Giám sát hệ thống pin mặt trời qua ứng dụng điện thoại, vệ sinh pin mặt trời và nâng cao hiệu suất pin mặt trời

1.3.Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu Các nhiệm vụ cần được thực hiện trong đề tài: + Nghiên cứu tổng quan cở sở lý thuyết về hệ thống pin năng lượng mặt trời + Phân tích các đặc tuyền I-V

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

GIÁM SÁT HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI QUA ỨNG DỤNG ĐIỆN THOẠI, VỆ SINH PIN MẶT TRỜI VÀ NÂNG CAO

HIỆU SUẤT PIN MẶT TRỜI

GVHD:NGUYỄN NHÂN BỔN SVTH : NGUYỄN ĐĂNG MINH MSSV :15142069

SVTH:NGÔ MINH TUẤN MSSV :15142121

SKL 0 0 6 8 0 6

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP-HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

SVTH : NGUYỄN ĐĂNG MINH MSSV :15142069 NGÔ MINH TUẤN MSSV :15142121 Khóa : 2015 - 2019

Ngành :

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 8

1.1.Đặt vấn đề 8

1.2.Mục đích của đề tài 10

1.3.Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu 10

1.4.Phương pháp nghiên cứu 11

1.5.Ý nghĩa thực tiễn 12

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 13

2.1.Giới thiệu về năng lượng mặt trời 13

2.2.Giới thiệu về pin năng lượng mặt trời 14

2.2.1.Tổng quan: 14

2.2.2.Cấu tạo 15

2.2.3.Phân loại: 19

2.2.4.Nguyên lý hoạt động 21

2.2.5.Đặc tính làm việc của pin mặt trời 22

2.2.6.Các phương pháp ghép pin mặt trời 26

2.2.7.Hiện tượng điểm nóng 29

2.3.Hệ thống điện năng lượng mặt trời 30

2.4 Bộ lưu điện (Ắc quy) và bộ sạc bảo vệ Ắc quy 32

2.4.1 Khái niệm ắc quy 32

2.4.2 Phân loại và cấu tạo của Ắc quy 33

2.4.3 Bộ sạc bảo vệ Ắc quy 34

2.5.Bộ biển đổi DC/DC 34

2.5.1.Mạch Buck 36

2.5.2.Mạch Boost 38

2.5.3.Mạch Buck-Boost 39

2.6.Bộ biến đổi DC/AC 41

2.7 Bộ dò tìm công suất cực đại 42

2.7.1 Giới thiệu về MPPT (Maximum Power Point Tracker) 42

2.7.2.Nguyên lý dung hợp tải 45

2.7.3.Thuật toán xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất MPPT 46

2.8.Các phương pháp phổ biến dò tìm điểm công suất cực đại pin mặt trời 48

2.8.1.Phương pháp điện áp hằng số 48

2.8.2.Phương pháp P&O (Perturb and Observe) 49

2.8.3.Phương pháp INC (Incremental Conductance) 50

2.9.Phướng pháp điều hướng xoay pin mặt trời đến hướng ánh sáng cực đại 52

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 55

3.1.Hệ thống điều hướng tấm pin mặt trời 55

3.1.1 Yêu cầu của hệ thống 55

3.1.2.Bộ khung nâng đỡ tấm panel mặt trời 55

3.1.3.Mạch xoay động cơ theo hướng sáng 57

3.1.4 Động cơ và cơ cấu truyền động 58

3.2.Pin Mặt trời 60

3.3.Hệ thống dò tìm điểm công suất cực đại 61

3.4.Mạch điều khiển Arduino 65

3.5 Module ESP8266 WIFI 66

3.6 Mạch cấp nguồn cho Arduino 67

3.7 Mạch relay 68

3.8 Cảm biến DHT11 68

3.9 Mạch kích 69

3.10.Cảm biến dòng ACS712 70

Chương 4: Thiết kế phần mềm 72

4.1 Lưu đồ giải thuật 73

4.1.1 Lưu đồ giải thuật P&O 73

4.1.2 Lưu đồ giải thuật trên Node MCU 75

4.1.3 Lưu đồ giải thuật điều hướng pin mặt trời 76

4.2.Thiết kế App Mobile giám sát số liệu từ tấm pin 78

4.2.1.Giới thiệu về Android Studio 78

4.2.2.Giao diện App 79

4.2.3.Giới thiệu về database: Firebase 80

4.2.4.Thiết lập Firebase 80

4.2.5.Kết nối App với Firebase 82

CHƯƠNG 5: Thiết kế máy vệ sinh tấm pin năng lượng mặt trời 87

5.1: Lí do và yêu cầu thiết kế 87

5.1.1 - Lý do thiết kế 87

5.1.2 – Yêu cầu thiết kế 87

5.2: Thiết kế máy vệ sinh tấm pin năng lượng mặt trời 88

5.2.1 Thiết kế phần cứng 88

5.2.2 Thiết kế phần điều khiển 95

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển 98

6.1.Kết quả 98

6.2.Hướng phát triển 98

6.3.Kết luận 99

TÀI LIỆU THAM KHẢO 100

PHỤ LỤC 101

MỤC LỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1.Cánh đồng pin mặt trời tại tỉnh Ninh Thuận 9

Hình 2.1.Cell pin năng lượng mặt trời 15

Hình 2.2.Cấu tạo bên ngoài của một tấm pin mặt trời 15

Hình 2.3.Cấu tạo của cell pin mặt trời 16

Hình 2.4.Cấu trúc tinh thể của các dạng pin mặt trời 17

Hình 2.5.Pin mặt trời DSC 19

Hình 2.6.Pin mặt trời dạng keo nước 20

Hình 2.7.Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 21

Hình 2.8.Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 22

Hình 2.9.Sơ đồ tương đương của pin mặt trời 23

Hình 2.10.Đường cong đặc trưng V - I của pin mặt trời phụ thuộc vào cường độ bức xạ Mặt trời 24

Hình 2.11.Đường cong đặc trưng P - V của pin mặt trời 25

phụ thuộc vào cường độ bức xạ Mặt trời 25

Hình 2.12.Đường cong đặc tính V - I của pin mặt trời phụ thuộc vào 25

nhiệt độ của pin 25

Hình 2.13.Đường đặc tính tải và đặc tính của pin mặt trời 26

Hình 2.14 Ghép nối tiếp 2 module Pin Mặt Trời (a) và đường đặc trưng VA của các module và của cả hệ (b) 27

Hình 2.15.Ghép song song 2 module pin Mặt Trời (a) và các đường đặc trưng V-A của các module và của hệ (b) 28

Hình 2.16.Diode nối song song với modun để bảo vệ modun và dàn pin mặt trời. 29

Hình 2.17.Hệ Pin năng lượng mặt trời làm việc độc lập 30

Hình 2.18.Hệ Pin năng lượng mặt trời làm việc nối lưới 31

Hình 2.19.Hệ thống ắc quy dùng trong lưới điện pin mặt trời 33

Hình 2.20.Sơ đồ các bộ biến đổi DC/DC 35

Hình 2.21.Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp Buck 36

Hình 2.22.Dạng sóng điện áp và dòng điện của mạch Buck 36

Hình 2.23.Sơ đồ nguyên lý mạch Boost 38

Hình 2.24.Dạng sóng dòng điện của mạch Boost 38

Hình 2.25.Sơ đồ nguyên lý mạch Buck-Boost 39

Hình 2.26.Bộ biến đổi DC/AC 1 pha dạng nửa cầu 41

Hình 2.27.Bộ biến đổi DC/AC 1 pha dạng hình cầu 41

Hình 2.28.Sơ đồ cấu trúc bộ nghịch lưu kiểu Half – bridge 42

Hình 2.29.Sơ đồ khối của hệ thống MPPT tiêu biểu 43

Hình 2.30.Tấm pin mặt trời mắc trực tiếp với tải thuần trở có giá trị thay đổi 44

Hình 2.31.Đường đặc tính làm việc của pin với tải thuần trở 44

Hình 2.32.Tổng trở vào Rin được điều chỉnh bằng D 46

Hình 2.33.Đặc tính I-V với bức xạ thay đổi và quỹ đạo của các điểm 46

công suất cực đại (25 o C) 46

Hình 2.34.Đặc tính I-V với bức xạ thay đổi và quỹ đạo của các điểm 47

công suất cực đại (50 o C) 47

Hình 2.35 Đường đặc tính P-V và giải thuật P&O 49

Hình 2.36 Lưu đồ giải thuật P&O điều khiển thông qua điện áp tham chiếu Vref. 50

Hình 2.37.Độ dốc (dP/dV) của PV 51

Hình 2.38.Giải thuật INC 52

Hình 2.39.Hình ảnh thực tế của quang trở 53

Hình 2.40.Nguyên lý hoạt động của mạch hướng sáng pin mặt trời 54

Hình 2.41.Sơ đồ nguyên lý kết nối quang trở với Adruino 54

Hình 3.1.Mô hình thực tế khung đỡ tấm pin 57

Hình 3.2.Arduino Uno R3 57

Hình 3.4.Mạch hướng sáng 58

Hình 3.5.Động cơ giảm tốc DC 59

Hình 3.6.Trục và bánh răng để giảm tốc, tăng moment 60

Hình 3.7.Tấm pin mặt trời MONO MSP-50W 60

Bảng 3.1.Thông số kỹ thuật của pin mặt trời 61

Hình 3.8.Nguyên lý mạch sạc 62

Hình 3.9.Mô hình 3D mạch sạc 62

Hình 3.10.Mạch sạc 63

Hình 3.11.Nguyên lý điều khiển Arduino 65

Hình 3.12.Mạch 3D điều khiển Arduino 65

Hình 3.13.ESP8266 wifi dùng để truyền dữ liệu 66

Hình 3.14.Mạch giảm áp LM2596HV 67

Hình 3.15.Mạch relay cấp nguồn cho ắc quy 68

Hình 3.16.Cảm biến DHT11 68

Hình 3.17.Mạch kích dùng TLP 250 69

Hình 3.18.Nguyên lý kích dùng TLP 250 70

Hình 3.19.Cảm biến dòng ACS712 70

Hình 4.1.Lưu đồ giải thuât P&O (MPPT) 73

Hình 4.2 Mô phỏng giải thuật P&O trên phần mềm PSIM 73

Hình 4.3.Lưu đồ giải thuật trên Node MCU 75

Hình 4.4.Lưu đồ giải thuật điều hướng pin mặt trời 76

Hình 4.5.Giao diện làm việc 80

Hình 4.6.Giao diện App 78

Hình 5.1 Phần khung của máy rửa pin……….87

Hình 5.2 Các bulley và dây đai dùng để di chuyển cho máy vệ sinh….…….87

Hình 5.3 Bulley truyền động để di chuyển có tỉ lệ 1:1 (40 răng)………… 88

Hình 5.4 Bulley truyền động từ động cơ ra trục để di chuyển có tỉ lệ 3:2 89

Hình 5.5 Trục quay dùng để làm sạch tấm pin……….… 89

Hình 5.6 Van điện từ θ21, điện áp làm việc 12VDC……….… 90

Hình 5.7 Gối đỡ vòng bi trục ngang 8mm……….……91

Hình 5.8 Động cơ DC giảm tốc JGB37-555 cho trục quay vệ sinh…….… 92

Hình 5.9 Bộ điều khiển RF 315Mhz 12VDC 4 kênh………93

Hình 5.10 Module Mạch Điều Khiển Tốc Độ và Đảo Chiều Động Cơ 12V…94 Hình 5.11 Máy vệ sinh sử dụng acquy 12V……….95

Hình 5.12 Máy vệ sinh sau khi hoàn thiện ……… 95

Hình 6.1 Kết quả mô phỏng trên phần mềm PSIM 96 Bảng 6.2 Kết quả đo hiệu suất của mạch 97 Hình 6.3.Kết quả dữ liệu gửi lên App 97

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1.Đặt vấn đề

Ngày nay, nhu cầu sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo đang tăng lên mạnh mẽ

do các nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt và chúng gây ra những hậu quả về môi trường như hiệu ứng nhà kính, lũ lụt…Trong các nguồn năng lượng tái tạo,năng lượng mặt trời đang dần trở nên rất phổ biến bởi vì chúng có nhiều ưu điểm như nguồn năng lượng này là sạch, có sẵn trong thiên nhiên, không gây ô nhiễm, không bị cạn kiệt và là giải pháp tốt nhất nhằm tiết kiệm năng lượng hóa thạch cho tương lai Tuy nhiên năng lượng mặt trời vẫn còn đang trong thời kỳ đầu của những ứng dụng vì nó đòi hỏi những đầu tư rất lớn cho thiết bị nhưng lại chỉ chuyển hóa được một lượng rất nhỏ năng lượng

từ mặt trời sang dạng hữu ích Hơn nữa, năng lượng mặt trời lệ thuộc vào điều kiện tự nhiên, không đủ ổn định để những thiết bị điện và điện tử có thể sử dụng một cách an toàn

và hiệu quả Tận dụng tốt nguồn năng lượng này, phần lớn sẽ giải quyết được bài toán năng lượng của nhân loại

Các nhà máy điện truyền thống là một trong những nguyên nhân hàng đầu gây ô nhiễm môi trường và tác động tiêu cực đến sức khoẻ con người từ phát thải khí nhà kính Nên năng lượng mặt trời là một phương pháp thay thế nhằm hỗ trợ các nhà máy điện truyền thống hiện có trong giờ cao điểm Đặc biệt, các công nghệ năng lượng tái tạo đã trở thành một đóng góp quan trọng cho nhu cầu về tương lai năng lượng bền vững Do đó, hoàn toàn là cần thiết để tìm một phương pháp thay thế của thế hệ để bảo vệ môi trường

và sức khỏe từ tác động của năng lượng thông thường

Ở Việt Nam, vị trí địa lý đã ưu ái cho chúng ta một nguồn năng lượng tái tạo vô cùng lớn, đặc biệt là năng lượng mặt trời Nằm gần đường xích đạo, Việt Nam nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao, năng lượng bức xạ mặt trời trung bình đạt 4 đến 5kWh/m2 mỗi ngày Đây là nguồn năng lượng sạch, thân thiện với môi trường

và trữ lượng gần như là vô tận

Tuy nhiên, với tiềm năng lớn song năng lượng mặt trời lại đang gặp những rào cản lớn về kỹ thuật và các rào cản khác Rào cản kỹ thuật là một trong những thách thức lớn cho việc sử dụng pin mặt trời hiện nay do bởi giá thành cao và hiệu suất chuyển đổi năng lượng còn thấp Giá của một mô đun pin mặt trời khá cao Ngoài ra còn các rào cản khác

như thiếu sự hỗ trợ về chính sách của chính phủ, nhận thức của mọi người về năng lượng,

sự tham gia của các tổ chức cá nhân vào các dự án phát triển nguồn năng lượng tái tạo

Hình 1.1.Cánh đồng pin mặt trời tại tỉnh Ninh Thuận

Vài năm trở lại đây, khi các nguồn nhiên liệu hóa thạch như: xăng, dầu, than đá, đang có dấu hiệu bị cạn kiệt đi, kèm theo đó là giá cả leo thang, ô nhiễm môi trường kèm theo biến đổi khí hậu, người dân đã ý thức được tầm quan trọng và tính kinh tế của những nguồn năng lượng tái tạo Do đó pin mặt trời dần đưa vào gần với cuộc sống của người dân Từ những thiết bị công suất nhỏ như: quạt, đèn, tivi…đến những thiết bị như: động

cơ, máy bơm nước… được cung cấp từ những tấm pin mặt trời Chính vì thế, vấn đề công suất của tấm pin mặt trời quyết định tính hiệu suất và hiệu quả của chúng trong cuộc sống

Vì vậy, vấn đề dò tìm điểm công suất cực đại của pin mặt trời sẽ mở ra nhiều hướng phát triển mới cho tương lai và cho ngành năng lượng sạch

Mục tiêu của đề tài nghiên cứu là làm sao có thể tận thu được tối đa nguồn năng lượng mặt trời, vì vậy đề tài này chủ yếu tập trung vào các giải pháp để có thể tận thu điện năng từ mặt trời Như đã biết để hiệu suất pin mặt trời lớn nhất phải đặt tấm pin cho vuông góc với hướng chiếu sáng của mặt trời Vấn đề đặt ra là làm như thế nào để pin mặt trời

luôn vuông góc với hướng chiếu sáng Thứ 2, theo đặt tính năng lượng của pin mặt trời

để đạt được hiệu suất tối đa, ta phải sử dụng tải sao cho công suất đạt được điểm cực đại của pin Thứ 3, năng lượng mặt trời không liên tục vì thế cần phải lưu trữ hoặc kết hợp với một nguồn năng lượng khác để đảm bảo cung cấp điện

1.2.Mục đích của đề tài

Đề tài dựa trên mục đích nâng cao hiệu suất của tấm pin bằng những phương pháp

dò tìm điểm công suất cực đại MPPT (Maximum Power Point Tracking) của tấm pin mặt trời, điều chỉnh hướng của tấm pin theo hướng mặt trời và vệ sinh tấm pin để hoạt động ở điểm có công suất là lớn nhất Nếu không có những phương pháp trên thì hiệu suất chuyển đổi năng lượng của tấm pin đạt rất thấp, vì vậy các phương pháp này giúp nâng cao hiệu suất sử dụng và không lãng phí nguồn năng lượng chuyển hóa Ngoài ra, ứng dụng giám sát hệ thống pin măt trời cho biết đươc các thông số của hệ thống ngay thời điểm hiện tại, thống kê đươc sản lượng của tấm pin giúp người dùng quản lý được sản lượng củng như hiệu suất của hệ thống từ đó dễ dàng bảo trì, vệ sinh hệ thống đúng thời điểm

Vì vậy mục đích cuối cùng của đề tài là ứng dụng phương pháp trên để nâng cao thêm hiệu suất cho tấm pin mặt trời

1.3.Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu

Các nhiệm vụ cần được thực hiện trong đề tài:

+ Nghiên cứu tổng quan cở sở lý thuyết về hệ thống pin năng lượng mặt trời + Phân tích các đặc tuyền I-V, P-V của pin mặt trời và sự phụ thuộc của các đường đặc tính khi các điều kiện môi trường thay đổi

+ Tìm hiểu phương pháp dò tìm điểm công suất cực đại và đưa ra giải thuật đề xuất + Thiết kế được bộ khung đỡ cho tấm panel và cơ cấu truyền động giúp panel xoay theo hướng ánh sáng cực đại

+ Thiết kế được mạch điều khiển panel xoay theo ánh sáng cực đại

+ Thiết kế mạch dò tìm công suất cực đại dùng Arduino uno

+ Thiết kế mạch sạc Ắc-quy theo phương pháp 3 giai đoạn,có bảo vệ quá dòng, quá

áp và đấu ngược cực Ắc-quy

+ Thiết kế bộ chuyển đổi DC/DC theo phương pháp PWM với hiệu suất cao

+ Thiết kế được mạch hiển thị các thông số như dòng điện,điện áp khi hoạt động + Thiết kế được ứng dụng giám sát hệ thống pin măt trời qua điện thoại

+Thiết kế được mô hình máy rửa pin

1.4.Phương pháp nghiên cứu

Để giải quyết các mục tiêu được đặt ra ta cần các biện pháp như: để đảm bảo hiệu suất hấp thụ cao nhất ta cần một hệ thống “ hướng sáng” luôn xoay tấm pin theo hướng mặt trời Để đạt hiệu suất cực đại của pin ta cần dùng hệ thống “dò tìm điểm cực đại” để tận thu hiệu suất của pin là lớn nhất

Đối với hệ thống năng lượng mặt trời có công suất lớn, thông thường sẽ được chuyển đổi thành nguồn AC và hòa vào lưới quốc gia, vì vậy không cần hệ thống dự trữ năng lượng để tiết kiệm chi phí, nhưng hệ thống mặt trời đạt được công suất đủ hòa vào lưới thì chi phí đầu tư ban đầu là rất lớn

Đối với hệ thống pin mặt trời công suất nhỏ, sử dụng cho hộ gia đình ta có vài giải pháp như sau:

- Sử dụng kết hợp với nguồn điện lưới, hai hệ thống hoạt động song song với nhau để đảm bảo cung cấp điện và không cần nguồn lưu trữ (không cần Ắc-quy)

- Vùng xa khu vực điện lưới, hệ thống mặt trời hoạt động độc lập,vì vậy việc cung cấp điện không liên tục do ban đêm không có ánh sáng từ mặt trời Cần phải có hệ thống Ắc-quy để lưu giữ điện vào ban ngày và cung cấp cho tải vào ban đêm Hệ thống này có đặc điểm là không phụ thuộc vào lưới điện, nhưng chi phí đầu tư khá cao, ngoài ra còn chi phí bảo dưỡng, thay thế Ắc-quy Ắc-quy chì hư hỏng sẽ trở thành tác nhân gây ô nhiễm môi trường, như vậy năng lượng mặt trời không còn “sạch” nữa

- Vào ban ngày, năng lượng từ các tấm pin sinh ra có thể dư dùng và cần lưu trữ để dùng vào ban đêm.Về mặt lưu trữ điện ta có nhiều giải pháp như sau:

+ Năng lượng được nạp vào Ắc-quy dự trữ với hiệu suất đạt 80% – 85%

+ Dùng lượng năng lượng dư đó để điện phân nước thành H2 và O2 lưu trữ lại rồi khi cần sẽ dùng “pin nhiên liệu” để chuyển hóa lại thành điện với hiệu suất đạt 90%

+ Có thể dùng năng lượng đó chuyển qua dạng thế năng như bơm nước lên hồ chứa trên cao và lấy năng lượng dưới dạng thủy điện khi cần với hiệu suất khá thấp, chỉ khoảng 30% -35%

Có nhiều giải pháp được đặt ra, và khi ứng dụng vào từng điều kiện cụ thể mà áp dụng cho phù hợp Ngoài ra còn cân nhắc giữa vấn đề giá thành và hiệu suất Hiện nay, năng lượng mặt trời vẫn còn đang là nguồn năng lượng “xa xỉ”, nhưng trong tương lai gần

nó có thể trở thành nguồn năng lượng chính cung cấp cho toàn thế giới

1.5.Ý nghĩa thực tiễn

Năng lượng chính là nguồn sống của mỗi quốc gia Do vậy nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng cao.Năng lượng là nhu cầu thiết yếu của cuộc sống.Năng lượng từ than, dầu hỏa…ngày càng cạn kiệt và khan hiếm.Thực tế,có nguồn năng lượng khác thay thế hứa hẹn tiềm năng cung cấp rất lớn đó là năng lượng hạt nhân Nhưng việc sử dụng nguồn năng lượng này vẫn là một vấn đề tranh cãi vì sự an toàn và ảnh hưởng đến môi trường sống

Vì vậy, năng lượng tái tạo là sự lựa chọn tốt nhất, là một nguồn năng lượng xanh, nguồn năng lượng thân thiện với môi trường Nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời được sử dụng ở những nơi chưa có lưới điện như cung cấp điện cho vùng xâu, vùng xa, hải đảo…Năng lượng mặt trời có sẵn trong tự nhiên và vô tận do đó không sợ bị cạn kiệt như các nguồn năng lượng than đá ,dầu mỏ.Những lợi ích to lớn mà nguồn năng lượng mặt trời đem lại giúp cho con người ứng dụng vào thực tiễn ngày càng rộng rãi.Nhưng chi phí đầu tư ban đầu còn lớn đó là ràn cản mà năng lượng mặt trời chưa được thực sự chú ý ở nước ta,nhưng những năm gần đây được sự hỗ trợ của các tổ chưc nước ngoài và các cơ quan nhà nước ta thì năng lượng mặt trời ngày càng được sử dụng nhiều

Đề tài nhằm mục đích phục vụ cho việc sử dụng nguồn năng lượng mặt trời trong hộ gia đình.Trong đó,việc thực hiện biến đổi năng lượng quang năng thành năng lượng điện năng một chiều,đặc biệt là phương pháp dò điểm công suất cực đại quay quanh pin mặt trời và phương pháp sạc dự trữ năng lượng để thuận tiện cho việc sử dụng, lưu trữ và duy chuyển nhằm phục vụ cho nền công nghiệp ngày càng phát triển

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1.Giới thiệu về năng lượng mặt trời

Mặt trời là một trong những ngôi sao phát sáng mà con người có thể quan sát được trong vũ trụ Mặt trời cùng với các hành tinh và các thiên thể của nó tạo nên hệ mặt trời trong dãi ngân hà cùng với hàng tỷ hệ mặt trời khác Mặt trời luôn phát ra nguồn năng lượng khổng lồ và một phần nguồn năng lượng đó truyền bức xạ đến trái đất chúng ta Trái đất và mặt trời có mối quan hệ chặt chẽ, chính bức xạ mặt trời là yếu tố quyết định cho sự tồn tại của sự sống trên hành tinh của chúng ta Năng lượng mặt trời là một trong các nguồn năng lượng sạch và vô tận vì nó là nguồn gốc của các nguồn năng lượng khác trên trái đất Con người đã biết tận hưởng nguồn năng lượng quý giá này từ rất lâu tuy nhiên việc khai thác sử dụng nguồn năng lượng này một cách hiệu quả nhất thì vẫn là vấn

đề mà chúng ta đang quan tâm

Ánh sáng nói riêng, hay bức xạ điện từ nói chung, từ bề mặt của Mặt Trời được xem

là nguồn năng lượng chính cho Trái Đất Hằng số năng lượng Mặt Trời được tính bằng công suất của lượng bức xạ trực tiếp chiếu trên một đơn vị diện tích bề mặt Trái Đất, bằng khoảng 1370 W/m2 ánh sáng Mặt Trời bị hấp thụ một phần trên bầu khí quyển Trái Đất, nên một phần nhỏ hơn tới được bề mặt Trái Đất, gần 1000 W/m2 năng lượng Mặt Trời tới Trái Đất trong điều kiện trời quang đãng Năng lượng này có thể dùng vào các quá trình tự nhiên hay nhân tạo.[3]

Quá trình quang hợp trong cây sử dụng ánh sáng Mặt Trời và chuyển đổi CO2 thành O2 và hợp chất hữu cơ, trong khi nguồn nhiệt trực tiếp là làm nóng các bình đun nước dùng năng lượng Mặt Trời, hay chuyển thành điện năng bằng các pin năng lượng Mặt Trời Năng lượng dự trữ trong dầu mỏ được giả định rằng là nguồn năng lượng của Mặt Trời được chuyển đổi từ xa xưa trong quá trình quang hợp và phản ứng hóa sinh của sinh vật cổ

2.2.Giới thiệu về pin năng lượng mặt trời

2.2.1.Tổng quan:

Pin mặt trời là phương pháp sản xuất trực tiếp từ năng lượng mặt trời qua thiết bị biến đổi quang điện Pin mặt trời có ưu điểm là gọn nhẹ có thể lắp ở bất kỳ đâu có ánh nắng mặt trời, đặc biệt là trong lĩnh vực tàu vũ trụ Ngày nay con người đã ứng dụng pin mặt trời trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, để chạy xe và trong sinh hoạt thay thế dần nguồn năng lượng truyền thống.[3]

Pin năng lượng Mặt Trời hay pin (tế bào) quang điện, là thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các lớp p-n, duới sự hiện diện của ánh sáng Mặt Trời có khả năng tạo ra dòng điện sử dụng được Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện

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 chế tạo thành công, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối Russell Ohl được xem là người tạo ra pin năng lượng Mặt Trời đầu tiên năm 1946 tuy nhiên nó chỉ có hiệu suất 1% Pin mặt trời lần đầu tiên được ứng dụng là trên vệ tinh Vangaurd 1 của Mĩ, được phóng năm 1958 Ngày nay pin Mặt Trời được sản xuất trên toàn thế giới đặt biệt là ở các nước tiên tiến như Mĩ, Đức, Tây Ban Nha…[9]

Hình 2.1.Cell pin năng lượng mặt trời

2.2.2.Cấu tạo

Hình 2.2.Cấu tạo bên ngoài của một tấm pin mặt trời

Cấu tạo bên ngoài của tấm pin mặt trời gồm:

Cấu tạo bên trong của cell pin mặt trời:

Cấu tạo của pin mặt trời là một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên trong.[3]

Hình 2.3.Cấu tạo của cell pin mặt trời

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 Pin mặt trời đơn tinh thể có thể đạt hiệu suất từ 11% - 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 từ silic nung chảy cẩn thận được làm nguội và làm rắn Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn,

từ 8% - 11% Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó

+ Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể Loại này có hiệu suất thấp nhất, từ 3% - 6%, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon

Hình 2.4.Cấu trúc tinh thể của các dạng pin mặt trời

Về vật liệu xuất phát để làm pin Mặt trời silic phải là bán dẫn silic tinh khiết Ở dạng tinh khiết, còn gọi là bán dẫn ròng số hạt tải (hạt mang điện) là electron và số hạt tải

là lỗ trống (hole) như nhau

Để làm pin Mặt trời từ bán dẫn tinh khiết phải làm ra bán dẫn loại n và bán dẫn loại

p rồi ghép lại với nhau cho nó có được tiếp xúc p - n

Thực tế thì xuất phát từ một phiến bán dẫn tinh khiết tức là chỉ có các nguyên tử Si

để tiếp xúc p - n, người ta phải pha thêm vào một ít nguyên tử khác loại, gọi là pha tạp Nguyên tử Si có 4 electron ở vành ngoài, cùng dùng để liên kết với bốn nguyên tử Si gần

đó (cấu trúc kiểu như kim cương) Nếu pha tạp vào Si một ít nguyên tử phôt-pho P có 5 electron ở vành ngoài, electron thừa ra không dùng để liên kết nên dễ chuyển động hơn làm cho bán dẫn pha tạp trở thành có tính dẫn điện electron, tức là bán dẫn loại n (negatif

- âm) Ngược lại nếu pha tạp vào Si một ít nguyên tử bo B có 3 electron ở vành ngoài, tức

là thiếu một electron mới đủ tạo thành 4 mối liên kết nên có thể nói là tạo thành lỗ trống (hole) Vì là thiếu electron nên lỗ trống mạng điện dương, bán dẫn pha tạp trở thành có tính dẫn điện lỗ trống, tức là bán dẫn loại p (positif -dương) Vậy trên cơ sở bán dẫn tinh khiết có thể pha tạp để trở thành có lớp là bán dẫn loại n, có lớp bán dẫn loại p, lớp tiếp giáp giữa hai loạị chính là lớp chuyển tiếp p - n Ở chỗ tiếp xúc p - n này một ít electron

ở bán dẫn loại n chạy sang bán dẫn loại p lấp vào lỗ trống thiếu electron, ở đó Kết quả là

ở lớp tiếp xúc p-n có một vùng thiếu electron cũng thiếu cả lỗ trống, người ta gọi đó là

vùng nghèo Sự dịch chuyển điện tử để lấp vào lỗ trống tạo ra vùng nghèo này cũng tạo nên hiệu thế gọi là hiệu thế ở tiếp xúc p - n, đối với Si vào cỡ 0,6V đến 0,7V Đây là hiệu thế sinh ra ở chỗ tiếp xúc không tạo ra dòng điện được

Nhưng nếu đưa phiến bán dẫn đã tạo lớp tiếp xúc p - n phơi cho ánh sáng mặt trời chiếu vào thì photon của ánh sáng mặt trời có thể kích thích làm cho điện tử đang liên kết với nguyên tử bị bật ra khỏi nguyên tử, đồng thời ở nguyên tử xuất hiện chỗ trống vì thiếu electron, người ta gọi là photon đến tạo ra cặp electron - lỗ trống Nếu cặp electron - lỗ trống này sinh ra ở gần chỗ có tiếp p - n thì hiệu thế tiếp xúc sẽ đẩy electron về một bên (bên bán dẫn n) đẩy lỗ trống về một bên (bên bán dẫn p) Nhưng cơ bản là electron đã nhảy từ miền hoá trị (dùng để liên kết) lên miền dẫn ở mức cao hơn, có thể chuyển động

tự do Càng có nhiều photon chiếu đến càng có nhiều cơ hội để electron nhảy lên miền dẫn

Nếu ở bên ngoài ta dùng một dây dẫn nối bán dẫn loại n với bán dẫn loại p (qua một phụ tải như lèn LED chẳng hạn) thì electron từ miền dẫn của bán dẫn loại n sẽ qua mạch ngoài chuyển đến bán dẫn loại p lấp vào các lỗ trống Đó là dòng điện pin Mặt trời silic sinh ra khi được chiếu sáng Dùng bán dẫn silic tạo ra tiếp xúc p - n để từ đó làm pin Mặt trời là một tiến bộ lớn trên con đường trực tiếp biến ánh sáng Mặt trời thành dòng điện để sử dụng Tuy nhiên pin Mặt trời silic có một số hạn chế về kinh tế, kỹ thuật

- Vật liệu xuất phát là silic tinh khiết nên rất đắt Ban đầu là làm từ silic đơn tinh thể dùng trong công nghệ vi điện tử, tuy chỉ là dùng đầu thừa đuôi thẹo nhưng giá vẫn là khá cao Đã có những cách dùng silic đa tinh thể, silic vô định hình tuy hiệu suất thấp hơn nhưng bù lại giá rẻ hơn Nhưng xét cho cùng thì vật liệu silic sử dụng phải là tinh khiết nên giá thành rẻ hơn không nhiều

- Đối với silic, để đưa electron từ miền hoá trị lên miền dẫn phải tốn năng lượng cỡ 1,1 eV Vậy năng lượng của photon đến phải bằng hoặc cao hơn 1,1eV một chút là đủ để kích thích eletron nhảy lên miền dẫn, từ đó tham gia tạo thành dòng điện của pin Mặt trời Photon ứng với năng lượng 1,1 eV có bước sóng cỡ 1 m tức là hồng ngoại Vậy photon

có các bước sóng lục, lam, tử ngoại là có năng lượng quá thừa thãi để kích thích điện tử của Si nhảy lên miền dẫn Do đó pin Mặt trời Si sử dụng lãng phí năng lượng Mặt trời để biến ra điện.[11]

2.2.3.Phân loại:

Ngoài pin mặt trời sử dụng tinh thể sillic như trình bày ở trên thì pin mặt trời còn được chế tạo từ các loại vật liệu khác

- Pin Mặt trời nhạy cảm chất màu DSC (Dye - sensitized solar cell):

DSC là một loại pin Mặt trời mới, giá rẻ, dễ làm Loại pin này do Michael Gratzel

ở trường Bách khoa Lausane (Thuỵ Sĩ) chế tạo lần đầu vào năm 1991 nên còn có tên là pin Gratzel

Hình 2.5.Pin mặt trời DSC

Cấu tạo nguyên thuỷ của pin DSC gồm ba phần chính (hình 2.5) Trên cùng là một lớp mỏng chất dẫn điện trong suốt, đóng vai trò anôt làm bằng oxyt thiếc pha tạp fluo (SnO2: F) Lớp này phủ lên tấm thuỷ tinh trong suốt Tiếp đó là một lớp có diện tích bề mặt rất lớn Lớp dẫn điện SnO2: F và lớp hạt bột oxyt titan TiO2 được nhúng vào hỗn hợp chất màu nhạy quang ruthenium -polypyridin và dung môi Sau khi nhúng, một lớp mỏng chất màu nhạy quang bám dính vào các hạt TiO2 bằng liên kết cộng hoá trị Tiếp đó mặt sau được tráng bằng một lớp mỏng chất điện ly iôt và đậy kín bằng tấm điện cực kim loại, thường là platin Toàn bộ được dán kín sao cho dung dịch không bị rò chảy ra

Vì nhiều lí do, hiệu suất của loại pin này chỉ vào cỡ 11% thấp hơn hiệu suất của pin Mặt trời silic (12 - 15%) Tuy nhiên ưu điểm rõ rệt của loại pin này là:

+ Vật liệu chế tạo rẻ, dễ kiếm Đặc biệt TiO2 là chất bột trắng hay dùng để làm sơn trắng rất phổ biến

+ Kỹ thuật chế tạo đơn giản, không phải cần máy móc cao cấp đắt tiền như ở trường hợp pin Mặt trời silic Thậm chí có thể làm pin mặt trời kiểu này theo cách thủ công

+ Dễ dàng cải tiến nhiều khâu kỹ thuật, nhất là ứng dụng công nghệ nano để làm bột TiO2

có diện tích mặt ngoài cực lớn

- Pin mặt trời dạng keo nước (Lá nhân tạo):

Pin mặt trời dạng keo nước còn được gọi là Lá nhân tạo Đây là loại Pin mặt trời

có thể uốn cong, có thành phần là keo nước chứa các phân tử nhạy sáng kết hợp với các điện cực phủ chất liệu cacbon, ví dụ như ống nano cacbon hoặc than chì Các phân tử nhạy sáng trở nên “kích động” khi ánh sáng mặt trời chiếu vào và sản sinh ra điện năng; cơ chế này tương tự như cơ chế kích thích tổng hợp đường để sinh trưởng của phân tử thực vật

Hiện tại, việc ứng dụng loại pin này vẫn chưa được công bố do hiệu suất hoạt động của pin vẫn còn thấp.[11]

Hình 2.6.Pin mặt trời dạng keo nước

2.2.4.Nguyên lý hoạt động

Hình 2.7.Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời chính là 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 Điều này thường xảy ra khi năng lượng của photon thấp hơn, nó đủ để đưa các hạt electron lên mức năng lượng cao hơn

• 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 Tuy nhiên, tần số của mặt trời thường tương đương 6000°K, vì thế nên 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

Hình 2.8.Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

2.2.5.Đặc tính làm việc của pin mặt trời

VOC là hiệu điện thế được đo khi mạch ngoài của pin mặt trời hở, lúc đó I = 0

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

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

P = U.I (2.1) Tại điểm làm việc U = VOC ; I = 0 và U = 0 ; I = ISC , Công suất làm việc của pin cũng có giá trị bằng 0

Hình 2.9.Sơ đồ tương đương của pin mặt trời

Phương trình đặc trưng sáng volt – ampere của pin như sau:

h s

s kT

) IRs v (

q 01 sc

R

) IR V ( 1 e

I I

Isc : là dòng quang điện (dòng ngắn mạch khi không có Rs và Rsh) (A/m2)

I01 : là dòng bão hòa (A/m2)

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

* Nhận xét:

Dòng ngắn mạch Isc tỉ lệ thuận với cường độ bức xạ chiếu sáng Nên đường đặc tính

V – I của pin mặt trời cũng phụ thuộc vào cường độ bức xạ chiếu sáng Ở mỗi tầng bức

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

Hình 2.10.Đường cong đặc trưng V - I của pin mặt trời phụ thuộc vào cường độ bức xạ

Mặt trời

Công suất của tấm pin năng lượng mặt trời thay đổi khi bức xạ thay đổi Hình vẽ dưới đây thể hiện sự phụ thuộc Pmax và Vmax vào môi trường Ứng với mỗi công suất thì điện áp Vmax cũng khác nhau

Hình 2.11.Đường cong đặc trưng P - V của pin mặt trời

phụ thuộc vào cường độ bức xạ Mặt trời

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

Hình 2.12.Đường cong đặc tính V - I của pin mặt trời phụ thuộc vào

nhiệt độ của pin

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

Hình 2.13.Đường đặc tính tải và đặc tính của pin mặt trời

Trên hình vẽ 2.13 đường OA và OB là những đường đặc tính tải A1 là điểm làm việc của pin ứng với công suất P1 Công suất lớn nhất do phơi nắng thu được là P2 (tải có đường đặc tính là OC, pin làm việc ở điểm C1) Để pin làm việc ở điểm C1, cần có một

bộ điều chỉnh công suất để liên kết giữa dãy pin mặt trời và tải

2.2.6.Các phương pháp ghép pin mặt trời

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

• Ghép nối tiếp các tấm modun lại sẽ cho điện áp ra lớn hơn

• Ghép song song các tấm modun lại sẽ cho dòng điện lớn hơn

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

Phương pháp ghép nối tiếp:

Hình 2.14 Ghép nối tiếp 2 module Pin Mặt Trời (a) và đường đặc trưng VA của các

, Popt = ∑ Popti

𝑛 𝑖=0

(2.3) Trong đó:

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

• 𝐼𝑖, 𝑉𝑖, 𝑃𝑖… là dòng điện, công suất, hiệu điện thế của module thứ i trong hệ

• 𝐼𝑜𝑝𝑡𝑖, 𝑉𝑜𝑝𝑡𝑖, 𝑃𝑜𝑝𝑡𝑖… là công suất làm việc tối ưu, điện thế làm việc tối ưu, công suất làm việc thứ i của các module trong hệ

• 𝐼𝑜𝑝𝑡, 𝑉𝑜𝑝𝑡, 𝑃𝑜𝑝𝑡… là dòng điện làm việc tối ưu, điện thế làm việc tối ưu, công suất làm việc tối ưu của hệ

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

Phương pháp ghép song song

Hình 2.15.Ghép song song 2 module pin Mặt Trời (a) và các đường đặc trưng

V-A của các module và của hệ (b)

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

, Popt = ∑ Popti

𝑛 𝑖=0

(2.4)

Đường đặc tính VA của hệ cũng được suy ra bằng cách cộng các giá trị dòng điện

I ứng với các giá trị điện thế V không đổi Trong trường hợp này, các pin cũng làm việc như các máy phát điện khi có giá trị 0 < R < ∞

2.2.7.Hiện tượng điểm nóng

Xảy ra khi ta ghép nối các moodun không giống nhau, tức là khi các thông só Isc,Voc, Popt của các modun pin khác nhau Đây là hiện tượng tấm pin yếu hơn (tức là pin kém chất lượng hơn so với các pin khác trong dàn hoặc khi nó bị nắng che trongkhi các pin khác trong dàn vẫn được chiếu sáng) sẽ hấp thụ hoàn toàn công suất điện do các tấm pin khác trong dàn vẫn được chiếu sáng) sẽ hấp thụ hoàn toàn công suất điện do các tấm pin khỏe hơn phát ra và làm cho công suất điện mạch ngoài bằng 0 Phần năng lượng điện tấm pin yếu hơn nhận được từ tấm pin khỏe hơn sẽ biến thành nhiệt, làm nóng tấm pin này lên và có thể dẫn tới hư hỏng hiện tượng điểm nóng này chỉ xảy ra trên các pin yếu hơn các pin khác trong hệ, dẫn tới sự hư hỏng hệ hay giảm đáng kể hiệu suất biến đổi quang điện của hệ

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

Hình 2.16.Diode nối song song với modun để bảo vệ modun và dàn pin mặt trời

Nhìn hình ta thấy giả sử Pin Ci là pin yếu nhất được bảo vệ bằng diode phân cực thuận chiều với dòng điện trong mạch mắc song song Trong trường hợp hệ làm việc bình thường, các pin mặt trời hoạt động ở điều kiện như nhau thì dòng trong mạch không qua

diode nên không có tổn hao năng lượng Khi sự cố xảy ra, vì một nguyên nhân nào đó mà pin Ci bị che và bị tăng nhiệt độ, điện trở của Ci tăng lên, lúc này một phần hay toàn bộ dòng điện sẽ rẽ qua diode để tránh gây sự hư hỏng cho Ci Thâm chí khi Ci bị hỏng hoàn toàn thì hệ vẫn có thể tiếp tục làm việc

2.3.Hệ thống điện năng lượng mặt trời

Hệ thống điện năng lượng mặt trời được cấu thành chính từ các tấm pin mặt trời (pin quang điện) Các tấm pin năng lượng mặt trời trong hệ thống đóng vai trò hấp thụ ánh nắng mặt trời, chuyển hóa quang năng thành điện năng và điện năng được đưa lên điện lưới hoặc lưu trữ trực tiếp trên ắc quy để hoạt động độc lập Các tấm pin này được nối với nhau theo phương pháp song song hoặc nối tiếp tùy theo yêu cầu của hệ thống

Nhìn chung, Hệ pin năng lượng mặt trời nhìn chung được chia làm 2 loại cơ bản:

- Hệ Pin năng lượng mặt trời làm việc độc lập

- Hệ Pin năng lượng mặt trời làm việc nối lưới

Hệ thống pin năng lượng mặt trời độc lập thường được sử dụng ở những vùng xa, miền núi, hải đảo nơi mà lưới điện kéo đến

Còn trong hệ thống pin năng lượng mặt trời làm việc với lưới, mạng lưới pin mặt trời được mắc với lưới điện qua bộ biến đổi mà không cần bộ dự trữ năng lượng

Hình 2.17.Hệ Pin năng lượng mặt trời làm việc độc lập

Đối với hệ pin năng lượng mặt trời làm việc đọc lập cần phải có khâu lưu giữ điện năng để có thể phục vụ cho tải trong những thời gian thiếu nắng, ánh sáng yếu hay vào ban đêm

Có nhiều phương pháp lưu trữ năng lượng trong hệ PV Phổ biến nhất vẫn là sử dụng ắc quy để lưu trữ năng lượng Ắc quy cần phải có một bộ điều khiển nạp để

bảo vệ và đảm bảo cho tuổi thọ của ắc quy

Bên cạnh đó cần phải sử dụng thêm bộ DC/DC dùng để xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất của pin và làm ổn định nguồn điện một chiều lấy từ pin mặt trời để cung cấp cho tải ắc quy Bộ biến đổi DC/DC còn có tác dụng điều khiển chế độ nạp và phóng để bảo vệ và nâng cao tuổi thọ cho ắc quy Có nhiều loại bộ biến đổi DC/DC được

sử dụng nhưng phổ biến nhất vẫn là 3 loại là: bộ tăng áp boost, bộ giảm áp Buck và và bộ hỗn hợp tăng giảm boost – Buck Cả 3 loại DC/DC trên đều sử dụng nguyên tắc đóng mở khóa điện từ theo một chu kỳ được tính toán sẵn để đạt được mục đích sử dụng Tùy theo mục đích và nhu cầu mà bộ DC/DC được lựa chọn cho thích hợp

Hình 2.18.Hệ Pin năng lượng mặt trời làm việc nối lưới

Phía trên là sơ đồ hệ PV được nối với lưới điện Hệ thống này cho phép tụ duy trì hoạt động của tải bằng nguồn năng lượng dự trữ và đồng thời có thể bơm phần năng lượng

dư thừa vào lưới điện để bán Khi nguồn mặt trời ( hay máy phát pin mặt trời) sinh ra nhiều năng lượng thì nguồn năng lượng dư thừa sẽ được chuyển vào trong lưới điện, còn trong những điều kiện thời tiết xấu, không có nắng hay mưa, máy phát pin mặt trời không sinh ra đủ năng lượng để đáp ứng cho phụ tải thì hệ sẽ lấy điện từ lưới Do đó hệ

PV này có thể cần hoặc không cần ắc quy để dự trữ năng lượng tạo bởi nguồn pin mặt

trờimà còn phải đảm bảo nguồn điện năng ra khỏi hệ thống quang điện phải đồng bộ với lưới

Hệ quang điện mặt trời có thể trở thành một phần của lưới điện lớn Cấu trúc của

hệ còn phụ thuộc vào quy mô của hệ và đặc tính phụ tải sử dụng khi hệ quang điện được mắc với lưới, nguồn công suất có hai chiều hướng Lưới sẽ hấp thụ nguồn điện mặt trời

và sẽ cung cấp cho các thiết bị tiêu thụ khi hệ PV không thể sinh ra điện vào thời gian yếu ánh sáng hoặc vào ban đêm Đây chính là hình thức đang được khuyến khích phát triển nhiều nơi trên thế giới

Hệ pin mặt trời được nối với lưới điện ở đầu ra của bộ ngắt đồng bộ ở cuối đầu ra của bộ đổi điện Dòng chảy công suất phụ thuộc vào cả hai hướng của điểm tiếp nối với

bộ ngắt Các yêu cầu cơ bản đối với điện áp tại điểm nối là như sau:

- Biên độ và pha của điện áp phải cân bằng với biên độ và pha của dòng công suất Điện áp được điều khiển bằng hệ số biến đổi máy biến áp hoặc góc mở bộ DC/AC trong hệ điều khiển mạch vòng kín

- Phải đảm bảo đồng bộ với tần số của lưới bằng cách sử dụng tần số hệ tần số chuẩn cho tần số đóng mở của bộ DC/AC

Hệ PV phải được bảo vệ ngắn mạch, quá dòng, quá áp, nối đất, chống sét và bảo

vệ tách biệt…

2.4 Bộ lưu điện (Ắc quy) và bộ sạc bảo vệ Ắc quy

2.4.1 Khái niệm ắc quy

Hệ quang điện làm việc độc lập cần phải có khâu lưu giữ điện năng để có thể phục

vụ cho tải trong những thời gian thiếu nắng, ánh sáng yếu hay vào ban đêm Có nhiều phương pháp lưu trữ năng lượng trong hệ PV Phổ biến nhất vẫn là sử dụng ắc quy để lưu trữ năng lượng Ắc quy cần phải có một bộ điều khiển nạp để bảo vệ và đảm bảo cho tuổi thọ của ắc quy

Hình 2.19.Hệ thống ắc quy dùng trong lưới điện pin mặt trời

Ắc quy là loại nguồn điện hóa học,có thể biến đổi điện năng thành hóa năng và ngược lại biến đổi hóa năng thành điện năng.Qúa trình biến đổi hóa năng thành điện năng gọi là quá trình phóng điện và quá trình biến đổi điện năng thành hóa năng gọi là quá trình nạp điện

Ắc quy là nguồn điện một chiều được sử dụng rộng rãi và làm việc dựa trên hiện tượng điện-hóa học.Ắc quy sản xuất ra phải đảm bảo các tính năng về điện theo qui định

-Sức điện động lớn và ít thay đổi khi phóng, nạp điện

-Ắc quy phải làm việc thuận nghịch nghĩa là hiệu suất gần bằng 100%

-Điện trở trong nhỏ

-Dung lượng cho một đơn vị trọng lượng và đơn vị thể tích phải lớn

-Tự phóng điện

2.4.2 Phân loại và cấu tạo của Ắc quy

Nếu điểm qua các loai Ắc quy thì có thể có nhiều cách gọi khác nhau như:Ắc quy nước, Ắc quy axit: Ắc quy axit kiểu hở,Ắc quy kiểu kín khí, Ắc quy không cần bảo dưỡng,

Ắc quy khô, Ắc quy GEL, Ắc quy kiềm…Trên thực tế thường phân biệt thành 2 loại Ắc quy thông dụng hiện nay là Ắc quy sử dụng điện môi axit và Ắc quy sử dụng điện môi

bằng kiềm.Tuy có hai loại chính như vậy nhưng Ắc quy kiềm có vẻ ít gặp nên đa số trên thị trường là Ắc quy axit

Cấu tạo của Ắc-quy gồm hai điện cực khác nhau đặt trong dung dịch điện phân, có màng ngăn cách Do điện thế của mỗi điện cực đối với dung dịch khác nhau nên giữa hai điện cực có hiệu điện thế, nếu nối với mạch ngoài có thể sinh ra dòng điện

kế theo phương pháp tốt nhất, đó là phương pháp sạc Ắc-quy 3 giai đoạn, với tính chất sạc trong thời gian ngắn, tăng tuổi thọ Ắc-quy và có các chức năng chống quá dòng, quá

áp

2.5.Bộ biển đổi DC/DC

Bộ biến đổi DC/DC được dùng phổ biến cho nguồn điện 1 chiều nhằm chuyển đổi nguồn một chiều bất ổn định thành nguồn điện một chiều có thể điều khiển được Trong mạng điện dùng pin năng lượng mặt trời, bộ biến đổi DC/DC được kết hợp với MPPT MPPT sử dụng bộ biến đổi DC/DC để điều chỉnh nguồn điện áp vào lấy từ nguồn pin mặt trời, chuyển đổi và cung cấp điện áp lớn nhất phù hợp với tải Và bộ DC/DC thường gồm các phần tử cơ bản là một khoá điện tử, một cuộn cảm để giữ năng lượng, và một điôt dẫn dòng

Các bộ biến đổi DC/DC thường có 2 loại là có cách ly và loại không cách ly Loại cách ly sử dụng máy biến áp cách ly về điện tần số cao kích thước nhỏ để cách ly nguồn đầu vào với nguồn đầu ra và tăng hay giảm áp bằng cách điều chỉnh hệ số biến áp Loại này thường được sử dụng cho các nguồn cấp một chiều sử dụng khoá điện tử Phổ biến nhất vẫn là mạch dạng cầu, nửa cầu Trong nhiều thiết bị quang điện, hệ thống làm việc với lưới thường dùng loại có cách ly về điện vì nhiều lý do an toàn Loại DC/DC không cách ly không sử dụng máy biến áp cách ly Chúng luôn được dùng trong các bộ điều khiển động cơ một chiều Các loại bộ biến đổi DC/DC thường dùng trong hệ PV gồm:

- Bộ giảm áp (buck)

- Bộ tăng áp (boost)

- Bộ đảo dấu điện áp (buck – boost)

- Bộ biến đổi tăng – giảm áp Cuk

Việc lựa chọn loại DC/DC nào để sử dụng trong hệ PV còn tùy thuộc vào yêu cầu của tải đối với điện áp ra của dãy pin mặt trời.[4]

Hình 2.20.Sơ đồ các bộ biến đổi DC/DC a: bộ Buck; b: bộ Boost; c: bộ Buck-Boost; d: bộ Cuk

2.5.1.Mạch Buck

Khóa K trong mạch là những khóa điện tử BJT, MOSFET, hay IGBT Mạch Buck

có chức năng giảm điện áp đầu vào xuống thành điện áp nạp ắc quy Khóa transitor được đóng mở với tần số cao Hệ số làm việc D của khóa được xác định theo công thức sau:

t

¾ dãng on

T

T

D = = (2.5)

Hình 2.21.Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp Buck

Hình 2.22.Dạng sóng điện áp và dòng điện của mạch Buck

Trong thời gian mở, khóa K cho dòng đi qua, điện áp một chiều được nạp vào tụ C2

và cấp năng lượng cho tải qua cuộn kháng L Trong thời gian đóng, khóa K đóng lại không cho dòng qua nữa, năng lượng 1 chiều từ đầu vào bằng 0 Tuy nhiên tải vẫn được cung