Nghiên cứu mô phỏng hệ thống pin quang điện nối lưới vấn đề bù công suất phản kháng

Những cải tiến liên tục trong ngành vật liệu bán dẫn đã dẫn đến việc phát triển mạnh hệ thống pin quang điện dùng trong thương mại với giá cả cạnh tranh có thể so sánh được với những ngu

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2008

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS TS NGUYỄN HỮU PHÚC

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày …… tháng 12 năm 2008

- -

Tp HCM, ngày 30 tháng 11 năm 2008 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên:TRẦN HOÀNG HUY Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 25/02/1982 Nơi sinh: Tỉnh Tiền Giang Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện MSHV: 01806486

Khóa (năm trúng tuyển): 2006 - 2008

I – TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU & MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PIN QUANG ĐIỆN NỐI LƯỚI: VẤN ĐỀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG

II – NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tìm hiểu lý thuyết pin quang điện - Các phương pháp điều khiển pin quang điện - Mô hình hóa hệ thống pin quang điện - Mô hình hóa hệ thống pin quang điện nối lưới có bù công suất phản kháng III – NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (Ngày bắt đầu thực hiện LV ghi trong QĐ giao đề tài): Tháng …… năm 2008

IV – NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: Ngày 30 tháng 11 năm 2008

V – CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên):

Phó Giáo Sư, Tiến Sĩ NGUYỄN HỮU PHÚC

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

(Học hàm, học vị, họ tên và chữ ký) QL CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký)

LỜI CÁM ƠN

Đề tài này được thực hiện theo chương trình đào tạo thạc sĩ tại Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia Tp.HCM, phòng Quản lý và Đào tạo SĐH, chuyên ngành Thiết bị, mạng và nhà máy điện Xin cám ơn quí thầy cô đã tạo điều kiện thuận lợi để em thực hiện luận văn này

Xin chân thành cám ơn thầy trực tiếp hướng dẫn, PGS TS Nguyễn Hữu Phúc đã tận tình giúp đỡ, đóng góp những ý kiến quí báu và hướng dẫn em hoàn thiện đề tài này Em cũng xin gởi lời cám ơn đến thầy Chủ nhiệm phụ trách lớp CH Thiết bị, mạng và nhà máy điện K2006, TS Vũ Phan Tú đã khích lệ, đôn đốc và giám sát tiến độ trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Rất cảm kích trước sự cộng tác nhiệt tình của các anh chị và các bạn học viên lớp

CH Thiết bị, mạng và nhà máy điện K2006, cám ơn vì sự đóng góp ý kiến hữu ích cùng những thảo luận thú vị

Lời tri ân đến gia đình và những người thân vì đã luôn ủng hộ và động viên trong suốt quá trình học, đặc biệt trong thời gian thực hiện đề tài này

Kính chúc sức khỏe quí thầy cô và các bạn

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Ngày nay người ta rất quan tâm đến những nguồn năng lượng mới như: năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng thủy triều,…Các hệ thống năng lượng này có ưu điểm là không gây ra ô nhiễm và chúng được gọi là những nguồn năng lượng “sạch” hay năng lượng “xanh” Ngoài ra, việc tăng nhu cầu sử dụng điện đã tạo áp lực đối với ngành điện buộc họ phải tìm ra những nguồn năng lượng mới Trước đây, hệ thống pin quang điện chỉ được dùng cho các hệ thống đặc biệt như

là các vệ tinh thông tin Những cải tiến liên tục trong ngành vật liệu bán dẫn đã dẫn đến việc phát triển mạnh hệ thống pin quang điện dùng trong thương mại với giá cả cạnh tranh có thể so sánh được với những nguồn năng lượng truyền thống Kết quả là pin quang điện ngày càng chiếm ưu thế trong các nguồn năng lượng mới

Việc sử dụng pin quang điện ở những lĩnh vực công nghiệp và dân cư giúp khách hàng ít phải sử dụng điện từ lưới điện quốc gia Do đó tiết kiệm được nguồn thủy năng đáng kể cho chính phủ và một số tiền khá lớn cho bản thân khách hàng Luận văn này giới thiệu mô hình, phân tích bộ nghịch lưu để nối nguồn DC cua pin quang điện với lưới AC Thuật toán điều khiển của bộ nghich lưu áp dụng lý thuyết công suất p-q tức thời, và nguồn DC do pin quang điện cung cấp Mục tiêu của bài này là dùng thuật toán điều khiển để truyền năng lượng từ pin quang điện vào lưới điện và nâng cao hệ số công suất của hệ thống điện

Chương 1 Phát biểu vấn đề 1

1.1 Tổng quan 1

1.2 Nhu cầu năng lượng thế giới năm 2015 1

1.3 Nhu cầu năng lượng thế giới năm 2030 3

1.4 Các thế hệ năng lượng 5

1.4.1 Thế hệ thứ nhất 5

1.4.1.1 Thủy điện 5

1.4.1.2 Đốt cháy sinh khối 5

1.4.1.3 Năng lượng địa nhiệt và nhiệt 6

1.4.2 Thế hệ thứ hai 6

1.4.2.1 Sưởi ấm và làm lạnh bằng năng lượng mặt trời 6

1.4.2.2 Năng lượng gió 6

1.4.2.3 Pin quang điện 7

1.4.2.4 Các dạng năng lượng sinh học mới 7

1.4.3 Thế hệ thứ ba 8

1.4.3.1 Năng lượng mặt trời dạng tập trung 8

1.4.3.2 Năng lượng đại dương 8

1.4.3.3 Hệ thống địa nhiệt 8

1.4.3.4 Hệ thống năng lượng sinh học kết hợp 9

1.5 Đặc điểm năng lượng mặt trời 9

1.5.1 Ưu điểm 9

1.5.2 Khuyết điểm 10

Chương 2 Cơ sở lý thuyết 11 2.1 Tổng quan 11

2.2 Lịch sử phát triển pin quang điện 13

2.3 Phân loại pin quang điện 13

2.3.1 Tế bào quang điện 14

2.3.1.1 Cấu tạo tế bào quang điện 14

2.3.2 Tấm pin quang điện 24

2.3.3 Dãy pin quang điện 26

2.4 Công nghệ sản xuất pin quang điện 28

2.4.1 Dạng đơn tinh thể Si 28

2.4.2 Dạng đa tinh thể và bán tinh thể 29

2.4.3 Dạng lớp phim mỏng 29

2.4.4 Dạng Si không định hình 29

2.4.5 Dạng hình cầu 30

2.4.6 Các tế bào dạng tâp trung 31

2.5 Bản đồ năng lượng mặt trời 32

2.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến pin quang điện 34

2.6.1 Cường độ chiếu sáng 34

2.6.2 Góc chiếu sáng 35

2.6.3 Hiệu ứng bóng mờ 36

2.6.4 Hiệu ứng nhiệt độ 38

2.6.5 Hiệu ứng thời tiết 40

2.6.6 Hòa hợp tải 40

2.6.7 Việc thay đổi chiều quay theo hướng mặt trời 41

2.7 Các dạng pin năng lượng nối lưới và hoạt động độc lập 42

2.7.1 Dạng nối lưới 42

2.7.1.1 Hệ thống pin quang điện không có bộ accu 43

2.7.1.2 Hệ thống pin quang điện có bộ accu 43

2.7.2 Dạng độc lập 44

2.7.2.1 Pin quang điện cấp nguồn cho hệ thống bơm nước 45

2.7.2.2 Pin quang điện cấp nguồn cho hệ thống chiếu sáng 45

2.7.2.3 Pin quang điện ở những khu xa dân cư 46

2.8 Các thành phần cơ bản của pin quang điện 46

2.8.1 Bộ điều khiển công suất (PCU) 46

2.8.2.1 Bộ tìm điểm công suất cực đại 47

2.8.2.2 Bộ biến đổi DC sang AC 50

2.8.2 Bộ điều khiển pin quang điện 52

2.8.3 Cân bằng các thành phần của hệ thống 53

3.1 Thiết kế bộ lọc và điều khiển bộ inverter để có chất lượng điện cao khi nối

lưới 56

3.2 Đánh giá thực nghiệm về hoạt động của hệ thống pin quang điện khi nối lưới………56

3.3 Các bộ inverter dùng cho hệ thống pin quang điện nối lưới 44

3.4 So sánh chất lượng điện năng giữa bộ inverter trung tâm và các bộ inverter thành phần trong hệ thống pin quang điện nối lưới 57

3.5 Đánh giá hoạt động của hệ thống pin quang điện nối lưới thông qua bộ inverter……… 57

3.6 Hoạt động của bộ inverter được mô phỏng và đo đạt ở những điện áp hoạt động ngõ vào khác nhau, ảnh hưởng tới điện trường tối ưu 57

3.7 Bộ inverter nhiều bậc dựa trên PIC dùng cho ứng dụng hệ thống pin quang điện…… 58

Chương 4 Thuật toán điều khiển và mô hình mô phỏng 59

4.1 Phương pháp điều khiển các bộ biến đổi trong hệ thống pin quang điện 59

4.1.1 Điều khiển công suất cực đại (MPPT) của pin quang điện 59

4.1.1.1 Điện áp hằng số (CV) 59

4.1.1.2 Dao động và giám sát (P&O) 59

4.1.1.3 Điện dẫn lũy tiến (INC) 60

4.1.1.4 Điện dẫn kí sinh (PC) 61

4.1.1.5 Hiệu suất của các kỹ thuật MPPT 62

4.1.2 Điều khiển bộ biến đổi DC-DC 62

4.1.3 Điều khiển bộ biến đổi DC-AC 63

4.1.3.1 Phép biến đổi 64

4.1.3.2 Điều chế độ rộng xung 67

4.1.3.2.1 Điều chế độ rộng xung dựa trên sóng mang 68

4.1.3.2.2 Điều chế vectơ không gian (SVW) 69

4.1.3.2.3 Điều chế động rộng xung ngẫu nhiên 70

4.2 Mô hình mô phỏng 71

4.2.1 Mô hình pin quang điện 71

4.2.1.3 Mô hình bộ tìm điểm công suất cực đại (MPPT) 76

4.2.1.4 Mô hình bộ biến đổi DC-DC 78

4.2.1.5 Mô hình bộ biến đổi DC-AC 80

4.2.2 Mô hình pin quang điện nối lưới thông qua bộ inverter 81

4.2.2.1 Mô hình nguồn lưới và tải 83

4.2.2.2 Mô hình các khối chuyển trục 85

4.2.2.3 Mô hình khối tính toán q*………85

4.2.2.4 Mô hình khối tính toán I*abc……… 86

4.2.2.5 Mô hình khối tạo trễ……….86

4.2.2.6 Mô hình khối tạo xung 86

4.2.2.7 Thông số tụ, cuộn cảm, nguồn dòng 87

4.3 Kết quả mô phỏng……… 88

4.3.1 Khi pin quang điện chưa nối lưới 88

4.3.2 Khi pin quang điện nối lưới 89

Hai dạng năng lượng phổ biến nhất chúng ta thường dùng là nhiệt và điện Nhiệt là năng lượng của các phần tử chuyển động trong các chất Các phần tử càng chuyển động nhanh, chất càng nóng lên Điện là dạng năng lượng của các electron chuyển động dọc theo dây dẫn như dây đồng

1.2 Nhu cầu năng lượng thế giới năm 2015

Theo Bộ năng lượng Mỹ, nguồn điện là nguồn năng lượng tăng nhanh nhất trong hai thập kỉ tới trên toàn thế giới Nhu cầu điện được dự đoán sẽ tăng lên 19 nghìn tỷ kWh trước năm 2015 (hình 1.1) với tỷ lệ tăng hàng năm là 2.6%

Hình 1.1: Nhu cầu sử dụng điện trên thế giới từ 1970 đến 2015

Nhu cầu điện trong lĩnh vực công nghiệp và các nước phát triển dự kiến tăng đến năm 2015 được minh họa trong hình 1.2

Hình 1.2: Tiêu thụ điện năng ở các nước công nghiệp hóa và đang phát triển từ

1990 đến 2015

Ở đây ta có thể thấy tỷ lệ tăng nhanh ở các nước phát triển Tổ chức các nước phát triển và hợp tác kinh tế (OECD) chiếm 20% dân số thế giới nhưng tiêu thụ lượng điện bằng 60% lượng điện thế giới Mặc dù Mỹ là nước tiệu thụ điện nhiều nhất thế giới, nhưng nó có tỷ lệ tăng thấp nhất là 1.3% trong khi tỷ lệ tăng trung bình của thế giới là 2.6% Mêhicô được dự đoán là nước có tỷ lệ tăng cao nhất hàng năm là 4.7% từ nay tới năm 2015 Các nước phát triển ở Châu Á được dự đoán là sẽ có tỷ lệ tăng cao nhất là 5% (hình 1.3)

Hình 1.3: Tiêu thụ điện ở các nước phát triển Châu Á từ 1990 đến 2015

Khi nhu cầu điện tăng, nguồn than sẽ giữ vai trò tích trữ năng lượng cơ bản cho việc phát điện, đặc biệt là ở Trung Quốc và Aán Độ Do đó, việc chia sẻ phát điện bằng năng lượng hạt nhân đang tiến đến đỉnh cao nhưng người ta tin rằng nó sẽ tàn lụi trong tương lai Người ta mong rằng than đá, khí tự nhiên và năng lượng tái tạo sẽ phát triển thay thế kế hoạch năng lượng hạt nhân cũ kĩ Tuy nhiên, năng lượng tái tạo sẽ chiếm phần lớn trong sự phát triển chung đó Nói đến năng lượng tái tạo là nói đến nguồn năng lượng sạch Hiện nay trên thế giới đang kêu gọi giảm tác động của các nguồn năng lượng đến môi trường, cụ thể là hiệp định thư Kyoto

Hình 1.4: Cắt giảm khí thải theo hiệp định Kyoto

1.3 Nhu cầu năng lượng thế giới năm 2030

Năng lương tái tạo giữ vai trị rất quan trọng trong các loại năng lượng điện trên tồn thế giới trong năm 2030, cung cấp cho hơn 25% tổng lượng điện Trong năm

2004 con số này là 18% Trong những khoảng thời gian nhất định, việc phát điện

từ nguồn năng lượng tái tạo tăng từ 3179TWh đến 7775TWh và năng lượng tái tạo trở thành nguồn phát điện lớn thứ hai sau nguồn than

Việc tăng trưởng cĩ kế hoạch là kết quả của các chính sách mới đang được xem xét, giả sử rằng những chính sách này sẽ được thực hiện, cũng như kết quả của việc mở rộng và cũng cố chính sách hiện thời Hầu hết các nước OECD (Oganisation for Economic Co-operation and Development) và các nước ngồi

OECD đang xem xét chính sách để tăng việc đóng góp các nguồn năng lượng tái tạo Với các nước Liên minh Châu Âu, không có mục tiêu sử dụng năng lượng tái tạo trước năm 2010, mặc dù một số nước khác đã có chính sách quốc gia về việc này Tuy nhiên , trước khoảng thời gian này các nước này vẫn dự định đóng góp

kế hoạch cho năng lượng tái tạo Ở Mỹ, khoảng một nửa các tiểu bang đều có kế hoạch tăng việc sử dụng năng lượng tái tạo thông qua tiêu chuẩn đầu tư năng lượng tái tạo Luật năng lượng tái tạo của Trung Quốc, có hiệu lực từ 2006, có thể tạo ra ảnh hưởng sâu rộng trên việc phát điện từ những nguồn năng lượng tái tạo Thị phần của năng lượng tái tạo tăng 10% trên mức hiện tại ở các nước OECD, 4% ở các nước đang phát triển, và 4% ở các nước chuyển tiếp Trong OECD, việc tăng trưởng ấn tượng nhất là 38% lượng điện dựa trên năng lượng tái tạo vào năm

2030 ở các nước Châu Âu

Thị phần của thủy điện trong việc phát điện của thế giới là 16% vào năm 2030, cũng tương tự như ngày nay Hầu hết những nhà máy thủy điện mới được xây dựng ở các nước đang phát triển, ở đó nguồn năng lượng dự phòng chưa được khai thác vẫn còn rất lớn Ở các nước đang phát triển, người ta bắt đầu quan tâm đến nguồn năng lượng tái tạo Công suất thủy điện trên thế giới tiến tới 1431 GW trong năm 2030, so với 851GW hiện nay Công suất thủy điện ở Trung Quốc tăng

từ 105GW trong năm 2004 đến 298GW trong 2030 Ở Ấn Độ, nó tăng từ 31GW đến 105GW

Điện phát ra từ năng lượng sinh khối, gió, mặt trời, địa nhiệt và thủy triều, sóng đạt công suất 2872TWh năm 2030, hầu như tăng 8 lần so với bây giờ và thị phần hiện nay tăng 2% cho tới 10% vào năm 2030 Việc tăng nhiều nhất là ở các nước Châu Âu OECD, trong đó dự kiến sẽ cung cấp 22% nhu cầu điện được phát ra từ nguồn năng lượng tái tạo (hình 1.5) Hầu hết các sự tăng trưởng là trong các ngành năng lượng gió và sinh khối, đây là những nguồn năng lượng có tính cạnh tranh nhất so với các nguồn năng lượng khác Việc tăng đáng kể này phản ánh chính sách mới nhắm đến ủng hộ việc phát triển nguồn năng lượng tái tạo cũng như việc giảm chi phí từ những cải tiến kỹ thuật

Hình 1.5: Thị phần của nguồn năng lượng tái tạo trong việc phát điện ở các khu

1.4.1.2 Việc đốt cháy sinh khối

Việc đốt cháy sinh khối để thu nhiệt và điện năng là kỹ thuật đã có từ lâu Nó tận dụng nhiên liệu một cách kinh tế và giúp giảm rác thải của các ngành công nông nghiệp và rác thải trong thành phố Tuy nhiên, ngành công nghiệp cũng còn những trì trệ tương đối trong những năm vừa qua, mặc dù nhu cầu sinh khối (hầu hết là gỗ) tiếp tục gia tăng ở các nước phát triển Một trong những vấn đề của sinh khối

là nguyên liệu được đốt cháy trực tiếp trong lò sản sinh ra các chất ô nhiễm gây hại cho sức khỏe và môi trường, mặc dù trong các lò này có khâu xử lý làm giảm bớt ảnh hưởng Vấn đề thứ hai là việc đốt cháy sinh khối sẽ sản sinh ra khí CO2, mặc dù việc đốt cháy sinh khối thường được xem là “không có cacbon” nhưng vì các cây cối hấp thụ CO2, nên việc đốt cháy này tạo ra chu trình cacbon Kỹ thuật sinh khối thế hệ đầu tiên có tính cạnh tranh về mặt kinh tế, nhưng có thể vẫn cần

sự hỗ trợ triển khai để được mọi người chấp nhận

1.4.1.3 Năng lượng địa nhiệt và nhiệt

Nhà máy năng lượng địa nhiệt có thể vận hành 24 giờ một ngày, cung cấp cho công suất tải nền Thực ra, công suất dự phòng trên thế giới cho năng lượng địa nhiệt là trong khoảng từ 85GW trong 30 năm tới Chi phí năng lượng địa nhiệt giảm đáng kể do hệ thống được xây dựng từ năm 1970 Chi phí phát điện tại nhà máy hiện thời ở Mỹ rất thấp khoảng 0.015USD/kWh đến 0.025USD/kWh Những nhà máy mới có thể phát công suất với chi phí 0.05USD/kWh đến 0.08USD/kWh, tùy thuộc chất lượng nguồn nguyên liệu

Tuy nhiên, năng lượng địa nhiệt là giới hạn đối với một số vùng miền trên thế giới Những vùng có nguồn năng lượng lớn là nước Mỹ, miền trung Châu Mỹ, Inđônêsia, Đông Phi , và Philipin Thách thức để mở rộng nguồn năng lượng địa nhiệt bao gồm thời gian phát triển dự án lâu dài, hiểm họa và chi phí khoan thăm

dò Việc phát nhiệt địa nhiệt có thể cạnh tranh với các nước phát điện địa nhiệt

1.4.2 Kỹ thuật của thế hệ thứ hai

1.4.2.1 Sưởi ấm và làm lạnh bằng năng lượng mặt trời

Những bộ thu nhiệt mặt trời được sử dụng rộng rãi ở một số nước, chủ yếu là để tạo ra nước nóng Các công nghệ khác nhau ngày càng được sử dụng rộng rãi hơn như: bộ thu có lớp kính bảo vệ, không có lớp kính bảo vệ, hay bộ tản Các bộ này lần lượt chiếm thị phần là 50%, 30%, và 20% Theo nguyên tắc, những hệ thống lớn có thể dùng cho khu dân cư có không gian kết hợp bơm hấp thụ nhiệt dùng cho việc làm lạnh Tuy nhiên, cần phải giảm giá đáng kể để cạnh tranh với các thế

hệ sau

1.4.2.2 Năng lượng gió

Công nghệ gió đang ngày càng trở nên đáng tin cậy, có thể hoạt động với 98% nguồn có sẵn và có các thiết kế có tuổi thọ lên đến hơn 20 năm Ngoài ra, giá của tua bin gió ngày càng giảm và độ tin cậy kỹ thuật càng tăng Yếu tố ảnh hưởng đến thị trường là sự đa dạng, độ tin cậy khi nối lưới, sự chấp nhận của người sử

dụng Tuy nhiên, do sự cải thiện việc nối lưới và sự quản lý các nguồn năng lượng tái tạo, các hạn chế kỹ thuật đã được giảm bớt

Ở những khu dùng năng lượng gió, RD&D liên tục thì cần thiết để cung cấp sự giảm thiểu cần thiết về giá cả, độ không tin cậy để nhận ra mức triển khai mong đợi Sự ưu tiên RD&D khác bao gồm việc tăng giá trị việc dự đoán hoạt động lưới điện, giảm độ tin cậy liên quan tới tính nhất quán kỹ thuật, sự phát triển và hiệu lực của tiêu chuẩn, giảm chi phí lưu trữ, tăng qui mô, và giảm tác động môi trường Việc tăng cường sử dụng năng lượng gió làm giảm hiệu ứng nhà kính Với những

hỗ trợ nhiều hơn thì năng lượng gió có thể trở thành nguồn năng lượng cạnh tranh được với kỹ thuật truyền thống từ những năm 2015-2020, và sau đó là năng lượng gió ngoài khơi

1.4.2.3 Pin quang diện

Thị trường pin quang điện bắt đầu phát triển từ những năm 1992 Những nỗ lực RD&D cùng với chính sách triển khai trên thị trường đã giảm đáng kể giá thành Mỗi hai bộ được chế tạo sẽ giảm 20% chi phí Nhưng việc triển khai này chỉ tập trung ở các thị trường Nhật, Đức, và Mỹ, chiếm 85% tổng số hệ thống pin quang điện được lắp đặt Pin quang điện vẫn còn rất cần sự đầu tư RD&D cũng như hỗ trợ triển khai để đạt được thị trường Trong tương lai gần, nỗ lực RD&D sẽ tập trung vào nâng cao các thành phần cân bằng hệ thống cho hệ thống hoạt động độc lập và nối lưới Mặc dù có sự hỗ trợ nhưng người ta không nghĩ rằng có thể cạnh tranh với các nguồn năng lượng khác cho tới sau những năm 2020

1.4.2.4 Các dạng năng lượng sinh học mới

Có nhiều dạng năng lượng sinh học hiện đại hơn như: việc sinh nhiệt và điện dựa trên sinh khối, nhiên liệu sinh học dùng cho việc vận chuyển, các vụ mùa ngắn hạn

để tận dụng nguồn nguyên liệu Các dạng năng lượng này là dạng cao cấp hơn dạng sinh khối và có những lợi ích riêng Sinh khối đạt hiệu quả khi dùng nhiên liệu độc lập hoặc trộn lẫn với các dạng nhiên liệu khác nhau như: gỗ dễ cháy trộn với than đá, ethanol hỗn hợp hoặc dầu diesel sinh học trộn với nhiên liệu gốc dầu hỏa truyền thống Sự đốt cháy thiếu khí tạo ra nguồn dự phòng lớn ở các nước Điện phát ra từ năng lượng sinh khối được dựa trên kỹ thuật của tabin hơi nước Nhiều nơi trên thế giới có nguồn năng lượng sinh khối chưa được khai thác mà với nguồn năng lượng này có thể chuyển thành điện có giá thành cạnh tranh dùng kỹ thuật tuabin hơi nước

Chất dễ cháy là dạng năng luợng sinh khối giá thành thấp và ít rủi ro Hệ thống năng lượng này có thể hoàn vốn trong vòng 2 năm Ngoài ra, sinh khối có thể thay

thế 15% tổng số năng lượng đầu vào trong nhà máy điện Chất dễ cháy là mối quan tâm đặc biệt ở các nước đang phát triển bởi vì nó giúp nâng cao chất lượng môi sinh và kinh tế của các nhà máy đốt than lâu đời

Nhiên liệu sinh học từ việc sản xuất sinh khối nông nghiệp là công nghệ chuyển đổi khác được phát triển khá tốt Sinh khối tăng lên khi các vụ mùa bội thu Hạn chế cơ bản đối với việc sử dụng ngày càng tăng nguồn sinh khối là chi phí cho việc sản xuất, thu hoạch, và vận chuyển nguyên liệu cũng như công nghệ chuyển đổi nhiên liệu Với sự ủng hộ triển khai và RD&D trong những năm 2020-2030, các công nghệ này có thể đạt được tính thương mại hóa

1.4.3 Kỹ thuật của thế hệ thứ ba

1.4.3.1 Năng lượng mặt trời dạng tập trung

Có 3 dạng công nghệ năng lượng mặt trời dạng tập trung để sản xuất ra điện dựa trên quá trình nhiệt động học: máng parabôn, dĩa parabôn, và bộ thu năng lượng dạng trung tâm Giá điện do các công nghệ này sản xuất ra dao động từ 0.1USD/kWh đến 0.15USD/kWh Các nỗ lực của RD&D tập trung chủ yếu vào công nghệ máng parabôn Để đạt được kết quả như mong muốn thì nguồn năng lượng nhận được phải lớn hơn nguồn năng lượng hiện có được đề cập trong thực

tế Điều kiện tối ưu cho năng lượng mặt trời dạng tập trung là khí hậu khô hạn hoặc bán khô hạn Điều kiện khí hậu như vậy chỉ có ở miền Nam Châu Âu, miền Bắc và miền Nam Châu Phi, Trung Động, miền Tây Ấn Độ, Đông Bắc Brazil, Nam Mêhicô, và miền Tây Nam Mỹ

1.4.3.2 Năng lượng đại dương

Qua 20 năm, công nghệ về năng lượng đại dương nhận được quỹ RD&D tương đối ít Tuy nhiên, hiện nay có một nghiên cứu mới về lĩnh vực này và nhiều quan điểm về mô hình năng lượng này với qui mô lớn dọc bờ biển Anh Công nghệ năng lượng đại dương vẫn còn phải giải quyết hai vấn đề chính hiện nay: chứng minh khả năng chuyển đổi năng lượng và vượt qua rủi ro về kỹ thuật rất lớn từ môi trường khắc nghiệt Các hạn chế khác không thuộc về kỹ thuật như: đánh giá nguồn năng lượng, dự báo việc sản xuất năng lượng, dụng cụ thiết kế, các tiêu chuẩn đo lường và thử nghiệm, tác động của môi trường, qui mô trạm điện, và nhà máy hai mục đích, có nghĩa là kết hợp năng lượng với mô hình khác

1.4.3.3 Hệ thống địa nhiệt

Hệ thống địa nhiệt được biết đến như là đá nóng khô dùng công nghệ mới để khai thác nguồn năng lượng mà trước đây được sử dụng không hiệu quả Các hệ thống

này vẫn cịn trong giai đoạn nghiên cứu và cần thêm RD&D cho các nghiên cứu mới và phát triển các nghiên cứu truyền thống, cũng như mở rộng các hệ thống nhỏ đáp ứng nhu cầu kinh tế khi sản xuất Nhiều vấn đề kỹ thuật cần nghiên cứu được hỗ trợ tiền từ chính phủ và sự hợp tác tích cực với ngành cơng nghiệp để khai thác nguồn năng lượng địa nhiệt kinh tế hơn cho chủ đầu tư Tất cả các vấn

đề này liên quan chủ yếu đến việc khai thác nguồn năng lượng, cơng nghệ khoan

và việc phát điện, đặc biệt cho việc khai thác chu kì nhiệt độ thấp

1.4.3.4 Hệ thống năng lượng sinh học kết hợp

Tuabin khí kết hợp sinh khối (BIG/GT) vẫn chưa được sử dụng một cách kinh tế, nhưng nỗ lực thương mại hĩa và quảng bá thì vẫn được tiếp diễn trên thế giới, và mối quan tâm của thế giới cĩ thể tiến tới việc triển khai thị trường này trong vịng một vài năm nữa Tính kinh tế tổng thể của việc phát điện dựa trên năng lượng sinh khối nên phát huy đáng kể với hệ thống BIG/GT, tương phản với hệ thống tuabin hơi nước

Các khái niệm về tinh chế sinh học cho nguyên liệu sinh khối cĩ nguồn dự phịng

để đáp ứng tỷ lệ lớn nhu cầu năng lượng tương lai, đặc biệt là một khi các vụ thu hoạch phù hợp với yêu cầu tinh chế sinh học được phát triển Các nỗ lực RD&D hiện tại tập trung vào việc giảm chi phí đồn điền, giảm tác động mơi trường của việc tinh chế sinh học và tạo ra nền cơng nghiệp năng lượng sinh học kết hợp cĩ thể liên kết nguồn năng lượng sinh học với việc sản xuất nhiều dạng năng lượng khác và các nguyên vật liệu thành phẩm khác

1.5 Đặc điểm của năng lượng mặt trời

Ngày nay người ta đã biết tận dụng nguồn năng lượng dồi dào từ mặt trời , gió, sóng biển, các hóa thạch, … Trong xu thế chung đó thì nguồn năng lượng từ mặt trời và từ gió phát triển mạnh nhất trong những năm gần đây Tuy nhiên cơ bản của mọi nguồn năng lượng đều bắt nguồn từ năng lượng mặt trời Năng lượng mặt trời được chuyển từ quang năng sang điện năng với hiệu suất rất thấp, theo lý thuyết là không thể vượt quá 50%

1.5.1 Ưu điểm

 Ít tốn thời gian thiết kế, lắp đặt, và vận hành

 Có sẵn các mođun nên chi phí mở rộng không phải là vấn đề quan trọng

 Nguồn điện ngõ ra đáp ứng nhu cầu tải đỉnh

 Kết cấu tĩnh, không gây tiếng ồn

 Có khả năng cung cấp năng lượng cao tính trên một đơn vị khối lượng

 Tuổi thọ kéo dài và ít phải bảo hành bảo trì vì không có các bộ phận chuyển động

 Có tính di động cao vì kích thước gọn nhẹ

CHƯƠNG II

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan

Việc chuyển đổi quang điện là việc chuyển đổi trực tiếp quang năng thành điện năng trong đó không có sự hiện diện của động cơ nhiệt Thiết bị quang điện là thiết bị chắc chắn, và đơn giản trong thiết kế nên ít phải bảo trì Có lẽ do có nhiều lợi ích như vậy nên người ta có thể xây dựng một hệ thống pin quang điện độc lập

để nâng công suất từ vài W lên đến hàng MW Đó là lý do chúng được sử dụng như nguồn công suất cho máy tính, đồng hồ, máy bơm nước, những tòa cao ốc ở khu xa dân cư, thiết bị thông tin liên lạc, vệ tinh, phương tiện di chuyển trong không gian, và thậm chí là cho nhà máy điện hàng MW Các tấm pin mặt trời có thể là các thành phần của một cao ốc như tấm lợp mái nhà hay tấm ốp tường Với ứng dụng như vậy, nhu cầu quang điện đang tăng dần mỗi năm Năm 2003, 750MW công suất do các tấm pin mặt trời phát ra đã được bán ra và thị trường càng tăng 30% mỗi năm trên toàn thế giới

Hình 2.1: Việc sản xuất các tấm pin mặt trời trên toàn thế giới

Trong những ngày đầu của việc sử dụng hệ thống pin quang điện những năm 1960,

1970, việc sản xuất ra một tế bào quang điện phải mất nhiều năng lượng hơn là bản thân nó phát ra Từ đó, sự cải tiến vượt bậc về hiệu suất và phương pháp sản xuất luôn được quan tâm Năm 1996, giai đoạn thu hồi vốn được đặt ra trong

khoảng thời gian từ 2 năm rưỡi đến 5 năm, tuỳ thuộc phạm vi sử dụng Trong khi

đó tuổi thọ các tấm pin quang điện tăng lên đến 25 năm Chi phí cho các tấm pin quang điện càng giảm từ 30USD/W đến 3USD/W trong suốt 3 thập kỉ qua và dự định sẽ giảm 1USD/W trong 10 năm tới Thậm chí là giảm từ 5USD/W -7USD/W đến 3USD/W cho ứng dụng pin quang điện nối lưới, một ứng dụng có giá cả rất đắt

Để giảm chi phí phát sinh, hiệu suất của pin quang điện phải được tăng lên và chi phí sản xuất sẽ phải giảm Hiện tại, hiệu suất của các tấm quang điên là 15% Trở ngại chính của hiệu suất pin quang điện là băng thông của vật liệu bán dẫn chế tạo pin quang điện Khi lượng tử ánh sáng lớn hơn hoặc bằng băng thông của vật liệu thì có thể giải phóng 1 electron khi nó được vật liệu hấp thu Tuy nhiên, những lượng tử ánh sáng có năng lượng thấp hơn dãy bước sóng thì không xảy ra hiện tượng trên Khi được tế bào quang điện hấp thụ, chúng chỉ sản sinh nhiệt Đối với lượng tử ánh sáng có nhiều năng lượng hơn dãy bước sóng, năng lượng vượt mức

sẽ không có có tác dụng trong việc phát điện Năng lượng vượt mức đó đơn giản chỉ làm nóng tế bào quang điện Các lý do trên được xem xét sao cho giới hạn cực đại theo lý thuyết về hiệu suất của tế bào quang điện một lớp mối nối truyền thống nhỏ hơn 25% Hiệu suất thực sự thậm chí thấp hơn do hiện tượng phản xạ ánh sáng từ bề mặt của tế bào quang điện, hiện tượng bóng mờ của tế bào quang điện

do tiếp điểm lấy dòng điện, điện trở bên trong của tế bào quang điện, và sự tái hợp trở lại của electron và lỗ trống trước khi chúng có thể tạo thành dòng điện

Hạn chế từ việc hấp thu bước sóng năng lượng mặt trời có thể được khắc phục một phần bằng cách dùng nhiều lớp tế bào quang điện xếp chồng lên nhau, mỗi lớp tế bào bên trên có bước sóng cao hơn lớp tế bào bên dưới Ví dụ, nếu lớp tế bào bên trên được làm từ vật liệu A (bước sóng là A), bức xạ mặt trời có bước sóng ít hơn

A sẽ được hấp thụ để cho ngõ ra bằng với vùng được tô đen A

Bức xạ mặt trời có bước sóng lớn hơn A sẽ ngang qua A và được chuyển đổi để cho ngõ ra bằng với vùng tô đen B Vì vậy ngõ ra tổng và hiệu suất của dạng tế bào xếp chồng sẽ cao hơn ngõ ra và hiệu suất của mỗi tế bào riêng rẽ Hiệu suất của tế bào nhiều lớp có thể cao hơn khoảng 50% tế bào tương ứng Hiệu suất sẽ tăng cùng với số lớp tế bào Với lý thuyết này, mỗi lớp phải càng mỏng càng tốt Việc này sẽ rất khó đạt được nếu không phải là tế bào tinh thể Si hay đa tinh thể Si được chế tạo nhiều lớp Kết quả là quan điểm này đang được xem xét chủ yếu cho

tế bào quang điện vô định hình dạng phim mỏng hoặc dạng vi tinh thể Hiệu suất lúc này là 24.7%

2.2 Lịch sử phát triển pin quang điện

Hiệu ứng quang điện được khám phá ra vào năm 1839 do nhà vật lý học Becquerel Nó được duy trì trong phòng thí nghiệm đến năm 1954, khi phòng thí nghiệm Bell sản xuất pin quang điện Si đầu tiên Nó sớm được áp dụng trong chương trình không gian Mỹ dùng cho thiết bị nhỏ gọn nhưng có công suất lớn Từù đó, nó là nguồn điện quan trọng dùng cho các vệ tinh Ngày nay, kỹ thuật quang điện đã mở rộng sang các ứng dụng trên mặt đất ở những khu xa xôi, hẻo lánh mà lưới điện không thể tới được Ngoài ra nó còn cung cấp điện trở lại cho lưới điện

1839

Antoine-César Becquerel, nhà vật lý người Pháp, khám phá hiệu ứng quang điện Trong thí nghiệm của ơng, ơng đã phát hiện việc điện áp được sinh ra khi điện cực rắn trong dung dịch điện phân được phơi dưới ánh sáng

1877

W.G Adams và R.E quan sát hiệu ứng quang điện trong chất Se rắn

Họ chế tạo tế bào quang điện Se đầu tiên và xuất bản cuốn “Tác động

của ánh sáng lên Se” trong kỉ yếu của hội Hồng Gia

1883

Charles Fritz chế tạo ra cái được xem là tế bào quang điện thực sự đầu tiên Ơng phủ lớp vàng cực mỏng lên tế bào bán dẫn Se Tế bào quang điện của ơng cĩ hiệu suất thấp hơn 1%

1904 Albert Einstein phát hành bài báo về hiệu ứng quang điện

1927

Một loại tế bào quang điện mới được phát triển dùng đồng và bán dẫn đồng oxit Thiết bị này cũng cĩ hiệu suất thấp hơn 1% Cả Se và đồng oxit đều được ứng dụng trong đồng hồ đo ánh sáng dùng cho nhiếp ảnh

1941 Russell Ohl phát triển tế bào quang điện Si Việc cải tiến tế bào quang

điện cho hiệu suất đạt được là 6% khi ánh sáng chiếu trực tiếp

1954 Phịng thí nghiệm Bell đạt được hiệu suất 4% đối với tế bào quang điện

Si Sau đĩ khơng lâu, hiệu suất được nâng lên 6% và 11%

1958 Các tế bào quang điện được ứng dụng đầu tiên trong lĩnh vực khơng

gian trên vệ tinh Vanguard

2.3 Phân loại pin quang điện

Hệ thống pin quang điện được phân loại như sau:

- Tế bào quang điện (cell)

- Tấm pin quang điện (module)

- Hệ thống pin quang điện (array)

Hình 2.2: Phân loại pin quang điện

2.3.1 Tế bào quang điện

2.3.1.1 Cấu tạo tế bào quang điện

Mối nối p-n

Tế bào quang điện được chế tạo bằng Si, GaAs, CIS, CdTe, và một số vật liệu khác Điểm chung của các loại pin quang điện là mối nối p-n hoặc tương đương như mối nối Schottky Do đó việc hiểu mối nối p-n là hiểu được nguyên tắc hoạt động của pin quang điện , xem hình 2.3

Mối nối bao gồm lớp n là Si kết hợp với lớp p cũng là Si, giữa hai mối nối không

có lớp tinh thể Si nào khác Lớp n có nhiều electron tự do và lớp p có nhiều lỗ trống tự do Dưới điều kiện cân bằng nhiệt, mối quan hệ giữa mật độ eletron và lỗ trống là

np=ni2 (2.1) Trong đó: ni là mật độ xấp xỉ electron hoặc lỗ trống trong vật liệu không thuần khiết Khi có sự lẫn tạp chất thì nNd và pNa, trong đó Nd và Na là mật độ bên cho và bên nhận Ví dụ Si thì ni  1.5x1010cm-3 ở nhiệt độ T= 300K , trong khi

đó Nd và Na có thể lớn hơn 1021cm-3 Vì vậy, nếu Nd = 1018 trên phía n của mối nối thì p=2.25x102cm-3

Hình 2.3: mối nối p-n cho thấy sự trao đổi, khuếch tán electron và lỗ trống

Cả hai electron và lỗ trống đều phụ thuộc vào sự khuếch tán ngẫu nhiên trong cấu trúc tinh thể Si, vì thế mỗi tinh thể có xu hướng khuếch tán từ những vùng tập trung cao sang vùng tập trung thấp Sự chênh lệch mật độ lớn của lỗ trống và electron giữa mặt n và mặt p của mối nối gây ra độ dốc tập trung lớn bên trong mối nối Kết quả là electron sẽ di chuyển qua lớp p và lỗ trống sẽ di chuyển qua lớp n như hình vẽ 2.3

Trước khi tạo thành mối nối, cả hai mặt của mối nối đều trung tính về điện Mỗi electron tự do trên mặt n của mối nối xuất phát từ thành phần có lẫn tạp chất là chất cho electron trung tính, như As, trong khi đó mỗi lỗ trống tự do trên mặt p của mối nối xuất phát từ thành phần có chứa tạp chất là chất cho các lỗ trống trung tính (chất nhận electron) , như B (boron) Khi các electron mang điện âm rời nguyên tử As , nguyên tử As trở thành ion As mang điện dương Tương tự như vậy, khi các lỗ trống mang điện dương rời nguyên tử B, nguyên tử B trở thành ion

B mang điện âm Do đó, khi electron khuếch tán sang mặt p của mối nối, chúng để lại những ion cho là những điện tử mang điện dương , chúng sẽ dính vào mạng tinh thể Si Khi lỗ trống khuếch tán sang mặt n của mối nối, chúng sẽ để lại ion cho là các lỗ trống mang điện âm, chúng sẽ dính vào mạng tinh thể Si ở phía mặt p của mối nối Việc khuếch tán các hạt mang điện qua mối nối tạo nên điện trường bên trong mối nối, hướng từ ion dương trên mặt n sang ion âm trên mặt p, như trên hình 2.3 Luật Gauss yêu cầu đường điện trường bắt đầu điện tích dương và kết thúc ở điện tích âm, vì thế số lượng điện tích dương trong lớp n phải bằng số điện tích âm trong lớp p

Điện trường tác động lực vào các phần tử mang điện theo quan hệ quen thuộc f=qE Lực này tạo ra các phần tử mang điện để trao đổi Trong trường hợp lỗ trống được sạc điện dương , chúng trao đổi theo hướng của điện trường, … từ mặt n đến

mặt p của mối nối Các electron mang điện âm trao đổi theo hướng điện trường ngược lại từ mặt p đến mặt n của mối nối Nếu không có ngoại lực nào khác ngoài nhiệt độ, thì dòng chảy lỗ trống cân bằng theo hai hướng và dòng chảy electron cân bằng theo hai hướng, dẫn đến dòng chảy thực thấp nhất của lỗ trống hoặc electron qua mối nối Cái này được gọi là luật cân bằng chi tiết, luật này phù hợp với luật Kirchoff

Phân tích dòng chảy electron và lỗ trống trong mối nối đã đưa đến phương trình diode quen thuộc

I = I0(ekT

qV

-1) (2.2) Trong đó q là điện tích , k là hằng số Boltzman, T là nhiệt độ mối nối (K), và V là điện áp bên ngoài trong lớp mối nối từ mặt p sang mặt n của mối nối

Lớp mối nối p-n được chiếu sáng

Hình 2.4 bên dưới minh họa hiệu ứng lượng tử ánh sáng khi va chạm vùng mối nối Năng lượng của lượng tử ánh sáng được cho bởi phương trình 2.3

tử ánh sáng như chức năng thâm nhập sâu vào trong vật liệu được cho bởi F(x) =

F0e-x , trong đó x là độ sâu của sự thâm nhập vào trong vật liệu Tối ưu hóa sự hấp thụ lượng tử ánh sáng cho phép mối nối có giá trị trong khoảng 1/ độ dày bề

mặt để đảm bảo sự truyền lượng tử ánh sáng nằm trong khoảng chiều dài khuếch tán cho phép của mối nối p-n, như chỉ ra trên hình 2.4

Nếu cặp electron lỗ trống được tạo ra trong chiều dài khuếch tán với số lượng hạt mang điện tối thiếu, Dx, của lớp mối nối , thì trung bình một cặp electron lỗ trống

sẽ nhập vào cho dòng điện trong mạch bên ngoài Chiều dài khuếch tán được định nghĩa là Lx= Dxx , trong đó Dx và x là chiều dài khuếch tán của các hạt mang điện tối thiểu và khoảng thời gian cho phép của electron trong vùng p nếu x=n, và

Dx, x là chiều dài khuếch tán hạt mang điện tối thiểu và khoảng thời gian cho phép lỗ trống trong vùng n nếu x=p Vì thế ý tưởng là dịch chuyển nhanh electron

và lỗ trống của cặp electron lỗ trống tới mối nối trước khi một trong phần tử này

có cơ hội tái hợp với các hạt mang điện tối thiểu Trong hình 2.4, điểm A, B và C tượng trưng cho việc phát cặp electron và lỗ trống trong chiều dài khuếch tán các hạt mang điện tối thiểu của mối nối Nhưng nếu cặp electron và lỗ trống được phát

ra tại điểm D, nó cực kì không giống electron sẽ khuếch tán sang lớp mối nối trước khi nó tái hợp

Dòng điện do lượng tử ánh sáng sinh ra chạy qua lớp mối nối và chạy trong mạch ngoài tỷ lệ trực tiếp với mật độ dòng lượng tử ánh sáng Chú ý rằng cặp electron lỗ trống chạy qua lớp mối nối do điện trường E gây ra, và vì thế các lỗ trống di chuyển sang lớp p và tiếp tục khuếch tán về chỗ tiếp xúc bên ngoài lớp p Tương

tự như vậy, các electron di chuyển sang lớp n và tiếp tục khuếch tán sang chỗ tiếp xúc bên ngoài lớp n Tùy thuộc việc tiến đến lần lượt mặt tiếp xúc nào, mỗi mặt tiếp xúc sẽ góp cho dòng điện bên ngoài nếu tồn tại đường dẫn bên ngoài Trong trường hợp các lỗ trống, chúng phải tái hợp tại chỗ tiếp xúc với electron được bổ sung vào vật liệu tại mặt tiếp xúc Ngược lại các electron lại chảy vào dây đồng bên ngoài

Hình 2.4: Cấu trúc hình học mối nối p-n và việc tạo thành cặp electron và lỗ

trống

Có thể thấy rằng điện áp bên ngoài qua diode gây ra dòng đáng kể khi không có lượng tử ánh sáng, có chiều từ p sang n Dòng và điện áp diode được định nghĩa theo chiều này, và diode được định nghĩa theo qui ước dấu âm Mặt khác, khi không có lượng tử ánh sáng va đập vào mối nối, diode mất năng lượng Nhưng khi lượng tử ánh sáng xuất hiện dòng sinh ra bởi lượng tử ánh sáng ngược chiều với chiều âm Vì vậy, dòng ra khỏi cực dương, có nghĩa là pin quang điện đang phát công suất Đây là hiệu ứng quang điện Những khó khăn đối với nhà sản xuất pin quang điện là tối đa hóa việc hấp thụ lượng tử ánh sáng và dòng điện trong tế bào quang điện đối với một mật độ lượng tử ánh sáng chiếu tới Khi dòng lượng tử ánh sáng được phối hợp vào phương trình diode, kết quả là:

Rõ ràng, đường cong lý tưởng tượng trưng cho đặc tính nguồn dòng lý tưởng cho điện áp tế bào quang điện dưới 0.5V, và nó tượng trưng cho đặc tính của nguồn áp

lý tưởng cho điện áp gần 0.6V Phần giao của đường cong với trục V=0 tượng trưng cho dòng ngắn mạch của tế bào quang điện Phần giao của đường cong với trục I=0 tương trưng điện áp hở mạch của tế bào quang điện Để quyết định điện

áp hở mạch của tế bào quang điện, đơn giản chỉ cần cho I=0 và giải phương trình (2.4) đối với VOC Kết quả là

kT

(2.5)

Việc phụ thuộc chiều dòng điện I vào Il và sự phụ thuộc logarit của VOC v ào Il rõ ràng từ phương trình 2.4 và phương trình 2.5 cũng như từ hình vẽ 2.5

Hình 2.5: Đặc tính I-V của tế bào quang điện lý tưởng và thực tế dưới các mức

đủ Bỏ qua dòng diode nhỏ và dòng rò đất dưới điện áp cực zero, dòng ngắn mạch dưới điều kiện này là dòng quang điện IL

Điện áp quang điện lớn nhất được sinh ra dưới điện áp hở mạch Bằng cách bỏ qua dòng rò đất, với I=0 cho ra điện áp hở mạch như sau:

D

L n

I

I Q

AKT

(2.6)

Hằng số KT/Q là nhiệt độ tuyệt đối được mô tả theo điện áp (300K = 0.026V) Trong tế bào quang điện thực tế, dòng quang điện có biên độ lớn hơn nhiều lần dòng bão hòa ngược Vì thế, điện áp hở mạch gấp nhiều lần KT/Q Dưới điều kiện chiếu sáng đầy đủ, IL/ID là hàm hiệu quả của nhiệt độ tế bào quang điện, và tế bào quang điện bình thường cho thấy hệ số nhiệt độ âm của điện áp hở mạch

Hình 2.6: đặc tính dịng và điện áp của hê thống pin quang điện trong điều kiện

đầy đủ ánh sáng và trong điều kiện bĩng mờ

Hình 2.7: Mạch điện tương đương của mođun pin quang điện, cho thấy dòng rò đất

và dòng qua diode

VOC = V + IRSH (2.7) Dòng qua diode được biểu diễn thông qua dòng bão hòa qua diode bằng phương trình

(2.8) Trong đó:

ID: Dòng bão hòa iode

Q: Điện tích nạp = 1,6.10-19 C

A: Hằng số hiệu chỉnh sóng

K: Hằng số Boltzmann = 1,38.10-23 J/K

T: Nhiệt độ tuyệt đối ( K)

Dòng tải được biểu diễn bởi phương trình sau:

(2.9) Trong pin quang điện thực tế dòng rò đất có giá trị nhỏ so với IL và ID, và có thể được bỏ qua Vì thế, dòng bão hòa diode được đo thực nghiệm bằng cách dùng Voc

khi không có ánh sáng và đo dòng đi vào pin Dòng này thường được gọi là dòng tối hoặc dòng bão hòa diode ngược

2.3.1.3 Đặc tính pin quang điện

Hình 2.5 cho thấy đặc tính I-V của pin điển hình Chú ý rằng lượng dòng và áp có sẵn từ pin phụ thuộc vào mức độ chiếu sáng pin quang điện Trong trường hợp lý tưởng, phương trình đặc tính I-V là

(2.10) Phương trình trên cho ta phương tiện để quyết định giới hạn hoạt động lý tưởng của pin quang điện Hình 2.5 cho thấy pin quang điện có cả điện áp giới hạn và dòng giới hạn Vì vậy, pin không bị hư hỏng khi hoạt động trong điều kiện hở mạch hoặc điều kiện dòng ngắn mạch Để quyết định dòng ngắn mạch của pin quang điện, chỉ cần đặt V= 0 trong số mũ của e Điều này dẫn đến ISC= I1 Xấp xỉ một cách gần đúng, dòng điện của pin tỷ lệ trực tiếp với cường độ bức xạ của pin

Vì vậy, nếu biết dòng điện của pin được ở điều kiện bức xạ chuẩn G0 = 1 KW/m2tại AM 1,5 thì dòng điện của pin ở bất kì cường độ bức xạ G bất kì được tính:

IL(G)=(G/G0)IL(G0) (2.11) Để quyết định điện áp hở mạch của pin quang điện, dòng điện của pin được điều chỉnh đến giá trị zerô và VOC được tính như sau

(2.12)

do I thường rất lớn so với I0 Chú ý rằng điện áp hở mạch chỉ phụ thuộc logarit vào sự chiếu sáng của pin Trong khi đó dòng ngắn mạch thì tỷ lệ trực tiếp với sự chiếu sáng Nhân dòng điện pin với điện áp pin cho ra công suất pin Để đạt được năng lượng càng nhiều từ pin quang điện, phải làm sao để pin hoạt động tạo ra công suất cực đại Trên hình 2.8, chú ý rằng có một điểm trên đặc tính I-V của pin mà tại đó cho công suất cực đại Ngoài ra cũng nên chú ý rằng điện áp mà tại đó

đạt được công suất cực đại thì phụ thuộc mức độ chiếu sáng của pin Điểm công suất cực đại có thể đạt được bằng cách vẽ những họ hyperbole (IV là hằng số), và chú ý rằng công suất liên quan tới các họ hyperbole này sẽ tiếp tuyến với đường cong I-V tại duy nhất một điểm Điểm công suất cực đại có được do việc lấy vi phân phương trình công suất của pin và do việc cài đặt các kết quả bằng zerô Sau khi tìm được điện áp thỏa mãn điều kiện, và sau khi kiểm tra để xác định điện áp này có giá trị cực đại, coi như đã tìm được điểm công suất cực đại

Hình 2.8: Quyết định điểm công suất cực đại trên đặc tính hoạt động của pin quang

Pmax = ImVm = FFISCVOC (2.13) Trong đó, FF được xem là hệ số lắp đầy Hệ số lắp đầy là thước đo chất luợng của pin Pin có điện trở trong lớn sẽ có hệ số lắp đầy nhỏ, trong khi đó pin lý tưởng sẽ có hệ số lắp đầy của một khối đồng nhất Chú ý rằng hệ số lắp đầy đồng nhất ứng với đặc tính I-V hình chữ nhật Những đặc tính như vậy cho thấy pin hoạt động như nguồn áp lý tưởng hoặc nguồn dòng lý tưởng Mặc dù pin thực sự không có đặc

tính hình chữ nhật, tuy nhiên nó vẫn có vùng mà tại đó việc hoạt động xấp xỉ nguồn áp lý tưởng và vùng khác mà tại đó hoạt động của nó như nguồn dòng lý tưởng

Đối với pin có đặc tính I-V lý tưởng, với VOC = 0,596V và ISC = 2A, hệ số lắp đầy sẽ xấp xỉ 0,83 Hệ số lắp đầy điển hình đối với pin quang điện thực tế, phụ thuộc kỹ thuật, thay đổi từ 0,5 đến 0,82 Phương pháp để cực đại hệ số lắp đầy là cực đại tỷ số dòng photon so với dòng bão hòa ngược trong khi cực tiểu điện trở nối tiếp và cực đại điện trở song song trong pin

Đường cong điện áp và công suất của pin đặc biệt quan trọng khi xem xét việc cực đại công suất chuyển tới tải của pin quang điện Đường cong I-V của pin quang điện cũng rất nhạy với nhiệt độ Từ phương trình của Voc có thể thấy điện áp hở mạch tỷ lệ trực tiếp nhiệt độ tuyệt đối của pin Tuy nhiên, dòng bão hòa ngược cũng phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ

Hình 2.9: Công suất và điện áp của pin quang điện với 4 mức độ chiếu sáng

Khi pin quang điện được chiếu sáng thì nó sẽ chuyển đổi ít hơn 20% bức xạ thành điện năng Phần dư được chuyển thành nhiệt làm cho pin nóng lên Do đó hệ thống pin quang điện được cho phép hoạt động ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ môi trường Nếu pin là dạng hệ thống tập trung, hệ thống sẽ hấp thụ nhiệt nhiều hơn nữa, dẫn tới sự giảm nhiệt độ thừa của pin khi hoạt động

Dòng photon có mặt trong pin quang điện phụ thuộc mật độ ánh sáng tới pin quang điện Dòng photon cũng phụ thuộc rất nhiều vào bước sóng của ánh sáng tới Aùnh sáng trên mặt đất xấp xỉ phổ của nguồn tối 5800K Pin quang điện được làm từ vật liệu có khả năng chuyển dạng phổ ánh sáng sang điện năng càng hiệu quả càng

tốt Tùy thuộc kỹ thuật pin quang điện một số loại pin phải dày hơn những loại khác để cực đại việc hấp thu ánh sáng Pin thường được phủ một lớp chống phản xạ để hạn chế tối đa sự phản chiếu của ánh sáng

2.3.2 Tấm pin quang điện (module)

Tấm pin quang điện bao gồm các tế bào quang điện nối song song hay nối tiếp, ngồi ra cịn cĩ diode khĩa và diode thơng (bypass) Trong khi kích cỡ, việc sản xuất của tế bào quang điện cĩ thể thay đổi thì điện áp của mỗi pin quang điện chỉ

cĩ thể cố định là 0.6V Để giúp cho việc sử dụng tế bào quang điện được như ý muốn, các nhà sản xuất đã kết hợp các tế bào quang điện lại tạo thành tấm pin quang điện (PV module) Tấm pin quang điện gồm nhiều tế bào quang điện mắc nối tiếp và song song để tăng khả năng điều khiển áp và dịng Trong khi cĩ nhiều cách kết nối để phù hợp với từng ứng dụng cụ thể thì cách kết nối 72 tế bào quang điện nối tiếp là cách phổ biến nhất

Hầu hết các ứng dụng mơ phỏng và thiết kế pin quang điện đều đề cập đến giả thiết sau đây :

1 Việc kết nối các tế bào quang điện nối tiếp sẽ tăng điện áp của hệ thống và việc kết nối song song sẽ tăng dịng điện

Để giả thiết đúng thì các tế bào quang điện phải đồng nhất, tuy nhiên, khơng phải trường hợp nào cũng vậy Tấm pin quang điện cĩ cả diode thơng và diode khĩa như trên hình 2.10 để giảm hiệu ứng của tế bào quang điện hoạt động khơng đồng nhất Khơng cĩ các thiết bị này, cĩ thể các tế bào quang điện hay các dãy các tế bào quang điện sẽ khơng hoạt động đồng nhất để tiêu thụ cơng suất phát ra bởi các tế bào quang điện hay các dãy tế bào quang điện khác Vì thế những thiết bị này giảm hao hụt cơng suất đồng thời tránh hoạt động mất đồng bộ và cho phép các dãy pin khi kết hợp thành hệ thống lớn (array) sẽ hoạt động đồng bộ hơn nữa giảm tác động tiêu cực của các tế bào quang điện khơng đồng bộ

Hình 2.10: Dãy tế bào quang điện gồm có diode khóa và diode thông

2 Mỗi tế bào quang điện hoạt động theo mỗi cách đồng bộ khác nhau Dưới điều kiện môi trường được xác định trước, đặc tính điện của mỗi tế bào trong hệ thống pin quang điện (array) phải đồng nhất

3 Với mục đích mô phỏng hệ thống pin mặt trời, các diode khóa và diode thông phải được xem là diode lý tưởng

Với những giả thiết này diode thông phân cực ngược và hoạt động như mạch hở trong khi đó diode khóa hay diode cách ly phân cực thuận và hoạt động như mạch ngắn Vì thế cũng không cần thiết kể đến các diode trong mô hình toán

Diode thông (bypass diode)

Diode thông được đặt ngang mỗi tế bào trong tấm pin quang điện để đảm bảo mỗi dãy nối tiếp tế bào quang điện sinh ra điện áp lớn nhất có thể Việc này đảm bảo

an toàn trong trường hợp tế bào quang điện không nhận cùng sự chiếu sáng như những tế bào khác trong cùng một dãy Ví dụ, với một dãy các tế bào cho sẵn, nếu một tế bào bị bụi phủ và hấp thu ánh sáng ít hơn thì nó có thể làm cho điện áp đạt được bị đảo chiều, (ID > Il được biểu hiện trên tế bào quang điện ở giữa trên hình 2.10) chiều này làm giảm đáng kể điện áp đạt được của toàn bộ dãy tế bào Vì thế, diode thông được nối song song với mỗi tế bào quang điện sẽ trở nên phân cực thuận nếu điện áp đạt được bị đảo chiều và tạo ra ngắn mạch thông qua tế bào quang điện này Vì vậy , khi điện áp tế bào bị đảo chiều, khả năng điện áp của dãy

tế bào tăng lên do hoạt động của diode thông

Diode khóa / cách ly

Diode khóa hay cách ly thường được đặt giữa mỗi dãy của tấm pin quang điện và PCU để ngăn những dãy trong tấm pin quang điện khỏi hấp thụ công suất từ hệ thống khi không được chiếu sáng Khi không được chiếu sáng và ở trạng thái điện

áp thuận ( được cấp bởi accu, lưới, hoặc những dãy trong tấm pin quang điện) mỗi dãy của các tấm pin quang điện sẽ cấp dòng điện từ mạch điện Vì vậy diode khóa được đặt giữa một dãy của tấm pin quang điện và nguồn áp như hình vẽ 2.10 Thuật ngữ diode khóa liên quan tới diode đơn được sử dụng trong hệ thống pin quang điện với bộ accu, trong khi đó diode cách li thường liên quan tới nhiều diode được đặt trên cực dương của mỗi dãy nối tiếp trong tấm pin quang điện Các diode này có cùng chức năng là khóa dòng ngược, tuy nhiên nhiều diode cách ly còn có thể làm nhiệm vụ bảovệ phụ trợ trong trường hợp có hiện tượng bóng mờ trên một dãy của tấm pin quang điện Những diode này được phân cực ngược khi dãy pin không được chiếu sáng và vì vậy cản trở dòng điện chạy tới dãy pin

Trong một vài trường hợp, chức năng của diode khóa được thực hiện bằng cách đóng mở trong PCU, tuy nhiên điều này cản trở hệ thống pin quang điện khỏi việc hấp thụ công suất từ lưới điện, nó không cản trở dãy pin khỏi việc hấp thụ công suất từ phần còn lại của hệ thống pin quang điện

2.3.3 Hệ thống dãy pin quang điện (array)

Hệ thống pin quang điện bao gồm nhiều tấm pin quang điện mắc song song và nối tiếp Số lượng của các tấm pin quang điện được mắc nối tiếp và song song được dưa trên yêu cầu điện áp của hệ thống và công suất đầu ra mong muốn của hệ thống pin quang điện Hệ thống pin quang điện nối lưới yêu cầu có bộ inverter để kết nối với lưới điện, và đầu vào điện áp DC dao động trong khoảng 200V-600V

DC Các hệ thống pin quang điện được thiết kế để sinh ra điện áp gần với điện áp đỉnh của tầm biến thiên này ở công suất định mức Điều này cho phép bộ inverter hoạt động với tầm điện áp DC đầu vào lớn nhất và vì thế cũng hoạt động được với tầm thay đổi lớn nhất của các điều kiện môi trường

Một khi đáp ứng được yêu cầu điện áp, khả năng điều khiển công suất có thể tăng lên bằng cách nối thêm những dãy của tấm pin quang điện song song Đầu tiên điều này được thực hiện bằng cách nối đầy đủ số lượng các tấm theo dạng nối tiếp

để đáp ứng yêu cầu điện áp Kế tiếp, những dãy phụ cùng số lượng với các tấm pin quang điện có thể được thêm vào để tăng việc sinh dòng điện và công suất của hệ thống pin quang điện Mỗi dãy pin bao gồm số lượng đồng nhất các tấm pin quang điện của cùng một nhãn hiệu và cùng công suất Nếu các dãy pin không đồng nhất việc sinh điện áp của mỗi dãy cũng không giống nhau Trong trường hợp này điện

áp ngõ ra của hệ thống pin quang điện sẽ thấp hơn của dãy có thể tạo ra nhiều nhất , vì vậy dãy tạo ra điện áp nhiều nhất không hoạt động với hiệu suất cực đại

Hình 2.11: Nối nối tiếp nhiều module PV để tăng điện áp

Hình 2.12: Nối song song nhiều pin PV để tăng dòng điện

Hình 2.13: Nối hỗn hợp module pin PV để tăng áp và dòng

2.4 Công nghệ sản xuất pin quang điện

2.4 1 Dạng đơn tinh thể Si

Si đơn tinh thể là vật liệu được sử dụng rộng rãi và là vật liệu chủ đạo của nền công nghiệp Trong hầu hết các phương pháp phổ biến nhất để sản xuất vật liệu này, vật liệu thô Si đầu tiên được nung chảy và làm sạch trong nồi nấu kim loại Hạt nhân tinh thể được cho vào Si lỏng và được điều chế với tốc độ chậm ổn định Quá trình này diễn ra trong khối hình trụ đơn tinh thể cứng như hình 2.14 Quá trình sản xuất chậm và tiêu tốn nhiều năng lượng để cho ra vật liệu thô chất lượng tốt với giá là 25$ đến 30$/ pound Người ta dùng lưỡi cưa kim cương để cắt các thỏi này thành các lát dày 200µm đến 400µm Các tấm mỏng này lại được cắt thành các tế bào hình chữ nhật để tối đa hóa số lượng các tế bào có thể đặt trên cùng một tấm pin quang điện hình chữ nhật Tuy nhiên, hầu hết Si đều bị phí pham trong việc cắt các thỏi và tạo thành hình vuông Để giảm phí phạm có thể tạo các tế bào hình tròn bao quanh thỏi như hình 2.15 Dùng những tế bào như vậy

sẽ kinh tế hơn bởi vì phải tiết kiệm không gian của các tấm pin quang điện Một cách khác để tiết kiệm là đặt các tinh thể trên các dải, và sau đó dùng tia lade cắt

để giảm phung phí

2.4.2 Dạng đa tinh thể và bán tinh thể

Sản xuất tế bào quang điện kết tinh là quá trình tương đối nhanh và chi phí thấp Thay vì sản xuất các tinh thể đơn có nhân, Si nóng chảy được đúc thành thỏi Trong quá trình này, nó tạo ra nhiều tinh thể Hiệu suất chuyển đổi thấp hơn, nhưng chi phí lại thấp hơn nhiều, nên giảm chi phí trên một Watt

Hình 2.14: Thỏi đơn tinh thể , chế tạo bởi quá trình Czochralski

2.4.3 Dạng các lớp phim mỏng

Đây là loại pin quang điện mới tham gia vào thị trường Đồng indi diselenide, cadmium telluride, và gallium arsenide là những vật liệu dạng phim mỏng, độ dày điển hình thường nhỏ hơn hoặc bằng vài m, đặt trực tiếp trên tấm kính, thép không rỉ, gốm sứ, hoặc những vật liệu thích hợp khác Công nghệ này dùng ít vật liệu hơn trên 1m2 diện tích của tế bào quang điện, vì vậy, giá cả cho việc phát một watt điện sẽ rẻ hơn

2.4.4 Dạng Si không định hình

Trong công nghệ này, dạng khí Si không định hình được bơm vào giữa 2 tấm phim không định hình dày vài m trên cuộn thép không rỉ, kích thước điển hình là 13

inch rộng và 2.000 feet dài So sánh với Si kết tinh, công nghệ này chỉ dùng 1% vật liệu Hiện nay hiệu suất của nó vào khoảng 1.5 lần hiệu suất của công nghệ Si kết tinh, nhưng chi phí cho một watt công suất phát ra được dự kiến là sẽ thấp hơn đáng kể Với giả thiết này, hai nhà máy lớn sản xuất Si không định hình đã hình thành ở Mỹ năm 1996

Hình 2.15: Tế bào quang điện dạng tròn giảm hao phí vật liệu đặc biệt là dạng

hình chữ nhật

2.4.5 Dạng hình cầu

Đây là công nghệ khác vừa mới được phát hiện trong phòng thí nghiệm Vật liệu thô là những hạt Si kết tinh cấp thấp Các hạt này được gắn vào những hình vuông kích thước 4 inch, các hình vuông này là những lõi nhôm có khoan lỗ nhỏ Trong quá trình đó, các tạp chất được đẩy tới bề mặt, từ nơi chúng được khắc vào Bởi vì mỗi quả cầu hoạt động độc lập, nên việc một quả cầu không hoạt động không ảnh hưởng đến quá trình hoạt động của cả bề mặt lớn Theo ước tính của công ty Edison Nam California, 100 feet vuông của các tấm hình cầu có thể phát 2.000kWh mỗi năm trong điều kiện thời tiết trung bình của Nam California

Hình 2.16: Thấu kính tập trung ánh sáng trên khu vực nhỏ giảm nhu cầu của vật

liệu tích cực

2.4.6 Các tế bào dạng tập trung

Để cố gắng nâng cao hiệu suất chuyển đổi, ánh sáng được tập trung gấp mười hay hàng trăm lần cường độ ánh sáng bình thường bằng cách dùng thấu kính tập trung vào vùng nhỏ (Hình 2.16) Lợi ích cơ bản là các tế bào như thế yêu cầu một phần nhỏ diện tích so với tế bào tiêu chuẩn, vì vậy giảm đáng kể yêu cầu vật liệu của pin quang điện Tuy nhiên, diện tích tổng cộng của các tấm pin quang điện vẫn không đổi để hấp thụ năng lượng mặt trời theo yêu cầu Ngoài việc tăng công suất

và giảm kích cỡ, số lượng các tế bào quang điện, các tế bào như vậy còn có lợi ích khác là hiệu suất tế bào sẽ tăng lên khi ánh sáng được tập trung tại một điểm Một lợi ích khác là các tế bào có tiết diện giảm nhỏ Việc sản xuất tế bào có hiệu suất cao, tiết diện nhỏ sẽ dễ hơn sản xuất tế bào có cùng hiệu suất nhưng tiết diện lớn Mặt khác, nhược điểm chính của các tế bào quang điện dạng tập trung là chúng đòi hỏi kính quang học để tập trung ánh sáng, điều này làm tăng chi phí

Việc sản xuất hàng năm các loại tế bào quang điện khác nhau năm 1995 được trình bày trong bảng 2.1 Hầu hết việc sản xuất tập trung vào là dạng Si kết tinh và Si không định hình, với những loại khác đang trong giai đoạn phát triển Thực trạng của công nghệ Si kết tinh và Si không định hình được trình bày trên bảng 2.2 Các công nghệ cũ được ưu tiên hơn trên thị trường hiện tại và các dạng kế tiếp hi vọng

sẽ có mặt trong tương lai gần