THI CÔNG mô HÌNH PIN mặt TRỜI điều HƯỚNG kép và PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO HIỆU SUẤT PIN mặt TRỜI

Giới thiệu về pin mặt trời: 1 Định nghĩa về pin mặt trời: - Pi năng lưng Mặt trời hay pin mặt trời hay pin quang điện Solar panel bo gồm nhiều tế bào quag điện solar cells - là phần tử á

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ PIN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI CHUNG CƯ

TẠI ĐÀ NẴNG 6KW CHUYÊN ĐỀ: THI CÔNG MÔ HÌNH PIN MẶT TRỜI ĐIỀU HƯỚNG KÉP VÀ PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO

HIỆU SUẤT PIN MẶT TRỜI.

Chương I: Tổng Quan Về Pin Mặt Trời

I Giới thiệu về pin mặt trời:

1) Định nghĩa về pin mặt trời:

- Pi năng lưng Mặt trời hay pin mặt trời hay pin quang điện (Solar panel) bo gồm nhiều tế bào quag điện (solar cells) - là phần tử án dẫn có chứa trên bề mt một số lượng lớn các cảm biến ánh sng là điốt quang, thực hiện biến đổi năng lượng án sáng thành năng lượng điện

- Sự chuyển đổ này thực hện theo hiệu quang điện

- Các pin năn lượng mặt trời có nhiều ứng dụng Chúng đậc biệt thích hợp cho các vùng mà điện năn trong mạn lưới chưa vươn tới, các vệ tinh quay xung qanh quỹ đạo trái đất, máy tính cầm tay

2) Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời:

Xét mộ hệ hai mức năng lượn điện tử E1<E2 (hình 1.3)

Hình 1.1: Hệ hai mức năng lượng

- Bình thường điện tũ chiếm mức năng lượn thắp hơn E1 Khi nhặn bức xạ mật trời, lượng tữánh sáng photon có năng lượng hv (trong đó h là hầng số

Planck h = 6,625.10-34 J.s ,v là tần số ắnh sáng) bị điện tử hắp thụ và chuyển lên mức

năn lượng E2 Ta có phương trình căn bằng năn lượn:

hv = E2-E1

- Trong các vặt thể rắng, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vòng

ngoài, nên các mức nâng lượng của nó bị tác ra nhiều mức nâng lượng sát nhau và tạo

thành các vùng nâng lượng (hình 1.12) vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm

đầy, khi ở trạng thái cân bần gọi là vùng hóa trị, mà mật trên của nó có mức năng

lượng Ev. vùng nâng lượng phía trên tisp đó hoàn trong hoặc chỉ bị chiếm một phần

gọi là vùng dẵn, mặt dưới của vùng có nâng lượng là Ec Cách ly giữa 2 vùng hóa trị

và vùng dẵn là một vùng có đọ rộng với năng lượn Eg, trong khôn có mức năn lượng

cho phép nào điện tử

Hình 1.2: Các vùng năng lượng

Quan hệ giữa nâng lượng tần số ánh sáng công thức Albert Einstein là:

E- năng lượng photon ánh sáng ;

Hiệu lượng tử quá trình hấp thu photon ánh sán có thể mo tả bằn phương trình:

- Thực tế điện tử lỗ trống bị kích thích, e-và h+ đều tự phát tham gia quà trình phục hồi,

chuyễn động đến mật của các vùng năng lượng: điện tữ e- giãi phóng nâng lượng để chuyểnđến mặt của vùng dẫn Ec, còn lỗ trồng h+ chuyển mặt Ev, quá trình phục hồi xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn 10-12 ÷ 10-1 giây Nâng lượng bị tổn hao do quá trình phục hồi sẽ là:

Eph = hv – Eg

Eph là phằn lớn hơn trong phương trình căn bằng năng lượng Ev + hv ≥ e-+ h+

tảng chế tạo dựa trên Công nghệ sãn suất tấm mõng, có độ dày 300 μm xếp lại tạo nên modul tạo thành các loại pin

Cấu tạo hoạt động của pin Silic :

 Cấu tạo:

Hình 1.3 :cấu tạo module pin mặt trời

 Nguyên lý hoạt động của pin Silic :

bản chất pin quang điện một điốt bán dẫn gồm hai bán dẫn loại P loại N sát cạnh nhau, khác chỗ pin quang điện diện tích bè mật rộng lớp N cực mõng đễ ánh sán có thể truyền qua.Trên bè mặt của pin quang điện một lớp chống phản xạ khi chiếu ành sáng vào pin quang điện, sẽ có một phần ành sáng bị hắp thụ khi truyền qua lóp N và một phằn ánh sáng sẽ bị phan xạ ngược lại còn một phằn ánh sán sẽ đến được lóp chuyển tiếp, nơi có các cặp

electron và lỗ trống nàm trong điện trường bế mật giới hạn Với bước sóng thích truyền cho electron một nâng lượng đủ lớn thoát khỏi liên kết Thoát khỏi liên kết, dưới tác dụng của điện trường, electron bị kéo phía bán dẫn loại N, lổ trống bị kèo về phía bán dẫn loại P Khi

đó nếu nồi hai cực hai phần bán dẵn loại N và P sẽ đo được một hiệu đin thế Giá trị hiệu điện thế phụ thuộc vào ban chất chất làm bán dẫn tạp chất được hấp phụ

Hình 1.4: Nguyên lý cấu tạo của PMT

3) Đặc tính làm vijc pin mặt trời:

Hình 1.5 Đường đặc tính U – I của pin mặt trời

- Dòng ngắn mạch Isc tỉ lẹ thun cường độ bức xạ chiếu sáng Nên đường đặc tính V – Ipin mặt trời cũng phụ thuộc vào cường độ bức xạ chiu sán mỗi tằng bức xạ chỉ thuduy nhất một điểm làm việc V = VMPP cong suất lớn nhất thể hiện hình vẻ sau Điểmlàm việc có công suất lớn nhất được thể hiện là điểm chấm đen to (đỉnh đường congđặc tính)

Hình 1.6 Sự phu thuộc đặc VA pin mặt trời

UPVuMPP, iMPP

Hình 1.7 Sự thuộc đường đặc tính pin mặt trời nhiệt độ pin

- Toàn bộ hệ PV có hoạt động một cách hiệu quả đường đậc tính tải phải phù hợp điểmMPP

Hình 1.8 Đường đặc tính tải đặc tính pin mặt trời

Trên hình vẻ 1.8 đường OA OB đường tải Nếu tải được mắc trực tiếp dảy pin mặttrời tải có đường đặc tính OA Khi đó, pin làm việc điểm A1 phát công suất P1 Công suấtlớn nhất phơi nắng thu được P2 Để có thể thu công suất P2

Nhìn hình vẽ 1.12 ta thấy giả sử pin Ci pin yếu nhất bão vệ bằng điốt thuận chiềudòng điện mắc song song hợp hệ làm việc bình thường, pin mặt trời hoạt động điều kiệnnhư nhau dòng mạch qua điốt tổn hao năng lượng sự cố xảy ra, một nguyên nhân pin Ci bịche bị tâng nhiệt độ, điện trở Ci tâng lên, một phần hay toàn bộ dòng điện sẻ rẻ qua Diốt đểgây hư hỏng cho Ci Thậm chí Ci bị hỏng hoàn toàn hệ vẫn có thể tiếp tục làm việc.

II Các hệ thống pin mặt trời:

pin mặt trời (hệ PV – photovoltaic system) nhìn chung chia thành 2 loại cơ bản:

- Hệ PV làm việc độc lập

- Hệ PV làm việc với lưới

Hệ PV độc lập sử dụng những vùng xa xôi hẻo lánh, lưới điện không kéo đến được

Sơ đồ khối hệ này

Hình 1.10 Sơ đồ khối hệ quang điện làm việc độc lập

trong hệ PV làm việc lưới, mạng lưới pin mật trời mấc với lưới điện qua bộ biến đổi

mà không cần bộ dự trữ nâng lượng Trong hệ này, bộ biến đổi DC/AC làm việc lưới phảiđồng bộ lưới điện tần số áp

Tải xoay chiều

Tải 1 chiều

CHƯƠNG II: TÍNH CÔNG SUẤT BỨC XẠ MẶT TRỜI

I Bức xạ mặt trời:

Quá trình diễn bien phản ứng nhiệt hạch lượng vật chất Mặt trời bị mất đi dẻ sinh ra mộtnhiệt lượng Khối lượn Mặt trời mổi giây giãm chừng 4,106 tấn, trạng thái Mặt trời khôngthay đổi hàng tỷ năm nữa Mỗi ngày Mặt trời sản xuất nguồn năng lượng phản ứng nhiệthạch đến 9.1024kWh (tức chưa đầy một phần triệu giây, Mặt trời giải phóng một lượng nănlượn tươn đươn với tổng điện năng sản xuất một nâm trên Trái đất)

1) Các định nghĩa :

Quang phổ mặt trời: Đặc trưng bức xạ mặt trời gian ngoài mặt trời là một phổ

rộng Hầu như tổng nâng lượng mặt trời tập trung bước sóng: tia tử ngoại (=4.10-3 0,38m) chiếm 8,7%, dải ánh sáng nhìn thấy (=0,38 - 0,78m) 44,6%, dải hồng ngoại (=0,78 -103m) 45,4%

-Hằng mặt trời: cường độ bức xạ chiếu 1 m2 bề mặt ngoài tầng khí quyển Is=1353 W/ m2

Năng suất bức xạ E (W/m 2 ): nâng lượng bức xạ mặt trời đơn vị diện tích bề mặt, trong

1giây Năng suất bức xạ gồm nâng suất bức xạ trực xa Etrx nâng suất bức xạ tán xạ Etx Dướiddieeuf kiện khí quyển mùa hè, trước chính ngọ (khoảng 11-13 giờ), nâng suất bức xạ mặt trời chiếu 1Sun = 1000W/m2

Năng lượng bức xạ Q (J/m 2 ): nâng lượng bức xạ mặt trời truyền tới một

đơn diện tích bề mặt một thời gian, chính đại lượng tích phân của năng suất bức xạ trongmột khoảng thời gian nhất định (thường 1 giờ hay 1 ngày)

Bức xạ mặt trời ngoài khí quyển:

Khi tia bức xạ chiếu trái đất hai đoạn: ngoài tầng khí quyển tầng khí quyển Sự khácnhau do tầng khí quyển, bức xạ yếu tác động không khí các hạt lơ lững khói, bụi, hơi nước

- Ngoài biên tầng khí quyển cường độ bức xạ mặt trời ổn định cả ngày đêm,

-Trong tầng khí quyển tác dụng hấp thụ bầu khí quyển bức xạ mặt trời yếu (có sự hấp thụ bức

xạ khí ba nguyên tử trở lên, hơi nước, hạt bụi… bầu khí quyển) Cường độ suy yếu tiabức xạ phụ thuộc chiều dài quãng đường xuyên khối không khí dài ngắn được đặc trưngbằng trị số m (air mas-hệ số khối không khí) Khi mặt trời chính ngọ quãng đường đốngắn nhất

1sin s

m





s: góc cao độ mặt trời

2) Tổng cường độ bức xạ mặt trời bề mặt trái đất:

Tổng cường độ bức xạ mặt trời lên bề mặt trái đất (tổng xạ) hai thành phần: bức xạ trực xạtán xạ Người ta chia ba thành phần tán xạ

Hình 2.1: thành phần tán xạ vùng khí quyễn trái đất

-Thành phần tán xạ đẳng hướng: tán xạ nhận đồng đều toàn bầu trời

-Thành phần tán xạ tia: tán xạ bị phát tán tia mặt trời

- Thành phần tán xạ chân trời: tán xạ phát ra đường chân trời

Ngoài ra còn có thành phần bức xạ các bề mặt cận (mặt đất, cây cối, nhà cửa …)

Cường độ tán xạ phụ thuộc độ phản xạ mặt đất Rg nhiều Những bề mặt độ phảncao ( như bề tuyết khoảng Rg =0,7) sẻ phản xạ các tia trở lại bầu trời sau đó bị phát tántrở thành tán chân trời Hệ số phản xạ các bề hiệt độ 300°K bảng sau:

 Góc lệch giữa trục trái đất mặt phẳng hoàng đạo:

-Góc lệch  giữa bề mặt trái đất phẵng hoàng đạo thay đổi từng ngày năm Ngoài ngày đặcbiệt năm, ngày khác có thể xác định qua công thức:

360 23,45.sin[ (284 )]

-Góc >0 khi trục lệch về hướng bắc ứng khoảng thời gian từ 21/3-21/9 <0 hướng nam, từ 21/9-21/3.

• Góc giờ mặt trời 

góc xác định vị trí mặt trời trên bầu trời thời điểm bất kỳ lúc mặt trời mọc lúc mặt trờilặn Người ta qui ước mặt trời thiên đỉnh = 0 (12h), buổi sáng  < 0, chiều  > 0 Nếu tráiđất đứng yên mỗi giờ trái đất quay quanh trục nó 360/24=15°, mỗi phút tuyến ứng 4 phútgiờ trái đất Tại một thời bất kỳ buổi lấy giá âm, buổi chiều giá dương

 Góc cao độ mặt αs: là góc tia bức xạ mặt phẳng ngang

• Góc thiên đỉnh z : Là góc lệch phương tia mặt trời pháp tuyến mặt phẳn ngang

• z là góc phụ s

• Góc tới  : Là góc giữa tia mặt trời truyền bề mặt pháp tuyến bề mặt nghiêng khảo sát.

Trong trường hợp bề mặt nằm ngang thì góc l thiên đỉnh

• Góc phương vị mặt trời  s : góc lệch hình chiếu tia mặt trời mặt phẳng ngang hướng nam.

Khi măt trời hướng chính nam s = 0, khi mặt trời phía Đông s < 0 khi ở phia Tây s > 0.-1800 ≤ s ≤ 1800

 Góc nghiêng bề mặt nhận bức xạ  : góc giữa bề mặt nhận bức xạ

phẳng ngang bề mặt trái đất (0°<<90°) kinh nghiệm trong vùng chí tuyến bắc nam, góc nghiêng collector < 23,5°, chí tuyến góc nghiêng vỉ độ (=ϕ)

 Quan hệ giữa các góc:

-Góc độ cao mặt trời: sins = sin sin + cos cos cos

-Góc tới: cos = sin(sin cos + cos cos cos sin)

+ cos( cos cos cos- sin cos sin) + cos sin sin sin

Nếu bề mặt hướng chính nam  = 0, công thức đơn giản:

cos = sin (sin cos+ cos cos sin) + cos( cos cos cos - sin sin)

= sin sin(- ) + cos cos cos(-)-Góc đỉnh: cosz = cos cos cos+ sin sin

-Góc vị:

III Tín

công

suất bứcmặt trời Đà Nẵng:

1) Phương công suất bức xạ mặt trời:

Bức xạ mặt trời truyền một bề mặt nghiêng trái đất Engh tổng dòng bức xạ trực xạ Eb, bathành phần bức xạ tán xạ Ed1, Ed2, Ed3 bức xạ phản xạ bề mặt lân cận Er

E = Eb + Ed1+ Ed2 + Ed3 + ErTổng bức xạ khuếch tán bầu xạ phản đất là như nhau trong mọi trường hợp không phụthuộc hướng của bề mặt Như vậy, tổng xạ trên ngang sẽ là tổng trực xạ Eb tán xạ mặt nằmngang Ed

Khi bề mặt nghiêng tạo góc  phương ngang sẻ tổng xạ E gồm 3 phần:

(1 + cos)/2 hệ số góc nhìn tán xạ mặt thuề phía bầu trời

(1 - cos)/2 hệ số góc nhìn tán xạ bề mặt thu ề phía mặt đất

E = Eb+Ed

E-tổg xạ trung bình do được tren bề mặt ngan; kWh/m2/ ngày

Eb- thành phần trực xạ tổng xạ đo được

Ed-thành phần tán xạ tổng xạ đo được ( ví dụ: Nam bộ Ed = 49% tổng xạ) Rg - hệ số phãn

xạ tia bức xạ môi trường xun quanh (bảng 2.1)

Rb - hệ số đổi bức xạ mặt ngang sang nghiêng

Rb theo các góc mặt trời

Trong đó:

En - cường độ bức xạ mặt trời phương bất kỳ

Ebng – bức xạ mặt trời phương vuông gó ngang

Ebngh – bức xạ mặt trời phương vuông góc nghiêng

cos và cosz định phương trình góc biểu diễn hình 2.6

Hình 2.6: Bức xạ trực xạ bề mặtngang (a) nghiêng (b)

2) Tính công suất bức xạ ngày Đà Nẵng:

a) Các bảng số liệu:

Căn cứ số liệu nhiều trạm khí tượng nhiều năm theo dõi, người ta lập bảng cường độ năng lượng mặt trời vùng

Bảng 2.3: Tổng lượng bức xạ trung bình ngày năm

STT Tên địa phương Tổng lượng bức xạ trung bình ngày:

kWh/m 2 ngày

Tổng lượng bức xạ trung bình năm: kWh/m 2 năm

1 bằng sông Hồng đến Vịnh Bắc BộVùng phía Bắc,Đông Bắc,đồng 3,91 1427

2 Vùng Tây Bắc, Hà tỉnh, QuảngBình,Quảng Trị 4,44 1549

3

Thừa Thiên-Huế, từ ĐàNẵng đến

Phú yên,các tỉnh Kon Tum,Gia

Lai,các tỉnh Đông Nam bộ,đồng

bằng sông Cửu long

4 Hòa,Ninh Thuận,Bình Thuận,BàĐắc Lắc,Lâm Đồng,Khánh

Vậy ta tổng bức xạ trung bình ngày ngang Đà Nẵng là E = 4,8 kWh/m 2 ngày

Bảng 2.4: Tổng giờ nắng trung bình năm

trung bình năm

1 Điện Biên, Sơn La,Lai Châu,Mộc Châu 1930

2 Lào Cai ,Hà Giang,Vùng Tây Bắc Bắc bộ 1452

Đông Nam bộ,TP.Hồ Chí Minh,đồng bằng sông Cửu 2411long

2,289

2,82

6 2,288

3,996

3,879

4,389

3,675

3,039

2,313

13,4

4 1,173 1,041Tổn

E E T

(Wh/m2)

 Tính bức xạ ngày vào ngày 1 tháng 6: n=152Góc thiên độ:

cos(16 21).cos(22,04).cos(0) sin(16 21).sin(22,04)

0,9 cos(16).cos(22,04).cos(0) sin(16).sin(22,04)

Tổng bức xạ trên nghiêng 12h:

Tính được tổng xạ lên nghiêng tại Đà Nẵng:

E βTB = E β (6,3/7) = 4910,17 (Wh/m²/ngày) (6,3/7) = 4419,153 Wh/m 2 /ngày

 Trong trường hợp để tối ưu hóa góc nhận bức xạ mặt trời, khi đó mặt phẵngnghiêng nhận bức xạ tương tự như lúc 12 giờ, có thể tổng xạ mặt phẵng nghiêng như sau:

E β= 6,3.E β12 = 6,3.711,73 = 4483,9 (Wh/m²/ngày)

Hình 1.10: Biểu đồ năng lượng thu mặt phẵng cố định quay theo mặt trời

Chương III: Tính toán hệ thống pin mặt trời

I Tính dàn pin mặt trời:

1) Trường hợp điều kiện thông thường:

a) Tính dung lượng dàn pin:

Thiết kế hệ thống pin mặt trời cung cấp điện chung cư có công suất tiêu thụ 6kW:

 : số giờ sử dụng điện Ta sẽ thiết kế chưng cư toàn tải 24h.

- Năng lượng điện mặt trời cần thiết:

144000

180072( ) 0,96.0,85.0,98

ngay ngay cap

η1 : hiệu suất Bộ điều khiển sạc-chuyển đổi điện (Inverter Solar Charger)

η2 : hiệu suất Bộ Ăcquy (Battery bank)

η3 : hiệu suất Bộ hòa lưới (Grid-Tie Inverter)

b) Tính công suất dàn pin:

Công suất dàn Pin mặt trời thường tính ra công suất đỉnh cực đai(Watt Peak, Wp) ,tức là công suất

E0=1000 W/m2 và ở nhiệt độ tiêu chuẩn T0=250C

Khi nghiêng  so với ngang thì công suất dàn pin là:2

( )

.1000 40750( ) 4419

cap Wp

E

E - tổng công suất dàn pin nằm nghiêng góc  mặt phẳng nằm ngang tính 1 ngày

Dung lượng dàn Pin mặt trời Wp chỉ tính tiêu chuẩn T0=250C lượng Pin lên Hiệu suất biến đổi quang điện của pin và module giảm theo quan hệ sau:

ηM(T) = ηM(TC) * {1 - PC * (T – TC)}

đó:

ηM(T) hiệu suất module độ T

ηM(Tc) hiệu suất module độ chuẩn Tc =25oC

( , ) 51474

155,98 330

W T i

p

d nh

E N P

Ta chọn module :156 pin mặt trời

sử dụng số lượng lớn tấm pin mặt trời nên ta chọn phương pháp ghép hỗn hợp pin

156

266

nt mp

ss nt

V N

V N N

pin mặt trời được lắp đặt 6 cột 26 hàng

2) Trường hợp điều kiện nắng tốt:

Ở điều kiện trời nắng tốt, tải chỉ sử dụng điện năng qua hai bộ phận đó là Bộ điều khiển sạc Inverter mà không phải qua ăcquy Do đó, dung lượng dàn pin cần thiết cần được tính:

144000

153061( ) 0,96.0,98

ngay ngay cap

η1 : hiệu suất Bộ điều khiển

η3 : hiệu suất Bộ InverterCông suất dàn pin mặt trời WP (Peak watt)- tại 250C

2 ( )

.1000 34637( ) 4419

cap Wp

Chọn nhiệt độ ngoài dàn pin Đà Nẵng là 35oC :

Hệ số giảm hiệu suất theo nhiệt độ: 1+Pc.(T-Tc) = 1-0,005.(35-25) = 0,95

Do công suất module hoạt động điều kiện chuẩn 25oC kể đến hiệu suất chuyển đổi quang điện ta có:

 

( ) ( , )

34637

36460( ) 0,95

W T

Wp p

Xét tổn hao điện trở nối dây, hao phí bụi phủ dàn pin… ta chọn hệ số an toàn hệ là K=1,2

Ta cũng sẽ thiết kế dự trữ 20% công suất tiêu thụ chung cư

Do đó tổng số Wp là:

( , )

120% K EWp T  120%.1,2.36460 43752(  W p )