Đánh giá chất lượng hệ thống thông tin vô tuyến sử dụng phần mềm MATLAB

CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI THÀNH NĂNG LƯỢNG ĐIỆN ...6 2.1.. Các thành phần của hệ thống biến đổi năng lượng mặt trời thànhnăng lượng điện.. TÓM TẮT Đ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

NGHỆ AN - 01/2013

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Bùi Đức Chung Số hiệu sinh viên:0751080428

Ngành: Điện tử - Viễn thông Khoá: 49

1 Đầu đề đồ án:

2 Các số liệu và dữ liệu ban đầu:

3 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

4 Các bản vẽ, đồ thị (ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ):

Họ tên giảng viên hướng dẫn: ThS Tạ Hùng Cường 1 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: ./ /20

2 Ngày hoàn thành đồ án: ./ /20

Ngày tháng năm 2013

Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày tháng năm 2013

CÁN BỘ PHẢN BIỆN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Bùi Đức Chung Số hiệu sinh viên: 0751080428

Ngành: Điện tử - Viễn thông Khoá: 49

Giảng viên hướng dẫn: ThS Tạ Hùng Cường Cán bộ phản biện:

1 Nội dung thiết kế tốt nghiệp:

2 Nhận xét của cán bộ phản biện:

Ngày tháng năm 2013

Cán bộ phản biện

Ký, ghi rõ họ và tên )

MỤC LỤC

Trang

LỜI NÓI ĐẦU i

TÓM TẮT ĐỀ TÀI ii

DANH MỤC CÁC BẢNG iii

DANH MỤC HÌNH VẼ iv

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1

1.1 Mặt trời và nguồn bức xạ mặt trời 1

1.2 Tiềm năng năng lượng mặt trời Việt Nam 3

1.3 Ưu điểm và nhược điểm của điện năng lượng mặt trời 5

1.3.1 Ưu điểm 5

1.3.2 Nhược điểm 6

1.4 Ứng dụng năng lượng mặt trời để sản xuất điện ở Việt Nam 6

CHƯƠNG II CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI THÀNH NĂNG LƯỢNG ĐIỆN 6

2.1 Pin năng lượng mặt trời 7

2.1.1 Cấu tạo 7

2.1.2 Sơ đồ tương đương của pin mặt trời 14

2.1.3 Tấm pin mặt trời 21

2.1.4 Điểm công suất cực đại MPP (max power point) 22

2.1.5 Hệ số lấp đầy và hiệu suất của pin mặt trời 24

2.1.6 Khảo sát đặc tính pin mặt trời ở điều kiện lý tưởng 24

2.2 Bộ chuyển đổi DC-AC (Inverter) 27

2.3 Batery (Ắc-quy) 31

2.3.1 Giới thiệu chung về ắc quy 31

2.3.2 Cấu tạo của ắc-quy 32

2.3.3 Phân loại và nguyên lý hoạt động của ắc quy 32

2.3.4 Một số đặc tính của ắc quy 35

2.3.4 So sánh hai loại ắc quy thông dụng 37

CHƯƠNG III THIẾT KẾ, THI CÔNG HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI THÀNH NĂNG LƯỢNG ĐIỆN 40

3.1 Phương pháp thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời 40

3.2 Thiết kế bộ chuyển đổi DC-AC công suất 600W 43

3.3 Mạch sạc ắc quy 54

3.3.1 Sơ đồ nguyên lý 54

3.3.2 Các linh kiện chính dùng trong mạch 55

3.4 Kết quả thực hiện 56

3.4.1 Kết quả thi công mạch 56

3.4.2 Nhận xét 59

3.4.3 Hướng phát triển đề tài 59

KẾT LUẬN 60

PHỤ LỤC 62

LỜI NÓI ĐẦU

Việc sử dụng năng lượng đã đánh dấu một mốc rất quan trọng trong sự pháttriển của khoa học kỹ thuật Từ đó đến nay, năng lượng được sự dụng ngày càngnhiều, nhất là trong những thập niên gần đây Trong cơ cấu năng lượng hiện nay,nguồn năng lượng chủ yếu than đá, dầu mỏ, khí tự nhiên Tiếp đó là nguồn nănglượng nước thủy điện, năng lượng hạt nhân, năng lượng sinh khối (bio.gas, …) nănglượng mặt trời, năng lượng gió chỉ chiếm một phần khiêm tốn

Nhu cầu ngồn năng lượng phục vụ con người ngày càng cao Tuy nhiên,năng lượng hóa thạch, năng lượng không tái sinh ngày càng kiệt, ảnh hưởng xấuđến sự phát triển kinh tế xã hội và môi trường sống Việc tìm kiếm nguồn nănglượng thay thế là nhiệm vụ cấp bách Nguồn năng lượng thay thế đó cần thân thiệnvới môi trường, chi phí thấp, có thể tái sinh, và dễ sử dụng

Từ lâu, loài người đã sử dụng năng lượng mặt trời Nguồn năng lượng hầu như

vô tận, đáp ứng hầu hết các tiêu chí nêu trên Nhiều công trình nghiêng cứu đã được thựchiện, năng lượng mặt trời không chỉ là năng lượng của tương lai mà còn là năng lượng

của hiện tại Do đó em đã lựa chọn đề tài “Nguyên cứu, thiết kế, chế tạo bộ biến đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện phục vụ chiếu sáng gia đình” Đồ án này

trình bày tổng quan về hệ thống biến đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện

Đồ án gồm 3 chương với nội dung sau:

Chương 1 Tổng quan về năng lượng mặt trời

Chương 2 Các thành phần của hệ thống biến đổi năng lượng mặt trời thànhnăng lượng điện

Chương 3 Thiết kế, chế tạo bộ biến đổi năng lượng mặt trời thành nănglượng điện phục vụ chiếu sáng gia đình

Do thời gian có hạn, kinh nghiệm, kiến thức bản thân còn hạn chế nên đồ ánkhông tránh khỏi những thiếu sót, em mong được sự góp ý của thầy cô và các bạn

để đồ án được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến ThS Tạ Hùng Cường và các thầy cô

đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em hoàn thành đồ án này

Sinh viên thực hiện

Bùi Đức Chung

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Đồ án đã trình bày tổng quan về hệ thống biến đổi năng lượng mặt trờithành năng lượng điện, cũng như trình bày tổng quan về các thành phần trong hệthống biến đổi năng lượng hiện nay, từ đó tính toán thiết kế thi công bộ biến đổinăng lượng mặt trời thành điện năng phục vụ chiếu sáng

ABSTRACT

Thesis presents about overview of solar conversion system to electricalenergy, as well as presents about overview of elements in electrical energyconversion system at the moment From this basis, we calculate, execute solarconversion system to electrical energy for home lighting

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang Bảng 2.1: Các thành phần trong hệ thống biến đổi năng lượng mặt trời thành

năng lượng điện 7

Bảng 2.2: Sự phụ thuộc dung lượng vào mức điện áp 36

Bảng 2.3: Dung lượng của ắc quy phụ thuộc vào cường độ dòng phóng 37

Bảng 2.4: So sánh ắc quy axít kiểu hở và ắc quy axít kiểu kín khí 38

Bảng 3.1: Thông số, điều kiện hoạt động của trasistor H1061 49

Bảng 3.2: Bảng thông số, điều kiện hoạt động trasistor 2SC5200 51

Bảng 3.3: Thông số hoạt động của IC LM317 55

Bảng 3.4: Thông số hoạt động của trasistor B688 56

Bảng 4.1: Thống kê cường độ bức xạ năm 2011 của thành phố Buôn Mê Thuột .62

Bảng 4.2: Thống kê cường độ bức xạ năm 2011 của thành phố Đà Nẵng 63

Bảng 4.3: Thống kê cường độ bức xạ năm 2011 của thành phố Hà Nội 64

Bảng 4.4: Thống kê cường độ bức xạ năm 2011 của thành phố Hồ Chí Minh .65

Bảng 4.5: Thống kê cường độ bức xạ năm 2011 của thành phố Huế 66

DANH MỤC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.1: Cấu trúc mặt trời 1

Hình 1.2: Dải bức xạ điện từ 2

Hình 2.1: Các thành phần của một hệ thống điện năng lượng mặt trời 7

Hình 2.2: Cấu tạo của pin năng lượng mặt trời 7

Hình 2.3: Các loại cấu trúc tinh thể của pin mặt trời 8

Hình 2.4: Cấu tạo tinh thể silic 9

Hình 2.5: Cấu tạo tinh thể silic pha tạp Buron 10

Hình 2.6: Cấu tạo tinh thể silic pha tạp photpho 10

Hình 2.7: Quá trình tạo một pin mặt trời 10

Hình 2.8: Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 11

Hình 2.9: Hệ thống 2 mức năng lượng trong đó E1 < E2 11

Hình 2.10: Các vùng năng lượng 12

Hình 2.11: Hiện tượng quang điện xảy ra trên lớp tiếp xúc p-n 13

Hình 2.12: Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 14

Hình 2.13: Sơ đồ tương đương của pin mặt trời 15

Hình 2.14: Sơ đồ tương đương của pin mặt trời gồm một nguồn dòng mắc song song với một diode lý tưởng 15

Hình 2.15: Dòng ngắn mạch ISC 16

Hình 2.16: Dòng hở mạch ISC 16

Hình 2.17: Đồ thị V-A của pin mặt trời 17

Hình 2.18: Đồ thị V-A của ví dụ 17

Hình 2.19: Sơ đồ tương đương đơn giản với Rsh mắc song song .18

Hình 2.20: Đồ thị V-A của sơ đồ tương đương có Rsh mắc song song 18

Hình 2.21: Sơ đồ tương đương đơn giản với RS mắc nối tiếp 19

Hình 2.22: Đồ thị V - A của mạch điện tương đương có Rs mắc nối tiếp 19

Hình 2.23: Sơ đồ tương đương gồm Rsh và Rs 20

Hình 2.24: Đồ thị V - A của sơ đồ tương đương trên với Rsh = 1Ω, Rs = 0,05Ω 20

Hình 2.25: Mắc nối tiếp hoặc song song các pin mặt trời 21

Hình 2.26: Đồ thị V - A của một tấm pin mặt trời 21

Hình 2.27: Tấm pin mặt trời 21

Hình 2.28: Mắc nối tiếp các tấm pin mặt trời 22

Hình 2.29: Mắc song song các tấm pin mặt trời 22

Hình 2.30: Các giá trị chuẩn của một tấm pin mặt trời trong điều kiện chuẩn 22

Hình 2.31: Đồ thị V - A và đồ thị công suất của pin mặt trời 23

Hình 2.32: Xác định điểm MPP 23

Hình 2.33: Đặc tuyến V-A của pin mặt trời 25

Hình 2.34: Đường đặc tuyến V-A, công suất và điểm cực đại công suất MPP 25

Hình 2.35: Đồ thị V - A với sự thay đổi của cường độ ánh sáng 26

Hình 2.36: Đặc tuyến V - A dưới sự thay đổi của nhiệt độ 26

Hình 2.37: Đồ thị V - A khi mắc nối tiếp các pin lại với nhau 27

Hình 2.38: Đồ thị V - A khi các pin được mắc song song 27

Hình 2.39: Mạch Inverter dùng cổng NAND IC SN7400 28

Hình 2.40: Mạch Inverter dùng 2N3055 28

Hình 2.41: Mạch Inverter sử dụng dao động đơn 29

Hình 2.42: Sơ đồ mạch cầu H 29

Hình 2.43: Dạng sóng đầu ra 30

Hình 2.44: Một số loại ắc quy 31

Hình 2.45: Cấu tạo ắc quy 32

Hình 2.46: Mô phỏng bản cực ắc quy a-xít 33

Hình 2.47: Các trạng thái hóa học trong các quá trình phóng - nạp 33

Hình 2.48: Các bản cực của ắc quy được gắn song song nhau 34

Hình 2.49: Bố trí các ngăn ắc quy 35

Hình 2.50: Sự phụ thuộc dung lượng vào mức điện áp 35

Hình 3.1: Ngôi nhà sử dụng năng lượng mặt trời 40

Hình 3.2: Sơ đồ khối mạch inverter 43

Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển đổi 44

Hình 3.4: Sơ đồ chân IC CD4047 45

Hình 3.5: Sơ đồ khối bên trong IC CD4047 46

Hình 3.6: Dạng sóng đầu ra của IC CD 4047 47

Hình 3.7: Sơ đồ chân IC LM358 48

Hình 3.8: Ảnh thực tế IC LM358 48

Hình 3.9: Sơ đồ phần tử khuếch đại thuật toán 49

Hình 3.10: Sơ đồ chân transistor H1061 50

Hình 3.11: Sơ đồ chân transistor 2SC5200 51

Hình 3.12: Sơ đồ khối biến áp thường 52

Hình 3.13: Hình dạng lõi thép 52

Hình 3.14: Sơ đồ khối mạch sạc ắc quy 54

Hình 3.15: Ảnh thực tế IC LM317 55

Hình 3.16: Ảnh thực tế transitor B688 56

Hình 3.17: Mạch in 56

Hình 3.18: Mạch sau khi gắn linh kiện 57

Hình 3.19: Bộ chuyển đổi DC-AC hoạt động 57

Hình 3.20: Kết quả đo điện áp pin năng lượng mặt trời 57

Hình 3.21: Kết quả đo điện áp đầu ra bộ chuyển đổi DC-AC 58

Hình 3.22: Đo tần số dòng điện đầu ra của bộ chuyển đổi DC-AC 58

Hình 3.23: Đo điện áp bộ sạc ắc quy 58

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

1.1 Mặt trời và nguồn bức xạ mặt trời

Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1,390.106km (lớn hơn 110lần đường kính trái đất), cách xa trái đất 150.106km Khối lượng mặt trời khoảng

M0 =2.1030kg Nhiệt độ T0 ở trung tâm mặt trời thay đổi trong khoảng từ 10.106Kđến 20.106K, trung bình khoảng 15,6.106K Ở nhiệt độ này vật chất không thể giữđược cấu trúc trật tự thông thường gồm các nguyên tử và phân tử Nó trở thànhplasma trong đó các hạt nhân của nguyên tử chuyển động tách biệt với cácelectron Khi các hạt nhân tự do có va chạm với nhau sẽ tạo ra những vụ nổ nhiệthạch Khi quan sát tính chất của vật chất nguội hơn trên bề mặt nhìn thấy được củamặt trời, các nhà khoa học đã kết luận rằng có phản ứng nhiệt hạch xảy ra ở tronglòng mặt trời Mặt Trời không có ranh giới rõ ràng như ở các hành tinh có đất đá.Ngược lại, mật độ các khí giảm dần xuống theo quan hệ số mũ theo khoảng cáchtính từ tâm Mặt Trời Bán kính của Mặt Trời được đo từ tâm tới phần rìa ngoài củaquang quyển

Hình 1.1: Cấu trúc mặt trời [9]

Về cấu trúc, mặt trời có thể chia làm 4 vùng, tất cả hợp thành mộtkhối cầu khí khổng lồ Vùng giữa gọi là nhân có những chuyển động đối lưu, nơixảy ra những phản ứng nhiệt hạt nhân tạo nên nguồn năng lượng mặt trời, vùng này

có bán kính khoảng 175.000km, khối lượng riêng 160kg/dm3, nhiệt độ ước tính từ

14 đến 20 triệu độ, áp suất vào khoảng hàng trăm tỷ atmotphe Vùng kế tiếp là vùngtrung gian còn gọi là vùng “đổi ngược” năng lượng truyền từ trong ra ngoài, vậtchất ở vùng này gồm có sắt (Fe), can xi (Ca), nát ri (Na), stronti (Sr), crôm (Cr), kền(Ni), cácbon ( C), silíc (Si) và các khí như hiđrô (H2), hêli (He), chiều dày vùng nàykhoảng 400.000km Tiếp theo là vùng “đối lưu” dày 125.000km và vùng “quangcầu” có nhiệt độ khoảng 6000K, dày 1000km, ở vùng này gồm các bọt khí sôi sục,

có chỗ tạo ra các vết đen, là các hố xoáy có nhiệt độ thấp khoảng 4500K và các tailửa có nhiệt độ từ 7000K -10000K Vùng ngoài cùng là vùng bất định và gọi là “khíquyển” của mặt trời [9]

Trong toàn bộ bức xạ của Mặt trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các phảnứng hạt nhân xảy ra trong Mặt trời không quá 3% Bức xạ γ ban đầu khi đi qua 5.105

km chiều dài của lớp vật chất Mặt trời của biến đổi rất mạnh Tất cả các dạng của bức

xạ điện từ đều có bản chất sóng và chỉ khác nhau ở bước sóng Bức xạ γ là sóng ngắnnhất trong các sóng đó, phát ra từ tâm Mặt trời Do sự va chạm hoặc tán xạ mà nănglượng của chúng giảm đi và chuyển thành bức xạ Rơnghen có bước sóng dài hơn

Hình 1.2: Dải bức xạ điện từ

Đặc trưng của bức xạ Mặt trời truyền trong không gian bên ngoài Mặt trời làmột phổ rộng trong đó cực đại của cường độ bức xạ nằm trong dải 10-1-10µm nhưngmột nửa tổng năng lượng Mặt trời tập trung trong khoảng bước sóng cửa sổ nhìnthấy 0,38 - 0,78 µm

Chùm tia truyền thẳng từ Mặt trời gọi là bức xạ trực xạ Tổng hợp các tiatrực xạ và tán xạ gọi là tổng xạ Mật độ dòng bức xạ trực xạ ở ngoài lớp khí quyển,tính đối với 1m2 bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ, được tính theo công thức [4]:

q = D-TC0(T/100)4 (1.1)

Trong đó: D-T: Hệ số góc bức xạ giữa Trái đất và Mặt trời.

là không đổi và được gọi là hằng số Mặt trời

Khi truyền qua lớp khí quyển bao bọc quanh Trái đất, các chùm tia bức xạ bịhấp thụ và tán xạ ở tầng ozon, hơi nước và bụi trong khí quyển, chỉ một phần nănglượng được truyền trực tiếp đến Trái đất Toàn bộ bức xạ tử ngoại được sử dụng đểduy trì quá trình phân ly và hợp nhất của O, O2 và O3 đó là quá trình ổn định Do đó,khi đi qua khí quyển, bức xạ tử ngoại biến đổi thành bức xạ với năng lượng nhỏhơn Bức xạ mặt trời khi đi qua khí quyển còn bị sự hấp thụ của các phần tử hơinước, khí cacbônic và các hợp chất khác, mức độ của sự hấp thụ này phụ thuộc vàobước sóng, mạnh nhất ở khoảng giữa vùng hồng ngoại của phổ Phần năng lượngbức xạ mặt trời truyền tới bề mặt trái đất trong những ngày quang đãng (không cómây) ở thời điểm cao nhất vào khoảng 1000W/m2

Ứng dụng của năng lượng mặt trời: Đối với cuộc sống của loài người, nănglượng Mặt Trời là một nguồn năng lượng tái tạo quý báu Có thể chuyển năng lượngcác photon của Mặt Trời thành điện năng, như trong pin Mặt Trời Năng lượng củacác photon cũng có thể được hấp thụ để làm nóng (chuyển thành nhiệt năng) sửdụng cho bình đun nước Mặt Trời, hoặc làm sôi nước trong các máy nhiệt điện củatháp Mặt Trời

1.2 Tiềm năng năng lượng mặt trời Việt Nam

Trong bối cảnh nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt, giá dầu thế giới tăngcao và sự phụ thuộc ngày càng nhiều hơn vào giá năng lượng thế giới, khả năng đápứng năng lượng đủ cho nhu cầu trong nước ngày càng khó khăn và trở thành một

thách thức lớn Như vậy, “việc xem xét khai thác nguồn năng lượng tái tạo sạch có

ý nghĩa hết sức quan trọng cả về kinh tế, xã hội, an ninh lượng thực và phát triểnbền vững”, Thứ trưởng Bộ Công thương Nguyễn Nam Hải phát biểu trong một buổihội thảo về các nguồn năng lượng mới, vừa được tổ chức tại Hà Nội Ông cũng chorằng “Việt Nam là nước có nguồn tài nguyên tái tạo sạch khá dồi dào, có khả năngthay thế các nguồn năng lượng hóa thạch, giảm thiểu tác động tới môi trường” [6]

Theo đánh giá của các chuyên gia, cùng với năng lượng gió, năng lượng mặttrời là 2 trong số các nguồn năng lượng tái tạo khả thi và có nhiều tiềm năng khaithác, phát triển nhất của Việt Nam Số liệu điều tra tính toán của ngành khí tượngthủy văn cho thấy, cường độ bức xạ mặt trời trung bình ngày trong năm ở khu vựcphía Bắc là 3,69 kWh/m2 và ở phía Nam là 5,9 kWh/m2 Tính trung bình toàn quốcthì bức xạ mặt trời dao động từ 3,8- 5,2 kWh/m2/ngày Số giờ nắng trung bình năm

ở phía Bắc là 1.600 giờ và ở phía Nam là 2700 giờ Miền Trung và miền Nam hầunhư nắng quanh năm, bức xạ nhiệt ổn định, rất phù hợp và thuận lợi để phát triểnđiện mặt trời [6]

Những năm qua, Chính phủ đã quan tâm đầu tư cho nghiên cứu khai thác sửdụng các nguồn năng lượng tái tạo, trong đó có điện mặt trời Tuy nhiên, các thànhtựu đạt được cho đến nay mới chỉ là bước đầu triển khai ứng dụng các công nghệtiên tiến quang điện để cấp điện và quang nhiệt để cấp nhiệt phục vụ cho nhu cầuphát triển kinh tế - xã hội Hiện tại, cả nước mới chỉ khai thác được khoảng 2,5MWp, chủ yếu là các tấm pin mặt trời được lắp đặt trên nóc các công trình xâydựng, các trạm thu phát sóng viễn thông, các cơ quan an ninh quốc phòng, giaothông vận tải tại vùng sâu vùng xa, hải đảo chưa có điện lưới quốc gia [6]

Nhiều quốc gia đã và đang đầu tư mạnh mẽ cho nghiên cứu triển khai, nêncông nghệ sử dụng năng lượng mặt trời ngày càng được hoàn thiện, đa dạng, giáthành ngày càng hạ, phạm vi ứng dụng ngày càng rộng Thị trường điện mặt trờihàng năm tăng trưởng từ 50-60% với sản lượng năm 2012 ước khoảng 30GW Nếuthị trường điện mặt trời được hình thành sẽ là một trong những giải pháp quan trọngđáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng trong khi các nguồn năng lượng hóathạch ngày càng cạn kiệt của nước ta [6]

1.3 Ưu điểm và nhược điểm của điện năng lượng mặt trời

1.3.1 Ưu điểm

a.Khả năng kinh tế:

- Các hệ thống năng lượng mặt trời ít phải bảo dưỡng và tuổi thọ kéo dàitrong nhiều năm

- Sau xây dựng, sản phẩm thu được từ chuyển hóa năng lượng mặt trời sẽmang lại hiệu qua kinh tế cao và không phải tiếp tục đầu tư

- Được hưởng sự ưu đãi của chính phủ

- Nếu hệ thống pin mặt trời sản xuất năng lượng nhiều hơn sử dụng, chínhphủ có thể mua lại phần điện đó

- Sản xuất điện từ Năng lượng mặt trời không phụ thuộc vào nguồn nhiênliệu nào khác

b Thân thiện với môi trường:

- Năng lượng mặt trời sạch, tái tạo (không giống như dầu, khí đốt và than đá)

và bền vững, góp phần bảo vệ môi trường

- Không gây ô nhiễm không khí do khí carbon dioxide phát ra, oxit nitơ, khílưu huỳnh, thủy ngân vào khí quyển giống như nhiều hình thức sản xuất điện truyềnthống khác Vì vậy năng lượng mặt trời góp phần ngăn chặn sự nóng lên toàn cầu,mưa axit và sương mù, giảm phát thải khí nhà kính có hại

- Việc sử dụng năng lượng mặt trời làm giảm sự phụ thuộc vào các nguồnnăng lượng cung cấp từ nước ngoài, ảnh hưởng do thiên tai vì thế góp phần vào mộttương lai bền vững

- Sau khi xây dựng hệ thống hoạt động độc lập Việc nâng cấp hệ thống đơngiản bằng cách gắn thêm các tấm pin mặt trời, các bộ điều khiển khi có nhu cầuphát triển

Tấm pin năng lượng mặt trời đòi hỏi diện tích khá một vùng rộng lớn.

Hiệu quả của hệ thống cũng phụ thuộc vào vị trí của pin hướng tới mặt trời,

do đó phải cài đặt các thành phần điều khiển hướng thu của các tấm pin và cần cóthêm một hệ thống lưu trữ năng lượng

1.4 Ứng dụng năng lượng mặt trời để sản xuất điện ở Việt Nam

Pin mặt trời là phương pháp sản xuất điện trực tiếp từ năng lượng mặt trời(NLMT) qua thiết bị biến đổi quang điện Pin mặt trời (PMT) có ưu điểm là gọnnhẹ, có thể lắp bất kỳ ở đâu có ánh sáng mặt trời, đặc biệt là trong lĩnh vực tàu vũtrụ Ứng dụng NLMT dưới được phát triển với tốc độ rất nhanh, nhất là ở các nướcphát triển Ngày nay ứng dụng NLMT để chạy xe thay thế dần nguồn năng lượngtruyền thống Tuy nhiên giá thành thiết bị pin mặt trời còn khá cao, trung bình hiệnnay khoảng 2 - 4 USD/Wp, nên ở những nước đang phát triển, pin mặt trời hiện mớichỉ có khả năng duy nhất là cung cấp năng lượng điện sử dụng cho các vùng sâu,vùng xa, nơi đường điện quốc gia chưa có [6]

Ở Việt Nam, với sự hỗ trợ của nhà nước (các bộ, ngành) và một số tổ chứcquốc tế đã thực hiện thành công việc xây dựng các trạm pin mặt trời có công suấtkhác nhau phục vụ nhu cầu sinh hoạt và văn hóa của các địa phương vùng sâu, vùng

xa, các công trình nằm trong khu vực không có lưới điện Tuy nhiên hiện nay giápin năng lượng mặt trời vẫn đang khá cao

Đi đầu trong việc phát triển ứng dụng này là ngành bưu chính viễn thông.Các trạm pin mặt trời phát điện sử dụng làm nguồn cấp điện cho các thiết bị thuphát sóng của các bưu điện lớn, trạm thu phát truyền hình thông qua vệ tinh Ởngành hàng hải, các trạm pin mặt trời phát điện sử dụng làm nguồn cấp điện cho cácthiết bị chiếu sáng, cột hải đăng, đèn báo sông Trong ngành công nghiệp, các trạmpin mặt trời phát điện sử dụng làm nguồn cấp điện dự phòng cho các thiết bị điềukhiển trạm biến áp 500 kV, thiết bị máy tính và sử dụng làm nguồn cấp điện nối vớiđiện lưới quốc gia Trong sinh hoạt của các hộ gia đình vùng sâu, vùng xa, các trạmpin mặt trời phát điện sử dụng để thắp sáng, nghe đài, xem vô tuyến Trong ngànhgiao thông đường bộ, các trạm pin mặt trời phát điện được sử dụng làm nguồn cấpđiện cho các cột đèn đường chiếu sáng [6]

CHƯƠNG II CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI

NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI THÀNH NĂNG LƯỢNG ĐIỆN

Hình 2.1: Các thành phần của một hệ thống điện năng lượng mặt trời

Bảng 2.1: Các thành phần trong hệ thống biến đổi năng lượng mặt trời

thành năng lượng điện

1 Pin năng lượng mặt

trời

Monocrystalline (đơn tinh thể ) Polycrytalline (đatinh thể)

2 Bộ điều khiển sạc Lựa chọn tùy mức điện thế và công suất của hệ

thống pin năng lượng mặt trời

3 Bộ chuyển đổi DC-AC Lựa chọn theo tổng công suất thiết bị

4 Ắc-quy Bình khô, kín khí, không cần bảo dưỡng

2.1 Pin năng lượng mặt trời

Cho tới hiện tại thì vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời (và cho các thiết bị bándẫn) là các silic tinh thể Pin mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại:

- Đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski Pin mặt trờiđơn tinh thể có thể đạt hiệu suất từ 11% - 16% Chúng thường rất đắt tiền do đượccắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối cácmodule

- Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc từ silic nung chảy được làm nguội và làmrắn Các pin này thường rẻ hơn loại đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn, từ8% - 11% Chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơntinh 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 đatinh thể Hiệu suất thấp, từ 3% - 6%, tuy nhiên giá thanh sản xuất rẻ vì không cầnphải cắt từ thỏi silicon

Hình 2.3: Các loại cấu trúc tinh thể của pin mặt trời

Silic thuộc nhóm IV, tức là có 4 electron lớp ngoài cùng Silic có thể kết hợpvới 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 khônggian 3 chiều) Pin năng lượng mặt trời phổ biến nhất dùng đa tinh thể silicon

Ở nhiệt độ phòng, Silic nguyên chất có tính dẫn điện kém Để tạo ra silic cótính dẫn điện tốt hơn, có thể thêm vào một lượng nhỏ các nguyên tử nhóm III hay Vtrong bảng tuần hoàn hóa học Các nguyên tử này chiếm vị trí của nguyên tử silictrong mạng tinh thể, và liên kết với các nguyên tử silic bên cạnh tương tự như làmột silic Tuy nhiên các phân tử nhóm III có 3 electron ngoài cùng và nguyên tửnhóm V có 5 electron ngoài cùng, vì thế nên có chỗ trong mạng tinh thể có dưelectron 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)

Các tinh thể silic (Si) hay gali asenua (GaAs) là các vật liệu được sử dụnglàm pin mặt trời Gali asenua đặc biệt tạo nên để dùng cho pin mặt trời, tuy nhiênthỏi tinh thể silic cũng có thể dùng được với giá thành thấp hơn, sản xuất chủ yếu đểtiêu thụ trong công nghiệp vi điện tử Đa tinh thể silic có hiệu quả kém hơn nhưnggiá tiền cũng thấp hơn

Khi để trực tiếp dưới ánh sáng mặt trời, một pin silic có đường kính 6 cm cóthể sản xuất dòng điện khoảng 0,5 ampe ở 0,5 volt Các tấm tinh thể mỏng hình đĩa,được đánh bóng để loại bỏ các khuyết tật trong quá trình cắt, chất kích thích đượcdùng cho các pin, và các tấm kim loại dẫn truyền đặt vào một mặt: một lưới mỏngtrên bề mặt chiếu ánh sáng mặt trời, và mặt phẳng trên mặt còn lại Tấm năng lượngmặt trời tạo thành từ các pin như vậy cắt theo hình dạng thích hợp, được bảo vệkhỏi tia bức xạ và hư hại trên mặt trước bằng các miếng gương, dán vào chất nền

Hình 2.4: Cấu tạo tinh thể silic

Hình 2.5: Cấu tạo tinh thể silic pha tạp Buron

Hình 2.6: Cấu tạo tinh thể silic pha tạp photpho

Hình 2.7: Quá trình tạo một panel pin mặt trời

Nguyên lý hoạt động:

Hình 2.8: Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời [9]

Hình 2.9: Hệ thống 2 mức năng lượng trong đó E1 < E2

Bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E1 Khi chiếu sáng hệthống, lượng tử ánh sáng (photon) mang năng lượng hv (h là hằng số Plank và v làtần số ánh sáng) bị điện tử hấp thụ và chuyển lên mức E2 [1].

Phương trình cân bằng năng lượng:

hv = E1-E2 (2.1)Trong các vật rắn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vànhngoài, nên các năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng con rất sát nhau

và tạo thành vùng năng lượng Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi ởtrạng thái cân bằng gọi là vùng hoá trị mà bên trên của nó có năng lượng EV Vùngnăng lượng phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi làvùng dẫn, bên dưới của vùng có năng lượng là EC, cách ly giữa vùng hóa trị và vùngdẫn đó gọi là một vùng cấm có độ rộng năng lượng là Eg, trong đó không có mứcnăng lượng cho phép sự có mặt của điện tử

Khi ánh sáng chiếu đến vật rắn có vùng năng lượng hóa trị, photon có nănglượng hV tới và bị điện tử của vùng hoá trị hấp thụ, nó có thể chuyển lên vùng dẫn

để trở thành điện tử tự do e-, lúc này vùng hoá trị sẽ có một lỗ trống có thể dichuyển như “hạt“ mang điện tích dương nguyên tố (kí hiệu h+) Lỗ trống này có thể

di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện

hv > Eg = EC - EV (2.3)Suy ra bước sóng tới hạn λC của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e- - h+ là:

Vậy khi chiếu sáng vào vật rắn, điện tử ở vùng hoá trị hấp thụ năng lượngphoton hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử - lỗ trống e- - h+, tức làtạo ra một điện thế Hiện tượng đó gọi là hiện tượng quang điện bên trong

Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời chính là hiện tượng quang điện xảy ratrên lớp tiếp xúc p-n [4]

Hình 2.11: Hiện tượng quang điện xảy ra trên lớp tiếp xúc p-n

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

- Photon truyền xuyên qua mảnh silic khi năng lượng của photon thấp hơnnăng lượng đủ để đưa các hạt electron lên mức năng lượng cao hơn

- Năng lượng của photon được hấp thụ bởi silic Xảy ra khi năng lượng củaphoton lớn hơn năng lượng để đưa electron lên mức năng lượng cao hơn Khiphoton được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các hạt electron trongmạng tinh thể, thông thường là các electron ở lớp ngoài cùng và được kết dính vớicác nguyên tử lân cận Khi electron được kích thích, trở thành dẫn điện, các electronnày có thể tự do di chuyển trong bán dẫn Khi đó nguyên tử sẽ thiếu 1 electron gọi

là lỗ trống Lỗ trống này tạo điều kiện cho các electron của nguyên tử bên cạnh dichuyển đến điền vào lỗ trống, và 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 thíchelectron lớp ngoài cùng dẫn điện Bức xạ của mặt trời thường tương đương 6000°K,

vì thế nên phần lớn năng lượng mặt trời đều được hấp thụ bởi silic Hầu hết nănglượng mặt trời chuyển đổi thành năng lượng nhiệt nhiều hơn năng lượng điện

Hình 2.12: Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

2.1.2 Sơ đồ tương đương của pin mặt trời

Khi được chiếu sáng, nếu nối các bán dẫn p và n của một tiếp xúc p-n bằngmột dây dẫn, thì pin Mặt Trời phát ra một dòng quang điện Iph Pin mặt trời có thểxem như một nguồn dòng Lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có tính chỉnh lưu tương đươngmột diode Khi phân cực ngược, do điện trở lớp tiếp xúc có giới hạn, nên có mộtdòng rò qua nó Đặc trưng cho dòng rò qua lớp tiếp xúc p-n người ta đưa vào đạilượng điện trở shunt Rsh Dòng quang điện chạy trong mạch phải đi qua các lớp bándẫn p và n, các điện cực, các tiếp xúc,… Đặc trưng cho tổng các điện trở của cáclớp đó là một điện trở RS nối tiếp trong mạch (có thể coi là nội trở của pin mặt trời)

Hình 2.13: Sơ đồ tương đương của pin mặt trời

Id: Dòng qua diode (A/m2)

IS: Dòng bão hòa của diode (A/m2)

I = Iph - Id - Ish = Iph - IS [ - 1] - R sh S

IR

V 

(2.6)

RS: Nội trở của pin mặt trời (ohm)

Rsh: Điện trở shunt (ohm)

Dòng điện ngắn mạch ISC:

Hình 2.14: Sơ đồ tương đương của pin mặt trời gồm một nguồn

dòng mắc song song với một diode lý tưởng

Hình 2.15: Dòng ngắn mạch ISC

Dòng điện ngắn mạch ISC là dòng điện trong mạch của pin mặt trời khi làmngắn mạch ngoài (chập các cực ra của pin) Lúc đó hiệu điện thế mạch ngoài củapin bằng V=0

Đặt giá trị V = 0 ta được:

ISC = Iph - IS(exp - 1) - IS(exp qR nkT S I SC -1) - R s sh SC

I R

(2.7)

Ở các điều kiện chiếu sáng bình thường (không có hội tụ) thì hiệu ứng điệntrở nối tiếp RS có thể bỏ qua, và Id =0 và do đó có thể suy ra:

ISC =Iph = αE E (2.8) Trong đó:

Dòng điện bão hòa của diode : I0 = 10-12 A/cm2

Dòng điện ngắn mạch: ISC = 40 mA/cm2 ở 25oC

Dòng điện bão hòa: Is = 10-12.100 = 10-10 A

Dòng điện ngắn mạch: ISC = 40.10-3.100 = 4 A (full sun, 100%bức xạ)

nkT

(V) (full sun)

VOC = 0,610 (V) (half sun)

- Sơ đồ có điện trở Rsh mắc song song với diode.

- Sơ đồ có điện trở RS mắc nối tiếp

- Sơ đồ có cả hai điện trở trên

Hình 2.19: Sơ đồ tương đương đơn giản với R sh mắc song song

Từ công thức 2.10 ta thấy dòng điện lý tưởng mà pin mặt trời cấp cho tải bịgiảm di một lượng bằng V/Rsh Để tổn hao trên pin nhỏ hơn 1% thì giá trị của Rsh

thỏa điều kiện:

SC

OC sh

Hình 2.20: Đồ thị V-A của sơ đồ tương đương có R sh mắc song song [9]

Hình 2.21: Sơ đồ tương đương đơn giản với R S mắc nối tiếp

Với sơ đồ tương đương như hình 2.21 ta có:

Hình 2.22: Đồ thị V - A của mạch điện tương đương có Rs mắc nối tiếp [9]

Từ hình 2.22 ta thấy đồ thị V - A bị lệch nghiêng về phía bên trái vớimột lượng là ∆V = IRs Để tổn hao của pin mặt trời nhỏ hơn 1% thì RS phảithỏa điều kiện:

(2.13)Với ISC = 4A, VOC khoảng 0,6V thì điện trở Rsh có giá trị khoảng 0.0015Ω làtốt nhất

Xét sơ đồ tương đương gồm cả điện trở mắc song song Rsh và điện trở mắcnối tiếp RS.

Hình 2.23: Sơ đồ tương đương gồm Rsh và Rs

Từ các công thức 2.6, 2.11 và 2.12 ta có công thức:

I = ISC - I0{exp [

KT

IR V

V 

(2.15)

Hình 2.24: Đồ thị V - A của sơ đồ tương đương trên với R sh = 1Ω, R s = 0,05Ω [9]

Trong thực tế pin mặt trời có Rsh cao hơn nhiều, vào khoảng 300Ω, Rs có giátrị khoảng 0,01Ω Khi đó đường biểu diễn đồ thị V - A sẽ được cải thiện hơn

2.1.3 Tấm pin mặt trời

Hình 2.25: Mắc nối tiếp hoặc song song các pin mặt trời.

Hình 2.26: Đồ thị V - A của một tấm pin mặt trời [9]

Tấm pin mặt trời trên gồm 36 cell xếp thành 9 cột và 4 hàng Trong đó,4 celltrong cột mắc nối tiếp với nhau và 9 cột mắc song song với nhau

Hình 2.27: Tấm pin mặt trời

Hình 2.28: Mắc nối tiếp các tấm pin mặt trời [9]

Khi mắc nối tiếp các tấm pin mặt trời, dòng điện ngắn mạch của hệ thống sẽbằng dòng điện ngắn mạch của một tấm, điện áp hở mạch của hệ thống bằng tổngđiện áp hở mạch của tất cả tấm pin mặt trời trong hệ thống.

Hình 2.29: Mắc song song các tấm pin mặt trời [9]

Khi mắc song song các tấm pin mặt trời, dòng điện ngắn mạch của hệ thống

sẽ bằng tổng dòng điện ngắn mạch của tất cả tấm pin mặt trời trong hệ thống, điện

áp hở mạch của hệ thống bằng điện áp hở mạch của một tấm

2.1.4 Điểm công suất cực đại MPP (max power point)

Hình 2.30: Các giá trị chuẩn của một tấm pin mặt trời trong điều kiện chuẩn

Ta xét một tấm pin mặt trời trong điều kiện chuẩn

Trong trường hợp hở mạch, điện áp ra của pin mặt trời là áp hở mạch VOC,nhưng dòng điện I=0 nên công suất của pin P = 0

Trong trường hợp ngắn mạch, V = 0, I = ISC nên công suất của pin P = 0.Khi mắc tải vào pin thì giá trị dòng điện, điện áp khác 0 hay pin cấp nguồncho tải với công suất là P

Hình 2.31: Đồ thị V - A và đồ thị công suất của pin mặt trời

Từ đồ thị trên ta thấy, tại hai điểm đầu cuối của đồ thị V - A ứng với haiđiểm ISC và VOC, P = 0 Điểm công suất cực đại (MPP) nằm gần đoạn gấp khúc của

đồ thị V - A, là điểm mà tại đó tích của giá trị điện áp và dòng điện là cực đại Giátrị điện áp và dòng điện tại điểm công suất cực đại được ký hiệu là Vm và Im trongtất cả các điều kiện khảo sát, VR và IR (rated voltage: điện áp định mức và ratedcurrent: dòng điện định mức) trong điều kiện khảo sát lý tưởng

Hình 2.32: Xác định điểm MPP [9]

Một cách khác để tìm vị trí của điểm công suất cực đại là tìm hình chữ nhậtnằm dưới đường đồ thị V - A có diện tích lớn nhất như ở hình 2.32 Diện tích củanhững hình chữ nhật đó chính là công suất ứng với một đỉnh nằm trên đường đồ thị

V - A

Công chức tính công suất của pin mặt trời:

P = VI = V [ISC - I0(expnKT qV - 1)] (2.16)Tại điểm công suất cực đại:

nKT

qV I

nKT

qV nKT

qV I

I dV

ln(

nKT

qV q

nKT V

OC

(2.18)

2.1.5 Hệ số lấp đầy và hiệu suất của pin mặt trời

Một thông số đặc trưng khác của pin mặt trời vẫn thường được sử dụng, đó

là hệ số lấp đầy Hệ số lấp đầy FF (fill factor) là tỷ số giữa công suất cực đại

PR = VR.IR và tích số VOC.ISC:

FF = (VRIR) / ( VOCISC ) (2.19)Như ở hình 2.32, hệ số lấp đầy là tỉ số diện tích của hai hình chữ nhật ứngvới điểm MPP và hình chữ nhật ứng với điểm (VOC,ISC)

Hiệu suất của pin mặt trời η là tỉ số giữa công suất cực đại của pin và côngsuất bức xạ mặt trời trên diện tích bề mặt của pin

EA

I V FF P

I V FF P

2.1.6 Khảo sát đặc tính pin mặt trời ở điều kiện lý tưởng

Phương trình đặc trưng Volt - Ampere của pin mặt trời:

I = Iph - Id - Ish = Iph - IS [

sh

S S

R

IR V nKT

IR V

) ( 672 , 0 ) 1

4 ln(

6 , 1

) 273 25 ( 381 , 1 ] 1

23

V e

e

e I

I q

nKT V

S

SC



Kết quả tính toán đúng như kết quả mô phỏng bằng phần mềm 20 sim [9]:

Hình 2.33: Đặc tuyến V-A của pin mặt trời [9]

Hình 2.34: Đường đặc tuyến V-A, đồ thị công suất

và điểm cực đại công suất MPP [9]

Để khảo sát sự phụ thuộc của pin mặt trời vào cường độ ánh sáng, ta lần lượtthay đổi các giá trị cường độ ánh sáng mặt trời từ 1000, 800, 500, 300 và 150

(W/m2) Kết quả như sau:

Hình 2.35: Đồ thị V - A với sự thay đổi của cường độ ánh sáng [9]

Từ đồ thị 2.35 ta thấy cường độ dòng điện I cung cấp cho tải giảm tuyến tínhtheo cường độ ánh sáng E khi E giảm, đúng theo công thức: ISC = αE E

Nhiệt độ môi trường ảnh hưởng đến điện áp, dòng điện và công suất của pinmặt trời Các đại lượng trên phụ thuộc vào nhiệt độ theo các công thức sau:

V = V25°C - αE V∆T (2.23)

P = P25°C(1 + αE I∆T) (2.24)

Ta có kết quả sau:

Hình 2.36: Đặc tuyến V - A dưới sự thay đổi của nhiệt độ [9]

Từ đồ thị 2.36 ta thấy khi nhiệt độ tăng thì điện áp giảm khá lớn trong khi dòng điện tăng không đáng kể

Hình 2.37: Đồ thị V - A khi mắc nối tiếp các pin lại với nhau [9]

Hình 2.38: Đồ thị V - A khi các pin được mắc song song [9]

2.2 Bộ chuyển đổi DC-AC (Inverter)

Những đặc tính cơ bản của Inverter:

Loại biến đổi một bước: