Nghiên cứu nâng cao chất lượng điện năng và hiệu quả khai thác cho các hệ nguồn năng lượng mới và tái tạo

Chính vì vậy, tương lai con người có thể kỳ vọng vào các dạng năng lượng tái tạo như năng lượng Mặt trời, gió, thủy triều, ñịa nhiệt, ñộ chênh nhiệt ñộ giữa nước mặt và nước sâu của ñại

LỜI CAM ðOAN

Tác giả xin cam ñoan luận văn này là công trình do tôi tổng hợp và nghiên cứu Trong luận văn có sử dụng các tài liệu tham khảo như ñã nêu trong phần tài liệu tham khảo

Tác giả luận văn

ðặng Thị Phương Thanh

MỤC LỤC

LỜI CAM ðOAN 1

MỤC LỤC 2

LỜI NÓI ðẦU 6

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 8

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 9

DANH MỤC CÁC BẢNG 12

CHƯƠNG I:TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO 13

1.1 Tổng quan về các dạng năng lượng mới và tái tạo……….13

1.2 Năng lượng Mặt trời 15

1.2.1 Sự hình thành năng lượng Mặt trời 15

1.2.2 Tiềm năng năng lượng Mặt trời 15

1.2.3 Công nghệ sử dụng năng lượng Mặt trời 17

1.3 Năng lượng gió 18

1.3.1 Sự hình thành năng lượng gió 18

1.3.2 Tiềm năng gió 19

1.3.3 Công nghệ sử dụng năng lượng gió 21

1.4 Thủy ñiện nhỏ 22

1.4.1 Khái niệm chung về thủy ñiện nhỏ 22

1.4.2 Tiềm năng và tình hình khai thác ở Việt Nam 22

1.4.3 Công nghệ thủy ñiện nhỏ 23

1.5 Năng lượng ñịa nhiệt 24

1.5.1 Sự hình thành năng lượng ñịa nhiệt 24

1.5.2 Tiềm năng năng lượng ñịa nhiệt 24

1.5.3 Công nghệ khai thác ñịa nhiệt 26

1.6 Năng lượng thủy triều và sóng biển 27

1.6.1 Sự hình thành năng lượng thủy triều và sóng biển 27

1.6.2 Tiềm năng năng lượng thủy triều và sóng biển 27

1.6.3 Công nghệ khai thác 28

CHƯƠNG II: HỆ NGUỒN PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 31

2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt ñộng của pin Mặt trời 31

2.1.1 Cấu tạo của pin Mặt trời 31

2.1.2 Nguyên lý hoạt ñộng của pin Mặt trời 32

2.2 Các ñặc trưng quang ñiện của pin Mặt trời 34

2.2.1 ðặc tính V-I của PV 35

2.2.2 Những ñiểm ñặc biệt của ñặc tính V-I 37

2.3 Ghép nối mdule pin Mặt trời 42

2.4 Các mô tả toán học pin Mặt trời 44

2.5 Ghép nối các module tạo thành hệ thống mảng (Array) 48

2.5.1 Ghép nối tiếp các module PV giống nhau 48

2.5.2 Khi ghép nối tiếp các module không giống nhau 50

2.5.3 Ghép song song các module PV giống nhau 52

2.5.4 Khi ghép song song các module không giống nhau 53

2.6 Kết luận 57

CHƯƠNG III: MẠNG ðIỆN CỤC BỘ NGUỒN PIN MẶT TRỜI 58

3.1 Tổng quan về hệ thống ñiện 58

3.2 Mạng ñiện cục bộ nguồn pin Mặt trời 59

3.2.1 Mạng ñiện cục bộ gia ñình 59

3.2.2 Mạng PV có kết nối lưới quốc gia 60

3.3 Mô tả và chức năng của các khối 61

3.3.1 Khối nguồn PV cell 62

3.3.2 Khối ñiều khiển (controller) và battery 63

3.3.3 Bộ biến ñổi DC/DC 64

3.3.4 Bộ duy trì ñiểm công suất cực ñại (MPPT) 68

3.3.5 Bộ biến ñổi DC/AC (nghịch lưu áp) 71

a Bộ nghịch lưu áp 1 pha 72

b Bộ nghịch lưu áp 3 pha .73

3.4 Thiết kế nguồn pin Mặt trời trong mạng ñiện cục bộ 76

3.4.1 Lựa chọn sơ ñồ khối: 76

3.4.2 Tính toán thiết kế 77

3.4.3 Tính toán thiết kế một mạng ñiện cụ thể 82

3.5 Kết luận chương 3 86

CHƯƠNG 4: MỘT SỐ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB – SIMULINK 88

4.1 Mô phỏng một số kết quả nguyên cứu bằng Matlab-Simulink… 88

4.1.1 Mô phỏng ñặc tính V-A của PV với các mức chiếu xạ Mặt trời khác nhau 88

4.1.2 Mô phỏng ñặc tính V-A của PV gồm các module nối tiếp 89

4.1.3 Mô phỏng tác dụng của bộ tự ñộng chọn ñiểm làm việc công suất

cực ñại MPPT 90

4.2 Kết luận chương 4 92

KẾT LUẬN 94

TÀI LIỆU THAM KHẢO 95

LỜI NÓI ðẦU

Ngày nay do nhu cầu dùng ñiện tăng cao, việc sản xuất ñiện năng và cung cấp ñủ ñiện năng cho phụ tải ngày càng là một vấn ñề cấp thiết của toàn xã hội ðặc biệt trong những thập niên gần ñây các nguồn năng lượng truyền thống như dầu mỏ, than ñá, khí ñốt ñang dần ñi vào cạn kiệt Mặt khác việc sử dụng các nguồn nhiên liệu này ñã và ñang ảnh hưởng không nhỏ tới môi trường sống, tới hệ sinh thái Do vậy, việc tìm kiếm một nguồn năng lượng mới, năng lượng xanh, sạch và có khả năng tái tạo ñã và ñang ñược quan rất quan tâm

Năng lượng tái tạo là năng lượng từ nguồn liên tục mà theo chuẩn mực của con người là vô hạn, là nguồn năng lượng thân thiện với môi trường, có thể khai thác vô tận Chính vì vậy, tương lai con người có thể kỳ vọng vào các dạng năng lượng tái tạo như năng lượng Mặt trời, gió, thủy triều, ñịa nhiệt, ñộ chênh nhiệt ñộ giữa nước mặt và nước sâu của ñại dương, sử dụng chất thải, kể cả chất thải ñộng vật vào mục ñích sản xuất ra năng lượng Trên thực tế nhiều nước, trong ñó có Việt Nam ñã và ñang tập trung ñầu tư nghiên cứu và ứng dụng các nguồn năng lượng mới này Song việc sử dụng năng lượng mới và tái tạo còn rất hạn chế so với tiềm năng do giá thành các thiết bị tiếp nhận năng lượng sơ cấp và thiết bị lưu trữ năng lượng còn khá cao

Trong phạm vi luận văn với ñề tài:“ Nghiên cứu nâng cao chất lượng ñiện năng và hiệu quả khai thác cho các hệ nguồn năng lượng mới và tái tạo” em xin tập trung nghiên cứu, tìm hiểu phương pháp lưu trữ

năng lượng ñể nâng cao chất lượng ñiện năng và hiệu quả khai thác cho các nguồn năng lượng mới và tái tạo, giúp mở rộng khả năng sử dụng năng lượng mới và năng lượng tái tạo trong thực tiễn

Nội dung luận văn ñược trình bày trong 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về năng lượng mới và tái tạo

Chương 2: Hệ nguồn pin năng lượng Mặt trời

Chương 3: Mạng ñiện cục bộ nguồn pin năng lượng Mặt trời

Chương 4 Một số kết quả mô phỏng bằng Matlab-Simulik

Kết luận

Em xin trân thành cảm ơn thầy giáo TS Ngô ðức Minh ñã dành

nhiều thời gian cho sự chỉ bảo và hướng dẫn giúp em hoàn thành bản luận văn này

Thái Nguyên, ngày tháng 2012

Học viên

ðặng Thị Phương Thanh

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

(Bộ biến tần nạp năng lượng Mặt trời)

(Bộ duy trì ñiểm công suất cực ñại)

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Các nguồn năng lượng tái tạo trên thế giới năm 2006………… 13

Hình 1.2: Sự hình thành năng lượng gió……… 18

Hình 1.3: Tốc ñộ triển khai năng lượng gió giai ñoạn 1997-2010 trên thế giới……….19

Hình 1.4a: Sơ ñồ máy phát ñiện sức gió của máy phát nối lưới………21

Hình 1.4b: Sơ ñồ nối lưới không ñồng bộ nguồn kép………… ………….21

Hình 1.5: Nhà máy ñiện thủy triều Rance, CH Pháp ……….30

Hình 1.6: Trạm phát ñiện sử dụng dòng hải lưu SeaGen, Bắc Ailen……….30

Hình 2.1: Cấu tạo pin Mặt trời 32

Hình 2.2: Nguyên lý hoạt ñộng của pin Mặt trời .34

Hình 2.3: Sơ ñồ thay thế lớp tiếp giáp 35

Hình 2.4: Sơ ñồ tương ñương và ñặc tính V- I……… 36

Hình 2.5: Sơ ñồ tương ñương Pin mặt trời 38

Hình 2.6: ðặc tính V-A của pin Mặt trời phụ thuộc vào BXMT 39

Hình 2.7a: Quá trình ảnh hưởng bởi Ga 41

Hình 2.7b: Quá trình ảnh hưởng bởi Tac 41

Hình 2.8: Mô hình kết nối một hệ thống PV cell 42

Hình 2.9: Các module PV bao gồm chi nhánh NPM song song, mỗi NSM các tế bào năng lượng Mặt trời trong loạt 43

Hình 2.10: Quá trình tạo module 43

Hình 2.11: ðặc tính ñiện áp ra tương ứng số lượng cell 44

Hình 2.12a: Hệ PV mắc nối tiếp 2 modun giống nhau 49

Hình 2.12b: ðặc tính của hệ PV mắc song song 2 module giống nhau 49

Hình 2.13: Các ñường ñặc tính VA của hệ PV mắc nối tiếp 2 module 51

Hình 2.14a: Hệ PV mắc song song 2 module giống nhau 53

Hình 2.14b: ðặc tính của hệ PV mắc song song 2 module giống nhau 53

Hình 2.15: Các ñường ñặc trưng VA của hệ PV mắc song song 2 module

không giống nhau 54

Hình 2.16: Sơ ñồ mắc Diot ñể bảo vệ module và dàn PMT 55

Hình 2.17: Sơ ñồ mắc các Diot bảo vệ trong dàn PMT 56

Hình 3.1: Sơ ñồ hệ thống ñiện 58

Hình 3.2: Mô hình mạng ñiện ñọc lập sử dụng nguồ PV 60

Hình 3.3: Mô hình mạng ñiện lai nguồn PV – lưới 60

Hình 3.4: Sơ ñồ khai thác pin năng lượng Mặt trời 62

Hình 3.5: Sơ ñồ nguyên lý bộ biến ñổi DC- DC 64

Hình 3.6: Sơ ñồ nguyên lý bộ tăng thế DC-DC và các sơ ñồ tương ñương khi K ñóng và mở 65

Hình 3.7: Dòng ñiện trên tải sau bộ ñổi ñiện DC/DC 66

Hình 3.8: Các sơ ñồ chuyển mạch Transistor 67

Hình 3.9: Cấu trúc hệ thống DC/DC có khối MPPT 69

Hình 3.10: Các mạch cung cấp tín hiệu tỷ lệ với công suất ñầu vào của máy phát a) Bằng bộ nhân analog b) Bằng sơn……….69

Hình 3.11: ðiều chế và giải mã cho quá trình duy trì ñiểm công suất cực ñại (MPPT) 70

Hình 3.12: Sơ ñồ mạch MPPT vi phân 70

Hình 3.13: Sơ ñồ mạch ñiều chế xung rộng 71

Hình 3.14: Sơ ñồ nghịch lưu 1 pha 72

Hình 3.15: Dòng ñiện qua tải và ñiện áp ra của nghịch lưu 1 pha 73

Hình 3.16: Sơ ñồ nghịch lưu 1 pha 73

Hình 3.17: ðiện áp ra của nghịch lưu 3 pha và ñiện áp ño trên tải 74

Hình 3.18: Cấu trúc của mạch lực bộ nghịch lưu 3 pha……….75

Hình 3.19: ðiện áp và dòng ñiện của nghịch lưu SVM cấp cho tải 76

Hình 3.20: Sử dụng mạng ñiện nguồn PMT 76

Hình 4.1: Cấu trúc mô phỏng xác ñịnh ñặc tính V-A của hệ PV………… 88

Hình 4.2: Các ñặc tính V-A và PV với các mức E khác nhau: 300 ,500 ,700 ,800 ,1000 W/m2 89 Hình 4.3: Cấu trúc mô phỏng hệ PV khi các module nhận ñược mức E khác nhau 89 Hình 4.4: Các ñặc tính hệ nguồn Pvkhi các module nhận ñược mức E khác nhau 90 Hình 4.5: Cấu trúc mô phỏng hệ PV có có bộ MPPT 91 Hình 4.6: Các ñặc tính của hệ PV khi có MPPT, enegy PV = 3,3 kWWh 92 Hình 4.7: Các ñặc tính của hệ PV khi không có MPPT, Iref = 2,5A, enegy PV= 2,178 kWh 92

l

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Bảng tổng hợp tiềm năng của năng lượng Mặt trời 16

Bảng 1.2: Số liệu về bức xạ năng lượng mặt trời của các vùng ở Việt Nam.17 Bảng 1.3: Sự phát triển của turbine gió từ 1985 ñến 2004 20

Bảng 1.4: Quan hệ công suất theo lưu lượng, chiều cao cột nước 24Error! Bookmark not defined Bảng 1.5: Nhiệt ñộ ñịa nhiệt của một số ñịa ñiểm ở Việt Nam 26

Bảng 2.1: Danh nghĩa và ñiều kiện tiêu chuẩn 45

Bảng 3.1: Tín hiệu và các lệnh ñiều khiển 63

Bảng 3.2: Kết quả tính toán thiết kế 86

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO

1.1 Tổng quan về các dạng năng lượng mới và tái tạo [1,2]

Năng lượng tái tạo hay năng lượng tái sinh là năng lượng từ những nguồn liên tục mà theo chuẩn mực của con người là vô hạn Nguyên tắc cơ bản của việc sử dụng năng lượng tái sinh là tách một phần năng lượng từ các quy trình diễn biến liên tục trong môi trường tự nhiên và ñưa vào trong các sử dụng kỹ thuật cho một mục ñích nào ñó của con người Các quy trình này luôn tuân theo quy luật ñược thúc ñẩy từ Mặt trời Vô hạn có hai nghĩa: hoặc

là năng lượng tồn tại nhiều ñến mức mà không thể trở thành cạn kiệt (ví dụ như năng lượng Mặt trời) hoặc là năng lượng tự tái tạo trong thời gian ngắn

và liên tục (ví dụ như năng lượng sinh khối, phong năng, thủy ñiện nhỏ từ sóng biển, thủy triều hay các dòng suối…) trong các quy trình còn diễn tiến trong một thời gian dài trên Trái ðất

Tình hình tái tạo năng lượng trên toàn cầu ñược thống kê năm 2006 qua hình ảnh sau:

Hình 1.1 Các nguồn năng lượng tái tạo trên thế giới năm 2006

Trong ñó:

770 GW Thủy ñiện lớn 235 GWh Sinh khối nhiệt 105 GWh Mặt trời ñiện nhiệt

74 GW NL Gió 73 GW Thủy ñiện nhỏ 45 GW NL Sinh khối ñiện

39 Tỷ lít etanol/năm 33 GWh NL ðịa nhiệt 0,3, 0,4 GW Pin Mặt trời Các nguồn năng lượng hóa thạch ñã ñược khai thác và sử dụng từ rất lâu

và ñang dần cạn kiệt Cùng với sự tăng trưởng về kinh tế, nhu cầu về năng lượng cho sản xuất và ñời sống ngày càng gia tăng do ñó việc tìm kiếm các công nghệ sử dụng năng lượng tái tạo như thủy ñiện, năng lượng gió, năng lượng Mặt trời, năng lượng sinh khối, năng lượng ñịa nhiệt… có ý nghĩa sống còn ñối với nhân loại và ñược sự quan tâm rộng rãi trên quy mô toàn thế giới Trong những năm cuối của thế kỷ XX và những năm gần ñây do khủng hoảng năng lượng, cho nên công tác nghiên cứu, thăm dò, khai thác và sử dụng năng lượng tái tạo ñược nhiều quốc gia chú ý và ñạt ñược thành tựu ñáng kể ðặc ñiểm chung của các nguồn năng lượng mới là mặc dù chúng có mặt khắp nơi trên trái ñất dưới dạng nước, gió, ánh sáng Mặt trời, rác thải… nhưng chúng thường phân tán, khó khai thác Việc khai thác trên quy mô công nghiệp ñòi hỏi công nghệ cao và vốn ñầu tư lớn Việc khai thác trên quy

mô hộ gia ñình cũng rất thiết thực và ñem lại hiệu quả to lớn

Cho ñến nay với sự nỗ lực vượt bậc của các Nhà khoa học trên toàn Thế giới và sự phát triển ñồng bộ của các lĩnh vực khoa học, các nghiên cứu về tự nhiên môi trường,… rất nhiều dạng năng lượng mới ñã ñược ñưa vào khai thác sử dụng một cách khá hiệu quả Ví dụ như: năng lượng gió, năng lượng Mặt trời, thủy ñiện nhỏ, năng lượng từ ñại dương, dầu thực vật phế thải dùng

ñể chạy xe, năng lượng từ tuyết, nguồn năng lượng ñịa nhiệt, khí Mêtan hydrate, năng lượng từ sự lên men sinh học Tuy nhiên, ở Việt Nam hiện nay với ñặc ñiểm và ñiều kiện tự nhiên chúng ta chỉ quan tâm ñến các dạng năng lượng chính là ñiện Mặt trời, phong ñiện, thủy ñiện nhỏ, ñịa nhiệt và năng thủy triều sóng biển

1.2 Năng lượng Mặt trời [1,2]

1.2.1 Sự hình thành năng lượng Mặt trời

Năng lượng Mặt trời thu ñược trên Trái ðất là năng lượng của dòng bức xạ ñiện từ xuất phát từ Mặt trời ñến Trái ðất Mặt trời là quả cầu lửa khổng lồ, trong lòng nó diễn ra phản ứng nhiệt hạch với nhiệt ñộ rất cao lên tới hàng trăm triệu 0C Chúng ta sẽ tiếp tục nhận ñược dòng năng lượng này cho ñến khi phản ứng hạt nhân trên Mặt trời hết nhiên liệu, ước chừng vào khoảng 5 tỷ năm nữa

Như vậy năng lượng Mặt trời gần như vô tận, bức xạ ra không gian xung quanh với mật ñộ công suất khoảng 1353 W/m2 và là nguồn gốc của mọi

sự sống trên trái ñất Khi xuyên qua lớp khí quyển một phần năng lượng Mặt trời bị không khí hấp thụ Kết quả là năng lượng Mặt trời phân bố trên bề mặt trái ñất với mật ñộ năng lượng trung bình, cứ mỗi mét vuông hàng năm nhận ñược năng lượng từ Mặt trời tương ñương với khoảng 1,5 thùng dầu

Có thể trực tiếp thu lấy năng lượng này thông qua hiệu ứng quang ñiện, chuyển năng lượng các photon của BXMT thành ñiện năng, như pin Mặt trời Năng lượng của các photon cũng có thể ñược hấp thụ ñể làm nóng các vật thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, sử dụng cho bình ñun nước Mặt trời, hoặc làm sôi nước trong các máy nhiệt ñiện của tháp Mặt trời, hoặc vận ñộng các hệ thống nhiệt như máy ñiều hòa Mặt trời

Năng lượng của các photon có thể ñược hấp thụ và chuyển hóa thành năng lượng trong các liên kết hóa học của các phản ứng quang hóa

1.2.2 Tiềm năng năng lượng Mặt trời

- Tiềm năng trên thế giới:

Tiềm năng về năng lượng Mặt trời của các nước trên thế giới không ñều, mạnh nhất ở vùng xích ñạo và những khu vực khô hạn, giảm dần về phía hai ñịa cực Tiềm năng kinh tế của việc sử dụng năng lượng Mặt trời phụ thuộc vào vị trí ñịa ñiểm trên trái ñất, phụ thuộc vào ñặc ñiểm khí hậu, thời

tiết cụ thể của vùng miền Theo số liệu thống kê bức xạ trung bình của một ñịa ñiểm trên thế giới vào khoảng 2000 kWh/m2/năm, bảng 1.1

Khu vực Bức xạ Mặt trời

[1000 TWh]

Chỉ số chất lượng trung bình DNI [kWh/tháng/năm]

Công suất có thể khai thác [1000 TWh/năm]

Bảng 1.1: Bảng tổng hợp tiềm năng của năng lượng Mặt trời

- Tiềm năng ở Việt Nam:

Vị trí ñịa lý ñã ưu ái cho Việt Nam một nguồn năng lượng tái tạo vô cùng lớn, ñặc biệt là năng lượng Mặt trời Trải dài từ vĩ ñộ 23023’ Bắc ñến

8027’ Bắc, Việt Nam nằm trong khu vực có cường ñộ bức xạ Mặt trời tương ñối cao Trong ñó, nhiều nhất phải kể ñến thành phố Hồ Chí Minh, tiếp ñến là các vùng Tây Bắc (Lai Châu, Sơn La, Lào Cai) và vùng Bắc Trung Bộ (Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh)…

Năng lượng Mặt trời có những ưu ñiểm như: Sạch, chi phí nhiên liệu và bảo dưỡng thấp, an toàn cho người sử dụng… ðồng thời, phát triển ngành công nghiệp sản xuất PV sẽ góp phần thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch, giảm phát khí thải nhà kính, bảo vệ môi trường Vì thế, ñây ñược coi là nguồn năng lượng quý giá, có thể thay thế những dạng năng lượng cũ ñang ngày càng cạn kiệt

Vì vậy, sử dụng năng lượng Mặt trời như một nguồn năng lượng tại chỗ hay nối ñể thay thế cho các dạng năng lượng truyền thống, ñáp ứng nhu cầu của các vùng dân cư này là một kế sách có ý nghĩa về mặt kinh tế, an ninh

quốc phòng Tuy nhiên, việc ứng dụng năng lượng Mặt trời ở Việt Nam cho ñến nay chưa phát triển

trong năm

Bức xạ kcal/cm2/năm

Khả năng ứng dụng

Bảng 1.2 Số liệu về bức xạ năng lượng Mặt trời của các vùng ở Việt Nam

1.2.3 Công nghệ sử dụng năng lượng Mặt trời

Bức xạ Mặt trời (BXMT) gửi tới trái ñất dưới dạng sóng bức xạ, năng lượng sóng phụ thuộc bước sóng (phổ sóng), không phải là truyền nhiệt ñến trái ñất Muốn khai thác năng lượng Mặt trời (NLMT) phải có thiết bị hấp thụ năng lượng của các sóng bức xạ, từ ñó hình thành nhiều công nghệ khai thác khác nhau dựa trên các nguyên tắc chủ yếu sau:

- BXMT - ñiện năng – phụ tải ñiện

- BXMT - nhiệt năng – phụ tải nhiệt

- BXMT - nhiệt năng – ñiện năng – phụ tải ñiện

Năng lượng Mặt trời có thể sử dụng trong nhiều mục ñích khác nhau tùy theo mục ñích người sử dụng ðối với ngành hệ thống ñiện, chỉ tập trung nghiên cứu ñến khả năng chuyển hóa BXMT- ñiện năng- phụ tải ñiện dựa trên hiệu ứng quang ñiện trong PV hay còn gọi là pin quang ñiện, tiếng anh là Photo Voltaics (viết tắt là PV )

1.3 Năng lượng gió

1.3.1 Sự hình thành năng lượng gió

Bức xạ Mặt trời chiếu xuống bề mặt Trái ðất không ñồng ñều làm cho bầu khí quyển, nước và không khí nóng không ñều nhau Một nửa bề mặt của Trái ðất (mặt ban ñêm), bị che khuất không nhận ñược bức xạ của Mặt trời và thêm vào ñó là bức xạ Mặt trời ở các vùng gần xích ñạo nhiều hơn ở các cực

Do ñó, hình thành sự chênh lệch về nhiệt ñộ và áp suất dẫn ñến sự dịch chuyển của các khối không khí tạo thành gió Mặt khác, Trái ñất quay tròn, và nghiêng so với mặt phẳng quỹ ñạo Trái ñất khi quay xung quanh Mặt trời ñiều này tạo nên các dòng xoáy không khí và dòng không khí theo mùa Hình 1.2 minh họa cho sự hình thành gió

Hình 1.2 Sự hình thành gió

Ngoài ra gió cũng bị ảnh hưởng bởi ñịa hình tại từng ñịa phương, do nước và ñất có nhiệt dung khác nhau nên ban ngày ñất nóng lên nhanh hơn nước, tạo nên khác biệt về áp suất và vì thế có gió thổi từ biển hay hồ vào ñất liền Vào ban ñêm ñất liền nguội ñi nhanh hơn nước và hiệu ứng này xảy ra theo chiều ngược lại Như vậy, năng lượng gió là ñộng năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển Trái ðất

1.3.2 Tiềm năng gió

- Tiềm năng về năng lượng gió của một số nước trên thế giới:

Năng lượng gió ñược nghiên cứu và triển khai với tốc ñộ rất nhanh trong khoảng 10 năm gần ñây Biểu ñồ trên hình 1.3 cho thấy tốc ñộ triển khai năng lượng gió giai ñoạn 1997-2010 trên thế giới

Hình 1.3 Tốc ñộ triển khai năng lượng gió giai ñoạn

1997-2010 trên thế giới

Các turbine gió hiện ñại bắt ñầu ñược sản xuất từ năm 1979 ở ðan Mạch với công suất từ 20-30 kW Từ năm 2000 ñến 2006 công suất các turbine gió tăng lên 4 lần Ngày nay tổng công suất turbine gió trên Thế giới ước tính ñạt 93.849 MW, trong ñó châu Âu chiếm tới 65% ðan Mạch là nước sử dụng năng lượng gió rộng rãi nhất, chiếm 1/5 sản lượng ñiện quốc gia

Theo Hội Năng lượng gió Hoa Kỳ năm 2008 sản lượng ñiện gió chiếm 1% tổng ñiện năng Ấn ðộ ñứng thứ tư trên thế giới về năng lượng gió với 8.000 MW, công suất ñặt năm 2007 chiếm 3% sản lượng ñiện

- Tiềm năng năng lượng gió của Việt Nam:

Việt Nam nằm ở khu vực gần xắch ựạo trong khoảng 80 ựến 230 vĩ Bắc thuộc khu vực nhiệt ựới gió mùa Gió ở Việt Nam có hai mùa rõ rệt: Gió đông Bắc và gió Tây Nam với tốc ựộ trung bình ở vùng ven biển từ 4,5- 6 m/s (ở ựộ cao 10-12m) Tại các vùng ựảo xa, tốc ựộ gió ựạt tới 6- 8 m/s Như vậy tuy không cao bằng tốc ựộ gió ở các nước Bắc Âu ở cùng ựộ cao nhưng cũng ựủ lớn ựể sử dụng ựộng cơ gió có hiệu quả

Trên thực tế vận tốc gió ựược ựo ở ựộ cao 10-12m Các ựộng cơ gió công suất lớn ựến 1000 kW thường ựược lắp trên ựộ cao 50- 60m Các dữ liệu vận tốc gió ở ựộ cao này chưa có, một số ựơn vị ựã tiến hành ựo gió ở ựộ cao 50-60 m tại một số ựiểm Các số liệu ựo gió ở ựộ cao trên ựã xác ựịnh ựược vận tốc gió thông qua công thức gần ựúng sau:

V= V1

1

h

Trong ựó: + V: Vận tốc gió cần tìm trên ựộ cao h

+ V1: Vận tốc gió ựo ựược ở ựộ cao h1 Tiềm năng gió của Việt Nam có thể ựánh giá thông qua số liệu về gió của Tổng Cục Khắ tượng Thủy văn theo bảng 1.3

Năm Công suất (kW) đường kắnh rotor (m)

1.3.3 Công nghệ sử dụng năng lượng gió

Như vậy gió là dòng chuyển dời của khối không khí mang năng lượng

mà các thiết bị thu chủ yếu nhận ñược dưới dạng ñộng năng Từ ñó hình thành nhiều công nghệ khai thác năng lượng gió (NLG):

- NLG – chuyển ñộng tịnh tiến – thuyền buồm, xe buồm, tàu lượn

- NLG – chuyển ñộng quay – Máy xay gió

- NLG – chuyển ñộng quay – Máy phát ñiện

ðối với ngành Mạng, thiết bị và nhà mát ñiện, chủ yếu quan tâm về công nghệ khai thác năng lượng gió như sau: NLG – chuyển ñộng quay – Máy phát ñiện ðặc của công nghệ này gồm:

- Turbine gió: Công suất P của turbine gió phụ thuộc vào sải cánh của rôto, vào tỷ trọng không khí và tốc ñộ gió và cho bằng công thức:

3 2

2

1

v r

P= αρπ

(1.2)

- Máy phát ñiện sức gió: máy phát làm nhiệm vụ biến ñổi năng lượng

cơ học thành năng lượng ñiện Có nhiều phương án thiết kế hệ thống máy phát ñiện chạy bằng sức gió, sử dụng các loại máy ñiện có cấu tạo khác nhau như: máy ñiện không ñồng bộ rôto dây quấn, máy ñiện không bộ rôto lồng sóc, máy ñiện ñồng bộ nam châm vĩnh cửu…

- Một vài mô hình khai thác như:

Hình 1.4a Sơ ñồ máy phát ñiện sức gió Hình 1.4b Sơ ñồ nối lưới của máy

phát nối lưới không ñồng bộ nguồn kép

1.4 Thủy điện nhỏ

1.4.1 Khái niệm chung về thủy điện nhỏ

Thủy điện nhỏ được hiểu một cách khơng thống nhất ða số các nước phân loại thủy điện nhỏ cĩ cơng suất dưới 10 MW, tuy nhiên Canađa phân loại thủy điện nhỏ cĩ cơng suất dưới 20 MW, Hoa Kỳ dưới 30 MW Trong loại thủy điện nhỏ, thủy điện mini cĩ cơng suất dưới 500 kW, micro dưới 100

kW, trạm pico cĩ cơng suất dưới 5 kW Trung Quốc là nước đứng đầu thế giới về khai thác thủy điện nhỏ

Thủy điện nhỏ là nguồn năng lượng cĩ hiệu quả kinh tế rất cao, được chú ý rộng rãi trên tồn thế giới, đĩng gĩp quan trọng cho cân bằng năng lượng của mỗi quốc gia

1.4.2 Tiềm năng và tình hình khai thác ở Việt Nam [1]

Ở Việt Nam, với đặc điểm địa lý của đất nước cĩ nhiều đồi núi, cao nguyên và sơng hồ, lại cĩ mưa nhiều nên hàng năm mạng lưới sơng suối vận chuyển ra biển hơn 870 tỷ m3nước, tương ứng với lưu lượng trung bình khoảng 37.500 m3/giây, rất thuận lợi cho việc phát triển các nhà máy thủy điện

Vì vậy, cùng với việc tiếp tục triển khai xây dựng các nhà máy thủy điện cĩ cơng suất lớn, do Tập đồn Ðiện lực Việt Nam làm chủ đầu tư, như Sơn La cơng suất 2400MW, Tuyên Quang 342 MW, Bản Vẽ 320MW, Ðại Ninh 300MW, nhiều doanh nghiệp trong và ngồi ngành điện cũng mạnh dạn tự đầu tư xây dựng các nhà máy thủy điện cơng suất vừa và nhỏ, với gần

300 dự án cĩ tổng cơng suất lắp máy khoảng 2.500 MW đến 3.000 MW, tương ứng với lượng điện hàng năm khoảng 10 tỷ kW giờ

Ði đầu trong việc phát triển thủy điện vừa và nhỏ là Tổng cơng ty Sơng

Ðà Với thế mạnh của một tổng cơng ty đã tham gia xây dựng nhiều cơng trình thủy điện trọng điểm của quốc gia như: Thác Bà, Hịa Bình, Trị An, YaLy Bằng kinh nghiệm của mình, Tổng cơng ty đang từng bước tự khẳng

ñịnh là nhà ñầu tư lớn các dự án năng lượng ñiện, với việc tự ñầu tư nhiều công trình thủy ñiện có công suất từ vài MW ñến hàng trăm MW Bên cạnh các dự án thủy ñiện ñã hoàn thành như thủy ñiện Sê San 3A (108 MW), Cần Ðơn (77,6 MW), Nậm Mu (12 MW), Nà Lơi (9,3 MW) Tổng công ty ñang thực hiện nhiều dự án thủy ñiện vừa và nhỏ ở miền trung và Tây Nguyên với tổng công suất hơn 40 MW

1.4.3 Công nghệ thủy ñiện nhỏ

ðối với các nhà máy thủy ñiện lớn, thủy năng (TN) ñược tập trung trên những dòng chảy (sông) lớn Trong khi ñó, thủy ñiện nhỏ lại khai thác từ nhiều dạng thái thủy năng khác nhau từ các dòng chảy nhỏ, suối

- TN – Cơ năng – Máy xay, bơm nước

- TN – Cơ năng – Máy phát ñiện

Khi nghiên cứu về các dạng năng lượng sạch chỉ qaun tâm ñến công nghệ khai thác thủy ñiện nhỏ trên các dòng suối hay thủy ñiện nhỏ có kênh dẫn

ðối với một dòng chảy có lưu lượng Q (m3

/s), ñộ chênh cột nước H (m), tỷ trọng của nước ρ (kg/m3

), η là hiệu suất truyền ñộng, tao nên công suất P tính bằng kW:

Bảng 1.4 cho thấy quan hệ giữa công suất ñặt của máy phát thủy ñiện nhỏ theo lưu lượng và chiều cao cột nước

Công suất P (W) Chiều cao H (m) Lưu lượng Q (l/s)

Bảng 1.4 Quan hệ công suất theo lưu lượng, chiều cao cột nước

1.5 Năng lượng ñịa nhiệt

1.5.1 Sự hình thành năng lượng ñịa nhiệt

Nhiệt năng của Trái ðất gọi là ñịa nhiệt, là năng lượng nhiệt mà Trái ðất có ñược thông qua các phản ứng hạt nhân âm ỉ dưới lòng ñất Nhiệt năng này làm nóng chảy các lớp ñất ñá trong lòng Trái ðất, gây ra hiện tượng di dời thềm lục ñịa và sinh ra núi lửa Các phản ứng hạt nhân trong lòng Trái ðất sẽ tắt dần và nhiệt ñộ lòng trái ðất sẽ nguội dần, nhanh hơn nhiều so với tuổi thọ của Mặt trời

ðịa nhiệt có thể ñược xem là nguồn năng lượng sản xuất công nghiệp quy mô vừa, trong các lĩnh vực như:

- Nhà máy ñiện ñịa nhiệt

- Trung tâm ñịa nhiệt

1.5.2 Tiềm năng năng lượng ñịa nhiệt

- Tiềm năng ñịa nhiệt thế giới:

Nhà máy ñiện ñịa nhiệt ñầu tiên trên thế giới ñược xây dựng từ năm

1904 ở Italia Nhà máy ñịa nhiệt ñầu tiên ở Hoa Kỳ ñược xây dựng từ năm

1922 cung cấp nhiệt và ñiện cho khu nghỉ mát Nhà máy ñiện ñịa nhiệt lớn nhất thế giới The Geysers của Hoa Kỳ có công suất 1360 MW ñược xây dựng

từ năm 1960 ðiện lực Bắc California có các nhà máy ñiện ñịa nhiệt có tổng công suất 740 MW Hoa Kỳ là nước khai thác ñịa nhiệt hàng ñầu Thế giới Năm 2005 Hoa Kỳ ñã hợp ñồng xây dựng các nhà máy ñịa nhiệt tổng công suất 500 MW cho 11 nước Mehicô là nước khai thác ñịa nhiệt thứ ba trên Thế giới, năm 2007 ñã lắp ñặt 959 MW Chiếm 3,24% ñiện năng toàn quốc Iceland là nước có tiềm năng ñịa nhiệt lớn, ñiện ñịa nhiệt chiếm 19,1% và 87% nhiệt năng Nguồn ñịa nhiệt của Philipin ñảm bảo 17,5% ñiện năng Tiềm năng ñịa nhiệt thế giới khoảng 100 GW và ñã ñược sử dụng vì mục ñích thương mại trên 70 nước Năng lượng ñịa nhiệt ñã cung cấp 1% năng lượng thế giới

- Tiềm năng ñịa nhiệt ở Việt Nam

Việt Nam có nguồn ñịa nhiệt phong phú, cả nước có hơn 300 nguồn nước khoáng nóng có nhiệt ñộ bề mặt lên tới 1050C Miền Bắc ñã phát hiện

và ñăng ký 119 nguồn hầu hết là nguồn nước nóng Theo tính toán sơ bộ năng lượng ñịa nhiệt của các tỉnh phía Bắc có thể dùng ñể phát ñiện bước ñầu với công suất 100 MW Bắc Trung Bộ cũng là vùng có nhiều triển vọng ñịa nhiệt

có thể khai thác công nghiệp phát ñiện từ 40 MW ñến 60 MW tương ñương với Nam Trung Bộ Gần ñây với sự hợp tác của công ty ORMAT Hoa Kỳ các chuyên gia ñịa chất ñã ñánh giá ñịa hóa học trên 60 nguồn nước nóng và ñã chọn 6 ñịa ñiểm thuộc các tỉnh Quảng Ngãi, Bình ðịnh, Khánh Hòa và Bà Rịa-Vũng Tàu có khả năng phát triển các nhà máy ñiện ñịa nhiệt với tổng công suất 200 MW ðặc ñiểm nhiệt ñộ ñịa nhiệt của các ñịa ñiểm ñược cho trong bảng 1.5

TT ðịa ñiểm Nhiệt ñộ max (0C)

Bảng 1.5 Nhiệt ñộ ñịa nhiệt của một số ñịa ñiểm ở Việt Nam

Các nghiên cứu ñịa chất, ñịa hóa cho thấy các nguồn ñịa nhiệt này ñều

có chất lượng cao, phù hợp với các tiêu chuẩn quốc tế và mỗi ñịa ñiểm có thể ñặt nhà máy ñịa nhiệt quy mô thương mại khoảng 40-50 MW

1.5.3 Công nghệ khai thác ñịa nhiệt

Có hai loại nguồn ñịa nhiệt:

- Các nguồn thủy nhiệt (nước nóng) là nguồn tương ñối nông từ vài trăm mét tới 3000m Chúng chứa nước nóng, hơi nước hoặc hỗn hợp, ñược khai thác cho mục ñích ñịa nhiệt thương mại và sấy sưởi

- Các nguồn nhiệt trong ñá nóng nằm khá sâu trong lòng ñất vào khoảng 4000 m và sâu hơn, hiện ñang ñược tập trung nghiên cứu nhưng chưa ñược khai thác thương mại Các nguồn thủy nhiệt có thể cung cấp năng lượng trong khoảng 10-50 năm, còn các nguồn nhiệt trong ñá nóng có thể cung cấp năng lượng lâu hơn nhiều Năng lượng ñịa nhiệt có nhiều ưu ñiểm so với nguồn hóa thạch truyền thống, là nguồn năng lượng sạch, có giá thành khai thác thấp, làm việc liên tục nên có thể làm việc ở ñáy ñồ thị phụ tải Tuy nhiên là hơi nước trong lòng ñất có chứa nhiều tạp chất dễ ăn mòn và có nhiệt

ñộ tương ñối thấp nên hiệu suất nhiệt ñộng của các nhà máy ñiện ñịa nhiệt bị hạn chế Bồn chứa thủy nhiệt bao gồm nguồn ñã nóng có tính thẩm thấu lớn

và chứa nước với nhiệt ñộ dao ñộng trong khoảng từ 100- 4000C Chất lỏng này còn chứa một lượng ñáng kể các chất rắn không hòa tan và chất khí không

ngưng tụ Các giếng khoan dùng ựể lấy và phun chất lỏng ựịa nhiệt trở lại Các giếng khoan sâu khoảng 200-3500m Hệ thống ựường ống vận chuyển chất lỏng ựịa nhiệt giữa các giếng khoan và các thiết bị trong nhà máy ựiện Nhà máy nhiệt ựiện bao gồm một hoặc nhiều tổ turbine hơi-máy phát ựiện Các nguồn thủy nhiệt có nhiệt ựộ thấp dưới 1000 C, nhiệt ựộ trung bình từ

1000C ựến 2000C còn các nguồn nhiệt ựộ cao trên 2000C Chỉ có các nguồn thủy nhiệt trung bình và cao là có giá trị khai thác ựiện thương mại

1.6 Năng lượng thủy triều và sóng biển

1.6.1 Sự hình thành năng lượng thủy triều và sóng biển

Trường hấp dẫn không ựều trên bề mặt Trái đất gây ra bởi Mặt Trăng, cộng với trường lực quán tắnh ly tâm không ựều tạo nên bề mặt hình elipsoit của thủy quyển Trái đất (và ở mức ựộ yếu hơn, của khắ quyển Trái đất và thạch quyển Trái đất) Hình elipsoit này cố ựịnh so với ựường nối Mặt Trăng

và Trái đất, trong khi Trái đất tự quay quanh nó, dẫn ựến mực nước biển trên một ựiểm của bề mặt Trái đất dâng lên hạ xuống trong ngày, tạo ra hiện tượng thủy triều

Sự nâng hạ của mực nước biển có thể làm chuyển ựộng các máy phát ựiện trong các nhà máy ựiện thủy triều

1.6.2 Tiềm năng năng lượng thủy triều và sóng biển

- Tiềm năng trên thế giới:

Công ty Minesto, Thụy điển ựã phát triển một thiết bị ựể khai thác nguồn năng lượng từ các đại dương đó là diều turbine dưới nước với phần trên là một chiếc diều, mang theo ở phắa dưới một turbine vận hành nhờ thuỷ triều Các chuyên gia của công ty ựã thử nghiệm tại biển Strangford Lough, Bắc Ireland trong mùa hè vừa qua Diều có sải cánh 8 - 14 m, mang theo một turbine phắa dưới Chúng ựược neo bởi một dây cáp ở ựáy biển Diều "bay" trong dòng thuỷ triều ựể tăng tốc ựộ dòng chảy qua turbine lên 10 lần Turbine quay sẽ phát ra dòng ựiện

Thiết bị phát ñiện diều – turbine phát ra năng lượng tái tạo nhờ các dòng thủy triều là thế hệ ñầu tiên có quy mô thương mại lớn, mạnh hơn 4 lần các máy phát ñiện dung năng lượng thủy triều khác Diều lơ lửng trong nước biển và miệng turbineñược bảo vệ không cho cá lọt qua

Ander Jansson, giám ñốc ñiều hành của Minesto nói: “Diều làm việc trong dòng chảy có tốc ñộ 1 - 2,5 m/giây, tùy thuộc vào vị trí và kích thước của diều, mỗi turbine có công suất từ 150 ñến 800 kW, và hoạt ñộng ở các vùng nước sâu 50-300m

Các nhà khoa học rất hy vọng về turbine diều gió, diều thủy triều là năng lượng tuyệt vời cho Trái ðất

- Tiềm năng ở Việt Nam Kết quả ñánh giá của Viện Khoa học Năng lượng Việt Nam, Việt Nam

có tiềm năng khai thác nguồn năng lượng thủy triều cao bởi có rất nhiều vũng, vịnh, cửa sông, ñầm phá và ñặc biệt là có ñường bờ biển dài trên 3.200km

Khu vực Quảng Ninh, mật ñộ năng lượng thủy triều ñạt khoảng 3,7 GWh/km2, Nghệ An khoảng 2,5 GWh/km2 và giảm dần ñến khu vực Thừa Thiên Huế với 0,3 GWh/ km2 Về phía Nam, Phan Thiết là 2,1 GWh/km2, Bà Rịa - Vũng Tàu với 5,2 GWh/km2

lên nước biển qua ñập chắn quay tua bin vào hồ chứa, khi thủy triều xuống nước từ hồ qua turbine thoát ra biển Như vậy cả hai chu trình nước biển vào,

ra hồ chứa ñều có khả năng quay turbine và phát ra ñiện Năng lượng thủy triều E tính bằng công thức:

, h là chiều cao thủy tĩnh

Nhà máy ñiện thủy triều quy mô công nghiệp ñầu tiên nằm trên cửa sông Rance, thuộc miền Bretagne phía ñông nước Pháp và ñổ vào biển Manche (hình 1.5) Eo biển này tạo nên hồ chứa rộng 22 km2 ñộ chênh nước thủy triều cực ñại 10 m Ngày 28-10-1968 ñã khánh thành nhà máy ñiện thủy triều gồm 24 tổ máy với công suất tổ máy 10 MW, tốc ñộ quay 93,75 v/ph Máy phát ñồng bộ kích từ tĩnh, ñiện áp ñịnh mức 3500 V Phần ñập cố ñịnh dài 160m và ñập di dộng dài 115m, rộng 53m Khối lượng bê tông 35.000 m3

, 16.000 tấn thép Nhà máy làm việc hoàn toàn tự ñộng do máy tính PDP 8 ñiều khiển, có tính ñến chu trình nước biển, sự sẵn sàng hoạt ñộng của thiết bị Vào giờ thấp ñiểm của hệ thống người ta sử dụng bơm ñể hỗ trợ tích nước trong hồ chứa Sản lượng ñiện bình quân một năm là 600 GWh tương ñương công suất trung bình 68 MW Nhà máy ñiện thủy triều Annapolis Royal, vịnh Fundy Canaña công suất 18 MW, ñộ chênh mức nước thủy triều 17 m Nga có nhà máy ñiện thủy triều Vislaya Guba 12 MW Do giá ñầu tư lớn nên nhà máy ñiện thủy triều ít ñược phát triển

, A là diện tích cánh turbine, v là vận tốc dòng chảy (m/s)

Năm 2008 nhà máy thủy ñiện sử dụng dòng hải lưu SeaGen ở Bắc Ailen có công suất 1,2 MW ñưa vào vận hành (hình 1.6)

CHƯƠNG 2

HỆ NGUỒN PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt ñộng của pin Mặt trời [3]

2.1.1 Cấu tạo của pin Mặt trời

Một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biến ñổi trực tiếp năng lượng bức xạ Mặt trời thành ñiện năng nhờ hiệu ứng quang ñiện bên trong gọi là pin Mặt trời (PV)

Hiện nay vật liệu chủ yếu cho PV là các silic tinh thể PV từ tinh thể silic chia ra làm 3 loại:

+ Một tinh thể hay ñơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski ðơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16% Chúng thường rất ñắt tiền do ñược cắt từ các thỏi hình ống, các tấm ñơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module

+ ða tinh thể làm từ các thỏi ñúc ñúc từ silic nung chảy cẩn thận ñược làm nguội và làm rắn Các pin này thường rẻ hơn các ñơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ

bề mặt nhiều hơn ñơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó

+ Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc ña tinh thể Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon

PV ñược sản xuất và ứng dụng phổ biến hiện nay là các PV ñược chế tạo từ vật liệu tinh thể bán dẫn silicon (Si) có hóa trị 4 Từ tinh thể Si tinh khiết ñể có vật liệu tinh thể bán dẫn Si loại n, người ta pha tạp chất donor là photpho có hóa trị 5 Còn có thể có vật liệu bán dẫn tinh thể loại p thì tạp chất acceptor ñược dùng ñể pha vào Si là Bo có hóa trị 3 ðối với PV từ vật liệu tinh thể Si khi bức xạ Mặt trời chiếu ñến thì hiệu ñiện thế hở mạch giữa 2 cực

khoảng 0.55 và dòng ñiện ñoản mạch của nó khi bức xạ Mặt trời có cường ñộ 1000W/m2 vào khoảng 25- 30 mA/cm2

Hình 2.1 Cấu tạo pin Mặt trời

Thực tế người ta ñã chế tạo PV bằng vật liệu Si vô ñịnh hình (a- Si) So với PV a- Si giá thành rẻ hơn nhưng hiệu suất thấp hơn và kém ổn ñịnh

Ngoài Si, hiện nay người ta ñang nghiên cứu và thử nghiệm các loại vật liệu khác có nhiều triển vọng như Sunfit cadmi – ñồng (CuCds) galium-arsenit (GaAs)…

2.1.2 Nguyên lý hoạt ñộng của pin Mặt trời

PV làm việc theo nguyên lý biến ñổi trực tiếp năng lượng bức xạ Mặt trời thành ñiện năng nhờ hiệu ứng quang ñiện Khi tiếp giáp p-n nhận tia bức

xạ Mặt trời, ñiện tử ở vùng hóa trị hấp thụ năng lượng photon hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn ñiện tử - lỗ trống e- - h+, nghĩa là tạo ra một ñiện thế Hiện tượng này gọi là hiệu ứng quang ñiện bên trong Quá trình hình thành dòng ñiện trong lớp tiếp giáp p-n khi có ánh ánh sáng Mặt trời tác ñộng vào ñược mô tả trên hình 2.2

Khối n ñến khối p nên cản trở chuyển ñộng khuếch tán và như vậy sau một thời gian kể từ lúc ghép 2 khối bán dẫn với nhau thì quá trình chuyển ñộng khuếch tán chấm dứt và tồn tại ñiện áp tiếp xúc Lúc này ta nói tiếp xúc p-n ở trạng thái cân bằng

Hai bên mặt tiếp giáp là vùng các ñiện tử và lỗ trống dễ gặp nhau nhất nên quá trình tái hợp thường xảy ra ở vùng này hình thành các nguyên tử trung hòa Vì vậy vùng biên giới ở hai bên mặt tiếp giáp rất hiếm các hạt dẫn ñiện tự do nên ñược gọi là vùng nghèo Vùng này không dẫn ñiện tốt, trừ phi ñiện áp tiếp xúc ñược cân bằng bởi ñiện áp bên ngoài ðây là cốt lõi hoạt ñộng của ñiốt cũng chính là nguyên lý hoạt ñộng của pin Mặt trời Nếu ñặt ñiện áp bên ngoài ngược với ñiện áp tiếp xúc, sự khuyếch tán của các ñiện tử

và lỗ trống không bị ngăn trở bởi ñiện áp tiếp xúc nữa và vùng tiếp giáp dẫn ñiện tốt Nếu ñặt ñiện áp bên ngoài cùng chiều với ñiện áp tiếp xúc, sự khuyếch tán của các ñiện tử và lỗ trống càng bị ngăn lại và vùng nghèo càng trở nên nghèo hạt dẫn ñiện tự do Nói cách khác ñiốt chỉ cho phép dòng ñiện qua nó khi ñặt ñiện áp theo một hướng nhất ñịnh

Hình 2.2 Nguyên lý hoạt ñộng của pin Mặt trời

2.2 Các ñặc trưng quang ñiện của pin Mặt trời

Sự hình thành dòng dịch chuyển qua lớp tiếp giáp p-n có tính chỉnh lưu như một diode Do ñó lớp tiếp giáp trên tấm PV ñược tương ñương như một diode, hình 2.3

Hình 2.3 Sơ ñồ thay thế lớp tiếp giáp

Khi các bức xạ Mặt trời (photon) tập trung vào diode hay lớp tiếp giáp p-n, lúc này các cặp lỗ electron lỗ trống ñược hình thành trong các nguyên tử silicon về cả hai phía diode hay lớp tiếp giáp p-n, nghĩa là các ñiện tử ñược kích thích dịch chuyển từ vùng hóa trị vào các vùng dẫn và ñể lại các lỗ trống lại phía sau Nếu các cặp lỗ trống ñược tạo ra ñược dịch chuyển ñến các vùng lân cận của ñường tiếp giáp dưới tác dụng của ñiện trường nếu các pin ñược kết nối với tải, các electron ñược ñi ra từ phía tiếp giáp n rồi qua tải quay trở lại tiếp giáp p Khi ñó hình thành một dòng ñiện có chiều hướng ngược lại với dòng dịch chuyển của các electrons gọi là dòng quang ñiện Kí hiệu Iph: dòng photon Vì vậy PV có thể xem tương ñương như một nguồn dòng

2.2.1 ðặc tính V-I của PV [4,5]

Một PV có thể ñược biểu diễn qua sơ ñồ thay thế như một máy phát Thevelin trên hình 2.4, bao gồm một nguồn dòng lý tưởng song song với một diode lý tưởng Nguồn dòng ñại diện cho dòng ñược tạo ra bởi các photon (thường ñược ký hiệu là Iph hoặc Il), có ñầu ra không ñổi theo nhiệt ñộ và bức

xạ liên tục của ánh sáng Kết nối với tải Rs và Rsh như hình vẽ

V

Im

Isc

Hình 2.4 Sơ ñồ tương ñương và ñặc tính V- I

Trong sơ ñồ ta cần quan tâm ñến các yếu tố quan trọng sau:

- Lớp tiếp giáp p-n có tính chỉnh lưu như một diode

- ðiện trở nối tiếp Rs ñặc trưng cho khả năng cản trở của dòng ñiện của pin trong việc kết nối giữa các pin với nhau Hay chính là ñiện trở kháng khi phải chạy qua các lớp bán dẫn p và n, các ñiện cực, các tiếp xúc (có thể coi là ñiện trở trong của pin Mặt trời)

- ðiện trở shun Rsh ñặc trưng cho dòng dò qua lớp tiếp xúc p-n

- Dòng ngắn mạch Isc và ñiện áp hở mạch Voc

ðể xác ñịnh ñược dòng ñiện ngoài ta áp dụng ñịnh luật Kirchoff’s 1 cho dòng ñiện tại một ñiểm nút:

sh I D I ph I sh I D I sc I

(2.1) Trong ñó :

Isc : là dòng ngắn mạch ñược tạo ra bởi các dòng photon

ID : Dòng ñi qua diode

Ish : Dòng dò

Mặt khác ta có: Theo Shockley’s dòng ID ñược tính với công thức như sau :

I D

(2.2) Trong ñó :

- V: ðiện áp trên các tấm pin

- I : Dòng ñiện ñi ra từ pin

- Is : ðộ bão hòa dòng ñiện ngược diode Không phụ thuộc vào sự thay ñổi nhiệt ñộ

R

I R V

=

(2.3) Thay ID , Ish ở biểu thức (2.2,2.3) vào (2.1) ta ñược :

sh R

I s R V nkT

I s R V q s I ph I sh I D I ph I I

2.2.2 Những ñiểm ñặc biệt của ñặc tính V-I

• ðiểm công suất tối ña:

Là ñiểm hoạt ñộng ở vị trí (Vmax, Imax) nơi ñiện trở tiêu tán một cách tối

ña

P max = I max V max (2.5) Hiệu suất : là tỷ số giữa công suất Pmax với công suất tới của ánh sáng Mặt trời

Hệ số ñiền ñầy: Là tỷ số giữa công suất Pmax có thể truyền qua tải với cống suất ñầu ra

Khả năng ñiền ñầy là một biện pháp của ñặc tính I-V khả năng ñiền ñầy

có thể lớn hơn 0.7 với pin năng lượng tốt Khi nhiệt ñộ giảm ñi ñồng nghĩa với khả năng ñiền ñầy kém ñi

• Dòng ñoản mạch I sc :

Hình 2.5 Sơ ñồ tương ñương pin Mặt trời

Dòng ñoản mạch ISC là dòng ñiện trong mạch của PV khi làm ngắn mạch ngoài (chập các cực ra của pin) Lúc ñó hiệu ñiện thế mạch ngoài của pin bằng không ( V= 0) Thay giá trị V= 0 vào (2.4) ta có:

I = = α (2.9) Trong ñó E là cường ñộ sáng, α là một hệ số tỷ lệ Như vậy ở ñiều kiện bình thường, dòng ñoản mạch ISC của PV tỷ lệ thuận với cường ñộ bức xạ chiếu sáng

sh R sc I s R nkT

sc I s qR S

I ph I sc

U(V)

1,50kW/m 2 , T=const 1,25kW/m 2

I S

I ph I

S

I nkT oc qV S

I ph

I nkT

oc qV S

I ph I

exp

exp1

exp0

I S

S

I ph I q

nkT oc

q

nkT oc

(2.10)

Trong biểu thức (2.10), Voc phụ thuộc vào nhiệt ñộ một cách trực tiếp (thừa số T ở trước biểu thức) và gián tiếp qua dòng bão hoà IS Như ñã biết, dòng bão hoà IS là dòng các hạt tải ñiện không cơ bản ñược tạo ra do kích thích nhiệt và bị gia tốc bởi ñiện trường tiếp xúc Khi nhiệt ñộ của PV tăng dòng bão hoà IS cũng tăng lên theo hàm mũ :

D qAL D L th qAg S

th

Trong biểu thức (2.11), A là diện tích bề mặt tiếp xúc p-n, gth là mật ñộ hạt dẫn ñược tạo ra do kích thích nhiệt trong lớp tiếp xúc, g0 = gth khi T = ∞ ñược gọi là hệ số kích thích nhiệt ðặt các biểu thức này vào biểu thức Voc ta có:

A o

g D L q

nkT q

g E oc

Từ công thức trên ta thấy, chỉ khi T = 0 thì mới thu ñược ở các ñầu ra

của tiếp xúc p-n ñiện thế bằng thế năng E g

q của cặp e- - h+ Còn khi T > 0 thì

g E oc

V <

Sự khác nhau giữa các thế năng khi T = 0 và khi T > 0 phụ thuộc vào

hệ số kích thích nhiệt go và vào hiệu suất góp K Khi chiếu sáng với cường ñộ sáng cao thì Nph tăng lên và Vo càng gần tới giá trị E g

q Ngoài ra, Voc tăng theo hàm loga với dòng quang ñiện Iph mà ñến lượt nó lại tăng tuyến tính với cường ñộ bức xạ chiếu sáng Kết quả là thế hở mạch VOC tăng theo hàm loga theo cường ñộ bức xạ chiếu sáng và giảm tuyến tính khi nhiệt ñộ của PV