Dựa vào hình trên, chỉ có 49.6% năng lượng cơng suất bức xạ mặt trời là có thể dùng được. Nói một cách đơn giản, hiệu suất của pin silicon ở mức dưới 50%. Thực tế, pin silicon cịn có hiệu suất nhỏ hơn, ở dưới 25%. Những nguyên nhân làm giảm hiệu suất:
+ Giá trị điện áp band-gap (band-gap voltage) khi đo ở 2 đầu cell pin chỉ khoảng phân nửa đến 2/3 giá trị đầy đủ.
+ electron tự do và lỗ trống có khuynh hướng kết hợp làm giảm dịng điện pin.
+ Nhưng photon không được hấp thụ trọn vẹn do phản xạ hoặc đi xuyên qua cell pin.
+ trở nội của cell pin gây tổn hao công suất.
2.3.3 Cấu trúc P-N cho PV
Năng lượng từ photon sinh ra cặp electron tự do - lỗ trống, nhưng chúng có khuynh hướng kết hợp làm giảm dòng điện pin. Để ngăn chặn sự kết hợp đó, cần thiết tạo ra một điện trường nhằm tách electron tự do và lỗ trống thành 2 vùng. Cách để tạo điện trường là thiết lập 2 vùng khác biệt trong tinh thể silicon. Một vùng gồm những tinh thể silicon tinh khiết trộn lẫn một lượng nhỏ nguyên tố hóa học có hóa trị 3, tương tự đối với vùng còn lại nhưng với nguyên tố hóa học hóa trị 5.
Nguyên tố hóa học hóa trị 5 có thể là phospho, chỉ khoảng 1/1000 phospho so với silicon. Khi một nguyên tử phospho trộn lẫn vào tinh thể silicon tinh khiết, như hình 2.12, nguyên tử phospho sẽ liên kết đồng hóa trị với 4 nguyên tử silicon xung quanh. Do đó, electron ngồi cùng cịn lại của phospho sẽ trở thành electron tự do. Ngoài ra, nguyên tử phospho bị mất đi một electron ngồi cùng sẽ có điện tích +1 và trở thành điện tích dương cố định trong mạng tinh thể. Vùng trộn lẫn này, gồm có electron tự do, gọi là vùng n (negative, n-type).
Hình 2. 12 Nguyên tử hóa trị 5
Vùng trộn lẫn cịn lại có tỷ lệ ngun tố hóa trị 3 so với silicon khoảng 1/10 triệu, nguyên tố hóa trị 3 có thể là boron. Boron liên kết đồng hóa trị với 4 nguyên tử silicon xung quanh bằng 3 electron ngồi cùng. Do đó, sẽ cịn thiếu một electron liên kết đồng hóa trị và tạo ra một lỗ trống. Lỗ trống giống như một điện tích dương
Hình 2. 13 Ngun tử hóa trị 3
Nếu để vùng p cạnh vùng n, chỗ tiếp xúc của 2 vùng sẽ có hiện tượng khuếch tán electron-lỗ trống. Như trên hình 2-14, electron ở vùng n sẽ khuếch tán qua chỗ tiếp xúc để lấp các lỗ trống ở vùng p. Khi hiện tượng khuếch tán diễn ra, gần chỗ tiếp xúc p-n chỉ cịn lại tương ứng điện tích dương cố định ở vùng n và điện tích âm cố định ở vùng p. Một điện trường sẽ phát sinh ở chỗ tiếp xúc p-n đồng thời cản lại hiện tượng khuếch tán.
Hình 2. 14 Tiếp xúc P-N
Vùng phát sinh điện trường ở chỗ tiếp xúc p-n khơng cịn các điện tích tự do cả dương và âm được gọi là miền nghèo (depletion region). Miền nghèo rộng khoảng 1 cm và có hiệu điện thế 1V, điện trường trong miền này lên đến 10.000V/cm.
Đối với PV có cấu trúc p-n sẽ ngăn được sự kết hợp trở lại của electron và lỗ trống. Khi năng lượng photon được hấp thu, cặp electron-lỗ trống được tạo ra. Điện trường ở miền nghèo sẽ đẩy electron về vùng n và lỗ trống về vùng p. Hơn nữa, khi vùng p và vùng n tương ứng tích lũy nhiều lỗ trống và electron tự do sẽ tạo nên một
hiệu điện thế. Dòng điện dễ dàng sinh ra khi 2 đầu hiệu điện thế này được nối tải thích hợp, như hình 2.15.
Hình 2. 15 Mẫu PV
2.3.4 Công nghệ chế tạo PV
Công nghệ chế tạo PV ngày càng phát triển đa dạng. Từ những cell pin truyền thống có độ dày từ 200-500 m , những cell pin ở dạng “màng mỏng” (thin- film) dần dần chiếm ưu thế. Cell pin màng mỏng có độ dày 1-10m , không dùng nhiều vật liệu bán dẫn và dể chế tạo hơn nên giá thành cạnh tranh hơn. Loại cell pin này dùng nhiều cho các thiết bị: máy tính bỏ túi, đồng hồ và trong nhiều mạch điện tử. Hình 2.16 mơ tả các hướng cơng nghệ cho PV dựa theo 2 hướng chính.
Hình 2. 16 Hướng chế tạo PV
Vật liệu chế tạo PV không chỉ dừng lại ở nguyên tố silicon, germanium (cùng nằm trong nhóm 4-bảng tuần hồn ngun tố hóa học với silicon) cũng được dùng thay thế. Vật liệu chế tạo PV còn sử dụng hỗn hợp của 2 nguyên tố, thường sử dụng nhất là cell pin GaAs (Gallium và Arsenic) và CdTe (Cadmium và Tellurium). Những cặp vật liệu này thường nằm ở 2 nhóm đối xứng với nhóm 4, mơ tả trên hình 2.17.
Hình 2. 17 Bảng tuần hồn
2.4 Hệ thống PV
2.4.1 Hệ thống PV độc lập
PV đầu tiên được ứng dụng độc lập. Đối với những vùng nông thôn, vùng núi cao, hay ở những vùng hẻo lánh của các nước đang phát triển, nơi mà lưới điện quốc gia chưa cung cấp đến, thì việc sử dụng các hệ thống PV độc lập hoàn toàn cấp thiết. Nguồn điện lấy xuống từ PV sẽ được cấp cho tải DC hoặc qua hệ thống nghịch lưu rồi cấp cho tải AC. Phần lưu trữ cũng rất quan trọng, giúp lưu năng lượng và phát lại.
Hình 2. 18 Hệ thống độc lập
2.4.2 Hệ thống PV kết hợp
Hầu hết các trường hợp ứng dụng trong các hệ thống lớn, hệ thống PV thường được dùng thêm với máy phát diesel. Đối với trường hợp đó, hệ thống PV độc lập thường không thể cung cấp đủ nguồn năng lượng yêu cầu cho tải. Hệ thống PV kết hợp máy phát vừa đáp ứng đủ yêu cầu của tải vừa sử dụng được thêm nguồn năng lượng từ PV.
Hình 2. 19 Hệ thống kết hợp
2.4.3 Hệ thống PV nối lưới
Hệ thống kết lưới PV góp phần gia tăng công suất cho hệ thống lưới điện quốc gia và tiết kiệm chi phí dùng điện cho các hộ sử dụng cũng như các công ty ở các nước phát triển. Hơn nữa hệ thống PV kết lưới không cần phải có các thiết bị lưu trữ vì cơng suất khơng dùng hết có thể cấp hết lên lưới. Trong những năm gần
CHƯƠNG 3: MƠ HÌNH HĨA PV
3.1 Đặc tuyến và thông số cơ bản của PV
Như đã giải thích ở những phần trên, trong cấu trúc của PV có mối nối P-N. Do đó có thể mơ hình hóa PV bằng một diode mắc song song với một nguồn dịng như hình 3.1.
Hình 3. 1.Mơ hình PV
Dựa theo ký hiệu của hình vẽ, áp dụng định luật Kirchhoff cho nút:
I ISC Id (3.1) Áp dụng công thức Shockley cho diode, (3.1) trở thành:
I ISC I0 (e1) (3.2)
Khi khơng có ánh sáng ISC = 0, đặc tuyến I-V của PV giống như đặc tuyến của diode nhưng đảo ngược. Khi có ánh sáng, đặc tuyến đảo ngược đó sẽ được nâng lên một lượng đúng bằng ISC.
Hình 3. 2 Đặc tuyến PV
Trên đặc tuyến của PV có những thơng số cơ bản nhưng rất quan trọng như dòng ngắn mạch, áp hở mạch và điểm công suất cực đại (MPP). Chỉ khi vận hành ở
q V / A kT Hình 3. 3 Thơng số cơ bản PV
Một thông số quan trọng khác của PV là hệ số lấp đầy (Fill Factor-FF), như hình 3.4. Hệ số FF mơ tả chất lượng mối nối bán dẫn của PV và thể hiện khả năng hấp thu ánh sáng để tạo năng lượng.
(3.3)
Hình 3. 4 Hệ số lấp đầy
FF luôn < 1 và thay đổi tùy theo vật liệu PV. FF càng gần bằng 1, PV càng vận hành tốt. Đối với những cell pin chất lượng cao, FF có khi lên đến 0.85 hoặc hơn. Đối với các PV thương mại thông thường, FF chỉ ở mức 0.68.
q V / A kT 3.2 Phương trình tốn của PV
Có nhiều cách, tùy theo độ chính xác khác nhau, để mơ hình hóa PV như mơ hình 1 diode, mơ hình 2 diode. Trong bài này, mơ hình 1 diode và bỏ đi điện trở song song, hình 3.7, được áp dụng.
Hình 3. 5 Mơ hình 1 diode
Hình 3. 6 Mơ hình 2 diode
Hình 3. 7 Mơ hình 1 diode đơn giản
I =
Áp dụng cơng thức Shockley cho diode ta có:
I = (3.4) Trong đó: + q là điện tích electron (1,6 x C)
+ là dòng bão hòa của diode + là dòng ngắn mạch của PV + A là hệ số phẩm chất của diode + k là hằng số Boltzmann = 1,38x
thay đổi theo nhiệt độ: (3.7) ở nhiệt độ chuẩn: (3.8) với Trong đó:
ISC: dịng quang điện, xem như bằng với dòng ngắn mạch tương ứng. I0: dòng bão hòa của diode.
Rs: trở nối tiếp.
T: nhiệt độ tuyệt đối, Kelvin. G: bức xạ, W/m2.
q: điện tích electron = 1.6e-19 Coulomb. k: hằng số Boltzmann = 1.38e-23. A: hệ số phẩm chất của diode. Vg: điện áp bandgap.
Các phương trình trên sẽ được giải theo phương pháp Newton-Ralphson để tính tốn (IPV,VPV) ở trường hợp bức xạ và nhiệt độ bất kỳ. Một số thông số trong phương trình sẽ được chọn để đơn giản tính tốn. PV của hãng Solartech SPM080P với công suất cực đại 80 watt được chọn để mơ hình hóa.
Hình 3. 8 Datasheet solartech
Hệ số K0 được chọn là 0.065% dựa theo hệ số nhiệt của PV. Còn Rs được lấy là 0.005 Ohms.
Hình 4. 1 Điểm hoạt động của tải
Tải trở:
Phương trình mơ tả đơn giản cho tải trở: V = IR hay I =
Đặc tuyến I-V đơn giản là một đường thẳng có độ dốc là Khi R tăng độ dốc của đặc tuyến sẽ hạ thấp, ngược lại khi R giảm độ dốc của đặc tuyến sẽ nâng cao. Đường thẳng I-V của tải trở sẽ giao đường I-V của PV ở điểm làm việc.
Hình 4. 2 Đặc tuyến điện trở
Như hình 4.2, chỉ có trường hợp tải trở là Rm thì cơng suất vận hành của PV là cực đại.
Khi điện trở không thay đổi, điểm làm việc cũng sẽ thay đổi khi điều kiện mơi trường khác đi. Như hình 4.3, chỉ có một điều kiện bức xạ ứng với cơng suất PV là cực đại.
Hình 4. 3 Đặc tuyến trở khi thay đổi bức xạ
4.2 Điểm công suất cực đại 4.2.1 Mục đích của MPPT
Qua những phần trên, cho thấy đối với những tải và điều kiện môi trường khác nhau, điểm vận hành của PV sẽ thay đổi. Khi đó, PV có thể sẽ khơng được vận hành ở công suất cực đại. Để sử dụng tối ưu công suất PV, việc bắt công suất cực đại (mppt) là rất cần thiết.
Hình 4. 4 Buck-Boost
MPPT (Maximum Power Point Tracker) là phương pháp dị tìm điểm làm việc có cơng suất cực đại của hệ thống điện mặt trời thơng qua việc đóng mở khóa điện tử của bộ biến đổi DC/DC. Phương pháp MPPT được sử dụng rất phổ biến trong hệ thống PV làm việc độc lập và đang dần được áp dụng trong hệ quang điện làm việc với lưới.
được giới thiệu sơ ở phần dưới.
4.2.2 Bộ Buck-Boost
Cấu hình khơng cách ly của bộ Buck-Boost được minh họa ở hình 4.5. Bộ biến đổi bao gồm nguồn áp Vs, khóa điều khiển S, cuộn cảm L, diode D, tụ lọc đầu ra C và tải R. Khi khóa đóng, diode sẽ tắt (khơng dẫn), cuộn cảm nhận năng lượng từ nguồn, tụ sẽ cấp năng lượng cho tải. Khi khóa ngắt, diode sẽ dẫn, cuộn cảm sẽ cấp năng lượng cho tải và nạp năng lượng cho tụ.
Hình 4. 5 Mạch điện Buck-Boost
Tỷ số vào-ra của điện áp sẽ phụ thuộc vào tỷ số đóng cắt:
(4.1) Mơ tả sơ về dòng và áp của linh kiện trong bộ Buck-Boost khi khóa đóng cắt (lúc ổn định):
Hình 4. 6 Giản đồ hoạt động
Trong đó:
vL, iL: áp và dòng cuộn cảm vS, iS: áp và dòng nguồn vO, iO: áp và dòng ra
iC: dòng tụ
Khi thiết kế cần lưu ý giá trị cuộn cảm và tụ điện để đảm bảo dòng hoạt động liên tục và điện áp ra có độ nhấp nhơ bé:
(4.2) Vì sao bộ Buck-Boost có thể giữ được điểm cực đại của PV?
Thử xét tải trở ở đầu ra bộ Buck-Boost và PV ở đầu vào bộ Buck-Boost, khi hoạt động ổn định, phương trình cân bằng cơng suất vào ra:
(4.3) với Vpv và Ipv là áp và dòng PV, Vo và Io là áp và dòng tải.
đổi x. Dù trường hợp tải thay đổi hoặc điều kiện môi trường thay đổi, công suất vẫn có thể giữ cực đại.
Hình 4. 7 Cách thay đổi đặc tuyến bộ Buck-Boost
4.3 Giới thiệu các giải thuật của MPPT
Trong khuôn khổ của luận văn này chỉ phân tích 2 phương pháp MPPT được ứng dụng rộng rãi và đã trở nên phổ biến, quen thuộc và cho được một số hiệu quả làm việc. Đó là Phương pháp nhiễu loạn và quan sát P&O, Phương pháp điện dẫn gia tăng INCond
4.3.1 Phương pháp nhiễu loạn và quan sát (Perturbation And Observe - P&O)
Trong thuật toán này điện áp hoạt động của pin mặt trời (PMT) bị nhiễu bởi một gia số nhỏ ΔV và kết quả làm thay đổi công suất, ΔP được quan sát. Hình 4.9 mơ tả ngun lý hoạt động của thuật tốn P&O, từ đó có thể suy ra cách thức hoạt động của thuật toán như sau:
- Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 1 (ΔP < 0 và ΔV < 0) thì cần tăng điện áp hoạt động lên để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP.
- Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 2 (ΔP > 0 và ΔV > 0) thì cần tăng điện áp hoạt động lên để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP.
- Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 3 (ΔP > 0 và ΔV < 0) thì cần giảm điện áp hoạt động để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP. - Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 4 (ΔP < 0 và ΔV > 0) thì cần giảm điện áp hoạt động để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP.
Hình 4. 8 Cách thực hiện P&O
Hình 4. 9 Ngun lý thực hiện thuật tốn P&O
Giải thích thuật tốn:
Bộ điều khiển MPPT sẽ đo các giá trị dịng điện I và điện áp V, sau đó tính tốn độ sai lệch ∆P, ∆V và kiểm tra:
Hình 4. 10 Lưu đồ P&O
Thuật tốn P&O có ưu điểm là đơn giản, dễ thực hiện. Khối lượng tính tốn ít. Trong tồn bộ giải thuật chỉ có phép tính cộng trừ và so sánh, khơng hề có phép tính chia.
4.3.2 Phương pháp điện dẫn gia tăng (Incremental Conductance-IncCond)
Phương pháp điện dẫn gia tăng (Incremental Conductance-IncCond) dựa trên việc phân tích đạo hàm của công suất theo điện áp. Ở bên trái điểm cực đại, đạo hàm có giá trị dương. Ở bên phải điểm cực đại đạo hàm có giá trị âm.
Giải thuật IncCond dựa trên việc so sánh những biểu thức trên để xác định điểm cực đại. Tỷ số độ thay đổi dòng điện và điện áp được so sánh với tỷ số dòng
điện và điện áp tức thời để biết được PV đang vận hành ở bên trái hay bên phải so với điểm cực đại.
(4.7)
Ta lại có:
(4.8) Vậy, cơng thức 4.1 trở thành:
(4.9)
Khi điểm vận hành của PV đến được điểm cực đại, giá trị đặt sẽ được giữ khơng đổi. Khi có sự thay đổi về điều kiện môi trường và tải, giải thuật sẽ so sánh tiếp để điều chỉnh giá trị đặt nhằm bắt công suất cực đại mới.
Hình 4. 11 Nguyên lý thực hiện thuật tốn InCond
CHƯƠNG 5: MƠ PHỎNG
5.1 Mơ hình mơ phỏng MPP trong Matlab Simulink
Hình 5. 1 Sơ đồ tổng quát hệ thống tìm MPP trong Matlab Simulink
Mơ hình được mơ phỏng trên thư viện simulink của phần mềm MATLAB 2014ra. Mô phỏng trên miền rời rạc, kiểu mô phỏng fix-step với bước tính Tstep = 2e-5 (s), phương pháp giải ode-4 Runge-Kutta.
Khối PV được xây dựng dựa trên S-Function.
Khối P&O và InCond xây dựng trong Embbeded Function. Giá trị các biến được đưa ra workspace để khảo sát và vẽ đồ thị.