Cho tới nay thì vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời là các silic tinh thể, hệ vật liệu CIS (Đồng - Indi - diselenide), CdTe (Cadimi Telua). Các công nghệ PV mới xuất hiện như các tế bào hữu cơ được làm từ polyme vẫn chưa được thương mại hoá.
Mỗi vật liệu có những đặc điểm riêng ảnh hưởng đến hiệu suất của tế bào, phương pháp sản xuất và chi phí.
Các tế bào PV có thể được sản xuất dựa trên các tấm silic (được sản xuất bằng cách cắt các tấm mỏng từ một khối silic) hoặc các công nghệ "màng mỏng" (trong đó một lớp mỏng vật liệu bán dẫn được lắng đọng trên nền vật liệu có chi phí thấp).
Các tế bào PV có thể được mô tả theo cấu trúc dải dài của vật liệu bán dẫn như “đơn tinh thể” (hay còn gọi là "monocrystalline"), "đa tinh thể" (hay còn gọi là
"polycrystalline") hoặc vật liệu vô định hình.
▪ Silicon tinh thể (c-Si): Các mô-đun được làm từ các tế bào (cell) của silic đơn tinh thể hoặc đa tinh thể. Các cell đơn tinh thể nói chung là hiệu quả nhất nhưng cũng tốn kém hơn nhiều so với đa tinh thể.
▪ Thin-fim: Các mô-đun PV được tạo ra dưới sự lắng đọng một lớp mỏng chất bán dẫn lên bề mặt của vật liệu có chi phí thấp. Các chất bán dẫn được làm từ: ▪ Silicon vô định hình (a-Si amorphous silicon).
▪ Cadmium Telluride (CdTe). ▪ Đồng - Inden - Selenide (CIS).
▪ Pin mặt trời dị thể có lớp bán dẫn thuần (Heterojunction with Intrinsic Thin- layer - HIT): là sự kết hợp của nhóm tinh thể silic (c-Si) và nhóm Thin film. Do chi phí sản xuất giảm và sự phát triển của công nghệ, Các mô-đun tinh thể dự kiến sẽ duy trì thị phần lên đến 80% cho đến ít nhất năm 2017. Các mô-đun màn mỏng chiếm khoảng 17% và hiệu quả cao chiếm khoảng 3%.
Hình 3.2 Mô tả các loại công nghệ vật liệu tấm PV
3.1.1.1 Module PV tinh thể silic:
Module PV đơn tinh thể được tạo thành bởi các tinh thể silic có độ tinh khiết cao. Ưu điểm chính của loại này là hiệu suất của các tế bào quang điện cao (17-20%) với độ bền cao và đảm bảo được đặc tính theo thời gian.
Module PV đa tinh thể silic: được tạo thành do các tinh thể silic kết hợp với nhau theo các dạng và hướng khác nhau. Hiệu suất của các tế báo quang điện loại này thấp hơn so với loại đơn tinh thể (15-17%). Mặc dù vậy, tế bào đa tinh thể vẫn có độ bền cao và đảm bảo được đặc tính sử dụng theo thời gian (85% hiệu suất ban đầu sau 20 năm sử dụng).
Giá cả mô-đun mono-tinh thể và đa tinh thể đã giảm đáng kể trong hai năm qua. Theo thống kê của mới nhất của REN21 năm 2016 (Renewables 2016 Global Status Report), giá PV loại đa tinh thể (Poly c-Si) xuống mức từ 0,34÷0,45 USD/Wp tùy thuộc
vào nguồn gốc, xuất xứ và quy mô lắp đặt. Đồng thời với sự tối ưu công nghệ, quy trình lắp đặt và các chi phí mềm khác (non-hardware cost) đã kéo theo giá thành sản xuất điện năng quy dẫn (LCOE) của điện mặt trời giảm mạnh.
3.1.1.2 Module PV dạng màn mỏng (thin film)
Tế bào quang điện màng mỏng có cấu trúc không khác nhiều so với tế bào c-Si và vẫn hoạt động dựa trên nguyên lí quang điện. Điểm khác biệt duy nhất giữa tế bào năng lượng mặt trời màng mỏng và c- Si là độ mỏng và sự linh động trong việc ghép cặp của các lớp và chất liệu quang điện: cả cadmium telluride (CdTe) hoặc copper indium gallium deselenide (CIGS) thay vì chỉ là silicon. Các tế bào màng mỏng thường rẻ hơn do vật liệu được sử dụng và quy trình sản xuất đơn giản hơn. Tuy nhiên, các tế bào thin film thường có hiệu suất thấp hơn (hiệu suất của các tấm PV màng mỏng thường < 14%, thời gian gần đây hiệu suất có được cải thiện nhưng mức độ thương mại chưa thể bằng tấm loại PV tinh thế silic).
3.1.1.3 Mô hình Pin Quang điện.
Năng lượng mặt trời là năng lượng của các dòng bức xạ điện từ xuất phát từ mặt trời cộng với một phần nhỏ năng lượng từ các hạt nguyên tử khác phóng ra từ mặt trời
Pin quang điện là thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các diod p-n, dưới sự hiện diện của mặt trời có khả năng tạo ra dòng điện sử dụng được. Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện (hình 3.2).
Hình 3.2(b) Nguyên lý hoạt động pin quang điện
Một tế bào quang điện tạo ra công suất khoảng 2W (Pmax ≤ 2W) và điện áp khoảng 0,5V. Trên thực tế các mô-đun năng lượng mặt trời thương mại có công suất từ 2W đến 450W. 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 mô-đun năng lượng mặt trời hình 3.2.
Mô hình thực tế Mô hình đơn giản
Mô hình lý tưởng
I +
NPIPH
V
－
Từ mô hình tổng quát như hình 3.2 phương trình toán học của pin quang điện được viết như sau:
= − + −1 − + (1)
Trong đó:
: Số lượng tấm pin mặt trời mắc song song . : Số lượng tấm pin mặt trời mắc nối tiếp .
I PH : Dòng quang điện.
IS : Dòng bão hòa.
q = 1,6 x 10-19C: điện tích nguyên tử.
k = 1,38 x 10-23J/K: hằng số Boltzmann. : nhiệt độ làm việc của tế bào quang điện.
A : hằng số lý tưởng của vật liệu bán dẫn.
RSH : điện trở song song (shunt).
RS : điện trở nối tiếp (series).
Dòng quang điện của Pin quang điện phụ thuộc vào bức xạ của mặt trời và nhiệt độ làm việc của tế bào quang điện, theo công thức (2)
= + ( − ) (2)
Với:
STC
TPVSTC : nhiệt độ ở điều kiện chuẩn của pin quang điện (250C).
TPV : nhiệt độ làm việc của pin quang điện 0C.
Ki : hệ số nhiệt độ dòng ngắn mạch của tế bào quang điện. : bức xạ mặt trời 1kW/m2.
Dòng điện bão hòa pin quang điện thay đổi theo nhiệt độ của tế bào quang điện, theo công thức (3) như sau:
= − . (3)
Trong đó:
I RS : dòng điện chạy qua nội trở song song RSH
: năng lượng khoảng cách của chất bán dẫn của tế bào quang điện.
TPVSTC : nhiệt độ ở điều kiện chuẩn của tế bào quang điện 0C.
A : hằng số lý tưởng vật liệu PV thống kê bảng 3.1
Bảng 3.1. Hằng số lý tưởng vật liệu phụ thuộc vào công nghệ PV
Công nghệ Si-mono Si-poly a-si:H a -si:H tandem a- si:H triple CdTe CIS AsGe Hằng số lý tưởng vật liệu A 1,2 1,3 1,8 3,3 5 1,5 1,5 1,3 Điện áp hoạt động ngõ ra theo công thức (4) như sau:
= (4)
3.2 Mô hình xác định sản lượng.
Theo tiêu chuẩn IEC 61724, để xác định được hiệu suất nhà máy được tính như sau:
= =
(5) (6)
= =
= 100
Trong đó:
: Hiệu suất PV Môđun.
Y : Năng suất cuối cùng.
Y : Năng suất tham chiếu.
Y : Năng suất mảng.
E : Công suất ngõ ra.
P : Công suất đỉnh.
H : Bức xạ mặt trời hàng ngày.
E : năng lượng hòa lưới.
Ngoài ra, năng suất cuối cùng, được xây dựng như sau:
(7) (8) (9) ướ ả = = ả ∗ ∗ ∗ ệ ố (10) (11) Dựa trên mô hình pin quang điện sản lượng điện được viết lại theo biểu thức bên dưới:
ả = ∗ _ _ (12)
ướ = ∗ _ _ ả ∗ ệ ố (13)
Trong đó:
H: Bức xạ mặt trời (kWh/m2)
: Hiệu suất PV Môđun ở điều kiện chuẩn. A: bề mặt diện tích tấm pin.
ệ ố : tổn hao hệ thống.
CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN SẢN LƯỢNG BẰNG MATLAB/SIMULINK.
4.1 Mô tả hệ thống:
Một hệ thống được xây dựng trên nền tảng phần mềm MATLAB/Simulink, hệ thống được xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống pin năng lượng mặt trời tổng quát, có kết quả mô phỏng chính xác với thông số kỹ thuật nhà sản xuất.
Mô hình được thiết kế dưới dạng khối trong thư viện Simulink, biểu tượng mô hình dễ sử dụng, hộp thoại cho phép người dùng dễ dàng thay đổi thông số kỹ thuật của các mô hình mô-đun năng lượng mặt trời thương mại.
Một hệ thống bao gồm: mô hình mô hình mô-đun năng lượng mặt trời thương mại, mô hình năng suất, tổn hao và hiệu suất của hệ thống như hình 4.1
PV Module Công suất Mô hình năng suất Mô hình Tổn hao Sản lượng ngõ ra Sản lượng tổn hao Bức xạ Mặt tr ời Mô hình
Hiệu suất Hiệu suất
Hình 4.1 Mô tả hệ thống
Ngõ vào của hệ thống: Ta thiết lập mô phỏng bao gồm các mô hình PV thương mại: Canadian công suất 330 W (sử dụng cho nhà máy điện mặt trời Đại Nam) và IREX 360W (sử dụng cho nhà máy điện mặt trời Điện lực Bến Cát). Sau đó, thực hiện việc đo đạc các giá trị bức xạ mặt trời thực tế tại 2 địa điểm trên (Bảng 4.1)
Bảng 4.1 Bức xạ mặt trời đo được thực tế trong thời gian 12 tháng
4.2 Xây dựng mô hình pin quang điện trên MATLAB/SIMULINK
Để xây dựng mô hình xác định sản lượng điện trên phần mềm
MATLAB/SIMULINK trước tiên cần xây dựng mô hình pin quang điện thương mại. Trong nghiên cứu này, sử dụng pin quang điện của các hãng:
a. Canidian 330W sử dụng cho hệ thống nhà máy điện mặt trời nối lưới khu du lịch Đại Nam.
b. Irex 360W sử dụng cho hệ thống nhà máy điện mặt trời nối lưới Điện lực Bến Cát.
Phân tích này dựa trên điểm công suất cực đại và đồ thị đặc tính ngõ ra I-V và P-V. Mô hình mô phỏng, chương trình con mô-đun pin quang điện thực hiện hình 4.2, thông số ngõ vào được xây dựng trong thư viện Simulink tấm pin năng lượng mặt trời như bảng 4. Tháng Bức xạ mặt trời 2 (kW/m ) tại Đại Nam Tháng Bức xạ mặt 2 trời (kW/m ) tại Điện lực 5/2019 137 7/2019 137 6/2019 115 8/2019 120 7/2019 126 9/2019 126 8/2019 142 10/2019 142 9/2019 136 11/2019 136 10/2019 158 12/2019 158 11/2019 163 01/2020 163 12/2019 181 02/2020 181 01/2020 187 03/2020 165 02/2020 183 04/2020 183 03/2020 186 05/2020 186 04/2020 156 06/2020 156
Hình 4.2 (a). Mô hình pin quang điện
Hình 4.4 (b) Chương trình con của mô hình quang điện Bảng 4.2 Bảng thông số kỹ thuật các loại pin quang điện [8][10]
Thông số kỹ thuật Ký Canadian 330W Irex 360W hiệu
Công suất mô-đun NLMT Điện áp danh định Dòng danh định Điện áp hở mạch Dòng hở mạch Pmax Vmp Imp Voc Isc 330W 37,2V 8,88A 45,6V 9,45A 360W 38,55V 9,34A 47,73V 9,87A
4.3 Mô hình tổn thất của hệ thống
Lượng điện năng mà một tấm pin mặt trời tạo ra phụ thuộc vào nhiều yếu tố do các tổn thất của hệ thống bao gồm tổn thất góc tới (IAM), tổn thất do bụi trên bề mặt pin quang điện (SL), tổn thất do nhiệt độ, tổn thất LID, tổn thất dây điện, tổn thất bộ biến đổi điện (InL) và tổn thất máy biến áp (TrL) có tác động mạnh đến sản lượng điện mặt trời của nhà máy điện mặt trôi kết nối vào lưới điện. Bảng 4.2 trình bày các tham số tổn thất.
Bảng 4.3. Các tham số tổn thất
Tham số tổn thất
Tổn hao do góc nghiêng (IAM) Tổn hao do bụi (SL)
Tổn hao LID
Tổn hao do chất lượng Module (MQL) Tổn hao do không phù hợp (ML) Tổn hao suy giảm Module (MDL) Tổn hao do dây dẫn (WL)
Tổn hao trên Inverter (InL) Tổn hao do Máy biến áp (TrL)
Giá trị 1-6% 1- 4% 2,9% 3% 1% 0,5% 1% 2,2% 1,6%
Tài liệu tham khảo [11] [12] [13] [12] [14] [13] [11] [14] [12] - - -
Tổn hao do góc nghiêng (IAM): Góc nghiêng của tấm pin và hướng được tính toán tối ưu sao cho cực đại sản lượng điện phát ra trong năm. Việc tính toán góc nghiêng và hướng tối ưu dựa vào vị trí địa lý của khu vực, sự thay đổi của bức xạ cũng như quỹ đạo của mặt trời trong năm.
Tổn hao do bụi (SL): tổn thất trong nhà máy điện mặt trời đến từ nhiều yếu tố khác nhau trong đó tổn thất do bụi bẩn bám lên tấm pin cũng ảnh hưởng đến sản lượng điện năng của nhà máy, tổn thất này sẽ diễn ra trong một thời gian dài và tăng lên nếu tấm panel không được vệ sinh, thực tế tổn thất này có nguyên nhân từ các nguồn sau: Bụi lắng đọng (chủ yếu) gây ra bởi gió, Ô nhiễm do muối biển, Phân chim, Phấn hoa, Lá cây, Nhiều loại ô nhiễm từ hoạt động con người, …. Tổn hao LID: là suy giảm cảm ứng ánh sáng là sự mất hiệu suất của các tấm pin silicon, xuất hiện những giờ đầu tiên khi tấm pin tiếp xúc với ánh nắng mặt trời,
ảnh hưởng đến hiệu suất được cung cấp bởi nhà sản xuất tấm pin năng lượng mặt trời.
-
-
Tổn hao do dây dẫn (WL): Dây dẫn kết nối các tấm pin thành chuỗi PV hay cả một hệ thống nhà máy điện mặt trời cũng gây nên một phần tổn hao.
Tổn hao do Máy biến áp (TrL): Các hệ thống năng lượng mặt trời có sử dụng máy biến áp nâng áp cần phải kể đến tổn hao trên các máy biến áp này (bao gồm tổn hao do sắt từ (tổn hao không tải) và tổn thất đồng (tổn hao có tải).
4.4 Xây dựng mô hình tính toán sản lượng
Mô hình xác định sản lượng điện được xây dựng dựa trên giao diện đồ họa trong môi trường MATLAB/SIMULINK như hình 4.5
O ut1
PV Mod ule
In1
San luong tháng 1
Sa n luo ng th an g 1 San luo ng thang 7
Buc xa tha ng 1 Buc xa tha ng 2 Buc xa tha ng 3 In2 In3 In4 San luong tháng 2 San luong tháng 3 San luong tháng 4 Sa n luo ng th an g 2 Sa n luo ng th an g 3
San luo ng thang 8
San luo ng thang 9
Buc xa tha ng 4 Buc xa tha ng 5 In5 In6 San luong tháng 5 Buc xa tha ng 6 Buc xa tha ng 7 Buc xa tha ng 8 In7 In8 In9 San luong tháng 6 San luong tháng 7 San luong tháng 8 Sa n luo ng th an g 4 Sa n luo ng th an g 5
San luo ng th ang 1 0
Sa n luong th an g 1 1 Buc xa tha ng 9 Buc xa tha ng 10 In10 In11 San luong tháng 9 Buc xa tha ng 11 Buc xa tha ng 12 Buc xa na m In12 In13 In14 San luong tháng 10 San luong tháng 11 San luong tháng 12
Sa n luo ng th an g 6 San luo ng th ang 1 2
In15
BX MT 1 2 th áng San luong nam
Ton g ton h ao San luo ng th ang, n am
Sa n luo ng nam
Hình 4.5. Mô hình xác định sản lượng điện mặt trời
Mô hình trên cho thấy ước tính sản lượng điện mặt trời sơ đồ của hệ thống áp mái nối lưới, bao gồm một mô hình PV thương mại, tổn hao hệ thống.
Đầu tiên, mô hình PV được phát triển dựa trên mô-đun PV thương mại. Nó mô phỏng ở điều kiện kiểm tra tiêu chuẩn (STC), trong nghiên cứu này là 02 tấm pin thương mại
là tấm pin Canadian 330W và tấm pin IREX 360W, ta lần lượt đưa vào các thông số như: điện áp danh định (Vmp), điện áp hở mạch (Voc), dòng điện hở mạch (Isc) và điều chỉnh RSH, RS để có được giá trị dòng điện danh định theo nhà sản xuất, và sau đó nó được nhân với số lượng các mô-đun PV để tạo thành một mảng PV.
Thứ hai, các tổn thất của hệ thống được xác định dựa trên tổn thất do góc nghiêng, tổn hao do bụi, tổn hao LID, tổn hao do chất lượng Module, tổn hao do không phù hợp, tổn hao suy giảm Module, tổn hao do dây dẫn, tổn hao trên Inverter, tổn hao do Máy biến áp, và tổng tổn hao được chọn là 15% cho mô phỏng (giá trị trung bình gần đúng).
Thứ ba, các mô hình PV và tổn hao là cơ sở xác định mô hình sản lượng.
Dữ liệu đo thực tế của các hệ thống PV được sử dụng làm dữ liệu đầu vào cho mô phỏng, bao gồm hệ thống PV mặt trời áp mái nối lưới được thực hiện tại 02 địa điểm với các quy mô công suất lần lượt là 0,986 MWp; 59kWp.
Dựa trên các giá trị bức xạ đo được tại 02 địa điểm trên trung bình 12 tháng: Khu du