Thiết kế hệ thống pin mặt trời nối lưới cung cấp điện cho khách sạn thanh hải tp nha trang

TRANG TÓM TẮT TIẾNG ANH THIẾT KẾ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI CUNG CẤP ĐIỆN CHO KHÁCH SẠN THANH HẢI – THÀNH PHỐ NHA TRANG Học viên: Trần Tuấn Vĩnh Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã s

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: TS TRỊNH TRUNG HIẾU

Đà Nẵng - Năm 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

TRẦN TUẤN VĨNH

TRANG TÓM TẮT TIẾNG ANH

THIẾT KẾ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI CUNG CẤP ĐIỆN CHO KHÁCH SẠN THANH HẢI – THÀNH PHỐ NHA TRANG

Học viên: Trần Tuấn Vĩnh Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số: 60520202 Khóa: K33.KTĐ.KH Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

Tóm tắt – Hiện nay, các khách sạn vừa và nhỏ nhận nguồn từ các TBA công cộng lại bị khống

chế công suất dưới 20kW (khi đấu nối tại lưới hạ áp gần nhất) và dưới 40kW (khi đấu nối từ đầu nguồn TBA), công suất này sẽ không đáp ứng được nhu cầu phụ tải vào những mùa cao điểm du lịch Việc đầu tư về đường dây và TBA rất tốn kém về kinh tế và gặp nhiều khó khăn trong giai đoạn hiện nay (điểm đấu nối hầu như đã kín, chi phí lắp đặt đường dây cáp ngầm trung áp rất tốn kém nhưng rất khó khăn thi công do vướng cảnh quan đô thị, mặt bằng lắp đặt TBA chật hẹp không đảm bảo an toàn, …) Ngày 11/4/2017 Thủ tướng Chính phủ đã ban hành QĐ số 11/2017/QĐ-TTg “Về cơ chế khuyến khích phát triển các dự án mặt trời tại Việt Nam” áp dụng cho các tổ chức, cá nhân tham gia phát triển các dự án điện mặt trời tại Việt Nam Luận văn thiết

kế hệ thống pin mặt trời nối lưới cung cấp điện cho khách sạn Thanh Hải – Tp Nha Trang là rất cần thiết, ứng dụng thực tế trong điều kiện hiện nay không chỉ riêng cho khách sạn Thanh Hải mà còn có thể áp dụng cho các khách sạn có qui mô vừa và nhỏ trên địa bàn Tp Nha Trang

Từ khóa – năng lượng mặt trời; pin mặt trời; mô hình biến đổi năng lượng mặt trời thành

điện năng; kết nối lưới điện

DESCRIPTION OF ELECTRICCITY SUPPLY CONNECTOR SYSTEM FOR THANH

HAI HOTEL – NHA TRANG CITY Abstract – Currently, small and medium hotels receiving power from public substations are

subject to a capacity under 20kW (when connected at the nearest low voltage grid) and under 40kW (when connected from the source of the substation), this capacity will not be able to meet peak demand during tourist season Investing in power lines and substations is very costly and difficult for the current period (the connection point is almost closed, the cost of installing underground medium voltages cables is very expensive but difficult due to the urban landscape, the intallation of narrow substaion is not secure,…) On 11/4/2017, the Prime Minister issued Decision No 11/2017/QĐ-TTg “ Regarding mechanisms to encourage the development of solar projects in Viet Nam” applicable to organizations and individuals involved in the development of solar power projects in Viet Nam Thesis design grid connected solar power system to supply electricity to Thanh Hai hotel – Nha Trang city is very necessary, practical application in present conditions not only for Thanh Hai hotel but

also applicable to small and medium hotels in Nha Trang city

Key words - solar; solar battery; the model converts solar energy into electricity; grid

connection

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

TRANG TÓM TẮT TIẾNG ANH ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CAC BẢNG vi

DANH MỤC CAC HINH vii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Đối tượng nghiên cứu 3

4 Phạm vi nghiên cứu 3

5 Phương pháp nghiên cứu 3

6 Dàn ý nội dung chính 4

7 Tổng quan về tài liệu nghiên cứu 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 5

1.1 NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 5

1.1.1 Khái niệm năng lượng mặt trời 5

1.1.2 Vai trò và lợi ích của năng lượng mặt trời 6

1.1.3 Bức xạ mặt trời 6

1.1.4 Phương pháp tính toán năng lượng bức xạ mặt trời 10

1.2 PIN MẶT TRỜI CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ 18

1.2.1 Cấu tạo pin mặt trời 18

1.2.2 Nguyên lý hoạt động 19

1.2.3 Đặc tính làm việc của pin mặt trời 22

1.2.4 Ứng dụng 26

1.2.5 Cách ghép nối các tấm năng lượng mặt trời 26

1.3 MÔ HÌNH BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI THÀNH ĐIỆN NĂNG 30

1.3.1 Mô hình hệ thống năng lượng mặt trời cấp điện độc lập 30

1.3.2 Mô hình hệ thống độc lập, kết hợp giữa năng lượng mặt trời và các nguồn năng lượng khác 31

1.3.3 Mô hình hệ thống năng lượng mặt trời kết nối lưới 32

1.4 CÁC KHẢO SÁT, THỐNG KÊ TIỀM NĂNG BỨC XẠ MẶT TRỜI TẠI

THÀNH PHỐ NHA TRANG, TỈNH KHÁNH HÒA 35

1.5 KẾT LUẬN 36

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN - THIẾT KẾ HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI NỐI LƯỚI CẤP ĐIỆN CHO KHÁCH SẠN THANH HẢI 37

2.1 GIỚI THIỆU VỀ KHÁCH SẠN THANH HẢI ………37

2.2 NHU CẦU XÂY DỰNG HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI CHO KHÁCH SẠN THANH HẢI 39

2.3 MÔ HÌNH HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI KẾT HỢP NỐI LƯỚI, VỊ TRÍ LẮP ĐẶT 39

2.3.1 Lựa chọn mô hình hệ thống 39

2.3.2 Vị trí xây dựng hệ thống pin năng lượng mặt trời nối lưới 42

2.4 TÍNH TOÁN – THIẾT KẾ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI CẤP ĐIỆN CHO KHÁCH SẠN THANH HẢI 43

2.4.1 Xác định phụ tải của khách sạn Thanh Hải 43

2.4.2 Tính toán lựa chọn Pin năng lượng mặt trời 50

2.4.3 Lựa chọn bộ biến đổi điện DC-AC (Inverter) 58

2.4.4 Hệ thống kho Ắcquy 61

2.4.5 Bộ điều khiển sạc Ắcquy 64

2.4.6 Bộ biến đổi điện DC-AC từ Ắcquy đến tải 65

2.5 ĐẤU NỐI HỆ THỐNG 67

2.5.1 Một số lưu ý khi đấu nối 67

2.5.2 Sơ đồ đấu nối 67

2.5.3 Giải pháp lắp đặt Pin mặt trời lên tầng thượng khách sạn 71

2.6 ỨNG DỤNG PHẦN MỀM PV*SOL MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI THIẾT KẾ 72

2.7 KẾT LUẬN 76

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN HIỆU QUẢ KINH TẾ CỦA HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI NỐI LƯỚI CUNG CẤP ĐIỆN CHO KHÁCH SẠN THANH HẢI 77

3.1 TỔNG MỨC ĐẦU TƯ HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI NỐI LƯỚI CUNG CẤP ĐIỆN CHO KHÁCH SẠN THANH HẢI 77

3.1.1 Chi phí xây dựng (CPXD) 78

3.1.2 Chi phí mua thiết bị (CPTB) 79 3.1.3 Chi phí tư vấn đầu tư xây dựng (CPTVĐTXD) và chi phí khác (CPK)79

3.1.4 Chi phí vận hành và bảo dưỡng hệ thống (CPVHBD) 80

3.1.5 Các chi phí khấu hao hằng năm (CPKH) 81

3.2 PHÂN TÍCH TÍNH HIỆU QUẢ KHI XÂY DỰNG HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI CHO KHÁCH SẠN THANH HẢI 81

3.3 KẾT LUẬN 82

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 84

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 86 PHỤ LỤC

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI

BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN

DANH MỤC CÁC BẢNG

Số hiệu

1.1 Lượng bức xạ mặt trời tại các vùng miền của nước ta 36

2.1 Phụ tải của khách sạn Thanh Hải những ngày trong mùa

2.5 Thông số kỹ thuật của INVERTER Sunny Tripower

2.7 Thông số kỹ thuật bộ điều khiển sạc Ắc quy

3.2 Chi phí gia công, lắp dựng giá đỡ ắc quy và dàn pin mặt

3.4 Chi phí tư vấn đầu tư xây dựng và chi phí khác khi xây

3.5 Chi phí vận hành và bảo dưỡng hệ thống hệ thống pin

1.3 Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí

1.4 Vị trí của Trái đất và mặt trời thay đổi trong năm 10

1.5 Quan hệ các góc hình học của tia bức xạ mặt trời trên

1.6 Sơ đồ phân bố các thành phần bức xạ khuyếch tán 15

1.8 Bức xạ trực xạ trên bề mặt nằm ngang và nghiêng 17

1.16 Đường đặc tính làm việc U & I của pin mặt trời 23

1.18 Sự phụ thuộc của đặc trưng VA của pin mặt trời vào cường độ bức xạ Mặt trời 24 1.19 Sự phụ thuộc của đường đặc tính của pin mặt trời vào

Số hiệu

1.20 Đường đặc tính tải và đặc tính của pin mặt trời 25

1.21 Ghép nối tiếp hai tấm pin mặt trời (a) và đường đặc trưng

1.22 Ghép song song hai tấm pin mặt trời (a) và đường đặc trưng VA của các tấm pin và của cả hệ (b) 28 1.23 Điốt nối song song với tấm pin để bảo vệ môđun & dàn

1.25 Mô hình hệ thống độc lập kết hợp giữa NLMT- Diesel 32

1.26 Mô hình hệ thống độc lập kết hợp giữa NLMT- gió-

1.27 Sơ đồ điển hình hệ thống NLMT kết nối lưới không dự

1.28 Sơ đồ điển hình hệ thống NLMT kết nối lưới có dự trữ 34

2.3 Mô hình hệ thống Pin mặt trời kết hợp nối lưới có dự trữ 40

2.4 Sơ đồ đấu nối hệ thống Pin mặt trời cấp điện nối lưới có

2.5a Hình ảnh tầng thượng của khách sạn Thanh Hải 42 2.5b Hình ảnh tầng thượng của khách sạn Thanh Hải 42

2.6 Biểu đồ phụ tải những ngày trong mùa du lịch của khách

2.7 Biểu đồ phụ tải ngày thường của khách sạn Thanh Hải 46

Số hiệu

2.12 Cách ghép nối 24 Ắc quy CL 3000 thành 1 dãy 63

2.15 Bản vẽ mặt bằng tầng thượng của khách sạn Thanh Hải 68

2.16 Sơ đồ đấu nối hệ thống Pin mặt trời nối lưới cấp điện cho

2.24 Kết quả sản xuất và tiêu thụ điện năng theo dữ liệu thời

2.25 Kết quả sử dụng năng lượng sản sinh ra bởi hệ thống PV 74

2.26 Kết quả sử dụng năng lượng tiêu thụ - phát lưới - sạc pin

2.27 Tổng năng lượng tiêu thụ của các thành phần phụ tải 75

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Thế giới đang đứng trước một lựa chọn khó khăn cho sự phát triển bền vững trong tương lai khi các nguồn năng lượng đang dần cạn kiệt Ngành công nghiệp điện chủ yếu dựa trên công nghệ nhiệt điện và thủy điện, đã mang đến cho nhân loại nền văn minh điện, nhưng cũng đã bộc lộ mặt trái của

nó đối với môi trường, và dần cạn kiệt Công nghệ điện hạt nhân lại không an toàn và gây ra những hiểm họa phóng xạ để lại tác hại lâu dài cho môi trường

Vì vậy, với chiến lược phát triển bền vững trên toàn cầu, đặc biệt là thời kỳ phát triển “kinh tế xanh”, “năng lượng xanh” đã bắt đầu chứng kiến những công nghệ mới để sản xuất điện, trong đó việc sản xuất điện từ các nguồn năng lượng tái tạo trong tự nhiên đang là hướng đi mới trong ngành công nghiệp năng lượng, nguồn năng lượng tái tạo khá dồi dào, nó có khả năng thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch, giảm thiểu tác hại tới môi trường, đặc biệt là năng lượng mặt trời

Việt Nam là một trong những nước có nguồn năng lượng mặt trời rất dồi dào, với số giờ nắng trung bình 2200 giờ/năm và cường độ bức xạ cao nhất có thể đến 5,7kWh/m2/ngày Thế nhưng các nguồn sản xuất điện ở nước ta hiện nay chủ yếu là từ nhiệt điện và thủy điện Nhiều chuyên gia nhận định, nhu cầu điện năng sẽ thiếu hụt trầm trọng với mức tăng tiêu thụ từ 15% – 20% mỗi năm

Ngày 11/4/2017 Thủ tướng Chính phủ đã ban hành quyết định số 11/2017/QĐ-TTg “Về cơ chế khuyến khích phát triển các dự án điện mặt trời tại Việt Nam” áp dụng cho các tổ chức, cá nhân tham gia phát triển các dự án điện mặt trời tại Việt Nam

Tại Thành phố biển Nha Trang, lượng khách du lịch trong nước và quốc

tế ngày càng tăng, nhu cầu sử dụng điện năng rất lớn, nhất là vào các dịp nghỉ

lễ và Festival biển Hệ thống điện của khách sạn phải hoạt động liên tục 24/24, có những thời điểm phải hoạt động hết 100% công suất của thiết bị dẫn đến quá tải trạm biến áp Những lúc sửa chữa đường dây hay Điện lực tạm ngừng cung cấp điện cũng làm ảnh hưởng đến hoạt động của khách sạn Vì thế yêu cầu bắt buộc ổn định hệ thống điện cho khách sạn là điều rất quan trọng Các khách sạn vừa và nhỏ nhận nguồn từ các trạm biến áp công cộng lại bị khống chế công suất dưới 20kW (khi đấu nối tại lưới hạ áp gần nhất) và dưới 40kW (khi đấu nối từ đầu nguồn TBA), công suất này sẽ không đáp ứng được nhu cầu phụ tải vào những mùa cao điểm, việc đầu tư đường dây và trạm biến áp rất tốn kém về kinh tế và gặp nhiều khó khăn trong giai đoạn hiện nay (điểm đấu nối hầu như đã kín, đường dây cáp ngầm rất tốn kém nhưng rất khó khăn thi công do vướng cảnh quan đô thị, mặt bằng lắp trạm biến áp chật hẹp không đảm bảo an toàn, …)

Trước đây khách sạn Thanh Hải đã liên hệ tư vấn thiết kế lắp đặt trạm biến áp kín công suất 75kVA để cấp điện cho khách sạn, chi phí đầu tư nhánh

rẽ cáp ngầm 22kV dài 390m và TBA là 845.000.000đ, nhưng thỏa thuận tuyến không được do vướng cảnh quan đô thị trong thành phố, mặt khác cũng không cung cấp điện liên tục được khi hệ thống lưới điện bị sự cố hay đang

sửa chữa

Đứng trước những khó khăn và thử thách đặt ra, tính thiết yếu của đề tài

“Thiết kế hệ thống pin mặt trời nối lưới cung cấp điện cho khách sạn Thanh Hải Tp Nha Trang” là rất cần thiết, ứng dụng thực tế trong điều kiện

hiện nay không chỉ riêng cho khách sạn Thanh Hải mà còn có thể ứng dụng cho toàn bộ khách sạn có có qui mô vừa và nhỏ trên địa bàn thành phố Nha Trang Đề tài sau khi thực hiện sẽ giúp chủ động trong việc thiết kế, cải tiến

hệ thống điện của khách sạn nhằm nâng cao chất lượng phục vụ cho khách

hàng, đảm bảo nguồn điện của khách sạn sẽ hoạt động xuyên suốt, không gián đoạn

2 Mục tiêu nghiên cứu

Tính toán “Thiết kế hệ thống pin mặt trời nối lưới cung cấp điện cho khách sạn Thanh Hải Tp Nha Trang”

Đây là đề tài nghiên cứu ứng dụng, địa chỉ ứng dụng được xác định rõ Những kết quả nghiên cứu và ứng dụng của đề tài sẽ được thực hiện trên thực

tế Giải pháp này khi đưa vào vận hành sẽ đạt được các chỉ tiêu:

- Đảm bảo hệ thống điện của khách sạn hoạt động xuyên suốt, luôn sẵn

sàng có nguồn thay thế khi mất điện;

- Nâng cao chất lượng phục vụ cho khách hàng;

- Tăng hiệu suất cho các thiết bị điện;

- Chi phí sẽ thấp hơn so với sử dụng máy phát;

- Lợi nhuận kinh tế sẽ tăng cao

3 Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu được tiến hành cho hệ thống điện của các khách sạn vừa và nhỏ trên địa bàn thành phố Nha Trang, tỉnh Khánh Hòa

4 Phạm vi nghiên cứu

Đề tài nghiên cứu được giới hạn trong phạm vi của khách sạn Thanh Hải, địa chỉ: 33 Phạm Ngọc Thạch, Phường Vĩnh Hải, Tp Nha Trang

5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Khảo sát điều kiện thực tế, phân tích

các yếu tố liên quan của khu triển khai ứng dụng Xem xét lại toàn bộ cơ sở lý thuyết về pin mặt trời để thành lập hệ thống pin năng lượng mặt trời từ đó đưa

vào ứng dụng

Phương pháp nghiên cứu tính toán thiết kế: Tính toán thiết kế trên cơ sở

chung

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Khảo sát thực nghiệm trên hệ

thống điện khách sạn Thanh Hải

Phương pháp chuyên gia: Tham khảo các ý kiến khoa học từ thực tiễn của

các chuyên gia để nghe phân tích và nhận định

6 Dàn ý nội dung chính

Ngoài phần mở đầu và phần kết luận, luận văn gồm 3 chương:

Mở đầu

Chương I: Tổng quan về hệ thống pin năng lượng mặt trời

Chương II: Tính toán - thiết kế hệ thống pin năng lượng mặt trời nối lưới cấp điện cho khách sạn Thanh Hải

Chương III: Tính toán hiệu quả kinh tế của hệ thống pin mặt trời nối lưới cấp điện cho khách sạn Thanh Hải

Kết luận và hướng phát triển của đề tài

7 Tổng quan về tài liệu nghiên cứu

- Các sách hướng dẫn đã được xuất bản

- Các báo cáo đã được công bố trong Hội nghị khoa học, Tạp chí khoa học trong và ngoài nước, các đề tài khoa học các cấp, luận án tiến sĩ, luận văn

thạc sĩ,… của các tác giả trong và ngoài nước

- Cùng một số thông tin, tài liệu trên Internet

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

1.1 NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

1.1.1 Khái niệm năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời là một trong các nguồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất mà thiên nhiên ban tặng cho hành tinh chúng ta Đồng thời nó cũng

là nguồn gốc các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, năng lượng sinh khối, năng lượng thủy triều… Năng lượng mặt trời có thể nói là vô tận Tuy nhiên để khai thác, sử dụng nguồn năng lượng này cần phải biết các đặc trưng và tính chất cơ bản của nó, đặc biệt khi tới bề mặt quả đất

Về mặt vật chất thì mặt trời chứa đến 78,4% khí Hydro(H2), Heli (He) chiếm 19,8 % các nguyên tố kim loại và các nguyên tố khác chiếm 1,8% Năng lượng do mặt trời bức xạ ra vũ trụ là một lượng khổng lồ, mỗi giây

nó phát ra 3,865.1026 J, tương đương với năng lượng đốt cháy hết 1,32.1016 tấn than đá tiêu chuẩn Nhưng bề mặt quả đất chỉ nhận được một năng lượng rất nhỏ và bằng 17,57.1016 J

Năng lượng khổng lồ từ mặt trời được xác định là sản phẩm của các phản ứng nhiệt hạt nhân Nhiệt độ mặt ngoài của mặt trời khoảng 60000

K, còn ở bên trong mặt trời nhiệt độ có thể lên đến hàng triệu độ Áp suất bên trong mặt trời cao hơn 340.1018 Mpa Do nhiệt độ và áp suất bên trong mặt trời cao như vậy nên vật chất đã nhanh chóng bị ion hóa và chuyển động với năng lượng rất lớn Chúng va chạm vào nhau và gây ra hàng loạt các phản ứng hạt nhân Nguồn năng lượng của mặt trời chủ yếu do hai loại phản ứng hạt nhân gây ra Đó là các phản ứng tuần hoàn giữa các hạt nhân cacbon, Nito và phản ứng hạt nhân Proton- Proton

Khối lượng mặt trời xấp xỉ 21.027 tấn Như vậy để mặt trời chuyển hóa hết khối lượng của nó thành năng lượng cần một khoảng thời gian là 15.1013 năm Từ đó có thể thấy rằng nguồn năng lượng mặt trời là khổng lồ và lâu dài.[1]

1.1.2 Vai trò và lợi ích của năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời có tiềm năng thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch và năng lượng nguyên tử Trên lý thuyết, chỉ với một hiệu suất chuyển đổi là 10% và trên một diện tích 700 x 700 km ở sa mạc Sahara thì đã có thể đáp ứng được nhu cầu năng lượng trên toàn thế giới bằng cách sử dụng năng lượng mặt trời

Việc sử dụng năng lượng tái tạo đặc biệt là năng lượng mặt trời sẽ mang lại nhiều lợi ích về sinh thái cũng như là lợi ích gián tiếp cho kinh tế So với các nguồn năng lượng khác, năng lượng tái tạo có nhiều ưu điểm hơn vì tránh được các hậu quả có hại đến môi trường

1.1.3 Bức xạ mặt trời

Trong toàn bộ bức xạ của mặt trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các phản ứng hạt nhân xảy ra trong nhân mặt trời không quá 3% Bức xạ γ ban đầu khi đi qua 5.105 km chiều dày của lớp vật chất mặt trời bị biến đổi rất mạnh Tất cả các dạng của bức xạ điện từ đều có bản chất sóng và chúng khác nhau ở bước sóng

Độ dài bước sóng ( m )

Hình 1.1- Dải bức xạ điện từ

Bức xạ γ là sóng ngắn nhất trong các sóng đó, từ tâm Mặt trời đi ra do sự

va chạm hoặc tán xạ mà năng lượng của chúng giảm đi và bây giờ chúng ứng với bức xạ có bước sóng dài Như vậy bức xạ chuyển thành bức xạ Rơnghen

có bước sóng dài hơn Gần đến bề mặt mặt trời nơi có nhiệt độ đủ thấp để có thể tồn tại vật chất trong trạng thái nguyên tử và các cơ chế khác bắt đầu xảy

4

2 D-T 0

T

100 (1.1) Trong đó:

+φD-T: hệ số góc bức xạ giữa Trái đất và Mặt trời

2 D-T

Do khoảng cách giữa Trái đất và Mặt trời thay đổi theo mùa trong năm nên β cũng thay đổi, do đó q cũng thay đổi nhưng độ thay đổi này không lớn lắm nên có thể xem q là không đổi và được gọi là hằng số mặt trời

Khi truyền qua lớp khí quyển bao bọc quanh Trái đất, các chùm tia bức

xạ bị hấp thụ và tán xạ bởi tầng ôzôn, hơi nước và bụi trong khí quyển, chỉ một phần năng lượng được truyền trực tiếp tới Trái đất Đầu tiên ôxy phân tử bình thường O2 phân ly thành ôxy nguyên tử O, để phá vỡ liên kết phân tử đó, cần phải có các photon bước sóng ngắn hơn 0,18μm, do đó các photon (xem bức xạ như các hạt rời rạc - photon) có năng lượng như vậy bị hấp thụ hoàn toàn Chỉ một phần các nguyên tử ôxy kết hợp thành các phân tử, còn đại đa

số các nguyên tử tương tác với các phân tử ôxy khác để tạo thành phân tử ôzôn O3, ôzôn cũng hấp thụ bức xạ tử ngoại nhưng với mức độ thấp hơn so với ôxy, dưới tác dụng của các photon với bước sóng ngắn hơn 0,32μm, sự phân tách O3 thành O2 và O xảy ra Như vậy hầu như toàn bộ năng lượng của bức xạ tử ngoại được sử dụng để duy trì quá trình phân ly và hợp nhất của O,

O2 và O3 , đó là một quá trình ổn định Do quá trình này, khi đi qua khí quyển, bức xạ tử ngoại biến đổi thành bức xạ với năng lượng nhỏ hơn

Các bức xạ với bước sóng ứng với các vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoại của phổ tương tác với các phân tử khí và các hạt bụi của không khí nhưng không phá vỡ các liên kết của chúng, khi đó các photon bị tán xạ khá đều theo mọi hướng và một số photon quay trở lại không gian vũ trụ

Hình 1.3 Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời

qua lớp khí quyển của Trái đất

Bức xạ chịu dạng tán xạ đó chủ yếu là bức xạ bước sóng ngắn nhất Sau khi phản xạ từ các phần khác nhau của khí quyển bức xạ tán xạ đi đến chúng

ta mang theo màu xanh lam của bầu trời trong sáng và có thể quan sát được ở những độ cao không lớn Các giọt nước cũng tán xạ rất mạnh bức xạ mặt trời Bức xạ mặt trời khi đi qua khí quyển còn gặp một trở ngại đáng kể nữa đó là

do sự hấp thụ của các phần tử hơi nước, khí Cácbônic và các hợp chất khác, mức độ của sự hấp thụ này phụ thuộc vào bước sóng, mạnh nhất ở khoảng giữa vùng hồng ngoại của phổ

Phần năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt trái đất trong những ngày quang đãng (không có nhiều mây) ở thời điểm cao nhất vào khoảng 1.000W/m2 Yếu tố cơ bản xác định cường độ của bức xạ mặt trời ở một điểm nào đó trên Trái đất là quãng đường nó đi qua Sự mất mát năng

lượng trên quãng đường đó gắn liền với sự tán xạ, hấp thụ bức xạ và phụ thuộc vào thời gian trong ngày, mùa, vị trí địa lý Các mùa hình thành là do sự nghiêng của trục trái đất đối với mặt phẳng quỹ đạo của nó quanh Mặt trời gây ra Góc nghiêng vào khoảng 66,50 và thực tế xem như không đổi trong không gian Sự định hướng như vậy của trục quay trái đất trong chuyển động của nó đối với Mặt trời gây ra những sự dao động quan trọng về độ dài ngày

và đêm trong năm

Hình 1.4 Vị trí của Trái đất và mặt trời thay đổi trong năm

1.1.4 Phương pháp tính toán năng lượng bức xạ mặt trời

Cường độ bức xạ mặt trời trên mặt đất chủ yếu phụ thuộc 2 yếu tố: góc nghiêng của các tia sáng đối với mặt phẳng bề mặt tại điểm đã cho và độ dài đường đi của các tia sáng trong khí quyển hay nói chung là phụ thuộc vào độ cao của Mặt trời (Góc giữa phương từ điểm quan sát đến Mặt trời và mặt phẳng nằm ngang đi qua điểm đó) Yếu tố cơ bản xác định cường độ của bức

xạ mặt trời ở một điểm nào đó trên Trái đất là quãng đường nó đi qua Sự mất mát năng lượng trên quãng đường đó gắn liền với sự tán xạ, hấp thụ bức xạ và phụ thuộc vào thời gian trong ngày, mùa, vị trí địa lý

Quan hệ giữa bức xạ mặt trời ngoài khí quyển và thời gian trong năm có thể xác định theo phương trình sau:

Trong đó:

Eng: bức xạ ngoài khí quyển được đo trên mặt phẳng vuông góc với tia bức xạ vào ngày thứ n trong năm

Một số khái niệm cần trong quá trình tính toán:

+ Hệ số khối không khí m: là tỷ số giữa khối lượng khí quyển theo phương tia bức xạ truyền qua và khối lượng khí quyển theo phương thẳng đứng (tức là khi Mặt trời ở thiên đỉnh) Như vậy m =1 khi Mặt trời ở thiên đỉnh, m =2 khi góc thiên đỉnh θZ là 600 Đối với các góc thiên đỉnh từ 0-700

có thể xác định gần đúng m =1/cosθZ Còn đối với các góc θZ >700 thì độ cong của bề mặt trái đất phải được đưa vào tính toán Riêng đối với trường hợp tính toán bức xạ mặt trời ngoài khí quyển m = 0

+ Trực xạ: là bức xạ mặt trời nhận được khi không bị bầu khí quyển phát tán Đây là dòng bức xạ có hướng và có thể thu được ở các bộ thu kiểu tập trung (hội tụ)

+ Tán xạ: là bức xạ mặt trời nhận được sau khi hướng của nó đã bị thay đổi do sự phát tán của bầu khí quyển (trong một số tài liệu khí tượng, tán xạ còn được gọi là bức xạ của bầu trời, ở đây cần phân biệt tán xạ của mặt trời với bức xạ hồng ngoại của bầu khí quyển phát ra)

+ Tổng xạ: là tổng của trực xạ và tán xạ trên một bề mặt (phổ biến nhất

là tổng xạ trên một bề mặt nằm ngang, thường gọi là bức xạ cầu trên bề mặt) + Cường độ bức xạ (W/m2): là cường độ năng lượng bức xạ mặt trời đến một bề mặt tương ứng với một đơn vị diện tích của bề mặt Cường độ bức xạ cũng bao gồm cường độ bức xạ trực xạ Etrx , cường độ bức xạ tán xạ Etx và cường độ bức xạ quang phổ Eqp

+ Năng lượng bức xạ (J/m2): là năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới một đơn vị diện tích bề mặt trong một khoảng thời gian, như vậy năng lượng bức xạ là một đại lượng bằng tích phân của cường độ bức xạ trong một

khoảng thời gian nhất định (thường là 1 giờ hay 1 ngày)

+ Giờ mặt trời: là thời gian dựa trên chuyển động biểu kiến của mặt trời trên bầu trời, với quy ước giờ mặt trời chính ngọ là thời điểm mặt trời đi qua thiên đỉnh của người quan sát Giờ mặt trời là thời gian được sử dụng trong mọi quan hệ về góc mặt trời, nó không đồng nghĩa với giờ theo đồng hồ Quan hệ hình học giữa một mặt phẳng bố trí bất kỳ trên mặt đất và bức

xạ của mặt trời truyền tới, tức là vị trí của mặt trời so với mặt phẳng đó có thể được xác định theo các góc đặc trưng sau:

+ Góc vĩ độ φ: vị trí góc tương ứng với vĩ độ về phía bắc hoặc về phía nam đường xích đạo trái đất, với hướng phía bắc là hướng dương: - 900

+ Góc phương vị của bề mặt γ: góc lệch của hình chiếu pháp tuyến bề mặt trên mặt phẳng nằm ngang so với đường kinh tuyến Góc γ = 0 nếu bề mặt quay về hướng chính nam, γ lấy dấu (+) nếu bề mặt quay về phía tây và lấy dấu (-) nếu bề mặt quay về phía đông -1800 ≤ γ ≤ 1800

+ Góc giờ ω: góc chuyển động của vị trí mặt trời về phía đông hoặc phía tây của kinh tuyến địa phương do quá trình quay của trái đất quanh trục của

nó và lấy giá trị 150 cho 1 giờ đồng hồ, buổi sáng lấy dấu (-), buổi chiều lấy dấu (+)

+ Góc tới θ: góc giữa tia bức xạ truyền tới bề mặt và pháp tuyến của bề mặt đó

+ Góc thiên đỉnh θZ: góc giữa phương thẳng đứng (thiên đỉnh) và tia bức

xạ tới Trong trường hợp bề mặt nằm ngang thì góc thiên đỉnh chính là góc tới

về phía tây

+ Góc lệch δ: vị trí góc của mặt trời tương ứng với giờ mặt trời là 12 giờ (tức là khi Mặt trời đi qua kinh tuyến địa phương) so với mặt phẳng của xích đạo trái đất, với hướng phía bắc là hướng dương -23,450

≤ δ ≤ 23,450 Góc lệch δ có thể tính toán theo phương trình của Cooper:

284+nδ=23,45.sin 360

Với: n là thứ tự ngày của 1 năm

Quan hệ giữa các loại góc đặc trưng ở trên có thể biểu diễn bằng phương trình giữa góc tới θ và các góc khác như sau:

cosθ=sinδ.sinφ.sinβ-sinδ.cosφ.sinβ.cosγ+cosδ.cosφ.cosβ.cosω

+cosδ.sinφ.sinβ cosγ.cosω+cosδ.sinβ.sinγ.sinω

Và: cosθ=cosθ cosβ+sinθ sinβ.cos(γ -γ)Z Z s (1.5)

Tính toán góc tới của bức xạ trực xạ

Đối với bề mặt nằm ngang góc tới θ chính là góc thiên đỉnh của mặt trời

θZ, giá trị của nó phải nằm trong khoảng 00 và 900 từ khi mặt trời mọc đến khi Mặt trời ở thiên đỉnh (β = 0): cosθz = cosφ.cosδ.cosω + sinφ.sinδ

Bức xạ mặt trời ngoài khí quyển lên mặt phẳng nằm ngang

Tại thời điểm bất kỳ, bức xạ mặt trời đến một bề mặt nằm ngang ngoài khí quyển được xác định theo phương trình:

360.n

365 (1.6) Thay giá trị cosθZ vào phương trình trên ta có E0.ng tại thời điểm bất kỳ từ lúc mặt trời mọc đến lúc mặt trời lặn:

Năng lượng bức xạ trên mặt phẳng nằm ngang trong một giờ nhất định

có thể xác định:

Tổng bức xạ mặt trời lên một bề mặt đặt trên mặt đất bao gồm hai phần chính đó là trực xạ và tán xạ Phần trực xạ đã được khảo sát ở trên, còn thành phần tán xạ thì khá phức tạp Hướng của bức xạ khuếch tán truyền tới bề mặt

là hàm số của độ che phủ của mây và độ trong suốt của khí quyển, các đại lượng này lại thay đổi khá nhiều Có thể xem bức xạ tán xạ là tổng hợp của 3 thành phần:

- Thành phần tán xạ đẳng hướng: phần tán xạ nhận được đồng đều từ toàn bộ vòm trời

- Thành phần tán xạ quanh tia: phần tán xạ bị phát tán của bức xạ mặt trời xung quanh tia mặt trời

- Thành phần tán xạ chân trời: phần tán xạ tập trung gần đường chân trời

Hình 1.6 Sơ đồ phân bố các thành phần bức xạ khuyếch tán

Góc khuếch tán ở mức độ nhất định phụ thuộc độ phản xạ Rg (còn gọi là albedo - suất phân chiếu) của mặt đất Những bề mặt có độ phản xạ cao (ví dụ

bề mặt tuyết xốp có Rg = 0,7) sẽ phản xạ mạnh bức xạ mặt trời trở lại bầu trời

và lần lượt bị phát tán trở thành thành phần tán xạ chân trời

Như vậy bức xạ mặt trời truyền đến một bề mặt nghiêng là tổng của các dòng bức xạ bao gồm:

+ Trực xạ Eb, 3 thành phần tán xạ Ed1, Ed2, Ed3

+ Bức xạ phản xạ từ các bề mặt khác lân cận Er:

Σ b d1 d2 d3 r

E =E + E + E + E +E (1.11) Tuy nhiên việc tính toán các đại lượng tán xạ này rất phức tạp Vì vậy người ta giả thiết là sự kết hợp của bức xạ khuếch tán và bức xạ phản xạ của mặt đất là đẳng hướng, nghĩa là tổng của bức xạ khuếch tán từ bầu trời và bức

xạ phản xạ của mặt đất là như nhau trong mọi trường hợp không phụ thuộc hướng của bề mặt Như vậy tổng xạ trên bề mặt nghiêng sẽ là tổng của trực xạ

Trong đó:EβΣlà tổng xạ trên bề mặt nằm ngang,

(1 + cosβ)/2 = Fcs là hệ số góc của bề mặt đối với bầu trời (1 - cosβ)/2 = Fcg là hệ số góc của bề mặt đối với mặt đất

Rg là hệ số phản xạ bức xạ của môi trường xung quanh

Hình 1.7 Các thành phần bức xạ lên bề mặt nghiêng

Và ta có tỷ số bức xạ Bb của bề mặt nghiêng góc β so với bề mặt ngang:

En là cường độ bức xạ mặt trời theo phương bất kỳ

Ebng là bức xạ mặt trời theo phương vuông góc với mặt phẳng ngang

Ebngh là bức xạ mặt trời theo phương vuông góc với mặt phẳng nghiêng

Trong tính toán kỹ thuật, có thể coi cường độ bức xạ tới mặt đất là hàm của thời gian τ, tính từ lúc mặt trời mọc, τ = 0 đến khi mặt trời lặn τ =τn/2, với

τn=24h = 24.3600s như sau:

E τ =E sinf τn (1.14) Với τ = ω.τ là góc nghiêng tia nắng so với mặt đất

-5 n

là tốc độ góc tự xoay của trái đất

En [W/m2] là cường độ bức xạ cực đại trong ngày, lấy trị trung bình cả năm theo theo số liệu số liệu đo lường thực tế tại vĩ độ cần xét

Hình 1.8 Bức xạ trực xạ trên bề mặt nằm ngang và nghiêng

1.2 PIN MẶT TRỜI CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ

Pin năng lượng mặt trời là thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các diod p-n, dưới sự hiện diện của ánh sáng mặt trời có khả năng tạo ra dòng điện sử dụng được Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện Vì thế, năng lượng mặt trời đặc biệt thích hợp cho các vùng mà lưới điện chưa vươn tới được

1.2.1 Cấu tạo pin mặt trời

Pin năng lượng mặt trời có cấu tạo gồm một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biến đổi năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên trong

Hình 1.9 Cấu tạo của pin mặt trời

Hình 1.10 Tế bào PM7T cơ bản

Hiện tại, vật liệu chủ yếu để chế tạo Pin mặt trời là các silic tinh thể Pin mặt trời chế tạo từ tinh thể silic chia làm 3 loại:

+ Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochraski Pin mặt trời đơn tinh thể có thể đạt hiệu suất từ 11% - 16% Loại này giá thành cao do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module

+ Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm nguội và làm rắn Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn, từ 8% - 11% Tuy nhiên, chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn loại đơn 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

đa tinh thể Loại này có hiệu suất thấp nhất, từ 3% - 6%, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon

Hình 1.11 Các loại cấu trúc pin mặt trời

1.2.2 Nguyên lý hoạt động

Bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E1 Khi chiếu sáng

hệ thống, lượng tử ánh sáng (photon) mang năng lượng hν (h là hằng số Plank

và ν là tần số ánh sáng) bị điện tử hấp thụ và chuyển lên mức E2

Phương trình cần bằng năng lượng:

hν = E1-E2

Hình 1.12 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

Hình 1.13 Hệ thống 2 mức năng lượng (E1<E2)

Trong các vật rắn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vành ngoài, nên các năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng con rất sát nhau và tạo thành vùng năng lượng Vùng năng lượng thấp bị các điện

tử chiếm đầy khi ở trạng thái cần bằng gọi là vùng hoá trị mà bên trên của nó

có năng lượng Ev Vùng năng lượng phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn, bên dưới của vùng có năng lượng là

EC, cách ly giữa vùng hóa trị và vùng dẫn đó gọi là vùng cấm có độ rộng năng lượng là Eg, trong đó không có mức năng lượng cho phép nào của điện tử Khi ánh sáng chiếu đến vật rắn có vùng năng lượng nói trên, photon có năng lượng hv tới hệ thống, bị điện tử của vùng hoá trị hấp thụ và nó có thể chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự do e-, lúc này vùng hoá trị sẽ có một lỗ trống có thể di chuyển như “hạt“ mang điện tích dương nguyên tố (kí hiệu h+) Lỗ trống này có thể di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện

Hình 1.14 Các vùng năng lượng

Phương trình hiệu ứng lượng tử : eV + hv → e- + h+

Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lượng của photon và chuyển từ vùng hoá trị lên vùng dẫn, tạo ra căp điện tử -lỗ trống là:

hv > Eg = Ec - Ev (1.15) Suy ra bước sóng tới hạnλ của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e' - h+ là:

= hc/( Ec - Ev) (1.16) Vậy khi chiếu sáng vào vật rắn, điện tử ở vùng hoá trị hấp thụ năng lượng photon hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử - lỗ trống e’- h+, tức là tạo ra một điện thế Hiện tượng đó gọi là hiện tượng quang điện bên trong

Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời chính là hiện tượng quang điện xảy

ra trên lớp tiếp xúc p-n

Hình 1.15 Hiện tượng quang điện trên lớp bán dẫn

Khi photon chạm vào mảnh silic thì sẽ truyền xuyên qua mảnh silic (thường xảy ra khi năng lượng của photon thấp hơn năng lượng đủ để đưa các

hạt electron lên mức năng lượng cao hơn) hoặc năng lượng của photon được hấp thu bởi silic (thường xảy ra khi năng lượng của photon lớn hơn năng lượng đủ để đưa các hạt electron lên mức năng lượng cao hơn)

Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các hạt electron trong màng tinh thể Thông thường các electron này lớp ngoài cùng,

và thường được kết dính với các nguyên tử lân cận vì thế không thể di chuyển

xa Khi electron được kích thích, trở thành dẫn điện, các electron này có thể tự

do di chuyển trong bán dẫn Khi đó nguyên tử sẽ thiếu 1 electron và đó gọi là lỗ trống Lỗ trống này tạo điều kiện cho các electron của nguyên tử bên cạnh

di chuyển đến điền vào lỗ trống, và điều này tạo ra lỗ trống cho nguyên tử lân cận có "lỗ trống" Cứ tiếp tục như vậy lồ trống di chuyên xuyên suốt mạch bán dẫn

Một photon chỉ cần có năng lượng lớn hơn năng luợng đủ để kích thích electron lớp ngoài cùng dẫn điện Tuy nhiên, tần số của mặt trời thường tương đương 6000°K, vì thế năng lượng đều được hấp thu bởi silic Tuy nhiên, hầu hết năng lượng mặt trời chuyển đổi thành nhiệt năng hơn là điện năng

Một tế bào mặt trời sản sinh lượng điện năng rất ít Vì thế để đáp ứng được nhu cầu sử dụng điện năng lớn người ta thường lien kết các tế bào mặt trời lại với nhau thành từng nhóm gọi là mudule mặt trời Một module mặt trời có một giàn khung để giừ các tế bào và thong thường thì chúng có thể tạo

ra tới vài trăm watt điện năng Nếu cần công suất lớn hơn nữa, thì có thể ghép các module lại thành ma trận mặt trời

1.2.3 Đặc tính làm việc của pin mặt trời

Đặc tính làm việc của pin mặt trời thể hiện qua hai thông số là điện áp hở mạch lớn nhất VOC lúc dòng ra bằng 0 và Dòng điện ngắn mạch ISC khi điện

áp ra bằng 0 Công suất của pin được tính theo công thức:

P = I.U (1.17)

Tại điểm làm việc U=Uoc =0

0U= =I

I , Công suất làm việc của pin cũng có giá trị bằng 0

Hình 1.16 Đường đặc tính làm việc U & I của pin mặt trời

Hình 1.17 Sơ đồ tương đương của pin mặt trời

Từ sơ đồ tương đương, ta có phương trình đặc trưng sáng von – ampe của pin như sau:

(1.18)

+ -I

Trong đó:

ISC là dòng quang điện (dòng ngắn mạch khi không có RS và RSH) (A/m2)

I01 là dòng bão hòa (A/m2)

q là điện tích của điện tử (C) = 1,6.10-19

VMPP có công suất lớn nhất thể hiện trên hình vẽ sau Điểm làm việc có công suất lớn nhất được thể hiện là điểm chấm đen to trên hình vẽ (đỉnh của đường cong đặc tính)

Hình 1.18 Sự phụ thuộc của đặc trưng VA của pin mặt trời

vào cường độ bức xạ Mặt trời

- Điện áp hở mạch VOC phụ thuộc trực tiếp vào nhiệt độ nên đường đặc tính VA của pin mặt trời cũng phụ thuộc vào nhiệt độ của pin

Hình 1.19 Sự phụ thuộc của đường đặc tính của pin mặt trời

vào nhiệt độ của pin

- Để toàn bộ hệ PV có thể hoạt động được một cách hiệu quả thì đường đặc tính của tải cũng phải phù hợp với điểm MPP

Hình 1.20 Đường đặc tính tải và đặc tính của pin mặt trời

Trên hình vẽ 1.20 đường OA và OB là những đường đặc tính tải Nếu tải được mắc trực tiếp với dãy pin mặt trời thì tải có đường đặc tính là OA Khi

đó, pin làm việc ở điểm A1 và phát công suất P1 Công suất lớn nhất do phơi nắng thu được là P2 Để có thể thu được công suất P2, cần có một bộ điều chỉnh công suất để liên kết giữa dãy pin mặt trời và tải

1.2.4 Ứng dụng

Pin mặt trời đã được ứng dụng ở nhiều nơi trên thế giới Chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng lưới điện không đến được Pin mặt trời được sử dụng nhiều trong sản xuất cũng như trong đời sống Một ứng dụng đơn giản của pin mặt trời trong cuộc sống hàng ngày như đồng hồ, máy tính … Ngoài ra pin mặt trời còn được ứng dụng trong các thiết bị vận chuyển như ô tô, máy tính cầm tay, điện thoại di động, thiết bị bơm nước Ngày nay, những ngôi nhà có gắn những tấm năng lượng mặt trời trên nóc đã trở thành phổ biến và có xu hướng tăng dần trong tương lai

1.2.5 Cách ghép nối các tấm năng lượng mặt trời

Như ta đã biết các tấm pin mặt trời đều có công suất và hiệu điện thế xác định từ nhà sản xuất Để tạo ra công suất và điện thế theo yêu cầu thì phải ghép nối nhiều tấm pin đó lại với nhau Có hai cách ghép cơ bản:

- Ghép nối tiếp các tấm pin lại sẽ cho điện áp ra lớn hơn

- Ghép song song các tấm pin lại sẽ cho dòng điện ra lớn

Trong thực tế phương pháp ghép hỗn hợp được sử dụng nhiều hơn để đáp ứng cả yêu cầu về điện áp và dòng điện

a Phương pháp ghép nối tiếp các tấm năng lượng mặt trời

Hình 1.21 Ghép nối tiếp hai tấm pin mặt trời (a)

và đường đặc trưng VA của các tấm pin và của cả hệ (b)

Giả sử các tấm pin đều giống hệt nhau, có đường đặc tính V-A giống hết nhau, các thông số dòng đoản mạch ISC, thế hở mạch VOC bằng nhau Giả sử cường độ chiếu sáng trên các tấm là đồng đều nhau Khi ghép nối tiếp các tấm tấm pin này ta sẽ có:

n 1 i iV

n 1 i i n

1 i

IVI

.V

n 1 i opti opt

n 1 i opti opt

iopt

Trong đó:

I, P, V : là dòng điện, công suất và hiệu điện thế của cả hệ

Ii, Vi, Pi : là dòng điện, công suất, hiệu điện thế của tấm pin thứ i trong hệ

Iopi, Vopi, Popi : là dòng điện làm việc tối ưu, điện thế làm việc tối ưu, công suất làm việc tối ưu của các môđun thứ i trong hệ

Iop, Vop, Pop : là dòng điện làm việc tối ưu, điện thế làm việc tối ưu, công suất làm việc tối ưu của hệ

Khi tải có giá trị 0 < R < , Các tấm pin làm việc như các máy phát tương đương Đường đặc tính vôn - ampe của hệ bằng tổng hình học của hai đường đặc trưng của mỗi tấm pin

b Ghép song song các môđun mặt trời

Ở cách ghép này, ta cũng giả sử các môđun đều giống hệt nhau, có đường đặc tính V-A giống hết nhau, các thông số dòng đoản mạch Isc, thế hở mạch Voc bằng nhau Giả sử cường độ chiếu sáng trên các tấm là đồng đều nhau

(a) (b)

Hình1.22 Ghép song song hai tấm pin mặt trời (a)

và đường đặc trưng VA của các tấm pin và của cả hệ (b)

Khi đó ta có:

n 1 i iI

n 1 i i n

1 i

VII

.V

n 1 i opti opt

n 1 i opti opt

c Hiện tượng điểm nóng

Xảy ra khi ta ghép nối các tấm pin không giống nhau, tức là khi các thông số ISC, VOC, POPT của các tấm pin khác nhau Đây là hiện tượng tấm pin yếu hơn (tức là pin kém chất lượng hơn so với các pin khác trong dàn hoặc khi nó bị che nắng trong khi các pin khác trong dàn vẫn được chiếu sáng) sẽ

hấp thụ hoàn toàn công suất điện do các tấm pin khoẻ hơn phát ra và làm cho công suất điện mạch ngoài bằng 0 Phần năng lượng điện tấm pin yếu nhận được từ tấm pin khoẻ hơn sẽ biến thành nhiệt, làm nóng tấm pin này lên và có thể dẫn tới hư hỏng Hiện tượng điểm nóng này chỉ xảy ra trên các pin yếu hơn các pin khác trong hệ, dẫn tới sự hư hỏng hệ hay làm giảm đáng kể hiệu suất biến đổi quang điện của hệ

Để tránh hiệu ứng điểm nóng này, khi thiết kế phải ghép các tấm pin mặt trời cùng loại, có cùng các thông số đặc trưng trong một dàn pin mặt trời Vị trí đặt dàn phải tránh các bóng che do cây cối, nhà cửa hay các vật cản khác trong những ngày có nắng cũng như bảo vệ tránh bụi bẩn phủ bám lên một vùng nào đấy của tấm pin và có thể sử dụng các điốt bảo vệ

Hình 1.23 Điốt nối song song với tấm pin để bảo vệ

tấm pin & dàn pin mặt trời

Nhìn trên hình vẽ 1.23 ta thấy giả sử pin Ci là pin yếu nhất được bảo vệ bằng điốt phân cực thuận chiều với dòng điện trong mạch mắc song song Trong trường hợp hệ làm việc bình thường, các pin mặt trời hoạt động ở điều kiện như nhau thì dòng trong mạch không qua điốt nên không có tổn hao năng lượng Khi có sự cố xảy ra, vì một nguyên nhân nào đó mà pin Ci bị che và bị tăng nhiệt độ, điện trở của Ci tăng lên, lúc này một phần hay toàn bộ dòng điện sẽ rẽ qua Diốt để tránh gây hư hỏng cho Ci Thậm chí khi Ci bị hỏng hoàn toàn thì hệ vẫn có thể tiếp tục làm việc