Nghiên cứu một số giải pháp kết nối hệ thống điện mặt trời với lưới điện trung áp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
----------------------------

ĐỒNG QUANG MẠNH

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP KẾT NỐI HỆ THỐNG
ĐIỆN MẶT TRỜI VỚI LƯỚI ĐIỆN TRUNG ÁP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

GƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. NGUYỄN HOÀNG VIỆT

Hà Nội – 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
----------------------------

ĐỒNG QUANG MẠNH

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP KẾT NỐI HỆ THỐNG
ĐIỆN MẶT TRỜI VỚI LƯỚI ĐIỆN TRUNG ÁP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. NGUYỄN HOÀNG VIỆT

Hà Nội – 2017


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn thạc sỹ với nội dung đề tài là “Nghiên cứu một số
giải pháp kết nối hệ thống điện mặt trời với lưới điện trung áp” do giảng viên, TS.
Nguyễn Hoàng Việt hướng dẫn là nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham
khảo đều có nguồn gốc và xuất xứ rõ ràng.
Hà Nội, ngày 12 tháng 10 năm 2017
Học viên

Đồng Quang Mạnh

1


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................... 1
Học viên .................................................................................................................... 1
MỤC LỤC .............................................................................................................. 2
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT..................................................................... 4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .................................................................................. 5
MỞ ĐẦU.................................................................................................................. 8
1. Tính cấp thiết của đề tài........................................................................................ 8
2. Mục đích và mục tiêu nghiên cứu ........................................................................ 8
3. Tình hình nghiên cứu ........................................................................................... 8
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................ 9
5. Phương pháp nghiên cứu ...................................................................................... 9

6. Những đóng góp mới của luận văn ....................................................................... 9
7. Kết cấu của luận văn ............................................................................................. 9
CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT NHỮNG NGHIÊN CỨU VÀ SỰ PHÁT TRIỂN
CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI.................................. 11
1.1. Giới thiệu về hệ thống pin mặt trời [2] ........................................................... 11
1.1.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động [3] ............................................................... 11
1.1.2. Lịch sử phát triển của năng lượng điện mặt trời [5] ...................................... 13
1.1.3. Các đặc trưng của PMT ................................................................................. 15
1.1.4. Tấm pin mặt trời và các cách ghép nối module mặt trời ............................... 17
1.2. Các hình thức hoạt động của hệ thống điện năng lượng mặt trời [1] ........... 21
1.2.1. Hệ thống điện năng lượng mặt trời hoạt động độc lập ................................... 22
1.2.2. Hệ thống điện năng lượng mặt trời kết nối lưới............................................. 24
CHƯƠNG 2 - HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI KẾT NỐI LƯỚI VÀ
CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI ............. 25
2.1. Hệ thống điện mặt trời kết nối lưới (Gird – Connected PV system) .............. 25
2.1.1. Cấu trúc chung hệ thống điện mặt trời nối lưới không dự trữ [2] .................. 25
2.1.2. Một số yêu cầu khi nối PV với lưới điện [6] ................................................. 27
2.1.3. Các bộ biến đổi trong hệ điện mặt trời hoạt động kết nối lưới [2] ................ 27
2


2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống năng lượng điện mặt trời. .................... 35
2.2.1.

Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng [3] .................................................... 35

2.2.2.

Ảnh hưởng của nhiệt độ [3] ..................................................................... 36

2.2.3.

Mơ hình mơ phỏng hệ thống điện mặt trời kết nối lưới .......................... 37

CHƯƠNG 3 – PHƯƠNG THỨC KẾT NỐI ĐIỆN MẶT TRỜI VỚI LƯỚI
ĐIỆN TRUNG ÁP ................................................................................................. 49
3.1. Lưới điện phân phối ......................................................................................... 49
3.1.1. Mơ hình lưới điện phân phối và phụ tải ........................................................ 52
3.1.2. Tính tốn lưới điện phân phối ....................................................................... 54
3.2. Phương thức điện mặt trời kết nối lưới trung áp .............................................. 57
CHƯƠNG 4 – ẢNH HƯỞNG CỦA PHƯƠNG THỨC KẾT NỐI ĐIỆN
MẶT TRỜI TỚI LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI .............................................. 59
4.1. Kịch bản nghiên cứu ......................................................................................... 59
4.2. Diễn biến điện áp trong lưới phân phối............................................................ 59
4.3. Tổng tổn thất công suất tác dụng trong lưới phân phối ................................... 63
4.4. Tổng công suất tác dụng yêu cầu từ nguồn điện chính .................................... 67
KẾT LUẬN ............................................................................................................ 74
PHỤ LỤC A ........................................................................................................... 75
PHỤ LỤC B ........................................................................................................... 77
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 79

3


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt

Tên tiếng Anh

Tên tiếng Việt

HTĐ

Electric power system

Hệ thống điện

INC

Incremental Conductance

Điện dẫn gia tăng

MBA

Transformer

Máy biến áp

MPPT

Maximum Power Point Tracking

Bám công suất cực đại

MPP

Maximum Power Point

Điểm công suất lớn nhất

NM

Short circuit

Ngắn mạch

P&O

Purturb and Observer

Nhiễu loạn và quan sát

PMT

Solar cell

Pin Mặt trời

PLL

Phase-locked-loop

Vịng khóa pha

PV

Photovoltaics

Điện mặt trời

PWM

Pulse Width Modulation

Điều chế độ rộng xung

V-A

Volt – Ampere

Vôn – Ampe

VSC

Voltage Source Converters

Bộ chuyển đổi nguồn áp

4


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1. 1 Chất bán dẫn P-N ....................................................................................... 12
Hình 1. 2 Sơ đồ cấu tạo 1 tấm pin mặt trời .................................................................. 13
Hình 1. 3 Sơ đồ thay thế pin mặt trời........................................................................... 15
Hình 1. 4 Đường đặc trưng sáng của PMT .................................................................. 17
Hình 1. 5 Mơ hình 1 Cell, Module và Array pin mặt trời ............................................ 18
Hình 1. 6 Sơ đồ tương đương và đường đặc tính V – A ghép nối tiếp ........................ 20
Hình 1. 7 Sơ đồ tương đương và đường đặc tính V – A ghép song song .................... 21

Hình 1. 8 Hệ thống điện năng lượng mặt trời hoạt động độc lập ................................ 22
Hình 1. 9 Sơ đồ khối của hệ thống điện mặt trời hoạt động độc lập ........................... 23
Hình 1. 10 Sơ đồ hệ thống điện năng lượng mặt trời kết nối lưới ............................... 24
Hình 2. 1 Cấu trúc chung hệ thống điện mặt trời nối lưới không dự trữ ..................... 25
Hình 2. 2 Sơ đồ khối HTĐ mặt trời nghịch lưu nguồn áp khơng cách ly.................... 26
Hình 2. 3 Bộ biến đổi DC/DC tăng áp (Boost Converter) ........................................... 28
Hình 2. 4 Phương pháp tìm điểm làm việc cơng suất lớn nhất P&O ........................... 30
Hình 2. 5 Lưu đồ thuật tốn phương pháp P&O .......................................................... 31
Hình 2. 6 Phương pháp điện dẫn gia tăng .................................................................... 33
Hình 2. 8 Đặc tính Von – Apme với ảnh hưởng của cường độ sáng .......................... 35
Hình 2. 9 Đặc tính Von – Apme với sự ảnh hưởng của nhiệt độ ................................ 36
Hình 2.10: Mơ hình mô phỏng hệ thống điện mặt trời nối lưới .................................. 37
Hình 2.11: Mơ hình mơ phỏng dàn Pin mặt trời .......................................................... 38
Hình 2.12: Mơ hình mạch điều chỉnh điện áp DC/DC ................................................ 38
Hình 2.13 : Phương pháp điện dẫn gia tăng ................................................................. 39
Hình 2.14 : Thuật tốn INC ......................................................................................... 40
Hình 2.15: Mạch nghịch lưu nguồn áp ba pha ............................................................. 41
Hình 2.16: Sơ đồ khối của mạch điều khiển tín hiệu nghịch lưu ................................ 42
Hình 2.17: Sơ đồ các khối điều khiển trong mơ phỏng Simulink ............................... 42
Hình 2.18: Vịng khóa PLL trong mơ phỏng ............................................................... 43
Hình 2.19 : Khâu điều khiển Current control .............................................................. 43
5


Hình 2.20: Lưới điện kết nối với PV ........................................................................... 44
Hình 2. 21 Quan hệ công suất và cường độ sáng Ir ở pin SunPower SPR-305-WHT 46
Hình 2. 22 Quan hệ công suất và cường độ sáng Ir ở pin Sanyo HIP-225HDE1........ 46
Hình 2. 23 Quan hệ cơng suất và nhiệt độ T pin SunPower SPR-305-WHT khi
Ir=[400;800;1000] W/m2 ............................................................................................. 47
Hình 2. 24 Quan hệ công suất và nhiệt

độ T

pin Sanyo HIP-225HDE1 khi

Ir=[400;800;1000]W/m2 .............................................................................................. 48
Hình 3. 1 Lưới điện hình tia ......................................................................................... 49
Hình 3. 2 Lưới điện hình tia có phân đoạn .................................................................. 49
Hình 3. 3 Lưới kín vận hành hở do 1 nguồn cung cấp ................................................ 50
Hình 3. 4 Lưới điện kiểu đường trục ........................................................................... 50
Hình 3. 5 Hệ thống phân phối điện .............................................................................. 51
Hình 3. 6 Điện áp lưới phân phối khi có điện mặt trời kết nối lưới ............................ 52
Hình 3. 7 Lưới điện mẫu 14 nút. .................................................................................. 52
Hình 3. 8 Mơ hình phụ tải ZIP. .................................................................................... 53
Hình 3. 9 Lưu đồ tính tốn chế độ xác lập cho tải tổng trở khơng đổi ........................ 54
Hình 3. 10 Lưu đồ tính tốn chế độ xác lập cho tải dịng điện khơng đổi ................... 55
Hình 3. 11 Lưu đồ tính tốn chế độ xác lập cho tải ZIP .............................................. 55
Hình 3. 12 Phương pháp Newton-Raphson sử dụng trong tính tốn lưới điện. .......... 56
Hình 3. 13 Điện mặt trời kết nối gần nguồn (trường hợp 1). ....................................... 57
Hình 3. 14 Điện mặt trời kết nối xa nguồn (trường hợp 2). ......................................... 58
Hình 4. 1 Điện áp tại các nút (tải: Z% = 50%; I% = 25%; P% = 25%)....................... 60
Hình 4. 2 Điện áp tại các nút (tải: Z% = 25%; I% = 50%; P% = 25%)....................... 60
Hình 4. 3 Điện áp tại các nút (tải: Z% = 25%; I% = 25%; P% = 50%)....................... 61
Hình 4. 4 Điện áp tại các nút (tải thuần Z% = 100%) ................................................. 61
Hình 4. 5 Điện áp tại các nút (tải thuần I% = 100%)................................................... 62
Hình 4. 6 Điện áp tại các nút (tải thuần P% = 100%) .................................................. 62
Hình 4. 7 Tổng tổn thất công suất P (tải: Z% = 50%; I% = 25%; P% = 25%) ........... 64
6

Hình 4. 8 Tổng tổn thất cơng suất P (tải: Z% = 25%; I% = 50%; P% = 25%) ........... 64
Hình 4. 9 Tổng tổn thất cơng suất P (tải: Z% = 25%; I% = 25%; P% = 50%) .......... 65
Hình 4. 10 Tổng tổn thất cơng suất P (tải thuần Z% = 100%) .................................... 65
Hình 4. 11 Tổng tổn thất cơng suất P (tải thuần I% = 100%)...................................... 66
Hình 4. 12 Tổng tổn thất công suất P (tải thuần P% = 100%) ..................................... 66
Hình 4. 13 Tổng cơng suất P lấy từ TBA (tải: Z% = 50%; I% = 25%; P% = 25%) ... 68
Hình 4. 14 Tổng cơng suất P lấy từ TBA (tải: Z% = 25%; I% = 50%; P% = 25%) ... 68
Hình 4. 15 Tổng công suất P lấy từ TBA (tải: Z% = 25%; I% = 25%; P% = 50%) ... 69
Hình 4. 16 Tổng công suất P lấy từ TBA (tải thuần Z% = 100%) ............................. 69
Hình 4. 17 Tổng cơng suất P lấy từ TBA (tải thuần I% = 100%) ............................... 70
Hình 4. 18 Tổng công suất P lấy từ TBA (tải thuần P% = 100%)............................... 70
Hình 4. 19 Tổng cơng suất P cần huy động thêm từ TBA (điện mặt trời gần TBA)... 72
Hình 4. 20 Tổng cơng suất P cần huy động thêm từ TBA (điện mặt trời xa TBA)..... 72

7


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay, điện năng chủ yếu được tạo ra từ các nguồn nhiên liệu hóa thạch,
dầu, thủy năng và năng lượng nguyên tử. Tuy nhiên, do sự cạn kiệt của tài nguyên
thiên nhiên và vấn đề bảo vệ môi trường, việc sản xuất điện năng từ các nguồn năng
lượng tái tạo càng được quan tâm và phát triển lâu dài. Điện mặt trời là một trong
những nguồn năng lượng được đánh giá có tiềm năng lớn và có khả năng ứng dụng
cao bởi rất nhiều ưu điểm như:
- Có thể đưa đến những vùng sâu, vùng xa mà những nơi đó điện lưới khó
có thể đến được.
- Có thể lắp đặt ở trung tâm phụ tải để tiết kiệm chi phí truyền tải.
- Công suất phát lớn nhất thường tương ứng với thời kỳ phụ tải tiêu thụ
công suất cao điểm.

- Cấu trúc tĩnh, khơng có các phần động khơng gây tiếng ồn và chi phí
bảo dưỡng thấp.
- Khơng phát thải các khí gây ô nhiễm môi trường như CO2, SO2…
Từ những ưu điểm trên, điện năng lượng mặt trời đang được ứng dụng
và phát triển nhanh. Nếu như trước đây điện năng lượng mặt trời chỉ được khai
thác với công suất nhỏ, dưới dạng pin mặt trời thì những năm trở lại đây do sự cải tiến
về công nghệ chế tạo pin mặt trời kết hợp với sự phát triển của các thiết bị điện tử
công suất, nhiều hệ thống điện mặt trời cơng suất lớn đã được tạo ra và có khả năng
hịa lưới đạt hiệu quả cao.

2. Mục đích và mục tiêu nghiên cứu
Trong luận văn này, mục đích chính của đề tài gồm:
1- Nghiên cứu hệ thống điện mặt trời kết nối lưới.
2- Nghiên cứu một số giải pháp kết nối hệ thống điện mặt trời với lưới điện
trung áp.

3. Tình hình nghiên cứu
Ở nước ta, tuy nguồn điện năng lượng mặt trời chưa được phổ biến rộng
rãi nhưng đã bắt đầu có những hệ thống điện năng lượng mặt trời cơng suất lớn hịa và
8


lưới điện khu vực và trong tương lai nguồn này sẽ phát triển mạnh bởi cả mục đích
kinh tế lẫn mục đích bảo vệ mơi trường. Để đáp ứng nhu cầu đó luận văn sẽ tiến
hành: “Nghiên cứu một số giải pháp kết nối hệ thống điện mặt trời với lưới điện trung
áp”.

4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Việc hịa lưới điện mặt trời, đặc biệt là khi cơng suất điện mặt trời lớn có thể
gây ra những ảnh hưởng đến lưới về các vấn đề như: Thay đổi trào lưu cơng suất,

gây hiện tượng sóng hài, ảnh hưởng đến chất lượng điện áp, ổn định điện áp, ổn
định góc,…
Trong phạm vi luận văn thạc sỹ, ta sẽ nghiên cứu đặc tính của điện năng
lượng mặt trời và sự phụ thuộc của chúng vào điều kiện môi trường từ đó có thể
khai thác hiệu quả nguồn điện này. Đồng thời, ta cũng nghiên cứu một số giải pháp
kết nối hệ thống điện mặt trời với lưới điện trung áp.

5. Phương pháp nghiên cứu
Trong luận văn này, các phương pháp nghiên cứu chính bao gồm:
Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: Từ việc phân tích các cấu trúc cơ
bản và vận hành của pin mặt trời (PMT) ta tiến hành nghiên cứu một số giải pháp kết
nối hệ thống điện mặt trời với lưới điện trung áp.
Phương pháp mơ hình hóa: Dựa trên mơ hình nghiên cứu các yếu tố ảnh
hưởng của hệ thống điện mặt trời đến lưới điện trung áp ta nghiên cứu một số
giải pháp kết nối hệ thống điện mặt trời với lưới điện trung áp.

6. Những đóng góp mới của luận văn
Việc nghiên cứu một số giải pháp kết nối hệ thống điện mặt trời với lưới điện
trung áp là tương đối mới. Từ mơ hình nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng của hệ
thống điện mặt trời đến lưới điện trung áp, đảm bảo các đặc tính của lưới điện trung
áp.

7. Kết cấu của luận văn
Với mục đích như trên, kết cấu của luận văn được chia thành 04 chương:
9


Chương 1: Khái quát những nghiên cứu và sự phát triển của hệ thống điện
năng lượng mặt trời.
Chương 2: Nghiên cứu hệ thống điện mặt trời kết nối lưới và các yếu tố ảnh

hưởng đến hệ thống điện mặt trời.
Chương 3: Phương thức kết nối điện mặt trời với lưới điện trung áp
Chương 4: Ảnh hưởng của phương thức kết nối điện mặt trời tới lưới điện phân
phối
Luận văn được học viên hồn thành dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo
TS. Nguyễn Hồng Việt cùng sự góp ý của thầy cô trong bộ môn Hệ thống điện,
trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Em xin chân thành cảm ơn thầy TS. Nguyễn Hồng Việt cùng các thầy cơ
trong bộ mơn đã giúp em hồn thành tốt luận văn này.
Hà Nội, ngày 12 tháng 10 năm 2017
Học viên
\

Đồng Quang Mạnh

10


CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT NHỮNG NGHIÊN CỨU VÀ SỰ PHÁT
TRIỂN CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
1.1. Giới thiệu về hệ thống pin mặt trời [2]
Năng lượng bức xạ Mặt trời có thể coi như vơ tận, vậy làm thế nào để thu
được nguồn năng lượng này. Pin mặt trời (PMT) còn gọi là pin quang điện là thiết bị
ứng dụng hiệu ứng quang điện trong chất bán dẫn (thường gọi là hiệu ứng quang điện
trong quang dẫn) để tạo ra dòng điện một chiều từ ánh sáng mặt trời. Khi đó, PMT là
thiết bị quan trọng để thu lại năng lượng bức xạ mặt trời, chuyển hóa trực tiếp bức xạ
mặt trời thành điện năng thông qua hiệu ứng quang điện trong. Đây là phương pháp
xanh để tạo ra nguồn điện, đó là cơng nghệ mà cả thế giới đang hướng tới. Nội dung
của chương này sẽ đi vào tìm hiểu sâu hơn về PMT, cấu tạo, nguyên lý hoạt động,
các yếu tố ảnh hưởng và các đặc tính cơ bản của nó.

1.1.1. Cấu tạo và ngun lý hoạt động [3]
Vật liệu bán dẫn cơ bản và được sử dụng rộng rãi nhất trong tế bào quang điện
là silic đơn tinh thể. Silicon được biết đến là một chất bán dẫn. "Chất bán dẫn là vật
liệu trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Chất bán dẫn hoạt động như một
chất cách điện ở nhiệt độ thấp và có tính dẫn điện ở nhiệt độ phịng". Với tính chất như
vậy, silicon là một thành phần quan trọng trong cấu tạo của pin năng lượng mặt trời.
Silicon tuy có mức dẫn điện hạn chế nhưng nó có cấu trúc tinh thể rất phù hợp
cho việc tạo ra chất bán dẫn. Nguyên tử silicon cần 4 electron để trung hịa điện tích
nhưng lớp vỏ bên ngồi một ngun tử silicon chỉ có một nửa số electron cần thiết nên
nó sẽ bám chặt với các nguyên tử khác để tìm cách trung hịa điện tích.
Để tăng độ dẫn điện của silicon, các nhà khoa học đã “tạp chất hóa” nó bằng
cách kết hợp nó với các vật liệu khác. Quá trình này được gọi là “doping” và silicon
pha tạp với các tạp chất tạo ra nhiều electron tự do và lỗ trống. Một chất bán dẫn
silicon có hai phần, mỗi phần được pha tạp với một loại vật liệu khác. Phần đầu tiên
được pha với phốt pho, phốt pho cần 5 electron để trung hịa điện tích và có đủ 5
electron trong vỏ của nó. Khi kết hợp với silicon, một electron sẽ bị dư ra. Electron
đặc trưng cho điện tích âm nên phần này sẽ được gọi là silicon loại N (điện cực N). Để
11


tạo ra silicon loại P (điện cực P), các nhà khoa học kết hợp silicon với boron. Boron
chỉ cần 3 electron để trung hịa điện tích và khi kết hợp với silicon sẽ tạo ra những lỗ
trống cần được lấp đầy bởi electron.
Pin năng lượng Mặt trời có cấu tạo gồm 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.
Khi chất bán dẫn silicon tiếp xúc với năng lượng, các electron tự do ở điện cực
N sẽ di chuyển sang để lấp đầy các lỗ trống bên điện cực P. Sau đó, các electron từ
điện cực N và điện cực P sẽ cùng nhau tạo ra điện trường. Các tế bào năng lượng mặt
trời sẽ trở thành một diode, cho phép electron di chuyển từ điện cực P đến điện cực N,

khơng cho phép di chuyển ngược lại.
Để kích hoạt q trình cần có năng lượng tiếp xúc với các tế bào silicon. Ánh
sáng mặt trời bao gồm các hạt rất nhỏ gọi là photon được tỏa ra từ mặt trời, các hạt
nhỏ năng lượng có thể tiếp xúc với các tế bào năng lượng mặt trời và nới lỏng liên kết
của các electron ở điện cực N. Với các bước sóng thích hợp sẽ truyền cho electron
một năng lượng đủ lớn để thoát khỏi liên kết. Khi thoát khỏi liên kết, dưới tác
dụng của điện trường, electron sẽ bị kéo về phía bán dẫn loại n, cịn lỗ trống bị kéo
về phía bán dẫn loại p. Khi đó nếu nối hai cực vào hai phần bán dẫn loại n và p sẽ
đo được một hiệu điện thế. Giá trị của hiệu điện thế này phụ thuộc vào bản chất của
chất làm bán dẫn và tạp chất được hấp thụ.

Hình 1. 1 Chất bán dẫn P-N

12


Khi điện trường đã được tạo ra, tất cả những gì chúng ta cần làm là thu thập và
chuyển nó thành dịng điện có thể sử dụng. Một bộ biến tần được gắn với các tế bào
năng lượng mặt trời sẽ biến dòng điện từ một chiều (DC) thành dòng điện xoay chiều
(AC).
Về bản chất pin quang điện là một điốt bán dẫn bao gồm 2 tấm bán dẫn loại p
và loại n đặt sát cạnh nhau, khác ở chỗ pin quang điện có diện tích bề mặt rộng và có
lớp n cực mỏng để ánh sáng có thể truyền qua. Trên bề mặt pin quang điện có một lớp
chống phản xạ bởi vì khi chiếu ánh sáng vào pin quang điện sẽ có một phần ánh sáng
bị hấp thụ khi truyền qua lớp n và một phần ánh sáng sẽ bị phản xạ ngược.

Hình 1. 2 Sơ đồ cấu tạo 1 tấm pin mặt trời

1.1.2. Lịch sử phát triển của năng lượng điện mặt trời [5]
Từ thế kỷ thứ 7 trước công nguyên con người đã biết ứng dụng năng lượng

mặt trời vào phục vụ mục đích sưởi ấm bằng cách định hướng các ngôi nhà của họ
để họ có thể thu nhận được bức xạ mặt trời vào mùa đông.
Đến thế kỷ thứ 14 các định luật đầu tiên về năng lượng mặt trời được giới
thiệu tại Ý. Vào năm 1767, M.V Lomonossov đã đề nghị việc sử dụng các thấu kính
để tập trung các bức xạ. Các bước tiến quan trọng của lịch sử phát triển năng lượng
điện mặt trời được thể hiện trong bảng 1.1.
13


Bảng 1.1 Lịch sử phát triển của năng lượng điện mặt trời
Năm

Sự kiện

1839

Alexandre-Edmund Becquerel, một nhà vật lý thực nghiệm trẻ ở Pháp, phát
hiện ra hiệu ứng quang điện ở tuổi 19, trong khi giúp cha mình, thử nghiệm
với các pin điện phân tạo ra bởi hai điện cực kim loại

1873:

W. Smith, làm việc tại Anh, phát hiện ra tính quang dẫn của Selenium, đưa
đến việc phát minh ra pin quang dẫn.

1876

G. W. Adams và R.E. Day, Mỹ, quan sát thấy hiệu ứng quang điện trong
chất rắn Selenium.

1883

Ch. Frits, một nhà phát minh người Mỹ, mô tả các pin năng lượng mặt trời
được làm từ những tấm Se-wafer.

1887

tại Đức ,H. Hertz phát hiện ra rằng ánh sáng tia cực tím thay đổi điện áp
thấp nhất mà có khả năng gây một tia lửa điện giữa hai điện cực kim loại.

1888

Ed. Weston nhận được bằng sáng chế cho pin năng lượng mặt trời.

1904

A. Einstein xuất bản nghiên cứu lý thuyết tiên phong của ông về hiệu ứng
quang điện (ông nhận giải Nobel năm 1921 cho cơng trình này).

1946

Russell Ohl xem là người tạo ra pin năng lượng mặt trời đầu tiên với
hiệu suất 1%.

1954

Tế bào quang điện đạt hiệu suất 6% được làm từ Silic (Phịng thí
nghiệm Bell ở Mỹ) và Cu2S/CdS (Không quân Mỹ).

1963

Sharp Corp (Nhật) đã sản xuất những tấm pin mặt trời tinh thể Silic
thương mại đầu tiên.

1966

Đài quan sát thiên văn của NASA sử dụng hệ thống pin mặt trời công
suất 1kW.

1973

Do cuộc khủng hoảng dầu mỏ, các nước bắt đầu quan tâm nhiều hơn
tới năng lượng tái tạo. Hội thảo Cherry Hill tại Mỹ đánh dấu sự ra
đời quỹ nghiên cứu về điện mặt trời. Ngôi nhà đầu tiên được lắp hệ
thống pin mặt trời làm từ Cu2S do trường hợp ĐH Delaware chế tạo.

1982

Nhà máy điện mặt trời đầu tiên có cơng suất 1MW được hoàn thành ở Mỹ.

1985

M. Green tại Đại học New South Wales, Autralia, phá vỡ rào cản về
hiệu suất 20% cho pin năng lượng mặt trời đơn tinh thể (monocrystal, cSi) dưới một nắng trong phịng thí nghiệm.

1999

M.A Green và J.Zhao đạt được hiệu xuất kỷ lục 24,7% trong phịng
thí nghiệm với pin mặt trời đơn tinh thể c-Si.
Tổng công suất lắp đặt điện mặt trời trên thế giới đạt 1GW.

2010

Tổng công suất điện mặt trời trên thế giới đạt 37,4GW (Trong đó nước
Đức có cơng suất lớn nhất với 7,6 GW).

14


1.1.3. Các đặc trưng của PMT
1. Sơ đồ thay thế pin mặt trời [2]
Khi được chiếu sáng, nếu ta nối các bán dẫn p và n của một tiếp xúc p-n
bằng một dây dẫn thì PMT phát ra một dịng quang điện Iph. Vì vậy trước hết PMT
có thể xem tương đương như một “nguồn dòng”.
Sơ đồ thay thế tương đương của một PMT được thể hiện trên hình 1.2.
Trong đó:
Rs: Điện trở nối tiếp;
Rsh: Điện trở shunt.
I
Rs

Iph

Td

Rsh

V

Hình 1. 3 Sơ đồ thay thế pin mặt trời

Mạch điện tương đương của pin mặt trời gồm một nguồn dòng Iph mắc song
song với một điốt. Điện trở Rsh biểu thị cho dòng rò ở pin, điện trở mắc nối tiếp Rs là
điện trở tiếp xúc giữa các dây nối điện và điện trở của lớp bán dẫn (pin MT lý tưởng
sẽ khơng có thành phần Rsh và Rs) Tuy nhiên, nếu nó được nối tiếp với một nguồn
cấp bên ngồi (điện áp lớn) thì nó sẽ tạo ra dịng Id cịn gọi là dòng Điốt hay dòng tối.
Điốt trong mạch quyết định đặc tính I – V của tế bào quang điện.
Ảnh hưởng của điện trở trong các tế bào pin mặt trời làm giảm hiệu suất của
các tế bào pin mặt trời bằng các tiêu hao năng lượng trên điện trở.
Điện trở nối tiếp trong một tế bào pin mặt trời có 3 ngun nhân:
1- Sự chuyển động của dịng điện qua các vùng E và B của các tế bào pin
mặt trời;
15


2- Điện trở tiếp xúc giữa tiếp xúc kim loại và silic;
3- Điện trở của tiếp xúc của kim loại phía trên và sau.
Tác động chính của điện trở nối tiếp làm giảm hệ số đầy (fill factor FF).
Điện trở shunt bao gồm các đặc điểm sau:
Tổn thất điện năng đáng kể gây ra bởi 1 điện trở shunt (Rsh) thường là do lỗi
sản xuất;
Điện trở shunt thấp gây ra tổn thất điện năng trong các tế bào pin mặt trời
bằng cách cung cấp một con đường thay thế dòng trong pin quang điện. Một dòng
như vậy làm giảm số lượng dòng chảy qua tế bào pin mặt trời và làm giảm điện áp
từ ác tế bào pin mặt trời.
Tác động của điện trở shunt là đặc biệt nghiêm trọng ở mức độ ánh sáng
thấp , vì sẽ có ít dịng pin quang điện hình thành.
2. Phương trình tốn học của pin mặt trời
Từ sơ đồ tương đương ở trên, ta có phương trình đặc trưng sáng Von –
Ampe của pin Mặt trời như biểu thức (1.1):

q(V  R s I)  V  R s I

I = Iph - Id - Ish  Iph - Is  exp
 1 
nkT
R sh


Trong đó:
Iph: Là dịng quang điện (dịng NM khi khơng có Rs và Rsh), (A/m2);
Is: Là dịng bão hịa, (A/m2);
Id: Là dịng qua điốt, (A/m2);
q: Là điện tích của điện tử C = 1,60219. 10-19, Coulomb (+1e);
k: Là hệ số Boltzman = 1,38.10-23 (J/k);
T: Là nhiệt độ K
I, V, Rs, Rsh: Lần lượt là dòng điện ra, điện áp ra, điện trở trong Rs
(Ω/m2) và điện trở sơn Rsh của pin Mặt trời.

16


3. Đường đặc trưng sáng của PMT [3]
Đường đặc trưng sáng V-A của PMT cho bởi biểu thức (1.1) có dạng như
đường cong trong hình 1.4.

Hình 1. 4 Đường đặc trưng sáng của PMT

Có ba điểm quan trọng trên đường đặc trưng này:
1- Dòng đoản mạch: Isc

2- Thế hở mạch: Voc
3- Điểm làm việc công suất cực đại của PMT: PM.
1.1.4. Tấm pin mặt trời và các cách ghép nối module mặt trời
1. Tấm pin mặt trời [4]
Tấm năng lượng mặt trời được tạo thành từ nhiều pin mặt trời có thể mắc nối tiếp
hoặc song song với nhau. Qua những tấm pin mặt trời, năng lượng mặt trời được
chuyển hóa thành điện năng. Mỗi pin mặt trời cung cấp một lượng nhỏ năng lượng,
nhưng nhiều pin được đặt trải trên một diện tích lớn tạo nên nguồn năng lượng
lớn hơn đủ để các thiết bị điện sử dụng. Công suất và điện áp của hệ thống tùy
thuộc vào cách ghép nối các tấm pin lại với nhau. Để đạt được hiệu suất tốt nhất,
những tấm năng lượng phải luôn được phơi nắng và hướng trực đến mặt trời. Mơ
hình 1 cell, module và array pin mặt trời được thể hiện như trên hình 1.5.
17


Hình 1. 5 Mơ hình 1 Cell, Module và Array pin mặt trời

Hiệu suất biến đổi thành điện năng từ pin mặt trời ở các vùng miền vào các
giờ trong ngày là khác nhau, do bức xạ mặt trời trên bề mặt trái đất không đồng đều.
Các tham số ảnh hưởng đến chế độ làm việc và hiệu suất của pin mặt trời bao gồm:
Các tham số “chủ quan”:
+ Điện trở nội (điện trở nối tiếp) Rs;
+ Điện trở shunt Rsh;
+ Dòng bão hòa Is.
Các tham số “khách quan”:
+ Cường độ bức xạ Mặt Trời E;
+ Nhiệt độ của pin T.
Ở điều kiện bức xạ bình thường (khơng hội tụ) các tham số trên có thể xem
như các tham số độc lập, chỉ trừ dòng điện bão hòa Is và nhiệt độ T. Điện trở sơn
Rsh đặc trưng cho dòng dị qua lớp tiếp xúc p-n, phụ thuộc vào cơng nghệ chế tạo

lớp tiếp xúc. Thông thường giá trị của Rsh khá lớn, nên dịng dị có thể bỏ qua.
Các tấm năng lượng mặt trời được lắp đặt ở ngoài trời nên thiết kế sản xuất
đã đảm bảo được các thay đổi của khí hậu, thời tiết, mưa bão, sự ăn mịn của nước
biển, sự oxi hóa….Tuổi thọ mỗi tấm pin khoảng 25 đến 30 năm.
2. Cách ghép nối các tấm pin mặt trời [3]
Các module pin mặt trời đều có cơng suất và hiệu điện thế xác định từ
nhà sản xuất. Để tạo ra công suất và điện thế theo u cầu thì phải ghép nối nhiều
tấm module đó lại với nhau. Có hai cách ghép cơ bản:
18


1- Ghép nối tiếp các tấm module lại sẽ cho điện áp ra lớn hơn.
2- Ghép song song các tấm module lại sẽ cho dòng điện ra lớn hơn.
Trong thực tế phương pháp ghép nối hỗn hợp được sử dụng nhiều hơn để
đáp ứng cả yêu cầu về điện áp và dòng điện.
Phương pháp ghép nối tiếp:
Giả sử các module giống hệt nhau, có các đường đặc tính Von – Ampe như
nhau, các thơng số dịng ngắn mạch Isc và điện áp hở mạch Voc bằng nhau và cường
độ sáng chiếu lên các tấm là như nhau thì khi mặc nối tiếp các module ta sẽ có:

I  I1  I 2  ...  Ii
n

V  Vi
i 1

n

n

i 1

i 1

P  V * I  Vi * I   Pi
n

n

i 1

i 1

I mpp  Iimpp ;Vmpp  Vimpp ; Pmpp   Pimpp
Trong đó:
V, I, P: Điện thế, dịng điện và cơng suất của hệ;
Vi, Ii, Pi: Điện thế, dịng điện, cơng suất của module thứ i trong hệ;
Vmpp; Impp; Pmpp: Điện áp dịng điện và cơng suất cực đại của hệ;
Vimpp; Iimpp; Pimpp: Điện áp, dòng điện và công suất cực đại của module
thứ i trong hệ.
Sơ đồ tương đương và đường đặc tính Vơn – Apme khi ghép nối tiếp được
thể hiện trên hình 1.6.

19


Hình 1. 6 Sơ đồ tương đương và đường đặc tính V – A ghép nối tiếp

Phương pháp ghép song song:
Giả sử các module giống hệt nhau, có các đường đặc tính Vơn – Ampe như

nhau, các thơng số dịng ngắn mạch Isc và điện áp hở mạch Voc bằng nhau và cường
độ sáng chiếu lên các tấm là như nhau thì khi mắc song song các module ta sẽ có:

V  V1  V2  ...  Vi
n

I   Ii
i 1

n

n

i 1

i 1

P  V * I   Ii *V   Pi
n

n

i 1

i 1

Vmpp  Vimpp ;Impp   Iimpp ; Pmpp   Pimpp
Trong đó:
V, I, P: Điện thế, dịng điện và cơng suất của hệ;
Vi, Ii, Pi: Điện thế, dịng điện, cơng suất của module thứ i trong hệ;

Vmpp; Impp; Pmpp: Điện áp dòng điện và công suất cực đại của hệ;
Vimpp; Iimpp; Pimpp: Điện áp, dịng điện và cơng suất cực đại của
module thứ i trong hệ.
Sơ đồ tương đương và đường đặc tính Von – Apme khi ghép song song
được thể hiện trên hình 1.7.
20


Hình 1. 7 Sơ đồ tương đương và đường đặc tính V – A ghép song song

Thơng thường thì ta chọn cách ghép hỗn hợp: Cả ghép nối tiếp và ghép song
song để có được điện áp, dịng điện và công suất đầu ra mong muốn.
Lưu ý: Khi kết nối các module với nhau cần chọn các tấm pin có cùng các
thông số đặc trưng cho một dàn pin mặt trời để tránh hiện tượng điểm nóng.
Đây là hiện tượng tấm pin yếu hơn (tức là pin kém chất lượng hơn so với các
pin khác trong dàn hoặc khi nó bị che nắng trong khi các pin khác trong dàn vẫn
được chiếu sáng) sẽ hấp thụ hồn tồn cơng suất điện do các tấm pin khỏe hơn phát
ra và làm cho cơng suất điện mạch ngồi bằng 0. Phần năng lượng điện tấm pin yếu
nhận được từ tấm pin khỏe hơn sẽ biến thành nhiệt, làm nóng tấm pin này lên và có
thể dẫn tới hư hỏng. Hiện tượng điểm nóng này chỉ xảy ra trên các pin yếu hơn các
pin khác trong hệ, dẫn tới sự hư hỏng hệ hay làm giảm đáng kể hiệu suất biến đổi
quang điện của hệ.

1.2. Các hình thức hoạt động của hệ thống điện năng lượng mặt trời [1]
Thông thường hệ thống điện năng lượng mặt trời có hai hình thức hoạt động
khác nhau:
1- Hệ thống điện năng lượng mặt trời hoạt động độc lập: Phù hợp với những
vùng hải đảo, đồi núi xa xơi khó có thể kéo được lưới điện quốc gia đến.

21

2- Hệ thống điện năng lượng mặt trời kết nối lưới: Hệ thống này đang được
khuyến khích sử dụng. Bởi vì nó cho phép tự duy trì hoạt động của tải bằng nguồn
năng lượng dự trữ và đồng thời cũng có thể bơm phần năng lượng dư thừa vào lưới
điện. Cịn trong những điều kiện thời tiết xấu, khơng có nắng hay mây mưa, hệ
thống điện mặt trời không sinh ra đủ năng lượng để đáp ứng cho phụ tải thì hệ sẽ
được cung cấp điện từ lưới.
1.2.1. Hệ thống điện năng lượng mặt trời hoạt động độc lập
1. Giới thiệu chung
Hệ thống điện năng lượng mặt trời hoạt động độc lập như hình 1.8.

Hình 1. 8 Hệ thống điện năng lượng mặt trời hoạt động độc lập

Sử dụng hiệu quả cho các khu vực hồn tồn khơng có điện lưới, phải sử
dụng máy phát như hải đảo, miền núi và vùng sâu vùng xa.
Hệ PV làm việc độc lập gồm có 2 thành phần chính là:
- Thành phần lưu giữ năng lượng;
- Có bộ biến đổi bán dẫn.
Sơ đồ khối của hệ thống điện mặt trời hoạt động độc lập được mơ tả như trên
hình 1.9.
22


Hình 1. 9 Sơ đồ khối của hệ thống điện mặt trời hoạt động độc lập

2. Thành phần lưu giữ năng lượng
Hệ quang điện làm việc độc lập cần phải có khâu lưu giữ điện năng để có thể
phục vụ cho tải trong những thời gian thiếu nắng, ánh sáng yếu hay vào ban đêm.
Có nhiều phương pháp lưu trữ năng lượng trong hệ PV, phổ biến nhất vẫn là sử

dụng ắc quy để lưu trữ năng lượng. Ắc quy cần phải có một bộ điều khiển nạp để
bảo vệ và đảm bảo cho tuổi thọ của ắc quy.
3. Các bộ biến đổi
Các bộ biến đổi trong hệ PV làm việc độc lập bao gồm: Bộ biến đổi DC/DC,
DC/AC, bộ điều khiển tìm cơng suất cực đại MPPT và bộ điều khiển mạch nạp cho
ắc quy.
Bộ DC/DC được dùng làm ổn định nguồn điện một chiều lấy từ pin mặt trời
để cung cấp cho tải 1 chiều và ắc quy.
Bộ điều khiển MPPT (Maximum power point tracking): Dùng để tìm được
điểm có cơng suất cực đại tương ứng điện áp đầu ra cung cấp cho bộ DC/DC.
Bộ DC/AC có nhiệm vụ chuyển đổi nguồn 1 chiều sang xoay chiều (110
hoặc 220 VAC, tần số 50Hz hoặc 60Hz) để phục vụ cho các thiết bị xoay chiều.
Ắc quy để lưu trữ năng lượng đề phòng khi thời tiết thiếu nắng hoặc trời về
ban đêm.

23