Đề tài: Khảo sát mô phỏng đặc tính PV – CELLS điều khiển hệ thống định hướng mặt trời và lau rửa tấm pin tự động trên nền tảng Matlab & Arduino

Nội dung chính của đề tài gồm 4 chương: Chương 1 - Tổng quan về năng lượng Mặt Trời, chương 2 - Cấu tạo và nguyên lý làm việc của tấm pin Mặt Trời, chương 3 - Mô phỏng và khảo sát đặc tính tấm pin Mặt Trời và chương 4 - Lắp ráp, điều khiển hệ thống định hƣớng Mặt Trời và hệ thống lau rửa tấm pin Mặt Trời tự động

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 6

1.1 TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 6

1.1.1 Tình hình sử dụng năng lượng mặt trời trên thế giới 8

1.1.2 Tình hình sử dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam 11

CHƯƠNG 2 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ CẤU TẠO PV CELLS 16

2.1 CẤU TẠO CỦA TẤM PIN MẶT TRỜI 16

2.1.1 Giới thiệu về bán dẫn 16

2.1.2 Nguyên lý làm việc tấm pin Mặt trời 21

2.2 CẤU TẠO TẤM PIN MẶT TRỜI 24

2.2.1 Cấu tạo tấm Pin Mặt trời 24

2.2.2 Các thông số sỹ thuật 28

2.2.3 Các thế hệ Pin Mặt trời 30

2.3 TIỂU KẾT 2 31

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT ĐẶC PV CELLS 33

3.1 MÔ HÌNH TOÁN HỌC 33

3.1.1 Mô hình toán học đơn giản của tấm Pin Mặt trời 33

3.1.2 Mô hình chi tiết của tấm Pin mặt trời 34

3.1.3 Các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến đặc tính của tấm Pin Mặt Trời 35 3.2 MÔ PHỎNG ĐẶC TÍNH TẤM PIN MẶT TRỜI 36

3.2.1 Giới thiệu chung về Matlab 36

3.2.2 Sơ đồ lập trình Guide đường đặc tính của PV-Cells 36

3.2.3 Kết quả mô phỏng các đường đặc tính của PV Cells 39

3 TIỂU KẾT 3 43

CHƯƠNG 4 LẮP RÁP, ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG LAU RỬA PV - CELLS VÀ HỆ THỐNG ĐỊNH HƯỚNG MẶT TRỜI SOLAR TRACKING 44

4.1 TỔNG QUAN 44

4.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG 45

4.2.1 Hệ thống lau rửa tấm Pin Mặt Trời 45

4.2.2 Hệ thống định hướng Mặt Trời 46

4.3 NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN VÀ SƠ ĐỒ THUẬT TOÁN 47

4.3.1 Hệ thống lau rửa tấm Pin 47

4.3.2 Hệ thống định hướng Mặt Trời 50

4.3.3 Mô hình thực tế 51

4.4 TIỂU KẾT 4 54

KẾT LUẬN 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

MỞ ĐẦU

Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của ngành năng lượng mới nói chung và ngành năng lượng mặt trời nói riêng, cuộc sống của con người đã chuyển sang một thời đại mới, thời đại năng lượng xanh Với việc nghiên cứu, phát triển và đưa và sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng xanh như: năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt, năng lượng sóng, thủy triều, vào đời sống xã hội, đời sống con người đang làm giảm áp lực về tình hình cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch, nhu cầu năng lượng của con người ngày càng tăng cao[1,2,3]; đồng thời, giảm được sự ô nhiễm môi trường, các chất thải độc hại do nguồn nhiên liệu hóa thạch sinh ra[4,5] Chính vì vậy, việc sử dụng, đầu tư nghiên cứu, ứng dụng các nguồn năng lượng tái tạo đang là xu thế tất yếu của các nước trên thế giới[4,5]

Trong quá trình vận hành các nhà máy điện sản xuất từ năng lượng tái tạo như nhà máy quang điện hoặc điện gió thì về cơ bản giống như những nhà máy điện truyền thống như nhà máy nhiệt điện, thủy điện Nhưng trong nhà máy quang điện thì việc giám sát không chỉ các thông số của hệ thống điện, các hệ thống bảo vệ mà việc giám sát còn rất được chú ý đó là bề mặt của các tấm pin Bởi vì, các đặc tính điện áp và dòng điện đầu ra của tấm pin không chỉ phụ thuộc vào cấu tạo chất bán dẫn làm ra tấm pin, công nghệ sản xuất, điều kiện tự nhiên như bức xạ Mặt Trời, nhiệt độ không khí, mà còn ảnh hưởng lớn của sự che khuất bởi mây, bụi bẩn, các vật cản, [1]

Hiện nay, đã có rất nhiều các nghiên cứu về đặc tính điện áp, dòng điện, công suất của tấm pin Mặt Trời trên các phần mềm như Matlab[5,6,7], PSCAD[8], Có nhiều nghiên cứu, ứng dụng và các bài báo viết về nâng cao hiệu suất làm việc tấm pin Mặt Trời[9,10] , hoặc sử dụng các robot để lau rửa tấm pin Mặt Trời[11,12,13], hoặc cũng có một số nghiên cứu về các vật liệu có khả năng tẩy rửa, làm sạch bề mặt tấm pin Mặt Trời như SiO2/TiO2[14,15,16], nhưng chưa có các bài viết nghiên cứu chính thức về việc nâng cao hiệu suất tấm pin Mặt Trời theo đặc tính điện áp đầu ra của tấm pin

Nếu hệ thống pin năng lượng Mặt Trời được giám sát các đặc tính điện áp, dòng điện đầu ra dựa trên các thông số xác định của các điều kiện tự nhiên như bức xạ Mặt Trời (W/m2), nhiệt độ không khí (oC) để điều chỉnh nâng hiệu suất làm việc cho các tấm pin, đồng thời ngăn chặn các hiện tượng che khuất bất thường sẽ thật

sự hữu ích Đồng thời, nếu kết hợp được với các vật liệu có khả năng tẩy rửa kèm

theo hệ thống lau rửa dựa trên đặc tính điện áp tấm pin sẽ mang lại hiệu quả thực tế rất cao Do đó, chúng tôi quyết định thực hiện đề tài nghiên cứu về đặc tính tấm pin Mặt Trời (PhotoVoltaic- Cells, PV-Cells) để từ đó xác giá trị điện áp đầu ra PV-Cells trong điều kiện bức xạ Mặt Trời, nhiệt độ không khí xác định đối với mỗi loại PV-Cells Nếu trong quá trình vận hành, giá trị điện áp PV-Cells đột nhiên giảm bất thường sẽ được hệ thống giám sát báo về cho người vận hành biết để xử lý, kích hoạt hệt hống lau rửa tự động Ngoài ra, để nâng cao hiệu suất làm việc cho hệ thống PV-Cells, chúng tôi xây dựng thêm hệ thống định hướng Mặt Trời (Solar

Tracking) cho hệ thống PV-Cells Đề tài: Khảo sát mô phỏng đặc tính PV –

CELLS điều khiển hệ thống định hướng mặt trời và lau rửa tấm pin tự động trên nền tảng Matlab & Arduino Để làm đề tài này, chúng tôi đã sử dụng các

phương pháp như là nghiên cứu tài liệu, mô phỏng bằng phần mềm Matlab/Guide trên máy tính, khảo sát thực tế, lấy ý kiến các chuyên gia về lĩnh vực này Sau đó,

sử dụng cảm biến ánh sáng, Arduino làm mô hình điều khiển trên giao diện Guide của Matlab Đồng thời, trong đề tài này có sử dụng sự hỗ trợ đắc lực của phần mềm Microsoft Office/Excel như các thông số dữ liệu của các loại PV-Cells được chúng tôi sử dụng của nhà sản xuất[17] được lưu trữ để sau đó đọc lên Matlab phục vụ cho việc mô phỏng Hơn nữa là, các thông số điện áp của PV-Cells được ghi lại và lữu trữ trong file excel là công cụ hữu ích để giúp cho việc quản lý, vận hành, kiểm tra

hệ thống PV-Cells một cách hiệu quả và chính xác mà không cần sử dụng phần mềm chuyên dụng[18] Đây có thể sẽ hướng kết hợp phát triển mới giữa Matlab, Arduino, Excel trong việc vận hành quản lý hệ thống PV-Cell, nhằm nâng cao hiệu quả làm việc, tránh hiện tượng che khuất dựa trên đặc tính điện áp đầu ra tấm pin

TỔNG QUAN VỀ NỘI DUNG ĐỀ TÀI

Chương 1: Tổng quan về năng lượng Mặt Trời

Chương 2: Cấu tạo và nguyên lý làm việc của tấm pin Mặt Trời

Chương 3: Mô phỏng và khảo sát đặc tính tấm pin Mặt Trời

Chương 4: Lắp ráp, điều khiển hệ thống định hướng Mặt Trời và hệ thống lau rửa tấm pin Mặt Trời tự động

Trong quá trình nghiên cứu và phát triển tôi đã nhận được sự giúp đỡ và hướng

dẫn tận tình của thầy ThS Đỗ Công Ngôn Thầy đã cho chúng tôi những gợi ý

cũng như những ý kiến vô cùng quan trọng, giúp chúng tôi có thể vượt qua những khó khăn trong quá trình tiếp cận, nghiên cứu, xây dựng và hoàn thiện đề tài

Chúng tôi rất mong đề tài này sẽ được đón nhận và có những đóng góp ý kiến để phát triển và hoàn thiện hơn nữa sản phẩm này và hi vọng một ngày không xa, sản phẩm này sẽ được ứng dụng rộng rãi trong các trạm pin mặt trời

Kết quả đạt được sau thời gian nghiên cứu, làm việc là xây dựng được mô hình nghiên cứu, mô phỏng được trên Matlab và chạy thực tế theo nghiên cứu đã đề ra Tuy kết quả khả quan, nhưng còn nhiều sai sót và cần phát triển và bổ sung thêm Nhưng đây là kết quả thực sự đạt được do quá trình tìm tòi, nghiên cứu tài liệu, trên

mạng, hướng dẫn các chuyên gia, sự hướng dẫn của thầy cô trong khoa Kỹ thuật

Điện - Ô tô trường Đại học Đông Á

Một lần nữa, xin chân thành cám ơn tới những người đã giúp đỡ chúng tôi hoàn

thiện đề tài này

Đà Nẵng, ngày tháng 12 năm 2018

NGƯỜI THỰC HIỆN

(Ký và viết rõ họ tên)

TRẦN SỸ DANH

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

1.1 TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Năng lượng là cần thiết cho cuộc sống và mọi hoạt động của tất cả các nền kinh

tế Cũng giống như thực phẩm và nước, năng lượng không thể thiếu Nó đã đóng một vai trò cơ bản trong sự phát triển của các nền văn minh Nó là nguyên nhân gây

ra chiến tranh giữa các dân tộc để giành quyền kiểm soát các nguồn năng lượng Trong thế k XX, nhân loại dễ dàng tiếp cận với các nguồn năng lượng dồi dào, giá

r và tập trung vào các nguồn năng lượng cho ph p phát triển nhanh hơn về kinh tế Việc phát hiện ra điện, một dạng rất thuận lợi của năng lượng, đã cách mạng hóa việc sử dụng năng lượng và trở thành dạng năng lượng thiết yếu trong cuộc sống hiện đại Tuy nhiên, mặc d có sự phát triển vượt bậc về năng lượng, nhưng một t

lệ đáng kể nhân loại vẫn không thể đáp ứng được nhu cầu năng lượng Nhu cầu năng lượng của con người đã liên tục tăng lên Ngày nay, chúng ta sống trong một thế giới mà chúng ta luôn cần nhiều hơn, mặc d r ràng là chúng ta đang đạt đến giới hạn của sự tăng trưởng vội vàng này Chúng ta cần phải giải quyết vấn đề vô

c ng nan giải là làm thế nào để tiến bộ hơn nữa mà không tiêu thụ nhiều năng lượng hơn nữa[1,4]

Lịch sử đã chứng minh, năng lượng có vai trò quyết định đến sự phát triển của xã hội loài người Quốc gia nào giàu có về năng lượng và tự chủ được năng lượng, quốc gia đó sẽ có điều kiện rất lợi để phát triển kinh tế

Nguồn năng lượng hóa thạch là nguồn năng lượng quan trọng nhất cho đến hiện nay, cung cấp trên 80 năng lượng sơ cấp của thế giới Năm 2005, trừ các sinh khối truyền thống, nhiên liệu hóa thạch được sử dụng nhiều nhất là dầu mỏ 35 ), than đá 25 ), khí thiên nhiên 21 )

Nhu cầu về năng lượng của Thế giới tiếp tục tăng lên đều đặn trong hơn hai thập

k qua.Nguồn năng lượng hóa thạch vẫn chiếm 90% tổng nhu cầu về năng lượng cho đến năm 2025

Tuy nhiên, trữ lượng của các nguồn nhiên liệu hóa thạch là có hạn Và vấn đề an ninh năng lượng thế giới đang bị đe dọa khi chúng ta đang phải đối diện với nguy

cơ cạn kiệt nguồn nhiên liệu này trong tương lai không xa

Nhu cầu đòi hỏi về năng lượng của từng khu vực trên Thế giới cũng không giống nhau[4]

Hình 1.1 Mức tiêu thụ các nguồn năng lượng trên thế giới 1970-2025 và lượng

khí thải CO2 sinh ra do sử dụng năng lượng hóa thạch

Tài liệu của Cơ quan Thông tin Năng lượng 2004 đã dự báo rằng nhu cầu tiêu thụ tất cả các nguồn năng lượng đang có xu hướng tăng nhanh Giá của các năng lượng hóa thạch d ng cũng vẫn r hơn so với các nguồn năng lượng hạt nhân, năng lượng tái tạo hay năng lượng các dạng năng lượng hoàn nguyên khác

Hình 1.2 Tiêu thụ năng lượng thế giới theo nguồn năng lượng 1970-2025 đơn vị nghìn triệu triệu tu) và biểu đồ tiêu thụ năng lượng thế giới của các nguồn năng

lượng %) Hiện nay thì các nguồn năng lượng hóa thạch đang cạn kiệt và dần dần được thay thế bằng các nguồn năng lượng tái tạo như: năng lượng mặt trời, gió, thủy triều, sinh khối, địa nhiệt,

Có khoảng 16 lượng tiêu thụ điện toàn cầu từ các nguồn năng lượng tái tạo, với 10%trong tất cả năng lượng từ sinh khối truyền thống, chủ yếu được d ng để cung cấp nhiệt, và 3,4% từ thủy điện Các nguồn năng lượng tái tạo mới (small hydro, sinh khối hiện đại, gió, mặt trời, địa nhiệt, và nhiên liệu sinh học) chiếm thêm 3%

và đang phát triển nhanh chóng.Ở cấp quốc gia, có ít nhất 30 quốc gia trên thế giới

đã sử dụng năng lượng tái tạo và cung cấp hơn 20 nhu cầu năng lượng của họ Các thị trường năng lượng tái tạo cấp quốc gia được dự đoán tiếp tục tăng trưởng mạnh trong thập k tới và sau đó nữa.Ví dụ như, năng lượng gió đang phát triển với

tốc độ 30% mỗi năm, công suất lắp đặt trên toàn cầu là 282,482 MW) đến cuối năm 2012.

1.1.1 Tình hình sử dụng năng lượng mặt trời trên thế giới

Năng lượng mặt trời được phát ra từ mặt trời là nguồn năng lượng sạch, có đặc tính “tái tạo” và có trữ lượng khổng lồ Nó còn là nguồn gốc của các nguồn năng lượng sạch và tái tạo khác như: năng lượng gió, năng lượng sinh khối, thu năng và năng lượng đại dương

Trái đất nhận được 174 petawatts PW) bức xạ mặt trời đến sự phơi nắng) ở phía trên không khí Khoảng 30 được phản xạ trở lại không gian trong khi phần còn lại được hấp thụ bởi các đám mây, đại dương và v ng đất Phổ của ánh sáng năng lượng mặt trời ở bề mặt của trái đất chủ yếu gồm các phổ nhìn thấy được và phổ cận hồng ngoại, c ng với một phần nhỏ phổ cận tử ngoại

Trong các năm gần đây, các công nghệ năng lượng tái tạo, trong đó có các công nghệ năng lượng mặt trời có tốc độ tăng trưởng cao và liên tục Lý do của xu hướng trên là:

- Công nghệ ngày càng hoàn thiện, dẫn đến giá năng lượng tái tạo càng ngày càng giảm sâu

- Vấn đề an ninh năng lượng năng lượng tái tạo là nguồn năng lượng địa phương nên không phụ thuộc vào nguồn nhập khẩu, và do đó không phụ thuộc vào các biến đổi chính trị và các tác động khác

- Các nguồn năng lượng hóa thạch đã dần cạn kiệt, trong lúc nhu cầu năng lượng không ngừng tăng

- Ô nhiễm môi trường do khai thác sử dụng năng lượng hóa thạch đã đến mức báo động, dẫn đến các hiện tượng biến đổi khí hậu trên toàn cầu Việc cắt giảm phát thải, sử dụng các nguồn năng lượng sạch - các nguồn năng lượng tái tạo, vì vậy trở nên cấp bách và càng ngày càng có tính nghĩa vụ đối với các quốc gia

Đến 2013, năng lượng tái tạo đã chiếm t lệ 22,1% trong tổng sản xuất điện năng trên toàn cầu Nếu kể thêm cả sản xuất nhiệt thì t lệ năng lượng tái tạo trong tổng sản xuất năng lượng trên toàn cầu còn có t lệ cao hơn nhiều Đặc biệt, trong các năm gần đây, giai đoạn 2008-2013, tốc độ tăng trưởng năng lượng tái tạo nói chung

và năng lượng mặt trời nói riêng đạt giá trị khá cao Trừ 2 nguồn thủy điện và địa nhiệt có tốc độ dưới 4 /năm thì các nguồn năng lượng tái tạo khác có tốc độ tăng

trưởng trên 10 /năm Ấn tượng nhất là tốc độ tăng trưởng của các công nghệ năng lượng mặt trời: điện pin mặt trời tăng 55 ; nhiệt điện mặt trời (Concentrated solar power- CSP) 48% và nhiệt mặt trời (chủ yếu để đun nước nóng) - 14 /năm

Hình 1.3 Điện năng sản xuất thế giới 2010 - 2030

Xu thế chung ngày càng rõ nét của tất cả các nước trên thế giới hiện nay là tăng

t phần năng lượng tái tạo và giảm năng lượng hóa thạch Ví dụ, năm 2013, ở Đan Mạch và Tây an Nha, điện năng lượng gió đáp ứng lần lượt là 33,2% và 21% tổng nhu cầu điện; nhiều cộng đồng và vùng lãnh thổ đặt mục tiêu sử dụng 100 điện năng lượng tái tạo vào năm 2020 như Dijibouti, Scotlandvà các quốc gia đảo vùng Tuvalu; nước Đức đặt ra mục tiêu đến năm 2020, khoảng 20 triệu dân (trên tổng số

65 triệu) sống ở các vùng sử dụng 100 năng lượng tái tạo (REN21-2014)

Năm 2014 có 5 cường quốcđiện mặt trời được sắp xếp theo thứ tự về tổng công suấtvà t lệ điện năng mặt trời trong tổng điện năng quốc gianhư sau:

Hình 1.4 Thị phần thiết bị nước nóng mặt trời của 10 nước dẫn đầu trên thế giới

Có nhiều quốc gia đều đã đưa ra các mục tiêu và lĩnh vực phát triển năng lượng tái tạo cụ thể, thậm chí các quốc gia có nguồn năng lượng hóa thạch phong phú cũng đã đưa ra những chính sách rất cụ thể về năng lượng tái tạo

Quốc

gia

Mục tiêu phát triển năng lượng tái tạo Lĩnh vực trọng điểm và phương pháp

EU

Năng lượng tái tạo chiếm 20%

tổng tiêu hao năng lượng năm

2020, và chiếm 50 năm 2050

Xúc tiến buôn bán năng lượng gió, mặt trời, sinh khối, mạng điện thông minh, xử lý khí thải CO2

Anh

Đến năm 2020, năng lượng tái

tạo chiếm 15% tổng năng lượng,

trong đó có 40 là điện năng từ

năng lượng xanh

Tích tực phát triển điện gió trong lục địa, trên biển, điện sinh khối, phát triển mạng điện thông minh và các kỹ thuật truyền tải, giá phát điện tử năng lượng tái tạo hợp lý

Đức

Đến năm 2020, 2030, 2040, 2050

thì năng lượng tái tạo chiếm tỉ lệ

trong tổng tiêu hao năng lượng là

Đan

Mạch

Đến năm 2020 điện gió chiếm

50% tổng sản lượng điện; đến

năm 2050 thì hoàn toàn không sử

dụng điện từ năng lượng hóa

thạch

Duy trì sự phát triển điện gió, hệ thống sưởi bằng năng lượng xanh, thúc đẩy năng lượng xanh ở các công trình kiến trúc, công nghiệp, giao thông, phát triển lưới điện thông minh

Mỹ Năm 2030 giảm lượng khí thải Thúc đẩy phát triển xây dựng điện

Trung Quốc 74%

Mỹ

7%

Đức 5%

Thổ Nhĩ Kỳ

5%

Brazin 2%

Úc 2%

Quốc

gia

Mục tiêu phát triển năng lượng tái tạo Lĩnh vực trọng điểm và phương pháp

CO2 bằng 30% so với năm 2005 gió, điện mặt trời, nhiên liệu sinh

khối, mạng điện thông minh

Nhật

Bản

Đến năm 2030 tỉ lệ điện từ năng

lượng tái tạo chiếm 22%~24%

trong tổng sản lượng điện

Đưa ra chính sách về giá về quang điện, điện gió trên biển

Ấn Độ

Năng lượng tái tạo chiếm 5%

trong năm 2010 sẽ tăng lên 15

trong năm 1020 và tổng công

suất lắp đặt năm 2027 điện mặt

trời là 100GW, công suất lắp đặt

điện gió đạt 150GW

Thực hành ổn định giá năng điện từ năng lượng tái tạo

1.1.2 Tình hình sử dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam

Ngày nay, toàn thế giới đang theo đuổi chương trình phát triển bền vững Các nguồn năng lượng tái tạo không ngừng được nghiên cứu và phát triển, giá thành sử dụng được giảm nhanh chóng Việc phát triển các nguồn năng lượng tái tạo để chống lại sự biến đổi khí hậu toàn cầu và cũng là cuộc các mạng thúc đẩy sự phát triển khoa học kỹ thuật, đối phó với sự thiếu hụt năng lượng, ô nhiễm môi trường của tất cả các quốc gia trên thế giới

Việt Nam có vị trí địa lí ở trong v ng quanh năm gió, nắng và bờ biển dài suốt chiều dài của đất nước Với vị trí địa lí như vậy, chúng ta đã có nguồn tài nguyên năng lượng tái sinh vô tận: năng lượng mặt trời, gió, sóng biển, thủy triều Địa hình của nước ta có nhiều núi cao, dốc đứng rất thuận lợi để xây dựng các nhà máy thủy điện Đồng thời nước ta có tiềm năng lớn về nguyên liệu để sản xuất khí sinh học.Tuy vậy, Việt Nam mới chỉ khai thác được 25% nguồn năng lượng tái sinh trong đó có năng lượng mặt trời) và còn lại 75% vẫn chưa được khai thác

Nguồn năng lượng mặt trời hầu như sử dụng quanh năm Năng lượng bức xạ mặt trời trung bình đạt 4 đến 5kWh/m2 mỗi ngày Mật độ năng lượng mặt trời biến đổi trong khoảng 300 đến 500 cal/cm2

/ngày Số giờ nắng trung bình cả năm trong khoảng 1.800 đến 2.100 giờ Tiềm năng điện mặt trời tốt nhất ở các vùng Thừa Thiên-Huế trở vào nam Vùng Tây Bắc gồm các tỉnh Lai Châu, Sơn La, Lào Cai

và vùng Bắc Trung Bộ gồm các tỉnh Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh có năng lượng mặt trời khá lớn Như vậy, các tỉnh thành ở miền Bắc nước ta đều có thể sử dụng hiệu quả Còn ở miền Nam, từ Đà Nẵng trở vào, năng lượng mặt trời rất lớn

và phân bố tương đối điều hòa quanh năm Trừ những ngày có mưa rào, có thể nói hơn 90 số ngày trong năm có thể sử dụng năng lượng mặt trời để đun nước nóng dùng cho sinh hoạt Số giờ nắng trung bình cả năm trong khoảng 2.000 đến 2.600 giờ Đây là khu vực ứng dụng năng lượng mặt trời rất hiệu quả[19]

Tuy nhiên, cả nước mới có khoảng 60 hệ thống đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời tập thể và hơn 5.000 hệ thống cho gia đình đã được lắp đặt Trong đó, khoảng 95 được lắp đặt sử dụng ở khu vực thành thị, 5 đươc sử dụng ở các huyện lỵ hoặc một số hộ ở nông thôn Đối tượng lắp đặt và sử dụng chủ yếu là các

hộ gia đình chiếm khoảng 99%, khoảng 1 cho các đối tượng khác như: nhà tr , trường mẫu giáo, bệnh xá, khách sạn, trường học, nhà hàng, [19]

Hình 1.5 Hình ảnh mô phỏng hệ thống pin năng lượng mặt trời

Việt Nam cũng đang triển khai nhiều chương trình tiết kiệm năng lượng, trong đó đặc biệt chú trọng phát triển mô hình bình đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời Trung tâm tiết kiệm năng lượng Hà Nội hiện đang thực hiện dự án lắp đặt thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời, góp phần tiết kiệm năng lượng khu vực phía Bắc Hiện trung tâm đang triển khai chương trình ở các tỉnh thành Hải Phòng, Quảng Ninh, Nam Định, Thanh Hóa, Sơn La, lắp đặt thí điểm 100 thiết bị ở quy mô

hộ gia đình Cả nước hiện có khoảng 2,5 triệu bình đun nước nóng bằng điện có công suất trong khoảng 2 đến 5 kW

Hiện nay bình nước nóng Thái Dương đã được sử dụng khá rộng rãi trong các hộ gia đình khách sạn ở thành phố, hải đảo vv Khách sạn Saigon Morin thành phố

Huế đã lắp đặt 11 giàn năng lượng mặt trời vào việc giặt là, đun nước nóng và nấu

ăn Cả nước có hơn 10 cơ sở kinh doanh hoặc sản xuất thiết bị đun nước nóng, nhưng số lượng rất hạn chế Đó là các Công ty Sơn Hà, Tân Á, và các trường Đại học Bách khoa Hà Nội và Trường Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh cũng tham gia nghiên cứu, chế tạo thiết bị trên Vì vậy, trên thị trường hiện nay thiết bị bình đun nước nóng năng lượng mặt trời khá phong phú về chủng loại như sản phẩm “Thái dương năng” của Công ty Sơn Hà, “Sun flower” của Công ty Tân Á,

“Helio” của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh chế tạo, sản phẩm

“Salar water heating” của Công ty TNHH Tự động xanh

Tuy nhiên, việc phát triển hệ thống đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời đang chưa có chiến lược phát triển và còn một số khó khó khăn.Ví dụ như sự hỗ trợ của Nhà nước về đầu tư nghiên cứu và phát triển về kinh phí, trang thiết bị kỹ thuật cho sản xuất, ứng dụng còn khiêm tốn; Sự không đồng bộ giữa thiết kế bình đun nước nóng năng lượng mặt trời và các công trình xây dựng; Giá thành của thiết bị đun nước nóng năng lượng mặt trời còn khá cao, chưa ph hợp với mức thu nhập của người dân nói chung; cách lắp đặt, vận hành thiết bị chưa được phổ biến rộng rãi đến người tiêu d ng vv [20]

Nhu cầu về điện của Việt Nam hàng năm tiêu tốn khoảng 3,6 t kWh điện và sẽ tăng nhanh theo tốc độ phát triển kinh tế, xây dựng nhà ở, dịch vụ và du lịch Đây là một con số rất lớn cho thấy một thị trường đầy tiềm năng cho việc đầu tư nghiên cứu, sản xuất thiết bị bình đun nước nóng năng lượng mặt trời Trong những năm gần đây, một số công trình nghiên cứu sử dụng năng lượng mặt trời đã đem lại kết quả kinh tế đáng kể

Dưới đây là một số dự án điện mặt trời:

Nhà máy điện mặt trời

IM Group c ng đối tác AC Energy Trang trại Điện mặt trời

Phước Dinh, Thuận Nam, Ninh Thuận

Tổng công ty cổ phần Thiết bị điện Việt Nam - Gelex Nhà máy điện mặt trời

Châu Trúc, Mỹ Châu (Phù Mỹ),

Công ty CP Năng lượng tái tạo Việt

Tên dự án P (MW) Địa điểm Chủ đầ tư

Nhà máy điện năng

xã Ia Lốp và xã Ia Rvê tại huyện Ea Súp

Công ty TNHH Xuân Thiện Ninh Bình

Nhà máy Điện mặt trời

Công ty cổ phần đầu

tư và phát triển hạ tầng Long Thành Nhà máy điện năng

huyện Ea Súp,Tỉnh Đắk Lắk

Tập đoàn AES Hoa Kỳ)

Nhà máy điện mặt trời

Cam Thịnh Tây, thành phố Cam Ranh, tỉnh Khánh Hòa

Công ty CPCCREB

Nhà máy quang điện

thôn Thủy Ba và thôn Tân An, xã Cam An Bắc (huyện Cam Lâm) ,TP Cam Ranh

Tổng công ty Điện lực miền Trung

Nhà máy điện năng

An Việt – Nha Trang Nhà máy điện mặt trời,

Hiện nay tại Việt Nam đang được triển khai xây dựng rất nhiều nhà máy điện Mặt Trời ở khắp trên cả nước Đặc biệt các vùng núi, hải đảo, nơi có khó khăn trong việc k o điện lưới đến hoặc những nơi có điều kiện thuận lợi cho việc phát triển nguồn ngăng lượng tái tạo này

Cùng với xu thế phát triển chung của toàn thế giới thì ở Việt Nam bắt đầu sử dụng, nghiên cứu, chế tạo và phát triển về công nghiệp năng lượng Mặt Trời Mặc

d các nhà đầu tư đã bắt đầu đẩy mạnh nghiên cứu xây dựng dự án điện mặt trời tại Việt Nam[21], nhưng trước đây hầu hết các dự án rất khó triển khai bởi trình tự, thủ tục xin cấp phép xây dựng, bổ sung dự án điện mặt trời vào quy hoạch điện lực của quốc gia và từng địa phương còn rườm rà Và đây chính là những rào cản đòi hỏi các cơ quan quản lý, các cấp chính quyền phải vào cuộc tháo gỡ trong thời gian tới,

để điện mặt trời có thể phát triển đạt mục tiêu đề ra Nhưng nhiện nay, chính phủ đã

có những chính sách, hỗ trợ nên nhiều dự án đã và đang được triển khai trên khắp Việt Nam[22] Sản lượng điện Mặt Trời đã bắt đầu hòa vào lưới điện Quốc gia Cụ thể với vai trò trách nhiệm là đầu tàu, trụ cột của ngành năng lượng, và là đơn vị chủ lực đảm bảo nguồn cung ứng điện cho nền kinh tế, Tập đoàn Điện lực Việt Nam EVN), đã ban hành Nghị quyết về nghiên cứu phát triển điện mặt trời Hiện nay thì đã có 2 nhà máy điện đã và đang được xây dựng tại tỉnh Quảng ngãi và Ninh Thuận, dự kiến nó sẽ đêm lại nhiều lợi ích kinh tế và môi trường của 2 tỉnh nói riêng và Việt Nam nói chung Ngoài ra, nhiều tỉnh thành, nhiều trường Đại học đã nghiên cứu và tìm hiểu, đưa vào ứng dụng và có các chính sách phát triển nguồn năng lượng này Điều này cho thấy Việt Nam đang cố gắng để thay đổi và bắt kịp công nghệ trên thế giới, đặc biệt là công nghệ phát triển năng lượng mặt trời Việt Nam đang dần tiến bộ hơn trên con đường phát triển năng lượng mặt trời của mình đây là một điều đáng mừng đối với sự phát triển của chúng ta

1.2 TIỂU KẾT 1

Sự phát triển năng lượng mặt trời trên thế giới ngày càng tăng lên nhanh chóng dần thay thế cho năng lượng hóa thạch, nguồn năng lượng đang dần cạn kiệt do nhu cầu sử dụng đang tăng lên và sự ô nhiễm môi trường cũng khá lớn đối với con người Ở Việt Nam cường độ bức xạ mặt trời trung bình khá cao Tuy vậy, trong thực tế, việc phát triển nguồn điện này ở nước ta lại rất khiêm tốn, khai thác chưa thật đáng kể Để hiểu, nghiên cứu và ứng dụng được nguồn năng lượng này, chúng

ta cần đi sâu hơn, c ng tìm hiểu về cấu tạo và thành phần của pin mặt trời được trình bày cụ thể ở chương 2 tiếp theo

CHƯƠNG 2 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ CẤU TẠO PV CELLS 2.1 CẤU TẠO CỦA TẤM PIN MẶT TRỜI

Có thể dựa trên tính dẫn điện, thì vật liệu bán dẫn không phải là vật liệu cách điện mà cũng không phải là vật liệu dẫn điện tốt Độ dẫn điện phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, nhiệt độ tăng độ dẫn điện tăng còn ở kim loại thì ngược lại) Các chất bán dẫn thường gặp là oxit đồng (Cu2O), sêlen, silicium, giécmani (selenium, Silicon, silicium, giécmani)

Tính chất dẫn điện của các vật liệu rắn được giải thích nhờ lý thuyết v ng năng lượng Như ta biết, điện tử tồn tại trong nguyên tử trên những mức năng lượng gián đoạn (các trạng thái dừng) Nhưng trong chất rắn, khi mà các nguyên tử kết hợp lại với nhau thành các khối, thì các mức năng lượng này bị phủ lên nhau, và trở thành các v ng năng lượng và sẽ có ba v ng chính, đó là v ng hóa trị, vùng cấm và vùng dẫn

Vùng hóa trị Valence band) là v ng có năng lượng thấp nhất theo thang năng lượng, là v ng mà điện tử bị liên kết mạnh với nguyên tử và không linh động

Vùng dẫn (Conduction band) là vùng có mức năng lượng cao nhất, là vùng mà điện tử sẽ linh động như các điện tử tự do) và điện tử ở vùng này sẽ là điện tử dẫn,

có nghĩa là chất sẽ có khả năng dẫn điện khi có điện tử tồn tại trên vùng dẫn Tính dẫn điện tăng khi mật độ điện tử trên vùng dẫn tăng

Vùng cấm (Forbidden band) là vùng nằm giữa vùng hóa trị và vùng dẫn, không

có mức năng lượng nào (vùng trống năng lượng) do đó điện tử không thể tồn tại trên vùng cấm Nếu bán dẫn pha tạp, có thể xuất hiện các mức năng lượng trong vùng cấm (mức pha tạp) Khoảng cách giữa đáy v ng dẫn và đỉnh vùng hóa trị gọi

là độ rộng vùng cấm, hay năng lượng vùng cấm and Gap) T y theo độ rộng vùng cấm lớn hay nhỏ mà chất có thể là dẫn điện hoặc không dẫn điện

Hình 2.1 Mức năng lượng điện tử Đối với vật liệu dẫn điện, lớp vỏ ngoài cùng của nguyên tử có rất ítcác electron,

nó có khuynh hướng giải phóng các electron này để tạothành electron tự do và đạt đến trạng thái bền vững.Vật liệu cách điện lại có khuynh hướng giữ lại các electron lớp ngoàicùng của nó để có trạng thái bền vững

c) Cách điện (Insulator) Hình 2.2 Mức năng lượng điện tửcủa các loại vật liệu

Về phương diện hoá học thì chất bán dẫn là những chất có 4 điện tử ở lớp ngoài cùng của nguyên tử, đó là các chất Germanium (Ge) và Silicium (Si)

Chất bán dẫn chủ yếu được cấu tạo từ các nguyên tử có 4 electron lớp ngoài trong cấu trúc nguyên tử của chúng Như vậy, về bản chất, các chất bán dẫn có 4 electron lớp ngoài c ng mà đặc trưng là 2 chất bán dẫn Ge và Si

Từ các chất bán dẫn ban đầu (tinh khiết), để tăng cường khả năng dẫn điện của chất bán dẫn ở nhiệt độ thấp, người ta tiến hành pha trộn bán dẫn tinh khiết với một nguyên tố khác trong bảng tuần hoàn tạo ra hai loại bán dẫn chủ đạo là bán dẫn loại

Hình 2.3 Cấu tạo và ký hiệu thông dụng của nguyên tố Silic

Công nghệ quang điện sử dụng vật liệu bán dẫn để chuyển đổi quang năng thành điện năng Trong đó, tinh thể silic tinh chất là vật liệu bán dẫn chủ chốt d ng để chế tạo chúng Silic là nguyên tố nằm ở cột thứ tư, dòng thứ hai của bảng phân loại tuần hoàn, c ng nhóm với nguyên tố Germanium cũng được d ng nhiều trong các linh kiện bán dẫn Ngoài ra, còn một số nguyên tố khác, có thể kể oron và Photpho thuộc nhóm 3 và 5 là 2 nguyên tố c ng silic hiện diện trong các panel bán dẫn điện mặt trời Galli, Arsen được d ng chế tạo các tế bào quang điện GaAs, Cadmi và Telluri được d ng để chế tạo tế bào quang điện CdTe

Nguyên tố silic có 14 proton trong hạt nhân, tương ứng với 14 điện tử hiện diện trên các quỹ đạo bao quanh, quỹ đạo ngoài cùng chứa 4 điện tử cho ta nguyên tố Si

có hóa trị 4

Trong cấu trúc tinh thể Si tinh chất, mỗi nguyên tử Si hình thành 4 liên kết đồng hóa trị với 4 nguyên tử Si xung quanh, tạo nên mạng tinh thể bốn mặt trong không

gian ba chiều như hình 2.4a phía dưới Để đơn giản, cấu trúc này được trải trên bề mặt 2 chiều như hình minh họa 2.4b

Hình 2.4 Cấu trúc không gian mạng tinh thể Silic

Ở nhiệt độ không tuyệt đối, Si cách điện hoàn toàn Mạng tinh thể Si tuyệt đối không có điện tử tự do Khi nhiệt độ tăng lên, một số điện tử đạt năng lượng đủ để thoát khỏi quỹ đạo nguyên tử để trở thành điện tử tự do Nhiệt độ càng cao, số điện

tử tự do càng nhiều, giúp khả năng dẫn điện tăng lên ngược với kim loại, khả năng dẫn điện giảm khi nhiệt độ tăng cao) Tính chất này d ng để chế tạo các cảm biến nhiệt độ bán dẫn, gọi là termistors Tuy vậy, ở nhiệt độ môi trường 25oC, khả năng dẫn điện của tinh thể Si vẫn rất thấp, do đó nói mới có tên gọi là bán dẫn Nếu ta thêm một năng lượng nhỏ nguyên tố phụ gia hóa trị 5 (Photpho-P), khả năng dẫn điện của tinh thể Si sẽ tăng lên mạnh mẽ

Có hai loại bán dẫn là bán dẫn loại p và bán dẫn loại n được tạo ra bằng cách pha trộn một lượng nhỏ các chất có hóa trị khác vào để làm thay đổi cấu trúc mạng tinh thể

Bán dẫn loại n: Khi ta pha một lượng nhỏ chất có hoá trị 5 như Photpho (P) vào chất bán dẫn Si thì một nguyên tử P liên kết với 4 nguyên tử Si theo liên kết cộng hoá trị, nguyên tử Photpho chỉ có 4 điện tử tham gia liên kết và còn dư một điện tử

và trở thành điện tử tự do Chất bán dẫn lúc này trở thành thừa điện tử electron mang điện âm) và được gọi là bán dẫn n (negative: âm)

Bán dẫn loại p: Ngược lại, khi ta pha thêm một lượng nhỏ chất có hoá trị 3 như Indium (In) hoặc Bore (B) vào chất bán dẫn Si thì 1 nguyên tử Indium sẽ liên kết với 4 nguyên tử Si theo liên kết cộng hoá trị và liên kết bị thiếu một điện tử và trở thành lỗ trống- hole (positive-mang điện dương), được gọi là chất bán dẫn p

Chất bán dẫn n Chất bán dẫn p

Hình 2.5 Cách hoạt động của bán dẫn Si loại n

Hình 2.6 Cách hoạt động của bán dẫn Si loại p

Lý thuyết lượng tử mô tả sự khác biệt giữa vật dẫn (kim loại) và chất bán dẫn (Si) dựa trên biểu đồ năng lượng như hình minh họa 2.7 phía dưới

Thông thường, điện tử thuộc lớp nào sẽ nhận mức năng lượng tương ứng với lớp

đó Lớp đạt mức năng lượng cao nhất gọi là lớp dẫn với các điện tử thuộc lớp này

có thể tham gia vào dòng dẫn Như hình 2.7 thì lớp dẫn của kim loại được điện tử lấp đầy một phần, còn đối với lớp dẫn của chất bán dẫn hoàn toàn trống điện tử ở nhiệt độ không tuyệt đối Lý thuyết đã tính toán rằng, ở nhiệt độ phòng thì khoảng 1/1010 các điện tử tồn tại được trong lớp dẫn

Acceptor atom (immobile - charge)

= +

+4 Si

+4 Si

+4 Si

+3 Bo

+4 Si

+4 Si

+4 Si

+4 Si

Silicon Atoms

Trivalent acceptor atom Movable

hole

a Kim loại b Bán dẫn Hình 2.7 Các lớp năng lượng của kim loại (a) và Silic (b)

2.1.2 Nguyên lý làm việc tấm pin Mặt trời [1]

Hiệu ứng quang điện là một hiện tượng điện - lượng tử, trong đó các điện tử được thoát ra khỏi nguyên tử quang điện trong) hay vật chất quang điện thường) sau khi hấp thụ năng lượng từ các photon trong ánh sáng làm nguyên tử chuyển sang trạng thái kích thích làm bắn electron ra ngoài Hiệu ứng quang điện đôi khi được người ta dùng với cái tên Hiệu ứng Hertz, do nhà khoa học Heinrich Hertz tìm

ra

Hình 2.8 Hiệu ứng quang điện Khi bề mặt của một tấm kim loại được chiếu bởi bức xạ điện từ có tần số lớn hơn một tần số ngưỡng (tần số ngưỡng này là giá trị đặc trưng cho chất làm nên tấm kim loại này), các điện tử sẽ hấp thụ năng lượng từ các photon và sinh ra dòng điện (gọi

là dòng quang điện) Khi các điện tử bị bật ra khỏi bề mặt của tấm kim loại, ta có hiệu ứng quang điện ngoài external photoelectric effect) Các điện tử không thể phát ra nếu tần số của bức xạ nhỏ hơn tần số ngưỡng bởi điện tử không được cung cấp đủ năng lượng cần thiết để vượt ra khỏi rào thế (gọi là công thoát) Điện tử phát

xạ ra dưới tác dụng của bức xạ điện từ được gọi là quang điện tử Ở một số chất khác, khi được chiếu sáng với tần số vượt trên tần số ngưỡng, các điện tử không bật

ra khỏi bề mặt, mà thoát ra khỏi liên kết với nguyên tử, trở thành điện tử tự do điện

tử dẫn) chuyển động trong lòng của khối vật dẫn, và ta có hiệu ứng quang điện trong (internal photoelectric effect) Hiệu ứng này dẫn đến sự thay đổi về tính chất dẫn điện của vật dẫn, do đó, người ta còn gọi hiệu ứng này là hiệu ứng quang dẫn

VïNG DÉN

vïng cÊm

vïng lÊp ®Çy

GAP

vïng lÊp ®Çy

vïng cÊm

vïng lÊp ®Çy

GAP

vïng lÊp ®Çy

Tiếp giáp p-n: khi ta cho hai loại bán dẫn trên tiếp xúc với nhau, các điện tử tự do

ở gần bề mặt tiếp xúc sẽ khuếch tán từ bán dẫn loại n sang bán dẫn loại p và lấp các

lỗ trống trong bán dẫn loại p án dẫn loại n sẽ dần mất điện tử và tích điện dương, bán dẫn loại p sẽ dần tích điện âm khi đó ở bề mặt tiếp xúc giữa hai loại bán dẫn sẽ hình thành nên điện trường ngăn cản sự di chuyển của các điện tử tự do từ bán dẫn loại n sang bán dẫn loại p

Điện trường tạo ra ở bề mặt tiếp xúc chỉ cho ph p dòng điện tử chạy theo một chiều, ở đây là từ bán dẫn loại p sang bán dẫn loại n Pin mặt trời thực chất là một diode bán dẫn với diện tích bề mặt rộng và lớp n cực mỏng để ánh sáng có thể truyền qua.Ánh sáng chiếu vào pin mặt trời một phần bị phản xạ và một phần bị hấp thụ khi đi qua lớp n Phần bị hấp thụ sẽ đến được lớp chuyển tiếp, nơi có các cặp electron và lỗ trống nằm trong điện trường của bề mặt giới hạn Với các bước sóng thích hợp sẽ truyền cho electron một năng lượng đủ lớn để bật khỏi liên kết

Trên quãng đường di chuyển giữa lớp tiếp giáp p-n thì các lỗ trống và điện tử sẽ tái hợp với nhau và trung hòa điện, dẫn đến ở lớp tiếp giáp có mật độ hạt mang điện rất thấp, gọi là vùng nghèo (depletion region) hay chính là lớp tiếp giáp p-n

Hình 2.9 Nguyên lý hoạt động của lớp tiến giáp p-n Giữa lớp tiếp giáp p-n này, ở phía bán dẫn p có các điện tử electron mang điện tích âm và phía bán dẫn n có các lỗ trống hole mang điện tích dương, qua đó hình thành một điện trường tiếp xúc có hướng từ lớp p sang lớp n và điện áp tiếp xúc tương ứng

Những cặp electron và lỗ trống này nằm trong tác dụng của điện trường do đó electron sẽ bị k o về phía bán dẫn loại n, còn lỗ trống bị k o về phía bán dẫn loại p

Kết quả là nếu ta nối hai cực vào hai phần bán dẫn loại n và p sẽ đo được một hiệu điện thế khoảng 0,6V với silic)

Một tế báo quang điện (Photovoltaic cell, PV Cell) được cấu tạo từ hai lớp bán dẫn p và n ghép lại với nhau, hình thành một diode, cho phép electron di chuyển từ điện cực p đến điện cực n, không cho phép di chuyển ngược lại

Khi có các photon ánh sáng mặt trời chiếu vào tế bào quang điện, các electron nhận năng lượng và bứt ra thành electron tự do, có khả năng dẫn điện và di chuyển

về phía điện cực n Nếu mắc hai điện cực với mạch ngoài sẽ tạo được dòng electrong di chuyểntừ cực n sang cực p, qua đó hình thành dòng điện ở mạch ngoài

từ p-n

Pin mặt trời Photovoltaic – PV) là tổ hợp nhiều tế bào quang điện mặt trời PV cell) khi nhận bức xạ mặt trời phát sinh dòng điện 0,5 đến 1V Từ 28 đến 36 tế bào quang có thể tạo ra dòng một chiều khoảng 12V tránh mất năng lượng khi tế bào quang bị hỏng người ta d ng các diode) Hệ thống có thể tạo ra dòng một chiều có cường độ nhất định với điện áp 12V

Electron Dòng điện PV Cells

Hình 2.10Sơ đồ nguyên lý hoạt động pin quang điện

Điện trường Elàm cho các lỗ trống mang điện tích dương di chuyển cùng chiều điện trường và các điện tử electron di chuyển ngược chiều điện trường Từ đó hình thành nên dòng điện trôi

Dòng điện trôi và dòng khuếch tán sẽ có hướng ngược chiều nhau an đầu khi mật độ hạt mang điện của hai lớp bán dẫn càng chênh lệch thì dòng khuếch tán càng lớn, và tạo điện trường



Elớn và từ đó tạo ra dòng điện trôi lớn Sau đó thì dòng điện trôi sẽ dần cân bằng với dòng điện khuếch tán, dòng đi qua lớp tiếp giáp p-n bằng không, và xác lập trạng thái cân bằng

Điện áp tiếp xúc điện áp hàng rào) giữa hai lớp p-n có giá trị như sau:

N N q

i

D A

2.2 CẤU TẠO TẤM PIN MẶT TRỜI [1]

2.2.1 Cấu tạo tấm Pin Mặt trời

Gồm các tế bào quang điện PV) thực chất là các thiết bị bán dẫn Silic, chúng bao gồm một lớp loại p dương) và một lớp n âm) được gh p nối với nhau để tạo thành một liên kết “p-n”

Thiết kế module PV từ các tế bào quang điện: Mỗi tế bào quang điện đưa ra điện

áp khoảng 0,5÷1V nên rất khó sử dựng được trong thực tế, chính vì vậy mà người ta

thường ghép nối tiếp các tế bào quang điện lại với nhau thành các module PV Số lượng tế bào quang điện trong mỗi module thường khoảng 36, 48, 60 hoặc 72 tế bào quang điện, tùy mỗi loại khác nhau Số lượng module ngoài thực tế của loại tế bào quang điện đơn tinh thể và đa tinh thể như ở bảng 2.2 và bảng 2.3 ở phía dưới Bảng 2.2 Các module tế bào quang điện đơn tinh thể (monocrystalline)[17]

ASE60M-275

ASE72M-325

1652x997x42

1969x997x

42

Tế bào quang năng đơn

tinh thể loại 6 inch

ASE48P-

200

ASE60P-250

ASE60P-275

ASE72P-300

2

1652x99x42

1652x99x42

1969x997x42

Tế bào quang năng đa

tinh thể loại 6 inch

(156x156mm)

Mỗi tế bào quang điện có điện áp đầu ra là: V=Vd-I.Rs

Rp

Các tế bào quang điện có thể mắc song song hoặc nối tiếp tùy vào mục đích sử dụng Nếu mắc nối tiếp sẽ tăng được điện áp, giữ nguyên dòng điện Nếu mắc song song thì giữ nguyên điện áp còn tăng dòng điện

Nếu module gồm n tế bào quang điện khi mắc nối tiếp với nhau sẽ cho dòng không đổi và điện áp được tính theo công thức sau:

Vmodulen.V d I.R s (2-02)

Dòng điện của module bằng dòng điện của các tế bào quang điện

S kT

R I V q

SC

P

d kT

qV

SC

R

R I V e

I I

R

V e

I I

I

S d

)

1 (

) 1 (

) ( 0

Với dòng làm việc ở chế độ cực đại MPPT (Maximum Power Point Tracking) có dòng làm việc cực đại Imax, điện áp cực đại Vmax, dòng ngắn mạch (dòng do tế bào quang điện tạo ra) ISC và điện áp hở mạch VOC thì ta có hệ số lấp đầy của module tính theo công thức:

OC

SC V I

V I FF FillFactor( )  max max (2-04)

Để được các array PV đáp ứng được nhu cầu sử dụng, người ta có thể ghép các module PV lại với nhau Để tăng điện áp thì mắc nối tiếp các module, để tăng dòng điện thì mắc song song các module PV với nhau; nếu cần công suất lớn thì mảng array PV người ta có thể mắc phối hợp vừa nối tiếp vừa song song

a Các chuỗi module nối tiếp được mắc

song song

b Các ch m module song songđược mắc

nối tiếp Hình 2.11 Cách mắc các module pin mặt trời

Việc mắc phối hợp nối tiếp và song song có hai trường hợp:

Mắc nối tiếp các module PV thành chuỗi rồi mắc song song với nhau như hình 2.11a Trong trường hợp này khi bị mất một chuỗi hoặc bị mây che phủ 1 chuổi thì mảng array PV vẫn cấp đủ điện áp, dù dòng có bị thất thoát

Mắc song song nhiều module PV sau đó thực hiện mắc nối tiếp thành array như hình 2.11b Trường hợp này khi tháo một chùm module PV nối song song thì mảng array PV vẫn cấp đủ dòng, nhưng điện áp bị suy giảm

Nhưng trong thực tế khi mà hoạt động thì các tấm pin mặt trời chịu ảnh hưởng rất lớn từ điều kiện thời tiết như nhiệt độ, bức xạ mặt trời, mây, mưa, bụi bẩn, Trong

đó, hiện tượng che khuất gây ảnh hưởng rất lớn

Khi một tế bào bị che khuất bởi mây, hoặc bụi bẩn, lúc đó nguồn dòng của tế bào bị che khuất đó không hoạt động và làm điện áp của module giảm xuống, và đồng thời dòng điện của cả module cũng giảm xuống theo

Điện áp của module khi có một tế bào quang điện bị che khuất sẽ nhỏ hơn điện

áp Vn-1 của cả module (n-1) tế bào còn lại trừ đi tổn hao trên điện trở Rp và Rs, tức là:

) (

1

s p n

n

n V

Điện áp thất thoát ra hiện tượng bị che khuất một tế bào quang điện là :

) (

) (

1

s p n

s p n

n a n

R R I n

V

V

R R I n

n V V V V

Từ đó mà cả điện áp ra của module bị sụt giảm nghiêm trọng, dẫn đến dòng cũng

giảm Công suất thất thoát sẽ chuyển thành nhiệt và tập trung vào tế bào bị che

khuất đó gây quá nhiệt cục bộ và ảnh hưởng đến chất lượng và tuổi thọ của lớp

nhựa bảo vệ

Hình 2.12 Sử dụng diot để tránh hiện tượng tế bào quang điện bị che khuất

Để tránh được ảnh hưởng của sự che khuất, người ta đã lắp các module với nhau

bằng các diot bypass (mắc song song) để khi tế bào bị che khuất thì dòng điện

không qua tế bào đó mà đi qua điot, nhờ đó mà không bị sự sụt áp trên tế bào quang

điện do Rp gây ra Nhưng thực tế thì diot bypass chỉ được gắn song song qua một

nhóm modulechứ không phải từng module

Đồng thời người ta cũng sử dụng diot khóa (blocking) ở đầu các chuỗi mắc nối

tiếp để tránh hiện tượng che khuất, mấy che từng phần , tổn hao phát nóng cực bộ

2.2.2 Các thông số sỹ thuật

Các thông số chính của một tấm pin năng lượng mặt trời gồm có:

- Công suất tấm Pin cực đại Pmax là điểm mà công suất của hệ thống sinh ra cao

nhất, tại điểm cong nhất của đồ thị bên trên Khi sử dụng điều khiển sạc hay kích

điện có MPPT, đây chính là điểm mà MPPT cố gắng giữ để có được công suất tối

đa, Pmax=Vmpp x Impp

- Loại tế bào hiện chủ yếu ở Việt Nam có 2 loại là Mono và Poly

- Điện áp cực đại Vmp (Vmax): Vmpp là điện áp mà tại đó công suất đầu ra là tốt nhất, điện áp này thông thường có thể nhìn thấy được khi hệ thống pin được kết nối vào MPPT như điều khiển sạc MPPT hoặc kích hòa lưới) trong điều kiện tiêu chuẩn

- Dòng điện cực đại Imp (Imax): Impp là dòng điện khi công suất đầu ra đạt tốt nhất, nó là cường độ dòng điện thực tế bạn có thể đo khi nó được kết nối vào thiết

bị MPPT trong điều kiện chiếu sáng tiêu chuẩn

- Dòng điện ngắn mạch ISC là điện áp ngắn mạch sinh ra khi kết nối đầu âm và dương của tấm pin vào nhau Sử dụng ampe kìm có thể đo được dòng này, đây là dòng điện lớn nhất mà tấm pin có thể sản sinh trong điều kiện tiêu chuẩn

Để xác định dòng điện mà thiết bị kết nối như inverter hay điều khiển sạc cần

có, dòng Isc được sử dụng Thông thường thì nhân 1,25 lần so với Isc

- Điện áp hở mạchVOC: Điện áp hở mạch là điện áp mà tấm pin sinh ra khi không

có tải, bạn có thể đo được nếu sử dụng voltmeter đo ở 2 đầu cực tấm pin, do không

có tải nên dòng điện qua tấm pin cũng bằng không

Đây là thông số quan trọng, bởi vì nó là điện áp tối đa mà tấm pin có thể sản xuất trong điều kiện tiêu chuẩn từ đó bạn có thể xác định được tối đa tấm pin trong 1 dãy bạn có thể kết nối vào kích điện hay điều khiển sạc

Hãy đảm bảo các thiết bị bảo vệ như cầu chì hoặc aptomat chỉ có thể bảo vệ quá dòng, không phải quá áp Do đó, nếu điện áp đưa vào quá cao, nó sẽ phá hủy thiết bị của bạn

- Nhiệt độ làm việc là gì , nhiệt độ tiêu chuẩn là gì: Các thông số của tấm pin ghi trên nhãn được lấy ra trong điều kiện nhiệt độ 25°C trên thực tế thì không như vậy, nhiệt độ trên mái nhà đặc biệt vào mùa hè có thể lên tới trên 70°C

NOCT(Normal Operating Cell Temperature) đưa cho bạn cái nhìn thực tế hơn về điều kiện hoạt động thực sự của pin và cho bạn thấy được công suất mà hệ thống điện mặt trời có thể đem lại Cường độ bức xạ mặt trời sẽ chỉ là 800W/m t vuông thay vì 1000W/m t vuông do nằng thường bị mây che trong thực tế Nó sử dụng nhiệt độ không khí là 20°Cchứ không phải là 25°C,và gồm gió tự nhiên để làm mát tấm pin với tốc độ 2.24 dặm/giờ điều kiện phổ biến của hệ thống điện mặt trời trên mái nhà) Năng lượng từ hệ thống điện sẽ thu được thấp hơn so với trong điều kiện tiêu chuẩn STC (Standard Test Condition) nhưng phản ánh thực tế hơn

Các thông số thể hiện cụ thể của tấm pin Mono 150Wnhƣ sau:

TH NG SỐ K THUẬT