Nghiên cứu ảnh hưởng của điện mặt trời kết nối lưới tới công tác vận hành tối ưu lưới điện phân phối thành phố nam định

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

*********♦*********

NGÔ VĂN BÃO

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỆN MẶT TRỜI KẾT
NỐI LƯỚI TỚI CÔNG TÁC VẬN HÀNH TỐI ƯU LƯỚI
ĐIỆN PHÂN PHỐI THÀNH PHỐ NAM ĐỊNH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

HÀ NỘI – 2009


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

NGÔ VĂN BÃO

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỆN MẶT TRỜI KẾT
NỐI LƯỚI TỚI CÔNG TÁC VẬN HÀNH TỐI ƯU LƯỚI
ĐIỆN PHÂN PHỐI THÀNH PHỐ NAM ĐỊNH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN
MÃ SỐ SV: CB170145

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. NGUYỄN HOÀNG VIỆT

HÀ NỘI – 2009


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ..........................................................................................................
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ...........................................................................
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .......................................................................................
1. Tính cấp thiết của đề tài............................................................................................
2. Mục đích nghiên cứu .................................................................................................
3. Tình hình nghiên cứu ................................................................................................
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................
5. Phương pháp nghiên cứu...........................................................................................
6. Những đóng góp mới của luận văn ...........................................................................
7. Kết cấu của luận văn .................................................................................................
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VÀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA
HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI .................................................. 4
1.1 Tấm pin năng lượng mặt trời ................................................................................ 4
1.1.1. Lịch sử phát triển của tấm pin năng lượng mặt trời [5] .................................... 4
1.1.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động ........................................................................ 6
1.1.3. Các đặc trưng của PMT ..................................................................................... 8
1.1.4. Tấm pin mặt trời và các cách ghép nối module mặt trời................................. 10
1.2. Hệ thống điện năng lượng mặt trời kết nối lưới [1] .......................................... 14
CHƯƠNG 2- HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI KẾT NỐI LƯỚI VÀ CÁC YẾU
TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI .................................. 17
2.1. Cấu trúc của hệ thống điện năng lượng mặt trời kết nối lưới ............................ 17
2.1.1. Một số yêu cầu khi nối pin năng lượng mặt trời với lưới điện [6].................. 17

2.1.2. Cấu trúc của hệ thống năng lượng mặt trời kết nối lưới không dự trữ [2] ...... 17
2.1.3. Các bộ biến đổi trong hệ thống điện năng lượng mặt trời kết nối lưới [2] ..... 19
2.2. Ảnh hưởng của cường độ sáng và nhiệt độ đến hệ thống điện mặt trời. ........... 26
2.2.1. Mơ hình mô phỏng hệ thống điện mặt trời kết nối lưới .................................. 26
2.2.2. Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng [3] ........................................................... 35
2.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ [3] ............................................................................ 36
1


CHƯƠNG 3 – XÂY DỰNG MƠ HÌNH TÍNH TỐN LƯỚI ĐIỆN PHÂN
PHỐI THÀNH PHỐ NAM ĐỊNH ......................................................................... 40
3.1. Đặc điểm tự nhiên và kinh tế xã hội TP Nam Định ........................................... 40
3.2. Hiện trạng và tình hình cung cấp điện thành phố Nam Định. ............................ 40
3.3. Mơ hình lưới điện và phụ tải .............................................................................. 44
3.4. Tính tốn lưới điện phân phối ............................................................................ 49
CHƯƠNG 4 - PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỆN MẶT TRỜI KẾT NỐI
LƯỚI TỚI VẬN HÀNH TỐI ƯU LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI TP NAM ĐỊNH54
4.1. Kịch bản nghiên cứu .......................................................................................... 54
4.2. Ảnh hưởng của điện mặt trời tới điện áp các nút lộ 478 E3.4 ........................... 55
4.3. Tổng tổn thất cơng suất tác dụng trong tồn bộ lưới điện lộ 478 E3.4 .............. 59
4.4. Tổng công suất tác dụng cần huy động từ trạm biến áp nguồn ......................... 64
KẾT LUẬN ............................................................................................................... 72
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 73

2


LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu
trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ cơng trình

nghiên cứu nào khác. Nội dung luận văn có tham khảo và sử dụng các tài liệu, thông
tin được đăng tải trên các tác phẩm, tạp chí, bài báo và các trang web theo danh mục
tài liệu tham khảo của luận văn.
Hà Nội, ngày 01 tháng 04 năm 2019
Tác giả

Ngô Văn Bão

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

Pulse Width Modulation

Điều chế độ rộng xung

V-A

Volt – Ampere

Vôn – Ampe

VSC

Voltage Source Converters

Bộ chuyển đổi nguồn áp

PWM

4


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1. 1 Chất bán dẫn P-N ........................................................................................ 7
Hình 1.2 Sơ đồ cấu tạo 1 tấm pin mặt trời .................................................................. 7
Hình 1.3 Sơ đồ thay thế pin mặt trời ........................................................................... 8
Hình 1. 5 Mơ hình 1 Cell, Module và Array pin mặt trời ......................................... 11
Hình 1. 6 Sơ đồ tương đương và đường đặc tính V – A ghép nối tiếp ...................... 13
Hình 1. 7 Sơ đồ tương đương và đường đặc tính V – A ghép song song .................. 14
Hình 1.8 Sơ đồ hệ thống điện năng lượng mặt trời hoạt động độc lập .................... 15
Hình 1.9 Sơ đồ hệ thống điện năng lượng mặt trời kết nối lưới ............................... 16
Hình 2. 1 Cấu trúc chung hệ thống điện mặt trời nối lưới không dự trữ .................. 17
Hình 2. 2 Sơ đồ khối HTĐ mặt trời nghịch lưu nguồn áp khơng cách ly ................. 18
Hình 2.3 Bộ biến đổi DC/DC tăng áp (Boost Converter) ......................................... 20
Hình 2. 4 Phương pháp tìm điểm làm việc cơng suất lớn nhất P&O ....................... 22
Hình 2. 5 Lưu đồ thuật tốn phương pháp P&O ...................................................... 23
Hình 2. 6 Phương pháp điện dẫn gia tăng ................................................................ 24
Hình 2. 7 Thuật tốn INC điều khiển thơng qua điện áp tham chiếu Vref ............... 25
Hình 2.8 Mơ hình mơ phỏng hệ thống điện mặt trời nối lưới ................................... 27
Hình 2.9 Mơ hình mơ phỏng dàn Pin mặt trời .......................................................... 27
Hình 2.10 Mơ hình mạch điều chỉnh điện áp DC/DC ............................................... 28
Hình 2.11 : Phương pháp điện dẫn gia tăng ............................................................. 29
Hình 2.12 Thuật tốn INC ......................................................................................... 30
Hình 2.13 Mạch nghịch lưu nguồn áp ba pha........................................................... 31
Hình 2.14 Sơ đồ khối của mạch điều khiển tín hiệu nghịch lưu ............................... 31

Hình 2.15 Sơ đồ các khối điều khiển trong mô phỏng Simulink ............................... 32
Hình 2.16 Vịng khóa PLL trong mơ phỏng .............................................................. 32
Hình 2.17 Khâu điều khiển Current control ............................................................. 33
Hình 2.18 Lưới điện kết nối với PV ........................................................................... 34
Hình 2. 19 Đặc tính Von – Apme với ảnh hưởng của cường độ sáng...................... 35
5


Hình 2. 20 Quan hệ giữa cơng suất ra PV và cường độ sáng Ir ở pin Top SunTSM394NA1 .............................................................................................................. 36
Hình 2.21 Quan hệ giữa cơng suất PV và cường độ sáng Ir ở pin TrinaSolarTSM245PA05 ............................................................................................................ 36
Hình 2. 22 Đặc tính Von – Apme với sự ảnh hưởng của nhiệt độ ............................ 37
Hình 2.23 Quan hệ giữa cơng suất ra PV và nhiệt độ T pin Top Sun-TSM394NA1
khi Ir=[400;800;1000] W/m2 ................................................................................... 38
Hình 2.24 Quan hệ giữa cơng suất ra PV và nhiệt độ T pin TrinaSolar-TSM245PA05
khi Ir=[400;800;1000]W/m2 .................................................................................... 38
Hình 3. 1 Lưới điện hình tia ...................................................................................... 40
Hình 3. 2 Lưới điện hình tia có phân đoạn ............................................................... 41
Hình 3. 3 Lưới kín vận hành hở do 1 nguồn cung cấp .............................................. 41
Hình 3. 4 Lưới điện kiểu đường trục ......................................................................... 41
Hình 3. 5 Hệ thống phân phối điện ........................................................................... 42
Hình 3.6 Sơ đồ lưới điện 22kV Thành phố Nam Định .............................................. 43
Hình 3.7 Điện áp lưới phân phối khi có điện mặt trời kết nối lưới .......................... 44
Hình 3.8 Sơ đồ lưới điện lộ 478 E3.4 ........................................................................ 46
Hình 3.9 Mơ hình phụ tải ZIP. .................................................................................. 48
Hình 3.10 Lưu đồ tính tốn chế độ xác lập cho tải tổng trở khơng đổi .................... 49
Hình 3.11 Lưu đồ tính tốn chế độ xác lập cho tải dịng điện khơng đổi ................ 50
Hình 3.12 Lưu đồ tính tốn chế độ xác lập cho tải ZIP ............................................ 51
Hình 3.13 Phương pháp Newton-Raphson sử dụng trong tính tốn lưới điện. ........ 52
Hình 4.1 Điện áp tại các nút (tải: Z% = 0%; I% = 0%; P% = 100%) ..................... 55
Hình 4.2 Điện áp tại các nút (tải: Z% = 0%; I% = 100%; P% = 0%) .................... 56

Hình 4.3 Điện áp tại các nút (tải: Z% = 25%; I% = 25%; P% = 50%) .................. 56
Hình 4.4 Điện áp tại các nút (tải Z% = 25%; I% = 50%; P% = 25%) ................... 57
Hình 4.5 Điện áp tại các nút (tải Z% = 50%; I% = 25%; P% = 25%) ................... 57
Hình 4.6 Điện áp tại các nút (tải Z% = 100%; I% = 0%; P% = 0%) ..................... 58
Hình 4.7 Tổng tổn thất công suất P (tải: Z% = 0%; I% = 0%; P% = 100%) .......... 60
Hình 4.8 Tổng tổn thất cơng suất P (tải: Z% = 0%; I% = 100%; P% = 0%) ......... 61
Hình 4.9 Tổng tổn thất cơng suất P (tải: Z% = 25%; I% = 25%; P% = 50%) ....... 61
6


Hình 4.10 Tổng tổn thất cơng suất P (tải: Z% = 25%; I% = 50%; P% = 25%) ...... 62
Hình 4.11 Tổng tổn thất công suất P (tải Z% = 50%; I% = 25%; P% = 25%) ....... 62
Hình 4.12 Tổng tổn thất công suất P (tải Z% = 100%; I% = 0%; P% = 0%) ......... 63
Hình 4.13 Tổng công suất P lấy từ TBA (tải: tải: Z% = 0%; I% = 0%; P% = 100%)
................................................................................................................................... 65
Hình 4.14 Tổng công suất P lấy từ TBA (tải: Z% = 0%; I% = 100%; P% = 0%) .. 65
Hình 4.15 Tổng công suất P lấy từ TBA (tải: Z% = 25%; I% = 25%; P% = 50%) 66
Hình 4.16 Tổng cơng suất P lấy từ TBA (tải Z% = 25%; I% = 50%; P% = 25%) .. 66
Hình 4.17 Tổng cơng suất P lấy từ TBA (tải Z% = 50%; I% = 25%; P% = 25%) .. 67
Hình 4.18 Tổng cơng suất P lấy từ TBA (tải Z% = 100%; I% = 0%; P% = 0%) .... 67
Hình 4.19 Tổng cơng suất P cần huy động thêm từ TBA (điện mặt trời gần TBA) .. 69
Hình 4.20 Tổng cơng suất P cần huy động thêm từ TBA (điện mặt trời giữa phụ tải)
................................................................................................................................... 69
Hình 4.21 Tổng cơng suất P cần huy động thêm từ TBA (điện mặt xa TBA) ........... 70

7


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, 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 các ưu điểm như:
- Có thể đưa đến những vùng mà điện lưới khó có thể đến được.
- Có thể lắp đặt gần phụ tải để tiết kiệm chi phí truyền tải.
- Khả năng phát cơng suất max vào giờ cao điểm.
- Chi phí bảo dưỡng thấp do cấu trúc tĩnh.
- Khơng phát thải các khí gây ô nhiễm môi trường như CO2, SO2…
Bên cạnh đó các nguồn năng lượng truyền thống như năng lượng hóa thạch,
thủy điện, điện hạt nhân đang bộc lộ nhiểu nhược điểm khơng thể khắc phục (như trữ
lượng có hạn, gây ơ nhiễm mơi trường, an tồn cho con người…) khiến cho điện năng
lượng mặt trời đang được ứng dụng và phát triển nhanh. 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 công suất lớn đã được tạo ra và có khả
năng hịa lưới đạt hiệu quả cao. Do vậy việc nghiên cứu các hệ thống điện mặt trời
kết nối lưới trở nên rất cấp thiết.
2. Mục đích nghiên cứu
Trong luận văn này, mục đích chính của đề tài gồm:
1- Nghiên cứu điện mặt trời kết nối lưới.
2- Phân tích ảnh hưởng của điện mặt trời kết nối lưới tới công tác vận hành tối
ưu lưới điện phân phối thành phố Nam Định.
3. Tình hình nghiên cứu
Hiện nay trên thế giới và tại Việt Nam đã có nhiều nhà máy điện mặt trời cơng
suất lớn đấu nối vào lưới truyền tải, có nhiều dạng pin mặt trời áp mái kết nối lưới hạ
áp tuy nhiên điện mặt trời kết nối lưới trung áp hầu như chưa có. Ở thành phố Nam
Định, 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 vào 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
1

cứu ảnh hưởng của điện mặt trời kết nối lưới tới công tác vận hành tối ưu lưới điện
phân phối thành phố Nam Định”.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Việc hòa 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
pha, …
Trong phạm vi luận văn này, tác giả 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 thành phố Nam Định để đạt hiệu quả tối ưu
theo mong muốn trong vận hành.
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 thành phố Nam Định.
Phương pháp thống kê thực tế: Xây dựng bộ dữ liệu thực tế về lưới điện thành
phố Nam Định.
Phương pháp mô 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 thành phố Nam Định.
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 thành phố Nam Định là tương đối mới. Từ mơ hình nghiên cứu ảnh hưởng
của hệ thống điện mặt trời kết nối lưới đến công tác vận hành lưới điện trung áp
thành phố Nam Định.
7. Kết cấu của luận văn
Với mục đích như trên, kết cấu của luận văn được chia thành 03 chương:

Chương 1: Tổng quan các nghiên cứu và sự phát triển của hệ thống điện năng
2


lượng mặt trời.
Chương 2: Mơ hình hệ thống điện mặt trời kết nối lưới.
Chương 3: Xây dựng mơ hình tính toán lưới điện phân phối thành phố Nam
Định.
Chương 4: Phân tích ảnh hưởng của điện mặt trời kết nối lưới tới công tác vận
hành tối ưu lưới điện phân phối thành phố Nam Định.
Luận văn được học viên hoàn thành dưới sự hướng dẫn dẫn tận tình của thầy
giáo TS. Nguyễn Hồng Việt cùng sự góp ý của thầy cơ 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 hoàn thành tốt luận văn này.
Hà Nội, ngày 01 tháng 04 năm 2019
Học viên

\

Ngô Văn Bão

3


CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VÀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA
HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

1.1 Tấm pin năng lượng mặt trời
Để sử dụng được năng lượng mặt trời tạo ra điện năng cần phải thông qua những

tấm pin mặt trời (PMT). 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. Đây là thiết bị quan trọng duy
nhất có thể 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. Các nhà khoa học nhận định
rằng năng lượng mặt trời là ngành cơng nghiệp có tương lai tươi sáng ở trên tồn thế
giới, trong lúc vấn đề bảo vệ mơi trường ngày càng cấp thiết đồng thời với việc giảm
sử dụng năng lượng hoá thạch. Nhưng thực ra, trước khi chúng ta nghĩ làm thế nào
để bảo vệ môi trường bằng cách sử dụng năng lượng mặt trời, con người, trong suốt
nhiều thế kỷ, đã tận dụng sức mạnh của mặt trời theo những cách khác nhau. Sau đây
sẽ 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. Lịch sử phát triển của tấm pin năng lượng mặt trời [5]
- Tấm pin năng lượng mặt trời được tạo ra lần đầu tiên vào năm 1883 bởi Charle
Fritts với hiệu suất ban đầu chỉ đạt được 1% . Nhưng trước đó người khám phá ra
hiệu ứng quang điện là nhà vật lý người pháp Alexandre Edmond Becquerel vào năm
1839 . Ông nhận ra rằng năng lượng mặt trời có thể tạo ra một hiệu ứng quang điện
(ảnh = ánh sáng, voltaic = điện thế). Trong những năm 1880, các tế bào quang điện
selen (PV) được phát triển có thể chuyển ánh sáng thành điện năng với hiệu suất 12% hiệu suất của pin mặt trời là tỷ lệ ánh sáng mặt trời có sẵn được chuyển đổi bởi
tế bào quang điện thành điện, nhưng sự biến đổi xảy ra khơng chưa chứng minh được.
Do đó, năng lượng quang điện vẫn là một sự tò mò trong nhiều năm, vì nó khơng hiệu
quả khi biến ánh sáng mặt trời thành điện. Tiếp sau đó mãi cho đến khi Albert Einstein
đề xuất một lời giải thích cho “hiệu ứng quang điện” vào đầu những năm 1900, sau
đó ơng đã giành được giải Nobel.

4


- Công nghệ năng lượng mặt trời tiến tới gần như thiết kế hiện tại của nó vào
năm 1908 khi William J. Bailey của Công ty thép Carnegie phát minh ra với một hộp

cách nhiệt và thanh selen . Để kiểm chứng lại nguyên nhân ông đã đặt thanh selen
vào bên trong chiếc hộp có nắp trượt. Khi nắp được đóng kín và khơng có ánh sáng
lọt vào, thanh selen có điện trở cao nhất và thực hiện đúng nhiệm vụ ngăn cản dòng
điện. Nhưng khi chiếc nắp được trượt ra để ánh sáng lọt vào, dòng điện chạy qua ngày
càng được tăng cường và tăng theo cường độ ánh sáng chiếu vào. Khi đó ơng đã đăng
tải phát hiện của mình trên tạp chí Nature với nội dung “Tác động của ánh sáng lên
selen thơng qua q trình truyền tải dòng điện”. Bài báo cáo đã gây nên sự chú ý đối
với nhiều nhà khoa học trên khắp Châu Âu thời bấy giờ. Với nghiên cứu của mình
ơng được công nhận là người đầu tiên khám phá ra chất quang điện của nguyên tố
selen. Khám phá này đã tạo tiền đề cho việc chế tạo ra pin mặt trời sau này.Vào giữa
những năm 1950 pin quang năng đã đạt được hiệu suất 4%, và hiệu suất sau đó nâng
lên 11%, với các tế bào silicon ( Nguyên liệu phổ biến thứ hai trên trái đất ) . “Sức
mạnh được tạo ra khi ánh sáng mặt trời chiếu vào vật liệu bán dẫn và tạo ra dịng
điện.” Từ đó trở đi, sự quan tâm đến năng lượng mặt trời được tăng cường. Vào cuối
những năm 1950 và 1960, chương trình khơng gian của NASA đã đóng một vai trị
tích cực trong sự phát triển của quang điện. “Các tế bào là nguồn năng lượng điện
hồn hảo cho vệ tinh vì chúng rất chắc chắn, nhẹ và có thể đáp ứng các yêu cầu công
suất thấp đáng tin cậy.”
- Năm 1982 Nhà máy điện mặt trời đầu tiên có cơng suất 1MW được hoàn thành
ở Mỹ.
- Năm 1983: sản xuất pin mặt trời trên toàn thế giới vượt mức 20 MW, và doanh
số bán vượt mức 250 trieu USD.
- Năm 1997: Sanyo bắt đầu sản xuất hàng loạt pin mặt trời hiệu xuất cao HIT cSi/a-Si: H.
- Đến năm 1999 tổng công suất lắp đặt pin mặt trời trên thế giới đạt 1GW.
- Năm 2002: Hội nghị Solar Silicon đầu tiên đối phó với cuộc khủng hoảng của
nguyên tố Si được tổ chức bởi Photon tại Munich, Đức.

5

- Năm 2006: Wacker mở rộng sản xuất pin năng lượng mặt trời poly-Si tại
Burghausen, Đức, Công suất lên đến 16.000 tấn / năm để trở thành công ty lớn thứ
hai trong lĩnh vực này trên toàn thế giới .
- Năm 2010, tổng công suất pin mặt trời trên thế giới ước tính đạt 37,4GW
(trong đó Đức có cơng suất lớn nhất với 7,6GW.)
- Năm 2018, tổng công suất pin mặt trời trên thế giới ước tính đạt 78GW.
- Chỉ trong vài thập kỷ gần đây khi nhu cầu năng lượng ngày càng tăng, các vấn
đề môi trường ngày càng tăng và tài nguyên nhiên liệu hóa thạch giảm khiến chúng
ta phải tìm kiếm các giải pháp năng lượng thay thế .
1.1.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Cấu tạo pin năng lượng mặt trời dựa trên nguyên lý hiệu ứng “ quang điện”.
Hiệu ứng quang điện tạo ra dòng điện bằng cách chuyển đổi năng lượng mặt trời dưới
dạng ánh sáng nhìn thấy được, tia cực tím (UV) hoặc bức xạ hồng ngoại (IR) thành
dòng điện trực tiếp .
Các tế bào quang điện là các thiết bị bán dẫn được làm từ các tấm silicon có độ
tinh khiết cao (Si) được pha tạp với các tạp chất đặc biệt, cho chúng nhiều “electron”
và “lỗ trống” trong cấu trúc mạng của chúng. Các tế bào năng lượng mặt trời quang
điện tạo ra một dịng điện DC có thể biến đổi tỷ lệ thuận với kích thước của chúng và
lượng bức xạ mặt trời rơi trên tấm silicon. Chúng không lưu trữ năng lượng, nhưng
chúng có thể được coi là một dạng pin tạo ra điện áp đầu ra cố định khoảng 0,5 volt
đến 0,6 volt tùy thuộc vào chất liệu cấu tạo lên tấm pin năng lượng mặt trời. Các tế
bào quang điện thực chất là các thiết bị bán dẫn silic, chúng bao gồm một lớp loại P
và một lớp N được ghép nối với nhau để tạo thành một “Liên kết P/N”. Khi 2 lớp bán
dẫn P và N tiếp xúc nhau, do sự chênh lệch về mật độ các hạt dẫn nên các điện tử
(electron) 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 sẽ tích điện
dương, cịn phần bán dẫn P ngay đối diện sẽ tích điện âm. Trong miền tiếp xúc lúc
này hình thành điện trường Utx hướng từ bán dẫn lớp N sang lớp P. Utx sẽ ngăn cản
sự khuếch tán tiếp tục của các hạt dẫn qua lớp tiếp xúc. Khi chiếu sáng lớp tiếp xúc
P-N, cặp electron – lỗ trống được tạo thành, bị tách ra dưới tác dụng của điện trường

6


tiếp xúc Utx và bị gia tốc về các phía đối diện tạo thành một sức điện động quang
điện. Sức điện động quang điện phụ thuộc vào bản chất chất của loại bán dẫn, nhiệt
độ bề mặt lớp tiếp xúc, bước sóng và cường độ ánh sáng tới bề mặt vật liệu tiếp xúc.

Hình 1. 1 Chất bán dẫn P-N

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

7


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

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 không có thành phần Rsh và Rs) Tuy nhiên, nếu nó được nối tiếp với một nguồn
cấp bên ngoài (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;
2- Điện trở tiếp xúc giữa tiếp xúc kim loại và silic;
Điện trở của tiếp xúc của kim loại phía trên và sau.
8


3- 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):
I = Iph – Id – Ish = Iph – Is (exp𝑞(𝑉 + RsI)/𝑛𝑘𝑇 − 1) − (𝑉 + RsI)/Rsh
Trong đó:
Iph: Là dịng quang điện (dịng NM khi khơng có Rs và Rsh), (A/m2);
Is: Là dịng bão hòa, (A/m2); Id: Là dòng 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.
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.

9


Hình 1. 4 Đường đặc trưng sáng của PMT

Có ba điểm đặc biệt trên đường đặc trưng này:
1-

Dòng ngắn mạch: Isc

2-

Điện áp hở mạch: Voc

3-

Điểm làm việc cho 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.

10


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 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.

11


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 cơng suất và điện thế theo u cầu thì phải ghép nối nhiều tấm module
đó lại với nhau. Có hai cách ghép cơ bản:
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 = I2 = …. = Ii
V = ∑𝑛𝑖=1 𝑉 i

P = V*I = ∑𝑛𝑖=1 𝑉 i *I = ∑𝑛𝑖=1 𝑃i
Impp = Iimpp; Vmpp = ∑𝑛𝑖=1 𝑉 imp; Pmpp = ∑𝑛𝑖=1 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, dịng điện và cơng 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.

12


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
I = ∑𝑛𝑖=1 𝐼i
P = V*I = ∑𝑛𝑖=1 𝐼i *V = ∑𝑛𝑖=1 𝑃i
Vmpp = Vimpp; Impp = ∑𝑛𝑖=1 𝐼imp; Pmpp = ∑𝑛𝑖=1 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, 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.

13


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. Hệ thống điện năng lượng mặt trời kết nối lưới [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
xâu, vùng xa mà ở đó khó có thể kéo được điện lưới quốc gia đến.

14


Hình 1.8 Sơ đồ hệ thống điện năng lượng mặt trời hoạt động độc lập

2-Hệ thống điện năng lượng mặt trời kết nối lưới: Hệ thống này đang được ứng dụng
rộng rãi trong thực tế. Phương pháp này cho phép tải có thể tự duy trì hoạt động bằng
nguồn năng lượng dự trữ, đồng thời có thể bơm phần điện năng không sử dụng hết
vào lưới điện. Trong trường hợp 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.
Sơ đồ hệ thống điện năng lượng mặt trời kết nối lưới như trên hình 1.9.

15


Hình 1.9 Sơ đồ hệ thống điện năng lượng mặt trời kết nối lưới

Đây là hệ PV được kết nối với lưới điện, hệ này có thể cần hoặc khơng cần ắc
quy dự trữ năng lượng. Bộ biến đổi trong hệ này không chỉ giúp ổn định nguồn năng
lượng tạo bởi pin mặt trời mà còn phải đảm bảo nguồn điện năng ra khỏi hệ quang
điện phải đồng bộ với lưới.
Hệ PV làm việc kết nối lưới có cấu trúc phức tạp hơn hệ PV làm việc độc lập ở
việc cần có thiết bị để đồng bộ giữa điện áp góc pha giữa PV và lưới, đồng thời cần
có các thiết bị bảo vệ PV.

16