Từ giàn pin mặt trời, ánh sáng được biến đổi thành điện năng, tạo tạo ra dòng điện một chiều (DC). Dòng điện này được dẫn tới bộ điều khiển là một thiết bị điện từ có chức năng điều hịa tự động các q trình nạp điện vào acquy và phóng điện từ acquy ra các thiết bị một chiều (DC) Trường hợp công suất giàn pin đủ lớn, trong mạch hệ thống sẽ được lắp thêm bộ đổi điện để chuyển dòng một chiều thành dòng xoay chiều (AC) chạy các phụ tải xoay chiều gia dụng sử dụng điện áp định mức 110- 220V như đèn, quạt, tivi...vv
Bảng 2.1: Cấu hình tiêu biểu của hệ thống điện năng lượng mặt trời
Stt Tên Thiết Bị Ghi Chu
1 Solar cells panel Monocrystalline ( Đơn tinh thể ) Polycrystalline ( Đa tinh thể )
2 Solar Regulator Lựa chọn tùy mức điện thế và công suất của hệ thống
3 DC-AC Inverter Dạng sóng ra Step Wave hoặc Sine Wave
4 Battery ( acquy ) Bình khơ, kín khí, khơng cần bảo dưỡng
5 Khung giá Chuyên dụng cho hệ thống
6 Dây Cáp Chuyên dụng cho hệ thống
( ngoài trời và trong nhà ) 7 Phụ kiện lắp đặt Linh phụ kiện đồng bộ khác
Hiện nay có 2 cơng nghệ chế tạo nguồn điện pin mặt trời thơng dụng . Đó là hệ nguồn điện pin mặt trời nối lưới và hệ nguồn độc lập trong hệ nguồn pin nối lưới điện năng một chiều từ giàn pin được biến đổi thành dòng điện xoay chiều và hòa đồng bộ vào mạng lưới điện công nghệp, ưu điểm của loại nguồn này là khơng phải sử dụng bộ tích trữ năng lượng gấy tốn kém và ơ nhiễm môi trường. Trong hệ nguồn điện pin mặt trời độc lập, người ta thương sử dụng cho những vùng khơng có lưới điện hoạch quy mơ hộ gia đình. Cơng nghệ này phần lớn được ưu tiên sử dụng cho những vùng nông thôn, vùng sâu, vùng xa thuộc quốc gia đang phát triển bởi tính gọn nhẹ, công suất phù hợp và điều khiển sử dụng dễ dàng. Trong giới hạn của đề tài, chúng em chỉ nghiên cứu loại hệ nguồn pin mặt trời độc lập.
2.1.2 Hệ thống quang điện làm việc độc lập
Một hệ nguồn pin năng lượng mặt trời độc lập được định nghĩa là một hệ thống các thiết bị bao gồm giàn pin mặt trời, bộ tích trữ năng lượng, bộ biến đổi điện và các tải tiêu thụ ( bao gồm tải một chiều và xoay chiều ).
Giàn pin mặt trời gồm một hoặc một số module pin mặt trời ghép song song, hoặc nối tiếp hoặc nối tiếp với nhau để có cơng suất điện, hiệu điện thế phù hợp với yêu cầu của các tải tiêu thụ. Trong hệ thống nguồn điện pin mặt trời thì giàn pin có vai trị chủ đạo và chiếm đến 60% chi phái đầu tư, giàn pin nhận ánh sáng mặt trời và biến đổi trực tiếp thành điện năng một chiều, điện năng này một phần được sử dụng trực tiếp cho tải tiêu thụ, một phần được tích trữ năng lượng nhờ bộ tích trữ sau đó biến đổi thành điện xoay chiều.
Bộ tích trữ năng lượng có vai trị quan trọng khi mà các tải tiêu thụ cần có năng lượng cung cấp một cách liên tục hoặc vào thời điểm khơng có nắng.
Năng lượng mà pin mặt trời thu được hay cụ thể là điện áp thu được không ổn định do trời lúc có nắng to lúc lại âm u, nhiều mây vì thế để có thể ổn định điện áp hay kiểm sốt q trình nạp điện cho acquy thì người ta phải chế tạo bộ điều phối năng lượng . Bộ điều phối này có thể tự động nạp cho acquy khi acquy thiếu điện và tự động dừng nạp khi acquy đã đầy tránh hiện tượng nổ hoặc ảnh hưởng tới tuổi thọ của acquy.
Các thiết bị sử dụng trong sinh hoạt chủ yếu là các thiết bị xoay chiều như quạt điện, đèn chiếu sáng…. Vì thế để có thể sử dụng chúng từ nguồn điện một chiều thu được chúng ta phải sử dụng thiết bị biến đổi điện năng từ một chiều sang xoay chiều hay còn gọi là bộ nghịch lưu điện áp(inverter).
Tất cả các thiết bị điều khiển q trình phóng nạp điện cho acquy, thiết bị biến đổi điện… đều có nhiệm vụ chung là phối hợp điều tiết sự cung cấp và cân bằng năng lượng trong hệ thống; nên chúng được gọi chung là thành phần cân bằng năng lượng BOS( Balance Of System).
1. Panel Mặt Trời.
Tấm Panel mặt trời ( Solar cells panel) biến đổi quang năng hấp thụ từ mặt trời để biến đổi thành điện năng. Một số thông tin cơ bản về tấm pin năng lượng mặt trời:
Hiệu suất từ 15% -18% . Công suất từ 25Wp -175Wp. Số lượng cells trên mỗi tấm 36 -72 cells. Kích thước cells từ 5-6 inchs. Loại cells moncrystalline và polycrystalline chất liệu là khung nhơm .Tuổi thọ trung bình của tấm pin là khoảng 30 năm có khả năng kết nối thành các trạm điện năng lượng mặt trời có cơng suất lớn khơng giới hạn, có thể hịa lưới hoặc hoạt động độc lập như một hệ thống dự trữ điện. Trong một ngày nắng mặt trời có thể cung cấp khoảng 1kW/ đến mặt đất khi mặt trời đứng bóng và trời quang mây ở mực nước biển. Công suất và điện áp của một hệ thống sẽ phụ thuộc vào cách chúng ta ghép nối các tấm pin Panel mặt trời lại với nhau. Các panel mặt trời này được lắp đặt ngoài trời để thu được ánh nắng tốt nhất từ mặt trời vì vậy nên được thiết kế với những tính năng và vật liệu đặc biệt có thể chịu được sự khắc nghiệt của thời tiết khí hậu và nhiệt độ...
2. Bộ điều khiển sạc.
Là thiết bị thực hiện chức năng điều tiết sạc cho acquy, bảo vệ cho acquy chống nạp quá tải và xả quá sâu nhằm nâng cao tuổi thọ cho acquy và giúp hệ thống làm việc hiệu quả và lâu dài.
Bộ điều khiển này cho biết tình trạng nạp điện của hệ thống các panel mặt trời vào acquy giúp cho người sử dụng kiểm soát được các phụ tải.
Bộ điều khiển còn thực hiện bảo vệ nạp quá điện thế (>13.8v) hoặc điện thế thấp (<10.5v) . Mạch bảo vệ của bộ điều khiển sẽ thực hiện việc ngắt mạch khi bộ điều khiển xác nhận bình acquy đã được nạp đầy hoặc điện áp trong bình xuống quá thấp.
3. DC-AC Inverter.
Là bộ biến đổi nghịch lưu inverter chuyển đổi dòng điện từ 12VDC từ acquy thành dịng điện xoay chiều có điện áp 110V, 220V được thiết kế với nhiều cấp công suất từ 0.3kVA -10kVA.
Inverter có nhiều loại và cách phân biệt chúng bằng dạng sóng của điện áp đầu ra dạng sóng hình sine ,giả sine, sóng vng, sóng bậc thang...
4. Battery ( ACQUY )
nắng.
Acquy có nhiều loại kích thước và dung lượng khác nhau, tùy thuộc vào công suất và đặc điểm của hệ thống pin panel mặt trời. Hệ thống có cơng suất càng lớn thì càng phải sử dụng acquy có dung lượng càng lớn hoặc có thể dùng nhiều acquy kết nối lại với nhau.
5. Khung và dây cáp.
Để đảm bảo cho hệ thống pin mặt trời hoạt động tốt nhất thì yêu cầu phải đặt ở vị trí tối ưu nhất có nắng nhiều và lâu nhất về hiệu suất của hệ luôn ổn định và lâu dài chúng ta dùng đến bộ khung, gá và dây cáp chuyên dụng.
Để tối đa hóa hiệu suất của hệ thống các tấm pin mặt trời phải đặt theo một góc nghiêng và hướng nhất định hoặc góc nghiêng và hướng có thể thay đổi theo vị trí của mặt trời sao cho đón nhận được lượng ánh sáng và nhiệt tốt nhất.
Lưu ý khi lắp đặt tránh các vùng có khả năng bị che, khuất nắng, nên lựa chọn những vị trí có thể hứng được ánh nắng tốt nhất cho cả ngày.
Các phụ kiện đồng bộ kèm theo: ống, công tắc, bảng điện, vaseline domino, ổ cắm để lắp hoàn chỉnh hệ thống điện năng lượng mặt trời.
2.2 CẤU TẠO NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNGLƯỢNG MẶT TRỜI ĐỘC LẬP LƯỢNG MẶT TRỜI ĐỘC LẬP
2.2.1 PIN MẶT TRỜI.
1 Định nghĩa
Pin mặt trời còn gọi là pin quang điện là thiết bị ứng dụng hiệu ứng quang điện trong bán dẫn (thường gọi là hiệu ứng quang điện trong – quang dẫn) để tạo ra dòng điện một chiều từ ánh sáng mặt trời. Loại pin mặt trời thông dụng nhất hiện nay là loại sử dụng Silic tinh thể. Tinh thể Silic tinh khiết là chất bán dẫn điện rất kém vì các điện tử bị giam giữ bởi liên kết mạng, khơng có điện tử tự do. Khi bị ánh sáng hay nhiệt độ kích thích, các điện tử bị bứt ra khỏi liên kết, hay là các điện tử tích điện âm nhảy từ vùng hố trị lên vùng dẫn và để lại một lỗ trống tích điện dương trong vùng hoá trị. Lúc này chất bán dẫn mới dẫn điện.
- Một tinh thể hay đơn tinh thể module. Đơn tinh thể này có hiệu suất tới 16%. Loại này thường đắt tiền do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các mơdule.
- Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc từ Silic nung chảy, sau đó được làm nguội và làm rắn. Loại pin này thường rẻ hơn loại đơn tinh thể, nhưng lại có hiệu suất kém hơn. Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vng che phủ bề mặt nhiều hơn loại đơn tinh thể bù cho hiệu suất thấp của nó.
- Dải Silic tạo từ các miếng phim mỏng từ Silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể. Loại này thường có hiệu suất thấp nhất nhưng cũng là loại rẻ nhất trong các loại vì khơng cần phải cắt từ thỏi Silicon.
Về bản chất pin quang điện là một điốt bán dẫn bao gồm hai tấm bán dẫn loại P và loại N đặt sát cạnh nhau, khác ở chỗ pin quang điện có diện tích bề mặt rộng và có lớp N cực mỏng để ánh sáng có thể truyền qua. Trên bề mặt của pin quang điện có một lớp chống phản xạ vì khi chiếu ánh sáng vào pin quang điện, sẽ có một phần ánh sáng bị hấp thụ khi truyền qua lớp N và một phần ánh sáng sẽ bị phản xạ ngược lại còn một phần ánh sáng sẽ đến được lớp chuyển tiếp, nơi có các cặp electron và lỗ trống nằm trong điện trường của bề mặt giới hạn. Với các bước sóng thích hợp sẽ truyền cho electron một năng lượng đủ lớn để thoát khỏi liên kết. Khi thoát khỏi liên kết, dưới tác dụng của điện trường, electron sẽ bị kéo về phía bán dẫn loại N, cịn lỗ trống bị kéo về phía bán dẫn loại P. Khi đó nếu nối hai cực vào hai phần bán dẫn loại N và P sẽ đo được một hiệu điện thế. Giá trị của hiệu điện thế này phụ thuộc vào bản chất của chất làm bán dẫn và tạp chất được hấp phụ.
Nguyên lí hoạt động của pin mặt trời
Pin mặt trời là thiết bị ứng dụng hiệu ứng quang điện trong bán dẫn (thường gọi là hiệu ứng quang điện trong - quang dẫn) để tạo ra dòng điện một chiều từ ánh sáng mặt trời, là thiết bị giúp chuyển hóa trực tiếp năng lượng ánh sáng mặt trời (quang năng) thành năng lượng điện (điện năng) dựa trên hiệu ứng quang điện. Hiệu ứng quang điện là khả năng phát ra điện tử (electron) khi được ánh sáng chiếu vào bề mặt vật chất.