1.4.1 Pin mặt trời
Pin năng lượng mặt trời hay pin mặt trời hay pin quang điện (Solar Photo-Valtaic) bao gồm nhiều tế bào quang điện (Solar cells) - là phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là đi-ốt quang, thực hiện biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện. Cường độ dòng điện, hiệu điện thế hoặc điện trở của pin mặt trời thay đổi phụ thuộc bởi lượng ánh sáng chiếu lên chúng. Tế bào quang điện được ghép lại thành khối để trở thành pin mặt trời (Thông thường 60 hoặc 72 tế bào quang điện trên một tấm pin mặt trời). Tế bào quang điện có khả năng hoạt động dưới ánh sáng mặt trời hoặc ánh sáng nhân tạo. Chúng có thể được dùng như cảm biến ánh sáng (Ví dụ cảm biến hồng ngoại), hoặc các phát xạ điện từ gần ngưỡng ánh sáng nhìn thấy hoặc đo cường độ ánh sáng.
Sự chuyển đổi này thực hiện theo hiệu ứng quang điện. Hoạt động của pin mặt trời được chia làm ba giai đoạn:
Đầu tiên năng lượng từ các photon ánh sáng được hấp thụ và hình thành các cặp electron-hole trong chất bán dẫn;
Các cặp electron-hole sau đó bị phân chia bởi ngăn cách tạo bởi các loại chất bán dẫn khác nhau (P-N junction). Hiệu ứng này tạo nên hiệu điện thế của pin mặt trời.
Pin mặt trời sau đó được nối trực tiếp vào mạch ngồi và tạo nên dòng điện. Các pin năng lượng mặt trời có nhiều ứng dụng trong thực tế. Do giá thành cịn đắt, chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng mà điện lưới khó vươn tới như núi cao, ngoài đảo xa, hoặc phục vụ các hoạt động trên không gian; cụ thể như các vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo trái đất, máy tính cầm tay, các máy điện thoại cầm tay từ xa, thiết bị bơm nước, ... Các Pin năng lượng mặt trời được thiết kế như những modul thành phần, được ghép lại với nhau tạo thành các tấm năng lượng mặt trời có diện tích lớn, thường được đặt trên nóc các tịa nhà nơi chúng có thể có ánh sáng nhiều nhất, và kết nối với bộ chuyển đổi của mạng lưới điện.
12
Hình 1.10 Hoạt động của pin mặt trời
Hiện nay có 2 loại pin mặt trời phổ biến đó là pin mặt trời poly và mono.
Pin mặt trời mono : Pin mono với các solar cell được làm bằng monocrystalline
silicon (mono-Si), còn được gọi là silicon đơn tinh thể với độ tinh khiết cao. Chính vì vậy, nhìn bằng mắt thường sẽ thấy tấm pin đều màu và đồng nhất.
Ưu điểm:
Được làm từ silicon với độ tinh khiết cao nên hiệu suất sử dụng cao. Tỉ lệ hiệu suất của các tấm pin mono thường ở khoảng 15-20%.
Độ bền cao, hiệu quả sử dụng dài lâu
Hoạt động hiệu quả hơn so với pin poly trong điều kiện ánh sáng yếu. Nhược điểm:
Giá thành khá cao do quy trình sản xuất tốn kém
Hoạt động kém hiệu quả hơn poly trong cùng điều kiện nhiệt độ tăng cao.
Pin mặt trời Poly: Các tấm pin năng lượng mặt trời đầu tiên được tạo nên từ silicon
đa tinh thể như polysilicon (p-Si) và silicon đa tinh thể (mc-Si).
Nguyên liệu silicon tan chảy và được đổ vào khn hình vng, được làm nguội và cắt thành những tấm wafer vng hồn hảo.
13 Ưu điểm:
Quá trình sản xuất đơn giản và ít tốn kém. Do đó giá thành cũng thấp hơn so với pin mono.
Mức độ giãn nở và chịu nhiệt cao. Nhược điểm:
Hiệu suất hoạt động của pin poly nằm trong khoảng từ 13-16%. Do độ tinh khiết của silicon thấp hơn nên hiệu suất không cao bằng pin mono.
Hiệu suất làm việc ngoài nắng rất cao làm tuổi thọ pin poly giảm so với pin mono trong cùng điều kiện ánh sáng.
Hình 1.11 Sự khác nhau của pin mặt trời poly và mono về mặt kỹ thuật
Để đảm bảo hệ thống pin năng lượng Mặt Trời hoạt động hiệu quả nhất, chúng ta phải quyết được hai vấn đề cơ bản:
Một là hướng đặt pin Mặt Trời và hai là độ nghiêng của tấm pin, nghiêng một góc bao nhiêu là hợp lý nhất để tia sáng Mặt Trời rọi vng góc vào tấm pin, đồng nghĩa với việc tấm pin sẽ hấp thụ được nhiều tia bức xạ Mặt trời nhất. Do đó, việc xác định chính xác hướng và góc nghiêng của tấm pin Mặt Trời là rất quang trọng.
14
Hình 1.12 Quỹ đạo di chuyển của Mặt Trời trong một ngày
Như hình vẽ quỹ đạo di chuyển của Mặt Trời trong một ngày, ta có thể thấy được: Mặt Trời mọc ở phía Đơng, tùy theo mùa nó sẽ mọc ở bán cầu Bắc (Mùa hè) hay bán cầu Nam (Mùa Thu, Đông) và sẽ lặn ở phía Tây. Quỹ đạo di chuyển của mặt trời chếch về hướng Nam. Bởi vì vậy mà tấm pin năng lượng Mặt trời sẽ phải đặt hướng về phía Nam để bề mặt hấp thụ của nó hứng được nhiều tia năng Mặt Trời nhất.
Hình 1.13 Vị trí pin mặt trời hấp thụ được nhiều tia nắng nhất
Về mùa Động thì mặt trời xa xích đạo nên u cầu góc nghiêng của tấm pin lớn, cịn mùa Hè thì mặt trời gần xích đạo nên góc nghiêng nhỏ hơn để có thể hứng vng góc tia
15
nắng mặt trời rọi vào. Tùy theo mỗi mùa mà góc nghiêng thay đổi theo để phù hợp nhất. Tại Việt Nam, theo nghiên cứu lý thuyết và kinh nghiệm thực tế sẽ chọn ra một góc từ 11 độ đến 15 độ là phù hợp cho hệ khung giàn cố định trên máy hay trên mặt đất.
Một vài ví dụ về góc nghiêng của tấm pin mặt trời tại một số vùng trong nước: Tại khu vực Hà Nội:
Bảng 1.3 Góc nghiêng tối ưu của tấm pin mặt trời khu vực Hà Nội
Tháng 1 Tháng 2 Tháng 3 Tháng 4 Tháng 5 Tháng 6
530 610 690 770 850 920
Tháng 7 Tháng 8 Tháng 9 Tháng 10 Tháng 11 Tháng 12
850 770 690 610 530 460
Mùa Đông Mùa Xuân/Thu Mùa Hè
Nghiêng 460 Nghiêng 690 Nghiêng 920
Lưu ý:
Vào ngày 21/12, mặt trời mọc 810 Đông – Nam và len cao nhất là 810 Tây Nam
Vào ngày 21/3 và 21/9, mặ trời mọc 910 Đông - Nam và lên cao nhất là 910
Tây - Nam
Vào ngày 21/6, mặt trời mọc 1010 Đông – Nam và lên cao nhất là 1010 Tây – Nam.
Bảng 1.4 Góc nghiêng tối ưu của tấm pin mặt trời khu vực Thành phố Hồ Chí Minh
Tháng 1 Tháng 2 Tháng 3 Tháng 4 Tháng 5 Tháng 6
630 710 790 870 950 1020
Tháng 7 Tháng 8 Tháng 9 Tháng 10 Tháng 11 Tháng 12
950 870 790 710 630 560
16
Nghiên 560 Nghiên 790 Nghiên 1020
Lưu ý:
Vào ngày 21/12, mặt trời mọc 860 Đông – Nam và lên cao nhất là 860 Tây – Nam
Vào ngày 21/3 và 21/9, Mặt trời mọc 910 Đông – Nam và lên cao nhất là 910 Tây – Nam
Vào ngày 21/6, mặt trời mọc 960 Đông – Nam và lên cao nhất là 960 Tây Nam.
1.4.2 Bộ điều khiển sạc
Bộ điều khiển sạc là một thiết bị trung gian giữa hệ các tấm pin mặt trời và hệ các bình ắc quy lưu trữ. Nhiệm vụ chính của nó là “điều khiển” việc sạc bình ắc quy từ nguồn điện sinh ra từ pin mặt trời. Cụ thể là các nhiệm vụ sau:
Bảo vệ bình ắc quy: khi bình đầy (Ví dụ 13.8V – 14V đối với ắc quy 12V) thì bộ điều khiển ngăn khơng cho nguồn điện tiếp tục nạp vào ắc quy có thể gây sơi bình và làm ảnh hưởng đến tuổi thọ của bình. Khi bình gần cạn đến ngưỡng phải ngắt để bảo vệ bình (Ví dụ 10.5V đối với ắc quy 12V), bộ điều khiển sẽ ngắt không cho sử dụng tải để bảo vệ bình khơng bị “kiệt”.
Bảo vệ tấm pin mặt trời: nguyên lý của dòng điện là chảy từ nơi điện áp cao đến nơi điện áp thấp. Ban ngày trời nắng thì điện áp tấm pin loại 12V sẽ từ khoảng 15 đến hơn 20V, cao hơn điện áp ắc quy nên dòng điện sẽ đi từ pin xuống ắc quy. Nhưng ban đêm khi khơng có ánh nắng, điện áp của pin sẽ thấp hơn điện áp của ắc quy và dòng điện sẽ đi từ ắc quy lên ngược tấm pin và “đốt” tấm pin, làm giảm hiệu suất tấm pin dần dần và có thể hỏng tấm pin. Vậy nên bộ điều khiển sẽ ngăn một cách triệt để khơng để cho dịng điện có thể đi ngược lên tấm pin để tránh hiện tượng trên.
Điều quan trọng nhất: giúp đạt hiệu suất cao nhất từ tấm pin mặt trời. Thiết bị có chức năng điều khiển làm sao để công suất sạc đạt cực đại Pmax, nâng cao hiệu suất sử dụng của tấm pin mặt trời. Các bộ điều khiển sạc kiểu cũ đơn giản thì chỉ điều khiển đóng
17
cắt khi bình đầy hoặc bình cạn và bảo vệ không cho điện trào lên pin, hiện đại hơn là sử dụng phương pháp điều khiển điều rộng xung PWM (Pulse – Width – Modulation) sử dụng mạch transitor đóng cắt liên tục để ổn áp sạc cho ắc quy, phương pháp này có nhược điểm lớn là làm hao phí khoảng trên dưới 20% lượng điện sạc từ pin mặt trời. Các bộ điều khiển sạc hiện đại sử dụng phương pháp điều rộng xung khơng hao phí, có bộ vi xử lý và thiết bị đo chọn được điểm có cơng suất cực đại MPP (Max Power Point) Pmax để sạc cho ắc quy.
Một số chức năng khác như: hiển thị mức điện cịn trong hệ bình ắc quy, bảo vệ q tải, chập mạch trong hệ thống, các chức năng bổ sung như tự động bật tắt thiết bị, tạo dòng 5V để sạc điện thoại…
18
Phương pháp sạc xung: các bộ điều khiển sạc xung sẽ kéo dài tốt hơn tuổi thọ của ắc quy. Phương pháp sạc xung hiện nay được ứng dụng trong việc sạc laptop, sạc điện thoại và được đánh giá là phương pháp sạc ưu việt nâng cao tuổi thọ của pin hay ắc quy.
Hình 1.15 Bộ điều khiển sạc PWM (Trái) và bộ điều khiển sạc hiện đại MPPT kỹ thuật số (Phải)
1.4.3 Inverter
Inverter chuyển đổi dòng điện DC từ ắc quy thành dòng điện AC (110 VAC, 220 VAC). Được thiết kế với nhiều cấp công suất từ 0.3 kVA – 10kVA.
19
Inverter có nhiều loại và các phân biệt chúng bằng dạng sóng của điện áp đầu ra: dạng sóng hình sin, giá sin, sóng vng, sóng bậc thang,…
Trong bất kỳ hệ thống điện năng lượng mặt trời nào, biến tần đóng vai trị rất quan trọng và thường được coi là bộ não của một dự án, cho dù là một hệ thống dân cư 2kW hay là một nhà máy điện 5MW.
Chức năng cơ bản của một bộ biến tần là nghịch lưu dòng điện DC trực tiếp thành dòng xoay chiều AC. Dòng AC này đủ tiêu chuẩn để được sử dụng cho tất cả các thiết bị gia dụng hay công nghiệp. Đây là lý do tại sao nhiều biến tần được xem như là “cổng” giữa hệ thống quang điện (PV) và năng lượng vô giá.
Công nghệ biến tần được cải tiến đáng kể, ngoài việc chuyển đổi DC sang AC, chúng còn đáp ứng một nhu cầu khác để đảm bảo rằng biến tần có thể hoạt động ở hiệu suất tối đa như: giám sát dữ liệu, nâng cao điều khiển tiện ích,… các nhà sản xuất biến tần cũng cung cấp các dịch vụ khơng thể thiếu để duy trì sản xuất năng lượng và hiệu suất cao cho dự án, bao gồm bảo dưỡng và thời gian sữa chữa nhanh.
Sự thâm nhập hệ thống quang điện cao và tác động của nó đối với lưới điện lão hóa của chúng ta là một thách thức đối với tồn bộ ngành cơng nghiệp năng lượng mặt trời. Thử thách không dành riêng cho biến tần, nhưng giải pháp có thể hồn tồn điều khiển bằng biến tần. Bởi vì các bộ phận biến tần đóng vai trị như một cổng vào của hệ thống, các tiện ích điều khiển nâng cao, chẳng hạn như khả năng dự đoán đầu ra và phân bố công suất. Các chức năng này giúp dễ dàng chuyển đổi khi có nhiều năng lượng mặt trời hơn, mà không cần nâng cấp cơ sở hạ tầng lớn và đắt tiền. Việc sử dụng biến tần với các tiện ích hỗ trợ phát triển chức năng sẽ được chứng minh thuyết phục khi kết hợp với nối lưới.
Biến tần đã phát triển nhiều hơn với việc là nghịch lưu dòng điện DC sang AC của một hệ thống điện năng lượng mặt trời. Biến tần phải tiếp tục đổi mới và giảm chi phí, đồng thời duy trì cá thuộc tính quan trọng cho hệ thống điện năng lượng mặt trời (độ tin cậy, hiệu suất và các tính năng như giám sát dữ liệu), để tang khả năng xâm nhập của hệ thống quang điện.
20
1.4.4 Battery (Ắc quy)
Là thiết bị lưu trữ điện để sử dụng vào ban đêm hoặc lúc trời ít hoặc khơng cịn ánh nắng. Ắc quy có nhiều loại, kích thước và dung lượng khác nhau, tùy thuộc vào công suất và đặc điểm của hệ thống tấm pin mặt trời. Hệ thống có cơng suất càng lớn thì cần sử dụng ắc quy có dung lượng lớn hoặc dung nhiều bình ắc quy kết nối lại với nhau.
Hình 1.17 Một số loại ắc quy
Ắc quy thì có nhiều cách gọi như: ắc quy nước, ắc quy axít, ắc quy axít kiểu hở, ắc quy kín khí, ắc quy khơng cần bảo dưỡng, ắc quy khô, ắc quy GEL, ắc quy kiềm... Phân biệt hai loại ắc quy thông dụng hiện nay là ắc quy sử dụng điện mơi bằng a-xít (Gọi tắt là ắc quy axít hoặc ắc quy chì - axít) và ắc quy sử dụng điện môi bằng kiềm (Gọi tắt là ắc quy kiềm).
Trong thực tế, các bản cực ắc quy khơng giống như hình đã nêu ở phần trên, các cực của ắc quy có số lượng nhiều hơn (Để tạo ra dung lượng bình ắc quy lớn) và mỗi bình ắc quy lại bao gồm nhiều ngăn như vậy. Nhiều tấm cực để tạo ra tổng diện tích bản cực được nhiều hơn, giúp cho q trình phản ứng xảy ra đồng thời tại nhiều vị trí và do đó dịng điện cực đại xuất ra từ ắc quy đạt trị số cao hơn - và dung lượng ắc quy cũng tăng lên.
Do kết cấu xếp lớp nhau giữa các tấm cực của ắc quy nên thông thường số cực dương và cực âm không bằng nhau bởi sẽ tận dụng sự làm việc của hai mặt một bản cực (Nếu số bản cực bằng nhau thì các tấm ở bên rìa sẽ có hai mặt trái chiều ở cách nhau quá xa, do đó phản ứng hóa học sẽ khơng thuận lợi). Ở giữa các bản cực của ắc quy đều có tấm chắn, các tấm chắn này khơng dẫn điện nhưng có độ thẩm thấu lớn để thuận tiện cho quá trình phản ứng xảy ra khi các cation và anion xuyên qua chúng để đến các điện cực.
21
Hình 1.18 Cách sấp xếp các tấm cực của ắc quy
Mỗi một ngăn cực của ắc quy a-xít chỉ cho mức điện áp khoảng 2 đến 2,2V do đó để đạt được các mức 6, 12 V thì ắc quy phải ghép nhiều ngăn nhỏ với nhau, Ví dụ ghép 3 ngăn để thành ắc quy 6V, ghép 6 ngăn để thành ắc quy 12V.