Thiết kế hệ năng lượng mặt trời một pha làm việc độc lập

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ HỆ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
MỘT PHA LÀM VIỆC ĐỘC LẬP

Ngành:

KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

Chuyên ngành: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

Giảng viên hướng dẫn :

XXXXXXXXXXX

Sinh viên thực hiện

xxxxxxxxxxxxxxxx

MSSV: 121102xxxx

:

Lớp: 12DDCxx

TP. Hồ Chí Minh, 201x

Cơ – Điện – Điện Tử

PHIẾU THEO DÕI TIẾN ĐỘ

LÀM ĐỒ ÁN/ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

(Do giảng viên hướng dẫn ghi và giao cho sinh viên nộp chung với ĐA/KLTN
sau khi hoàn tất đề tài)

1. Tên đề tài: ..................................................................................................................
.....................................................................................................................................

2. Giảng viên hướng dẫn: ..............................................................................................
3. Sinh viên/ nhóm sinh viên thực hiện đề tài :
Họ và tên: Huỳnh Ngọc Đức MSSV: 1211020001 Lớp: 12DDC01
Ngành

: KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

Chuyên ngành : ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

Tuần
lễ

1

2

Ngày

Nội dung

Nhận xét của GVHD
(Ký tên)


Tuần
lễ

Ngày

Nội dung

Nhận xét của GVHD
(Ký tên)

3

4

5

6

7

Kiểm tra ngày:

Đánh giá công việc hoàn thành: …………..%
Được tiếp tục: 

Không tiếp tục: 


Tuần
lễ

9

10

11

12

13

Ngày

Nội dung

Nhận xét của GVHD
(Ký tên)


Tuần
lễ

Ngày

Nội dung

Nhận xét của GVHD
(Ký tên)

14

15

TP. HCM, ngày … tháng … năm ……….

Giảng viên hướng dẫn chính
(Ký và ghi rõ họ tên)


Lời nói đầu
Trong tiến trình phát triển của loài người, việc sử dụng năng lượng mặt trời là

đánh dấu một cột mốc rất quan trọng. từ đó đến nay, loài người sử dụng năng lượng

ngày càng nhiều, nhất là trong vài thế kỷ gần đây. Trong cơ cấu năng lượng hiện
nay, chiếm phần chủ yếu là năng lương tàn dư sinh học than đá, dầu mỏ, khí tự

hiên. Kế là năng lượng nước thủy điện, năng lượng hạt nhân, năng lượng sinh khối
(bio, gas… ) năng lượng mặt trời, năng lượng gió chỉ chiếm một phần khiêm tốn.
Xã hội loài người phát triển nếu không có năng lượng.

Ngày nay, năng lượng tàn dư sinh học, năng lượng không tái sinh, ngày càng cạn

kiệt, giá dầu mỏ ngày càng tăng, ảnh hưởng xấu đến sự phát triển kinh tế xã hội và

môi trường sống. Tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế là nhiệm vụ cấp bách của
năng lượng thay thế đó phải sạch, thân thiện với môi trường, chi phí thấp, không
cạn kiệt (tái sinh), và dễ sử dụng.

Từ lâu, loài người đã mơ ước sử dụng năng lượng mặt trời. nguồn năng lượng

hầu như vô tận, đáp ứng hầu hết các tiêu chí nêu trên. Nhiều công trình nghiên cứu

đã đực thực hiện, năng lượng mặt trời không chỉ là năng lượng của tương lai mà
còn là năng lượng của hiện tại.

Hiện nay năng lượng mặt trời đã được khai thác và đưa vào ứng dụng trong cuộc

sống cũng như trong công nghiệp dưới nhiều dạng và hình thức khác nhau, thông

thường để cấp nhiệt và điện. Một hệ pin mặt trời sử dụng năng lượng mặt trời cơ
bản gồm 2 loại: hệ pin mặt trời làm việc độc lập và hệ pin mặt trời làm việc với
lưới. Tuy nhiên nội dung chủ yếu được giới thiệu trong bài báo cáo này chỉ nghiên
cứu các thành phần trong hệ mặt trời làm việc độc lập.

Đồ án trình bày bao quát cả một hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập với đầy

đủ các thành phần cần thiết trong hệ. Sau đó đồ án tập trung nghiên cứu sâu hơn vào

nguồn điện pin mặt trời gồm pin mặt trời, bộ DC/AC, phương pháp và thuật toán
điều khiển MPPT để thấy rõ đặc tính làm việc, ưu nhược điểm, khả năng ứng dụng


của các thuật toán điều khiển MPPT nhằm để hệ pin mặt trời được làm việc tối ưu
nhất.

Trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp, em đã cũng cố được những kiến thức

đã được học và tiếp thu thêm được một số kiến thức và kinh nghiêm mới về pin mặt
trời.quá trình làm đồ án thực sự có ích cho em về nhiều mặt.

Tp.HCM, ngày…tháng…năm 2016
Sinh viên thực hiện

HUỲNH NGỌC ĐỨC


Lời cảm ơn

Đây là kết quả của quá trình 4 năm học tập của em nhưng do kinh nghiệm thực tế

của bản thân còn chưa nhiều nên khó tránh khỏi nhiều thiếu sót, do đó cần phải có
sự hướng dẫn, giúp đỡ của giáo viên. Qua đây em cũng xin gửi lời cảm ơn chân

thành đến quý thầy cô Trường đại học Công Nghệ Tp. HCM, khoa Cơ – Điện –
Điện tử, các thầy cô bộ môn lời cảm ơn trân thành nhất, các thầy cô đã tận tình

giảng dạy cho em trong suốt 4 năm học vừa qua, các thầy cô đã trang bị cho em
nhiều kiến thức cơ bản về lĩnh vực điện công nghiệp. Và cuối cùng em xin cảm ơn

thầy XXXXXX đã giúp đở và hướng dẫn em trong suất quá trình làm đồ án tốt
nghiệp.


Mục lục .....................................................................................................Trang

Chương 1: Giới thiệu đề tài ..................................................................................... 7

1.1. Tính cấp thiết của đề tài .............................................................................. 7
1.1.1. Lý do chọn đề tài ................................................................................ 7
1.1.2. Mục đích nghiên cứu .......................................................................... 7
1.2. Nội dung đề tài ............................................................................................ 8
1.3. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................. 8
1.3.1. Lý thuyết ............................................................................................ 8
1.3.2. Mô phỏng ........................................................................................... 8
1.4. Bố cục luận văn ........................................................................................... 8

Chương 2: Cơ sở lý thuyết ..................................................................................... 10

2.1. Mặt trời và năng lượng mặt trời .............................................................. 10
2.2. Xây dựng mô hình điều khiển nối lưới sử dụng pin mặt trời .................. 10
2.3. Pin mặt trời ............................................................................................. 11
2.4. Cấu tạo và hoạt động của pin mặt trời ..................................................... 11
2.4.1. Hiệu ứng quang điện ........................................................................ 11
2.4.2. Cấu tạo của pin mặt trời ................................................................... 14
2.4.3. Đặc tính làm việc của pin mặt trời .................................................... 15
2.5. Nhận xét ................................................................................................. 17
2.6. Ứng dụng................................................................................................ 18
2.7. Tấm năng lượng pin mặt trời .................................................................. 19
2.8. Cách ghép nối các tấm năng lượng mặt trời ............................................ 19
2.8.1. Phương pháp ghép nối nối tiếp ......................................................... 20
2.8.2. Ghép nối song song .......................................................................... 21
2.9. Hiện tượng điểm nóng ............................................................................ 22
2.10. Hệ thống pin mặt trời .............................................................................. 23
2.10.1.Hệ PV độc lập .................................................................................. 24
a. Thành phần lưu giữ năng lượng .................................................. 24

b. Các bộ biến đổi bán dẫn trong hệ PV .......................................... 24
2.11. Hệ quang điện làm việc với lưới ............................................................ 27
2.12. Các bộ biến đổi bán dẫn trong hệ PV ...................................................... 28
2.13. Phương pháp điều khiển MPPT .............................................................. 30
2.14. Bộ biến đổi DC/DC ................................................................................ 31
2.15. Các loại bộ biến đổi DC/DC ................................................................... 32
2.15.1.Mạch buck ....................................................................................... 32
2.15.2.Mạch boost ...................................................................................... 34
2.15.3.Mạch Buck – boost ......................................................................... 36
2.15.4.Mạch cuk ......................................................................................... 37

1


2.15.5.Nhận xét .......................................................................................... 40
2.16. Điều khiển bộ biến đổi DC/DC.............................................................. 40
2.16.1.Mạch vòng điện áp phản hồi ............................................................ 40
2.16.2.Phương pháp điều khiển phản hồi công suất ..................................... 41
2.16.3.Phương pháp mạch vòng dòng điện phản hồi ................................... 41
2.17. Bộ biến đổi DC/AC ................................................................................ 42
2.18. Phương pháp dò tìm điểm làm việc tối ưu của MPPT ............................. 43
2.18.1.Giới thiệu chung .............................................................................. 43
2.18.2.Nguyên lý dung hợp tải .................................................................... 44
2.18.3.Thuật toán xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất MPPT ...... 46
2.18.4.Phương pháp P&O ........................................................................... 48
2.18.5.Phương pháp điều khiển MPPT ........................................................ 50
a. Phương pháp điều khiển PI ......................................................... 50
b. Phương pháp điều khiển trực tiếp ............................................... 51
c. Phương pháp điều khiển trục tiếp đo tín hiệu đầu ra.................... 53
2.18.6.Giới hạn của MPPT.......................................................................... 55

Chương 3: Tính toán thiết kế hệ thống pin mặt trời................................................ 55

3.1. Chọn pin mặt trời .................................................................................... 55
3.2. Xây dựng mô hình pin mặt trời ............................................................... 56
3.3. Tính toán chọn bộ biến đổi DC/AC......................................................... 57
3.3.1. Tính chọn van .................................................................................. 57
3.3.2. Bộ lọc sóng hài ................................................................................ 58
3.4. Tính toán thông số bộ lọc đầu ra ............................................................. 58
3.5. Lựa chọn máy biến áp............................................................................. 59

Chương 4: Mô phỏng và đánh giá .......................................................................... 61

4.1. Xây dựng mô hình hệ thống pin năng lượng mặt trời 4000W trên matlab –
simulink ................................................................................................ 61
4.2. Kết quả mô phỏng trên matlab – simulink ............................................... 63
4.2.1. Mô phỏng đặc tính làm việc của pin mặt trời.................................... 63
4.2.2. Mô phỏng tín hiệu điện áp sau khi qua bộ biến đổi DC/AC .............. 64
4.2.3. Mô phỏng tín hiệu VSC ................................................................... 64
4.2.4. Mô phỏng dòng và áp trên thanh cái................................................. 65

Chương 5: Kết luận ............................................................................................... 66
Tài liệu tham khảo ................................................................................................. 67

Phụ lục ............................................................................................................... 68

2


Danh mục hình ảnh (51 hình):

Hình 1.1: Hệ thống pin mặt trời độc lập
Hình 2.2: Hệ hai mức năng lượng

Trang
(9)
(10)

Hình 2.3: Các vùng năng lượng

(11)

Hình 2.4: Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

(12)

Hình 2.5: Pin mặt trời

(13)

Hình 2.6: Đặc tính làm việc U – I của Pin mặt trời.
Hình 2.7: Sơ đồ tương đương của pin mặt trời

(14)

(15)

Hình 2.8: Sự phụ thuộc của đặc trưng VA của Pin mặt trời
vào cường độ bức xạ mặt trời

(16)

Hình 2.9: Sự phụ thuộc của đường đặc tính pin mặt trời vào nhiệt độ.

(16)

Hình2.10: Đường đặc tính tải và đặc tính của pin mặt trời

(17)

Hình2.11: (a) Ghép nối tiếp hai modun mặt trời với nhau
(b) Đường đặc tính VA của modun và cả hệ

(19)

Hình 2.12: (a) Ghép song song hai modun pin mặt trời
(b) Đường đặc trưng VA của modun và hệ

(20)

Hình 2.13: Diode nối song song với modun để bảo vệ modun và dàn pin mặt trời.(22)
Hình 2.14: Sơ đồ khối một hệ PV độc lập bình thường

(23)

Hình 2.15: Bộ biến đổi nguồn dòng CSI

(28)

Hình 2.16: Bộ biến đổi VSI nguồn áp

(28)

Hình 2.17: Sơ đồ nguyên lý mạch Buck

(31)

3


Hình 2.18: Dạng sóng điện áp và dòng điện của mạch Buck

(32)

Hình 2.19: Sơ đồ nguyên lý mạch Boost

(34)

Hình 2.20: Dạng sóng dòng điện của mạch Boost

(35)

Hình 2.21: Sơ đồ nguyên lý mạch Buck – Boost

(35)

Hình 2.22: Sơ đồ mạch cúk

(36)

Hình 2.23: Sơ đồ mạch cuk khi khóa SW mở

(37)

Hình 2.24: Sơ đồ mạch cuk khi khóa SW đóng

(37)

Hình 2.25: Mạch vòng điều khiển điện áp

(39)

Hình 2.26: Mạch vòng điện phản hồi

(40)

Hình 2.27: Bộ biến đổi DC/AC 1 pha dạng nữa cầu

(41)

Hình 2.28: Bộ biến đổi DC/AC 1 pha dạng hình cầu

(41)

Hình 2.29:Sơ đồ cấu trúc bộ nghịch lưu kiểu Half – bridge

(42)

Hình 2.30: Đường đặc tính làm việc của pin và
của tải thuần trở có giá trị điện trở thay đổi được

(42)

Hình 2.31: Tổng trở vào Rin được điều chỉnh bằng D

(44)

Hình2.32: Đường đặc tính làm việc của pin khi cường độ
bức xạ thay đổi ở cùng một mức nhiệt độ

(45)

Hình 2.33: Đặc tính làm việc I – V của pin khi
nhiệt độ thay đổi ở cùng một mức cường độ bức xạ

(45)

Hình 2.34: Phương pháp tìm điểm làm việc công suất lớn nhất P&O

(47)

Hình 2.35: Lưu đồ thuật toán phương pháp P&O

(48)

4


Hình 2.36: Sơ đồ khối phương pháp điều khiển MPPT sử dụng bộ bù PI

(49)

Hình 2.37: Sơ đồ khối phương pháp điều khiển trực tiếp MPPT.

(50)

Hình 2.38: Mối quan hệ giữa tổng trở vào của mạch boost và hệ số làm việc D (51)
Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ PV 4000W

(54)

Hình 3.2: Sơ đồ mạch điện tương đương của pin quang điện

(55)

Hình 3.3: Sơ đồ bộ biến đổi DC/AC một pha hình cầu.

(56)

Hình 3.4: Máy biến điện thế

(59)

Hình 4.1: Sơ đồ bộ điều khiển MPPT

(60)

Hình 4.2: Các khối đo tính hiệu đầu vào

(60)

Hình 4.3: Các khối đo tín hiệu đầu ra

(61)

Hình 4.4: Sơ đồ toàn bộ hệ thống

(61)

Hình 4.5: Mô phỏng hoạt động của PV

(62)

Hình 4.6: Điện áp sau khi qua bộ DC/AC.

(63)

Hình 4.7: Mô phỏng VSC

(63)

Hình 4.8: Áp và dòng trên thanh cái.

(64)

5


Danh mục ký hiệu
Ký hiệu

Đơn vị

Mô tả

L

H

Độ tự cảm

P

KW

Công suất

H

Điện dung

R
U
f

C

Điện trở

V

Điện áp

Hz

Tần số

6


CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
1.1. Tính cấp thiết của đề tài.
Trong thời đại ngày nay năng lượng là vấn đề cấp thiết của tất cả các quốc gia

trên toàn thế giới. Bên cạnh việc nghiên cứu và tìm kiếm các nguồn năng lượng mới
thì việc sử dụng tiết kiệm và hiệu quả năng lượng cũng là mối quan tâm hang đầu
1.1.1. Lý do chọn đề tài
Năng lượng là một trong những yếu tố cần thiết cho sự tồn tại và phát triển của

xã hội, đồng thời cũng là yếu tố duy trì sự sống trên trái đất. Trong tương lai nếu
chúng ta khồn sử dụng hợp lý các nguồn năng lượng có sẵn trong tự nhieenchungs

sẽ bị cạn kiệt. Vì thế chúng ta nên nghiên cứu tìm hiểu về các nguồn năng lượng
mới và sử dụng chúng một cách có hiệu quả để góp phần bảo vệ các phần năng
lượng của trái đất.

Tìm hiểu nguồn năng lượng mới và sử dụng chúng một cách hiệu quả cũng góp

phần cải thiện sự ô nhiễm môi trường, thúc đẩy sự phát triển kinh tế và xã hội.
1.1.2. Mục đích nghiên cứu
Mục đích của đề tài:

 Thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời theo công suất định trước
 Tính toán chọn các điện trở tụ điện.

 Tính toán chọn bộ biến đổi DC/AC.

 Lựa chọn phương pháp điều khiển MPPT

7


1.2. Nội dung đề tài:
Đề tài sử dụng phần mềm matlab/simulink để xây dựng mô hình và mô phỏng hệ

thống nối lưới sử dụng pin mặt trời. Như chúng ta đã biết, nguồn năng lượng mặt
trời là nguồn năng lượng sạch có trữ lượng lớn, đang là muc tiêu nghiên cứu của

nhiều nước trên thế giới nhằm thay thế dần nguồn năng lượng hóa thạch có nguy cơ

cạn kiệt, gây ô nhiễm môi trường. Trong quá trình làm việc, pin mặt trời phụ thuộc
nhiều vào yếu tố ảnh hưởng như cường độ ánh sáng, nhiệt độ môi trường hiện tượng

bóng râm … mặt khác, công suất sinh ra do tấm pin mặt trời phụ thuộc vào bức xạ
mặt trời và nhiệt độ. Nhằm nâng cao hiệu suất sử dụng thực hiện nối lưới , đòi hỏi
phải có các giải thuật điều khiển. ở đây sử dụng giải thuật hệ bám điểm công suất
cực đại nhằm đảm bảo rằng pin mặt trời sẽ luôn luôn làm việc ở điểm cực đại khi tải
thay đổi.

1.3. Phương pháp nghiên cứu.
1.3.1. Lý thuyết

Tìm hiều lý thuyết để xậy dựng được mô hình và mạch động lực
Tìm hiểu các đề tài liên quan, tính toán chọn phương pháp ứng dụng phù hợp với

thực tế đất nước để tạo ra sản phẩm.
1.3.2. Mô phỏng.

Dựa trên lý thuyết tính toán xây dựng mô hình mô phỏng trên Matlab/Simulink

sau đó đánh giá và kiểm tra.
1.4. -Bố cục luận văn
Đồ án gồm có 5 chương:

Chương 1: Giới thiệu đề tài.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết.
Chương 3: Tính toán hệ thốn pin mặt trời làm việc độc lập.

8


Chương 4: Mô phỏng kiểm tra và đánh giá.
Chương 5: Kết luận.

9


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Mặt trời và năng lượng mặt trời
Mặt trời là một trong những ngôi sao phát sáng mà con người có thể quan sát

được trong vũ trụ. Mặt trời cùng với các hành tinh và các thiên thể của nó tạo nên

hệ mặt trời trong dãi ngân hà cùng với hàng tỷ hệ mặt trời khác. Mặt trời luôn phát
ra nguồn năng lượng khổng lồ và một phần nguồn năng lượng đó truyền bức xạ đến

trái đất chúng ta. Trái đất và mặt trời có mối quan hệ chặt chẽ, chính bức xạ mặt trời

là yếu tố quyết định cho sự tồn tại của sự sống trên hành tinh của chúng ta. Năng
lượng mặt trời là một trong các nguồn năng lượng sạch và vô tận vì nó là nguồn gốc
của các nguồn năng lượng khác trên trái đất. Con người đã biết tận hưởng nguồn

năng lượng quý giá này từ rất lâu tuy nhiên việc khai thác sử dụng nguồn năng
lượng này một cách hiệu quả nhất thì vẫn là vấn đề mà chúng ta đang quan tâm
2.2. Xây dựng mô hình điều khiển nối lưới sử dụng pin mặt trời
Hệ thống nối lưới sử dụng nguồn pin mặt trời bao gồm các thành phần cơ bản

như hình…:

Hình 1.1: Hệ thống pin mặt trời độc lập
Nguyên tắc hoạt động của hệ thống:
Phát điện: dòng điện 1 chiều từ pin năng lượng mặt trời => biến tần và đồng bộ =>
bán công tơ đo wat- giờ => lưới điện;

10


Sử dụng: lưới => mua công tơ đo wat –giờ => điện gia dụng.
Hiện nay việt nam vẫn chưa có qui định về nối lưới điện, do đó, phải nối cới các

công tơ đo của tòa nhà hoặc lưới điện địa phương, hoặc công tơ đo sau tòa nhà hoặc
địa phương

2.3. Pin mặt trời
Pin mặt trời là phương pháp sản xuất trực tiếp từ năng lượng mặt trời qua thiết bị

biến đổi quang điện. Pin mặt trời có ưu điểm là gọn nhẹ có thể lắp ở bất kỳ đâu có
ánh nắng mặt trời, đặc biệt là trong lĩnh vực tàu vũ trụ. Ngày nay con người đã ứng

dụng pin mặt trời trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, để chạy xe và trong sinh hoạt
thay thế dần nguồn năng lượng truyền thống.

2.4. Cấu tạo và hoạt động của pin mặt trời
Pin mặt trời làm việc theo nguyên lý là biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt

trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện.
2.4.1. Hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý người

pháp Alexandre Edmond Becquerel. Tuy nhiên cho đến năm 1883 một pin năng
lượng mới được tạo thành, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một
lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối. thiết bị

chỉ có hiệu suất 1%, Russell Ohl xem là người tạo
ra pin năng lượng mặt trời đầu tiên năm 1946.
Sau đó Sven Ason Berglund đã có các phương

pháp liên qian đến việc tăng khả năng cảm nhận
ánh sáng của pin.

Hình 2.2: Hệ hai mức năng lượng

Xét một hệ hai mức năng lượng điện tử (hình) E1
mức năng lượng thấp hơn E1. Khi nhận bức xạ mặt trời, lượng tử ánh sáng photon

11


có năng lượng hv (trong đó h là hằng số Planck, v là tần số ánh sáng) bị điện tử hấp
thụ và chuyển lên mức năng lượng E2. Ta có 2 phương trình cân bằng năng lượng:
hv = E2 – E1
trong các vật thể rắn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vòng

ngoài, nên các mức năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng sát nhau và
tạo thành các vùng năng lượng. vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi

ở trạng thái cân bằng gọi là vùng hóa trị, mà mặt trên của nó có mức năng lượng E v.
vùng năng lượng phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi

là vùng dẫn, mặt dưới của vùng gọi là Ec. Cách ly giữa 2 vùng hóa trị và vùng dẫn

là một vùng cấp độ rộng với năng lượng là Eg, trong đó không có mức năng lượng
cho phép nào của điện tử.

Khi nhận bức xạ mặt trời, photon có năng lượng hv tới hệ thống và bị điện tử ở

vùng hóa trị thấp hấp thụ và nó có thể chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự

do e-, để lại ở vùng hóa trị một lỗ trống có thể coi như hạt mang điện dương, ký hiệu
là h+. Lỗ trống này có thể di chuyển và

tham gia vào quá trình dẫn điện.

Hiệu ứng lượng tử của quá trình hấp thụ
photon có thể mô tả bằng phương trình:
Ev + hv => e- + h+
Hình 2.3: Các vùng năng lượng
Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lượng photon và chuyển từ vùng hóa trị

lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử - lỗ trống là hv = hc/
tính ra được bước sóng tới hạn

=

Eg = Ec –Ev. Từ đó có thể

của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e- - h+ :
−

=

12

=

1,24

,


Trong thực tế các hạt dẫn bị kích thích e- và h+ đều tự phát tham gia vào quá

trình phục hồi, chuyển động đến mặt của các vùng năng lượng: điện tử e- giải phóng

năng lượng để chuyển đến trên mặt của vùng dẫn Ec, còn lỗ trống h+ chuyển đến

mặt của Ev , quá trình phục hồi chỉ xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn 10-12 101

giây và gây ra dao động mạnh (photon ). Năng lượng bị tổn hao do quá trình phục

hồi sẽ là Eph= hv –Eg.

Tóm lại khi vật rắn nhận tia bức xạ mặt trời, điện tử ở vùng hóa trị thấp hấp thụ

năng lượng photon hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử - lỗ trống e - h+, tức là đã tạo ra một thế điện. Hiện tượng đó gọi là hiệu ứng quang điện bên
trong

Hình 2.4: Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

13


2.4.2. Cấu tạo của pin mặt trời
Hiện nay vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời là silic tinh thể. Pin mặt trời từ tinh

thể silic chia ra thành 3 loại:

 Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình
Czochralski. Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16%. Chúng thường rất

đắt tiền do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt

trống ở góc mối các module.

 Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc – đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm
nguội và làm rắn. các pin này thường rẻ hơn các dơn tinh thể, tuy nhiên hiệu
suất kém hơn. Tuy nhiên chúng có thể tạo

thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều

hơn đơn tinh thể bù cho hiệu suất thấp của
nó.

 Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic
nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể. Loại

này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên

Hình
2.5:silicon.
Pin mặt trời
loại này rẻ nhất trong các loại vì không cần phải cắt
từ thỏi
Một lớp tiếp xúc bán dẫn pn có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ

mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên trong gọi là bức xạ mặt trời.
Pin mặt trời được sản xuất và ứng dụng phổ biến hiện nay là các pin mặt trời được
chế tạo từ vật liệu tinh thể bán dẫn silicon (Si) có hóa tri 4. Từ tinh thể Si tinh khiết,

để có vật liệu tinh thể bán dẫn Si lại n, người ta pha tạp chất donor là photpho có
hóa trị 5. Còn có thể vật liệu bán dẫn tinh thể loại p thì tạp chất acceptor được dùng
để pha vào Si là Bo có hóa trị 3. Đối với pin mặt trời từ vật liệu tinh thể Si khi bức

xạ mặt trời chiếu đến thì hiệu điện thế hở mạch giữa hai cực khoảng 0.55V và dòng

điện đoản mạch của nó khi bức xạ mặt trời cs cường độ 1000W/m2 vào khoảng
25 30 mA/cm2.

14


Hiện nay người ta đã thay thế tạo pin mặt trời bằng vật liệu SI vô định hình (a-

Si). So với pin mặt trời a-Si giá thành rẻ hơn nhưng hiệu suất thấp hơn và kém ổn
định.

Ngoài Si, hiện nay người ta đang nghiên cứu và thử nghiệm các loại vật liệu khác

có nhiều triển vọng như Sunfit cadimi – đồng (CuCds), galium –arsenit (GaAs) …

Công nghệ chế tạo pin mặt trời gồm nhiều công đoạn khác nhau, ví dụ để chế tạo

pin mặt trời từ silicon đa tinh thể cần qua các công đoạn như hình cuối cùng ta được
module.

2.4.3. Đặc tính làm việc của pin mặt trời.
Đặc tính làm việc của pin mặt trời thể hiện qua hai thông số là điện áp hở mạch

lớn nhất VOC lúc dòng ra bằng 0 và dòng điện ngắn mạch ISC khi điện áp ra bằng 0.
Công suất của pin được tính theo công thức:
P = I. U
Tại điểm làm việc U =

có giá trị bằng 0.

(2 – 1)

= 0 và U = =

, công suất làm việc của pin cũng

Hình 2.6: Đặc tính làm việc U – I của Pin mặt trời.

15


Hình 2.7: Sơ đồ tương đương của pin mặt trời
Từ sơ đồ tương đương, ta có phương trình đặc trưng sáng von- ampe của pin như

sau:

I=I

−I

−1 −

(2 – 2)

Trong đó
ISC: là dòng quang điện (dòng ngắn mạch khi không có RS và RSh) (A/m2)
I01 : là dòng bão hòa (A/m2)

Q là điện tích của điện từ (C) =1,6.10-19
K là hệ số boltzman = 1,38.10-23(J/K)
T là nhiệt độ (K)
I, V, Rs, Ish,lần lượt là dòng điện ra, điện áp ra, điện trở Rs và Rsh của pin mặt trời
trong mạch tương đương ở hình.

16


2.5. Nhận xét
Dòng ngắn mạch I

tỉ lệ thuận với cường độ bức xạ chiếu sáng. Nên đường đặc

tính V- I của pin mặt trời cũng phụ thuộc vào cường độ bức xạ chiếu sáng. Ở mỗi

tầng bức xạ chỉ thu được duy nhất một điểm làm việc V = VMPP có công suất lớn
nhất thể hiện trên hình vẽ sau. Điểm làm việc có công suất lớn nhất được thể hiện là
điểm chấm đen to trên hình vẽ. (đỉnh của đường đặc tính)

Hình 2.8: Sự phụ thuộc của đặc trưng VA của Pin mặt trời
vào cường độ bức xạ mặt trời.
Điện áp hở mạch V OC phụ thuộc trực tiếp vào nhiệt độ nên đường đặc tính VA

của pin mặt trời cũng phụ thuộc vào nhiệt độ của pin.

Hình 2.9: Sự phụ thuộc của đường đặc tính pin mặt trời vào nhiệt độ.

17