Chương 2 : TỔNG QUAN GIẢI PHÁP
2.4 HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
2.4.2 Cấu tạo tấm pin năng lượng mặt trời
- Pin năng lượng mặt trời được chia làm 8 bộ phận gồm: khung nhơm, kính
cường lực, lớp màng EVA, solar cell, tấm nền pin (phía sau), hộp đấu dây (junction box), cáp điện, Jack kết nối MC4.
Hình 2.11: Các thành phần cấu tạo của tấm pin [13]
- Khung nhơm: Có chức năng tạo ra một kết cấu đủ cứng cáp để tích hợp solar
cell và các bộ phận khác lên. Với thiết kế cứng cáp nhưng vẫn đảm bảo trọng lượng đủ nhẹ, khung nhơm có thể bảo vệ và cố định các thành phần bên trong trước tải trọng gió lớn và ngoại lực tác động bên ngồi. Một số hãng ví dụ như Canadian Solar, thậm chí khung nhơm cịn được anode hóa và gia cố thanh ngang để tăng độ cứng cáp cho tấm pin. Màu sắc phổ biến của khung nhơm là bạc.
29
- Kính cường lực: Giúp bảo vệ solar cell khỏi các tác động của thời tiết như
nhiệt độ, mưa, tuyết, bụi, mưa đá (đường kính 2,5cm trở xuống) và các tác động va đập khác từ bên ngồi. Kính cường lực được thiết kế có độ dày từ 2 - 4mm (đa số là khoảng 3,2 – 3,3mm) để đảm bảo vừa đủ khả năng bảo vệ và duy trì được độ trong suốt cho tấm pin mặt trời (ánh sáng ít bị phản xạ, khả năng hấp thụ tốt).
Hình 2.13: Kính cường lực bảo vệ [13]
- Lớp màng EVA: Ethylene vinyl acetate còn được được gọi là chất kết dính,
là 2 lớp màng polymer trong suốt được đặt trên và dưới lớp solar cell có tác dụng kết dính solar cell với lớp kính cường lực phía trên và tấm nền phía dưới. Lớp này cịn có tác dụng hấp thụ và bảo vệ solar cell khỏi sự rung động, tránh bám bụi và hơi ẩm. Vật liệu EVA có khả năng chịu đựng nhiệt độ khắc nghiệt và có độ bền cực kỳ cao.
30 - Lớp Solar cell (tế bào quang điện):
Pin mặt trời được cấu tạo từ nhiều đơn vị nhỏ hơn là solar cell. Những loại pin năng lượng mặt trời thông dụng như mono và poly được làm từ silic, một loại chất bán dẫn phổ biến. Trong một cell, tinh thể silic bị kẹp giữa hai lớp dẫn điện (ribbon và các thanh busbar). Một tế bào quang điện sử dụng hai lớp silic khác nhau, loại N và loại P.
Solar cell thường hoạt động dưới ánh sáng mặt trời hay ánh sáng nhân tạo. Chúng có khả năng cảm biến ánh sáng, điển hình như cảm biến hồng ngoại, phát hiện ánh sáng hoặc bức xạ điện từ khác gần phạm vi nhìn thấy được hay có thể đo cường độ ánh sáng.
Hình 2.15: Các tế bào quang điện [13]
- Tấm nền pin (phía sau):
Có chức năng cách điện, bảo vệ cơ học và chống ẩm. Vật liệu được sử dụng có thể là polymer, nhựa PP, PVF, PET. Tấm nền có độ dày khác nhau tùy vào hãng sản xuất. Phần lớn tấm nền sẽ có màu trắng.
31
Với sự phát triển của công nghệ, hiện tại một số hãng như Canadian Solar đã có một số dịng pin đặc biệt như BiKu, loại pin khơng có tấm nền phía sau, thay vào đó là mặt kính cường lực trong suốt giúp pin năng lượng mặt trời có thể hấp thụ ánh sáng ở cả hai mặt trước và sau.
- Hộp đấu dây (junction box): Nằm ở phía sau cùng, là nơi tập hợp và chuyển
năng lượng điện được sinh ra từ tấm pin năng lượng mặt trời ra ngồi. Vì đây là điểm trung tâm nên được thiết kế bảo vệ khá chắc chắn.
Hình 2.17: Hộp kết nối dây [13]
- Cáp điện DC: Loại cáp điện chuyên dụng cho điện năng lượng mặt trời, có
khả năng cách điện một chiều DC cực tốt, kèm với đó là khả năng chống chịu tốt trước sự khắc nghiệt của thời tiết (tia cực tím, bụi, nước, ẩm,...) và tác động cơ học khác.
32
- Jack kết nối MC4: Là đầu nối điện thường được dùng để kết nối các tấm
pin mặt trời. “MC” trong MC4 là viết tắt của nhà sản xuất Multi-Contact. Loại jack kết nối này giúp bạn dễ dàng kết nối các tấm pin và dãy pin bằng cách gắn jack từ các tấm pin liền kề với nhau bằng tay.
Hình 2.19: Jack kết nối [13] 2.4.3 Nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời 2.4.3 Nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời
- Pin mặt trời được cấu tạo từ nhiều solar cell. Phần cấu tạo tấm pin năng lượng mặt trời, một tế bào quang điện sử dụng hai lớp silic khác nhau, loại N có các electron dư thừa và loại P có các khoảng trống cho các electron dư thừa, gọi là lỗ trống.
33
- Tại nơi tiếp xúc giữa 2 loại silic (P/N Junction), electron có thể di chuyển qua tiếp diện P/N để lại điện tích dương ở một mặt và tạo ra điện tích âm ở mặt cịn lại.
Hình 2.21: Các hạt điện tích bị hút về 2 phía [13]
- Bạn có thể hình dung, ánh sáng là một dịng các hạt nhỏ li ti gọi là các hạt Proton (bắn ra từ mặt trời).
Hình 2.22: Hạt Proton [13]
- Khi một trong các hạt này va đập vào solar cell với đủ năng lượng, nó có thể đánh bật một electron khỏi liên kết để lại một lỗ trống.
34
Hình 2.23: Lỗ trống bị đánh bật [13]
- Electron mang điện tích âm và lỗ trống mang điện tích dương nay có thể di chuyển tự do, nhưng bởi vì trường điện từ tại tiếp diện P/N nên chúng chỉ có thể đi theo một hướng. Electron bị hút về mặt N và lỗ trống bị hút về mặt P.
Hình 2.24: Điện tích bị hút về 2 phía [13]
- Các electron di động được thu thập ở các lá kim loại tại đỉnh solar cell (ribbon và các thanh busbar). Từ đây chúng đi vào mạch tiêu thụ thực hiện chức năng điện trước khi quay trở về lá nhôm ở mặt sau.
35
Hình 2.25: Chiều dịng điện [13]
- Electron là thứ duy nhất di chuyển trong solar cell và quay về nơi xuất phát. Chẳng có thứ gì hao mịn hay cạn kiệt nên solar cell có tuổi thọ lên tới hàng chục năm.
Hình 2.26: Electron quay lại lỗ trống [13]
- Điện được tạo ra từ tấm pin năng lượng mặt trời là điện một chiều (DC). Để có thể sử dụng cho các tải, thiết bị bình thường thì cần phải chuyển điện DC thành AC (điện xoay chiều). Và đó là chức năng của inverter.
36
2.4.4 Phân loại tấm pin năng lượng mặt trời
- Gồm 2 loại: là Poly và Mono
Hình 2.27: Phân loại tấm pin [8]
- So sánh 2 loại pin:
Bảng 2.1: So sánh 2 loại pin Mono và Poly
Tiêu chí PIN MONO PIN POLY
Tên đầy đủ Monocrystalline Polycrystalline
37
Nguyên liệu tạo thành Pin Mono với các tế bào năng lượng mặt trời 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. Các tế bào năng lượng mặt trời của pin mono được tạo nên từ các phơi silicon có hình trụ. Bốn mặt các phơi hình trụ được cắt ra khỏi để tối ưu hóa hiệu suất và giảm chi phí thành phần.
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.
Giá cả Đắt hơn Ít tốn kém
Hiệu suất Hiệu quả hơn Kém hơn
Tính thẩm mỹ Màu đen sẫm đồng nhất. Những cell pin hình vng được vạt góc xếp liền nhau tạo những khoảng trống hình thoi xen kẽ.
Màu xanh đậm.
Những cell pin được xếp khít với nhau như một mảng lớn nguyên vẹn.
Tuổi thọ Trên 25 năm Trên 25 năm
Ưu điểm Được làm từ silicon với độ tinh khiết cao nên hiệu suất sử dụng cao.
Quá trình sản xuất đơn giản và ít tốn kém.
38
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.
Do đó giá thành cũng thấp hơn so với pin Mono. Mức độ giãn nở và chịu nhiệt cao.
Nhược điểm Giá thành khá cao do quy trình sản xuất tốn kém.
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. Các nhà sản xuất chính AE Solar Canadian Solar SunPower LG Hyundai SolarWorld Hanwha Kyocera Hyundai SolarWorld Trina
2.5 Bộ điều khiển sạc cho pin mặt trời 2.5.1 Giới thiệu bộ điều khiển sạc 2.5.1 Giới thiệu bộ điều khiển sạc
- Bộ điều khiển sạc là một thiết bị trung gian giữa các tấm pin mặt trời và 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:
39
Bảo vệ bình ắc quy: Khi bình đầy (VD: 13,8V – 14,2V đối với ắc quy 12V) thì bộ điều khiển ngăn khơng cho nguồn điện tiếp tục nạp vào ắc quy vì 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 (VD: 10,7V đối với ắc quy 12V), bộ điều khiển sẽ ngắt không cho sử dụng tải để bảo vệ bình.
Bảo vệ tấm pin mặt trời: Nguyên lý của dòng điện là đi 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, điều này 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.
Tăng hiệu suất sạc: Giúp chúng ta đạt hiệu suất cao nhất từ tấm pin mặt trời bằng cách điều khiển làm sao để công suất sạc đạt cực đại Pmax, nâng cao hiệu suất sử dụng của tấm pin mặt trời.
Hình 2.28: Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời [9] 2.5.2 Phân loại bộ điều khiển sạc 2.5.2 Phân loại bộ điều khiển sạc
Bộ điều khiển sạc PWM (Pulse - Width Modulating)
- Các bộ điều khiển sạc xung sẽ kéo dài tốt hơn tuổi thọ của ắc quy. Trong quá trình sạc, bộ điều khiển cho phép sạc ắc quy với dòng điện tối đa mà pin mặt trời có thể tạo ra để có thể đạt điện áp ngưỡng đã được cài đặt sẵn.
40
- Khi ắc quy đã sạc được tới điện áp này, bộ sạc sẽ đóng cắt (MOSFET) liên tục bằng xung PWM để giảm điện áp từ pin mặt trời xuống bằng với điện áp ngưỡng của bình.
Hình 2.29: Cấu trúc bộ điều khiển sạc PWM [9]
- Bộ điều khiển sạc xung sẽ hoạt động gần tới điểm công suất cực đại đường cong hoạt động được thể hiện ở hình 2.29.
Hình 2.30: Đường cong hoạt động của bộ điều khiển sạc PWM [9]
- Ưu điểm:
Giá thành rẻ hơn gấp 2 – 3 lần so với bộ điều khiển sạc MPPT.
Có kích thước nhỏ hơn bộ điều khiển sạc MPPT.
Tuổi thọ cao hơn do có ít linh kiện điện tử hơn và tỏa nhiệt ít hơn bộ điều khiển sạc MPPT.
41 - Nhược điểm:
Hiệu suất thấp hơn bộ điều khiển sạc MPPT.
Yêu cầu điện áp ra của pin mặt trời phải bằng với điện áp định mức của ắc quy.
Bộ điều khiển sạc MPPT (Maximum Power Point Tracker)
- Bộ điều khiển sạc MPPT không kết nối trực tiếp pin mặt trời với bộ lưu trữ. Điện từ pin mặt trời sẽ đi qua một bộ chuyển đổi DC/DC, bộ chuyển đổi này có chức năng giảm bớt điện áp từ pin mặt trời đồng thời tăng dòng điện lên để nạp cho ắc quy.
Hình 2.31: Cấu trúc bộ điều khiển sạc MPPT [9]
- Bộ điều khiển sạc MPPT sử dụng một thuật tốn đáp ứng để bắt điểm cơng suất cực đại của pin mặt trời và điều chỉnh điện áp ra của bộ DC/DC sao cho hiệu suất sạc là cao nhất.
42 - Ưu điểm:
Có hiệu suất sạc bình cao hơn bộ sạc PWM.
Điện áp ra của pin mặt trời và điện áp định mức của ắc quy có thể tùy ý.
Linh hoạt trong việc mở rộng hệ thống. - Nhược điểm:
Có hiệu suất sạc bình cao hơn bộ sạc PWM.
Điện áp ra của pin mặt trời và điện áp định mức của ắc quy có thể tùy ý.
Linh hoạt trong việc mở rộng hệ thống.
2.6 Bộ tích trữ năng lượng (Ắc-quy) 2.6.1 Tổng quan
- Trong hệ thống nguồn pin năng lượng Mặt Trời có một thành phần rất quan trọng đó là bộ tích trữ năng lượng. Vào ban ngày, khi có nắng thích hợp điện năng thu được từ tấm pin sẽ được tích vào bộ tích trữ này vào ban đêm hoặc khi trời mưa khơng có ánh nắng nghĩa là khơng có năng lượng phát ra từ tấm pin năng lượng này được lấy ra cung cấp cho tải tiêu thụ.
- Trong hệ thống nguồn pin năng lượng Mặt Trời hịa lưới có lưu trữ phổ biến hiện nay thì năng lượng phát ra từ tấm pin chủ yếu được tích trữ vào các bộ ắc quy có dung lượng phù hợp.
2.6.2 Phân loại Ắc quy
- Trên thực tế thường phân biệt thành hai loại ắc quy thông dụng hiện nay là:
Ắc quy sử dụng điện môi bằng Axit gọi tắt là ắc quy Axit (hoặc ắc quy axit-chì) và cũng được chia làm 2 loại chính sau:
• Ắc quy Axit-chì hở (Vented Lead-Acid Batteries). • Ắc quy Axit-chì kín (Valve-Regulated Lead - Acid).
Ắc quy kiềm (Nickel - Cadmium Batteries).
- Tuy có hai loại chính như vậy nhưng ắc quy kiềm có vẻ ít gặp vì giá thành cao hơn nhiều so với ắc quy Axit có cùng các thơng số tương dương như: Điện áp định mức (Nominal voltage), dung lượng Ah (Capacity).
43
- Đa số các ắc quy thông dụng gặp trên thị trường hiện nay là loại ắc quy Axit- chì, cịn ắc quy kiềm đa phần được sử dụng trong các nhà máy công nghiệp như: Nhà máy điện, nhà máy thép, giàn khoang, trạm điện, trạm viễn thông,... Trong đồ án này chúng em sử dụng ắc quy Axit-chì.
2.6.3 Cấu tạo
- Cấu tạo của ắc quy chì bao gồm 2 bản cực trong đó bản cực dương (+) được làm bằng chì oxit (PbO2) và bản cực âm (-) được làm bằng chì (Pb). Điền đầy giữa các bản cực là dung dịch axít sulfuric (H2SO4) lỗng trong đó nước (H2O) là chiếm phần lớn thể tích.
- Trên thực tế, các cực của ắc quy có số lượng nhiều (để tạo ra dung lượng bình ắc quy lớn) và mỗi bình ắc quy lại bao gồm nhiều ngăn cells. Nhiều tấm cực mắc song song nhau để tạo ra tổng diện tích bản cực được nhiều hơn giúp cho quá 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 tất nhiên là dung lượng ắc quy cũng tăng lên.
Hình 2.33: Cấu tạo bình ắc quy axit-chì kiểu kín [10]
- Một bình ắc quy kín khí thơng thường sẽ bao gồm các thành phần sau: Vỏ bảo vệ để axit khơng chảy ra ngồi, cọc bình để nối với tải ngồi hoặc nối ghép các bình với nhau, bản cực gồm các bản cực dương và bản cực âm, dung dịch điện phân và tấm chắn nằm giữa các bản cực (hình 2.33).
44
- Nếu là ắc quy axit-chì hở khí thì cấu tạo cũng giống với ắc quy kín nhưng sẽ có thêm nút thơng hơi.
2.6.4 Nguyên lý hoạt động
- Ở trạng thái được nạp đầy, các bản cực ắc quy ở trạng thái hóa học ban đầu