Khi hai lớp bán dẫn p và n tiếp xúc nhau, do sự chênh lệch về mật độ của các hạt dẫn ( tức là do gradient hóa thế ) nên các điện tử sẽ khuếch tán từ bán dẫn n sang p, lỗ trống khuếch tán ngược lại từ bán dẫn p sang n. Sự khuếch tán này làm cho phần bán dẫn n sát lớp tiếp xúc tích điện dương, còn phần bán dẫn p ngay phía đối diện tích
điện âm. Trong miền tiếp xúc lúc này hình thành điện trường Utx hướng từ bán dẫn n
sang p (Utx sẽ ngăn cản sự khuếch tán tiếp tục của các hạt dẫn qua lớp tiếp xúc).[5] Khi chiếu sáng lớp tiếp xúc p-n, cặp điện tử - lỗ trống được tạo thành, bị tách ra
dưới tác dụng của điện trường tiếp xúc Utx và bị gia tốc về các phía đối diện tạo thành
một sức điện động quang điện. Sức điện động quang điện phụ thuộc vào bản chất của chất bán dẫn, nhiệt độ lớp tiếp xúc, bước sóng và cường độ ánh sáng tớị[5]
Lớp bán dẫn p-n có tính chỉnh lưu như một diode, chỉ cho điện tử dẫn và lỗ trống dẫn trong vùng tiếp xúc di chuyển về phía bán dẫn n và bán dẫn p tương ứng. Nối các đầu bán dẫn bằng một dây dẫn thì trong dây xuất hiện dòng quang điện I đi theo chiều từ bán dẫn p qua tải về bán dẫn n.[5]
Hình 2.1.6 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trờị[5]
2.1.3. Hiệu suất của pin mặt trời
Hiệu suất biến đổi năng lượng của pin mặt trời là tỉ số giữa lượng điện năng nó sản xuất ra với lượng năng lượng nó nhận được từ ánh sáng mặt trờị Hiệu suất càng cao thì pin mặt trời sản xuất được càng nhiều năng lượng hơn. Hiệu suất biến đổi năng lượng của pin mặt trời là do cấu tạo của nó.[6]
Dùng phương pháp đo lượng ánh sáng mặt trời mà hệ thống pin năng lượng mặt trời có thể chuyển đổi thành điện thực tế. Kết quả xác định chính là hiệu suất của tấm pin năng lượng mặt trời và luôn được đo bằng tỉ lệ phần trăm. Ngoài việc phản ánh hiệu suất của pin mặt trời qua lượng năng lượng nó sản xuất được thì hiệu suất còn phụ thuộc vào phổ và cường độ ánh sáng mặt trời và cả nhiệt độ của pin mặt trờị Do đó, hiệu suất được đo phải được kiểm soát cẩn thận để so sánh hiệu suất của thiết bị này với thiết bị khác.[6]
2.1.4. Các yếu tố làm ảnh hưởng đến hiệu suất của pin mặt trời
Hiện tại, các tấm pin mặt trời chưa thể hấp thụ toàn bộ năng lượng của ánh sáng mặt trờị Những tế bào năng lượng mặt trời tốt nhất hiện tại chỉ có thể chuyển trung bình khoảng 25% năng lượng mà nó nhận được thành điện. Thực tế là ánh sáng mặt trời, cũng như tất cả các loại ánh sáng khác, nó bao gồm quang phổ với các bước sóng khác nhau, mỗi bước sóng có một cường độ khác nhaụ Có những bước sóng quá yếu không thể giải phóng các electron còn một số bước sóng lại quá mạnh với pin năng lượng.[6]
Với toàn hệ thống pin mặt trời thì hiệu suất là rất quan trọng. Xếp hạng hiệu quả của tấm pin mặt trời chỉ là một trong nhiều yếu tố khác nhau phải được tính đến khi xem xét sử dụng năng lượng mặt trờị Các tấm pin mặt trời với tỷ lệ chuyển đổi 8% sẽ cần gấp đôi diện tích như tấm pin mặt trời với tỷ lệ chuyển đổi là 16%. Vì thế nên hầu
hết mọi người đều chọn lựa các tấm pin mặt trời đơn hoặc đa tinh thể bởi chúng có tỷ lệ hiệu suất cao và cũng tiết kiệm không gian lắp đặt.[6]
2.1.5. Ứng dụng
Pin mặt trời hiện nay đã được ứng dụng vào rất nhiều lĩnh vực trên thế giớị Chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng lưới điện không đến được. Pin mặt trời được sử dụng trong sản xuất cũng như đời sống. Cơ chế sử dụng ánh sáng mặt trời để tạo ra nguồn nóng nước. Nguồn nước nóng được tạo ra từ quang năng có thể ứng dụng trong nghành công nghiệp hoặc dân dụng. Điện mặt trời được tạo ra chủ động với phương pháp đơn giản là lắp một hệ thống phát điện năng lượng mặt trời trên mái nhà.[7]
Đèn chiếu sáng năng lượng mặt trời: Ứng dụng năng lượng mặt trời để tạo ra hệ thống chiếu sáng, hệ thống chiếu sáng điện mặt trời hiện tại giúp thay đổi tư duy thiết kế kiến trúc, hoặc đơn giản ứng dụng cho đời sống thường nhật hoặc ứng dụng trong công nghiệp.[7]
Ngoài ra pin mặt trời còn được ứng dụng trong các thiết bị vận chuyển ô tô, máy tính cầm tay, điện thoại di động, thiết bị bơm nước, những ngôi nhà sử dụng điện mặt trời áp mái đã trở thành phổ biến và có xu hướng tăng dần trong tương lai.[7]
2.2. Đấu nối pin năng lượng mặt trời
Các tấm pin mặt trời đều có công suất và hiệu điện thế xác định từ nhà sản xuất. Để tạo ra công suất và hiệu điện thế mong muốn thì phải ghép nối nhiều tấm pin đó lại với nhaụ Có 3 cách ghép cơ bản:[5]
Ghép nối tiếp các tấm pin lại sẽ cho điện áp đầu ra lớn hơn.
Hình 2.2.7 Ghép nối tiếp các tấm pin.[5]
Ghép hỗn hợp các tấm pin lại sẽ cho cả dòng điện và điện áp lớn hơn.
Hình 2.2.9 Ghép hỗn hợp các tấm pin.[5]
2.3. Điểm công suất cực đại MPP (Max Power Point) và MPPT (Maximum Power Point Tracker)
2.3.1. Điểm công suất cực đại (MPP)
Các tấm pin năng lượng mặt trời được sản xuất từ các vật liệu Silicon nên dòng điện và điện áp của chúng cũng có liên hệ với nhaụ Khi pin năng lượng mặt trời ở một điện áp nào đó thì nó cũng có một dòng điện tương ứng. Tập hợp các cặp điểm này lại ta có Đường cong đặc tính V-I của pin mặt trờị Với một điểm làm việc nào đó của nó ta sẽ có một V và một I tương ứng, và công suất tác dụng nó tạo ra sẽ là p = VI.[6]
Chắc chắn là công suất P sẽ thay đổi khi điểm làm việc thay đổi, và điểm nào cho ta P lớn nhất thì gọi là điểm công suất cực đại của tấm pin mặt trời (Maximum Power Point: MPP). Đường cong đặc tính dòng điện – điện áp của tấm pin mặt trời cho
ta quan hệ I và V để từ đó xác định được MPP của nó có hình dạng như hình 2.3.1. [6]
2.3.2. Dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT)
MPPT (Maximum Power Point Tracking) là một thuật toán mà bộ điều khiển sạc dùng để chỉ thị điều khiển cho các tấm pin năng lượng mặt trời kết nối vào nó để hấp thụ và chuyển đổi tối đa hết mức có thể nguồn năng lượng mặt trờị Khi lượng bức xạ thay đổi những điểm MPP trên pin cũng thay đổị Vi xử lý của bộ charge controllers bên trong luôn theo dõi được quan hệ V-I, làm điểm công suất cực đại trong tấm pin phải thay đổi, giúp cho pin nhận được năng lượng tối đa.[6]
MPPT (Maximum Power Point Tracker) là bộ tìm điểm có lượng công suất cực đại của hệ thống thông qua quá trình điều khiển các chu kỳ đóng mở của khoá điện tử dùng trong bộ biến đổi DC/DC.[6]
Hình 2.3.11 Bộ điều khiển MPPT trong hệ thống pin mặt trờị[6]
Phương pháp MPPT được dùng rộng rãi trong hệ thống năng lượng mặt trời làm việc độc lập và đang dần được áp dụng trong hệ quang điện làm việc với lướị Điểm phân công suất cực đại MPPT là thiết bị điện tử có công suất ghép nối nguồn điện PV với tải để khuyếch đại nhằm đưa công suất ra khỏi pin năng lượng mặt trời trong khi điều kiện làm việc thay đổị Nâng cao được hiệu suất làm việc của hệ thống.[6]
2.4. Hệ thống điện mặt trời
2.4.1. Tổng quan về hệ thống điện năng lượng mặt trời
Điện năng lượng mặt trời là ý tưởng tuyệt vờị Lấy năng lượng từ mặt trời và chuyển thành điện năng cung cấp cho các thiết bị. Một nguồn năng lượng sạch được tạo ra nhờ vào ánh sáng mặt trời chiếu vào các panel pin mặt trời tạo ra nguồn điện 1 chiều DC qua các bộ biến tần chỉnh thành các nguồn điện xoay chiều AC cung cấp cho các thiết bị điện.[8]
Các hệ thống điện mặt trời thường được sử dụng:
Hệ thống điện mặt trời độc lập.
Hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới hoàn toàn.
Hệ thống năng lượng mặt trời hỗn hợp (hybrid).
2.4.1.1. Hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới hoàn toàn
Hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới hoàn toàn này được sử dụng phổ biến ở Châu Âu và Hoa Kỳ, do lợi ích của nó làm giảm chi phí lắp đặt và có thêm thu nhập nhờ bán điện lại cho công ty điện lực. Hệ thống này hoạt động ở các khu có hệ thống lưới điện càng ổn định càng tốt. Đặc biệt nó có hiệu quả nhất ở nơi có khí hậu nóng, nhiều ánh nắng.[8]
Ưu điểm:
+ Với việc sử dụng hệ thống này chúng ta có thể sử dụng được điện mặt trời vào ban ngày, lượng điện năng dư thừa sẽ được truyền vào lưới điện để bán cho các công ty điện lực. Vào buổi chiều hoặc buổi tối thì ta lại dùng điện từ công ty điện lực cung cấp. Giúp giảm được điện năng mà nhà máy sản xuất bằng các phương thức gây ô nhiễm môi trường.
+ Hệ thống không dùng pin lưu trữ nên giúp giảm được khá nhiều chi phí đầu tư ban đầu và chi phí bảo trì cho hệ thống.
+ Việc khai thác điện năng hiệu quả nhất từ nguồn năng lượng mặt trời do đó cơ cấu nổi bật là thu nhận, biến đổi và bổ sung điện năng trực tiếp vào lưới điện ngay mà không bị tổn hao trên acquy dự trữ.
+ Việc lắp đặt đơn giản, chi phí bảo trì bảo dưỡng thấp nên thời gian thu hồi vốn được rút ngắn tối đa và chắc chắn theo sự tính toán đầu tư ban đầụ
Nhược điểm:
+ Hệ thống này nếu lưới điện bị cắt thì vào ban đêm hoặc khi trời có cường độ ánh sáng yếu thì hệ thống sẽ không thể sản xuất được năng lượng điện.
2.4.1.2. Hệ thống năng lượng mặt trời độc lập
Hệ thống điện năng lượng mặt trời độc lập là kiểu hệ thống điện năng lượng mặt trời phổ biến nhất trên toàn thế giớị Với mục đích chính là cung cấp điện năng cho những nơi không có lưới điện quốc gia hay không có một nguồn điện năng nào khác. [8]
Hình 2.4.13 Hệ thống điện mặt trời độc lập ngoài lưới điện.[8]
Ưu điểm:
+ Hệ thống này sẽ đơn giản, dễ thiết kế và thường dùng trong các khu vực chưa có lưới điện hoặc nơi thường xuyên bị cắt điện liên tục.
Nhược điểm:
+ Hệ thống này vì không có lưới điện hoặc nguồn điện dự phòng nên phụ thuộc rất nhiều vào cường độ chiếu sáng của mặt trời hơn những hệ thống điện mặt trời khác.
+ Hệ thống này phải cung cấp điện năng lớn hơn công suất phụ tải mà nó cung cấp để nạp vào pin lưu trữ. Như vậy vào ban đêm khi mà các tấm pin mặt trời không thể tạo ra điện năng thì các phụ tải vẫn có thể hoạt động nhờ sử dụng nguồn điện năng đã được nạp vào pin lưu trữ từ trước.
2.4.2. Hệ thống năng lượng mặt trời hỗn hợp
Hệ thống điện mặt trời nối với lưới điện có pin lưu trữ còn gọi là hệ thống tương tác lưới kết hợp với hệ thống mặt trời nối với lưới điện và dãy các acquỵ Hệ thống sử dụng điện năng từ các panel pin mặt trời khi trời nắng và bán điện dư cho công ty điện lực qua lưới điện. Hệ thống có dãy các acquy sẽ cung cấp điện ngay khi lưới điện đột ngột bị cắt. Do đó hệ thống sẽ hoạt động liên tục mà không bị đình trệ.[8]
Hình 2.4.14 Hệ thống điện mặt trời hòa lưới có lưu trữ.[8]
2.4.2.1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống năng lượng điện mặt trời hỗn hợp
Khi khởi động hệ thống, acquy (battery) luôn được ưu tiên nạp điện từ mặt trời cho đến khi đầỵ Khi acquy đầy, hệ thống sẽ tự động biến đổi điện DC từ pin mặt trời thành điện AC 220V để cung cấp cho các phụ tải sử dụng. [8]
Phần năng lượng điện còn dư thì hệ thống sẽ được hòa lưới điện ( điện áp ra của hệ thống có tần số, pha trùng với điện lưới có thể là 1 pha hoặc 3 pha) để bán cho công ty điện lực. [8]
Khi mất điện lưới, hệ thống sẽ tự động lấy điện DC từ acquy và pin mặt trời để biến đổi thành điện AC 220V cung cấp cho tải ưu tiên. [8]
+ Ưu điểm:
+ Hệ thống có thể cung cấp điện liên tục dù lưới điện có bị gặp sự cố hay kọ + Phần điện năng dư thừa có thể bán cho công ty điện lực nhằm rút ngắn thời
gian lấy lại vốn đầu tư. + Nhược điểm:
+ Hệ thống này trên lý thuyết là sự kết hợp giữa hệ thống điện mặt trời độc lập và hệ thống điện mặt trời nối lưới nên cấu tạo phức tạp.
2.5. Một số yêu cầu khi kết lưới của nhà máy điện mặt trời
2.5.1. Hệ thống điện mặt trời nối lưới điện quốc gia cần phải tuân thủ theo các quyđịnh về yêu cầu vận hành hệ thống điện phân phối định về yêu cầu vận hành hệ thống điện phân phối
Trích thông tư 39/2015/TT-BCT ngày 18/11/2015 của Bộ trưởng Bộ Công Thương về Quy định hệ thống điện phân phốị
Yêu cầu kỹ thuật: [9]
+ Tần số:
Tần số danh định trong hệ thống điện quốc gia là 50 Hz. Trong điều kiện bình thường, tần số hệ thống điện được dao động trong phạm vi ± 0,2 Hz so với tần số danh định. Trường hợp hệ thống điện chưa ổn định, tần số hệ thống điện được dao động trong phạm vi ± 0,5 Hz so với tần số danh định.
+ Điện áp:
Các cấp điện áp danh định trong hệ thống điện phân phối bao gồm 110 kV, 35 kV, 22 kV, 15 kV, 10 kV, 6 kV và 0,4 kV.
Trong chế độ vận hành bình thường điện áp vận hành cho phép tại điểm đấu nối được phép dao động so với điện áp danh định như sau:
Tại điểm đấu nối với Khách hàng sử dụng điện là ± 5 %.
Tại điểm đấu nối với nhà máy điện là + 10% và - 5 %.
Trong chế độ sự cố đơn lẻ hoặc trong quá trình khôi phục vận hành ổn định sau sự cố, cho phép mức dao động điện áp tại điểm đấu nối với Khách hàng sử dụng điện bị ảnh hưởng trực tiếp do sự cố trong khoảng + 5 % và - 10 % so với điện áp danh định.
Trong chế độ sự cố nghiêm trọng hệ thống điện truyền tải hoặc khôi phục sự cố, cho phép mức dao động điện áp trong khoảng ± 10 % so với điện áp danh định.
+ Cân bằng pha:
Trong chế độ làm việc bình thường, thành phần thứ tự nghịch của điện áp pha không vượt quá 3 % điện áp danh định đối với cấp điện áp 110 kV hoặc 5 % điện áp danh định đối với cấp điện áp trung áp và hạ áp.
+ Sóng hài điện áp:
Tổng độ biến dạng sóng hài điện áp (THD) là tỷ lệ giữa giá trị hiệu dụng của sóng hài điện áp với giá trị hiệu dụng của điện áp bậc cơ bản (theo đơn vị %):
THD=√∑Vi2
Trong đó:
THD : Tổng độ biến dạng sóng hài điện áp.
Vi : Giá trị hiệu dụng của sóng hài điện áp bậc i và N là bậc cao nhất của sóng
hài cần đánh giá.
V1 : Giá trị hiệu dụng của của điện áp tại bậc cơ bản (tần số 50 Hz).
Tổng độ biến dạng sóng hài điện áp tại mọi điểm đấu nối không được vượt quá giới hạn quy định trong bảng 2.1 như sau:
Bảng 2.1 Độ biến dạng sóng hài điện áp.[9]
Cấp điện áp Tổng biến dạng sóng hài Biến dạng riêng lẻ