CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
3.1 PIN MẶT TRỜI
3.1.1 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và thông số pin mặt trời
Cấu tạo pin mặt trời
- Định nghĩa: Pin mặt trời hay còn gọi là pin quang điện, là thiết bị ứng dụng hiệu ứng quang điện trong lớp bán dẫn (thường gọi là hiện tượng quang điện trong – quang dẫn) để tạo ra dòng điện một chiều khi được chiếu sáng Ø Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và phân loại.
a) Cấu tạo
Hình 3. 1: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin mặt trời
Gồm 3 phần chính như đã mơ tả ở hình trên:
- Mặt ghép bán dẫn p-n: sử dụng tinh thể Silic, đây là thành phần chính của pin mặt trời, lớp n thường mỏng để ánh sáng có thể chiếu tới lớp tiếp xúc p- n.
- Điện cực: là thành phần dẫn điện ra phụ tải, vật liệu làm điện cực vừa phải có độ dẫn điện tốt, vừa phải bám dính tốt vào chất bán dẫn.
- Lớp chống phản quang: nếu sự phản xạ ánh sáng càng nhiều sẽ làm cho hiệu suất của pin giảm. Vì vậy phải phủ một lớp chống phản quang.
19 b) Nguyên lý hoạt động:
- Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời dựa trên hiện tượng quang điện trong được mơ tả trong hình. Khi lớp p - n hấp thụ ánh sáng, cặp điện tử - lỗ trống được tạo ra và trở thành các hạt tải điện tự do. Điện tử di chuyển về phía cực của bán dẫn loại n và lỗ trống di chuyển về phía cực của bán dẫn loại p. Nếu bên ngồi có tải nối giữa cực của bán dẫn loại n và bán dẫn loại p thì sẽ xuất hiện dịng điện.
c) Phân Loại:
Cho tới nay vật liệu để chế tạo pin mặt trời chủ yếu là Silic và được chia thành ba loại sau:
- Đơn tinh thể: có hiệu suất cao và loại này thường đắt tiền do được cắt từ các thỏi hình ống.
- Đa tinh thể: làm từ thỏi đúc từ Silic nóng chảy, sau đó làm nguội và làm rắn. Loại này rẻ hơn đơn tinh thể nhưng hiệu suất lại thấp hơn.
- Dải Silic được tạo từ các miếng phim mỏng từ Silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể. Loại này có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại vì khơng cần cắt từ thỏi silicon
Hình 3. 2: Pin mặt trời đơn tinh thể (mono) và đa tinh thể (poly)Ø Đặc tính làm việc của Pin mặt trời
20
Hình 3. 3: Mạch tương đương của một tế bào pin mặt trời
- Khi được chiếu sáng thì pin mặt trời phát ra một dịng quang điện Iph như hình trên, vì vậy pin mặt trời có thể xem như một nguồn dịng. Lớp tiếp xúc p – n có tính chất chỉnh lưu tương đương như một diode D. Tuy nhiên khi phân cực ngược, do điện trở tiếp xúc có giới hạn nên vẫn có một dịng điện rị qua nó. Đặc trưng cho dịng điện rị qua lớp tiếp xúc p – n là điện trở shunt Rsh như hình …. Dịng quang điện chạy trong mạch phải đi qua các lớp bán dẫn p và n, các điện cực, các lớp tiếp xúc… Đặc trưng cho tổng điện trở của các lớp đó là một điện trở RS mắc nối tiếp trong mạch. Từ đó xây dựng được sơ đồ tương đương tổng quát của pin mặt trời như hình trên.
Dịng điện qua diode: ID = IS(e𝑞𝑉𝐷
𝑛𝐾𝑇 – 1) (3.1) Theo định luật Kirchhoff về cường độ dòng điện:
I ph - ID -
𝑉𝐷 𝑅𝑠ℎ
- IPV = 0 (3.2) Theo định luật Kirchhoff về điện thế:
V
PV = VD – IPVRS
(3.3) Trong đó:
21 - IS – Dòng điện bão hòa của diode (A) - ID - Dòng điện qua diode (A)
- IPV - dòng điện ngõ ra của PV (A) - VPV - điện áp ngõ ra của PV (V)
- k - hằng số Boltzmann (k = 1.381 x 10ି (mũ -23) J/K) - q - điện tích của electron (q= 1.602 x 10ି (mũ-19) C) - T - nhiệt độ tấm pin (˚K)
Từ các phương trình (1.1), (1.2), (1.3), suy ra phương trình đặc tính I-V của một tế bào pin mặt trời:
I
PV=Iph-IS(𝑒𝑞(𝑉𝑃𝑉+𝑅𝑆𝐼𝑃𝑉)𝑛𝐾𝑇 -1)-(𝑉𝑃𝑉+𝑅𝑆𝐼𝑃𝑉 𝑅𝑠ℎ
) (3.4) Để có cơng suất cũng như điện áp, dịng điện theo u cầu thì phải ghép các tế bào pin mặt trời lại thành một module pin mặt trời. Giả sử ghép nối tiếp Ns các tế bào pin mặt trời lại và ghép song song Np các dãy tế bào pin mặt trời nối tiếp lại, thì phương trình đặc tính I
– V tổng qt như sau: I
PV=Np Iph-NPIS(𝑒𝑞(𝑉𝑃𝑉+𝑅𝑆𝐼𝑃𝑉)𝑁𝑠ℎ𝐾𝑇 -1)-(𝑉𝑃𝑉+𝑅𝑆𝐼𝑃𝑉 𝑅𝑠ℎ
) (3.5) Đặc tính của pin mặt trời:
22
Hình 3. 4: Mạch điện cơng suất và mạch điều khiển của hệ thống PV một pha- nối lưới
- Bộ chỉnh lưu DC/DC đảm bảo 2 chức năng: khai thác tối đa lượng công suất phát của PV với mọi điều kiện thay đổi bức xạ mặt trời – MPPT; Boost
converter khuếch đại điện áp VPV của PV cấp cho bộ nghịch lưu DC/AC là VDC - Cầu H gồm 4 khóa điều khiển IGBT chuyển đổi điện áp khuếch đại VDC thành điện áp xoay chiều AC. Q trình đóng mở IGBT và đồng bộ với điện áp lưới điện được thực hiện bằng phương pháp điều chỉnh độ rộng xung PWM (pulse width modulation) với tần số cơ bản 50 Hz (ở Việt Nam và Châu Âu) và 60 Hz (ở Mỹ).
Sơ đồ mạch điện tương đương của hệ thống Inverter PV một pha – nối lưới. Các đặc tính của mạch điện được mô tả dạng giản đồ vectơ pha – diagram với các thành phần giá trị cơ bản: điện áp và dòng điện xoay chiều đầu ra của Inverter PV (Vinv, Iout), sụt áp trên điện cảm ( VL = jXLIout = jLIout) và điện áp lưới điện (Vgrid). Trong đó, là góc lệch pha giữa điện áp lưới Vgrid và dịng điện Iout; là góc lệch
23
pha giữa điện áp Vinv và điện áp lưới Vgrid. Các giá trị điện áp và dòng điện xoay chiều đầu ra của Inverter PV như sau: vinv = 2.Vinv và iiout = 2.Iout
Hình 3. 5: Sơ đồ mạch điện tương đương
24
Chúng ta sẽ xem xét ảnh hưởng của điện áp Vinv và góc lệch pha tới biên độ dòng điện xoay chiều bơm lên lưới điện Iout và góc pha của điện áp lưới và dịng điện này. Trên hình 3a, giả sử góc lệch pha khơng đổi, biên độ điện áp đầu ra Inverter PV (Vinv) thay đổi; ví dụ Vinvl = 0,8Vinv, nhận xét thấy rằng biên độ dòng điện Iout và góc pha của điện áp lưới biến đổi theo. Trên hình 3b, Giả sử biên độ điện áp Vinv giữ khơng đổi, trong góc lệch pha 2 thay đổi giá trị 2 > nhận thấy sự thay đổi của giá trị biên độ dòng điện xoay chiều bơm lên lưới Iout và góc lệch pha điện áp lưới .
Hình 3. 7: Điện áp đầu ra Inverter PV thay đổi
Hình 3. 8: Góc lệch pha giữa điện áp đầu ra Inverter PV và điện áp lưới thay đổi đổi
Mặt khác, từ pha-diagram trên hình 2, mối quan hệ giữa các đặc tính như sau:
Vinv sin@ = VL cos𝝋 = XLIout cos𝝋 (3.6)
25 P = VgridIoutcos𝜑 =𝑉𝑔𝑟𝑖𝑑.𝑉𝑖𝑛𝑣 .𝑠𝑖𝑛𝛿
𝑋𝐿 (3.7)
Phương trình(2), cơng suất của nguồn PV bơm vào lưới phụ thuộc vào: điện kháng XL, điện áp đầu ra Inverter PV, điện áp lưới và sự thay đổi góc lệch pha của 2 điện áp này (𝛿).
Công suất phản kháng của Inverter PV: Q = Vgrid. Iout sin𝜑
XL.Iout. sin𝜑 = Vinv cos𝜑 - Vgrid Q =𝑉𝑔𝑟𝑖𝑑(𝑉𝑖𝑛𝑣𝑐𝑜𝑠𝜑−𝑉𝑔𝑟𝑖𝑑)
𝑋𝐿 (3.8)
Từ phương trình (3), giá trị và công suất phản kháng (công suất sinh ra và công suất tiêu thụ) phụ thuộc vào các đại lượng như sau: điện kháng, biên độ điện áp đầu ra Inverter PV; điện áp lưới điện và góc pha của điện áp lưới. Kết luận rằng: có thể tác động tới góc lệch pha giữa điện áp đầu ra của Inverter PV và điện áp lưới hoặc biên độ điện áp xoay chiều của Inverter PV để điều chỉnh lượng công suất tác dụng của Inverter PV bơm lên lưới điện. Trong khi đó, cơng suất phản kháng của Inverter PV đưa vào lưới tỉ lệ với giá trị biên độ điện áp xoay chiều Inverter PV. Dịng cơng suất của Inverter PV bơm lên lưới điện sẽ bị thay đổi nếu giá trị biên độ điện áp lưới thay đổi.
26
Mô hình lý tưởng của pin mặt trời là mơ hình không xét tới những ảnh hưởng của điện trở Rsh và RS, có nghĩa là Rsh = ∞, Rs = 0 .
Phương trình đặc tính I – V thu được của pin dựa vào phương trình (1.5):
Hình 3. 10: Đặc tính I-V và P-V của pin mặt trời ở điều kiện lý tưởng
- Theo hình 3.10 cho thấy quan hệ giữa dịng điện và điện áp I(V) và quan hệ giữa công suất với điện áp P(V) = I.V là những mối quan hệ phi tuyến và các quan hệ phi tuyến này thay đổi giá trị khi mà thời tiết thay đổi. Ứng với mỗi điều kiện khí hậu cụ thể thì đặc tính P-V sẽ tồn tại một điểm có cơng suất lớn nhất gọi là MPP (maximum power point), tại điểm đó hiệu suất của pin sẽ là lớn nhất. Để hiểu rõ ràng hơn về vị trí và q trình di chuyển của điểm MPP thì phần tiếp theo sẽ phân tích ảnh hưởng của các yếu tố bên trong và yếu tố bên ngồi ảnh hưởng tới đặc tính của pin mặt trời như thế nào?
27
- Ảnh hưởng của Rs và Rsh lên đặc tính I-V của pin năng lượng mặt trời + Ảnh hưởng của điện trở Rsh tới đặc tính I-V của pin
Hình 3. 11: Cấu tạo của pin mặt trời khi xét tới ảnh hưởng của điện trở Rs
Khi có điện trở Rsh thì dịng điện của pin mặt trời cấp cho bị giảm đi một lượng 𝑉
28
Hình 3. 12: Đặc tính I-V khi có điện trở Rs
Khi xét tới ảnh hưởng của Rs thì đường đặc tính thu được bị kéo về phía gốc tọa độ một lượng ΔV = I.Rs như mô tả
Những yếu tố bên ngoài ảnh hưởng đến pin mặt trời:
- Khí hậu thời tiết ảnh hưởng rất lớn tới hoạt động của pin mặt trời. Trong đó, nhiệt độ và cường độ ánh sáng là những yếu tố tiêu biểu ảnh hưởng mạnh nhất tới đặc tính của pin mặt trời, từ đó dẫn tới sự thay đổi điểm làm việc có cơng suất lớn nhất MPP của pin.
- Ảnh hưởng của cường độ sáng: Khi thay đổi điều kiện của cường độ ánh sáng mặt trời từ 600W/m2 tới 1000W/m2 thu được đặc tính I-V và P-V:
29
Hình 3. 13: Đặc tính I-V và P-V khi cường độ chiếu sáng thay đổi
Từ đó có một số kết luận như sau:
- Dòng ngắn mạch Isc tỉ lệ thuận với cường độ bức xạ chiếu sáng. Cường độ bức xạ càng lớn thì dịng Isc càng lớn và ngược lại.
- Do dịng điện tăng dẫn tới cơng suất hoạt động của pin cũng tăng hay nói cách khác điểm MPP có cơng suất lớn nhất cũng tăng lên, di chuyển về phía trên khi cường độ chiếu sáng của mặt trời tăng.
- Ảnh hưởng của cường độ nhiệt độ: Thay đổi điều kiện nhiệt độ của pin mặt trời thay từ 25 oC đến 75 oC, ta thu được đường đặc tính I-V và P-V như hình …. :
30
Hình 3. 14: Đặc tính I-V và P-V của pin mặt trời khi nhiệt độ thay đổi
Từ hình 3.14 rút ra kết luận:
- Khi nhiệt độ tăng thì điện áp hoạt động của pin mặt trời giảm mạnh, cịn dịng điện thì tăng ít.
- Cơng suất của pin mặt trời giảm khi nhiệt độ tăng.
Điều kiện bức xạ tiêu chuẩn 1000W/m2 – 25°C. Thực tế bức xạ tại vùng lắp đặt ít khi lên trên 800 W/m2 (khoảng 10% thời gian làm việc) và nhiệt độ trung bình khoảng (27.3°C). Nhiệt độ ảnh hưởng lớn nhất đến hiệu suất hoạt động của tấm pin: 25 oC (445W), 35 oC (427W), 45 oC (408W), 55 oC (390W), 65 oC (371W), 75 oC (352W), (pin Longi LR4-72HPH-445M)
31
Hình 3. 15: Nhiệt độ ảnh hưởng đến hiệu suất
Hình 3. 16: Nhiệt độ thực tế đo được trên tấm pin
Một số thông số của pin quang điện
- Open Circuit Voltage (Voc) – Điện áp hở mạch: là hiệu điện thế V cực đại khi được chiếu sáng với thơng lượng Φ. Vì đây là điện áp tối đa mà tấm pin có thể sản xuất trong điều kiện tiêu chuẩn, từ đó ta có thể xác định được số tấm pin tối đa trong 1 dãy để có thể kết nối vào kích điện hay điều khiển sạc. - Short Circuit Current (Isc) – Dòng điện ngắn mạch: là dòng điện lớn nhất mà tấm pin có thể sản sinh trong điều kiện tiêu chuẩn sinh ra khi kết nối đầu âm và dương của tấm pin vào nhau.
- Maximum Power Point (Pmax) – Điểm công suất cực đại: là điểm mà công suất của hệ thống sinh ra cao nhất.
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 1 2 3 4 5 6
Nhiệt độ ảnh hưởng đến hiệu suất
32
- Thiết kế đặt pin tính tốn đến pin bị bám bụi nhiều, giảm hiệu suất và tuổi thọ pin.
Hình 3. 17: Bụi bẩn trên tấm pin
- Fill factor – Hệ số lấp đầy: là tỷ số giữa công suất cực đại với Pmax với tích số Voc.Isc.
- Module efficiency – Hiệu suất của tấm pin: là khả năng chuyển đổi từ bức xạ mặt trời thành điện được tính bằng tỷ lệ phần trăm giữa năng lượng điện tối đa được tạo ra so với năng lượng ánh sáng chiếu tới.
- Mặt khác, để đảm bảo chế độ vận hành bình thường và những tác động, sự cố về điện ảnh hưởng đến quá trình làm việc, trong tấm năng lượng mặt trời cịn có hai bộ phận quan trọng là Blocking Diode (Diode chống ngược) và Bypass Diode.
33
Hình 3. 18: Sơ đồ Blocking diode và bypass diode trong pin mặt trời
Giả sử khi chưa có bypass diode, các cell trong một tấm pin được nối nối tiếp với nhau, nếu có 1 cell trong tấm pin có sự cố, khơng dẫn điện được sẽ làm cho tồn bộ dãy pin trong đó bị hở mạch, và khơng sinh ra điện năng gây nên tổn thất cho hệ thống. Để khắc phục sự cố này, bypass diode được gắn thêm vào tấm pin. Trong trường hợp một dãy cell bị sự cố, dòng điện sẽ đi trực tiếp qua diode này, bỏ qua dãy cell bị lỗi, điều này giúp cho phần còn lại của tấm pin sẽ tiếp tục sản sinh ra điện, hệ thống vẫn hoạt động bình thường. Thơng thường trong các tấm pin mặt trời thường có từ 2 đến 3 dãy các cell nối tiếp, đồng nghĩa với việc sẽ có từ 2 đến 3 bypass diode được gắn vào để đảm bảo tận dụng tối đa lượng điện mà tấm pin có thể tạo ra và giúp hệ thống hoạt động hiệu quả nhất. Blocking diode chống ngược chỉ cho dòng điện từ tấm pin mặt trời sang thiết bị lưu trữ và ngăn cản dòng ngược trở lại từ thiết bị lưu trữ quay lại tấm pin, giúp ngăn dòng xả từ ắc quy sang tấm pin và giúp lưu trữ năng lượng tốt hơn. Khi có nhiều dãy pin nối song Có thể thấy với 2
34
điều kiện thực nghiệm khác nhau, thông số của tấm pin đã thay đổi. Vì có sự sai số do điều kiện bên ngồi nên các nhà sản xuất thường đưa ra điều kiện vận hành để đảm bảo về hiệu suất lẫn tuổi thọ tấm pin. Ngồi những thơng số trên, cịn những thơng số phụ khác (tùy vào hãng sản xuất có cơng bố trên sản phẩm của mình hay khơng), bao gồm:
Thông số về điện và môi trường làm việc: - Độ lệch công suất (+/- Wp).
- Điện áp cực đại đặt lên tấm pin (khả năng chịu quá áp). - Dòng điện cực đại qua tấm pin (khả năng chịu quá dòng). - Số lượng bypass diode, blocking diode.
- Ngưỡng nhiệt độ làm việc. - Thông số về thành phần cấu tạo: - Số cell tạo thành 1 module.
- Loại bán dẫn sử dụng cho 1 solar cell.