NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC HỆ ĐIỆN MẶT TRỜI LAI (HYBRID)
2.1. Giới thiệu:
Ứng dụng công nghệ chuyển hóa quang năng thành điện năng đã trở thành xu thế mới để dần thay thế các nguồn điện sử dụng tài nguyên môi trường. Hệ thống điện mặt trời mái nhà với công suất nhỏ, tiện dụng, điện mặt trời (ĐMT) lắp trên mái nhà không chỉ giúp tiết kiệm chi phí, mà còn góp phần giảm áp lực về đầu tư nguồn điện, giảm ô nhiễm môi trường. Ưu thế của nó thể hiện như sau: - Điện mặt trời mái nhà là giải pháp năng lượng mặt trời cho hộ gia đình, doanh nghiệp... là nguồn năng lượng tái tạo thực sự, chuyển hóa quang năng thành điện năng, tận dụng ánh sáng mặt trời, thân thiện với môi trường.
- Sử dụng nguồn "nguyên liệu" gần như là vô tận - ánh sáng mặt trời, sử dụng trong gia đình, doanh nghiệp giúp giảm sâu hóa đơn tiền điện hằng tháng.
- Chi phí bảo trì, bảo dưỡng cực thấp. Người dùng chỉ cần giữ hệ thống sạch sẽ (vệ sinh 2-3 lần/năm). Hệ thống điện mặt trời mái nhà không có các bộ phận chuyển động gây hao mòn, do đó chi phí bảo dưỡng gần như là không có.
- Công nghệ phát triển điện mặt trời phát triển rất nhanh và không ngừng tiến bộ. Những đổi mới của công nghệ càng ngày sẽ càng làm cho hiệu quả của các tấm pin mặt trời tăng lên.
2.1.1. Nguyên lý hoạt động
- Năng lượng mặt trời được hấp thụ bởi tấm pin và chuyển hóa thành nguồn điện 1 chiều.
- Inverter chuyển dòng điện 1 chiều từ hệ thống tấm pin sang dòng điện xoay chiều để sử dụng.
- Năng lượng điện sinh ra từ hệ thống điện mặt trời mái nhà được sử dụng cho tòa nhà.
- Năng lượng thừa không sử dụng hết sẽ được phát ngược lên lưới điện. 2.1.2. Các mô hình lắp đặt
Có ba mô hình chính: Mô hình các hệ thống khác nhau của điện mặt trời như mô hình nối lưới trực tiếp; Mô hình năng lượng mặt trời nối lưới có lưu trữ - dùng hệ thống lưu trữ nguồn điện; Mô hình kết hợp lưu trữ và nối lưới trực tiếp.
2.1.2.1. Mô hình nối lưới trực tiếp (On Grid)
Năng lượng mặt trời được hấp thu trực tiếp qua tấm pin năng lượng mặt trời tạo ra dòng điện một chiều DC. Sau đó thông qua bộ chuyển đổi điện hòa lưới (DC/AC inverter on grid). Dòng điện được chuyển đổi thành điện xoay chiều AC, cùng pha, cùng tần số với điện lưới quốc gia. Hệ thống sẽ hòa chung với điện lưới quốc gia cùng cung cấp điện cho các thiết bị điện.
Hình 2.1: Mô hình nối lưới trực tiếp
2.1.2.2. Mô hình năng lượng mặt trời độc lập (Off Grid)
Nó gần tương tự hệ thống điện nối lưới không dự trữ. Tuy nhiên, có thêm hệ thống ắc quy lưu trữ như trên Hình 2.2. Dành cho những thiết bị quan trọng cần nguồn điện ổn định như camera quan sát, modum internet, máy tính,. hoặc dành cho toàn bộ tải của hệ thống (chỉ dành cho những yêu cầu đặc biệt).
2.1.2.3. Mô hình vừa nối lưới vừa có lưu trữ (Hybrid)
Đây là mô hình tích hợp của hai mô hình trên như trên Hình 2.3. Lượng điện mặt trời sau khi thu được nhờ pin năng lượng sẽ được nạp vào acquy. Khi acquy đã đầy, lượng điện dư vẫn là điện 1 chiều sẽ được chuyển thành xoay
chiều. Điện xoay chiều được chuyển đến tải. Nếu điện sử dụng từ tải vẫn còn dư thì sẽ chuyển lên lưới điện quốc gia.
Hình 2.2: Mô hình năng lượng mặt trời độc lập
Hình 2.3: Mô hình vừa nối lưới vừa có lưu trữ (Hybrid)
2.2. Cấu trúc của hệ thống điện mặt trời
Từ các mô hình năng lượng mặt trời nói trên, ta đi xây dựng cấu trúc khối các hệ năng lượng mặt trời như sau:
2.2.1. Cấu trúc hệ năng lượng mặt trời nối lưới
Cấu trúc của hệ thống điện mặt trời nối lưới được biểu diễn trên Hình 2.4, gồm các khối chức năng chính sau:
- Khối Modul quang điện (PV);
- Khối biến đổi một chiều - xoay chiều có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều tại DC bus thành điện áp xoay chiều hình sin 1 pha hoặc 3 pha có tần số 50Hz để nối với lưới điện quốc gia hoặc lưới nội bộ nối lưới có lưu trữ;
- Khối lọc có nhiệm vụ lọc các sóng hài của điện áp và dòng điện do bộ biến đổi gây ra;
Hình 2.4: Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời nối lưới
- Khối đồng bộ hóa lưới (PWM); - Khối điều khiển chung hệ thống.
2.2.2. Cấu trúc hệ năng lượng mặt trời độc lập
Cấu trúc của hệ thống điện mặt trời độc lập được biểu diễn trên Hình 2.5, gồm các khối chức năng chính sau:
- Khối Modul quang điện (PV);
- Khối tích lũy năng lượng một chiều (Ắc quy); - Khối biến đổi một chiều - một chiều (DC/DC);
- Khối biến đổi một chiều - xoay chiều có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều tại DC bus thành điện áp xoay chiều hình sin 1 pha hoặc 3 pha có tần số 50Hz để cho lưới nội bộ nối lưới có lưu trữ;
- Khối lọc có nhiệm vụ lọc các sóng hài của điện áp và dòng điện do bộ biến đổi gây ra;
- Khối điều khiển nghịch lưu (PWM); - Khối điều khiển chung hệ thống.
Hình 2.5: Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời độc lập
2.2.3. Cấu trúc hệ năng lượng mặt trời lai
Cấu trúc của hệ thống điện mặt trời lai được biểu diễn trên Hình 2.6, gồm các khối chức năng chính sau:
- Khối Modul quang điện (PV);
- Khối biến đổi một chiều - một chiều (DC/DC); - Khối tích lũy năng lượng một chiều (Ắc quy);
- Khối biến đổi một chiều - xoay chiều có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều tại DC bus thành điện áp xoay chiều hình sin 1 pha hoặc 3 pha có tần số 50Hz để nối với lưới điện quốc gia hoặc lưới nội bộ nối lưới có lưu trữ;
Hình 2.6: Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời lai
- Khối lọc có nhiệm vụ lọc các sóng hài của điện áp và dòng điện do bộ biến đổi gây ra;
- Khối đồng bộ hóa lưới (PWM); - Khối điều khiển chung hệ thống.
2.3. Hệ năng lượng điện mặt trời nối lưới có lưu trữ
Hệ năng lượng điện mặt trời nối lưới có lưu trữ có mô hình như trên Hình 2.2 và cấu trúc thể hiện như Hình 2.6. Sau đây, ta đi xét cụ thể từng khối của hệ điện mặt trời nối lưới có lưu trữ.
2.3.1. Pin mặt trời (PV - Photovoltaic) - Khái niệm - Khái niệm
Pin mặt trời hay pin quang điện có tên tiếng Anh là Solar panel, nó bao gồm nhiều tế bào quang điện ( gọi là solar cells) như trên hình 2.7. Tế bào quang điện này là các phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt nhiều các cảm biến của ánh sáng là đi ốt quang, nó làm biến đổi năng lượng của ánh sáng thành năng lượng điện.
Hình 2.7: Các tấm pin mặt trời
Các chỉ số cường độ dòng điện, hiệu điện thế hay điện trở của tấm pin thay đổi phụ thuộc vào lượng ánh sáng chiếu lên chúng. Các tế bào quang điện này được ghép lại thành một khối để trở thành pin mặt trời ( thông thường sẽ từ 60 hoặc 72 tế bào quang điện trên một tấm pin)
Tấm pin năng lượng mặt trời là vật liệu đặc biệt có khả năng chuyển đổi quang năng của ánh sáng mặt trời thành điện năng được lắp trong hệ thống điện mặt trời. Nếu như thủy điện thì tạo ra điện từ nước, nhiệt điện thì từ than...còn pin năng lượng mặt trời sẽ tạo ta nguồn điện từ ánh sáng của mặt trời. Đây là điểm đặc biệt và cũng là ưu thế của pin mặt trời, tận dụng tốt nguồn ánh sáng vô tận và quý giá để sản xuất ra năng lượng phục vụ nhu cầu của con người.
Thêm vào đó, tấm pin mặt trời không chỉ làm việc khi có ánh nắng mặt trời mà ngày cả khi thời tiết có nhiều mây, tấm pin năng lượng mặt trời vẫn sẽ
làm việc tốt. Trong thực tế, tấm pin năng lượng mặt trời tạo ra điện từ ánh sáng, không phải từ năng lượng nhiệt. Vì vậy nó sẽ sản xuất điện tốt hơn trong khu vực mát, lạnh so với các khu vực nóng với cùng một lượng ánh sáng mặt trời. Giá tấm pin năng lượng mặt có thể lên tới 2.500.000 VND/tấm.
Hiệu suất pin mặt trời là tỉ số giữa năng lượng điện mà pin mặt trời phát ra trên tổng số năng lượng của ánh sáng mặt trời trong phạm vị 1m². Hiệu suất của pin mặt trời thay đổi từ 6% - 30% tùy theo loại vật liệu và hình dạng tấm pin.
Pin mặt trời được sản xuất và ứng dụng phổ biến hiện nay là các pin mặt trời được chế tạo từ vật liệu tinh thể bán dẫn Silicon (Si) có hoá trị 4. Từ tinh thể Si tinh khiết, để có vật liệu tinh thể bán dẫn Si loại n, người ta pha tạp chất Donor là Photpho (P) có hoá trị 5. Còn để có vật liệu bán dẫn tinh thể loại p thì tạp chất Acceptor được dùng để pha vào Si là Bo có hoá trị 3. Đối với pin mặt trời từ vật liệu tinh thể Si khi được chiếu sáng thì hiệu điện thế hở mạch giữa hai cực vào khoảng 0,55V, còn dòng ngắn mạch của nó dưới bức xạ mặt trời 1000W/m2 vào khoảng (2530) mA/cm3. Hiện nay cũng đã có các pin mặt trời bằng vật liệu Si vô định hình (a-Si). Pin mặt trời a-Si có ưu điểm là tiết kiệm được vật liệu trong sản xuất do đó có thể có giá thành rẻ hơn. Tuy nhiên, so với pin mặt trời tinh thể thì hiệu suất biến đổi quang điện của nó thấp và kém ổn định khi làm việc ngoài trời.
Năng lượng mặt trời được tạo ra từ các tế bào quang điện (PV) là một trong những nguồn năng lượng tái tạo quan trọng do lợi thế như không cần chi phí nhiên liệu, bảo trì ít và không có tiếng ồn và mòn do sự vắng mặt của bộ phận chuyển động. Về lý thuyết đây là một nguồn năng lượng lý tưởng. Tuy nhiên, để hệ thống này được triển khai rộng rãi trong thực tế cần phải tiếp tục giải quyết một số vấn đề như: Giảm chi phí lắp đặt; tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng và các vấn đề liên quan đến sự tương tác với các hệ thống khác.
- Mô hình toán và đặc tính làm việc của pin mặt trời
Mô hình toán học của tế bào quang điện đã được nghiên cứu trong nhiều thập kỷ qua. Mạch điện tương đương của mô hình tế bào quang điện bao gồm: Dòng quang điện, Điôt, điện trở song song (dòng điện dò), điện trở nối tiếp được chỉ ra trên Hình 2.8. Ta có:
d c qU kFT d pv gc 0 p U I I I e 1 R (2.1)
Trong đó: Igc là dòng quang điện (A); I0 là dòng bão hòa (A) phụ thuộc vào nhiệt độ tế bào quang điện; q là điện tích của điện tử, q = 1,6.10-19C; k là hằng số Boltzman, k = 1,38.10-23J/K; F là hệ số phụ thuộc vào công nghệ chế tạo pin, ví dụ công nghệ Si-mono F = 1,2; công nghệ Si-Poly F = 1,3, …; Tc là nhiệt độ tuyệt đối của tế bào (0K); Vd là điện áp trên điôt (V); Rp là điện trở song song.
Hình 2.8: Mô hình tương đương của module PV
Dòng quang điện Igc phụ thuộc trực tiếp vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ pin, được tính theo công thức (2.2)
gc sc c ref sc
I T T I G (2.2)
Với: µsc là hệ số phụ thuộc nhiệt độ của dòng ngắn mạch (A/0C); Tref là nhiệt độ tham chiếu của tế bào quang điện (0K); Tc là nhiệt độ làm việc của tế bào quang điện (0K); Isc là dòng điện ngắn mạch trong điều kiện chuẩn (nhiệt độ 250C và bức xạ mặt trời 1kW/m2); G là bức xạ mặt trời kW/m2
Dòng bão hòa I0 thay đổi theo nhiệt độ của tế bào quang điện theo biểu thức (2.3). g ref c qV 3 1 1 kF T T c 0 0 ref T I I e T (2.3) g sc 0 qV kF I I e (2.4)
Trong đó I0α là dòng điện bão hòa tại một bức xạ mặt trời và nhiệt độ tham chiếu; Vg là năng lượng lỗ trống của chất bán dẫn được sử dụng làm tế bào; V0c
là điện áp hở mạch của tế bào. Từ các biểu thức (2.1), (2,2), (2.3), (2.4) ta có thể xây dựng được mô hình mô phỏng modul PV trên Matlab. Trong các mô hình đó, các đầu vào là bức xạ mặt trời và nhiệt độ của tế bào quang điện, các đầu ra là áp và dòng PV. Các thông số của mô hình thường được lấy từ bảng dữ liệu do nhà sản xuất cung cấp.
Công suất của pin được tính theo công thức:
P = U.I (2.5)
Tiến hành mô phỏng ta thu được họ đặc tính I(U) và đặc tính P(U) của pin mặt trời như Hình 2.9a,b,c,d.
Trong đó, hình 2.9a,b là đặc tính P(U) và đặc tính I(U) của PV với các mức bức xạ khác nhau; Hình 2.4c,d là đặc tính P(U) và đặc tính I(U) của PV với nhiệt độ khác nhau. Từ đó ta có nhận xét sau:
- Dòng ngắn mạch Isc tỉ lệ thuận với cường độ bức xạ mặt trời và ít thay đổi theo nhiệt độ
- Điện áp hở mạch tỉ lệ nghịch với nhiệt độ và ít thay đổi theo bức xạ mặt trời
- Công suất modul PV thay đổi nhiều theo cả bức xạ mặt trời và nhiệt độ tấm PV. Mỗi đường đặc tính P(U) có một điểm ứng với công suất lớn nhất, gọi là điểm công suất cực đại (MPP - Max Power Point).
2.3.2. Bộ biến đổi một chiều - một chiều (DC/DC) - Chức năng - Chức năng
Bộ biến đổi một chiều một chiều có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều về trị số phù hợp với điện áp một chiều đặt vào bộ nghịch lưu (thường 300 - 600V) và duy trì ổn định điện áp đó để hòa vào thanh cái một chiều (DC- Bus) cùng với điện áp của các nguồn năng lượng tái tạo khác (nếu có). Đồng thời thông qua bộ biến đổi DC/DC này để thực hiện điều khiển bám điểm công suất cực đại cho hệ thống.
Các bộ biến đổi DC/DC được chia làm 2 loại: Có cách ly và loại không cách ly. Loại cách ly sử dụng máy biến áp cao tần, chúng cách ly nguồn điện một chiều đầu vào với nguồn một chiều ra và tăng hay giảm áp bằng cách điều
chỉnh hệ số biến áp. Loại này thường được sử dụng cho các nguồn cấp một chiều sử dụng khoá điện tử và cho hệ thống lai. Loại DC/DC không cách ly không sử dụng máy biến áp cách ly. Chúng luôn được dùng trong các bộ điều khiển động cơ một chiều. Các loại bộ biến đổi DC/DC thường dùng trong hệ PV gồm:
- Bộ giảm áp (Buck); - Bộ tăng áp (Boost).
Hình 2.9: Các họ đặc tính của PV
Bộ giảm áp Buck có thể định được điểm làm việc có công suất tối ưu mỗi khi điện áp vào vượt quá điện áp ra của bộ biến đổi, trường hợp này ít thực hiện được khi cường độ bức xạ của ánh sáng xuống thấp.
Bộ tăng áp Boost có thể định điểm làm việc tối ưu ngay cả với cường độ ánh sáng yếu. Hệ thống làm việc với lưới dùng bộ Boost để tăng điện áp ra cấp cho tải trước khi đưa vào bộ biến đổi DC/AC.
- Các loại bộ biến đổi DC/DC không cách li + Mạch Buck
Sơ đồ nguyên lý mạch buck được chỉ ra trên Hình 2.10. Khóa K trong mạch là những khóa điện tử BJT, MOSFET, hay IGBT. Mạch Buck có chức năng giảm điện áp đầu vào xuống thành điện áp nạp ắc quy. Khóa transitor được
đóng mở với tần số cao. Hệ số làm việc D của khóa được xác định theo công thức sau: on on DC T D T f T (2.6) Trong đó Ton là thời gian khóa K mở, T là chu kỳ làm việc của khóa, fDC tần