Nghiên cứu thiết kế hệ thống biến đổi năng lượng mặt trời
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.77 MB, 101 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------HỒNG ĐỨC DŨNG
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỚNG
BIẾN ĐỞI NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Chuyên ngành: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS. TS. VÕ MINH CHÍNH
Hà Nội - năm 2018
Lời cam đoan
LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan luận văn thạc sỹ: “Nghiên cứu thiết kế hệ thống biến đổi năng
lượng mặt trời” do em tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Võ Minh Chính. Các
số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với thực tế.
Để hoàn thành luận văn này em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh
mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu phát
hiện có sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Hà Nội, ngày tháng năm 2018
Học viên
Hoàng Đức Dũng
Mục lục
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................. i
MỤC LỤC ............................................................................................................................ i
DANH MỤC HÌNH VẼ ..................................................................................................... iii
DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU ........................................................................................... v
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................................. vi
LỜI NÓI ĐẦU ..................................................................................................................... 1
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI........................ 2
ĐẶT VẤN ĐỀ ................................................................................................................. 2
1.1. Giới thiệu về hệ thống năng lượng mặt trời ............................................................. 3
1.1.1. Năng lượng mặt trời .......................................................................................... 3
1.1.2. Điện mặt trời ..................................................................................................... 3
1.1.3. Nhiệt điện mặt trời............................................................................................. 4
1.2. Quang điện mặt trời .................................................................................................. 4
1.2.1. Khái niệm về pin quang điện ............................................................................. 4
1.2.4. Hiệu ứng quang điện ......................................................................................... 5
1.2.5. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin mặt trời ............................................. 6
1.2.6. Các đặc trưng pin mặt trời ................................................................................ 8
1.3. Ứng dụng pin mặt trời trong đời sống .................................................................... 13
1.3.1. Tích hợp vào thiết bị ........................................................................................ 13
1.3.2. Nguồn điện di động ......................................................................................... 13
1.3.3. Nguồn điện cho tòa nhà ................................................................................... 14
1.3.4. Nhà máy điện mặt trời ..................................................................................... 15
1.4. Điện mặt trời tại Việt Nam ..................................................................................... 15
1.4.1. Tiềm năng điện mặt trời ở Việt Nam ............................................................... 15
1.4.2. Những dự án điện mặt trời ở Việt Nam ........................................................... 15
1.5. Kết luận chương 1 .................................................................................................. 16
Chương 2. CÁC VẤN ĐỀ THIẾT KẾ – ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI ........................................................................................................................ 17
2.1. Cấu trúc hệ thống điện mặt trời .............................................................................. 17
2.2. Vấn đề tối ưu hóa hoạt động của pin mặt trời – Bám điểm công suất cực đại ....... 18
i
Mục lục
2.3. Thuật tốn bám điểm cơng suất cực đại – Maximum power tracking point .......... 20
2.3.1. Thuật toán điều khiển tỉ lệ điện áp hở mạch ................................................... 20
2.3.2. Thuật toán nhiễu loạn và quan sát P&O (Perturb and Observer).................. 21
2.3.3. Thuật toán điện dẫn gia tăng INC (Incremental Conductance)...................... 26
2.3.4. Hạn chế của MPPT ......................................................................................... 29
2.4. Bộ biến đổi ng̀n dùng cho hệ thống .................................................................... 30
2.4.1. Các cấu hình biến đổi DC/DC ........................................................................ 31
2.4.2. Các cấu hình biến đổi DC/AC ......................................................................... 34
2.5. Ắc quy và phương pháp nạp ắc quy ....................................................................... 41
2.5.1. Ắc quy .............................................................................................................. 41
2.5.2. Phương pháp nạp ắc quy ................................................................................. 42
2.5.3. Điều khiển sạc kết hợp MPTT ......................................................................... 45
2.6. Kết luận chương 2 .................................................................................................. 46
Chương 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI HOẠT ĐỘNG ĐỘC
LẬP .................................................................................................................................... 47
3.1. Yêu cầu thiết kế ...................................................................................................... 47
3.1.1. Tính toán kích cỡ pin mặt trời ......................................................................... 47
3.1.2. Tính toán yêu cầu bộ DC/DC .......................................................................... 50
3.1.3. Tính toán yêu cầu dung lượng ắc quy ............................................................. 51
3.2. Lựa chọn cấu hình bộ biến đởi DC/DC .................................................................. 51
3.2.1. Tính tốn tụ lọc đầu ra .................................................................................... 54
3.2.2. Tính toán cuộn cảm ......................................................................................... 55
3.2.3. Tính tốn tham sớ ............................................................................................ 55
3.3. Thiết kế bộ biến đởi DC/AC ................................................................................... 56
3.3.1. Tính chọn van điều khiển ................................................................................. 57
3.3.2. Mạch khuếch đại điều khiển Mosfet ................................................................ 57
3.3.3. Mạch lọc đầu ra của nghịch lưu...................................................................... 57
3.3.4.. Biến áp AC/AC ............................................................................................... 58
3.4. Lựa chọn vi điều khiển và giải thuật ...................................................................... 58
3.4.1. Vi điều khiển .................................................................................................... 58
3.4.2. Chọn phương pháp điều khiển MPPT ............................................................. 60
3.5. Thiết kế các mạch đo .............................................................................................. 61
3.5.1. Mạch đo điện áp .............................................................................................. 61
3.5.2. Mạch đo dòng điện .......................................................................................... 61
ii
Mục lục
3.5.3. Mạch đo nhiệt độ ............................................................................................. 62
3.6. Thiết kế mạch sạc ắc quy........................................................................................ 62
3.7. Sơ đồ mạch tổng thể hệ thống ................................................................................ 63
3.8. Thiết kế phần mềm hệ thống .................................................................................. 65
3.8.1. Lưu đờ tḥt tốn chương trình chính - điều khiển sạc ắc quy bám MPPT ... 65
3.8.2. Lưu đờ tḥt tốn chương trình con bám điểm cơng śt cực đại.................. 66
3.8.3. Lưu đờ tḥt tốn chương trình con điều khiển nghịch lưu ............................ 67
3.9. Kết luận chương 3 .................................................................................................. 69
Chương 4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG BẰNG MATLAB/SIMULINK ......... 70
4.1 Mô phỏng pin mặt trời ............................................................................................. 70
4.1.1. Khới Iph ............................................................................................................ 70
4.1.2. Khới Irs ............................................................................................................. 70
4.1.3. Mơ hình pin mặt trời........................................................................................ 71
4.2 Mơ hình hóa giải thuật MPPT ................................................................................. 71
4.2.1. Giải thuật P&O ............................................................................................... 71
4.2.2. Giải thuật INC ................................................................................................. 72
4.2.3. Khảo sát công suất của hệ khi có bộ điều khiển MPPT .................................. 72
4.2.4. Mô phỏng làm việc bộ nghịch lưu SPWM ....................................................... 74
4.3 Kết luận chương 4 ................................................................................................... 76
KẾT LUẬN ....................................................................................................................... 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 80
PHỤ LỤC .......................................................................................................................... 82
iii
Danh mục hình vẽ
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Nguyên lý hoạt động của nhà máy điện mặt trời................................................. 4
Hình 1.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin mặt trời ................................................ 5
Hình 1.3. Hiện tượng của hiệu ứng quang điện................................................................... 5
Hình 1.4. Cấu tạo pin măt trời ............................................................................................. 6
Hình 1.5. Hoạt động của pin mặt trời .................................................................................. 7
Hình 1.7. Đặc tính V-A và đặc tính P-V của pin mặt trời ................................................... 9
Hình 1.8. Đặc tính V-A ở các nhiệt độ khác nhau ............................................................ 10
Hình 1.9. Điểm làm việc và điểm công suất cực đại ......................................................... 11
Hình 1.10. Trạm vũ trụ ISS và Robot tự hành trên sao hỏa .............................................. 13
Hình 1.11. Nguồn sạc di động và hệ thống điện trên tàu biển .......................................... 14
Hình 1.13. Nhà máy điện sử dụng pin mặt trời ................................................................. 15
Hình 2.1. Hệ thống điện mặt trời ....................................................................................... 17
Hình 2.2. Đặc tính I-V, P-V của pin mặt trời với điểm công suất cực đại ........................ 18
Hình 2.4. Sơ đồ khối của hệ thống MPPT tiêu biểu .......................................................... 20
Hình 2.5. Sơ đồ hệ thống MPPT điều khiển theo dòng điện tham chiếu Iref ..................... 21
Hình 2.6. Đường đặc tính quan hệ giữa công suất và dòng điện P – I của pin mặt trời.... 22
Hình 2.7. Lưu đờ thuật tốn P&O điều khiển thơng qua dòng tham chiếu Iref . .............. 23
Hình 2.8. Sơ đồ khối của phương pháp MPPT điều khiển trực tiếp chu kỳ nhiệm vụ D.. 24
Hình 2.9. Mối quan hệ giữa tổng trở vào của mạch boost với chu kỳ nhiệm vụ D. ......... 24
Hình 2.9. Lưu đờ thuật tốn P&O điều khiển trực tiếp chu kỳ nhiệm vụ D. .................... 25
Hình 2.10. Độ dốc (dP/dV) của PV ................................................................................... 26
Hình 2.11. Lưu đờ thuật tốn INC điều khiển thơng qua chu kỳ nhiệm vụ D . ................ 28
Hình 2.12. Lưu đồ thuật tốn INC điều khiển thơng qua dòng điện tham chiếu Iref . ....... 29
Hình 2.13. Mô hình và đặc tính I – V, P – V của hệ thống pin mặt trời. .......................... 30
Hình 2.14. Mô hình hệ thống pin mặt trời. ........................................................................ 31
Hình 2.15. Phân loại cấu hình bộ biến đổi DC-DC ........................................................... 31
Hình 2.16. Cấu hình các bộ DC-DC không cách ly .......................................................... 32
iii
Danh mục hình vẽ
Hình 2.17. Cấu hình bộ biến đổi Forward & Push-Pull .................................................... 32
Hình 2.18. Cấu hình bộ biến đổi Flyback .......................................................................... 33
Hình 2.19. Cấu hình Half-Bridge và Full-Bridge .............................................................. 34
Hình 2.20. Nghịch lưu cầu 1 pha ....................................................................................... 34
Hình 2.21. Nghịch lưu có điểm trung tính......................................................................... 34
Hình 2.22. Giản đồ xung của nghịch lưu cầu 1 pha .......................................................... 36
Hình 2.23. Sơ đồ nghịch lưu áp cầu 1 pha ........................................................................ 37
Hình 2.24. a) Nghịch lưu cộng hưởng song song – b) Giản đồ xung ............................... 37
Hình 2.25. a) Nghịch lưu cộng hưởng nối tiếp – b) Sơ đồ thay thế .................................. 37
Hình 2.26 Luật điều khiển ................................................................................................. 38
Hình 2.27. Sơ đồ khối bộ điều khiển van của PWM ......................................................... 39
Hình 2.28. Điện áp ra bộ nghịch lưu điều khiển bởi xung đơn cực. ................................. 40
Hình 2.29. Điện áp ra bộ nghịch lưu điều khiển bởi xung lưỡng cực. .............................. 40
Hình 2.30. Sơ đồ nạp với dòng điện không đổi ................................................................. 42
Hình 2.31. Quan hệ nồng độ dung dịch điện phân và trạng thái điện của ắc quy ............. 43
Hình 2.32. Bốn giai đoạn sạc ắc quy ................................................................................. 45
Hình 2.33. Giải thuật sạc ắc quy hai giai đoạn kết hợp MPPT ......................................... 46
Hình 3.1. Mô hình hệ thống pin mặt trời. .......................................................................... 47
Hình 3.2 Đồ thị đặc tính Kyocera KC130GHT-2 ............................................................. 48
Hình 3.3 Đồ thị đặc tính IV và PV của hệ tại cường độ bức xạ 1kW/m2 ......................... 49
Hình 3.4 Đồ thị đặc tính IV và PV của hệ tại các mức cường độ bức xạ khác nhau ........ 50
Hình 3.5. Mô hình bộ biến đổi tăng áp .............................................................................. 52
Hình 3.6. Sơ đờ thay thế a) Mosfet đóng, b) Mosfet cắt ................................................... 52
Hình 3.7. a) Dạng sóng điện áp trên cuộn cảm, b) Dạng sóng dòng điện trên tụ điện...... 53
Hình 3.7. c) Dạng sóng điện áp và dòng điện ở chế độ dòng liên tục ............................... 53
Hình 3.8. Dạng sóng điện áp đầu ra .................................................................................. 54
Hình 3.9. Dạng sóng dòng điện trên cuộn cảm ................................................................. 55
Hình 3.10. Nghịch lưu cầu H............................................................................................ 57
iv
Danh mục hình vẽ
Hình 3.11. Sơ đồ kết nối IR2101 ...................................................................................... 57
Hình 3.12a. Vi điều khiển 18F2331 .................................................................................. 59
Hình 3.12b. Vi điều khiển 18F2331 .................................................................................. 60
Hình 3.13. ACS 712 .......................................................................................................... 62
Hình 3.14. Mạch sạc ắc quy nạp/xả .................................................................................. 63
Hình 3.15. Sơ đồ mạch hệ thống ....................................................................................... 64
Hình 3.16. Lưu đồ thuật toán chương trình sạc ắc quy bám MPPT .................................. 66
Hình 3.17. Lưu đờ thuật tốn chương trình bám điểm công suất cực đại MPPT .............. 67
Hình 3.18. Lưu đồ thuật toán chương trình điều khiển nghịc lưu ..................................... 68
Hình 4.1. Mô phỏng Iph ...................................................................................................... 70
Hình 4.2. Mô phỏng Irs ...................................................................................................... 70
Hình 4.3. Mô hình pin mặt trời với 4 thông số H, T, V, I ................................................. 71
Hình 4.4. Sơ đồ giải thuật P&O......................................................................................... 71
Hình 4.5. Sơ đồ giải thuật INC .......................................................................................... 72
Hình 4.6. Hệ pin mặt trời với bộ điều khiển MPPT .......................................................... 73
Hình 4.7. Đồ thị điện áp đầu vào của bộ Boost converter ................................................. 73
Hình 4.8. Đồ thị điện áp đầu ra của bộ Boost converter ................................................... 74
Hình 4.9. Sơ đồ mô phỏng bộ inverter 1 pha .................................................................... 74
Hình 4.10. Tín hiệu điều khiển PWM ............................................................................... 75
Hình 4.11. Đặc tính I, V sau khi qua bộ nghịch lưu .......................................................... 75
Hình 4.12. Đặc tính I. V trên tải ........................................................................................ 76
v
Danh mục bảng số liệu
DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU
Bảng 3.1 Kyocera KC130GHT-2 ...................................................................................... 47
Bảng 3.2. Bảng thông số IXSH30N60AUI ....................................................................... 56
Bảng 3.3. Bảng thông số SW04PCN020 ........................................................................... 56
v
Danh mục từ viết tắt
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
MPPT
Maximum Power Tracking Point
Tìm điểm công suất cực đại
PV
Photovoltaic
Pin quang điện
P&O
Perturb and Observer
Nhiễu loạn và quan sát
INC
Incremental Conductance
Điện dẫn gia tăng
CMC
Current Mode Control
Điều khiển dòng
EMI
ElectroMagnetic Interference
Nhiễu điện từ
DC
Direct Current
Điện một chiều
AC
Alternating Current
Điện xoay chiều
VAC
Voltage Alternating Current
Điện áp xoay chiều
VDC
Voltage Direct Current
Điện áp một chiều
IC
Intergrated Control
Chip điều khiển
BAX
-
Biến áp xung
MBA
-
Máy biến áp
vi
Lời nói đầu
LỜI NĨI ĐẦU
Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu thiết kế tối ưu hệ thống năng lượng mặt trời
hoạt động độc lập, hướng tới làm chủ công nghệ thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời sử
dụng cho nhiều mục đích khác nhau. Trong thời gian tiến hành làm luận văn, em đã thực
hiện được các công việc với những kết quả như sau:
-
Chương 1: Tổng quan về hệ thống năng lượng mặt trời
-
Chương 2: Các vấn đề thiết kế – điều khiển hệ thống năng lượng mặt trời
-
Chương 3: Thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời hoạt động độc lập
-
Chương 4: Kết quả mô phỏng hệ thống bằng Matlab/Simulink
Do thời gian có hạn cũng như sự hạn chế về mặt kiến thức và thực nghiệm, luận
văn chắc chắn khơng tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy, em kính mong nhận được những
lời nhận xét, đánh giá và góp ý của các thầy cơ để em khắc phục và hồn thiện các phần
còn thiếu sót của bản luận văn, tạo tiền đề cho sự ra đời của một sản phẩm hoàn thiện
hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày
tháng
năm 2018
Học viên
Hoàng Đức Dũng
1
Chương 1. Tổng quan về hệ thống năng lượng mặt trời
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI
ĐẶT VẤN ĐỀ
Ngày nay với tình hình dân số và nền công nghiệp phát triển không ngừng, năng
lượng càng thể hiện vai trò quan trọng và trở thành yếu tố không thể thiếu trong cuộc
sống. Tuy nhiên trong khi nhu cầu sử dụng năng lượng đang ngày càng gia tăng thì các
nguồn năng lượng truyền thống được khai thác sử dụng hàng ngày đang dần cạn kiệt và
trở nên khan hiếm. Các nguồn năng lượng đang được sử dụng như nguồn nguyên liệu hóa
thạch (dầu mỏ, than đá...) cùng với sự phát triển của các ngành công nghiệp khác đang
cho thấy những tác động xấu đến môi trường, gây biến đổi khí hậu, hiệu ứng nhà kính,
cạn kiệt nguồn nước tại nhiều nơi do khơng có mưa. Trước tình hình đó, vấn đề phát triển
nguồn năng lượng mới để đáp ứng nhu cầu sử dụng là cần thiết, đòi hỏi sự quan tâm và
đầu tư nghiên cứu.
Hiện nay, việc khai thác các ng̀n năng lượng tái tạo như năng lượng gió, năng
lượng mặt trời đang được phát triển khuyến khích trên thế giới, đi đầu là các quốc gia:
Đức, Đan Mạch, Nhật Bản, Hà Lan và Mỹ. Việt Nam có vị trí địa lý nằm trong khu vực
cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao, trong đó nhiều nhất là thành phố Hồ Chí Minh
tiếp đến là các vùng miền duyên hải miền Trung sau đấy là đến các vùng Tây Bắc (Sơn
La, Lai Châu, Lào Cai...) và vùng Bắc Trung Bộ (Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh…) nên
việc khai thác nguồn năng lượng mặt trời đang được các nhà khoa học trong nước quan
tâm.
Năng lượng mặt trời có những ưu điểm như: sạch, chi phí nhiên liệu và bảo dưỡng
thấp, an tồn cho người sử dụng… Đờng thời, phát triển ngành cơng nghiệp sản xuất pin
mặt trời sẽ góp phần thay thế các ng̀n năng lượng hóa thạch, giảm phát khí thải nhà
kính, bảo vệ môi trường. Vì thế, đây được coi là ng̀n năng lượng quý giá, có thể thay
thế những dạng năng lượng cũ đang ngày càng cạn kiệt. Gần đây số lượng các hệ thống
phát năng lượng mặt trời tăng nhanh dẫn tới hình thành sự cung cấp điện dịch vụ mới và
đạt tiêu chuẩn ứng với nguồn năng lượng sạch. Đặc biệt, việc chuyển điện năng từ nguồn
năng lượng mặt trời vào nguồn điện lưới sẽ làm giảm chỉ số tiêu thụ điện từ lưới cho mỗi
đơn vị sử dụng. Công nghệ này cho ta khả năng khai thác hiệu quả tài nguyên đóng góp
2
Chương 1. Tổng quan về hệ thống năng lượng mặt trời
trực tiếp vào các nguồn cung cấp phân bố trên diện rộng dựa trên mạng lưới điện quốc
gia.
1.1. Giới thiệu về hệ thống năng lượng mặt trời
1.1.1. Năng lượng mặt trời
Năng lượng mặt trời là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ mặt trời,
cộng với một phần nhỏ năng lượng của các hạt nguyên tử khác phóng ra từ các ngơi sao.
Dòng năng lượng này sẽ tiếp tục phát ra cho đến khi phản ứng hạt nhân trên mặt trời hết
nhiên liệu, vào khoảng 5 tỉ năm nữa.
Con người đã biết sử dụng nguồn năng lượng này từ rất sớm, nhưng ứng dụng
năng lượng mặt trời vào các công nghệ sản xuất và trên quy mô rộng thì mới chỉ thực sự
vào thế kỷ 18 và cũng chủ yếu ở những nước nhiều năng lượng mặt trời, nhưng vùng sa
mạc.
Từ sau cuộc khủng hoảng năng lượng thế giới năm 1968 và 1973, năng lượng mặt
trời càng được đặc biệt quan tâm. Các nước công nghiệp phát triển đã đi tiên phong trong
việc nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời. Các ứng dụng năng lượng mặt trời phổ
biến hiện nay là điện mặt trời và nhiệt mặt trời.
1.1.2. Điện mặt trời
Điện mặt trời là lĩnh vực nghiên cứu để biến đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng
điện. Hiện nay có hai phương thức sản xuất điện từ năng lượng mặt trời.
Chuyển đổi trực tiếp ánh sang mặt trời thành điện năng bằng cách sử dụng các
tấm pin mặt trời (Photovoltaic (PV)). Phương pháp này được sử dụng nhiều trong
việc sản xuất điện quy mô lớn nhỏ khác nhau, cung cấp năng lượng cho tàu vũ
trụ hoặc chiếu sáng công cộng …vv.
Chuyển đổi gián tiếp bằng cách tạo nhiệt độ cao bằng một hệ thống gương phản
chiếu và hội tụ ánh sáng để gia nhiệt cho môi chất truyền động cho máy phát
điện. Phương pháp này ứng dụng để sản xuất quy mô lớn.
3
Chương 1. Tổng quan về hệ thống năng lượng mặt trời
1.1.3. Nhiệt điện mặt trời
Năng lượng mặt trời còn được ứng dụng để đun nước nóng, làm ấm khơng gian
bằng các tấm thu nhiệt, hoặc nấu nước bằng các chảo tập trung ánh sáng mặt trời.
Hình 1.1. Nguyên lý hoạt động của nhà máy điện mặt trời
1.2. Quang điện mặt trời
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời sử dụng pin
quang điện vì vậy ta cần tìm hiểu dặc tính của tấm pin năng lượng mặt trời
1.2.1. Khái niệm về pin quang điện
Pin quang điện (hay còn gọi là pin mặt trời, hình 1.2) là công nghệ sản xuất ra điện
năng từ các chất bán dẫn dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời. Khi ánh sáng chiếu tới các
tế bào quang điện, nó sẽ sản sinh ra điện năng. Khi khơng có ánh sáng, các tế bào này
ngưng sản xuất điện. Quá trình chuyển đổi này còn được gọi là hiệu ứng quang điện.
4
Chương 1. Tổng quan về hệ thống năng lượng mặt trời
Hình 1.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin mặt trời
1.2.4. Hiệu ứng quang điện
Hiện tượng: khi bề mặt của một tấm kim loại được chiếu bởi bức xạ điện từ có tần
số thích hợp (lớn hơn một tần số ngưỡng đặc trưng cho mỗi kim loại), các điện tử sẽ hấp
thụ năng lượng từ các photon và chuyển lên vùng dẫn tạo thành các điện tử tự do e- đồng
thời để lại các lỗ trống mang điện dương, các hạt mang điện này di chuyển tạo ra dòng
điện (gọi là dòng quang điện). Khi các điện tử bị bật ra khỏi bề mặt của tấm kim loại, ta
có hiệu ứng quang điện ngồi (external photoelectric effect), hình 1.3. Các điện tử không
thể phát ra nếu tần số của bức xạ nhỏ hơn tần số ngưỡng bởi điện tử không được cung
cấp đủ năng lượng cần thiết để vượt ra khỏi rào thế (gọi là cơng thốt). Điện tử phát xạ ra
dưới tác dụng của bức xạ điện từ được gọi là quang điện tử. Ở một số chất khác, khi được
sáng với tần số vượt trên tần số ngưỡng, các điện tử không bật ra khỏi bề mặt, thoát ra
khỏi liên kết với nguyên tử, trở thành điện tử tự do (điện tử dẫn) chuyển động trong lòng
của khối vật dẫn tạo nên hiêu ứng quang điện trong (internal photoelectric effect). Hiệu
ứng này dẫn đến sự thay đổi về tính chất dẫn điện của vật dẫn, do đó, người ta còn gọi
hiệu ứng này là hiệu ứng quang dẫn.
Hình 1.3. Hiện tượng của hiệu ứng quang điện
5
Chương 1. Tổng quan về hệ thống năng lượng mặt trời
1.2.5. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin mặt trời
a) Cấu tạo
Pin mặt trời có cấu tạo tương tự như một diode bán dẫn gờm có 2 lớp bán dẫn n và
p tiếp xúc nhau, nhưng có diện tích bề mặt rộng. Mặt trên là lớp bán dẫn loại N (Chất bán
dẫn Si pha tạp chất P) cực mỏng để ánh sáng có thể truyền qua, lớp bán dẫn này tiếp xúc
với lớp bán dẫn loại P (Chất bán dẫn Si pha tạp chất B), hình 1.4. Ngoài ra, một pin mặt
trời còn có một số thành phần khác như các điện cực, lớp phủ chống phản xạ và đế cách
điện. Hình bên dưới cho thấy cấu tạo cơ bản của một tấm pin mặt trời:
Hình 1.4. Cấu tạo pin măt trời
b) Nguyên lý hoạt động
Khi hai lớp bán dẫn p và n tiếp xúc nhau, do sự chênh lệch về mật độ các hạt dẫn
(tức là do gradient hóa thế) nên các điện tử sẽ khuếch tán từ bán dẫn n sang p, lỗ trống
khuếch tán ngược lại từ bán dẫn p sang n. Sự khuếch tán này làm cho phần bán dẫn n sát
lớp tiếp xúc tích điện dương, còn phần bán dẫn p ngay đối diện tích điện âm. Trong miền
tiếp xúc lúc này hình thành điện trường Utx hướng từ bán dẫn n sang p (Utx sẽ ngăn cản
sự khuếch tán tiếp tục của các hạt dẫn qua lớp tiếp xúc).
6
Chương 1. Tổng quan về hệ thống năng lượng mặt trời
Hình 1.5. Hoạt động của pin mặt trời
Khi chiếu sáng lớp tiếp xúc p-n, cặp điện tử - lỗ trống được tạo thành, bị tách ra
dưới tác dụng của điện trường tiếp xúc Utx và bị gia tốc về các phía đối diện tạo thành
một sức điện động quang điện (Hình 1.5). Sức điện động quang điện phụ thuộc vào bản
chất chất bán dẫn, nhiệt độ lớp tiếp xúc, bước sóng và cường độ ánh sáng tới. Lớp bán
dẫn p-n có tính chỉnh lưu như một diode, chỉ cho điện tử dẫn và lỗ trống dẫn trong vùng
tiếp xúc di chuyển về phía bán dẫn n và bán dẫn p tương ứng. Nối các đầu bán dẫn bằng
một dây dẫn thì trong dây xuất hiện dòng quang điện I đi theo chiều từ bán dẫn p qua tải
về bán dẫn n.
c) Phân loại pin mặt trời
Cho tới nay vật liệu chế tạo pin mặt trời chủ yếu là Silic và được chia thành ba loại
chính:
- Đơn tinh thể: có hiệu suất tới 16% và loại này thường đắt tiền do được cắt từ
các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module
- Đa tinh thể: làm từ thỏi đúc từ Silic nung chảy, sau đó làm nguội và làm rắn.
Loại này rẻ hơn pin đơn tinh thể nhưng hiệu suất lại thấp hơn. Tuy nhiên chúng ta có thể
tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn loại 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 có hiệu suất thấp nhất nhưng giá rẻ nhất.
7
Chương 1. Tổng quan về hệ thống năng lượng mặt trời
1.2.6. Các đặc trưng pin mặt trời
a) Sơ đồ tương đương
Khi được chiếu sáng, nếu ta nối các bán dẫn p và n của một tiếp xúc p-n bằng một
dây dẫn, thì pin mặt Trời phát ra một dòng quang điện Iph. Vì vậy trước hết pin mặt Trời
có thể xem tương đương như một “nguồn dòng”. Lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có tính chất
chỉnh lưu tương đương như một diode. Tuy nhiên, khi phân cực ngược, do điện trở lớp
tiếp xúc có giới hạn, nên vẫn có một dòng điện được gọi là dòng dò. Đặc trưng cho dòng
dò qua lớp tiếp xúc p-n người ta đưa vào đại lượng điện trở Rsh (shun).
Khi dòng quang điện chạy trong mạch, nó phải đi qua các lớp bán dẫn p và n, các
điện cực, các tiếp xúc,… Đặc trưng cho tởng các điện trở của các lớp đó là một điện trở
shun Rs nối tiếp trong mạch (có thể là điện trở trong của pin mặt Trời). Như vậy, một pin
mặt trời được chiếu sáng có sơ đờ tương đương như sau:
Hình 1.6. Sơ đồ tương đương pin mặt trời
Từ sơ đờ tương đương, có thể dễ dàng viết được những phương trình đặc trưng
Volt
– Ampere của pin mặt trời như sau:
q(V Rs I ) V Rs I
I I I d I sh I I s exp
1
nkT
Rsh
Trong đó:
I 𝜭: dòng quang điện (A/m2).
Id : dòng qua diot (A/m2).
Ish : dòng dò (A/m2).
Is : dòng bão hòa (A/m2).
8
(1.1)
Chương 1. Tổng quan về hệ thống năng lượng mặt trời
n : được gọi là thừa số lý tưởng phụ thuộc vào các mức độ hồn thiện cơng nghệ
pin mặt trời. Gần đúng có thể lấy n = 1.
Rs : điện trở nối tiếp (điện trở trong) của pin mặt Trời (Ω/m2);
Rsh : điện trở shun (Ω/m2);
q : điện tích của điện tử (C);
Thông thường điện trở sơn Rsh rất lớn vì vậy có thể bỏ qua số hạng cuối trong biểu
thức (1.1).
b) Dòng ngắn mạch Isc
Dòng ngắn mạch Isc là dòng điện trong mạch của pin mặt Trời khi làm ngắn mạch
ngồi (chập các cực của pin). Lúc đó hiệu điện thế mạch ngoài của pin bằng V = 0. Đặt
giá trị V = 0 vào biểu thức (1.1) ta có:
qR I
RI
I sc I ph I s exp s sc 1 s sc
nkT
Rsh
(1.2)
Ở các điều kiện chiếu sáng bình thường (khơng có hội tụ) thì hiệu ứng điện trở nối
tiếp Rs có thể bỏ qua, và Id= 0 và do đó ta có: Isc = Iph = αE. Trong đó E là cường độ sáng,
α là một hệ số tỉ lệ. Như vậy ở điều kiện bình thường, dòng ngắn mạch Isc của pin mặt trời
tỷ lệ thuận với cường độ bức xạ chiếu sáng. Hình 1.7.
Hình 1.7. Đặc tính V-A và đặc tính P-V của pin mặt trời
9
Chương 1. Tổng quan về hệ thống năng lượng mặt trời
c) Điện áp hở mạch Voc
Điện áp hở mạch VOC là hiệu điện thế được đo khi mạch ngoài của pin mặt trời hở
(R=∞). Khi đó dòng mạch ngồi I = 0. Đặt giá trị đó của dòng mạch ngồi vào (1.1) và
giả thiết Rsh rất lớn ta được biểu thức xác định VOC như sau:
qV
qV
0 I ph I s exp oc 1 I ph I s exp oc I s
nkT
nkT
qV
I ph I s I s exp oc
nkT
nkT I ph I s
Voc
ln
q
Is
(1.3)
Trong biểu thức của VOC ta thấy nó phụ thuộc vào nhiệt độ một cách trực tiếp (thừa
số T ở trước biểu thức) và gián tiếp qua dòng bão hòa IS (hình 1.8).
Hình 1.8. Đặc tính V-A ở các nhiệt độ khác nhau
d) Điểm làm việc cực đại
Xét một đường đặc tính V-A của pin mặt Trời đối với một cường độ bức xạ cho
trước và ở nhiệt độ xác định. Nếu các cực của pin mặt trời được nối với tải tiêu thụ điện
R thì điểm cắt nhau của đường đăc tính V-A của pin mặt Trời và đường đặc trưng của tải
trong tọa độ OIV là điểm làm việc của pin mặt Trời. Nếu tải tiêu thụ điện của một pin
mặt trời là một tải điện trở Ohm thuần, thì đường đặc trưng tải là một đường thẳng đi qua
gốc
tọa độ và có độ nghiêng α đối với trục OV và tgα = 1/R (trên hình 1.9), (theo định
luật Ohm ta có I = V/R). Trong trường hợp này, cơng suất pin mặt trời cấp cho tải chỉ phụ
10
Chương 1. Tổng quan về hệ thống năng lượng mặt trời
thuộc vào giá trị điện trở R.
Trong tọa độ OIV, công suất pin mặt Trời cấp cho tải R bằng diện tích hình chữ
nhật giới hạn bởi hoành độ và tung độ của điểm làm việc. Với các giá trị R khác nhau,
các
điểm làm việc sẽ khác nhau và do đó tải tiêu thụ cũng khác nhau. Tờn tại một giá trị
R=ROPT mà tại đó cơng suất tải tiêu thụ là cực đại. Điểm làm việc ứng với công suất cực
đại, điểm A trên hình 1.9, là điểm tiếp xúc giữa đường đặc tính VA của pin mặt Trời và
đường công suất không đổi (đường công suất không đổi IV = const là các đường
hypecbol).
Hình 1.9. Điểm làm việc và điểm công suất cực đại
Giá trị điện trở tải tối ưu ROPT được xác định theo định luật Ohm:
ROPT
VOPT
I OPT
(1.4)
Ở điều kiện cường độ bức xạ không đổi và nhiệt độ cho trước ta thấy:
Nếu điện trở tải nhỏ, R << ROPT, pin mặt trời làm việc trong miền MN là miền
11
Chương 1. Tổng quan về hệ thống năng lượng mặt trời
mà cường độ dòng điện gần như không đổi và gần bằng dòng đoản mạch ISC.
Nếu điện trở tải R lớn, R >> ROPT, pin mặt Trời làm việc trong miền PS với hiệu
điện thế gần như không đổi và bằng thế hở mạch VOC.
Ta thấy rằng pin mặt Trời chỉ làm việc có hiệu quả khi tải tiêu thụ điện có giá trị
lân cận ROPT. Điều này khơng phải lúc nào cũng dễ dàng đạt được bởi vì điểm làm việc
ngay đối với một máy tiêu thụ điện cũng thay đởi. Ngồi ra bức xạ mặt Trời và nhiệt độ
của môi trường thay đổi liên tục theo thời gian, nên đường đặc tính V-A của pin mặt Trời
cũng thay đởi và do đó làm dịch chuyển điểm làm việc ra khỏi điểm làm việc tối ưu.
Công suất đỉnh là công suất ra cực đại của pin mặt trời dưới điều kiện cường độ bức xạ
và nhiệt độ nhất định. Thường được tính dưới điều kiện thử nghiệm chuẩn (STC :
Standard Test Condition) là cường độ bức xạ 1000W/m2 và nhiệt độ 250C. Công suất
đỉnh thường được đo bằng Wp (Watt peak), để chỉ ra giá công suất đỉnh ở điều kiện
phòng thí nghiệm, giá trị này rất khó đạt được dưới điều kiện hoạt động thực tế.
e) Hiệu suất chuyển đổi năng lượng
Hiệu suất chuyển đổi quang năng là tỉ lệ phần trăm năng lượng photon đã chuyển
hóa thành điện năng khi pin được nối với tải trên năng lượng photon thu vào.
Pmax
E. A
(1.5)
Với: E (W/m2) : cường độ bức xạ tới.
A (m²) : diện tích bề mặt của pin.
Thừa số lấp đầy Kf (Fill factor)
Thừa số lấp đầy là tỉ số giữa công suất cực đại với tích của điện áp hở mạch Voc và
dòng ngắn mạch Isc.
Kf
Pmax
VOC .I SC
(1.6)
Các thơng số quang điện hóa gờm dòng ngắn mạch ISC, thế mạch hở VOC, và công
suất cực đại Pmax được xác định từ đường đặc trưng V-A.
12
Chương 1. Tổng quan về hệ thống năng lượng mặt trời
Nhận xét: sau khi đã khảo sát được ảnh hưởng của các yếu tố bên trong (Rs,Rsh) và các
yếu tố bên ngoài (Bức xạ mặt trời, nhiệt độ) lên đặc tính của tấm pin mặt trời. Cho thấy
khi các yếu tố khí hậu bên ngồi thay đởi thì đường đặc tính sẽ thay đởi theo do đó điểm
có cơng suất lớn nhất cũng di chuyển theo và vị trí của điểm MPP đó khơng thể biết trước
được nó đang nằm ở đâu. Do đó, việc cần thiết để khai thác hiệu quả tấm pin mặt trời là
phải có một thuật toán để theo dõi được quá trình di chuyển, vị trí của điểm MPP và áp
đặt hệ thống năng lượng mặt trời phải hoạt động tại điểm MPP đó.
1.3. Ứng dụng pin mặt trời trong đời sống
1.3.1. Tích hợp vào thiết bị
Pin mặt trời có ưu điểm gọn nhẹ có thể lắp vào bất kì đâu có ánh sáng mặt trời,
đặc biệt được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực hàng không vũ trụ. Những nơi mà các
nguồn năng lượng thông dụng không thể cung cấp tới.
Hình 1.10. Trạm vũ trụ ISS và Robot tự hành trên sao hỏa
Pin mặt trời cũng được tích hợp vào các thiết bị sử dụng trong đời sống hàng ngày
như: đồng hồ, máy tính, đèn đường … Nó là ng̀n năng lượng xanh, sạch đang dần được
ứng dụng vào các phương tiện giao thông thay thế cho các nguyên liệu truyền thống gây
ô nhiễm môi trường.
1.3.2. Nguồn điện di động
Nguồn điện này sẽ cung cấp điện cho các thiết bị điện tại bất kì nơi đâu. Đặc biệt
những mơi khơng có ng̀n điện lưới như vùng sâu vùng xa, hải đảo, trên biển …
Các ứng dụng nguồn điện di động phải kể tới bộ sạc năng lượng mặt trời, cặp năng
lượng mặt trời, áo năng lượng mặt trời, trạm điện năng lượng mặt trời di động.
13
Chương 1. Tổng quan về hệ thống năng lượng mặt trời
Hình 1.11. Nguồn sạc di động và hệ thống điện trên tàu biển
1.3.3. Ng̀n điện cho tịa nhà
Ng̀n điện cho tòa nhà là một trong những giải pháp vừa giúp giảm hóa đơn tiền
điện hàng tháng, vừa giúp giảm đầu tư của xã hội cho các công trình nhà máy điện khởng
lờ bằng cách kết hợp sức mạnh của tồn dân trong việc tạo ra điện phục vụ đời sống sản
xuất chung.
Hình 1.12. Ngói năng lương mặt trời của cơng ty Tesla (Mỹ)
Nguồn điện cho tòa nhà được chia thành 2 loại đó là ng̀n điện mặt trời cục bộ và
nguồn điện mặt trời hòa lưới điện quốc gia. Riêng ng̀n điện mặt trời hòa lưới điện quốc
gia có nhiều ưu điểm và mang lại lợi ích kinh tế cao. Sử dụng nguồn điện mặt trời trong
gia đình vừa giúp bảo vệ môi trường, vừa thể hiện phong cách sống hiện đại.
14
Chương 1. Tổng quan về hệ thống năng lượng mặt trời
1.3.4. Nhà máy điện mặt trời
Bằng cách kết nối nhiều ng̀n điện mặt trời với nhau có thể tạo ra được tở hợp ng̀n
điện mặt trời có đủ khả năng thay thế một nhà máy phát điện.
Hình 1.13. Nhà máy điện sử dụng pin mặt trời
Nhà máy điện mặt trời có thể cung cấp cho một thành phố, một hòn đảo… Hiện
nay số lượng nhà máy điện mặt trời trên thế giới còn hạn chế, tuy nhiên trong tương lai số
lượng này sẽ tăng lên khi giá thành của pin mặt trời giảm xuống.
1.4. Điện mặt trời tại Việt Nam
1.4.1. Tiềm năng điện mặt trời ở Việt Nam
Theo Đặng Đình Thống (2008), Việt Nam thuộc vùng có bức xạ mặt trời vào loại
cao trên thế giới, với số giờ nắng dao động từ 1600-2600giờ/năm, (trung bình xấp xỉ
5kwh/m2/ngày), được đánh giá là khu vực có tiềm năng rất lớn về năng lượng mặt trời,
đặc biệt là tại khu vực miền Trung và miền Nam. Theo các nhà chuyên môn thì trong
tương lai, nhu cầu sử dụng các thiết bị chạy bằng năng lượng mặt trời ở nước ta là rất lớn,
kể cả khu vực thành thị cũng như khu vực nơng thơn. Pin mặt trời vừa có thể thay thế cho
thuỷ điện nhỏ khi mùa hanh khơ, vừa có thể là nguồn năng lượng dự trữ khi điện lưới
quốc gia không đủ cung cấp cho người dân.
1.4.2. Những dự án điện mặt trời ở Việt Nam
Tuy tiềm năng điện mặt trời ở Việt Nam là rất lớn nhưng do chi phí phát triển điện
mặt trời trước còn khá cao nên các dự án điện mặt trời ở Việt Nam chủ yếu có quy mơ
nhỏ lẻ và mang tính chất thử nghiệm. Các dự án điện mặt trời này thường là các hệ thống
15
