Nghiên cứu bộ đèn chiếu sáng sử dụng năng lượng mặt trời

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ADC : Bộ biến đổi tương tự sang số Analog to Digital Converter BJT : Transitor lưỡng cực Bipolar Junction Transistor CCI : Biến tần điều khiển dòng Current-Controll

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

-

ĐÀO TUẤN ANH

NGHIÊN CỨU BỘ ĐÈN CHIẾU SÁNG

SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện hướng thiết bị điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT ĐIỆN HƯỚNG THIẾT BỊ ĐIỆN

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS NGUYẾN THẾ CÔNG

TRANG BÌA PHỤ

LỜI CAM ĐOAN

Sau một thời gian nghiên cứu, tìm hiểu bản luận văn đã được hoàn thành Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung và các kết quả tính toán là đúng sự thật Tôi xin chịu trách nhiệm về các nội dung nghiên cứu và các kết quả tính toán của mình

Tác giả luận văn

Đào Tuấn Anh

MỤC LỤC

TRANG BÌA PHỤ 1

LỜI CAM ĐOAN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC BẢNG BIỂU 7

DANH MỤC HÌNH VẼ 8

MỞ ĐẦU 12

Chương 1 Giới thiệu chung 14

1.1 Nhu cầu sử dụng năng lượng 14

1.2 Các nguồn năng lượng tái tạo 14

1.3 Hiệu ứng quang điện 15

1.4 Tế bào năng lượng mặt trời 16

1.5 Tấm pin năng lượng mặt trời 27

Chương 2 Hệ thống năng lượng mặt trời 31

2.1 Phân loại hệ thống quang điện 31

2.2 Hệ thống NLMT độc lập 32

2.3 Hệ thống NLMT kết hợp diesel 43

2.4 Hệ thống NLMT nối lưới 48

Chương 3 Đèn chiếu sáng 56

3.1 Các đại lượng đo ánh sáng 56

3.2 Các loại đèn chiếu sáng 58

3.3 Đèn LED 65

3.4 Điều khiển đèn LED 70

Chương 4 Thiết kế bộ đèn chiếu sáng sử dụng năng lượng mặt trời 77

4.1 Đặt bài toán 77

4.2 Theo dõi điểm công suất cực đại 80

4.3 Nguồn cấp cho hệ thống điều khiển 82

4.4 Hệ thống điều khiển LED 84

4.5 Hệ thống nạp ắc quy 86

4.6 Hệ thống điều khiển 88

Chương 5 Chiếu sáng thông minh sử dụng mạng cảm biến 96

5.1 Chiếu sáng phối hợp 96

5.2 Hệ thống điều khiển thích nghi vòng kín 100

5.3 Mô phỏng 101

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 104

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 105

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

ADC : Bộ biến đổi tương tự sang số (Analog to Digital Converter)

BJT : Transitor lưỡng cực (Bipolar Junction Transistor)

CCI : Biến tần điều khiển dòng (Current-Controlled Inverters)

CRI : Chỉ số hoàn màu (Color Rendering Index)

CSI : Biến tần nguồn dòng (Current-Source Inverters)

DC : Điện một chiều (Direct Current)

DSP : Bộ vi xử lý kỹ thuật số (Digital Signal Proccessor)

FF : Hệ số nạp (Fill Factor)

GPIO : Vào ra đa năng (General Purpose Input Output)

HID : Hơi thủy ngân thải cường độ cao (High Intensity Discharge)

IGBT : Transistor có cực điều khiển cách ly (Insulated-Gate Bipolar

Transistor)

IRS : Yêu cầu dịch vụ ngắt (Interrupt Service Request)

LED : Diode phát quang (Light Emitting Diode)

LPS : Hơi natri hạ áp (Low Pressure Sodium)

MCU : Bộ vi điều khiển (Micro Control Unit)

MOSFET : Transitor trường silic oxit kim loại (Metal-Oxide Semiconductor

Field-Effect Transistor)

MPP : Điểm công suất cực đại (Maximal Power Point)

MPPT : Theo dõi điểm công suất cực đại (Maximal Power Point Tracking) NLMT : Năng lượng mặt trời

PID : Thuật ngữ dùng cho bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (Proportional

Integral Derivative)

PV : Quang điện (Photovoltaic)

PWM : Điều chế độ rộng xung (Pulse-Width Modulation)

SEPIC : Sơ đồ Flyback cải tiến (Single-Ended Primary-Inductor Converter) SMPS : Nguồn chuyển mạch (Switching Mode Power Supply)

TBNLMT : Tế bào năng lượng mặt trời

THASBN : Thu hoạch ánh sáng ban ngày

VCI : Biến tần điều khiển áp (Voltage-Controlled Inverters)

VSI : Biến tần nguồn áp (Voltage-Source Inverters)

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 4.1: Yêu cầu về nguồn cấp 82

Bảng 4.2: Yêu cầu về hệ thống điều khiển LED 84

Bảng 4.3: Chức năng và các mức điện áp tương ứng của hệ thống 86

Bảng 5.1: So sánh độ rọi 103

Bảng 5.2: So sánh hiệu suất năng lượng 103

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Năng lượng tiêu thụ trên toàn thế giới năm 2010 [9] 14

Hình 1.2: Hệ hai mức năng lượng 15

Hình 1.3: Các vùng năng lượng 15

Hình 1.4: Lớp tiếp giáp p-n 17

Hình 1.5: Cấu trúc cơ bản của một tế bào quang điện 18

Hình 1.6: Minh họa một tế bào năng lượng mặt trời 19

Hình 1.7: Đường cong I – V và sơ đồ mạch tương đương 20

Hình 1.8 : Đặc tính khi tăng cường độ sáng 21

Hình 1.9 : Sơ đồ mạch tương đương 21

Hình 1.10 : Đặc tính khi tế bào được chiếu sáng 21

Hình 1.11: Điểm công suất cực đại 23

Hình 1.12: Đánh giá FF bằng phương pháp hình học 24

Hình 1.13: Ảnh hưởng của R S và R SH 25

Hình 1.14: Ảnh hưởng của nhiệt độ tới đường cong I – V 27

Hình 1.15: Cấu trúc của tấm năng lượng mặt trời 28

Hình 1.16: Các tế bào NLMT mắc nối tiếp và song song 29

Hình 1.17: Tấm pin NLMT thông dụng gồm 36 tế bào mắc nối tiếp 29

Hình 1.18: Đường đặc tính I-V 30

Hình 2.1: Hệ thống quang điện độc lập 31

Hình 2.2: Hệ thống NLMT kết hợp diesel 32

Hình 2.3: Hệ thống NLMT nối lưới 32

Hình 2.5: Biểu đồ về quan hệ độ xả sâu và số chu kỳ của ắc quy 34

Hình 2.6: Bộ điều khiển nối tiếp 35

Hình 2.7: Bộ điều khiển song song 36

Hình 2.8: Bộ biến đổi giảm áp 37

Hình 2.9: Bộ biến đổi tăng áp 37

Hình 2.10: Bộ biến đổi tăng/giảm áp 37

Hình 2.11: Đặc tính công suất - điện áp tương ứng 38

với các mức chiếu sáng khác nhau 38

Hình 2.12: Đặc tính tải của pin NLMT 38

Hình 2.13: Hệ thống bán cầu 40

Hình 2.14: Hệ thống toàn cầu 40

Hình 2.15: Mạch cho biến tần ba pha bốn dây 41

Hình 2.16: Đường cong hiệu suất của một biến tần phổ biến 42

Hình 2.17: Biến tần một pha hai chiều 42

Hình 2.18: Hệ thống NLMT lai nối tiếp 44

Hình 2.19: Hệ thống năng lượng lai chuyển mạch 45

Hình 2.20 : Biến tần hai chiều 47

Hình 2.21: Biến tần nguồn áp 51

Hình 2.22: Biến tần nguồn dòng 51

Hình 2.23: LCI 52

Hình 2.24: SCI 53

Hình 2.25: Biến tần dùng biến cáp cao tần 53

Hình 2.26: Sơ đồ hệ thống NLMT nối lưới đơn giản 54

Hình 2.27: Giản đồ pha hệ thống NLMT nối lưới 55

Hình 3.1: Biểu đồ Kruithof [10] 57

Hình 3.3: Cấu tạo đèn sợi đốt [5] 59

Hình 3.4: Cấu tạo đèn huỳnh quang [5] 60

Hình 3.5: Cấu tạo đèn HID [5] 61

Hình 3.6: Cấu tạo đèn LPS [5] 62

Hình 3.7: Cấu tạo đèn LED [5] 63

Hình 3.8: (a) Phát sáng bề mặt và (b) Phát sáng cạnh 65

Hình 3.10: Cấu tạo LED và mô hình LED 66

Hình 3.13: Đặc tính dòng áp của diode 69

Hình 3.14: Sơ đồ nối tiếp 71

Hình 3.15: Sơ đồ song song chung anode, cathode và chung cả hai 71

Hình 3.16: Một số sơ đồ kết hợp 72

Hình 3.17: Mạch dùng điện trở hạn chế dòng 73

Hình 3.18: Mạch dùng LM317HV 73

Hình 3.19: Mạch boost sử dụng HV9911 [4] 75

Hình 3.20: Mạch buck sử dụng HV9911 [4] 75

Hình 4.1: Sơ đồ hệ thống chiếu sáng dùng NLMT 77

Hình 4.2: Thông số ắc quy MK 8A22NF AGM 78

Hình 4.3: Biểu đồ điện áp của ắc quy MK 8A22NF AGM 79

Hình 4.4: Thông số pin NLMT Kyocera KC50 80

Hình 4.5: Đặc tính dòng áp của pin NLMT Kyocera KC50 80

Hình 4.6: Đặc tính dòng – áp và công suất – áp của pin NLMT 81

Hình 4.7: Sơ đồ SEPIC 83

Hình 4.9: Sơ đồ boost 85

Hình 4.10: Sơ đồ mạch sạc 88

Hình 4.11: Các tính năng bộ điều khiển Piccolo của TI 89

Hình 4.12: Sơ đồ điều khiển [3] 91

Hình 4.13: Cấu trúc của vòng điều khiển kín BUCK [3] 92

Hình 4.14: Sơ đồi khối trạng thái của hệ thống 94

Hình 5.1: Hàm lợi ích i( , )x a i 96

Hình 5.2: Vùng chiếu sáng 98

Hình 5.3: Sơ đồ phòng học 102

Hình 5.4: Mô hình 3D phòng học 102

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Năng lượng đóng vai trò rất quan trọng trong sự tăng trưởng kinh tế, tiến bộ và phát triển, xoá đói giảm nghèo và an ninh của bất kỳ quốc gia nào Duy trì nguồn năng lượng dồi dào, giá rẻ và thân thiện với môi trường là điều kiện tiên quyết không những cho sự phát triển của con người mà còn cho một nền kinh tế vững mạnh Vì vậy ổn định nguồn năng lượng là một vấn đề quan trọng đối với tất cả các quốc gia ngày hôm nay

Trong khi đó, việc sản xuất các nhiên liệu hóa thạch, đặc biệt là dầu mỏ, sẽ không theo kịp với nhu cầu đó Và thậm chí nếu chúng ta có thể đáp ứng nhu cầu với các loại nhiên liệu hóa thạch, thì hậu quả sẽ dẫn tới sự thay đổi khí hậu càng trầm trọng hơn Thế giới cần phải thay đổi nguồn năng lượng mà chúng ta đang sử dụng Hiện nay, 80% năng lượng của chúng ta sử dụng là từ nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ và khí tự nhiên trong khi chỉ có 16% là từ các nguồn năng lượng tái tạo Vì vậy để đảm bảo an ninh năng lượng trong tương lai thì các hoạt động phát triển trong lĩnh vực năng lượng tái tạo cần được đẩy mạnh trên quy mô toàn cầu

Tất cả những nội dung nêu trên chính là tính cấp thiết của luận văn “Nghiên cứu

bộ đèn chiếu sáng sử dụng năng lượng mặt trời”

2 Ý nghĩa khoa học của đề tài

Đưa ra phương pháp tính toán và thiết kế bộ đèn chiếu sáng sử dụng năng lượng mặt trời

3 Mục đích của đề tài

- Tìm hiểu thiết kế bộ đèn chiếu sáng sử dụng năng lượng mặt trời

4 Nội dung của đề tài

- Thiết kế bộ đèn chiếu sáng sử dụng năng lượng mặt trời

5 Phương pháp nghiên cứu đề tài

- Nghiên cứu lý thuyết về hệ thống năng lượng mặt trời và đèn chiếu sáng

- Đưa ra thiết kế và tính toán bộ đèn chiếu sáng sử dụng năng lượng mặt trời trên cơ sở kết hợp phương pháp lý thuyết và kết quả mô phỏng

Chương 1 Giới thiệu chung

1.1 Nhu cầu sử dụng năng lượng

Trong những thập kỷ gần đây, do sự gia tăng mạnh mẽ các hoạt động kinh tế đã kích hoạt nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng tăng Sản xuất không thể đáp ứng được nhu cầu dẫn tới các cuộc khủng hoảng năng lượng vào năm 1973 và 1979 khi

mà dầu và khí đốt khan hiếm Trong báo cáo toàn cảnh năng lượng thế giới 2010 của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) cho thấy trên 1,4 tỷ người (20% dân số thế giới) không được sử dụng điện Và gần 2,7 tỷ người (40% dân số thế giới) chủ yếu

sử dụng sinh khối để nấu ăn Cũng theo báo cáo thì nhu cầu năng lượng thế giới dự kiến sẽ tăng 50% trong vòng 20 năm tới, chủ yếu là vì hàng trăm triệu người ở Trung Quốc, Ấn Độ và các nước đang phát triển sẽ mua ô tô và sử dụng nhiều năng lượng hơn

1.2 Các nguồn năng lượng tái tạo

Năng lượng tái tạo là năng lượng mà đến từ nguồn tài nguyên thiên nhiên như ánh sáng mặt trời, gió, mưa, thủy triều, sóng và địa nhiệt Theo nghiên cứu năm

2010 của tổ chức REN21 (Renewable Energy Policy Network for the 21st Century), tổng năng lượng tái tạo chiếm 16.7% năng lượng tiêu thụ trên toàn cầu

1.3 Hiệu ứng quang điện [1]

Hiệu ứng quang điện (photovoltaic effect) được nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel phát hiện đầu tiên vào năm 1839 Xét một hệ hai mức năng lượng điện tử E1 E2 như trong hình 1.2 Bình thường các điện tử chiếm mức năng lượng thấp E1, khi nhận bức xạ mặt trời electron hấp thụ năng lượng từ lượng tử ánh sáng photon và chuyển lên mức năng lượng E2. Ta có phương trình cân bằng năng lượng: Eph E2E1  1.1

34

6.625 10

h   J s là hằng số Planck ; là tần số ánh sáng

Hình 1.2: Hệ hai mức năng lượng

Khi nhận bức xạ mặt trời, photon có năng lượng h tới hệ thống và bị điện tử ở vùng hóa trị thấp hấp thu và nó có thể chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự

do e, để lại ở vùng hóa trị một lỗ trống có thể coi như một hạt mang điện dương,

h Lỗ trống này có thể tham gia vào quá trình đẫn điện

Hình 1.3: Các vùng năng lượng

Hiệu ứng lượng tử của quá trình hấp thụ photon có thể được mô tả bằng phương trình:

 1.2

v

E heh Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lượng của photon và chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn tạo ra cặp điện tử - lỗ trống là:

1.4 Tế bào năng lượng mặt trời (TBNLMT) [1]

1.4.1 Cấu trúc của một TBNLMT vô cơ

Một TBNLMT thường được làm bằng màng mỏng hoặc một lớp nền bán dẫn (wafer) Màng mỏng TBNLMT có thể được làm bằng các vật liệu hữu cơ hoặc vô

nền bán dẫn được pha tạp p-ở phía dưới cùng và n-lớp trên, hai khu vực hình thành lớp chuyển tiếp p-n Ở lớp chuyển tiếp, điện tử sẽ tự nhiên di chuyển từ lớp n, nơi

có mật độ tập trung cao hơn, tới phía p và ngược lại đối với các lỗ trống, cho tới khi trạng thái cân được xác lập Khi đó tại lớp tiếp giáp hình thành một vùng trống Nó

sẽ gây ra một điện trường tại lớp chuyển tiếp, có hướng từ n sang p Điện trường sinh ra do sự tích lũy của các hạt mang điện khác dấu ở hai lớp của vùng tiếp giáp (hình 1.4)

Lớp n được làm đủ mỏng để cho phép ánh sáng xuyên tới lớp tiếp giáp, tại đây ánh sáng sẽ bị hấp thụ dưới dạng một photon và sẽ bị tách thành một electron và lỗ trống Hay nói cách khác, bằng cách hấp thụ một photon một electron sẽ chuyển từ hóa trị sang vùng dẫn Điều này chỉ có thể xảy ra khi năng lượng của photon tới lớn hơn khe hở năng lượng

Điện trường tạo ra tại lớp tiếp giáp sẽ tăng tốc hai hạt tích điện ngược dấu theo hai hướng đối diện, điện tử tích điện âm và lỗ trống tích điện dương

Hình 1.4: Lớp tiếp giáp p-n

Hình 1.5: Cấu trúc cơ bản của một tế bào quang điện

Đây chính là cách dòng điện sinh ra khi được chiếu sáng Số lượng photon đến được lớp tiếp giáp p-n càng cao thì càng có nhiều cặp điện tử - lỗ trống sẽ được tạo

ra sinh ra dòng quang điện lớn hơn Diện tích bề mặt tiếp xúc rộng hơn thì càng có nhiều cặp điện tử - lỗ trống được tạo ra, do đó dòng điện tạo ra cũng sẽ lớn hơn Nói một cách chính xác thì biên độ của dòng điện được tạo ra bởi sự hấp thụ các photon trong một TBNLMT với một kích thước nhất định ở một nhiệt độ nhất định phụ thuộc bởi ánh sáng tới theo hai cách:

- Cường độ của ánh sáng tới (số lượng photon)

- Bước sóng của ánh sáng tới (năng lượng của các photon riêng lẻ hoặc màu sắc của ánh sáng) tương ứng với khoảng cách các lớp bán dẫn

Trong thực tế, một TBNLMT sẽ có lớp nền với lớp tiếp giáp p-n giữa vùng tiếp xúc thuần trở phía trước và phía sau để thu thập dòng điện và các lớp chống phản chiếu để hạn chế tổn thất do sự phản xạ ánh sáng Lớp tiếp xúc phía trước bằng kim loại để thu thập dòng điện sẽ phản chiếu Vì vậy cần sử dụng vật liệu với thiết kế thích hợp để giảm thiểu sự phản chiếu ánh sáng Chúng được làm bằng các điện cực thiết kế theo hàng thường được gọi là các đường sọc và các ngón tay Cấu trúc đầy

đủ của một TBNLMT dựa trên lớp nền được mô tả trong hình 1.5 và 1.6 gồm cả cấu trúc đơn tinh thể và đa tinh thể

Hình 1.6: Minh họa một tế bào năng lượng mặt trời

Dòng ngắn mạch là một đặc tính của một TBNLMT với một bức xạ mặt trời vuông góc 1000 W/m2 ở nhiệt độ 25oC

Điện áp hở mạch (không tải) của mộtTBNLMT là điện áp đo được khi không có tải kết nối với các TBNLMT Điện áp này không nhạy cảm với sự thay đổi bức xạ mặt trời và có thể đạt giá trị tối đa ngay cả với điều kiện thiếu ánh sáng Điện áp hở mạch phụ thuộc vào vật liệu chế tạo tế bào năng lượng mặt trời được Đối với silic, điện áp hở mạch vào khoảng 0.55 V

1.4.2 Đặc điểm của tế bào năng lượng mặt trời

Các chất bán dẫn được sử dụng trong chế tạo của các TBNLMT có khoảng cách vùng dẫn khác nhau tạo ra các đáp ứng phổ khác nhau đối với ánh sáng tới Đáp ứng phổ biểu thị sự nhạy cảm theo các bước sóng của các photon bị hấp thụ Mỗi chất bán dẫn có năng lượng ngưỡng là năng lượng mà khi điện tử hấp thụ photon sẽ chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn (hình 1.3) Dưới mức năng lượng này thì hiện tượng quang điện trong sẽ không xảy ra

Hiện tượng quang điện trong không liên quan tới cường độ ánh sáng mà liên quan tới bước sóng của ánh sáng Tăng cường độ ánh sáng chỉ làm tăng tỷ lệ phát

xạ quang điện tử trong cấu trúc quang điện Trong các ứng dụng thực tế, ánh sáng hấp thụ bởi một TBNLMT là một sự kết hợp của bức xạ mặt trời trực tiếp, cũng như ánh sáng khuếch tán bật ra khỏi các bề mặt xung quanh Một TBNLMT được phủ

một lớp vật liệu chống phản xạ để hạn chế sự phản chiếu ánh sáng trên bề mặt của

nó và hấp thụ tối đa bức xạ mặt trời (hình 1.5)

Hình 1.7: Đường cong I – V và sơ đồ mạch tương đương

Tế bào quang điện có thể được sắp xếp nối tiếp để tạo thành một mô-đun Các môđun sau đó có thể được kết nối song song hay nối tiếp hình thành các mảng Khi nối tiếp các tế bào hoặc mô-đun, chúng phải có cùng dòng điện danh định để tạo ra điện áp tổng, tương tự các môđun nối song song phải có cùng một điện áp danh định khi kết tạo ra dòng điện lớn hơn

1.4.3 Đặc tính Voltage – Ampere của TBNLMT

Một TBNLMT có thể coi như một nguồn dòng mắc song song với với một diode như trong hình 1.7 Trong vùng tối nguồn dòng biến mất, TBNLMT hoạt động giống như một diode Trong vùng sáng, khi cường độ của ánh sáng tới tăng lên, dòng điện sinh ra bởi các TBNLMT cũng tăng lên Dòng điện tổng của một TBNLMT lý tưởng được tính bằng công thức:

 

qV kT l

n là hệ số lý tưởng của diode (thường nằm trong khoảng từ 1 đến 2); R S, R SH :

là điện trở nối tiếp và điện trở shunt

Hình 1.8 : Đặc tính khi tăng cường độ sáng

Hình 1.9 : Sơ đồ mạch tương đương

Hình 1.10 : Đặc tính khi tế bào được chiếu sáng

Trong khi hoạt động, hiệu suất của các TBNLMT giảm do năng lượng tổn thất trên điện trở trong Điện trở ký sinh được mô tả bằng điện trở shunt R và điện trở

nối tiếp R S Đường cong I-V điển hình của một TBNLMT được chiếu sáng có hình dạng như trong hình 1.10 Những đường cong này có thể thu được bằng hai phương pháp:

- Phương pháp phân tích tham số sử dụng bộ đo lường (Source Measurement Unit - SMU), thường được sử dụng trong phòng thí nghiệm Phương pháp này đặt vào một điện áp và đo dòng điện, như trong các biểu đồ đặc tính của điốt và transitor Trong phòng thí nghiệm cũng sử dụng các mô hình mô phỏng mặt trời để xác định các đặc tính của các TBQĐ

- Phương pháp tải biến đổi, là phương pháp kinh tế hơn và linh hoạt hơn, đo dòng và điện áp trên một tải điện trở Khi thay đổi giá trị điện trở tải từ hở mạch cho tới ngắn mạch từ đó biết đặc tính công suất của TBNLMT

1.4.4 Dòng ngắn mạch

Dòng ngắn mạch I SC của một TBNLMT tương ứng với dòng điện đo được khiTBNLMT ngắn mạch, khi đó điện áp bằng 0 Khi được chiếu sáng, dòng điện đi từ phía dưới (+) của tế bào đến phía trên của tế bào (-)

1.4.6 Công suất cực đại

Năng lượng sinh ra bởi tế bào có thể dễ dàng tính toán bởi phương trình:

1.10

PI V

Tại I(V0) I SC và V(I0 )V O C, công suất bằng không Công suất cực đại, P MAX,

sẽ xảy ra giữa hai điểm này Điện áp và dòng điện tại điểm công suất cực đại được

1.4.8 Hiệu suất của TBNLMT

Hiệu suất của một TBNLMT là tỷ số của công suất đầu ra P out với công suất năng lượng mặt trời quang học (độ rọi sáng x diện tích bề mặt của tế bào) P in P out

có thể đạt giá trị cực đại P max khi các TBNLMT cung cấp công suất đầu ra cực đại Hiệu suất của các TBNLMT có thể được tính theo công thức như sau:

1.12

out in

P P

 

(1.13)

MAX OC SC max

1.4.9 Điện trở shunt và điện trở nối tiếp

Hiệu suất của các TBNLMT bị giảm do công suất tổn thất trên điện trở trong Các điện trở ký sinh có thể được mô hình hóa bằng một điện trở shunt (R SH ) và một điện trở nối tiếp (R S), như biểu diễn trong hình 1.9 Điện trở shunt là do các khuyết tật trong quá trình chế tạo, dòng quang điện sinh ra sẽ đi theo đường khác thay vì đi qua lớp tiếp giáp p-n Giá trị R SH có thể được xác định từ đường cong I-V như hình 1.13 Điện trở shunt sẽ hạ thấp điện áp hở mạch mà không làm thay đổi dòng ngắn mạch

Điện trở nối tiếp của một tế bào năng lượng mặt trời chủ yếu hình thành từ sự tiếp xúc giữa các kết nối kim loại, đặc biệt là vùng tiếp xúc phía trước và chất bán dẫn hoặc dòng điện trong emitter Điện trở nối tiếp cao sẽ làm giảm dòng ngắn mạch mà không ảnh hưởng đến điện áp hở mạch Trong mô hình tế bào lý tưởng, điện trở song song với nguồn dòng, R SH , sẽ là vô hạn và sẽ cho dòng điện đi qua, trong khi R S, điện trở nối tiếp với với nguồn dòng, sẽ là bằng không, kết quả là không có hiện tượng giảm điện áp trước khi nối tải

Giảm R SH và R S tăng sẽ làm giảm hệ số nạp (FF) và P MAX Nếu R SH giảm quá nhiều, V OC sẽ giảm, trong khi tăng R S quá mức có thể gây ra I SC giảm (hình 1.13)

lệ thuận với và lớn hơn so với điện trở nối tiếp kháng chiến R SH được đại diện bởi

độ dốc tại I SC Thông thường, các điện trở tại I SC và tại V OCsẽ được đo đạc và ghi nhận

Nếu ngăn cản ánh sáng tới bị tiếp cận với TBNLMT, ta sẽ thu được đường cong I-V trong vùng tối Trên thực tế điện trở nối tiếp thường là một hàm của mức độ ánh sáng, và giá trị của nó có thể khác nhau khi kiểm tra trong vùng ánh sáng và vùng bóng tối Sử dụng phương trình đường cong I-V đối với TBNLMT:

1.4.10 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Giống như các thiết bị bán dẫn khác, các TBNLMT rất nhạy cảm với nhiệt độ Khi có một sự gia tăng nhiệt độ, khoảng cách các vùng dẫn của chất bán dẫn giảm Hình 1.14 mô tả ảnh hưởng khi tăng nhiệt độ của một TBNLMT Điện áp hở mạch

là thông số bị ảnh hưởng nhiều nhất bởi sự thay đổi nhiệt độ Khi một TBQĐ được tiếp xúc với nhiệt độ cao hơn, dòng ngắn mạch, I SC, tăng nhẹ, trong khi V OC giảm đáng kể Nhiệt độ tăng làm giảm công suất cực đại P MAX của mộtTBNLMT

Hình 1.14: Ảnh hưởng của nhiệt độ tới đường cong I – V

1.5 Tấm pin năng lượng mặt trời

1.5.1 Từ tế bào năng lượng mặt trời cho tới tấm pin năng lượng mặt trời

Một tấm năng lượng mặt trời được làm từ nhiều tế bào giống nhau mắc nối tiếp hoặc song song để dạt được dòng diện và điện áp ra mong muốn Các TBNLMT sau

đó sẽ được phủ bằng EVA (Ethylene Vinyl Acetate) và sau cùng đặt nằm giữa một lớp kính phía trước và một tấm tedlar phía sau trước khí gắn lên khung bằng nhôm Khi các TBNLMT riêng lẻ được mắc nối tiếp với nhau thì dòng ngắn mạch của tấm NLMT bằng dòng của mỗi tế bào riêng lẻ trong khi điện áp thì bằng tổng điện áp các tế bào Cấu trúc của một tấm năng lượng mặt trời được mô tả chi tiết như trong hình 1.15 Hầu hết các tấm pin mặt trời có sẵn trên thị trường có điện áp ra là 6, 12,

24 hoặc 48V

Hình 1.15: Cấu trúc của tấm năng lượng mặt trời

A-Lớp phía trước B-Lớp phủ EVA C-Lớp màng kim loại D-Lớp nền mỏng E-Lớp tiếp giáp p-n F-Lớp phía sau

Hầu hết các hệ thống NLMT độc lập tiết kiệm điện năng sử dụng điện áp 12V Với các ứng dụng sử dụng điện áp 12V thì tấm NLMT gồm 36 TBNLMT mắc nối tiếp tạo ra điện áp khoảng 20V, trong đó điện áp hở mạch của mỗi TBQĐ vào khoảng 0.5V (0.5 – 0.55V) Ắc quy axit – chì 12V nếu xạc đầy sẽ có điện áp vào khoảng 14V

Dòng điện nạp vào ắc quy sẽ phụ thuộc vào công suất của tấm NLMT Dòng nạp cực đại của ắc quy không nên vượt quá giá trị khuyến cáo của nhà sản xuất CácTBNLMT liên kết với nhau tạo nên tấm năng lượng mặt trời, và các tấm pin mặt trời lại liên kết với nhau để tạo thành một mảng năng lượng mặt trời Các tấm pin mặt trời có thể được liên kết nối tiếp hoặc song song tùy thuộc vào nhu cầu Trong trường hợp liên kết song song, mỗi tế bào NLMT cần được gắn với một diode để tránh dòng rò chạy trong các tấm pin mặt trời

Hình 1.16: Các tế bào NLMT mắc nối tiếp và song song

Hình 1.17: Tấm pin NLMT thông dụng gồm 36 tế bào mắc nối tiếp

1.5.2 Đặc tính I-V của môđun năng lượng mặt trời

Lý tưởng nhất, đáp ứng I-V của một mô-đun năng lượng mặt trời hoặc mảng cũng tương tự như của một TBNLMT Nếu n các TBNLMT giống hệt các giống nhau có dòng ngắn mạch I SC và điện áp hở mạch V OC được lắp nối tiếp và m tế bào được mắc song song Đường đặc tính I-V của tấm NLMT sẽ có dạng như trong hình 1.18

Hình 1.18: Đường đặc tính I-V

1.5.3 Kích thước của pin mặt trời

Hiệu suất của một TBNLMT và của một tấm pin năng lượng mặt trời được xác định bởi một bức xạ NLMT có giá trị 2

1.000W / m ở 25 Co Một tấm pin NLMT có hiệu suất 15% làm bằng công nghệ silic đơn tinh thể có diện tích 2

1m sẽ có công suất 1000 0.15 150W  Rõ ràng kích thước và công nghệ chế tạo ra pin mặt trời ảnh hưởng tới công suất của nó Và dòng ngắn mạch cũng như điện áp hở mạch sẽ xác định chính xác ứng dụng mà nó có thể cung cấp

1.5.4 Hướng của pin mặt trời

Để một tấm pin NLMT có thể tạo ra công suất tối đa thì cần định hướng vuông góc với ánh sáng mặt trời Ở đường xích đạo, bức xạ mặt trời chiếu vuông góc với mặt đất do đó tấm pin NLMT sẽ được lắp song song với mặt đất Ở các vĩ độ khác, các bức xạ của mặt trời tạo với mặt đất một góc nghiêng, trung bình bằng vĩ độ của điểm đó Do đó để nhận được bức xạ mặt trời vuông góc với tấm pin thì nó cần được định hướng một góc nghiêng chính bằng vĩ độ của vị trí đó và hướng về phía bắc nếu ở bán cầu nam và hướng về phía nam nếu ở bán cầu bắc

Tuy nhiên độ nghiêng của trái đất thay đổi theo mùa nên để có thể thu được công suất cực đại thì hướng của tấm pin NLMT cần được điều chỉnh định kỳ Một số thiết bị theo dõi mặt trời được sử dụng ở những vùng có bức xạ thấp để có thể thu được công suất cực đại Trong trường hợp lắp đặt cố định thì tấm pin NLMT nên được lắp đặt với một góc bằng vĩ độ của địa điểm lắp đặt

Chương 2 Hệ thống năng lượng mặt trời 2.1 Phân loại hệ thống quang điện [2]

Hệ thống quang điện có thể được phân loại như sau:

Nguồn năng lượng tái tạo như NLMT có thể được bổ sung vào hệ thống điện ở những khu vực sử dụng động cơ diesel và các máy phát điện nhiên liệu hóa thạch được hỗ trợ để cung cấp điện liên tục 24 giờ tiết kiệm và hiệu quả Hệ thống như vậy được gọi là "hệ thống năng lượng lai"

Hình 2.1: Hệ thống quang điện độc lập

Hình 2.2 cho thấy một sơ đồ của một hệ thống quang điện-diesel lai Trong hệ thống quang điện nối lưới, như trong hình 2.3, các tấm quang điện được kết nối với một mạng lưới thông qua các bộ chuyển đổi mà không cần ăcquy Các hệ thống này

có thể được phân loại như các hệ thống nhỏ, chẳng hạn như các hệ thống trên sân

thượng khu dân cư hoặc hệ thống kết nối lưới điện lớn Các bộ chuyển đổi phải tạo

ra điện áp có cùng điện áp và tần số với lưới điện

Hình 2.2: Hệ thống NLMT kết hợp diesel

Hình 2.3: Hệ thống NLMT nối lưới

2.2 Hệ thống NLMT độc lập [2]

2.2.1 Ăcquy cho hệ thống quang điện độc lập

Hệ thống năng lượng quang điện độc lập yêu cầu lưu trữ để đáp ứng nhu cầu năng lượng trong suốt thời gian chiếu xạ mặt trời thấp và ban đêm Một số loại ăcquy có sẵn, chẳng hạn như ăcquy axit-chì, niken-cadimi, lithium, kẽm-brom, kẽm clorua, natri-lưu huỳnh, niken-hydro, oxi hóa khử và vanadi Việc cung cấp thiết bị lưu trữ năng lượng điện hiệu quả về chi phí vẫn là một trong những thách thức lớn cho sự phát triển của hệ thống quang điện ăcquy Thông thường, ăcquy axit chì được sử dụng để cung cấp điện vài giờ đến một vài ngày Chi phí hợp lý và tiện lợi của nó đã dẫn đến việc áp dụng rộng rãi ăcquy axit chì ở khu vực xa xôi mặc dù hạn chế về tuổi thọ của nó so với các hệ thống khác

Ăcquy axit chì có thể quay vòng nhiều hay ít, ăcquy gel hóa, ăcquy cố định hay điện phân, ăcquy kín hay không kín,… Ăcquy kín là van điều chỉnh cho phép sinh phát ra khí hydro dư (mặc dù bộ chuyển đổi xúc tác được sử dụng để chuyển đổi càng nhiều hydro và oxy trở lại nước càng tốt) Ăcquy kín cần bảo dưỡng ít hơn

Hình 2.4: Ảnh hưởng của nhiệt độ trên phần tử NLMT silic

Các yếu tố sau đây được xem xet trong việc lựa chọn ăcquy cho các ứng dụng quang điện:

 Xả sâu (70-80% độ sâu xả)

 Dòng xả thấp

 Thời gian sạc lâu (chậm) và xả lâu (chu trình làm việc dài)

 Nạp/xả không bất thường và biến đổi

 Tự xả thấp

 Tồn tại lâu

 Yêu cầu bảo trì thấp

 Hiệu quả lưu trữ năng lượng cao

 Chi phí thấp

Các nhà sản xuất ăcquy đưa ra số lượng danh nghĩa của chu kỳ nạp và xả hoàn toàn như là một đặc trưng của độ xả sâu, như trên hình 2.5 Mặc dù thông tin này có thể được sử dụng một cách đáng tin cậy để dự đoán tuổi thọ của ăcquy axit chì

trong các ứng dụng thông thường, chẳng hạn như nguồn cung cấp điện liên tục hoặc xe điện Nó tạo nên tuổi thọ cao trong hệ thống năng lượng tái tạo

Hình 2.5: Biểu đồ về quan hệ độ xả sâu và số chu kỳ của ắc quy

Hai trong số những yếu tố chính đã được xác định như là tiêu chuẩn giới hạn cho vòng đời của ăcquy trong hệ thống quang điện là việc sạc không đủ và hoạt động kéo dài tại một trạng thái sạc thấp Mục tiêu của chiến lược cải tiến ăcquy là để kéo dài tuổi thọ của ăcquy axit chì để đạt được số lượng điển hình của chu kỳ làm việc như trong hình 2.5 Để đạt được điều này, yêu cầu phải có một giải pháp tối ưu giữa dung lượng lưu trữ cần thiết và độ xả sâu lớn nhất của ăcquy, được tìm thấy trong tài liệu của nhà sản xuất Tăng dung lượng sẽ làm giảm độ xả sâu và qua đó kéo dài tuổi thọ ăcquy Ngược lại, nó có thể là kinh tế hơn khi thay thế một ăcquy dung lượng nhỏ hơn

2.2.2 Bộ điều khiển sạc quang điện

Khối diode mắc nối tiếp với khối pin NLMT được sử dụng để ngăn chặn việc ăcquy xả qua các tấm quang điện vào ban đêm, khi mà không còn nguồn NLMT Khối diode này đồng thời cũng bảo vệ ăcquy khỏi bị ngắn mạch Trong một HTNLMT có nhiều hơn một chuỗi được nối song song, ngắn mạch xảy ra ở một trong các chuỗi, khối diode sẽ ngăn cản các chuỗi quang điện khác không bị xả qua chuỗi bị ngắn mạch

Ăcquy trong một hệ thống quang điện nên được sạc đúng tránh hư hỏng khi sạc quá mức hoặc thường xuyên xả sâu Việc tính toán ăcquy cho hệ thống quang điện góp phần quan trọng đối với chi phí ban đầu và cả chi phí thay thế sau này Bộ điều khiển sẽ điều khiển sạc ăcquy và ngăn chặn ăcquy bị sạc và xả quá mức Ba bộ điều khiển sạc thường được sử dụng:

 Bộ điều khiển nối tiếp

 Bộ điều khiển song song

 Bộ chuyển đổi DC-DC

2.2.2.1 Bộ điều khiển nối tiếp

Sơ đồ cơ bản của bộ điều khiển nối tiếp được thể hiện trong hình 2.6 Trong sơ

đồ này, khóa S1 sẽ ngắt kết nối nguồn quang điện khi điện áp ăcquy được xác lập Khi điện áp ăcquy giảm đến dưới mức giới hạn xả, tải được ngắt kết nối khỏi ăcquy

để tránh xả sâu quá giới hạn Vấn đề chính của kiểu điều khiển này là tổn hao công suất ở các công tắc chuyển mạch Công suất tổn hao này từ nguồn quang điện khá quan trọng Do đó BJT, MOSFET, hoặc relay sẽ được sử dụng làm thiết bị chuyển mạch

Hình 2.6: Bộ điều khiển nối tiếp

2.2.2.2 Bộ điều khiển song song

Sơ đồ cơ bản của bộ điều khiển song song được thể hiện trong hình 2.7 Khi ăcquy được sạc đầy, nguồn quang điện sẽ bị ngắn mạch bằng cách sử dụng một khóa điện tử (S1) Không giống như các bộ điều khiển nối tiếp, bộ điều khiển này hoạt động xả hiệu quả khi không còn nguồn phát NLMT Khối diode bảo vệ ăcquy

không bị ngắn mạch Trong HT TBNLMT có nhiều hơn 1 chuỗi quang điện (PhotoVoltaic – PV) nối song song, nếu có một chuỗi ngắn mạch, khối diode ngăn chặn các chuỗi khác bị xả qua chuỗi bị ngắn mạch

Ăcquy trong hệ thống PV phải được sạc một cách đúng đắn để tránh tình trạng

hư hỏng trầm trọng như khi ăcquy bị xả hoàn toàn và hiện tượng đóng khóa ngắn mạch phải không được thực hiện cho đến khi ăcquy được xả hoàn toàn Khối diode ngăn chặn ăcquy không bị ngắn mạch Bộ điều khiển sạc song song được dùng trong các ứng dụng PV nhỏ (< 20A)

Khi điện áp của ăcquy giảm xuống dưới mức giới hạn xả sâu, khóa S2 sẽ ngắt mạch ra khỏi tải để bảo vệ ăcquy khỏi bị xả sâu Bộ điều khiển sạc nối tiếp và song song chỉ cho phép điều chỉnh thô tương đối dòng điện và ít khi đạt được độ yêu cầu chính xác của hệ thống PV

Hình 2.7: Bộ điều khiển song song

2.2.2.3 Bộ điều khiển sạc DC-DC [2]

Bộ biến đổi DC-DC được sử dụng từ nguồn quang điện cung cấp cho tải DC nhằm cung cấp điện áp DC cho tải theo giá trị yêu cầu khi điện áp quang điện hoặc tải biến đổi Có một số kiểu bộ biến đổi DC-DC:

 Bộ biến đổi giảm áp

 Bộ biến đổi tăng áp

 Bộ biến đổi tăng/giảm áp

Hình 2.8, 2.9 và 2.10 trình bày những sơ đồ đơn giản của các kiểu biến đổi

DC-DC Những phần cơ bản là gồm một khóa điên tử, một cuôn dây để tích năng lượng

và một diode “flywheel” để dẫn dòng khi khóa bị ngắt Những bộ biến đổi này cho phép dòng sạc giảm liên tục khi giá trị điện áp của ăcquy đạt đến một giá trị cụ thể

Hình 2.8: Bộ biến đổi giảm áp

Hình 2.9: Bộ biến đổi tăng áp

Hình 2.10: Bộ biến đổi tăng/giảm áp

Theo dõi mức công suất cực đại (Maximal Power Point Tracking - MPPT): Một

bộ điều khiển theo dõi quỹ đạo công suất tối đa của tấm pin NLMT được gọi là MPPT Trong hình 2.11 là quan hệ của công suất ra với điện áp của mức chiếu sáng

từ 200 W/m2 đến 1000 W/m2 Tập hợp những điểm của dãy công suất tối đa tạo

nên đặc tuyến quỹ đạo công suất tối đa Để vận hành tối ưu hệ thống, đường tải phải cắt quỹ đạo công suất tối đa của tấm quang điện

Hình 2.11: Đặc tính công suất - điện áp tương ứng

với các mức chiếu sáng khác nhau

Theo hình 2.12, đặc tính tải có thể là đường OA hoặc OB, phụ thuộc vào tính chất tải, dòng và áp của nó Trường hợp tải OA được xét đến và tải được nối trực tiếp đến bộ pin NLMT, pin sẽ làm việc ở điểm A1, truyền tải công suất P1 Dải công suất tối đa khi chiếu nắng là P2 Để sử dụng công suất P2 của tấm quang điện cần một bộ biến đổi điều khiển MPPT giữa tấm quang điện và tải

Hình 2.12: Đặc tính tải của pin NLMT

Có 2 cách để vận hành khối quang điện đạt công suất tối đa:

k  Giả định này khá chính xác ngay cả khi có biến động lớn dòng ngắn mạch

và nhiệt độ trong tấm quang điện Loại MPPT này là loại phổ biến nhất Giá trị

thích hợp của V mpp có thể thu được thông qua bộ chia áp đơn giản

Điều khiển vòng kín

Điều khiển vòng kín sẽ làm thay đổi giá trị điện áp vào gần bằng với giá trị tối ưu bằng cách lựa chọn tăng hoặc giảm áp trong khoảng nhỏ Tác động công suất ra sẽ được đánh giá khi thực hiện hiệu chỉnh nhỏ ở điện áp vào Kiểu điều khiển này được gọi là điều khiển leo dốc Công suất của hệ thống PV được lấy mẫu ở mỗi chu

kỳ lấy mẫu xác định và được so sánh với giá trị trước đó Công suất PV tăng hoặc giảm, khi điều khiển vòng kín thì điện áp của pin NLMT sẽ được điều chỉnh để tấm

PV hoạt động ở điểm tối ưu đạt công suất tối đa

Một số thiết bị bán dẫn như MOSFET, IGBT được sử dụng trong mạch động lực của biến tần Thông thường MOSFET được sử dụng trong dải công suất lên tới 5kVA và 96VDC do có ưu điểm là có tổn hao thấp khi chuyển mạch ở tần số cao