Điều khiển công suất p và q trong hệ năng lượng mặt trời kết nối lưới điện

ĐỀ TÀI : ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT P VÀ Q TRONG HỆ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KẾT NỐI LƯỚI ĐIỆN tế hiệu suất sẻ thấp hơn nhiều so với thí nghiệm .Do vậy để khai thác tối đa năng lượng thu được từ P

NHI M V LU N V N TH C S

III - NGÀY GIAO NHI M V : 25/01/2010

IV - NGÀY HOÀN THÀNH NHI M V : 02/07/2010

V - H VÀ TÊN CÁN B H NG D N: PGS.TS NGUY N H U PHÚC

CÁN B H NG D N CN B MÔN

QL CHUYÊN NGÀNH

u tr c tiên, tôi xin c bày t lòng bi t n sâu s c n th y NGUY N H U PHÚC, ng i th y ã t n tình tr c ti p h ng d n, ã cho tôi ph ng h ng tri n khai vi c tìm hi u m r ng ki n th c khoa h c, ng viên và cung c p nh ng tài li u vô cùng quí giá giúp tôi th c hi n hoàn thành lu n v n t t nghi p này.

Xin chân thành c m n t t c quí th y cô ã t ng gi ng d y và ã trang b cho tôi

nh ng ki n th c r t b ích và quí báu trong su t quá trình h c t p và nh ng ki n th c này là hành trang r t gía tr giúp tôi ng d ng trong công vi c em l i l i ích cho xã

khi n b ng thu t tóan cho MPPT t công su t t i u và a ra c i ti n t nhanh n m MPP mà không dao ng t i m cân b ng trong thu t tóan Hill Climbing , a m t ngh cãi ti n nâng cao hi u qu thu n ng l ng trong thu t Fractonal Voc, ây là ph n tr ng tâm c a luân v n Sau ó trình bày m t ph ng pháp

hi u ch nh P&Q khi PV n i l i trích theo m t bài báo Ph n trình bày bao g m ,

nh ng lý thuy t c b n v Pin m t tr i , thi t l p mô hình mô ph ng PV , mô ph ng theo các thu t tóan MPPT c b n nh Hill Clmbing, P&O, Fractinal Voc, sau ó so sánh các k t qu v i ph ng pháp c cãi ti n Ph n trình bày mô ph ng u khi n P&Q qua thu t tóan u khi n converter khi k t n i PV v i l i n ch mang tính tham

kh o có m t ph ng h ng m r ng h n trong ng d ng th c t

A- Tổng quan 14

B - Đặc điểm năng lượng mặt trời 15

C- Ưu và khuyết điểm khi sản xuất điện năng bằng PV 15

Chương I : LÝ THUYẾT CƠ BẢN 17 1.1 – Pin quang điện 17

1.2 – Quang phổ mặt trời 18

1.3 – Vật liệu và hiệu suất 18

1.4 – Hiệu ứng quang điện 20

1.5 – các đặc trưng cấu tạo của Pin mặt trời 22

1.5.1 – Phân loại Pin quang điện 22

1.5.2 – Cấu tạo tế bào quang điện 22

a- Mối nối p-n 22

b- Khi mối nối p-n đuợc chiếu sáng 24

c- Mạch điện tưong đương 25

d- Sơ đồ điện tương đương khi có tổn hao 28

1.5.3 – Tấm pin quang điện 31

1.5.4 – Dãy pin quang điện 32

a- Các phưong án kết nối 32

b- Các yều tố ảnh hưởng 34

Chương II : MPPT VÀ CÁC THUẬT TÓAN ĐIỀU KHIỂN 39

Chương III : MÔ PHỎNG VÀ CẢI TIẾN TRONG HỆ MPPT 52

3.3.4 - Incremental Conductance 58

a/ Hill Climbing Standard b/ Hill Climbimg CẢI TIẾN c/ P&O standard

d/ IncCond standard

e/ Fractinal Voc

a/ Đường cong bức xạ [800 1000 500] W/m2 b/ Hill Climbing Standard

c/ Hill Climbimg CẢI TIẾN d/ P&O standard

e/ IncCond standard d/ Fractinal Voc 3.4.3 – Lập bảng thống kê , so sánh hiệu quả của các phương pháp MPPT 69

4.1 - Mô hình pin quang điện nối lưới thông qua bộ inverter 75

a – Bộ chuyển đổi Valfa, Vbeta

b – Bộ chuyển đổi Ialfa, Ibeta

c – Bộ chuyển đổi P và Q

d – Bộ chuyển đổi dòng đặt Iaref, Ibref, Icref

Hình 1.2 : CZ silicon

Hình 1.3 : Quang phổ ở góc AM 1.5, chỉ 49.8% năng lượng hấp thụ bởi silicon Hình 1.4 : Phân loại pin quang điện

Hình 1.5 : Sự tạo thành cặp electron, lỗ trống của lớp P-N dưới tác động bức xạ

Hình 1.6 :đường đặc tính I-V lý tưởng

Hình 1.7 : đường cong I-V và công suất phân định theo nguồn dòng và nguồn áp

Hình 1 8 : Mô hình mạch điện tương đương của một cell PV

Hình 1.9 : Đặc tính I-V ảnh hưởng bởi Rs

Hình 1.10 : Đặc tính I-V ảnh hưởng bởi Rp

Hình 1.11 : Đặc tính I-V ảnh hưởng bởi Rp và Rs

Hình 1.12 : Đường đặc tính I-V của Module PV

Hình 1.13 : Array PV nối tiếp

Hình 1.14 : Đường đặc tính I-V của Array PV nối tiếp

Hình 1.15 : Array PV nối song song

Hình 1.16 : Đường đặc tính I-V của Array PV nối song song

Hình 1.17 : Array PV nối kết hợp song song và nối tiếp

Hình 1.18 : Đường đặc tính I-V của Array PV nối kết hợp song song và nối tiếp

Hình 1.19 : Mô tả hiện tượng bóng râm

Hình 1.20 : Đường đặc tính I-V của Array khi bị bóng râm

Hình 1.23 : Đường đặc tính I-V của Array khi có diod Bypass

Hình 1.24: Đường đặc tính I-V của Array ảnh hưởng theo chiếu độ và nhiệt độ

Hình 2.1 : Những điểm công suất cực đại theo chiếu độ

Hình 2.2 : Điểm làm việc phụ thuộc vào thông số của R

Hình 2.3 : Điểm khởi động và làm việc của motor so theo các mức chiếu độ

Hình 2.4 : Đặc tính I-V của Accu thực tế trong khi sạc và xả Hình 2.5 : Dòng sạc sẻ suy giảm khi số lượng cell cấp không đủ áp khi dầy tải

Hình 2.6: Mô hình bộ tăng giảm áp DC-DC

Hình 2.7 : D giữ nhiệm vụ duy trì thời gian đóng của switch

Hình 2.8 : Điểm làm việc tương ứng công suất cực đại

Hình 2.9: Sơ đồ khối PV_MPPT_biến đổi DC-DC

Hình 3.1 : Khối mô phỏng MPPT Hill Climbing Cải Tiến

Hình 3.2 : Khối Hillclimb MPPT cải tiến

Hình 3.3 : Khối MPPT HillclimbSTANDARD

Hình 3.4 : Khối MPPT P&O

Hình 3.5 : Khối MPPT IncCond

Hình 3.6 : Khối MPPT Fractional Voc

Hình 3.7: Array PV va khối điều khiển MPPT từ cell PV

Hình 4.1 : Sơ đồ khối PV nối lưới AC

Hình 4.4: Sự phân bố công suất

Hình 4.5: xung kìch D = 0.8 , 500Hz

Hình 4.6: Điện áp ngõ ra bộ buck-booster với Vref = 450V

Hình 4.7: Điện áp và dòng tải

Hình 4.8: Điện áp và dòng ngõ ra của converter

Hình 4.9: Điện áp và dòng tại nguồn

Hình 4.10: Dòng điện nguồn, converter và tải

Hình 4.11: kết quả mô phỏng của bài báo , điện áp và dòng của nguồnkhi nối vớ hệ PV

Q = công suất phản kháng

MPP : maximun power point (điểm công suất cực đại)

MPPT : maximun power point tracker (tự động hiệu chỉnh điểm công suất cực đại)

PV : photovoltaic (pin quang điện)

PV array ; hệ thống tấm pin quang điện

P&O ; pertub and observe (dao động và giám sát)

Inc Cond : incremental conductance (điện dẩn luỹ tiến)

Voc ; Open circuit Voltage (điện áp hở mạch)

Vref : điện áp đặt làm chuẩn

ĐỀ TÀI : ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT P VÀ Q TRONG HỆ

NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KẾT NỐI LƯỚI ĐIỆN

tế hiệu suất sẻ thấp hơn nhiều so với thí nghiệm Do vậy để khai thác tối đa năng lượng thu được từ PV nhiều nhà khoa học đả để tâm nghiên cứu viết thành sách hoặc bài báo đưa ra những thuật tóan để giải quyết phương án tự động hiệu chỉnh điểm thu năng lượng tối đa (MPPT) để khắc phục các biến động tức thời của năng lượng thu được từ

PV khi đột xuất bị thay đổi đột ngột mức bức xạ nhiệt trong điều kiện tự nhiên Đồng thời việc khai thác Pin quang điện cũng là giãi pháp cải thiện việc cung cấp điện năng song hành với các nhà máy điện khác để đảm bảo nhu cầu phát triển kinh tế ; hiện nay châu âu cũng đã có dự án khai thác điện năng từ bức xạ nhiệt mặt trời ở qui mô lớn tại

sa mạc Sahara Và hiện tại nhu cầu điện năng của đất nước ta không ngừng tăng vọt,

phương án khai thác pin quang điện ở qui mô nhỏ , tại từng hộ gia đình hoặc mô hình địa phương thì ít nhất nhu cầu dân dụng cũng đảm bảo vào ban ngày Như vậy khỏang điên năng này lẻ ra phục vụ cho sinh họat bình thường nay sẻ được đưa vào phục vụ cho sản xuất hoặc dự trử lại trong thiết bị có khả năng tích lũy lớn (fuel cell là một trong các phương án tích lủy điện năng đang được quan tâm) hoặc lượng nước được lưu giữ lại vào ban ngày tại đập thủy điện để vận hành vào ban đêm Đôi khi những công việc tuy nhỏ bé nhung đem lại hiệu quả kinh tế lớn

B – ĐẶC ĐIỂM NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Năng lượng Mặt Trời là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ Mặt Trời, cộng với một phần nhỏ năng lượng của các hạt hạ nguyên tử khác phóng ra từ ngôi sao này Dòng năng lượng này sẽ tiếp tục phát ra cho đến khi phản ứng hạt nhân trên Mặt Trời hết nhiên liệu, vào khoảng 5 tỷ năm nữa

Năng lượng bức xạ điện từ của Mặt Trời tập trung tại vùng quang phổ nhìn thấy

Năng lượng Mặt Trời là một nguồn năng lượng quan trọng điều khiển các quá trình khí tượng học và duy trì sự sống trên Trái Đất Ngay ngoài khí quyển Trái Đất, cứ mỗi một mét vuông diện tích vuông góc với ánh nắng Mặt Trời, chúng ta thu được dòng năng lượng khoảng 1.400 joule trong một giây Đối với cuộc sống của loài người, năng lượng Mặt Trời là một nguồn năng lượng tái tạo quý báu.Có thể trực tiếp thu lấy năng lượng này thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển năng lượng các photon của Mặt Trời thành điện năng Năng lượng của các photon cũng có thể được hấp thụ để làm nóng các vật thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, sử dụng cho bình đun nước Mặt Trời, hoặc làm sôi nước trong các máy nhiệt điện của tháp Mặt Trời

C – ƯU VÀ KHUYẾT ĐIỂM KHI SẢN XUẤT ĐIỆN NĂNG BẰNG PV

* ƯU ĐIỂM:

- Nguồn cung cấp năng lượng không cần chế biến hoặc khai thác như các nguồn dầu khí

hoặc mỏ than

- Không tốn nhiều thời gian cho thiết kế và lặp đặt

- Pin quang điện được kết nối bằng các modules nên có thể dể dàng mở rộng theo

nhu cầu mà không tốn nhiều chi phí

- Kết cấu tĩnh, gọn nhẹ và vận hành không gây tiếng ồn

- Tuổi thọ cao, ít tốn kém cho chi phí bảo trì do không có bộ phận chuyển động

- Vận hành ít phức tạp

* KHUYẾT ĐIỂM:

- Hiện tại gía thành cho hệ thống vẫn còn cao và hiệu suất vẫn còn thấp mặc dù có

nhiều tiến bộ trong công nghệ sản xuất

- Nguổn năng lượng cung cấp không ổn định do phụ thuộc vào điều kiện bức xạ của

môi trường tự nhiên

- Không thể hoạt động vào ban đêm

Các pin năng lượng mặt trời có nhiều ứng dụng Chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng mà điện năng trong mạng lưới chưa vươn tới, các vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo trái đất, máy tính cầm tay, các máy điện thoại cầm tay từ xa, thiết bị bơm nước Pin năng lượng mặt trời (tạo thành các module hay các tấm năng lượng mặt trời) xuất hiện trên nóc các tòa nhà nơi chúng có thể kết nối với bộ chuyển đổi của mạng lưới điện

Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel Tuy nhiên cho đến 1883 một pin năng lượng mới được tạo thành, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng

để tạo nên mạch nối Thiết bị chỉ có hiệu suất 1%, Russell Ohl xem là người tạo ra pin năng lượng mặt trời đầu tiên năm 1946 Sven Ason Berglund đã có phương pháp liên quan đến việc tăng khả năng cảm nhận ánh sáng của pin

Silic thuộc nhóm IV, tức là có 4 electron lớp ngoài cùng Silic có thể kết hợp với silicon khác để tạo nên chất rắn Cơ bản có 2 loại chất rắn silicon, đa thù hình (không có trật tự sắp xếp) và tinh thể (các nguyên tử sắp xếp theo thứ tự dãy không gian 3 chiều) Pin năng lượng mặt trời phổ biến nhất dùng đa tinh thể silicon Silic là chất bán dẫn, tức

là thể rắn silic, tại một tầng năng lượng nhất định, electron có thể đạt được, và một số tầng năng lượng khác thì không được Các tầng năng lượng không được phép này xem

là tầng trống Lý thuyết này căn cứ theo thuyết cơ học lượng tử Ở nhiệt độ phòng, Silic nguyên chất có tính dẫn điện kém Trong cơ học lượng tử, giải thích thất tế tại mức năng lượng Fermi trong tầng trống Để tạo ra silic có tính dẫn điện tốt hơn, có thể thêm vào một lượng nhỏ các nguyên tử nhóm III hay V trong bảng tuần hoàn hóa học Các

nguyên tử này chiếm vị trí của nguyên tử silic trong mạng tinh thể, và liên kết với các nguyên tử silic bên cạnh tương tự như là một silic Tuy nhiên các phân tử nhóm III có 3 electron ngoài cùng và nguyên tử nhóm V có 5 electron ngoài cùng, vì thế nên có chỗ trong mạng tinh thể có dư electron còn có chỗ thì thiếu electron Vì thế các electron thừa hay thiếu electron (gọi là lỗ trống) không tham gia vào các kết nối mạng tinh thể Chúng có thể tự do di chuyển trong khối tinh thể Silic kết hợp với nguyên tử nhóm III (nhôm hay gali) được gọi là loại bán dẫn p bởi vì năng lượng chủ yếu mang điện tích dương (positive), trong khi phần kết hợp với các nguyên tử nhóm V (phốt pho, asen) gọi

là bán dẫn n vì mang năng lượng âm (negative) Lưu ý rằng cả hai loại n và p có năng lượng trung hòa, tức là chúng có cùng năng lượng dương và âm, loại bán dẫn n, loại âm

có thể di chuyển xung quanh, tương tự ngược lại với loại p

Việc khảo sát và thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời cần phải có bảng thống kê tình hình chiếu sáng trong ngày , trong năm của địa phương cần khai thác để suy ra mức năng lượng bình quân có thể thu được Yêu cầu này dẩn đến sự cần thiết phải nghiên cứu quang phổ và bản đồ năng lượng của mặt trời

1.2 – QUANG PHỔ MẶT TRỜI

Mặt trời bức xạ năng lượng theo một dãy rất rộng, tuy nhiên không phải tia

Hình 1.1 : Bước sóng quang phổ tác động lên silicon

bức xạ nào cũng có thể tạo ra hiện tượng quang điện Chỉ có những tia bức xạ bước

mức năng lượng đủ lớn để kích hoạt electron (tuỳ từng chất bán dẫn) tạo ra hiện tượng quang điện.Phân tích một điển hình về phổ năng lượng mặt trời tác động lên pin quang điện silicon như hình trên

1.3 - VẬT LIỆU VÀ HIỆU SUẤT

Nhiều lọai vật liệu khác nhau được thử nghiệm cho pin mặt trời Và hai tiêu chuẩn, hiệu suất và giá cả Hiệu suất là tỉ số của năng lượng điện từ ánh sáng mặt trời Vào buổi trưa một ngày trời trong, ánh mặt trời tỏa nhiệt khoảng 1000 W/m² trong đó 10% hiệu suất của 1 module 1 m² cung cấp năng lượng khoảng 100 W hiệu suất của pin mặt trời thay đổi từ 6% từ pin mặt trời làm từ silic không thù hình, và có thể lên đến 20% hay cao hơn nữa, sử dụng pin có nhiều mối nối nghiên cứu trong phòng thí nghiệm

Có nhiều cách để nói đến giá cả của hệ thống tạo điện, là tính toán cụ thể trên từng kilo Watt giờ (kWh) Hiệu suất của pin mặt trời kết hợp với sự bức xạ là 1 yếu tố quyết định trong giá thành Nói chung hiệu suất của toàn hệ thống là tầm quan trọng của nó

Để tạo nên ứng dụng thực sự của pin tích hợp năng lượng, điện năng tạo nên nối với mạng lưới điện sử dụng inverter; trong các phương tiện di chuyển, hệ thống ắc quy sử dụng để lưu trữ nguồn năng lượng không sử dụng hiện tại Các pin năng lượng thương mại và hệ thống công nghệ có hiệu suất từ 5% đến 15% Giá của điện từ 50 Eurocent/kWh (Trung Âu) xuống tới 25 eurocent/kWh trong vùng có ánh mặt trời nhiều.Cho tới hiện tại thì vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời (và cho các thiết bị bán dẫn)

là các silic tinh thể Pin mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại:

Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16% Chúng thường rất mắc tiền 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-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 Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn 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 thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon

Công nghệ trên là sản suất tấm, nói cách khác, các lọai trên có độ dày 300 µm tạo

thành và xếp lại để tạo nên module

Hình 1.2 : CZ silicon

1.4 - HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN

Khi một photon chạm vào mảnh silic, một trong hai điều sau sẽ xảy ra:

Photon truyền trực xuyên qua mảnh silic Điều này thường xảy ra khi năng lượng của photon thấp hơn năng lượng đủ để đưa các hạt electron lên mức năng lượng cao hơn

Hình 1.3 : Quang phổ ở góc AM 1.5, chỉ 49.8% năng lượng

hấp thụ bởi silicon

Năng lượng của photon được hấp thụ bởi silic Điều này thường xảy ra khi năng lượng của photon lớn hơn năng lượng để đưa 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 "lỗ trống" di chuyển 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 Mật độ năng lượng bức xạ điện từ của mặt trời phụ thuộc vào bước sóng λ , ở bước sóng λ = 1nm đến 1.1µm phần lớn năng lượng

mặt trời đều được hấp thụ bởi silic Tuy nhiên hầu hết năng lượng mặt trời chuyển đổi thành năng lượng nhiệt nhiều hơn là năng lượng điện sử dụng được

1.5 - CÁC ĐẶC TRƯNG CẤU TẠO CỦA PIN MẶT TRỜI

1.5.1 - 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 1.4 : Phân loại pin quang điện

1.5.2 - Cấu tạo tế bào quang điện

a- Mối nối p-n

Điểm chung của các loại pin quang điện là mối nối p-n hoặc tương đương như mối nối của diod 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 (1.1)

bên nhận Ví dụ Si thì ni ≅ 1.5x1010cm-3 ở nhiệt độ T= 300K , trong khi đó Nd và Na có

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 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(arsenic), 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 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 :

T : nhiệt độ tuyệt đối (K)

b - Khi mối nối p-n được chiếu sáng

Năng lượng của lượng tử ánh sáng được cho bởi phương trình :

Năng lượng của lượng tử ánh sáng có đơn vị là eV bằng 1.24/λ, nếu λ được đo bằng

quá năng lượng dãy bước sóng của bán dẫn trong lớp mối nối p-n thì nó có thể tạo ra cặp electron lỗ trống Đối với Si, dãy bước sóng có mức năng lượng 1.1eV , vì thế nếu bước sóng lượng tử ánh sáng nhỏ hơn 1.13µm, là vùng gần vùng hồng ngoại, thì lượng

tử ánh sáng sẽ có đủ năng lượng để phát ra cặp electron lỗ trống

Mặc dù lượng tử ánh sáng có năng lượng cao hơn năng lượng của dãy bước sóng được hấp thụ, nhưng một lượng tử ánh sáng chỉ có thể tạo ra một cặp electron lỗ trống Năng lượng vượt mức của lượng tử ánh sáng được thải ra dưới dạng nhiệt Khi lượng tử ánh sáng đi vào trong vật liệu, mật độ của dòng lượng tử phụ thuộc hằng số hấp thụ, hằng số này lại phụ thuộc bước sóng α Mật độ của dòng lượng tử ánh sáng như chức

năng thâm nhập sâu vào trong vật liệu được cho bởi F(x) = F0e-αx , 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/α 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., 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

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 1.5 bên dưới, 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 1.5 : Sự tạo thành cặp electron, lỗ trống của lớp P-N dưới tác động bức xạ

Như vậy điện áp bên ngoài qua diode gây ra dòng đáng kể khi 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:

quả là :

D L

n

I I

q

kT

(1.5)

Hình 1.6 :đường đặc tính I-V lý tưởng

Hình 1.7 : đường cong I-V và công suất phân định theo nguồn dòng và nguồn áp

c - Mạch điện tương đương:

* Điện áp hở mạch và dòng ngắn mạch

Hai thông số quan trọng của pin mặt trời là điện thế hở mạch Voc và dòng ngắn mạch Isc : _ Điên thế hở mạch Voc là hiệu điện thế được đo khi hở mạch ngoài của PV khi chịu tác động ở mức độ chiếu nắng chuẩn , được lấy ở chiếu độ đỉnh tương ứng 1kW/m2 ở 25 ⁰c của PV cell thường được thể hiện trên các bảng thông số của PV trên

thị trường cũng như trong thí nghiệm

Dòng ngắn mạch Isc là dòng điện được đo trong mạch của PV khi nối tắc mạch

đã trình bày Và ở nhiệt độ chuẩn 25⁰C công thức tương đương sẻ như sau :

d - Sơ đồ mạch điện tương đương khi có tổn hao

Pin mặt trời có thể xem như một nguồn dòng Lớp tiếp xúc bán dẩn có tính chỉnh lưu như một diod; tuy nhiên , khi phân cực nghịch vẩn có một dòng rò chảy nghịch qua

nó , thường được gọi là dòng Io, và được đặt trưng bằng một đại lượng điện trở song song Rp (Rshunt) Khi dòng điện chảy theo hướng thuận qua các mối tiếp xúc bán dẩn , các cản trở đó được đặc trưng bằng đại lượng điện trở nối tiếp Rs

Trên thực tế hai đại lượng Rp và Rs ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của PV , làm giảm thiểu công suất , là trở ngại lớn khi nối tiếp các PV cell với nhau.Các trở ngại này

và biện pháp khắc phục sẻ được trình bày ở phần kế tiếp Mô hình pin PV ( cell PV) thực tế:

Hình 1 8 : Mô hình mạch điện tương đương của một cell PV

Hình 1.9 : Đặc tính I-V ảnh hưởng bởi Rs

Đồ thị đặc tính của pin PV bị ảnh hưởng của Rp khi bỏ qua Rs :

Hình 1.10 : Đặc tính I-V ảnh hưởng bởi Rp

Hình 1.11 : Đặc tính I-V ảnh hưởng bởi Rp và Rs

Công thức đặc trưng của pin PV có tính ảnh hưởng của Rs và Rp :

Một mô hình thông thường để có điện áp 12 Vdc, ta phải mắc nối tiếp 36 pin PV

Và tuỳ thuộc nhà sản xuất các module được tạo ra ở các mưc điên áp hoặc dòng phù hợp với kích thước và nhu cầu của thị trường , thường thì 36 hoặc 72 cells cho một module

Hình 1.12 : Đường đặc tính I-V của Module PV

Điện áp của module PV:

1.5.4 - Array PV và các ảnh hưởng tác động

a – Các phương án kết nối Array PV:

Kết nối nhiều Module PV sẽ được Array PV

Tuỳ theo yêu cầu của điện áp, các modules được nối tiếp lại với nhau :

Hình 1.13 : Array PV nối tiếp

Hình 1.14 : Đường đặc tính I-V của Array PV nối tiếp

Nối song song nhiều module PV để tăng dòng điện

Hình 1.15 : Array PV nối song song

Hình 1.16 : Đường đặc tính I-V của Array PV nối song song

- Hiện tượng bóng râm (pin PV bị che phủ một phần) cũng gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất của hệ thống pin PV Giả sử một pin PV trong một Array bi che

Hình 1.19 : Mô tả hiện tượng bóng râm

Đặc tính I-V của toàn bộ Array (PV) sẽ bị thay đổi nghiêm trọng nếu không có biện pháp bảo vệ:

Hình 1.20 : Đường đặc tính I-V của Array khi bị bóng râm

Độ sụt áp tương ứng : ∆V = (V/n) +I*Rp (1.13)

Hình 1.21 : Đường đặc tính I-V của Array khi bị bóng râm che nhiều cells

Để bảo vệ pin PV không gây ảnh hưởng lên tòan cục bởi hiện tượng bóng râm, người ta sử dụng Diode Bypass

Hình 1.22 : Pin PV có diod Bypass

Đặc tính của Array PV sẽ được cải thiên nếu sử dụng diode bypass bảo vệ

Hình 1.23 : Đường đặc tính I-V của Array khi có diod Bypass

Nhiệt độ môi trường thay đổi, kéo theo sự ảnh hưởng nhiệt lên cell PV; theo điều kiện chuẩn (STC) , với chiếu độ 1kW/m2(1 sun), AM 1.5(air mass ratio), nhiệt độ qui ước chuẩn tại cell PV là 25⁰C để thành lập các thông số thử nghiệm Thực tế nhiệt độ cell PV được hiệu chỉnh như sau :

(1.14) Tamb : nhiệt độ môi trường

NOCT : nhiệt độ cell trong module ở môi trường 20⁰C, ở chiếu độ 0.8kW/m2, với tốc độ gió bằng 1 m/s

Từ công thức trên độ thay đổi Voc và Isc theo nhiệt dộ được tính như sau :

Voc(new) = Voc(rate) *[1- ∆v%(Tcell – 25)] (1.15)

Isc(new) = Isc(rate) *[1+ ∆i%(Tcell – 25)] (1.16)

Với ∆v% và ∆i% được cung cấp bởi nhà sản xuất

Hình 1.24 : Đường đặc tính I-V của Array ảnh hưởng theo chiếu độ và nhiệt độ

Phần lý thuyết nêu trên đả mô tả cơ bản về Pin quang điện , nó sẻ được làm nền tảng để triển khai lên hệ thống

CHƯƠNG II

MPPT VÀ CÁC THUẬT TÓAN ĐIỀU KHIỂN

2.1 – Điểm công suất cực đại (MPP)

Hình 2.1 : Những điểm công suất cực đại theo chiếu độ

Điểm công suất cực đại MPP(maximun power point ), tức là điểm làm việc hiệu quả nhất của PV theo các mức độ bức xạ hấp thu được Do sự thay đổi theo nhu cầu của từng loại tải cũng như biến động áng sáng của môi trường nên trong quá trình làm việc của PV không phải lúc nào cũng ở điểm MPP Xét một đường cong đặc trưng của PV ở điều kiện chuẩn , nếu cung cấp cho một tải tiêu thụ là điện trở thuần R , thì đường cong đặt trưng của tải là một đường thẳng qua góc tọa độ và có độ dốc với trục 0V với tgα

=1/R ; và điểm giao nhau giữa đường cong PV và R là điểm làm việc Và điểm làm việc này suy ra được công suất của PV cung cấp cho tải , nhưng không có nghĩa là toàn

bộ công suất của PV được cung cấp cho tải Như vậy vấn đề đặt ra là sữ dụng như thế nào là hiệu quả nhất

Hãy xét các đặt tính I-V của từng loại tải sau :

2.1.1-*Tải thuần trở:

Điểm MPP tương ứng với

Rm = (Vm/Im) (2.1)

Hình 2.2 : Điểm làm việc phụ thuộc vào thông số của R

2.1.2 -*Tải motor DC : đặc tính I-V được đơn giản hoá như sau :