Trong thực tế, PV luôn có tổn hao, đặc trưng cho sự tổn hao này là các thông số Rs và Rp. Khi ấy, mô hình PV được mô tả như sau:
V
V Rs I
I
Vd
~ Isc
I
Id Ip
Rp
I
Hình 3.8 Mô hình thay thế PV có xét đến các tổn hao
Biểu thức đặc trưng của PV có xét đến các ảnh hưởng của Rs và Rp:
I exp qV IRs 1 V IRs
(3.5)
Cường độ dòng điện (A)
Đặc tính PV có xét đến các ảnh hưởng của Rs và Rp Rp = ; Rs = 0
Rp = 1,0; Rs = 0,05
Điện áp (V)
Hình 3.9 Đặc tính PV có xét đến các ảnh hưởng của Rs và Rp
3.4 Module PV
Một khuyết điểm của PV là điện áp và dòng điện làm việc của nó rất nhỏ. Một PV có điện áp làm việc khoảng 0,5 V. Do đó, để có điện áp làm việc lớn hơn, yêu cầu phải mắc nối tiếp các PV và để có dòng điện làm việc lớn hơn yêu cầu phải mắc song song các PV.
Cell
Module Hình 3.10 Module PV
Khi ấy, điện áp của module PV có thể được xác định như sau:
Vmod ule nVd IRs
(3.6)
Trong đó:
Vmodule: là điện áp của module PV
n: là số PV của module PV
C ường độ dòng điện Cường độ dòng điện (A)
Vd: là điện áp của diode Rs: là giá trị điện trở nối tiếp
Các đường đặc tính của một module PV được mô tả như sau:
Isc
4 cells 36 cells Mắc nối tiếp các cell
2,4V 36 cells x 0,6V = 21,6V 0
0,6V cho cell
Điện áp (V) 21,6V
Hình 3.11 Đặc tính của module PV
3.5 Mảng PV
Mảng PV được định nghĩa là việc kết nối nhiều module PV. Có 3 hình thức kết nối các module PV như: nối tiếp, song song và hổn hợp.
3.5.1 Nối nối tiếp nhiều module PV
Hình thức này được sử dụng để nâng điện áp của hệ thống PV.
V1 V2 V3
I
V = V1 + V2+ V3
1 module 2 modules 3 modules Điện áp
Hình 3.12 Các module PV được kết hợp nối tiếp với nhau
Cường độ dòng điện
3.5.2 Nối song song nhiều module PV
Hình thức này được sử dụng để nâng cường độ dòng điện của hệ thống PV.
3 modules
2 modules
1 module
Điện áp
I = I1 + I2 + I3
I1 I2 I3
V
Hình 3.13 Các module PV được kết hợp song song với nhau
3.5.3 Nối hỗn hợp nhiều module PV
Hình thức này được sử dụng để nâng cả điện áp và cường độ dòng điện của hệ thống
PV. I
I
V V
a) b)
Cường độ dòng điện
Điện áp
Hình 3.14 Các module PV được kết hợp hổn hợp với nhau
3.6 Phân loại hệ thống PV
3.6.1 Hệ thống PV kết nối lưới điện
Hệ thống này phổ biến ở các nước phát triển như Châu Âu với sự hỗ trợ của chính phủ.
Đây là một hệ thống mà kết nối các PV trực tiếp vào lưới điện quốc gia mà được xem giống như các nguồn điện khác. Trong trường hợp này, lưới điện hoạt động như một hệ thống lưu trữ cho các nhà sản xuất. Khi ấy, điện năng được các nhà sản xuất bán cho lưới điện quốc gia khi không có nhu cầu và sau đó mua lại từ lưới điện khi có nhu cầu.
Hệ thống này cần một biến tần để truyền tải điện năng từ DC (hệ thống PV sản xuất điện) sang AC của lưới điện. Khi hệ thống PV sản xuất điện năng và nhà sản xuất sử dụng điện năng này cho nhà ở hay doanh nghiệp của họ, điện được sử dụng trực tiếp từ hệ thống PV. Khi hệ thống PV không đáp ứng đủ nhu cầu, điện năng được sử dụng từ lưới điện, hình 3.15. Trường hợp ngược lại, hệ thống PV sản xuất điện năng nhiều hơn nhu cầu, phần dư thừa được bán cho lưới điện quốc gia. Khoản tiền người dân nhận được do cung cấp điện cho lưới điện thường là ít hơn nhiều so với chi phí mua điện từ lưới điện. Giá điện cao nhất phải trả khi hệ thống điện quốc gia được sử dụng vào giờ tải đỉnh. Các hệ thống PV ít đòi hỏi phải bảo dưỡng và có thể tiết kiệm chi phí lớn nếu các tòa nhà nơi các hệ thống PV được lắp đặt sử dụng điện năng sản xuất trực tiếp. Đó là một động lực để kiếm tiền bằng cách bán điện cho lưới điện quốc gia nếu tòa nhà tiêu dùng điện thấp.
Hình 3.15 Hệ thống PV kết nối lưới điện
3.6.2 Hệ thống PV độc lập
Đây là một hệ thống không kết nối với lưới điện quốc gia. Nó cho phép các nhà sản xuất sử dụng năng lượng điện mà được sản xuất trực tiếp. Công suất thường được lưu trữ trong ắc-quy khi mức sản lượng vượt quá mức nhu cầu. Đây là loại hệ thống đặc biệt hữu ích tại các khu vực trên thế giới nơi mà không có lưới điện quốc gia, chẳng hạn như ở các nước đang phát triển, trường học, bệnh viện, hệ thống đèn đường, . . . Hệ thống này thường liên quan đến việc sử dụng các pin quang điện nhỏ hơn nhiều so với các pin quang điện được sử dụng trong hệ thống kết nối lưới điện do nhu cầu điện là thấp hơn đáng kể.
Hình 3.16 Hệ thống PV độc lập
Cường độ dòng điện (A)
Dạng đơn giản nhất của hệ thống PV độc lập là hệ thống PV độc lập trực tiếp. Khi đó, ngõ ra DC của các PV nối trực tiếp với tải DC. Vì vậy, không có bộ phận lưu trữ điện trong hệ thống và tải chỉ hoạt động ban ngày, phù hợp với các ứng dụng như quạt thông gió, bơm nước, . . .
3.7 Các ảnh hưởng đến PV
Các PV có bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như cường độ chiếu sáng, nhiệt độ, hiện tượng bóng râm, . . .
3.7.1 Ảnh hưởng của cường độ chiếu sáng
Cường độ chiếu sáng càng lớn thì công suất thu được của PV càng lớn, dòng Isc càng lớn, Hình 3.17.
Nhiệt độ PV, 250C 8 1000 W/m2
6 800 W/m2 600 W/m2 4
400 W/m2 2 200 W/m2
0
0 10 20 30 Điện áp (V)
Hình 3.17 Đặc tuyến V-I của PV với các cường độ chiếu sáng khác nhau và nhiệt độ PV không đổi, 250C
3.7.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ
Nhiệt độ PV càng cao thì Voc càng thấp, Hình 3.18.
Cường độ dòng điện (A)
Cường độ chiếu sáng, 1 kW/m2 8
6 750C 500C 250C
4
2
0
0 10 20 30 Điện áp (V)
Hình 3.18 Đặc tuyến V-I của PV với các nhiệt độ khác nhau và cường độ chiếu sáng không đổi 1 kW/m2
3.7.3 Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm
Hiện tượng bóng râm được định nghĩa khi PV bị che phủ một phần mà có thể gây ra các ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất của PV. Giả sử một PV trong một mảng PV bi che khuất.
I V Rs I
PV thứ n
Isc Id Rp
Vn-1 I
(n – 1) PV
I
Hình 3.19 Module PV với n PV trong trường hợp module không bị che khuất
s
s
s
s p
p
p
p
I VSH
PV thứ n bị che khuất
Isc = 0
Rs I Id = 0
I Rp Vn-1
I
(n – 1) PV
I
Hình 3.20 Module PV với n PV trong trường hợp module bị che khuất một phần
Khi ấy, điện áp của module PV sẽ là:
VSH Vn 1 I R R (3.7)
Trong đó:
1
Vn 1 n
V
n (3.8)
Thay (3.8) vào (3.7), ta có:
1
VSH n
n V I R
R (3.9)
Khi ấy, sụt áp gây ra bởi hiện tượng bóng râm được xác định như sau:
1
V V VSH V n
n V I R
R (3.10)
V V
n I R R (3.11)
Mặt khác, do Rp >> Rs. Khi ấy:
Cường độ dòng điện (A) Cường độ dòng điện
I p
V ~ V IR
n p (3.12)
Đặc tính của module PV khi bị ảnh hưởng bởi hiện tượng bóng râm được biểu diễn như hình 3.21.
Đặc tuyến V-I với trường hợp PV không bị che khuất Đặc tuyến V-I với trường hợp PV bị che khuất
V ~ V IR n
VSH V Điện áp
Hình 3.21 Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm đối với module PV
Trong trường hợp khi nhiều PV bị che khuất thì các đặc tuyến có thể được biểu diễn như hình 3.22.
Không bị che khuất
1 PV bị che khuất
100% 1 PV bị che khuất
50%
Nạp ắc-quy
2 PV bị che khuất 100%
Điện áp (V)
Hình 3.22 Module PV với nhiều PV bị che khuất
Cường độ dòng điện (A)
Để bảo vệ PV ít bị ảnh hưởng bởi hiện tượng bóng râm, các diode bypass sẽ được kết hợp sử dụng.
Vc 0,5 V I
0 A
Diode bypass bị
ngắt
Vc - 0,6 V I
I Diode bypass dẫn
I I
a) PV không bị che khuất b) PV bị che khuất
Hình 3.23 Module PV sử dụng diode bypass
Đặc tính của PV trong trường hợp sử dụng diode bypass được mô tả như hình 2.24.
Bị che khuất và không sử dụng diode bypass
Điện áp ắc-quy
Bị che khuất với diode
bypass
Không bị che khuất
Điện áp (V)
Hình 3.24 Đặc tính của PV trong trường hợp sử dụng diode bypass
Xét một mảng PV dùng nạp điện cho một bộ ắc-quy, 65V khi không có và có diode bypass bảo vệ.
I = 3,3 A 65 V
52 V
I = 2,2 A Che khuất từng phần
65 V
80 V
I = 3,2 A Che khuất từng phần
65 V On 65,6 V
39 V 60 V
Off 49,2 V
I = 3,3 A
26 V
13 V
I = 2,2 A
40 V
20 V
I = 3,2 A
Off 32,8 V Off 16,4 V
Off 0 V
a) Không bị che khuất
0 V b) Bị che khuất và không
sử dụng dioide bypass
b) Bị che khuất và sử 0 V dụng dioide bypass
Hình 3.25 Đánh giá so sánh giữa các trường hợp có và không có diode bypass
Trong hình 3.25, bình thường các PV là nguồn phát điện và ắc-quy trong khảo sát này có điện áp là 65 V. Khi ấy, dựa vào đặc tuyến (V, I) của PV và giá trị điện áp 65 V, cường độ dòng điện của PV được xác định là 3,3 A. Khi có hiện tượng bóng râm che khuất một mô-đun PV, mô-đun này sẽ không còn là nguồn phát nữa, dòng điện sẽ chạy qua điện trở song song, Rp của mô-đun này tạo ra một giá trị điện áp rơi, ΔV = I x Rp. Giá trị điện áp rơi, ΔV này cộng với giá trị điện áp của ắc-quy, 65 V sẽ là điện áp đặt trên các mô-đun PV còn lại và dựa vào đặc tuyến (V, I) của PV, dòng điện sẽ giảm xuống. Trong trường hợp, khi PV sử dụng các diode bypass thì dòng điện sẽ chạy qua diode này. Điều này cũng có nghĩa là PV sẽ chịu ảnh hưởng hơn khi hiện tưởng che khuất xảy ra.
Bóng râm không chỉ làm giảm công suất của các tế bào quang điện mà còn thay đổi điện áp hở mạch, Voc; dòng ngắn mạch, Isc và hiệu suất của chúng. Tình trạng bị che một phần là tình trạng chung do bóng của các tòa nhà, cây cối, mây và bụi bẩn, . . . gây ra. Trong điều kiện bóng che một phần, có một phần trong chuỗi các module của mảng
PV được chiếu sáng ít hơn. Các module bị che có thể phải chịu điện áp ngược do các module không bị che đặt lên, làm quá nhiệt các module bị che và làm giảm tuổi thọ module này. Điều này có thể tránh được bằng cách sử dụng các diode bypass có thể được đặt trên một module PV. Điều này cho phép dòng điện của dãy đi đúng hướng ngay cả khi một phần của dãy là hoàn toàn tối.
Hình 3.26 Các đặc tính của một mảng PV khi không có bóng râm
Hình 3.26 cho thấy các đặc tính của mảng PV bao gồm 2 chuỗi kết nối song song mỗi chuỗi bao gồm bốn module nối tiếp trong cùng điều kiện.
Mặt khác, hình 3.27 cho thấy các đặc tính của module PV với hai tế bào của một chuỗi bị che một phần, khi đó đường cong P-V tồn tại nhiều điểm cực đại địa phương, nghĩa là có nhiều điểm MPP cục bộ làm ảnh hưởng đến hoạt động của bộ điều khiển bám điểm cực đại công suất MPPT. Công suất ngõ ra cũng giảm do tác động của một phần bóng che. Khi số lượng các tế bào bị che càng nhiều, công suất đầu ra càng giảm nhiều hơn.
Hình 3.27 Các đặc tính của một mảng PV trong điều kiện có bóng râm
Ảnh hưởng của bóng râm lên hiệu suất của một bộ PV phụ thuộc vào các yếu tố như sau:
- Giảm cách nhiệt (giá trị trung bình).
- Phân bố bóng che trên các bộ PV (hình học của bóng).
- Module có hoặc không có các diode bypass.
- Dạng thiết kế của module PV (kết nối kiểu nối tiếp hoặc song song).
Tóm lại, hiệu ứng bóng râm rất khó tránh khỏi trong quá trình hoạt động của hệ thống PV và tổn thất công suất là rất cao khi có hiệu ứng này dù là chỉ là một phần nhỏ.