và chiều rộng không đổi so với tấm pin Full-cell
Số lượng cell pin
- Hệu suất của tấm pin
+ Hiệu suất của tấm pin Haff – cell luôn vuột trội so với tấm pin Full – cell do các đường Busbar của Haff-cell ngắn hơn so với Busbar Full-cell qua đó làm tăng hiệu suất hấp thu của cell pin và làm giảm tổn thất do điện trở ( busbar càng dài thì tổn hao càng lớn). Ngoài ra các đường Busbar của Haff-cell cũng nhỏ hơn đường Busbar của Full-cell nên nó sẽ làm giảm việc cell pin bị che bóng và tăng khả năng hấp thụ ánh sáng dẫn tới hiệu suất tấm pin cũng tăng lên
+ Diode By-pass (diode nối tắt) của Haff-cell được nối song song với với cả phần trên và phần dưới của tấm pin (các cell pin nối tiếp với nhau chia thành 2 phần độc lập và nối song với nhau qua Diode By-pass ) nên khi bị che bóng 1 nửa tấm pin thì phần cịn lại vẫn hoạt động bình thường.
+ Trong khi Full-cell, các dãy cell pin được nối tiếp với nhau rồi đưa ra Diode By-pass, vì vậy khi bị che bóng sẽ làm giảm hiệu suất của tấm pin rất nhiều so với tấm pin Haff- cell.
- Giảm Hotspot
+ Khi 1 cell trong string của tấm pin bị che bóng, tồn bộ năng lượng từ các cell khơng
bị che bóng sẽ đổ dồn về cell bị che bóng và phát nhiệt. Hiện tượng này gọi là Hotspot. Nếu xảy ra trong thời gian dài sẽ gây ra nguy cơ hư hại cho tấm pin.
+ Dòng điện trên Haff-cell sẽ chỉ bằng một nửa so với Full-cell. Điều này giúp giảm
dòng điện chạy trên busbar, giúp bảo vệ tấm pin và tăng tuổi thọ cho cả hệ thống. - Cải thiện nhiệt độ làm việc
+ Tấm pin Full-cell Junction-box được đặt phía cạnh trên của tấm pin. Trong khi đó
tấm pin Haf-cell Junction-box được chia thành 3 phần nhỏ, bao gồm hai hộp dây kết nối hai bên và một hộp nhỏ ở giữa, 3 phần này đều chứa 1 Diode By-pass bên trong.
+ Việc chia nhỏ Junction-box giúp tấm pin giải nhiệt tốt hơn so với tấm pin Full-cell Với sự phân tích và so sánh như trên thì chúng ta có thể thấy với sự phát triển của công nghệ chế tạo pin năng lượng mặt trời. Cụ thể là công nghệ Half cell đã mang lại sự hiệu quả về kinh tế cho các dự án điện mặt trời khi bị ảnh hưởng của bóng đổ do các yếu tố ngoại cảnh như bóng cây, bóng mây, bóng của các nhà cao tầng….
CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG MƠ HÌNH BĨNG ĐỔ PIN HALF CELL VÀ FULLCELL TRÊN PHẦN MỀM MATLAB/SIMULINK
3.1. Mơ hình pin quang điện một diode
Một tế bào quang điện thông thường tạo ra công suất khoảng 2W (Pmax ≤ 2W) và điện áp khoảng 0.5V. Trên thực tế các mơ-đun năng lượng mặt trời thương mại có cơng suất từ 2W đến 500W. Xây dựng mô-đun năng lượng mặt trời tạo ra công suất như trên thì ghép song song các tế bào quang điện trên một mô đun PV và nhiều mô-đun PV nối tiếp lại với nhau để tạo ra dòng điện và điện áp theo đáp ứng được nhu cầu thực tế. Sơ đồ mạch tương đương cho mơ-đun năng lượng mặt trời hình 3.1.
Mơ hình thực tế Mơ hình đơn giản
Mơ hình lý tưởng
I +
NPIPH
V
－
Hình 3.1. Mơ hình tổng qt pin quang điện
Từ mơ hình tổng qt như hình 3.1 phương trình tốn học của pin quang điện được viết như sau
Mạch tương đương của tế bào quang điện bao gồm một diode duy nhất được kết nối song song với nguồn quang, mơ hình này được mơ tả bởi phương trình 1
I I ph I 0 (exp( qVd
akT ) 1) (1)
Mơ hình diode đơn bao gồm điện trở nối tiếp R và shunt điện trở Rp, trong đó dịng điện đầu ra có thể được viết là
I I ph I 0 (exp( Với )1) aVT Rp (2) VT N s KT q (3)
Các dòng quang được đưa ra bởi
I Ph (I Ph.STC K I .T ). G
GSTC
(4)
Và dòng bão hòa ngược
I 0 I sc,STC KT ) / aV K IT (5)
Trong đó
I Dòng đầu ra của tế bào PV; V Điện áp đầu ra của tế bào PV; ��ℎ Dòng quang điện; �0, �01, �02 Dòng bão hòa ngược của diode; �� Điện áp diode; �� Dòng diode; �0 Dòng bão hòa ngược của diode; �, �1, �2 hệ số lý tưởng diode; � hằng số Boltzmann; T nhiệt độ tiếp giáp p-n; q Điện tích; �� Hệ số dịng điện/nhiệt độ ngắn mạch;�� Hệ số điện áp / nhiệt độ mạch hở; G Thực tế chiếu xạ; ���� Chiếu xạ danh nghĩa (1000 �/�2); �� Sự khác biệt giữa nhiệt độ thực tế và nhiệt độ danh nghĩa; ��ℎ.��� Quang điện danh nghĩa
(250� và 1000 �/�2); �� Số lượng tế bào được kết nối theo chuỗi; ��� Số lượng các mô-đun kết nối trong chuỗi; ��� Số lượng các mô-đun kết nối song song;VOC Mạch điện
áp mở; ��� Dòng điện ngắn mạch;
V IRs V IRs
3.2. Mơ hình tính tốn hệ thống trên môi trường Matlab/Simulink Điện áp Nhiệt độ PV modul Half cell Cell 1-72 PV modul Half
Công suất pin Half cell
Cơng suất pin Full cell cell Cell 73-144 Dịng điện pin Half cell Bức xạ mặt
trời PV modul Full
cell Dịng điện pin Full cell Hình 3.2. Mơ tả hệ thống Điện áp Out1 Ramp1 In1 Out2
Cơng suất cell 1-72
Dịng điện cell 1-72
0.6
Bức xạ mặt trời
In2
Out3
Add1 Tổng công suất Half cell
Out4
25 In3 Add2 Tổng dịng điện Half cell
Nhiệt độ
Out5
Cơng suất Full cell
0.8 In4
Bức xạ mặt trời2 Out6
Mơ hình tính tốn hệ thống Dịng điện Full cell
Trong nghiên cứu này, mơ hình tính tốn bóng đổ được xây dựng trên mơi trường Matlab/Simulink. Với việc xây dựng hồn chỉnh mơ hình tính tốn này, sẽ giúp cho việc tính tốn được các số liệu cụ thể từ các tấm pin khác nhau, trong từng điều kiện khác nhau để thực hiện các dự án. Qua đó sẽ phân tích được các ưu, nhược điểm của từng cơng nghệ và lựa chọn công nghệ phù hợp với từng dự án.
Mơ hình của hệ thống bao gồm 4 thơng số đầu vào và 6 thông số đầu ra. Các thông số về Điện áp, Bức xạ mặt trời tại, Nhiệt độ đều có thể thay đổi theo dữ liệu thời tiết. Các thơng số đầu vào sau khi qua mơ hình tính tốn sẽ cho ra các thơng số như Dịng điện của 2 công nghệ Pin Half cell và Full cell, công suất của 2 công nghệ pin Half cell và Full cell. Từ kết quả mơ phỏng chúng ta có thể so sánh hiệu suất của 2 tấm pin, phân tích các đồ thị đặc tính ngõ ra I-V và I-P-V của hệ thống.
3.3. Mơ hình tính tốn pin Half cell và Full cell
Ramp1 Voltage Input Power Output Điện Áp 0.6 Bức xạ mặt trời 1 25 Nhiệt độ Insolation Input Current Output Cell Temperature Input Cell 1 to 72 Voltage Input Power
Công suất cell 1 - 72
Dịng điện cell 1- 72
0.8 Insolation Input
Output Add1
Tổng cơng suất pin Half cell
Bức xạ mặt trời2 Current Output
Cell Temperature Input Add2
Tổng dịng điện pin Half cell
Cell 73 to 144
Mơ hình pin Half cell
Voltage Input
Insolation Input
Power Output
Công suất pin Full cell Current Output
Cell Temperature Input
Dịng pin Full cell Full cell
Mơ hình pin Full cell
Hình 3.4. Mơ hình tính tốn pin Half cell và Full cell
Với mơ hình tính tốn ở hình 3.4 sẽ giúp cho chúng ta thấy được các thông số ngõ ra chi tiết của 2 tấm pin công nghệ Half cell và Full cell. Khối Full cell sẽ bằng 2 khối Half cell (cell 1-72 cộng cell 73-144).
Khi đưa cùng các thông số như điện áp, bức xạ mặt trời, nhiệt độ vào cả 3 khối (2 khối Half cell và khối Full cell) thì dịng điện và cơng suất ngõ ra của 2 khối Half cell (cell 1- 72 cộng cell 73-144) sẽ bằng với dịng điện và cơng suất ngõ ra của khối Full cell.
Tuy nhiên khi bị bóng đổ sẽ có sự khác biệt. Giả sử đối với cơng nghệ Half cell, khi bị bóng đổ (từ cell 1-72 ) thì dịng điện và cơng suất ngõ ra của các cell 1-72 sẽ bị suy giảm. Tuy nhiên, từ cell 73-144 không bị che bóng thì dịng điện và cơng suất ngõ ra khơng bị ảnh hưởng. Đó là vì đối với cơng nghệ Half cell thì 2 nửa tấm pin sẽ hoạt động độc lập với nhau. Vì vậy nếu bị che bóng 1 nửa tấm bên nào thì nữa tấm đó sẽ bị suy giảm về dịng điện và cơng suất ở ngõ ra, nửa tấm bên kia dịng điện và cơng suất ngõ rã sẽ khơng bị ảnh hưởng. Nhưng đối với công nghệ Pin Full cell cho dù bị che bóng 1 nửa tấm thì dịng điện và cơng suất ngõ ra của tấm pin sẽ bị ảnh hưởng tồn bộ số cell pin (hình 3.4).
1 Voltage Input 1 2 Power Power Output Insolation Input 3 f(u) Iph I Cell Temperature Input 273.15 Constant Photocurrent Is f(u) Current Output 2 Current Output f(u) Tref+273.15 f(u) Irs Saturation Current Reference Temperature Reverse Saturation Current Display1
Hình 3.5. Chương trình con của mơ hình pin quang điện
Nhìn vào sơ đồ hình 3.5 chúng ta thấy có 3 ngõ vào và 2 ngõ ra. Ngõ vào số 1 là điện áp, ngõ vào số 2 là bức xạ mặt trời, ngõ vào số 3 là nhiệt độ (đổi sang nhiệt độ K nên cộng 273.15). Ngõ ra số 1 là công suất của pin quang điện, ngõ ra số 2 là dòng điện của
pin quang điện. Photocurrent f(u) là dịng quang được tính theo cơng thức (4), Saturation Curent f(u) là dòng điện bão hòa, Reverse Saturation Curent f(u) là dịng điện bão hịa ngược được tính theo cơng thức (5).
Ở nghiên cứu này tác giả mô phỏng Modul pin Canadian CS3W-440MS với thông số kỹ thuật như bảng 3.1 [26].
Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật của pin Canadian CS3W – 440 MS
Thơng số kỹ thuật Kí hiệu Tham số
Cơng suất cực đại Pmax 440W
Điện áp danh định Vmp 40.7V
Dòng danh định Imp 10.82A
Điện áp hở mạch Voc 48.7V
Dòng ngắn mạch Isc 11.48A
Chuẩn loại pin - Mono-crystalline
Số lượng cell ncell 12×6 (144 cell)
CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ MƠ PHỎNG, THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 4.1. Thông số đầu vào
Trong nghiên cứu này mô phỏng tấm pin quang điện sử dụng hai công nghệ Half cell và Full cell để so sánh sự khác biệt về dịng điện và cơng suất khi bị bóng đổ. Ở điều kiện chuẩn bức xạ mặt trời là 1kW/m2 và nhiệt độ là 25 oC . Các trường hợp mô phỏng lần lượt bức xạ mặt trời suy giảm từ 1kW/m2 xuống 0.8kW/m2, 1kW/m2 xuống 0.6kW/m2 ,
1kW/m2 xuống 0.4kW/m2 và 1kW/m2 xuống 0.2kW/m2.
Bảng 4.1. Thông số đầu vào mô phỏng bức xạ mặt trời và nhiệt độ của hệ thống
Bảng 4.2. Thông số kỹ thuật mô-đun pin quang điện CS3W – 440 MS
4.2. Kết quả mô phỏng
4.2.1. Trường hợp đường đặc tính I-V-P của Pin Halfcell CS3W tại điều kiệnchuẩn chuẩn
Từ mơ hình tính tốn của hệ thống, mơ hình pin quang điện Half cell và Ful cell, chương trình con và bảng thông số kỹ thuật mô-đun pin quang điện CS3W – 440 MS. Sau khi chạy mô phỏng kết quả thu được các giá trị cơng suất, điện áp, dịng điện danh định, điện áp và dòng điện hở mạch tương đương như thông số của nhà sản xuất đưa ra.
TT 2 Bức xạ mặt trời (kW/m ) Nhiệt độ ( C)o 1 2 1 kW/m 25 Co 2 2 0.8 kW/m 25 Co 3 2 0.6 kW/m 25 Co 4 2 0.4 kW/m 25 Co 5 2 0.2 kW/m 25 Co
Thông số kỹ thuật Kí hiệu Tham số
Cơng suất cực đại Pmax 440W
Điện áp danh định Vmp 40.7V
Dòng danh định Imp 10.82A
Điện áp hở mạch Voc 48.7V
Bảng 4.3. Bảng kết quả mô phỏng và thông số của nhà sản xuất pin CS3W – 440 MS (tại điều kiện chuẩn)
Thông số kỹ thuật Pmax Vmp Imp Voc Isc Nhà sản xuất 440W 40.7V 10.82A 48.7V 11.48A Kết quả mơ phỏng 440.3 W 40.7V 10.82A 48.7V 11.48A Pmax 560 . Dịng điện (440.3W) .. 480 Isc (11.48A) Imp (10.82A) 360 280 Vmp (40.7V) . Voc (48.7V) . 120 40
Hình 4.1. Đường đặc tính I-V-P tại điều kiện chuẩn của hệ thống
C ô n g S u ấ t (W )
4.2.2. Trường hợp bức xạ mặt trời suy giảm từ 1kW/m2 xuống 0.8kW/m2
Không bị ảnh hưởng do bóng đổ
Bị ảnh hưởng của bóng đổ Pin quang điện Half cell Bị ảnh hưởng của bóng đổ Pin quang điện Full cell
Dòng điện cell 73-144 (Half cell) Dòng điện cell 1-72 (Half cell)
Hình 4.2. Đường đặc tính I-V của hệ thống
350 300 Dịng điện 250 150 100 50
Hình 4.3. Đường đặc tính I-V-P của pin Half cell
C ơ n g S u ấ t (W )
Dịng điện 360 320 280 240 160 120 80
Hình 4.4. Đường đặc tính I-V-P của pin Full cell
4.2.3. Trường hợp bức xạ mặt trời suy giảm từ 1kW/m2 xuống 0.6kW/m2
Khơng bị ảnh hưởng do bóng đổ
Bị ảnh hưởng của bóng đổ Pin quang điện Half cell
Bị ảnh hưởng của bóng đổ Pin quang điện Full cell Dòng điện cell 73-144 (Half cell)
Dòng điện cell 1-72 (Half cell)
Hình 4.5. Đường đặc tính I-V của hệ thống