CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ CÁC GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƢỢNG TRONG HỆ THỐNG ĐÈN TÍN HIỆU GIAO THÔNG
1.1. HỆ THỐNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI
1.1.4. Giải pháp pin năng lƣợng mặt trời
1.1.4.1. guy n lý hoạt đ ng của pin năng lượng mặt trời
Pin năng lƣợng mặt trời là tập hợp nhiều phần tử bán dẫn có chức năng chuyển hóa năng lƣợng ánh sáng thành năng lƣợng điện dựa trên hiệu ứng quang điện.
Pin mặt trời được cấu tạo gồm một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n, thông thường được chế tạo từ silic.
Quá trình sản sinh điện năng bắt đầu khi các nguyên tử silic hấp thụ một phần ánh sáng. Năng lƣợng của ánh sáng đánh bật một số electron ra khỏi các nguyên tử.
Các electron chạy qua giữa hai lớp. Dòng chạy đó tạo ra một dòng điện. Dòng điện có thể đi ra khỏi tế bào qua các tiếp xúc kim loại và đƣợc sử dụng.
Hình 1.1. Sơ đồ cấu tạo hệ thống pin năng lượng mặt trời
Bình thường electron chiếm mức năng lượng thấp hơn E1. Khi chiếu sáng hệ thống, lƣợng tử ánh sáng (photon) mang năng lƣợng hv (h là hằng số Plank và ν là tần số ánh sáng) bị electron hấp thụ và chuyển lên mức E2.
Phương trình cân bằng năng lượng:
hν = E1-E2
Trong các vật rắn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên electron vành ngoài, nên các năng lƣợng của nó bị tách ra nhiều mức năng lƣợng con rất sát nhau và tạo thành vùng năng lƣợng. Vùng năng lƣợng thấp bị các electron chiếm đầy khi ở trạng thái cần bằng gọi là vùng hoá trị mà bên trên của nó có năng lƣợng Ev. Vùng năng lƣợng phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn, bên dưới của vùng có năng lượng là EC, cách ly giữa vùng hóa trị và vùng dẫn đó gọi là vùng cấm có độ rộng năng lƣợng là Eg, trong đó không có mức năng lƣợng cho phép nào của electron.
Khi ánh sáng chiếu đến vật rắn có vùng năng lƣợng nói trên, photon có năng lƣợng hv tới hệ thống, bị electron của vùng hoá trị hấp thụ và nó có thể chuyển lên vùng dẫn để trở thành electron tự do e-, lúc này vùng hoá trị sẽ có một lỗ trống có thể
di chuyển như “hạt“ mang điện tích dương nguyên tố (kí hiệu h+), Lỗ trống này có thể di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện.
Các vùng năng lượng
Phương trình hiệu ứng lượng tử: eV + hv → e- + h+
Điều kiện để electron có thể hấp thụ năng lƣợng của photon và chuyển từ vùng hoá trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử -lỗ trống là:
hv > Eg = Ec - Ev
Suy ra bước sóng tới hạn của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e' - h+ là:
= hc/( Ec - Ev)
Vậy khi chiếu sáng vào vật rắn, electron ở vùng hoá trị hấp thụ năng lƣợng photon hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn electron - lỗ trống e’- h+, tức là tạo ra một điện thế. Hiện tƣợng đó gọi là hiện tƣợng quang điện bên trong.
Khi photon chạm vào mảnh silic thì sẽ truyền xuyên qua mảnh silic (thường xảy ra khi năng lƣợng của photon thấp hơn năng lƣợng đủ để đƣa các hạt electron lên mức năng lượng cao hơn) hoặc năng lượng của photon được hấp thu bởi silic (thường xảy ra khi năng lƣợng của photon lớn hơn năng lƣợng đủ để đƣa các hạt electron lên mức năng lƣợng cao hơn).
Khi photon đƣợc hấp thụ, năng lƣợng của nó đƣợc truyền đến các hạt electron trong màng tinh thể. Thông thường các electron này lớp ngoài cùng, và thường được kết dính với các nguyên tử lân cận vì thế không thể di chuyển xa. Khi electron đƣợc kích thích, trở thành dẫn điện, các electron này có thể tự do di chuyển trong bán dẫn.
Khi đó nguyên tử sẽ thiếu 1 electron và đó gọi là lỗ trống. Lỗ trống này tạo điều kiện cho các electron của nguyên tử bên cạnh di chuyển đến điền vào lỗ trống, và điều này tạo ra lỗ trống cho nguyên tử lân cận có "lỗ trống". Cứ tiếp tục nhƣ vậy lồ trống di chuyên xuyên suốt mạch bán dẫn.
Một photon chi cần có năng lƣợng lớn hơn năng luợng đủ để kích thích electron lớp ngoài cùng dẫn điện. Tuy nhiên, tần số của mặt trời thường tương đương 6000°K, vì thế năng lƣợng đều đƣợc hấp thu bởi silic. Tuy nhiên, hầu hết năng lƣợng mặt trời chuyển đổi thành nhiệt năng hơn là điện năng.
Một tế bào mặt trời sản sinh lƣợng điện năng rất ít. Vì thế để đáp ứng đƣợc nhu cầu sử dụng điện năng lớn người ta thường liên kết các tế bào mặt trời lại với nhau thành từng nhóm gọi là module mặt trời. Một module mặt trời có một giàn khung để giừ các tế bào và thông thường thì chúng có thể tạo ra tới vài trăm watt điện năng. Nếu cần công suất lớn hơn nữa, thì có thể ghép các module lại thành ma trận mặt trời.
1.1.4.2. Ghép nối hệ thống pin năng lượng mặt trời
Nhƣ ta đ biết các module pin mặt trời đều có công suất và hiệu điện thế xác định từ nhà sản xuất. Để tạo ra công suất và điện thế theo yêu cầu thì phải ghép nối nhiều tấm module đó lại với nhau.
Có hai cách ghép cơ bản:
- Ghép nối tiếp các tấm module lại sẽ cho điện áp ra lớn hơn.
- Ghép song song các tấm module lại sẽ cho dòng điện ra lớn.
Trong thực tế phương pháp ghép hỗn hợp được sử dụng nhiều hơn để đáp ứng cả yêu cầu về điện áp và dòng điện.
a. Phương pháp ghép nối tiếp các tấm module mặt trời
(a) (b)
Ghép nối tiếp hai module pin mặt trời (a) và đường đặc trưng VA của các module và của cả hệ (b)
Giả sử các module đều giống hệt nhau, có đường đặc tính V-A giống hết nhau, các thông số dòng đoản mạch ISC, thế hở mạch VOC bằng nhau. Giả sử cường độ chiếu sáng trên các tấm là đồng đều nhau. Khi ghép nối tiếp các tấm module này ta sẽ có:
I = I1 = I2 = …, = Ii
n
1 i
Vi
V
n
1 i
i n
1 i
i P
IV I
. V P
n
1 i
opti opt
n
1 i
opti opt
iopt
opt I , V V , P P
I
Trong đó:
I, P, V : là dòng điện, công suất và hiệu điện thế của cả hệ.
Ii, Vi, Pi: là dòng điện, công suất, hiệu điện thế của module thứ i trong hệ.
Iopi, Vopi, Popi : là dòng điện làm việc tối ƣu, điện thế làm việc tối ƣu, công suất làm việc tối ƣu của các module thứ i trong hệ.
Iop, Vop, Pop : là dòng điện làm việc tối ƣu, điện thế làm việc tối ƣu, công suất làm việc tối ƣu của hệ.
Khi tải có giá trị 0 < R < Các module làm việc như các máy phát tương đương. Đường đặc tính vôn - ampe của hệ bằng tổng hình học của hai đường đặc trưng của mỗi module.
b. Ghép song song các module mặt trời
Ở cách ghép này, ta cũng giả sử các module đều giống hệt nhau, có đường đặc tính V-A giống hết nhau, các thông số dòng đoản mạch Isc thế hở mạch Voc bằng nhau.
Giả sử cường độ chiếu sáng trên các tấm là đồng đều nhau.
(a) (b)
Ghép song song hai module pin mặt trời (a) và đường đặc trưng VA của các module và của cả hệ (b)
Khi đó ta có:
U = U1 = U2 =…= Ui
n
1 i
i n
1 i
i P
VI I
. V P
n
1 i
opti opt
n
1 i
opti opt
iopt
opt V , I I , P P
V
n
1 i
opti opt
n
1 i
opti opt
iopt
opt V , I I , P P
V
Đường đặc tính VA của hệ cũng được suy ra bằng cách cộng các giá trị dòng điện I ứng với các giá trị điện thế V không đổi. Trong trường hợp này, các pin cũng làm việc nhƣ các máy phát.
1.1.4.3. ô h nh hệ thống điện năng lượng mặt trời
Hình 1.2. Mô hình m t hệ thống điện năng lượng mặt trời Hệ thống điện năng lƣợng mặt trời gồm các thành phần chính:
- Hệ thống dự trữ năng lƣợng - Các tấm thu năng lƣợng mặt trời - Các bộ biến đổi bán dẫn
- Nguồn năng lƣợng dự phòng
a. Hệ thống dự trữ năng lượng: Là các thiết bị lưu trữ điện để sử dụng vào ban đêm hoặc lúc trời ít hoặc không còn ánh nắng. Thiết bị lưu trữ phổ biến nhất hiện nay là ắc quy. Ắc quy có nhiều loại như ắc quy nước axit, ắc quy miễn bảo dưỡng MF, ắc quy kín khí VRLA, ắc quy khô (gel, cadimi, niken) với kích thước và dung lượng (tính bằng Ah) hoàn toàn khác nhau, tùy thuộc vào công suất và đặc điểm của hệ thống pin mặt trời. Hệ thống có công suất càng lớn thì cần sử dụng ắc quy có dung lƣợng lớn hoặc dùng nhiều bình ắc quy kết nối lại với nhau.
Ắc quy cần phải có một bộ điều khiển nạp để bảo vệ và đảm bảo cho tuổi thọ của ắc quy
b. Các bộ biến đổi bán dẫn: Gồm có các bộ biến đổi 1 chiều DC/DC, bộ biến đổi DC/AC, bộ biến đổi AC/DC.
Bộ DC/DC đƣợc dùng để xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất của pin và làm ổn định nguồn điện một chiều lấy từ pin mặt trời để cung cấp cho tải và ắc quy.
Bộ biến đổi DC/DC còn có tác dụng điều khiển chế độ nạp và phóng để bảo vệ và nâng cao tuổi thọ cho ắc quy. Có nhiều loại bộ biến đổi DC/DC đƣợc sử dụng nhƣng
phổ biến nhất vẫn là 3 loại là: Bộ tăng áp Boost, Bộ giảm áp Buck và Bộ hỗn hợp tăng giảm Boost – Buck. Cả 3 loại DC/DC trên đều sử dụng nguyên tắc đóng mở khóa điện tử theo một chu kỳ đƣợc tính toán sẵn để đạt đƣợc mục đích sử dụng. Tùy theo mục đích và nhu cầu mà bộ DC/DC đƣợc lựa chọn cho thích hợp.
Bộ DC/AC có nhiệm vụ chuyển đổi nguồn 1 chiều sang xoay chiều (110 hoặc 220 VAC, tần số 50Hz hoặc 60 Hz) để phục vụ cho các thiết bị xoay chiều. Có nhiều kiểu bộ biến đổi DC/AC, chúng có thể làm việc cả hai chế độ là từ một chiều sang xoay chiều và cả chế độ từ xoay chiều sang một chiều. Nhìn chung, bộ biến đổi DC/
AC trong hệ PV độc lập có thể làm việc ở mức điện áp một chiều là 12, 24, 48, 96, 120, 240 VDC tuỳ từng hệ.
Bộ AC/DC có nhiệm vụ chuyển đổi nguồn xoay chiều sang một chiều (12, 24, 48, 96, 120, 240 VDC) để bổ sung nguồn năng lượng trong trường hợp pin mặt trời không đủ cung cấp.
c. Nguồn năng lượng dự phòng: Là các nguồn năng lượng hỗ trợ nhằm cung cấp điện năng trong trường hợp nguồn năng lượng mặt trời không đảm bảo do thời tiết.
Nguồn năng lượng dự phòng có thể là từ máy phát điện diesel hoặc nguồn điện lưới.