Luan van thac si nghiên cứu, tính toán hệ thống điều khiển đấu nối hệ thống pin mặt trời vào lưới phân phối

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự
hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Ngô Văn Dưỡng Các số liệu, kết quả
nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất
kỳ công trình nào khác.

Tác giả luận văn

Đặng Mỹ Nhựt


PHỤ LỤC
MỞ ĐẦU
1.Tính cấp thiết của đề ............................................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................3
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .......................................................................3
4. Phương pháp nghiên cứu .....................................................................................3
5. Bố cục đề tài........................................................................................................3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN MẶT
TRỜI, CÁC GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN PIN MẶT TRỜI
VÀ ĐIỀU KIỆN HÒA LƯỚI PHÂN PHỐI
1.1. Pin quang điện ..................................................................................................5
1.1.1. Cấu tạo .................................................................................................................5

1.1.2. Nguyên lý hoạt động ................................................................................. 6
1.1.3. Sơ đồ mạch pin PV ................................................................................... 9
1.1.4. Sơ đồ mạch pin PV khi có tính đến tổn hao ........................................... 11
1.1.5. Module PV, Array PV ............................................................................ 13
1.1.6. Các ảnh hưởng tác động của pin PV....................................................... 15
1.2. Các giải thuật điều khiển pin mặt trời ............................................................19

1.2.1. Giới thiệu chung ..................................................................................... 19
1.2.2. Nguyên lý cân bằng tải ........................................................................... 20
1.2.3. Thuật toán xác định điểm làm việc công suất lớn nhất MPPT ............... 21
1.2.3.1. Thuật toán nhiễu loạn và quan sát P&O .............................................. 22
1.2.3.2. Thuật toán P&O trong điều kiện dãy PV bị bóng che một phần ......... 26
1.2.4. Phương pháp điều khiển MPPT .............................................................. 26
1.2.5. Giới hạn của MPPT .................................................................................27
1.3. Lý thuyết về hòa hệ thống điện mặt trời với lưới .......................................... 27
1.3.1 Các điều kiện hòa đồng bộ ..................................................................... 28
1.3.2. Đồng vị pha trong hai hệ thống lưới ...................................................... 28
1.4. Kết luận chương........................................................................................ 30
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
TRONG ĐIỀU KHIỂN NGUỒN PIN MẶT TRỜI ................................................. 31
2.1. Bộ chuyển đổi DC/DC .................................................................................. 31
2.1.1. Bộ tạo xung DC ...................................................................................... 32
2.1.2. Bộ chuyển đổi Buck................................................................................ 34
2.1.3. Bộ chuyển đổi Boost ............................................................................... 36
2.1.4.Bộ chuyển đổi Buck_Boost .................................................................... 38
2.2. Bộ biến đổi DC/AC ....................................................................................... 39


2.2.1. Khái quát chung .................................................................................... 39 
2.2.2. Bộ nghịch lưu áp 1 pha ........................................................................... 46
2.2.3. Bộ nghịch lưu áp 3 pha ........................................................................... 48
2.3. Bộ lọc phía lưới ............................................................................................. 53
2.4. Kết luận chương ............................................................................................ 53
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN HÒA ĐỒNG BỘ
HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI VÀO LƯỚI ĐIỆN ................................................... 54
3.1. Tính toán, thiết kế mô hình pin ..................................................................... 54
3.2. Tính toán thiết kế bộ nghịch lưu ba pha DC/AC........................................... 54

3.3. Mạch vòng khóa pha PLL ............................................................................. 56
3.4. Điều khiển P, Q theo phương pháp độ trượt (độ dốc) ................................... 60
3.5 . Điều khiển điện áp và dòng điện .................................................................. 65
3.6. Kết luận chương ............................................................................................ 69
CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB
SIMULINK .............................................................................................................. 70
4.1 Xây dựng mô hình trên Matlab /Simulink ................................................... 70
4.2 Kết quả mô phỏng trên Matlab/Simulink .................................................... 73
4.3 Kết luận chương ......................................................................................... 80
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................. 81
MỤC LỤC ................................................................................................................ 82


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

- PV (Photovoltaic): Pin quang điện, biến quang năng thành điện năng.
- MPP (Maximum power point): Điểm làm việc mà tại đó công suất thu
được cực đại.
- MPPT (Maximum power point tracking): Điều khiển bám điểm công suất
cực đại.
- P&O (Perturb & Observe): Thuật toán quan sát và nhiễu loạn (biến đổi để
đạt đến điểm cực đại), còn gọi là phương pháp “Hill climbing: Leo đồi”.
- DC (Direct Current): Điện một chiều
- AC (Alternating Current): Điện xoay chiều.
- DC-DC: Bộ biến đổi điện áp một chiều
- DC-AC: Bộ biến đổi điện áp một chiều thành xoay chiều.
- FF (Fill Factor): Là hệ số lấp đầy
- PWM: (Pulse Width Modution): phương pháp điều chế độ rộng xung.
- DCM: (Droop control method): Phương pháp điều khiển độ dốc.
- VSI: (Voltage source inverter): biến tần điều khiển nguồn áp.

- PLL: (Phase locked loop): vòng khóa pha.
- LPF:(low- pass filter): mạch lọc thông thấp.
- VCO: (voltage – controlled oscillator): tạo dao động điều khiển bằng áp.
- DG ( Distributed Generation): nguồn phân tán.
- RMS (Root mean square): giá trị hiệu dụng.
- THD ( total Harmonic Distortion) : Tổng độ biến dạng do sóng hài.


DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hiệu
hình
1-1
1-2
1-3
1-4
1-5
1-6
1-7
1-8
1-9
1-10
1-11
1-12
1-13
1-14
1-15
1-16
1-17
1-18
1-19

1-20
1-21
1-22
1-23
1-24
1-25

1-26
1-27
1-28

Tên hình

Trang

Cấu tạo của pin mặt trời.
Mô tả Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời.
Hệ thống 2 mức năng lượng trong đó E1< E2
Các vùng năng lượng.
Các vùng của pin mặt trời
Sơ đồ nguyên lý hoạt động của pin mặt trời.
Sơ đồ mạch đơn giản của pin PV
Dòng điện ngắn mạch và điện áp hở mạch của pin PV
Đồ thị V-A và công suất pin PV
Đồ thị xác định điểm công suất cực đại (MPP)
Mô hình của pin PV thực tế có tổn hao
Đường đặc tính của pin PV có xét đến ảnh hưởng của Rs và RP
Module PV
Đường đặc tính của Module PV
Các modul PV mắc nối tiếp

Các modul PV mắc song song
Kết nối hỗn hợp để tăng áp và dòng
Đường đặc tính của pin PV khi nhiệt độ và cường độ chiếu sáng
thay đổi.
Hiện tượng một pin PV bị bóng râm
Đặc tính PV khi một pin bị bóng râm
Đặc tính PV khi nhiều pin bị bóng râm
Bảo vệ pin PV khi bị bóng
Đặc tính PV khi không có và có diode bypass bảo vệ
Một Array PV 65V, khi không có và có Diodebypass bảo vệ
Ví dụ tấm pin mặt trời mắc trực tiếp với một tải thuần trở và
đường đặc tính làm việc của pin và của tải thuần trở có giá trị
điện trở thay đổi.
Sơ đồ khối của điều khiển chọn điểm công suất cực đại

5
6
6
7
8
9
9
10
11
11
12
13
13
13
14

14
15
15

Sơ đồ pin nối với tải qua bộ Boost

20
21

Đường đặc tính làm việc I – V của pin khi cường độ bức xạ

16
16
17
17
18
18
19

19

thay đổi ở cùng một mức nhiệt độ
1-29

Đường đặc tính làm việc I – V của pin khi nhiệt độ thay đổi ở
cùng một mức cường độ bức xạ

22

1-30
1-31
1-32
2-1
2-2
2-3
2-4
2-5
2-6
2-7
2-8
2-9
2-10

Xác định điểm MPP bằng phương pháp P&O
Lưu đồ giải thuật thuật toán P&O
Phương pháp P&O hoạt động không hiệu quả khi cường độ
chiếu sáng liên tục thay đổi
Bộ tạo xung DC
Bộ tạo xung DC giảm áp
Bộ tạo xung DC tăng áp
Bộ biến đổi DC-DC Buck
Bộ biến đổi DC-DC Boost
Bộ biến đổi DC-DC Buck _ Boost
Nguyên lý của điều chế độ rộng xung hình sin
quan hệ giữa biên độ áp điều khiển và biên độ sóng mang
quan hệ giữa biên độ áp điều khiển và biên độ sóng mang cải
biến
biểu diễn điện áp us dưới dạng vector không gian với các phần

22
24
25
32
33
34
34
36
38
41
41
43
45

tử usα và usβ trong hệ tọa độ us αβ.
2-11

Biểu diễn vector không gian trên hệ tọa độ dq

46

2-12

Bộ nghịch lưu áp một pha dạng bán cầu

47

2-13

Bộ nghịch lưu áp một pha dạng mạch cầu

48

2-14

Bộ nghịch lưu áp ba pha

48

2-15

Các trạng thái đóng mở của các van của bộ nghịch lưu

52

2-16

Điện áp trên các pha

52

2-17

Thứ tự phát xung mở các tranzitor

52

2-18

Bộ lọc phía lưới

53

3-1

Sơ đồ tương đương của pin mặt trời

54

3-2

Sơ đồ điều khiển bộ nghịch lưu.

55

3-3

Mô hình áp của bộ nghịch lưu

55

3-4

Sơ đồ khối của PLL

56

3-5

Sơ đồ khối SRF-PLL

59

3-6

Sơ đồ mạch điện tương đương của bộ nghịch lưu

60


3-7

Mô hình tính toán công suất P, Q

62

3-8

Điều khiển P,Q theo độ trượt của tần số và điện áp

63

3-9

Chuyển đổi ω- E

63

3-10

Mô hình điều khiển công suất P, Q theo phương pháp

64

3-11

Sơ đồ điều khiển mạch vòng của điện áp

67

3-12

Sơ đồ điều khiển mạch vòng của dòng điện

67

3-13
4-1
4-2
4-3
4-4
4-5
4-6
4-7
4-8
4-9
4-10
4-11
4-12
4-13

4-14
4-15
4-16
4-17
4-18
4-19
4-20
4-21
4-22
4-23
4-24
4-25
4-26
4-27

Sơ đồ nguyên lý tổng thể pin mặt trời nối lưới
Sơ đồ mô phỏng hệ thống pin mặt trời nối lưới phân phối
Mô hình hệ thống pin mặt trời
Mô hình điều khiển bám điểm công suất cực đại (MPPT)
Bộ biến đổi 2 trạng thái DC/DC
Bộ điều khiển hệ thống pin mặt trời nối vào lưới phân phối
Điều khiển công suất
Điều khiển điện áp
Điều khiển dòng điện
Điều khiển đồng bộ lưới ( PLL)
Các đặc tính làm việc của pin mặt trời
Công suất của pin mặt trời (W)
Dòng điện của pin mặt trời (A)
Điện áp của pin mặt trời (V)
Công suất ở ngõ ra

Đáp ứng của tần số
Điện áp ngõ ra
Dòng điện ngõ ra
Tổng sóng hài của dòng điện
Tổng sóng hài của điện áp
Công suất ngõ ra
Đáp ứng tần số
Điện áp ngõ ra
Đáp ứng của tần số
Điện áp ngõ ra
Đáp ứng của góc đồng bộ lưới
Tổng sóng hài của dòng điện
Tổng sóng hài của điện áp

68
70
70
71
71
71
72
72
72
73
73
73
74
74
75
75

76
76
77
77
77
78
78
79
79
79
80
80


1

 

MỞ ĐẦU
1.Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay nhu cầu sử dụng năng lượng của con người ngày càng tăng nhất là
năng lượng điện. Con người cần năng lượng điện để phục vụ cho nhu cầu đời
sống sinh hoạt, sản xuất. Từ những nhu cầu đơn giản như chiếu sáng sinh hoạt
cho đến các dây chuyền sản xuất hiện đại. Trong khi đó các nguồn nhiên liệu
truyền thống đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng. Ngoài ra các dạng năng
lượng này gây ra ô nhiễm môi trường xung quanh và làm tăng hiệu ứng nhà kính.
Việc khai thác các nguồn năng lượng tái tạo khá dồi dào và thân thiện với môi
trường như năng lượng gió, mặt trời, địa nhiệt, thủy triều và pin nhiên nhiệu là
hướng quan trọng trong kế hoạch phát triễn năng lượng. Theo báo cáo toàn cầu
của mạng lưới chính sách năng lượng tái tạo thế kỷ 21 ( REN 21) Năm 2005 chỉ

có 15 quốc gia tham gia vào việc thúc đẩy năng lượng tái tạo thì đến năm 2013 có
thêm 95 quốc gia, trong đó các nước phát triễn năng lượng tái tạo: Trung Quốc,
Mỹ, Brazin, Canada và Đức. Năng lượng tái tạo chiếm 19% tổng năng lượng tiêu
thụ toàn cầu (năm 2012). Ở Việt Nam tổng công suất 1215 MW chiếm 3.4% năng
lượng toàn quốc (năm 2015 – năng lượng Việt Nam).
Năng lượng mặt trời là một trong những nguồn năng lượng tái tạo quan trọng
nhất của hành tinh chúng ta, đồng thời nó cũng là nguồn gốc của các loại năng
lượng tái tạo khác như: năng lượng gió, năng lượng sinh khối vì vậy việc nghiên
cứu và sử dụng năng lượng mặt trời là một trong những hướng phát triển được
nhiều sự quan tâm vì có những tính chất ưu điểm của nó như: có sẵn, siêu sạch và
vô tận. Do đó năng lượng mặt trời được nhiều nước trên thế giới khai thác và sử
dụng như: Đức tổng điện năng mặt trời 35.65 Gwp (Gigawatt) chiếm tỉ lệ 5.3%
tổng điện năng quốc gia, Ý : 18Gwp chiếm tỷ lệ 9% tổng điện năng, Trung Quốc:
17.7Gwp chiếm tỷ lệ 0.1% tổng điện năng, Nhật: 11.86 Gwp chiếm tỷ lệ 0.8% và
Mỹ: 11.42Gwp chiếm tỷ lệ 0.3% ( theo báo cáo REN 21 năm 2013). Ở Việt Nam,


2

năng lượng mặt trời có tiềm năng rất lớn, với cường độ bức xạ nhiệt trung bình
5kWh/m2, với khoảng 2000 ÷ 5000h nắng/năm và khai thác 3 MW chiếm tỷ lệ
0.008% năng lượng toàn quốc (năm 2015 – năng lượng Việt Nam).
Con người biết khai thác và sử dụng năng lượng mặt trời từ rất lâu để sản
xuất điện năng theo hai công nghệ: công nghệ hội tụ năng lượng mặt trời CSP
(concentrated solar power) và công nghệ quang điện SPV (solar photovoltaic).
+ Công nghệ CSP hay còn gọi là công nghệ nhiệt năng mặt trời STE (solar
thermal enery) sử dụng một hệ thống nhiều ống kính, gương phản chiếu và các hệ
thống theo dõi nhằm tập trung ánh sáng mặt trời từ một khu vực rộng lớn vào một
diện tích nhỏ, ở đây nước hay chất lỏng khác chứa trong ống hay trong bể được
làm nóng lên đến vài trăm độ tạo thành dòng hơi nước làm quay tubin để sản xuất

điện.
+ Công nghệ SPV năng lượng ánh sáng chuyển thành dòng điện nhờ hiệu
ứng quang điện qua các tế bào quang điện hay các pin mặt trời nhỏ ghép lại thành
tấm pin mặt trời lớn.
Ở đây ta tập trung lĩnh vực hai, tức là biến đổi trực tiếp quang năng thành
điện năng, tuy nhiên năng lượng mặt trời vẫn còn trong thời kỳ đầu của ứng dụng
vì nó đòi hỏi vốn đầu tư ban đầu rất lớn nhưng hiệu suất lại rất thấp. Hơn nữa
năng lượng mặt trời còn phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên như: trời nắng- trời
mưa, ban ngày- ban đêm không ổn định, khi năng lượng thiếu không được lấy từ
lưới điện và khi thừa chưa hòa lên lưới điện quốc gia.
Vì vậy việc “nghiên cứu, tính toán hệ thống điều khiển đấu nối hệ thống
pin mặt trời vào lưới phân phối” để khai thác năng lượng mặt trời cung cấp cho
phụ tải và hòa tối ưu nguồn năng lượng mặt trời lên lưới điện quốc gia là một vấn
đề cấp thiết.


3

 

2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu và tính toán thiết kế bộ điều khiển đấu nối hệ thống pin mặt trời
vào lưới phân phối. Mô phỏng trên phần mềm matlab simulink.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
 Đối tượng nghiên cứu:
- Hệ thống pin năng lượng mặt trời: Phương pháp sản xuất và hòa lưới.
- Bộ điều khiển hòa đồng bộ lưới điện: Tổng hợp dòng, áp, tính toán công
suất (P,Q) , điều khiển độ dốc của lưới phân phối nhằm hòa đồng bộ lưới.
 Phạm vi nghiên cứu:
- Nghiên cứu bộ điều khiển mạch vòng khóa pha PLL (phase –locked-loop),

mạch lọc thông thấp, điều khiển theo độ dốc và bộ biến đổi dòng điện và
điện áp.
- Nghiên cứu mô phỏng hòa đồng bộ lưới
4. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu các bài báo, sách và tạp chí về cấu tạo, nguyên lý hoạt động hệ
thống pin năng lượng mặt trời
- Nghiên cứu lý thuyết và tìm hiểu về hệ thống điều khiển hòa đồng bộ.
- Tìm hiểu đặc điểm của lưới điện phân phối.
- Tính toán, thiết kế bộ điều khiển đấu nối hệ thống điều khiển đấu nối hệ
thống pin mặt trời vào lưới phân phối.
- Xây dựng mô hình mô phỏng trên phần mềm Matlab Simulik để chứng
minh, đánh giá, rút kinh nghiệm và kết luận.
5. Bố cục đề tài.
Bố cục của đề tài được tổ chức như sau:
- Mở đầu: Tính cấp thiết của đề tài, mục tiêu nghiên cứu, đối tượng và phạm
vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, bố cục đề tài.
- Chương 1: Tổng quan về hệ thống pin mặt trời, các giải thuật điều khiển
pin mặt trời và điều kiện hòa lưới phân phối.
- Chương 2: Nghiên cứu các bộ biến đổi điện tử công suất trong điều khiển
nguồn pin mặt trời.


4

 

- Chương 3: Tính toán thiết kế về bộ điều khiển hòa đồng bộ hệ thống pin
mặt trời vào lưới điện.
- Chương 4: Kết quả mô phỏng trên Matlab Simulink.
- Kết luận và hướng phát triển đề tài.

- Tài liệu tham khảo

 


5

 

TÍNH TOÁN LỰA CHỌN GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐẤU NỐI HỆ THỐNG
PIN MẶT TRỜI VÀO LƯỚI PHÂN PHỐI.
Chương 1: Tổng quan về hệ thống pin mặt trời (PV), các giải thuật điều khiển pin
mặt trời và điều kiện hòa lưới phân phối
1.1 Pin quang điện PV (Photovoltaic) [10] [11].
Pin mặt trời còn gọi là Pin quang điện (Photovoltaic) là thiết bị ứng dụng hiệu ứng
quang điện trong bán dẫn (thường gọi là hiệu ứng quang điện bên trong) để tạo ra dòng
điện một chiều từ ánh sáng mặt trời. Loại pin mặt trời thông dụng nhất hiện nay là loại sử
dụng Silic tinh thể. Tinh thể Silic tinh khiết là chất bán dẫn điện rất kém vì các điện tử bị
giam giữ bởi liên kết mạng, không có điện tử tự do. Khi bị ánh sáng hay nhiệt độ kích
thích, các điện tử bị bứt ra khỏi liên kết, hay là các điện tử tích điện âm nhảy từ vùng hoá
trị lên vùng dẫn và để lại một lỗ trống tích điện dương trong vùng hoá trị. Lúc này chất
bán dẫn mới dẫn điện.
1.1.1. Cấu tạo
Cấu tạo của pin mặt trời là một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biến đổi trực tiếp
năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên trong.

Hình 1-1. Cấu tạo của pin mặt trời.
Pin quang điện sử dụng chất bán dẫn để biến đổi ánh sáng thành điện năng. Kỹ
thuật tạo pin PV rất giống với kỹ thuật tạo ra các linh kiện bán dẫn như transistor, diode
… Nguyên liệu dùng làm pin PV cũng giống như các linh kiện bán dẫn khác thông

thường là tinh thể silicon thuộc nhóm IV.
Có thể nói pin PV là sự ngược lại của diode quang. Diode quang nhận điện năng tạo
thành ánh sáng, thì PV nhận ánh sáng tạo thành điện năng.


6

 

1.1.2. Nguyên lý hoạt động
Pin mặt trời làm việc theo nguyên lý là biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ trở
thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện.

Hình 1-2. Mô tả Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời.
 Hiệu ứng quang điện.
Xét một hệ gồm 2 mức năng lượng điện tử như hình 1-3 với E1< E2
Bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E1. Khi chiếu sáng vào hệ
thống, lượng tử ánh sáng (photon) mang một năng lượng là h  (h là hằng số Plank và 
là tần số ánh sáng) bị điện tử hấp thụ và chuyển lên mức E2.

Hình 1-3. Hệ thống 2 mức năng lượng trong đó E1< E2
Phương trình cân bằng năng lượng:
h  = E1 - E2

Trong các vật rắn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vành ngoài,
nên các năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng con rất sát nhau và tạo thành
vùng năng lượng. Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi ở trạng thái cân
bằng gọi là vùng hoá trị mà bên trên của nó có năng lượng EV. Vùng năng lượng phía

7

 

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 một vùng cấm
có độ rộng năng lượng là Eg, trong đó không có mức năng lượng cho phép nào của điện
tử.
Khi ánh sáng chiếu đến vật rắn có vùng năng lượng nói trên, photon có năng lượng
h  tới hệ thống, bị điện tử của vùng hoá trị hấp thụ và nó có thể chuyển lên vùng dẫn để

trở thành điện tử 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.

Hình 1-4.Các vùng năng lượng.
Phương trình hiệu ứng lượng tử:
E v + h  → e - + h+
Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lượng của photon và chuyển từ vùng hoá
trị lên vùng dẫn, tạo ra căp điện tử – lỗ trống là:
h  >Eg = Ec – Ev

Suy ra bước sóng tới hạn λC của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e- - h+ là:
λC = hc/( Ec – Ev)
Vậy khi chiếu sáng vào vật rắn, điện tử ở vùng hoá trị hấp thụ năng lượng photon
h  và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử – lỗ trống e- - h+, tức là tạo ra một
điện thế.
Hiện tượng đó gọi là hiện tượng quang điện bên trong.

8

 

 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời chính là hiện tượng quang điện xảy ra trên
lớp tiếp xúc p-n.

Hình 1-5. Các vùng của pin mặt trời
Khi một photon chạm vào mảnh silic, một trong hai điều sau sẽ xảy ra:
- Photon truyền xuyên qua mảnh silic. Điều này thường xảy ra khi năng lượng của
photon thấp hơn, nó đủ để đưa các hạt electron lên mức năng lượng cao hơn.
- Năng lượng của photon được hấp thụ bởi silic. Điều này thường xảy ra khi năng
lượng của photon lớn hơn năng lượng để đưa electron lên mức năng lượng cao hơn.
Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được 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 được 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 như vậy lỗ trống di chuyển xuyên suốt mạch
bán dẫn.
Một photon chỉ cần có năng lượng lớn hơn năng luợng đủ để kích thích electron lớp
ngoài cùng dẫn điện.Tuy nhiên, tần số nhiệt độ của mặt trời thường tương đương 60000K,
vì thế nên phần lớn năng lượng mặt trời đều được hấp thụ bởi silic.
Tuy nhiên hầu hết năng lượng mặt trời chuyển đổi thành năng lượng nhiệt nhiều
hơn là năng lượng điện sử dụng được.


9

 

Hình 1-6. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của pin mặt trời.
1.1.3 Sơ đồ mạch pin PV
Pin PV có cấu tạo như một diode. Mô hình của một pin PV được nối với tải được
thể hiện như hình 1-7:

Hình 1-7. Sơ đồ mạch đơn giản của pin PV
Hai tham số quan trọng của PV là dòng ngắn mạch Isc và điện áp hở mạch VOC.


10

 

a)Dòng điện ngắn mạch

b) Điện áp hở mạch

Hình 1-8. Dòng điện ngắn mạch và điện áp hở mạch của pin PV

Trong đó:
VOC 

Với:


kT  I SC
ln 
 1

q
I
 0


(1.1)

I0 : dòng điện ngược của Diode
q : điện tích electron
k : hằngsố Boltzman
T : nhiệt độ tuyệt đối (K)



I  I SC  I 0 e qV / kT  1



(1.2)

Trong điều kiện môi trường là 250C
I = ISC–(I0 e38,9-1)

(1.3)

VOC = 0.0257 ln  I SC  1
I





0



(1.4)

Đường đặc tính làm việc của pin PV thể hiện qua hai thông số là điện áp hở mạch
lớn nhất VOC và dòng điện ngắn mạch ISC
Từ đường đặc tính của pin trong hình 1-9 chúng ta nhận thấy rằng công suất của pin
PV được tạo ra là khi kết hợp của điện áp hở mạch VOC và dòng ngắn mạch ISC để phát
lên tải.
Tại điểm làm việc U = VOC ; I = 0 và U = 0 ; I = ISC , Công suất của pin cũng có giá
trị bằng 0.


 

11

Tại điểm cong của đồ thị ta có công suất cực đại gọi là điểm công suất max MPP
(the maximum power point). Dòng điện và áp tại điểm MPP có giá trị là Im và Vm. Công
suất có giá trị là : Pm = Im Um

Hình 1-9. Đồ thị V-A và công suất pin PV
Chúng ta có thể hình dung được vùng năng lượng lớn nhất là hình chữ nhật lớn nhất
có thể có nằm vừa khít dưới đặc tuyến V-A. Nó được biểu diễn trong hình dưới. Đại
lượng được dùng để diễn tả nó gọi là hệ số lấp đầy (FF: fill factor).
Hệ số lấp đầy được xác định:

FF = ( Vm.Im)/( VOC.ISC)

(1.5)

Hình 1-10. Đồ thị xác định điểm công suất cực đại (MPP)
1.1.4. Sơ đồ mạch pin PV khi có tính đến tổn hao
Cũng như diode pin PV trong thực tế luôn có tổn hao, đặc trưng cho sự tổn hao này
là các thông số RS và RP.


12

 

Hình 1-11. Mô hình của pin PV thực tế có tổn hao

Phương trình đặc trưng của pin PV thực tế bao gồm ảnh hưởng của RS và RP

 q. V  I.RS    V  I.R 
S
I  ISC  I 0  e kT  1  


  R P  (A)



(1.6)

Trong đó:

Isc: là dòng quang điện (dòng ngắn mạch khi không có RS và RP) (A)
I0: là dòng điện bão hòa của diode(A), (giá trị này rất nhỏ thường lấy I0=8.10-4 A)
q :là điện tích của điện tử (C) = 1,6.10-19
k : là hệ số Boltzman = 1,38.10-23(J/k)
T : là nhiệt độ (K)
Rs, RP : lần lượt là nội trở nối tiếp và song song của dàn pin mặt trời(  )
V : Điện áp trên tải R (V)
I : dòng điên chạy qua tải R (A)
Đường đặc tính của pin PV có xét đến ảnh hưởng của Rsvà RP


13

 

a) P-V ảnh hưởng bởi Rs

b) P-V ảnh hưởng bởi cả Rs và Rp

Hình 1-12. Đường đặc tính của pin PV có xét đến ảnh hưởng của Rs và RP
1.1.5. Module PV, Array PV
a. Module PV
Một trở ngại của pin PV là điện áp và dòng điện làm việc rất nhỏ. Một pin PV có
điện áp làm việc khoảng 0.6V. Do đó muốn có điện áp làm việc cao đòi hỏi phải mắc nối
tiếp các pin PV lại, muốn có dòng điện làm việc lớn phải mắc song song. Một mô hình
thông thường để có điện áp 12 Vdc, ta phải mắc nối tiếp 36 pin PV. Một số mô hình 12
Vdc chỉ cần 33 pin PV.

Hình 1-13. Module PV
Đường đặc tính của Module PV

Hình 1-14. Đường đặc tính của Module PV
Điện áp của module PV:
VModule = n (Vd – IRs )
Với:

n là Số pin mắc nối tiếp

(1.7)


14

 

Vd là điện áp của 1 pin (V)
b. Array PV
Giả sử các module đều giống hệt nhau, có đường đặc tính V-A giống nhau, các
thông số dòng ngắn mạch ISC, điện áp hở mạch VOC bằng nhau. Giả sử cường độ chiếu
sáng trên các tấm là đồng đều nhau. Khi đó:
-

Ghép nối tiếp các tấm module lại sẽ cho điện áp ra lớn hơn.

Hình 1-15. Các modul PV mắc nối tiếp
-

Ghép song song các tấm module lại sẽ cho dòng điện ra lớn.

Hình 1-16. Các modul PV mắc song song

-

Kết nối hỗn hợp để tăng cả áp và dòng:


15

 

Hình 1-17. Kết nối hỗn hợp để tăng áp và dòng
1.1.6. Các ảnh hưởng tác động của pin PV:
Trong quá trình làm việc pin PV còn bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như cường độ
chiếu sáng, nhiệt độ, hiện tượng bóng râm … khi đó đặc tính của nó cũng bị biến đổi.
a. Ảnh hưởng của cường độ chiếu sáng và nhiệt độ.
Cường độ chiếu sáng càng lớn, thì công suất thu được của pin PV càng lớn. Dòng
ngắn mạch Isc tỉ lệ thuận với cường độ bức xạ chiếu sáng. Nên đường đặc tính pin PV
cũng phụ thuộc vào cường độ bức xạ chiếu sáng.
Nhiệt độ càng cao thì điện áp của pin càng thấp. Điện áp hở mạch Voc phụ thuộc
trực tiếp vào nhiệt độ nên đường đặc tính của pin mặt trời cũng phụ thuộc vào nhiệt độ
của pin.

Hình 1-18. Đường đặc tính của pin PV khi nhiệt độ và cường độ chiếu sáng thay đổi.
b. Ảnh hưởng bóng râm.
Hiện tượng bóng râm (pin PV bị che phủ một phần) gây ảnh hưởng nghiêm trọng
đến hiệu suất của pin PV. Giả sử một pin PV trong một Array bị che.


16

 

a) Tất các pin được chiếu sáng

b) 1 pin đầu bị bóng râm

Hình 1-19. Hiện tượng một pin PV bị bóng râm
Đặc tính của toàn bộ Array (PV) sẽ bị thay đổi nghiêm trọng nếu không có biện
pháp bảo vệ:

Hình 1-20. Đặc tính PV khi một pin bị bóng râm
Với:

V 

V
 IRp
n

Nhiều pin PV bị che:

(1.8)


 

17

Hình 1-21. Đặc tính PV khi nhiều pin bị bóng râm
Để bảo vệ pin PV ít bị ảnh hưởng bởi hiện tượng bóng râm, người ta sử dụng

Diode bypass (đi-ốt phân dòng).

Hình 1-22. Bảo vệ pin PV khi bị bóng
Đặc tính của Array PV sẽ ít bị ảnh hưởng hơn nếu sử dụng diode bypass bảo vệ.


18

 

Hình 1-23. Đặc tính PV khi không có và có diode bypass bảo vệ
Minh họa một Array PV dùng sạc cho bộ ắc qui 65 V. Khi không có và có Diode
bypass bảo vệ.

a)Tất cả các pin được
chiếu sáng

b)1phần pin bị bóng râm khi
không có diode bypass

b)1phần pin bị bóng râm khi
có diode bypass

 

 

Hình 1-24. Một Array PV 65V, khi không có và có Diodebypass bảo vệ
Giải thích hình 1-24 Bình thường các pin PV là các nguồn phát điện năng, do bộ ắc
qui có điện áp là 65 V, do đó dòng điện sẽ là giao điểm của đường điện áp 65V và đường

đặc tính (V,I) của pin PV là 3,3 A. Khi có hiện tượng bóng râm che một module PV, lúc
đó module này không còn là nguồn phát nữa, dòng điện sẽ chạy qua điện trở song song
Rp của module này tạo một áp rơi ΔV = I x Rp , áp rơi ΔV này cộng với 65 V của ắcqui