CHƯƠNG 2: PIN QUANG ĐIỆN 2.1 Tế bào quang điện 2.1.1 Vật liệu Pin năng lượng mặt trời hay pin quang điện, tế bào quang điện là thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các diod p-n, dưới sự hiệ
Trang 1KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ THÍ NGHIỆM
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
GVHD : TS BẠCH THANH QUÝ SINH VIÊN : NGÔ MẠNH HÙNG
MSSV : 15018091 Lớp : DHDI11BTT
TP Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2019
Trang 2PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP
1 Họ và tên nhóm sinh viên được giao đề tài
- Tìm hiểu về năng lượng mặt trời
- Thiết kế và xây dựng bộ thí nghiệm năng lượng mặt trời, thể hiện một số đặc
tính cơ bản của hệ thống năng lượng mặt trời
- Ứng dụng kỹ thuật in 3D vào quá trình thực hiện bộ thí nghiệm năng lượng
mặt trời và xây dựng các bài thí nghiệm
- Ứng dụng kỹ thuật cnc và in kỹ thuật số trong quá trình chế tạo bộ thí nghiệm
năng lượng mặt trời
- Thực hiện một số bài thí nghiệm về năng lượng mặt trời
4 Kết quả
- Hoàn thành quyển báo cáo Khóa luận tốt nghiệp và thực hiện các bài thí
nghiệm
- Xây dựng mô hình thí nghiệm năng lượng mặt trời
- Hoàn thành các bài thí nghiệm
Giảng viên hướng dẫn
TS Bạch Thanh Quý
Tp HCM, ngày tháng 06 năm 2019
Sinh viên
Ngô Mạnh Hùng
Trang 3LỜI MỞ ĐẦU
Nhu cầu về năng lượng của con người trong thời đại Khoa học-Kỹ thuật phát triển ngày càng tăng Trong khi đó, các nguồn nguyên liệu dự trữ như than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên và ngay cả thủy điện đều có nguy cơ cạn kiệt, điều đó khiến cho toàn nhân loại đang đứng trước nguy cơ bị thiếu hụt năng lượng Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới như năng lượng hạt nhân, năng lương địa nhiệt, năng lượng gió và năng lượng mặt trời là một hướng đi quan trọng trong việc phát triển một nguồn năng lượng thay thế về sau này
Việc nghiên cứu sử dụng năng lượng mặt trời ngày càng được quan tâm, nhất là trong tình trạng thiếu hụt năng lượng và giải quyết vấn đề cấp bách về môi trường hiện nay Năng lượng mặt trời được xem là nguồn năng lượng ưu việt trong tương lai, đó là nguồn năng lượng có sẵn, siêu sạch và thân thiện với môi trường Do vậy năng lượng mặt trời đang được sử dụng ngày càng rộng rãi ở các nước trên thế giới
Dựa trên cơ sở đó, để tìm hiểu rõ hơn về quá trình sản xuất điện năng và ứng dụng của năng lượng mặt trời, em lựa chọn đề tài nghiên cứu bộ thí nghiệm năng lượng mặt trời Đề tài nghiên cứu về quá trình sản xuất điện năng từ ánh sáng mặt trời
và các ảnh hưởng bên ngoài tác động tới quá trình
Trong quá trình thực hiện báo cáo tốt nghiệp, em đã củng cố được những kiến thức đã được học và tiếp thu một số kiến thức và kinh nghiệm mới về một nguồn năng lượng mới Trên tất cả là em đã được học và rèn luyện được phương pháp làm việc, nghiên cứu một cách chủ động hơn, linh hoạt hơn và đặc biệt là phương pháp triển khai công việc Quá trình làm báo cáo đã giúp em hoàn thiện hơn về mọi mặt
Trang 4Trong suốt quá trình làm đồ án, em đã cố gắng học hỏi tìm hiểu đề hoàn thành
đề tài một cách tốt nhất, nhưng do kiến thức còn hạn chế nên bài làm của em sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Do vậy em kính mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô và các bạn để em có thể hoàn thiện đề tài của mình
Được sự giúp đỡ và hướng dẫn của thầy cô trong bộ môn Thiết bị điện khoa Điện Đặc biệt là sự hướng dẫn giúp đỡ và đóng góp của thầy Bạch Thanh Quý, trong quá trình làm báo cáo tốt nghiệp đã giúp em hoàn thành được báo cáo với đề tài
Em xin chân thành cảm ơn!
Trang 5NHẬN XÉT CỦA GVHD
Trang 6
NHẬN XÉT CỦA GV PHẢN BIỆN
Trang 7
MỤC LỤC
PHIẾU GIAO ĐỀ KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP i
LỜI MỞ ĐẦU ii
LỜI CẢM ƠN iii
NHẬN XÉT CỦA GVHD iv
NHẬN XÉT CỦA GV PHẢN BIỆN v
MỤC LỤC vi
DANH MỤC HÌNH ẢNH, BẢNG BIỂU viii
Chương 1: Tổng quan về năng lượng mặt trời 1
1.1 Quang phổ mặt trời 1
1.1.1 Tỷ trọng khí quyển - Air Mass Ratio 3
1.2 Quỹ đạo của Trái Đất 4
1.2.1 Thiên độ δ - Solar Declination 5
1.2.2 Góc cao độ và góc phương vị 7
1.2.3 Góc cao độ β và góc phương vị ϕs 8
1.3 Số giờ nắng trong năm 9
1.3.1 Giờ mặt trời và giờ địa phương 9
1.4 Bức xạ mặt trời 10
1.4.1 Cường độ bức xạ trực tiếp 11
1.5 Hệ thống trục xoay 14
1.5.1 Hệ thống 1 trục xoay 14
1.5.2 Hệ thống 2 trục xoay 15
Chương 2: Pin quang điện 16
2.1 Tế bào quang điện 16
2.1.1 Vật liệu 16
2.1.2 Đặc tính làm việc của pin mặt trời 22
2.1.3 Những yếu tố bên ngoài ảnh hưởng tới pin mặt trời 23
2.2 Cell, Module, Array 24
2.3 Hệ thống PV 28
2.3.1 Đặc tính I – V cho tải trở 29
Trang 82.3.2 Đặc tính cho tải động cơ DC 30
2.3.3 Hệ thống PV độc lập 32
2.3.4 Một số hệ thống SPV 34
2.4 Ảnh hưởng của hiệu ứng bóng che 35
2.4.1 Ảnh hưởng của hiệu ứng bóng che lên hệ thống PV 35
2.4.2 Dùng điốt bypass làm giảm ảnh hưởng của hiệu ứng bóng che 38
Chương 3: Bộ thí nghiệm năng lượng mặt trời 41
3.1 Giới thiệu về bộ thí nghiệm 41
3.1.1 Bản đế tựa 42
3.1.2 Solar cell unit 42
3.1.3 Bộ tải 1 43
3.1.4 Bộ Tải 2 44
3.1.5 Nguồn bức xạ 45
3.1.6 Dây nguồn 46
3.1.7 Tấm che bóng 46
3.1.8 Đồng hồ đo 47
3.1.9 Cáp kết nối 47
Chương 4: Tiến hành thí nghiệm 48
Thí nghiệm 1: Thí nghiệm kiểm tra sự chuyển đổi năng lượng của tấm pin 48
Thí nghiệm 2: Đo điện áp không tải của tấm pin Mặt trời khi bị bóng che 49
Thí nghiệm 3: Đo dòng điện ngắn mạch của tấm pin Mặt trời khi bị bóng che 51
Thí nghiệm 4: Giá trị dòng ngắn mạch với góc nghiêng khác nhau 53
Thí nghiệm 5: Đo các giá trị của tấm pin mắc nối tiếp khi có bóng che 55
Thí nghiệm 6: Đo các giá trị của tấm pin mắc song song khi có bóng che 58
Thí nghiệm 7: Đo dòng điện và điện áp của hệ thống với tải điện trở 61
Thí nghiệm 8: Đo điểm công suất cực đại của hệ thống pin mặt trời 63
Thí nghiệm 9: Đo dòng điện ngắn mạch với các góc bức xạ khác nhau 65
TÀI LIỆU THAM KHẢO 67
LỜI KẾT 68
Trang 9DANH MỤC HÌNH ẢNH, BẢNG BIỂU
Hình 1.1: Phổ điện từ 2
Hình 1.2: Phát xạ quang phổ của một vật thể đen 288K 2
Hình 1.3: Công thức tính tỉ trọng khí quyển 3
Hình 1.4: Vị trí của Mặt Trời và Trái Đất trong năm 4
Hình 1.5: Góc thiên độ 5
Hình 1.6: Hướng chiếu của ánh sáng Mặt Trời tới Trái Đất 6
Hình 1.7: Góc cao độ 6
Hình 1.8: Góc nghiêng của tấm pin 7
Hình 1.9: Góc giờ H 8
Hình 1.10: Vị trí Mặt Trời theo góc cao độ và phương vị 8
Hình 1.11: Chênh lệch giữa giờ mặt trời và giờ địa phương vào một số ngày trong năm 9
Hình 1.12: Các hướng của bức xạ đến tấm thu 10
Hình 1.13: Góc tới của tia sáng từ Mặt Trời 11
Hình 1.14: Góc phương vị của tấm thu 12
Hình 1.15: Bức xạ của ánh sáng Mặt Trời 12
Hình 1.16: Lượng bức xạ khuếch tán trên một tấm thu 13
Hình 1.17: Sự phản xạ của ánh sáng trên mặt đất 13
Hình 1.18: Hệ thống 1 trục xoay 14
Hình 1.19: Tác động của góc giờ H tới bộ thu 15
Hình 2.1: Một tấm cell pin mặt trời 16
Hình 2.2: Cấu tạo của pin mặt trời 17
Hình 2.3: Dải năng lượng của kim loại và chất bán dẫn 18
Hình 2.4: Quá trình kết hợp của cặp hole – electron 18
Hình 2.5: Các cặp lỗ trống – electron liên kết với nhau 19
Hình 2.6: Mức năng lượng của các chất bán dẫn 20
Hình 2.7: Silic hoá trị IV kết hợp với nguyên tố hoá trị V 20
Hình 2.8: Silic hóa trị IV kết hợp với nguyên tố hóa trị III 21
Trang 10Hình 2.9: Lớp chuyển tiếp p-n 21
Hình 2.10: Sơ đồ tương đương của pin mặt trời 22
Hình 2.11: Đặc tuyến làm việc I-V của pin mặt trời 22
Hình 2.12: Sự phụ thuộc của đặc tính I –V trong pin mặt trời vào cường độ bức xạ mặt trời 24
Hình 2.13: Sự phụ thuộc của đặc tính I – V vào nhiệt độ môi trường 24
Hình 2.14: Photovoltaic cells, Module, Array 25
Hình 2.15: Đặc tuyến I –V của pin mặt trời theo từng cell 25
Hình 2.16: Các module được ghép nối tiếp với nhau 26
Hình 2.17: Các module được ghép song song với nhau 27
Hình 2.18: Ghép nối hỗn hợp các module 27
Hình 2.19: Hệ thống PV làm việc độc lập 28
Hình 2.20: Hệ thống PV nối lưới đơn giản 28
Hình 2.21: Điểm vận hành của tải và hệ thống PV 29
Hình 2.22: Điểm làm việc của module tải trở 29
Hình 2.23: Sự thay đổi của điểm vận hành theo từng giá trị 30
Hình 2.24: Mô hình điện của nam châm vĩnh cửu DC 30
Hình 2.25: Đặc tính điện của động cơ DC nam châm vĩnh cửu 31
Hình 2.26: Đặc tuyến làm việc của động cơ DC 31
Hình 2.27: Đặc tuyến I –V của pin mặt trời theo từng cell 32
Hình 2.28: Hệ thống điện mặt trời đơn giản 33
Hình 2.29: Hệ thống gồm SPV và tải DC 34
Hình 2.30: Hệ thống SPV+ tải DC+ bộ điều khiển Electronic controller 34
Hình 2.31: Hệ thống gồm SPV, tải DC và tải AC 35
Hình 2.32: Hệ thống SPV+ tải DC+ bình Acquy+ ECC 35
Hình 2.33: Mạch tương đương của một tế bào quang điện 36
Hình 2.34: Ảnh hưởng của bóng che tới đặc tuyến I –V 37
Hình 2.35: Đặc tuyến I – V theo từng thời điểm bóng che 38
Hình 2.36: Điện áp ra của tấm pin khi bị che bóng và khi được chiếu sáng 38
Hình 2.37: Tấm pin có mắc thêm điốt Bypass 39 Hình 2.38: Ảnh hưởng của điốt bypass lên tấm pin khi bị bóng che 40
Trang 11Hình 2.39: Dòng và điện áp ra của chuỗi module nối tiếp 40
Hình 3.1: Bộ thí nghiệm năng lượng mặt trời 41
Hình 3.2: Bản tựa 42
Hình 3.3: Solar cell unit 43
Hình 3.4: Bộ tải 1 44
Hình 3.5: Bộ tải 2 44
Hình 3.6: Nguồn bức xạ 45
Hình 3.7: Dây nguồn 46
Hình 3.8: Tấm che bóng 46
Hình 3.9: Đồng hồ đo 47
Hình 3.10: Cáp kết nối 47
Hình 4.1: Thí nghiệm với tấm pin mặt trời 48
Hình 4.2: Sơ đồ đấu dây thí nghiệm hoạt động của tấm pin 48
Hình 4.3: Thí nghiệm điện áp không tải 49
Hình 4.4: Sơ đồ đấu dây thí nghiệm đo điện áp không tải với bóng ce 50
Hình 4.5: Đồ thị thể hiện giá trị điện áp không tải 51
Hình 4.6: Sơ đồ nguyên lý thí nghiệm ngắn mạch 51
Hình 4.7: Sơ đồ đấu dây thí nghiệm ngắn mạch 52
Hình 4.8: Biểu đồ thể hiện giá trị dòng điện 53
Hình 4.9: Sơ đồ thí nghiệm đo dòng ngắn mạch với các góc nghiêng khác
nhau 53
Hình 4.10: Sơ đồ đấu dây thí nghiệm dòng ngắn mạch với các góc nghiêng khác nhau 54
Hình 4.11: Dòng ngắn mạch tại các góc nghiêng khác nhau 55
Hình 4.12: Thí nghiệm với các tấm pin ghép nối tiếp 56
Hình 4.13: Sơ đồ đấu dây thí nghiệm đo điện áp và dòng điện trong ghép nối tiếp 56
Hình 4.14: Thí nghiệm với các tấm pin ghép song song 58
Trang 12Hình 4.15: Sơ đồ đấu dây thí nghiệm đo điện áp và dòng điện trong ghép song
song 59
Hình 4.16: Thí nghiệm đo giá trị điện áp với tải trở 61
Hình 4.17: Sơ đồ đấu dây thí nghiệm đo điện áp và dòng điện với tải trở 61
Hình 4.18: Biểu đồ dòng và điện áp của tấm pin tại các giá trị khác nhau 62
Hình 4.19: Thí nghiệm đo điểm công suất làm việc cực đại 63
Hình 4.20: Sơ đồ đấu dây thí nghiệm đo điểm công suất cực đại với tải trở 64
Hình 4.21: Biểu đồ thê hiện điểm công suất cực đại MPP 65
Hình 4.22: Thí nghiệm đo dòng ngắn mạch tại các góc bức xạ khác nhau 65
Hình 4.23: Sơ đồ đấu dây thí nghiệm đo dòng điện với góc bức xạ khác nhau 66 Hình 4.24: Biểu đồ giá trị dòng điện tại các góc khác nhau 66
Bảng 4.1: Giá trị điện áp không tải 50
Bảng 4.2: Giá trị dòng ngắn mạch 52
Bảng 4.3: Giá trị dòng ngắn mạch tại các góc bức xạ 54
Bảng 4.4: Giá trị điện áp và dòng điện tại từng tấm pin 57
Bảng 4.5: Giá trị điện áp và dòng điện tại các cell pin ghép nối tiếp 57
Bảng 4.6: Giá trị điện áp và dòng điện khi bị bóng che 57
Bảng 4.7: Giá trị điện áp và dòng điện tại các tấm pin 59
Bảng 4.8: Giá trị điện áp và dòng điện khi ghép song song các tấm pin 60
Bảng 4.9: Giá trị điện áp và dòng điện khi bị bóng che 60
Bảng 4.10: Giá trị điện áp và dòng điện với bức xạ ở mức 10 62
Bảng 4.11: Giá trị điện áp và dòng điện với bức xạ ở mức 8 62
Bảng 4.12: Giá trị công suất tính toán 64
Bảng 4.13: Giá trị dòng điện đo được 66
Trang 13CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT
Là vật thể vừa hấp thụ hoàn toàn, vừa bức xạ hoàn hảo
Bức xạ hoàn hảo – phát xạ lượng năng lượng trên mỗi đơn vị diện tích nhiều hơn bất kỳ một vật thể thực ở cùng nhiệt độ
Hấp thụ hoàn toàn – hấp thụ tất cả bức xạ, hoàn toàn không có phản xạ
Eλ công suất phát xạ trên mỗi đơn vị diện tích của vật thể đen (W/m2-μm)
T = nhiệt độ tuyệt đối (K)
Phổ điện từ:
Ánh sáng nhìn thấy được có bước sóng trong khoảng 0.4 đến 0.7 μm, với bước sóng của tia tử ngoại ngắn hơn và tia hồng ngoại dài hơn
Trang 15E = A𝜎𝑇4 (1.2)
E = tổng mức phát xạ của vật thể đen (W)
σ = hằng số Stefan-Boltzmann = 5.67x10-8 W/m2-K4
T = nhiệt độ tuyệt đối (K)
A = tổng diện tích bề mặt của vật thể đen (m2)
λmax =0.5 μm cho mặt trời, T = 5800 K
λmax = 10.1 μm với trái đất (một vật đen), T = 288 K
1.1.1 Tỷ trọng khí quyển - Air Mass Ratio
Khi tia sáng băng qua bầu khí quyển, lượng năng lượng đến được bề mặt trái đất sẽ bị suy giảm
h1 = chiều dài đường đi qua khí quyển với ánh nắng mặt trời ngay trên đỉnh đầu
h2 = chiều dài đường đi qua bầu khí quyển để đến bề mặt trái đất
Hình 1.3: Công thức tính tỉ trọng khí quyển
Trang 16β = góc cao độ của mặt trời
Air Mass ratio bằng 1 đồng nghĩa với mặt trời ngay trên đỉnh đầu (m=1)
AM0 ở bên ngoài bầu khí quyển
AM1.5 là trị trung bình trên bề mặt trái đất (m=1.5)
1.2 Quỹ đạo của Trái Đất
Trái Đất quay 1 vòng xung quanh Mặt Trời mất 365.25 ngày theo quỹ đạo hình elip
Khoảng cách từ Trái Đất đến mặt trời:
365 ]} km (1.4)
n = số ngày (bắt đầu từ ngày 1.1)
d (km) thay đổi từ 147×106 km vào ngày 2.1 đến
152×106 km vào ngày 3.7 (tương ứng với mùa đông và mùa hè)
Đơn vị góc tính bằng độ
Trong một ngày, trái đất quay 360,99˚
Quỹ đạo trái đất quay còn gọi là mặt phẳng hoàng đạo
Trái đất quay quanh một trục nghiên 23.45˚
Ngày và đêm dài bằng nhau vào ngày 21.3 và 21.9 (Xuân phân và Thu phân)
Đông chí là ngày mà Bắc cực xa mặt trời nhất
Hình 1.4: Vị trí của Mặt Trời và Trái Đất trong năm
Trang 171.2.1 Thiên độ δ - Solar Declination
Thiên độ δ – là góc hợp bởi mặt phẳng xích đạo với đường thẳng nối tâm mặt trời và tâm trái đất (δ<0 khi mặt trời ở bán cầu Nam)
δ biến thiên trong khoảng +/- 23.45˚
Là một hàm của hình sin tính theo ngày, bắt đầu từ ngày Xuân phân (n=81) tính cho cả năm 365 ngày
𝛿 = 23.45 sin [360
365(𝑛 − 81)] (1.5)
Góc thu giữa trưa:
Giữa trưa – khi mặt trời chiếu thẳng theo đường kinh tuyến
Phía Bắc bán cầu – mặt phẳng thu sẽ nghiêng một góc bằng đúng với vĩ độ vào thời điểm Xuân phân
Vào giữa trưa, tia nắng vuông góc với tấm thu
L < 0 ở bán cầu Nam
Hình 1.5: Góc thiên độ
Trang 18Cao độ giữa trưa β N - Altitude Angle:
Góc cao độ giữa trưa là góc giữa tia nắng mặt trời với mặt phẳng trái đất
𝛽𝑁 = 90° − 𝐿 + 𝛿 (1.6) Zenith – trục hướng tâm, vuông góc với mặt phẳng trái đất (hay đường chân trời)
Hình 1.6: Hướng chiếu của ánh sáng Mặt Trời tới Trái Đất
Hình 1.7: Góc cao độ
Trang 19Góc nghiêng tấm pin mặt trời:
Để tia nắng mặt trời chiếu vuông góc với dàn pin mặt trời thì góc nghiêng bằng:
α = 90° − 𝛽𝑁= 90° − 49.6° = 41.4° (1.7)
Ví dụ: 𝛽𝑁 = 49.6°
1.2.2 Góc cao độ và góc phương vị
Vị trí mặt trời trong ngày:
Vị trí mặt trời trong ngày được xác định theo góc cao độ β và góc phương vị ϕS
β và ϕS phụ thuộc vào vĩ độ, ngày và giờ
Góc phương vị (ϕS):
Góc phương vị (ϕS) > 0 vào buổi sáng
Góc phương vị (ϕS) < 0 vào buổi chiều
Lấy giờ giữa trưa là chuẩn
Trang 20Nếu xem trái đất quay một góc 15˚/giờ, thì:
Trang 21Sin 𝛽 = cos L.cos δ.cos H + sin L.sin δ (1.9)
Sin 𝛷𝑆 = cos δ.sin 𝐻
cos 𝛽 (1.10)
H = góc giờ (độ) (<0 vào buổi chiều)
L = vĩ độ (độ) (<0 ở bán cầu Nam)
Kiểm tra góc phương vị nhỏ hơn hay lớn hơn 90˚ theo phương Nam:
Nếu Cos H ≥ tan δ
tan 𝐿 => |𝛷𝑆| ≤ 90° (1.11) Nếu Cos H ≤ tan δ
tan 𝐿 => |𝛷𝑆| > 90° (1.12)
1.3 Số giờ nắng trong năm
1.3.1 Giờ mặt trời và giờ địa phương
Giờ mặt trời (ST): mọi thứ được đo tương đối so với mặt trời giữa trưa (khi mặt trời nằm trên đường kinh độ)
Giờ địa phương (CT): giờ tính theo kinh độ
Khi trái đất di chuyển qua quỹ đạo của nó, sự khác biệt giữa một ngày 24 giờ và một ngày mặt trời thay đổi theo một biểu thức được gọi là phương trình của thời gian
E = 9.87sin2B −7.53cosB −1.5sinB (1.13)
B = 360
364(𝑛 − 1) n: số ngày
Hình 1.11: Chênh lệch giữa giờ mặt trời và giờ địa phương vào một số ngày trong năm
Trang 22Kết hợp việc điều chỉnh kinh độ và phương trình thời gian cho chúng ta mối quan hệ cuối cùng giữa thời gian đồng hồ tiêu chuẩn địa phương (CT) và thời gian mặt trời (ST):
Giờ mặt trời (ST) = Giờ địa phương (CT) + 4 𝑚𝑖𝑛
độ (kinh độ giờ Meridian – kinh
Bức xạ phản xạ (Reflected radiation) IRC – phản chiếu từ bền mặt phản xạ
Cường độ bức xạ ngoài khí quyển I 0 :
Tính toán cho ngày bầu trời quang đãng
I0 là công suất bức xạ qua một đơn vị diện tích bên ngoài bầu khí quyển
I0 phụ thuộc vào khoảng cách giữa trái đất và mặt trời (có thể ước định được theo từng ngày trong năm)
Hình 1.12: Các hướng của bức xạ đến tấm thu
Trang 23Bỏ qua các vết đen của mặt trời, I0 có thể tính:
I0 = SC [1 + 0.034cos (360n
365)] (W/m2) (1.14) Hằng năm, chỉ gần một nửa I0 truyền tới được bề mặt trái đất dưới dạng bức xạ trực tiếp (IBC)
Khi trời quang, bức xạ trực tiếp có thể lên đến 70% I0
Có thể tính độ suy giảm cường độ bức xạ qua bầu khí quyển theo hàm mũ:
Trang 26độ Bức xạ trực tiếp trên bộ thu sẽ là 𝐼𝐵cos 𝛿
Để đánh giá bức xạ tán xạ và tái phản xạ, chúng ta cần biết góc nghiêng của bộ thu
Hình 1.18: Hệ thống 1 trục xoay
Trang 27Như có thể thấy trong hình, trong khi trục quay có độ nghiêng bằng vĩ độ, trừ khi nó là mặt trời giữa trưa, chính bản thân bộ thu được nghiêng ở một góc lẻ so với mặt phẳng nằm ngang Độ nghiêng hiệu dụng, là góc giữa bộ thu và mặt phẳng ngang, được cho bởi:
Trang 28CHƯƠNG 2: PIN QUANG ĐIỆN
2.1 Tế bào quang điện
2.1.1 Vật liệu
Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện) 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 Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện
Loại pin mặt trời thông dụng nhất hiện nay là loại sử dụng Silic tinh thể Tinh thể Silic tinh khiết là chất bán dẫn điện rất kém vì các điện tử bị giam giữ bởi liên kết mạng, không có điện tử tự do Khi bị ánh sáng hay nhiệt độ kích thích, các điện tử bị bứt ra khỏi liên kết, hay là các điện tử tích điện âm nhảy từ vùng hoá trị lên vùng dẫn
và để lại một lỗ trống tích điện dương trong vùng hoá trị Lúc này chất bán dẫn mới dẫn điện
Pin quang điện sử dụng vật liệu bán dẫn để chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng Các pin quang điện thường được làm từ các chất bán dẫn như Si, Se, Ga,
Te, Cd… Hiện nay pin quang được đang được sử dụng nhiều nhất chủ yếu được làm bằng các silic tinh thể Có 3 loại pin mặt trời làm từ tinh thể silic:
- Một tinh thể đơn hay tinh thể module Loại này thường đắt tiền do được cắt từ các thỏi hình ống, 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, sau đó được làm nguội và làm rắn Loại pin này thường rẻ hơn loại đơn tinh thể, nhưng lại có hiệu suất kém hơn
Hình 2.1: Một tấm cell pin mặt trời
Trang 29- 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 nhưng cũng là loại rẻ nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon
Về bản chất pin quang điện là một điốt bán dẫn bao gồm hai tấm pin bán dẫn loại P và loại N đặt sát cạnh nhau, khác ở chỗ là pin quang điện có diện tích bề mặt rộng và có lớp N cực mỏng để ánh sáng có thể truyền qua Trên bề mặt của pin quang điện có một lớp chống phản xạ vì khi chiếu ánh sáng vào pin mặt trời sẽ có một phần ánh sáng bị hấp thụ truyền qua lớp N và một phần ánh sáng sẽ bị phản xạ ngược lại còn một phần ánh sáng sẽ đến được lớp chuyển tiếp, nơi có các cặp electron và lỗ trống nằm trong điện trường của bề mặt giới hạn Với các bước sóng thích hợp sẽ truyền cho electron một năng lượng đủ lớn để thoát khỏi liên kết Khi thoát khỏi liên kết dưới tác dụng của điện trường electron sẽ bị kéo về phía bán dẫn loại N, còn lỗ trống bị kéo về phía bán dẫn loại P Khi đó nếu nối hai cực vào hai phần bán dẫn loại P
và loại N sẽ đo được một hiệu điện thế Giá trị của hiệu điện thế này phụ thuộc vào bản chất của chất làm bán dẫn và tạp chất được hấp thụ
Hình 2.2: Cấu tạo của pin mặt trời
Trang 30Mức năng lượng:
Ở nhiệt độ không tuyệt đối Silicon là chất cách điện hoàn hảo Không có các electron tự do di chuyển xung quanh như kim loại khi nhiệt độ tăng lên, một số electron sẽ được cung cấp đủ năng lượng để tự giải thoát khỏi hạt nhân của chúng hình
thành một dòng điện chạy quanh
Ở trong kim loại có một dải năng lượng trong dây dẫn, cho phép dòng điện dễ dàng di chuyển trong đó Trong chất bán dẫn, ở nhiệt độ không tuyệt đối thì không có
Hình 2.3: Dải năng lượng của kim loại và chất bán dẫn
Hình 2.4: Quá trình kết hợp của cặp hole – electron
Trang 31electron tự do di chuyển ở trong dải băng, chất bán dẫn cách điện
Khi một photon có đủ năng lượng có thể tạo ra một cặp lỗ trống-electron như hình 2.4(a) Một electron có thể tái kết hợp với lỗ trống và giải phóng một photon của năng lượng hình 2.4(b)
Khi một lỗ trống được lấp đầy bởi một electron hóa trị gần đó, môt lỗ trống mới lại xuất hiện để di chuyển Do đó, các photon có đủ năng lượng để tạo ra một cặp lỗ trống – electron trong một chất bán dẫn Các photon được đặc trưng bởi bước sóng hoặc tần số của chúng cũng như năng lượng của chúng, chúng có mối liên hệ qua công thức sau:
Trang 32Mối nối P – N
zPin mặt trời là một bán dẫn gồm 2 lớp bán dẫn loại P và loại N kết nối với nhau Một solar cell được tiếp xúc với photon với năng lượng ở dải năng lượng, một cặp lỗ trống – electron được tạo thành Tuy nhiên, các electron đó có thể rơi ngược trở lại lỗ trống khiến cả hai điện tích đều biến mất
Để tăng độ dẫn điện cho Silicon, các nhà khoa học đã “tạp chất hóa” nó bằng cách kết hợp nó với các vật liệu khác Khi kết hợp Silicon với các vật liệu khác tạo ra được nhiều lỗ trống và electron
Hình 2.6: Mức năng lượng của các chất bán dẫn
Hình 2.7: Silic hoá trị IV kết hợp với nguyên tố hoá trị V
Trang 33Để tạo ra lớp bán dẫn loại N, ta dùng Si có hóa trị IV kết hợp với một nguyên tố
có hóa trị V như Phôtpho Khi đó các ion của 2 nguyên tử kết hợp với nhau, do P có hóa trị V nên còn một electron tự do bên ngoài Electron tự do tạo thành một lớp bao quanh bên ngoài lớp N
Để tạo ra lớp bán dẫn loại P, ta dùng Si có hóa trị IV kết hợp với một nguyên tố
có hóa trị III Khi đó các ion của 2 nguyên tử kết hợp với nhau, do nguyên tố có hóa trị III nên khi 2 nguyên tử kết hợp có một lỗ trống tự do ở bên ngoài Các lỗ trống liên kết với nhau tạo nên một lớp mỏng trên bề mặt lớp P
Hình 2.8: Silic hóa trị IV kết hợp với nguyên tố hóa trị III
Hình 2.9: Lớp chuyển tiếp p-n
Trang 34Khi đường giao nhau giữa 2 bán dẫn p –n được hình thành, các lỗ trống ở lớp p
di động về phía lớp n, còn các electron di động về phía lớp p Khi chúng xuyên qua mối giao nhau giữa 2 lớp p – n, trường điện tích tụ lại và phản ứng nhanh chóng
2.1.2 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 bằng công thức:
P = U×I (2.3)
Hình 2.11: Đặc tuyến làm việc I-V của pin mặt trời
Hình 2.10: Sơ đồ tương đương của pin mặt trời
Trang 35Khi được chiếu sáng thì pin quang điện phát ra một dòng quang điện 𝐼𝑆𝐶 vì vậy pin mặt trời được xem như một nguồn dòng Lớp tiếp xúc p – n có tính chất chỉnh lưu tương đương một điốt Tuy nhiên khi phân cực ngược, do diện tích tiếp xúc có giới hạn nên cũng có một dòng điện rò qua nó Đặc trưng cho dòng điện rò qua lớp tiếp súc
p – n là điện trở 𝑅𝑆𝐻
Dòng quang điện chạy trong mạch phải qua lớp bán dẫn p, n và các điện cực, các tiếp xúc… Đăc trưng cho tổng các điện trở của các lớp đó là điện trở 𝑅𝑆 mắc nối tiếp trong mạch
Từ sơ đồ tương đương, ta có phương trình đặc trưng V-I của pin mặt trời như sau:
I = 𝐼𝑆𝐶 – 𝐼0 (𝑒𝑞(𝑉+𝐼𝑅𝑆)𝐾𝑇 − 1) − 𝑉+𝐼𝑅𝑆
𝑅 𝑆𝐻 (2.4)
𝐼𝑆𝐶 là dòng quang điện (dòng ngắn mạch khi không có 𝑅𝑆 và 𝑅𝑆𝐻)
𝐼0 là dòng bão hòa (A)
q là điện tích của điện tử q = 1.6×10-19 C
T là nhiệt độ tuyệt đối (K)
K là hệ số Boltzman = 1.38×10-23 J/K
V, I, 𝑅𝑆, 𝑅𝑆𝐻 lần lượt là điện áp ra, dòng điện ra, điện trở của pin mặt trời trên
sơ đồ tương đương
2.1.3 Những yếu tố bên ngoài ảnh hưởng tới pin mặt trời
Khí hậu thời tiết ảnh hưởng rất lớn đối với hoạt động của pin mặt trời Trong đó nhiệt độ và cường độ ánh sáng là những yếu tố tiêu biểu ảnh hưởng mạnh nhất tới đặc tính I – V của pin mặt trời dẫn tới thay đổi về điểm làm việc có công suất lớn nhất MPP của pin mặt trời
Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng:
Dòng ngắn mạch 𝐼𝑆𝐶 tỉ lệ thuận với cường độ bức xạ chiếu sáng Cường độ bức
xạ càng lớn thì dòng ngắn mạch 𝐼𝑆𝐶 càng lớn và ngược lại Do dòng điện và điện áp tăng dẫn tới công suất hoạt động của pin cũng tăng, điểm công suất cực đại MPP tăng
lên di chuyển về phía trên khi cường độ bức xạ chiếu sáng tăng lên
Trang 36Ảnh hưởng của nhiệt độ:
Khi nhiệt độ tăng thì điện áp hoạt động của pin mặt trời giảm mạnh, còn dòng điện thì tăng ít
Công suất của pin mặt trời giảm khi nhiệt độ tăng
2.2 Cell, Module, Array
Thành phần cơ bản của hệ thống PV là tế bào quang điện, hay còn gọi là tế bào năng lượng mặt trời Một Solar cell là một thiết bị bán dẫn có thể chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng thông qua “Hiệu ứng quang điện” (chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện)
Hình 2.12: Sự phụ thuộc của đặc tính I –V trong pin mặt trời vào cường độ bức xạ mặt trời
Hình 2.13: Sự phụ thuộc của đặc tính I – V vào nhiệt độ môi trường
Trang 37Solar cell là phần tử nhỏ nhất cấu tạo thành pin mặt trời, các tế bào pin mặt trời ghép nối lại với nhau tạo thành 1 module Một module thường có 36 cell kết nối với nhau
Khi pin quang điện được kết nối theo chuỗi, tất cả đều có dòng điện bằng nhau
và điện áp tại các solar cell liên kết với nhau là khác nhau
Hình 2.14: Photovoltaic cells, Module, Array
Hình 2.15: Đặc tuyến I –V của pin mặt trời theo từng cell
Trang 38Với số lượng cell kết nối với nhau ta thu được giá trị điện áp tương ứng với số cell được liên kết với nhau Giá trị điện áp module:
Vmodule = n.(Vd – IRS) (2.5)
Để xây dựng một hệ thống có công suất lớn ta cần ghép các module lại với nhau tạo thành chuỗi Array Có hai cách ghép phổ biến đó là ghép nối tiếp và ghép song song Các module có thể được ghép nối tiếp với nhau để tăng điện áp hoặc ghép song song với nhau để tăng dòng điện Yếu tố quan trọng trong việc thiết kế hệ thống PV là phải xác định được số lượng module cần để ghép nối tiếp nhau hay song song để cung cấp đủ công suất cần thiết
Với các module mắc nối tiếp, đường cong đặc tuyến I – V được thêm vào dọc theo trục điện áp Tức là, dòng điện qua các modele là bằng nhau còn điện áp chính là tổng điện áp của các module riêng lẻ cộng lại với nhau
Hình 2.16: Các module được ghép nối tiếp với nhau
Trang 39Với các module mắc song song với nhau, thì điện áp rơi trên mỗi module là bằng nhau, dòng điện tổng là dòng qua các module cộng lại với nhau Tại một giá trị điện áp bất kỳ, đường cong đặc tuyến I – V trong ghép song song thể hiện giá trị dòng điện trên các module riêng lẻ tại giá trị điện áp đó
Khi cần năng suất cao, hệ thống được ghép nối hỗn hợp, có nghĩa là hệ thống được ghép nối tiếp và song song với nhau Tổng đường cong I – V trong hệ thống là tổng đường cong I –V của các module riêng lẻ
Hiện nay cách ghép hỗn hợp đang được áp dụng chủ yếu khi lắp đặt hệ thống điện năng lượng mặt trời Cách ghép nối hỗn hợp mang lại hiệu suất cao hơn đáp ứng nhu cầu đầu ra của hệ thống
Hình 2.17: Các module được ghép song song với nhau
Hình 2.18: Ghép nối hỗn hợp các module
Trang 402.3 Hệ thống PV
Hệ thống pin mặt trời (hệ PV – photovoltaic system) được chia thành 2 loại cơ bản:
- Hệ PV làm việc độc lập
- Hệ PV làm việc nối lưới
Hệ PV độc lập thường được sử dụng ở ngững vùng xa xôi hẻo lánh, nơi mà lưới điện không kéo đến được
Với hệ PV làm việc nối lưới, mạng lưới pin mặt trời được mắc với lưới điện qua
bọ biến đổi mà không cần bộ dự trữ năng lượng Trong hệ này, bộ biến đổi DC/AC làm việc với lưới phải đồng bộ với lưới điện về tần số và điện áp
Hình 2.19: Hệ thống PV làm việc độc lập
Hình 2.20: Hệ thống PV nối lưới đơn giản