(Luận văn thạc sĩ) mô hình hóa và mô phỏng sự thay đổi công suất đầu ra của pin quang điện khi một số thông số môi trường thay đổi sử dụng matlab simulink

Do đó, các hướng nghiên cứu trên thế giới hiện nay, tập trung vào việc giảm giá thành điện mặt trời thông qua giảm giá thành sản xuất pin quang điện và nâng cao hiệu suất sử dụng của pin

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN THÁI HOÀNG LONG

MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG SỰ THAY ĐỔI CÔNG

SUẤT ĐẦU RA CỦA PIN QUANG ĐIỆN

KHI MỘT SỐ THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG THAY ĐỔI

SỬ DỤNG MATLAB/SIMULINK

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 10/2014

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN THÁI HOÀNG LONG

MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG SỰ THAY ĐỔI CÔNG SUẤT ĐẦU RA CỦA PIN QUANG ĐIỆN KHI MỘT SỐ

THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG THAY ĐỔI

SỬ DỤNG MATLAB/SIMULINK

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SỸ NGUYỄN THÁI HOÀNG LONG

MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG SỰ THAY ĐỔICÔNG

SUẤT ĐẦU RACỦA PIN QUANG ĐIỆNKHI MỘT SỐ

THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG THAY ĐỔI

SỬ DỤNG MATLAB/SIMULINK

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202

Hướng dẫn khoa học:

PGS TS QUYỀN HUY ÁNH

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 8 tháng 08 năm 2014

Nguyễn Thái Hoàng Long

LỜI CẢM TẠ

Lời đầu tiên, tôi muốn dành sự biết ơn sâu sắc nhất đến với gia đình tôi, ở đó không chỉ là nguồn động viên, khích lệ rất lớn mà còn tạo điều kiện cho tôi rất nhiều trong quá trình học tập và hoàn tất khóa học này

Tiếp theo, tôi dành lời tri ân đến Thầy– PGS.TS Quyền Huy Ánh, người đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi rất nhiều để có đượccác kiến thức chuyên ngành quý giá và hoàn thành được luận văn tốt nghiệp; đồng thời, tôi cũng cảm ơn TS Trương Việt Anh, người đã chia sẻ cho tôi những kinh nghiệm cũng như các kiến thức quý báu trong quá trình thực hiện luận văn

Tôi muốn dành lời cảm ơn đến tất cả các thầy cô đã truyền đạt những kiến thức quý báu, cảm ơn những bạn bè đã nhiệt tình giúp đỡ nhau trong quá trình học tập, cảm ơn các tác giả và các anh chị đi trước đã chia sẻ kiến thức cho tôi và mọi người, cảm ơn các cán bộ và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh

đã tạo điều kiện để tôi có thể học tập và tiếp thu những điều bổ ích

Lời cuối cùng, tôi kính chúc tất cả mọi người sức khỏe, niềm hạnh phúc và thành đạt

Trân trọng

Tp Hồ Chí Minh, ngày 8 tháng 08 năm 2014

Nguyễn Thái Hoàng Long

MỤC LỤC

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI - ii

XÁC NHẬN CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN - iii

LÝ LỊCH KHOA HỌC - iv

LỜI CAM ĐOAN - vi

LỜI CẢM TẠ - vii

TÓM TẮT - viii

MỤC LỤC - x

DANH SÁCH CÁC HÌNH - xiv

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN - 1

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN - 6

CHƯƠNG 3.MÔ PHỎNG PIN QUANG ĐIỆN - 47

CHƯƠNG 4.PHƯƠNG PHÁP TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI ĐÁP ỨNG CÁC ĐIỀU KIỆN THAY ĐỔI - 57

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI - 97

DANH SÁCH TÀI LIỆU THAM KHẢO - 98

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu

Đề tài nghiên cứu về mô phỏng đặc tính pin quang điện và việc sử dụng pin quang điện hiệu quả Pin quang điện là một thiết bị chuyển đổi từ năng lượng mặt trời sang điện năng Hiện nay, điện năng trên thế giới được lấy từ nhiều nguồn khác nhau: năng lượng hóa thạch chiếm 68%, năng lượng hạt nhân chiếm 12%, thủy điện chiếm 15% và năng lượng gióchiếm 2% và các nguồn năng lượng khác (gồm năng lượng mặt trời) chiếm 2% Tuy nhiên, đứng trước bối cảnh về ô nhiễm môi trường

và biến đổi khí hậu ngày càng gia tăng, các nguồn điện được lấy từ mặt trời đang được chú trọng và ưu tiên phát triển trên thế giới với tốc độ trung bình là 25%/năm, bởi vì tính ưu việc về hạn chế ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường, luôn có sẵn và là nguồn năng lượng vô tận Do đó, điện mặt trời được gọi là một trong các nguồn năng lượng của tương lai

Hình 1-1 Biểu đồ các nguồn năng lượng điện toàn cầu năm 2011

Bên cạnh đó, việc chuyển đổi năng lượng mặt trời vẫn còn gặp nhiều rào cản, vấn đề chủ yếu là giá thành điện cao (từ 25 eurocent/kWh đến 50 eurocent/kWh) do vốn đầu tư ban đầu cao và hiệu suất chuyển đổi thấp (chỉ từ 5% đến 15%) Do đó, các hướng nghiên cứu trên thế giới hiện nay, tập trung vào việc giảm giá thành điện mặt trời thông qua giảm giá thành sản xuất pin quang điện và nâng cao hiệu suất sử dụng của pin Để thực hiện điều này, các nhà khoa học tập trung vào phương pháptìm các nguồn vật liệu mới, phương pháp phát điện mới song song với phương pháp điều khiển dò tìm điểm công suất cực đại (Maximum Power Point Tracking – MPPT) để pin quang điện có thể hoạt động ở chế độ tối ưu nhất về công suất có thể

Việt Nam có một lợi thế lớn về việc sử dụng năng lượng mặt trời, đó là vị trí địa lý nằm gần đường xích đạo, có năng lượng bức xạ mặt trời trung bình đạt từ 4kWh/m2/ngày – 5kWh/m2/ngày

Hình 1-2 Bản đồ bức xạ mặt trời toàn cầu

Trên thế giới cũng như tại Việt Nam, đến nay đã có nhiều nghiên cứu về pin quang điện, như: Nâng cao và ổn định hóa điện áp của Pin quang điện, Các phương pháp tìm điểm công suất cực đại của Pin quang điện, Các nguồn vật liệu mới để chế tạo tế bào quang điện, Cải thiện chất lượng nguồn điện từ Pin quang điện Riêng tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM đã có các đề tài nghiên cứu sau::

- Tối ưu hóa công suất hệ thống Pin mặt trời: Luận văn thạc sĩ/ Lê Ngọc

Phương Bình, 2013

- Tối ưu công suất hệ thống pin mặt trời: Luận văn thạc sĩ/ Phan Thanh

Nhi, 2012

- Giải thuật mới dò tìm điểm công suất cực đại của pin mặt trời: Luận văn

thạc sĩ/ Nguyễn Đoàn Quốc Anh, 2011

- Khảo sát các thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT) trong hệ

thống pin mặt trời: Luận văn thạc sĩ/ Ngô Xuân Mạnh, 2011

- Nghiên cứu điều khiển hệ thống kết nối pin mặt trời với lưới bằng biến

tần lai: Luận văn thạc sĩ/ Lưu Kim Tuấn, 2011

- Dò tìm điểm làm việc cực đại trong hệ thống pin quang điện bằng

phương pháp logic mờ: Luận văn thạc sĩ/ Trần Văn Lưu, 2012

- Xây dựng giải thuật bộ dò điểm cực đại của Pin quang điện: Luận văn

Thạc sĩ/ Nguyễn Thanh Thuận, 2012

1.2 Lý do chọn đề tài

Tác giả nhận thấy các đề tài gần đây chủ yếu đề cập đến các phương pháp tối

ưu trong việc dò tìm điểm làm việc có công suất cực đại trong điều kiện bình thường Tuy nhiên, khi pin mặt trời hoạt động trực tiếp dưới ánh sáng mặt trời sẽ gặp nhiều yếu tố tác động khác như mây, gió… từ đó dẫn đến đến bức xạ cũng như nhiệt độ tác động lên các pin không đồng đều nhau, gây ra ảnh hưởng về đặc tính hoạt động của pin

Lý do của tác giả khi chọn đề tài này là nhằm mô phỏng sự thay đổi của đặc tuyến pin khi các thông số của môi trường thay đổi (cụ thể là bức xạ và nhiệt độ), qua đó xác định phương pháp tìm điểm công suất cực đại phù hợp

Thực tế, pin quang điện hoạt động luôn gặp phải những điều kiện khác nhau, thay đổi theo thời gian trong ngày hoặc trong năm Chính những thay đổi đó sẽ dẫn đến sự thay đổi trong đặc tính của pin quang điện, từ đó làm thay đổi điểm làm việc của pin quang điện (không còn ở điểm công suất cực đại nữa) Điều này sẽ làm giảm hiệu suất của pin

Đề tài nghiên cứu này nhằm giúp xác định tốt điểm làm việc cực đại của pin quang điện khi pin quang điện hoạt động trong thực tế có các thông số từ môi trường thay đổi, đảm bảo pin quang điện luôn hoạt động trong trạng thái tối

ưu nhất về mặt công suất

Trong phạm vi luận văn này, tác giả tập trung mô phỏng sự thay đổi về bức

xạ mặt trời và nhiệt độ hoạt động của pin Những mô phỏng này, nhằm chứng minh phương án lắp đặt từng bộ DC-DC cho pin sẽ mang lại công suất làm việc của pin cao hơn

1.4 Nhiệm vụ và giới hạn đề tài

- Mô hình hóa và mô phỏng pin quang điện, phân tích đặc tuyến I-V, P-V

- Mô phỏng pin quang điện trong những điều kiện môi trường khác nhau, phân tích sự phụ thuộc các đặc tính của pin quang điện dưới các điều kiện môi trường

- Trình bày phương án tối ưu dò tìm điểm làm việc cực đại của pin quang điện

1.5 Phương pháp nghiên cứu

- Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu để tích lũy cơ sở lý thuyết

- Sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để mô hình hóa pin quang điện dựa trên cơ sở lý thuyết

- Thực hiện mô phỏng, nhận xét kết quả mô phỏng và đưa ra những đề xuất

dựa trên kết quả mô phỏng

1.6 Nội dung luận văn

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG PIN QUANG ĐIỆN

CHƯƠNG 4: ẢNH HƯỞNG TỪ CÁC ĐIỀU KIỆN MÔI TRƯỜNG

CHƯƠNG 5: TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI

Các pin Mặt Trời thông thường được lắp thành một module khoảng 40 phiến pin, và 10 module sẽ được lắp gộp lại thành chuỗi Quang điện có thể dài vài mét Các chuỗi Pin Mặt Trời dạng phẳng này được lắp ở một góc cố định hướng về phía Nam, hoặc được lắp trên một hệ thống hiệu chỉnh hướng nắng để luôn bắt được nắng theo sự thay đổi quĩ đạo của nắng Mặt Trời Qui mô hệ thống quang điện có thể từ mức 10-20 chuỗi quang điện cho các ứng dụng dân sự, cho đến hệ thống lớn bao gồm hàng trăm chuỗi quang điện kết nối với nhau để cung cấp cho các cơ sở sản xuất điện hay trong các ứng dụng công nghiệp

Một số dạng pin Mặt Trời được thiết kế để vận hành trong điều kiện ánh sáng Mặt Trời hội tụ Các Pin Mặt Trời này được lắp đặt thành các collector tập trung ánh sáng Mặt Trời sử dụng các lăng kính hội tụ ánh sáng Phương pháp này có mặt thuật lợi và bất lợi so với mạng Pin Mặt Trời dạng phẳng (flat-plate PV) Thuận lợi ở điểm là sử dụng rất ít các vật liệu Pin Mặt Trời bán dẫn đắt tiền trong khi đó hấp tối đa ánh sáng Mặt Trời Mặt bất lợi là các lăng kính hội tụ phải được hướng thẳng đến Mặt Trời, do đó việc sử dụng các hệ hấp thu tập trung chỉ khai triển ở

những khu vực có nắng nhiều nhất, đa số đòi hỏi việc sử dụng các thiết bị hiệu chỉnh hướng nằng tối tân, kỹ thuật cao

Hiệu quả của Pin Mặt Trời phụ thuộc trực tiếp vào hiệu suất chuyển đổi ánh sáng thành điện năng của phiến pin MặT TRờI Chỉ có ánh sáng Mặt Trời với mức năng lượng nhất định mới có thể chuyển đổi một cách hiệu quả thành điện năng, chưa kể đến một phần lớn lượng ánh sáng bị phản chiếu lại hoặc hấp thu bởi vật liệu cấu thành phiến pin Do đó, hiệu suất tiêu biểu cho các loại pin Mặt Trời thương mại hiện nay vẫn tương đới thấp, khoảng 15% (tương đương với 1/6 bức xạ Mặt Trời chiếu đến pin được chuyển thành điện)[v] Hiệu suất thấp dẫn đến việc đòi hỏi tăng diện tích lắp đặt để đạt được công suất đưa ra, tức là tăng giá thành sản xuầt

Do đó, mục tiêu hành đầu hiện nay của ngành công nghiệp ĐMT là tăng hiệu quả Pin và giảm giá thành trên đơn vị phiến pin

Hình 2-1 Quang phổ mặt trời và hiệu suất chuyển hóa quang điện

Phiến pin quang điện là kỳ công của vật lý tinh thể và bán dẫn Nó được cấu tạo từ các lớp phẳng và mỏng của các vật liệu đặc biệt gọi là bán dẫn xếp chồng lên nhau, Hình 2-2

Hình 2-2 Hiệu ứng quang điện

Có 3 lớp vật liệu chính: lớp trên cùng gọi là silicon loại n (n: negative, âm), vật liệu này có khả năng “phóng thích” các hạt tích điện âm gọi là electron một khi được đưa ra ngoài ánh sáng mặt trời Lớp dưới cùng gọi là lớp p, tích điện dương khi tiếp xúc với bức xạ Mặt Trời (p: positive, dương) Lớp vật liệu ở giữa gọi là lớp chèn (junction), lớp này có vai trò như một lớp phân cách (insulator) giữa lớp n và lớp p Các eletron được phóng thích từ lớp n sẽ di chuyển theo đường ít bị cản trở nhất, tức là di chuyển từ lớp n tích điện âm ở bên trên về lớp p tích điện dương ở bên dưới Như vậy, nếu vùng p và vùng n được nối bởi một mạch điện tạo bởi các dây dẫn mỏng, dòng electron sẽ di chuyển trong mạch điện này, tạo ra dòng điện một chiều có thể được sử dụng trực tiếp hoặc được “dự trữ” để dùng sau Cường độ

dòng điện sinh ra phụ thuộc vào số lượng và phương thức nối các tế bào Mặt Trời trong pin Mặt Trời

Vật liệu bán dẫn cơ bản và được sử dụng rộng rãi nhất trong tế bào quang điện là silicon đơn tinh thể Các tế bào silicon đơn tinh thể cũng có hiệu suất cao hơn cả, thông thường có thể chuyển đổi đến 23% năng lượng Mặt Trời thu nhận được thành điện Các tế bào này cũng rất bền và có tuổi thọ sử dụng cao Vấn đề chủ yếu là giá thành sản xuất Tạo nên silicon tinh thể lớn và cắt chúng thanh những miếng nhỏ và mỏng (0,1-0,3 mm) là rất tốn thời gian và chi phí cao Do lý do này,

để giảm giá thành sản xuất, người ta phát triển nghiên cứu các vật liệu thay thế cho

tế bào silicon đơn tinh thế, ví dụ như tế bào silicon đa tinh thể, các pin quang điện công nghệ “màng mỏng”, và các tổ hợp tập trung

2.1.1.b Hệ thống Pin Quang Điện (Photovoltaic System)

Cơ chế quang điện cho thấy cường độ dòng quang điện tỷ lệ thuận với cường

độ ánh sáng Mặt Trời Dòng điện sinh ra truyền qua chuỗi các tế bào quang điện, hay còn gọi là module quang điện, có thể cung cấp điện ở bất cứ qui mô nào, từ vài miliwatt (MW) như trong máy tính bỏ túi cho đến vài MW như qui mô các nhà máy điện Dòng quang điện một chiều có thể được nạp vào bình acqui để dự trữ cho các sinh hoạt về ban đêm hoặc vào những ngày không có nắng Một bộ điều khiển thường được cài giữa module và bình ắc qui như một dạng ốn áp, giúp tránh trường hợp ắc qui bị sạc quá tải Toàn bộ các thiết bị này liên kết lại thành hệ thống Quang Điện sản xuất điện một chiều có điện thế do động từ 12 đến 24 volt Điện một chiều

có thể được chuyển đổi thành điện xoay chiều thông qua bộ biến điện Bộ biến điện DC/AC ngày nay có công suất từ 100-20,000 W và hiệu suất đạt tới 90%

Các module có thể được lắp nối với nhau một cách dễ dàng tạo thành chuỗi module có công suất đáp ứng với nhu cầu điện đặt ra Một khi được lắp đặt, thì chi phí bảo trì cho module gần như không đáng kể

Module và các chuỗi quang điện thường được đánh giá dựa vào công suất tối

là STC) STC được qui định là module vận hành ở nhiệt độ 250C với tổng lượng bức xạ chiếu lên module là 1000 W/m2 và dưới phân bố phổ của khối khí 1,5 (Air Mass 1,5, góc nắng chiếu nghiêng 370) Do các điều kiện thử nghiệm trong phòng thí nghiệm là tương đối lý tưởng so với điều kiện thực tế của các khu vực lắp đặt ĐMT, các module chỉ đặt hiệu suất cỡ 85-90% hiệu suất thử nghiệm ở điều kiện chuẩn (STC) Các module quang điện ngày này rất an toàn, bền và đáng tin cậy, với tuổi thọ sử dụng dao động từ 20-30 năm

2.1.1.c Hiệu suất của Pin Mặt Trời

Hiệu suất tối đa của phần lớn pin MT hiện nay trên thị trường là 15%, tức

là chỉ có 15% ánh nắng Mặt Trời được Pin Mặt Trời chuyển thành điện Mặc dù trên

lý thuyết, hiệu suất tối đa của pin Mặt Trời có thể đạt đến 32,3% (tức là có giá trị kinh tế rất lớn), trên thực tế hiệu suất thấp hơn hơn một nửa giá trị lý thuyết, và con

số 15% không được các ngành công nghiệp năng lượng xem là mang lại lợi ích kinh

tế Các tiến bộ kỹ thuật gần đây cho phép tạo ra trong phòng thí nghiệm các tế bào quang điện đạt hiệu suất tới 28,2% Các pin Mặt Trời dạng này vẫn còn phải qua các thử nghiệm trong điều kiện thực tế Nếu thử nghiệm thành công trong các môi trường thử nghiệm khắc nghiệt trong tự nhiên, các pin Mặt Trời dạng này sẽ được xem là mang lại lợi ích kinh tế cụ thể và do đó việc phát triển điện Mặt Trời qui mô lớn là có tính khả thi về mặt kinh tế

Hình 2-3 Hiệu suất của các loại vật liệu tinh thể dùng trong sản xuất phiến pin

quang điện

2.1.2 Các ứng dụng của Quang Điện

Ngày nay, ứng dụng của ĐMT rất đa dạng Ở qui mô nhỏ, ĐMT được sử dụng để cung cấp điện cho việc thắp sáng nhà cửa, tủ lạnh và các ứng dụng gia dụng và kinh doanh ĐMT đặc biệt có giá trị ở vùng sâu vùng xa, khi việc kết nối với lưới điện là rất tốn kém hoặc không khả thi Ở qui mô lớn hơn, các nhà máy ĐMT được sử dụng để cung cấp điện bổ sung vào hệ thống lưới điện trung tâm

Các ứng dụng về viễn thông của ĐMT cũng rất đa dạng Pin Mặt Trời được dùng trong thu phát vi sóng, các hệ thống đài vô tuyến cầm tay, các hệ thống điều khiển từ xa, truyền thông vô tuyến, điện thoại, các hộp điện thoại khẩn cấp trên xa

lộ Nhiều ứng dụng trong thiết bị điện tử gia dụng như máy tính cầm tay, máy vi tính, đồng hồ đo tay, máy thu hình

Các hệ thống chiếu sáng từ xa cũng sử dụng rất rộng rãi ĐMT, phổ biến nhất

là các bảng quảng cáo, bảng tín hiệu giao thông, các trạm đỗ xe Các cơ sở công nghiệp, quân sự, giao thông vận tải và các ngành công nghiệp dầu khí cũng sử dụng các hệ thống ĐMT để vận hành các tín hiệu cảnh báo, các đèn hiệu cột mốc dẫn đường, các tín hiệu khẩn cấp, các bảng điều khiển giao thông, các tín hiệu xe lửa v.v

Hình 2-4 Các dạng vật liệu Pin quang điện khác nhai Một trong những ứng dụng rộng rãi nhất ngày nay của ĐMT là cung cấp điện cho các trạm theo dõi dự báo đặt ở vùng sâu vùng xa Hầu hết trong số hơn 20 ngàn

hệ thống ĐMT phục vụ công tác dự báo sử dụng ngày nay trên khắp thế giới có công suất nhỏ hơn 200 W và dùng để theo dõi thời tiết, nhiệt độ và lưu lượng nước, giám sát lượng chất thải công nghiệp và rò rỉ đường ống v.v

Pin Mặt Trời còn có thể cung cấp điện cho hệ thống bơm nước phục vụ tưới tiêu, nước sinh hoạt hoặc nước sử dụng trong các nhà máy công nghiệp

2.1.3 Các dạng hệ thống Quang Điện

2.1.3.a Hệ thống hòa mạng

Có hai dạng hệ thống quang điện kết mạng: trực tiếp và trữ ắc qui Module quang điện và bổ chuyển AC/DC là 2 thành phần thiết yếu trong cả 2 dạng hệ thống hòa mạng Module quang điện có vai trò chuyển đổi ánh sáng Mặt Trời thành dòng điện một chiều, và bộ chuyển AC/DC chuyển dòng điện một chiều này thành điện 2 chiều

Hệ thống quang điện nối mạng trực tiếp tương đối đơn giản hơn và hiệu quả hơn trong vài trường hợp Hệ thống này chuyển đổi tức thời dòng điện một chiều thành điện xoay chiều và kết nối vào đồng hồ điện trung tâm Tại đây, quang điện chia tải với hệ thống điện lưới và quay ngược đồng hồ điện bất cứ khi nào có thặng

dư điện[vii] Đây là dạng thiết kế giá thành thấp/tiết kiệm Hệ thống này không có biện pháp dự phòng vì nó không sử dụng bất cứ thiết bị trữ điện nào Nếu nguồn điện trung tâm bị cắt, thì sẽ xảy ra hiện tượng cúp điện ở đầu tải

Hệ thống quang điện sử dụng bình trữ điện ắc qui thì khắc phục được trường hợp mất điện khi nguồn điện trung tâm bị cắt Hệ thống bao gồm một bộ ắc qui[viii]và các thiết bị điều khiển điện tử phức tạp Một khi nguồn điện trung tâm bị cắt vào ban tối, điện dự trự từ ắc qui sẽ được sử dụng thay thế cho đến khi cạn nguồn dự trữ Nếu nguồn điện bị cắt vào ban ngày, hệ thống pin quang điện sẽ liên tục nạp ắc qui, từ đó kéo dài khả năng dự trữ điện cho ban tối

2.1.3.b Hệ thống đơn lẻ (cục bộ - stand alone)

Các hệ thống quang điện cục bộ được thiết kế để vận hành một cách độc lập đới với mạng điện lưới Qui mô và thiết kế của hệ thống dạng này phù hợp cho các tải điện một chiều và/hoặc điện xoay chiều công suất nhỏ Hệ thống cục bộ có thể chỉ hoạt động dựa vào duy nhất các mạng module quang điện, hoặc có thể kết hợp với các nguồn khác khác như điện gió, máy phát diesel như nguồn phát thứ cấp (còn gọi là hệ quang điện liên kết – hybrid system, Hình 2-5

Hình 2-5 Các ứng dụng khác nhau của pin quang điện Đối với hầu hết các hệ thống điện Mặt Trời gia dụng thì bình ắc qui được sử dụng để trữ điện Mặt Trời cho việc sử dụng vào buởi tới và vào các ngày không nắng hoặc nắng yếu Vào những ngày nắng tốt, bình ắc qui sẽ được sạc đầy nhờ dòng DC từ module quang điện, và tải điện sẽ sử dụng điện sặc từ bình ắc qui

2.2 Quang năng

2.1.1 Quang phổ

Khái niệm “Vật thể đen” (Blackbody): là một khái niệm lý thuyết so sánh, dùng để mô tả độ bức xạ của một đối tượng Năng lượng bức xạ của một vật thể là hàm số phụ thuộc vào nhiệt độ

Phương trình bức xạ của vật thể đen được cho bởi định luật Planck:

𝐸𝜆 = 3.74 × 108

𝜆 5 𝑒𝑥𝑝 14400𝜆𝑇 −1 (2-1) trong đó:

Eλ : công suất bức xạ trên một đơn vị diện tích (của vật thể đen) trong đoạn

T : nhiệt độ tuyệt đối (K)

A : diện tích bề mặt của vật thể đen (m2)

Đường cong phổ bức xạ có giá trị cực đại ở bước sóng được xác định bởi công thức:

𝜆𝑚𝑎𝑥 𝜇𝑚 = 2898

Diện tích của đồ thị trên ở giữa 2 giá trị bước sóng bất kỳ chính là công suất bức xạ của vật thể trong khoảng bước sóng đó Nếulấytích phân đồthịtrêntừ 0 đến

Tronglòng mặttrời có nhiệt độ khoảng 15triệu Kelvin, nhưng bức xạ từ bề mặt của mặt trời tương đồng với vật thể đen có nhiệt độ 5800 K

Công suất bức xạ của vật thể đen 5800 K (toàn bộ diện tích của đường cong)

là 1,37 kW/m2, bằng với công suất bức xạ tổng của mặt trời ở ngoài khí quyển trái đất Công suất bức xạ tổng của mặt trời được phân tỷ lệ như sau: những bước sóng dưới tia cực tím (UltraViolet-UV) chiếm 7%, trong vùng khả kiến chiếm 47%, từ vùng hồng ngoại (Infrared-IR) trở lên chiếm 46% (bước sóng trong vùng khả kiến

có tầm từ 0.38µm đến 0.78 µm)

Khi bức xạ mặttrời đi vào khí quyển cúatrái đấtsẽ bị hấpthu bởi nhiềuthành phần.Do đó, đường cong phổ bức xạcủa mặttrời nhận đượctrên mặt đất bị méo dạng nhiềuso với ngoài không gian Phổ bức xạ nhận được trên mặt đất còn phụ thuộc vào góc chiếu của mặt trời so với bề mặt trái đất, được phản ánh theo tỷ số AM

2.1.2 Định nghĩa tỷ số AM(Air Mass ratio)

Do trái đất có dạng hình cầu, vì thế mỗi góc chiếu khác nhau thì tia sáng mặt trời sẽ xuyên qua quãng đường trong khí quyển khác nhau Tỉ số AM được tính như sau:

kAM= 1,5 được phân tỷ lệ như sau: những bước song dưới UV chiếm 2%, trong vùng khả kiến chiếm 54%,từ vùng IR trở lên chiếm 44%.

Đường cong có khuynh hướng giảm lại và dịch chuyển về phía bước sóng lớn khi kAM tăng lên

2.1.3 Hiệu suất của vật liệu quang điện

Bức xạ mặt trời phát ra theo một dãy rất rộng, tuy nhiên chỉ có những tia bức

xạ (ứng với bước sóng λ) có năng lượng lớn hơn mức năng lượng kích hoạt electron của chất bán dẫn (tuỳ từng chất bán dẫn) mới có khả năng tạo ra hiện tượng quang điện

Hiệu suất của pin silicon ở mức dưới 50% Thựctế, pin silicon còn có hiệu suất nhỏ hơn25%, bởi vì những nguyên nhân sau:

+ Nội trở của pin gây tổn hao công suất

+ Những photon không được hấp thụ hoàn toàn do phản xạ ngược lại hoặc đi xuyên qua pin

+ Electron tự do và lỗ trống có khuynh hướng kết hợp làm giảm dòng điện pin

+ Giátrị điện áp band-gapkhi đo ở haiđầu pin chỉ khoảng ½ đến 2/3 giá trị đầy đủ

2.3 Pin quang điện

Một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành điện nhờ hiệu ứng quang điện được gọi là pin quang điện Sơ đồ tương đương của pin quang điện gồm có dòng quang điện Iph, điot, điện trở dòng rò

Rsh và điện trở nối tiếp Rs, Hình 2-6:

Hình 2-6 Mạch điện tương đương của pin quang điện Theo hình ta thấy, đặc tuyến I-V của pin được mô tả bằng biểu thức sau:

𝐼 = 𝐼𝑃𝐻 − 𝐼𝑆 𝑒

𝑞 𝑘𝑇𝐶𝐴 𝑉+𝐼𝑅 − 1 −𝑉+𝐼𝑅𝑆

Is: dòng bão hòa (A);

Tc: nhiệt độ vận hành của pin (K);

Công thức tính dòng quang điện IPH:

𝐼𝑃𝐻 = 𝐼𝑆𝐶 + 𝐾1(𝑇𝐶 − 𝑇𝑅𝑒𝐹) 𝜆 (2-6) Trong đó:

K1: hệ số dòng điện phụ thuộc vào nhiệt độ (A/0C);

Tc: Nhiệt độ vận hành của pin quang điện (K);

TRef: Nhiệt độ tiêu chuẩn của pin quang điện (K);

1 𝑇𝑅𝑒𝑓−

Một pin quang điện lý tưởng có điện trở dòng rò Rshlà rất lớn (xem như ∞),

Rslà rất bé (xem như 0) Mạch điện tương đương của pin quang điện được cho bởi Hình 2-7:

Hình 2-7 Mô hình pin quang điện lý tưởng Biểu thức (2.1) được viết lại:

𝐼 = 𝐼𝑃𝐻 − 𝐼𝑆 𝑒

𝑞𝑉 𝑘𝑇𝐶𝐴 − 1 (2-8)

Hình 2-8 Mô đun pin quang điện

Sở dĩ ta phải ghép song song và nối tiếp là vì công suất của pin quang điện và điện áp thường là nhỏ Vì vậy, các pin quang điện được ghép nối với nhau theo dạng nối tiếp - song song để sinh ra lượng công suất và điện áp đủ lớn Dòng diện khi ghép nối tiếp có công suất như sau:

I = NPIPH − NPIS E

qV

Nhiệt độ làm việc của pin quang điện thường cao hơn nhiệt độ môi trường, do pin quang điện làm việc trực tiếp dưới ánh sáng mặt trời, cộng với màu của pin là màu tối dễ hấp thụ nhiệt

Đặc tuyến I-V tương ứng với tùng bức xạ nhất định được mô tả như sau:

Hình 2-9 Đặc tuyến I-V với các bức xạ khác nhau

Hình 2-10 Đặc tuyến P-V với các bức xạ khác nhau

2.4 Tạo mảng quang điện

Trong thực tế, điện áp và dòng điện làm việc của pin quang điện rất nhỏ, một pin PV có điện áp làm việc từ 0,55 đến 0,61 V Để tạo ra dòng điện làm việc lớn thì ghép song song các pin, để tạo ra điện áp làm việc lớn thì ghép nối tiếp các pin:

Hình 2-11 Các pin đƣợc nối song song

Hình 2-12 Các pin đƣợc nối nối tiếp

Hình 2-13 Các pin được nối hỗn hợp

Hình 2-14 Mô hình mô phỏng Simulink mảng pin quang điện(PV Array) Bên cạnh đó, các yếu tố khác như cường độ chiếu sáng, nhiệt độ, hiện tượng bóng râm cũng ảnh hưởng đếnđặc tính của pin quang điện

2.5 Tác động của bóng che đến pin quang điện

Công suất và điện áp của mỗi pin quang điện thường nhỏ (công suất khoảng 2W và điện áp khoảng 0,5V) Vì thế, để pin quang điện có thể đáp ứng điều kiện làm việc thực tế, thì ta thường ghép nối tiếp và song song các pin với nhau để tăng điện áp và dòng điện làm việc Như được mô tả ở Hình 2-8, một mô-đun pin quang điện có Np nhánh song song và Ns pin nối tiếp:

Các biểu thức mô tả mạch điện Hình 2-8:

𝑃𝑃𝑉 = 𝑃1 + 𝑃2 + 𝑃3 + ⋯ + 𝑃𝑛 (2-15)

𝑃𝑃𝑉 = 𝑈1 × 𝐼1+ 𝑈2 × 𝐼2 + 𝑈3 × 𝐼3 + ⋯ + 𝑈𝑛 × 𝐼𝑛 (2-16)

Hình 2-15 Mô đun pin quang điện khi bị bóng che một phần

(Giả thiết rằng: có k phần tử bị bóng che 1 phần) Những nhánh pin không bị bóng che lúc hở mạch điện áp bằng V, còn các nhánh pin bị bóng che lúc hở mạch điện áp bằng V1, lúc này V > V1 Khi tấm pin này làm việc, điện áp làm việc hiện tại là V2 Nếu V1<V2<V lúc này các dãy pin bị bóng che không phát đƣợc công suất, cho đến khi V1>V2 lúc này cá dãy pin bị bóng che có khả năng phát công suất

Hình 2-16 Đặc tuyến P-V tương ứng với bức xạ 0,25-0,5-0,75-1 kW/m2 của hai

dãy pin trong mảng pin gồm 2 dãy pin song song, mỗi dãy có 6 pin ghép nối tiếp

(100W/1pin), trong đó có 1 dãy pin bị bóng che

Đặc tuyến P-V của nhánh pin không bị bóng

Đặc tuyến P-V của nhánh pin bị bóng che

Từ Hình 2-16công suất lớn nhất mà mảng pin này phát ra đƣợc chính là điểm MPP tại các đỉnh đặc tuyến P-V của toàn mảng pin Tại các đỉnh này chính là tổng công suất của 2 dãy pin, tại điểm MPP này, khi xét đến vùng làm việc của từng dãy pin, thì dãy pin bị bóng che đang làm việc đúng điểm MPP của chúng, còn dãy pin không bị bóng che đang làm việc bến trái điểm MPP hay là đang làm việc quá vùng cực đại của chúng

Hình 2-18 Mảngpin quang điện trong thực tế

2.6 Bộ chuyển đổi DC/DC

Bộ biến đổi DC/DC đƣợc sử dụng rộng rãi trong nguồn điện 1 chiều với mục đích chuyển đổi nguồn một chiều không ổn định thành nguồn điện một chiều có thể điều khiển đƣợc Trong hệ thống pin quang điện, bộ biến đổi DC/DC đƣợc kết hợp chặt chẽ với một bộ MPPT Bộ MPPT sử dụng bộ biến đổi DC/DC để điều chỉnh nguồn điện áp vào lấy từ nguồn pin quang điện, chuyển đổi và cung cấp điện áp lớn

2.5.1 Bộ chuyển đổi DC/DC boost converter

Bộ chuyển đổi boost converter hay còn được gọi là bộ tăng áp Bộ biến đổi này dùng trong các trường hợp có tải đòi hỏi điện áp lớn hơn điện áp của pin Bộ biến đổi này hoạt động dựa vào đặc tính lưu trữ và tích phóng năng lượng của cuộn dây

Hình 2-20 Mạch điện khi S đóng Khi đó:

Hình 2-21 Mạch điện khi S mở

Hình 2-22 Dạng sóng điện áp và dòng điện trên L khi S đóng và mở

Khi S đóng (TOFF), dòng điện cảm ứng chạy vào tải qua điốt cũng như nạp lại cho tụ điện C

2.5.2 Bộ chuyển đổi DC/DC buck converter

Mạch buck converter hay còn được gọi là mạch giảm áp Bộ biến đổi này phù hợp với các ứng dụng có điện áp yêu cầu nhỏ hơn điện áp đầu vào Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi này dựa vào đặc tính lưu trữ và tích phóng năng lượng của cuộn dây.Hình 2-23 cho thấycấu hình cơ bảncủamột bộ chuyển đổibuck.Một số bộ chuyển đổicódiodethay thế bằngmộtcông tắc thứ haiđượctíchhợpvào bộ chuyển đổi

Hình 2-23 Cấu hình mạch buck

𝐷 = 𝑉𝑜𝑢𝑡×𝜂

VIN(min) = điện áp ngõ vào nhỏ nhất

VOUT = điện áp ngõ ra mong muốn

L = giá trị lựa chọn cuộn cảm

ΔIL = năng lƣợng trong cuộn cảm đƣợc tính trong công thức 2-.29

D = chu kỳ hoạt động đƣợc tính trong công thức 2-28

Nếu giá trịtínhlà hơndòng điện ngõ ra cực đạicủa ứng dụng, dòng điện cực đại qua công tắctrong hệ thống đƣợctính toán:

𝐼𝑆𝑊(max ) =∆𝐼𝐿

2 + 𝐼𝑂𝑈𝑇(𝑚𝑎𝑥 ) (2-31)

IOUT(max) = dòng điện ngõ ra cần thiết cho ứng dụng

Đây là dòng điện đỉnh, cuộn cảm, các công tắc tích hợp và diode bên ngoài phải bền

Đối vớicácbộphậnmà không cóphạm viđiện cảmđƣợc đƣa ra, cáccông thứcsau đây làmột ƣớc lƣợngtốtchođiện cảm:

𝐿 =𝑉𝑂𝑈𝑇 × 𝑉𝐼𝑁 − 𝑉𝑂𝑈𝑇

VIN = điện áp ngõ vào

VOUT = điện áp mong muốn ngõ ra

fs = tần số đóng cắt nhỏ nhất của công tắc trong mạch

ΔIL = năng lƣợng trong cuộn cảm, đƣợc giải thích nhƣ sau