TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI
GIỚI THIỆU
Hai phương pháp phổ biến để thu nhận và trữ năng lượng Mặt Trời là phương pháp thụ động và phương pháp chủ động Phương pháp thụ động dựa vào các nguyên tắc thu giữ nhiệt từ cấu trúc và vật liệu của công trình xây dựng, trong khi phương pháp chủ động sử dụng thiết bị đặc biệt để thu bức xạ nhiệt và hệ thống quạt, máy bơm để phân phối nhiệt Phương pháp thụ động có lịch sử phát triển lâu dài hơn, trong khi phương pháp chủ động chỉ mới được phát triển chủ yếu từ thế kỷ 20.
Hai ứng dụng chính của NLMT là:
+ Nhiệt Mặt Trời: chuyển bức xạ Mặt Trời thành nhiệt năng, sử dụng ở các hệ thống sưởi, hoặc để đun nước tạo hơi quay turbin điện.
+ Điện Mặt Trời: chuyển bức xạ Mặt Trời (dưới dạng ánh sáng) trực tiếp thành điện năng (hay còn gọi là quang điện-photovoltaics).
Cơ chế quang điện cho thấy cường độ dòng quang điện tỷ lệ thuận với cường độ ánh sáng Mặt Trời, cho phép sản xuất điện từ quy mô nhỏ như máy tính bỏ túi đến quy mô lớn như nhà máy điện Dòng quang điện một chiều được lưu trữ trong bình acquy để sử dụng vào ban đêm hoặc những ngày không có nắng, với bộ điều khiển giúp ổn định và tránh sạc quá tải Hệ thống Quang Điện này sản xuất điện một chiều với điện thế từ 12 đến 24 volt, có thể chuyển đổi sang điện xoay chiều thông qua bộ biến điện DC/AC, hiện nay có công suất từ 100-20,000W và hiệu suất lên đến 90%.
Hình 1.1- Dàn pin năng lượng mặt trời
1.1.1 Các hệ thống thu hội tụ ánh sáng mặt trời
Hệ thống thu nhiệt kiểu tháp
Hệ thống thu nhiệt trung tâm tại các nhà máy lớn sử dụng gương hội tụ ánh sáng Mặt Trời vào một dĩa thu duy nhất trên đỉnh tháp trung tâm Bức xạ nhiệt từ ánh sáng Mặt Trời làm nóng chảy muối trong chảo thu, nhiệt lượng từ muối nóng chảy được sử dụng để tạo điện thông qua máy phát hơi Hệ thống cũng có thể đun nóng nước hoặc dung dịch bơm vào tháp để sử dụng trực tiếp hoặc chuyển thành hơi quay turbine Các gương thu nhiệt có khả năng theo dõi và quay theo hướng nắng, đảm bảo sự hội tụ tối đa ánh sáng Mặt Trời Ưu điểm của hệ thống này là muối nóng chảy giữ nhiệt hiệu quả, cho phép sản xuất điện trong những ngày âm u hoặc sau hoàng hôn.
Hình1.2- (a) Thu nhiệt mặt trời kiểu tháp, (b) Sơ đồ cấu tạo hệ thống thu nhiệt kiểu tháp
2 Hệ thống chảo thu nhiệt
Một dạng thiết bị thu nhiệt Mặt Trời là hệ thống hình chảo, tương tự như chảo thu tín hiệu vệ tinh trong viễn thông Hệ thống này sử dụng chảo phản chiếu hình parabol để hội tụ ánh sáng vào tâm thu tại tiêu điểm của chảo Dung dịch đun được truyền vào dĩa thu để hấp thu nhiệt, làm cho dung dịch nở ra và đẩy piston, từ đó quay turbin Phương pháp này cho phép tập trung ánh sáng từ 100 đến 2000 lần.
Hình 1.3 - Thu nhiệt mặt trời kiểu đĩa
3 Hệ thống thu nhiệt sử dụng gương dài
Hệ thống thứ ba là một thiết bị hình trũng, được thiết kế như một gương cầu dài, có chức năng hội tụ ánh sáng Thiết bị này giúp tăng cường hiệu quả đun nóng cho các ống dẫn chứa dung dịch, chẳng hạn như dầu.
Dung dịch đun trong ống có thể đạt nhiệt độ lên đến 4000̊ C tại hệ thống điện mặt trời ở Nam California Nhiệt độ cao này được sử dụng để đun nóng nước, tạo ra hơi nước quay turbin và vận hành máy phát điện.
Hình 1.4 - Hệ thống gương dài thu nhiệt và làm nóng dung dịch đun nước tạo hơi chạy tua bin máy phát
Hệ thống làm nóng dung dịch đun nước tạo hơi quay tua bin máy phát có cấu tạo và nguyên lý hoạt động đặc biệt Năng lượng mặt trời mang lại nhiều ưu điểm như tái tạo liên tục, giảm thiểu ô nhiễm và tiết kiệm chi phí vận hành Tuy nhiên, nó cũng tồn tại một số nhược điểm như phụ thuộc vào điều kiện thời tiết và yêu cầu đầu tư ban đầu cao.
+ Giúp người sử dụng tiết kiệm tiền.
- Sau khi đầu tư ban đầu đã được thu hồi, năng lượng từ mặt trời là thiết thực miễn phí.
- Thời kỳ hoàn vốn cho đầu tư này có thể rất ngắn tùy thuộc vào bao nhiêu hộ gia đình sử dụng điện từ hệ thống này.
Nếu hệ thống pin mặt trời sản xuất năng lượng vượt quá nhu cầu sử dụng, chủ sở hữu có thể bán lại điện cho bên điện lực.
- Sử dụng hệ thống điện năng lượng mặt trời giúp tiết kiệm tiền trên hóa đơn tiền điện hàng tháng.
- Năng lượng mặt trời không đòi hỏi thêm bất cứ loại nhiên liệu nào khác.
Hệ thống không bị tác động bởi sự cung cấp và nhu cầu nhiên liệu, vì vậy người dùng không cần lo lắng về sự biến động của giá xăng dầu.
- Tiết kiệm được ngay lập tức và trong nhiều năm tới.
- Việc sử dụng năng lượng mặt trời sẽ gián tiếp làm giảm chi phí y tế.
- Năng lượng mặt trời sạch, tái tạo (không giống như dầu, khí đốt và than đá) nó bền vững, góp phần bảo vệ môi trường.
Hệ thống năng lượng mặt trời không gây ô nhiễm không khí vì không phát thải khí cacbon dioxide, oxit nitơ, khí lưu huỳnh hay thủy ngân vào bầu khí quyển Do đó, năng lượng mặt trời không góp phần vào sự nóng lên toàn cầu hay hiện tượng mưa axit.
- Nó tích cực góp phần vào việc giảm phát thải khí nhà kính có hại.
Năng lượng mặt trời không sử dụng nhiên liệu, do đó không phát sinh chi phí và vấn đề liên quan đến việc thu hồi, vận chuyển nhiên liệu hay lưu trữ chất thải phóng xạ.
Năng lượng Mặt trời là giải pháp hiệu quả để bù đắp năng lượng tiêu thụ và cung cấp tiện ích, giúp giảm hóa đơn điện cho hộ gia đình Ngoài ra, hệ thống năng lượng mặt trời còn đảm bảo cung cấp điện liên tục ngay cả khi xảy ra cúp điện.
Hệ thống năng lượng mặt trời có khả năng hoạt động độc lập mà không cần kết nối với lưới điện, mang lại sự tự chủ và linh hoạt cho người sử dụng.
Việc sử dụng năng lượng mặt trời giúp giảm thiểu sự phụ thuộc vào các nguồn năng lượng bên ngoài và tập trung vào việc khai thác nguồn năng lượng tái tạo này Năng lượng mặt trời không bị ảnh hưởng bởi thiên tai hay các sự kiện quốc tế, từ đó góp phần tạo ra một tương lai bền vững cho xã hội.
- Các hệ thống năng lượng mặt trời hầu như không cần bảo dưỡng và sẽ kéo dài trong nhiều thập kỷ.
- Sau khi lắp đặt hoàn thiện, không có chi phí định kỳ.
Hệ thống hoạt động êm ái, không có bộ phận chuyển động, không phát ra mùi khó chịu và không yêu cầu bổ sung nguyên liệu hay nhiên liệu bên ngoài.
- Việc kết nối thêm các tấm pin mặt trời là hoàn toàn có thể trong tương lai nếu như nhu cầu sử dụng điện từ hệ thống tăng lên.
Chi phí đầu tư ban đầu cao là một trong những bất lợi lớn nhất khi lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời, chủ yếu do giá thành cao của các vật liệu bán dẫn.
Chi phí năng lượng mặt trời hiện vẫn cao hơn so với nguồn điện từ các tiện ích không tái tạo Tuy nhiên, khi tình trạng thiếu năng lượng ngày càng trở nên phổ biến, năng lượng mặt trời đang dần trở thành một lựa chọn cạnh tranh hơn.
- Tấm năng lượng mặt trời đòi hỏi diện tích một vùng rộng lớn để lắp đặt và để đạt được một mức độ hiệu quả cao.
Hệ thống thu nhiệt sử dụng gương dài
Hệ thống thứ ba là một thiết bị hình trũng, được thiết kế dưới dạng gương cầu dài Thiết bị này có chức năng hội tụ ánh sáng vào các ống dẫn chứa dung dịch đun nóng, thường là dầu (oil).
Dung dịch đun trong ống có thể đạt đến nhiệt độ 4000̊ C tại Hệ thống Phát điện Năng lượng Mặt trời ở Nam California Nhiệt độ cao này được sử dụng để đun nóng nước, tạo ra hơi nước quay turbin và vận hành máy phát điện.
Hình 1.4 - Hệ thống gương dài thu nhiệt và làm nóng dung dịch đun nước tạo hơi chạy tua bin máy phát
Hệ thống làm nóng dung dịch đun nước tạo hơi quay tua bin máy phát là một phần quan trọng trong việc sử dụng năng lượng mặt trời Năng lượng mặt trời có nhiều ưu điểm, bao gồm khả năng tái tạo và giảm phát thải khí nhà kính Tuy nhiên, cũng tồn tại một số nhược điểm như chi phí đầu tư ban đầu cao và hiệu suất phụ thuộc vào điều kiện thời tiết.
+ Giúp người sử dụng tiết kiệm tiền.
- Sau khi đầu tư ban đầu đã được thu hồi, năng lượng từ mặt trời là thiết thực miễn phí.
- Thời kỳ hoàn vốn cho đầu tư này có thể rất ngắn tùy thuộc vào bao nhiêu hộ gia đình sử dụng điện từ hệ thống này.
Nếu hệ thống pin mặt trời sản xuất năng lượng vượt quá nhu cầu sử dụng, người dùng có thể bán lại điện dư thừa cho các công ty điện lực.
- Sử dụng hệ thống điện năng lượng mặt trời giúp tiết kiệm tiền trên hóa đơn tiền điện hàng tháng.
- Năng lượng mặt trời không đòi hỏi thêm bất cứ loại nhiên liệu nào khác.
Hệ thống hoạt động độc lập với sự biến động của cung và cầu nhiên liệu, vì vậy không cần lo lắng về sự thay đổi giá xăng dầu.
- Tiết kiệm được ngay lập tức và trong nhiều năm tới.
- Việc sử dụng năng lượng mặt trời sẽ gián tiếp làm giảm chi phí y tế.
- Năng lượng mặt trời sạch, tái tạo (không giống như dầu, khí đốt và than đá) nó bền vững, góp phần bảo vệ môi trường.
Hệ thống năng lượng mặt trời không gây ô nhiễm không khí vì không phát thải khí carbon dioxide, oxit nitơ, khí lưu huỳnh hay thủy ngân vào bầu khí quyển Do đó, năng lượng mặt trời không góp phần vào sự nóng lên toàn cầu và không gây ra mưa axit.
- Nó tích cực góp phần vào việc giảm phát thải khí nhà kính có hại.
Năng lượng mặt trời không sử dụng nhiên liệu, giúp giảm thiểu chi phí và các vấn đề liên quan đến việc thu hồi, vận chuyển nhiên liệu cũng như lưu trữ chất thải phóng xạ.
Năng lượng Mặt trời có khả năng bù đắp cho năng lượng tiêu thụ và cung cấp tiện ích, không chỉ giúp giảm hóa đơn điện mà còn đảm bảo nguồn điện liên tục trong trường hợp mất điện.
Hệ thống năng lượng mặt trời có khả năng hoạt động độc lập, không cần kết nối với mạng lưới điện nào khác.
Việc sử dụng năng lượng mặt trời giúp giảm thiểu sự phụ thuộc vào các nguồn năng lượng bên ngoài và tập trung vào việc phát triển bền vững Năng lượng mặt trời không bị ảnh hưởng bởi thiên tai hay các sự kiện quốc tế, từ đó góp phần xây dựng một tương lai bền vững cho cộng đồng và môi trường.
- Các hệ thống năng lượng mặt trời hầu như không cần bảo dưỡng và sẽ kéo dài trong nhiều thập kỷ.
- Sau khi lắp đặt hoàn thiện, không có chi phí định kỳ.
Hệ thống hoạt động êm ái, không có bộ phận chuyển động, không phát ra mùi khó chịu và không cần bổ sung nguyên liệu hay nhiên liệu bên ngoài.
- Việc kết nối thêm các tấm pin mặt trời là hoàn toàn có thể trong tương lai nếu như nhu cầu sử dụng điện từ hệ thống tăng lên.
Chi phí đầu tư ban đầu là một trong những bất lợi lớn nhất khi lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời, chủ yếu do giá thành cao của các vật liệu bán dẫn được sử dụng trong quá trình này.
Chi phí năng lượng mặt trời hiện vẫn cao hơn so với nguồn điện không tái tạo, nhưng khi tình trạng thiếu năng lượng ngày càng gia tăng, năng lượng mặt trời đang trở nên cạnh tranh hơn về giá cả.
- Tấm năng lượng mặt trời đòi hỏi diện tích một vùng rộng lớn để lắp đặt và để đạt được một mức độ hiệu quả cao.
Hiệu quả của hệ thống năng lượng mặt trời phụ thuộc vào vị trí của mặt trời, nhưng vấn đề này có thể được cải thiện bằng cách lắp đặt các thiết bị hỗ trợ bổ sung.
- Việc sản xuất năng lượng mặt trời bị ảnh hưởng bởi sự hiện diện của các đám mây, khói bụi trong không khí.
Vào ban đêm, năng lượng mặt trời không được sản xuất, do đó cần có hệ thống bộ tích trữ năng lượng để giải quyết vấn đề này.
1.3 TIỀM NĂNG ỨNG DỤNG CỦA NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI ĐỘC LẬP
CẤU TẠO HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI ĐỘC LẬP
2.1.1 Sơ đồ hệ thống điện mặt trời độc lập
Hình 2.1- Sơ đồ khối hệ thống quang điện mặt trời làm việc độc lập
Giàn pin mặt trời chuyển đổi ánh sáng thành điện năng, tạo ra dòng điện một chiều (DC) Dòng điện này được dẫn tới bộ điều khiển, thiết bị điều hòa quá trình nạp và phóng điện vào các thiết bị DC Nếu công suất của giàn pin đủ lớn, hệ thống sẽ lắp thêm bộ đổi điện để chuyển đổi dòng một chiều thành dòng xoay chiều (AC), phục vụ cho các thiết bị tiêu thụ điện áp 110-220V như đèn, quạt, tivi, và nhiều thiết bị gia dụng khác.
Bảng 2.1: Cấu hình tiêu biểu của hệ thống điện năng lượng mặt trời
Stt Tên Thiết Bị Ghi Chú
1 Solar cells panel Monocrystalline ( Đơn tinh thể )
2 Solar Regulator Lựa chọn tùy mức điện thế và công suất của hệ thống
3 DC-AC Inverter Dạng sóng ra Step Wave hoặc Sine Wave
4 Battery ( acquy ) Bình khô, kín khí, không cần bảo dưỡng
5 Khung giá Chuyên dụng cho hệ thống
6 Dây Cáp Chuyên dụng cho hệ thống
( ngoài trời và trong nhà )
7 Phụ kiện lắp đặt Linh phụ kiện đồng bộ khác
Hiện nay, có hai công nghệ chế tạo nguồn điện từ pin mặt trời phổ biến: hệ nguồn điện pin mặt trời nối lưới và hệ nguồn độc lập Hệ thống nối lưới chuyển đổi điện năng một chiều từ pin thành dòng điện xoay chiều để hòa vào lưới điện công nghiệp, giúp tiết kiệm chi phí và giảm ô nhiễm môi trường nhờ không cần bộ tích trữ năng lượng Ngược lại, hệ nguồn điện pin mặt trời độc lập thường được sử dụng cho các khu vực không có lưới điện, đặc biệt là ở những vùng nông thôn, vùng sâu, vùng xa tại các quốc gia đang phát triển, nhờ vào tính gọn nhẹ, công suất phù hợp và dễ dàng điều khiển Trong bài viết này, chúng tôi sẽ chỉ tập trung nghiên cứu về hệ nguồn pin mặt trời độc lập.
2.1.2 Hệ thống quang điện làm việc độc lập
Hệ thống pin năng lượng mặt trời độc lập bao gồm các thiết bị như giàn pin mặt trời, bộ tích trữ năng lượng, bộ biến đổi điện và các tải tiêu thụ, bao gồm cả tải một chiều và xoay chiều.
Giàn pin mặt trời bao gồm một hoặc nhiều module pin được ghép nối theo cách song song hoặc nối tiếp, nhằm tạo ra công suất điện và hiệu điện thế phù hợp với nhu cầu tiêu thụ Trong hệ thống điện mặt trời, giàn pin đóng vai trò chủ đạo và chiếm tới 60% chi phí đầu tư Nó nhận ánh sáng mặt trời và chuyển đổi trực tiếp thành điện năng một chiều, phần điện này được sử dụng trực tiếp cho tải tiêu thụ, trong khi phần còn lại được tích trữ qua bộ lưu trữ và sau đó chuyển đổi thành điện xoay chiều.
Bộ tích trữ năng lượng đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng liên tục cho các tải tiêu thụ, đặc biệt là trong những thời điểm không có ánh nắng.
Năng lượng từ pin mặt trời có thể không ổn định do sự thay đổi của thời tiết, như nắng hoặc mây Để duy trì ổn định điện áp và kiểm soát quá trình nạp điện cho acquy, cần thiết phải có bộ điều phối năng lượng Bộ điều phối này sẽ tự động nạp điện cho acquy khi mức điện thấp và ngừng nạp khi acquy đã đầy, giúp tránh hiện tượng nổ và bảo vệ tuổi thọ của acquy.
Trong sinh hoạt hàng ngày, các thiết bị chủ yếu sử dụng điện xoay chiều như quạt điện và đèn chiếu sáng Để sử dụng những thiết bị này từ nguồn điện một chiều, cần phải có bộ nghịch lưu điện áp (inverter) để chuyển đổi điện năng từ một chiều sang xoay chiều.
Tất cả các thiết bị điều khiển quá trình phóng nạp điện cho acquy và thiết bị biến đổi điện đều có nhiệm vụ chung là phối hợp điều tiết cung cấp và cân bằng năng lượng trong hệ thống Những thiết bị này được gọi là thành phần cân bằng năng lượng BOS (Balance Of System).
Hiệu suất của các tấm pin mặt trời dao động từ 15% đến 18%, với công suất từ 25Wp đến 175Wp và số lượng cells từ 36 đến 72 cells Kích thước cells thường từ 5 đến 6 inch, được làm từ chất liệu monocrystalline hoặc polycrystalline với khung nhôm Tuổi thọ trung bình của tấm pin là khoảng 30 năm, có khả năng kết nối thành các trạm điện năng lượng mặt trời lớn mà không giới hạn, có thể hoạt động độc lập hoặc hòa lưới Trong điều kiện nắng tốt, một tấm pin có thể cung cấp khoảng 1kW điện khi mặt trời đứng bóng Công suất và điện áp của hệ thống phụ thuộc vào cách ghép nối các tấm pin lại với nhau Các tấm pin này được lắp đặt ngoài trời để tối ưu hóa việc thu nhận ánh sáng mặt trời, vì vậy chúng được thiết kế với các tính năng và vật liệu đặc biệt để chịu đựng điều kiện thời tiết khắc nghiệt.
Thiết bị này có chức năng điều tiết quá trình sạc cho acquy, bảo vệ acquy khỏi tình trạng nạp quá tải và xả quá sâu Nhờ đó, tuổi thọ của acquy được nâng cao, giúp hệ thống hoạt động hiệu quả và bền bỉ hơn.
Bộ điều khiển này cung cấp thông tin về tình trạng nạp điện của hệ thống các panel mặt trời vào acquy, giúp người sử dụng dễ dàng kiểm soát các phụ tải.
Bộ điều khiển đảm bảo bảo vệ quá điện thế (trên 13.8V) và điện thế thấp (dưới 10.5V) cho bình acquy Khi phát hiện bình acquy đã được nạp đầy hoặc điện áp quá thấp, mạch bảo vệ của bộ điều khiển sẽ tự động ngắt mạch để đảm bảo an toàn.
Bộ biến đổi nghịch lưu inverter chuyển đổi điện một chiều 12VDC từ acquy thành điện xoay chiều 110V hoặc 220V Sản phẩm này được thiết kế với nhiều cấp công suất, từ 0.3kVA đến 10kVA, đáp ứng nhu cầu sử dụng đa dạng.
Inverter có nhiều loại khác nhau, và cách phân biệt chúng chủ yếu dựa trên dạng sóng của điện áp đầu ra Các dạng sóng phổ biến bao gồm sóng hình sine, sóng giả sine, sóng vuông và sóng bậc thang Mỗi loại inverter sẽ phù hợp với những ứng dụng và yêu cầu cụ thể khác nhau, vì vậy việc hiểu rõ về các dạng sóng này là rất quan trọng.
Là thiết bị lưu trữ điện để sử dụng vào ban đêm hoặc lúc trời ít hay không có nắng.
Acquy được phân loại theo nhiều kích thước và dung lượng khác nhau, phù hợp với công suất và đặc điểm của hệ thống pin mặt trời Đối với hệ thống có công suất lớn, cần sử dụng acquy có dung lượng lớn hơn hoặc kết nối nhiều acquy lại với nhau để đáp ứng nhu cầu năng lượng.
CẤU TẠO NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ĐỘC LẬP
Định nghĩa
Pin mặt trời, hay còn gọi là pin quang điện, là thiết bị sử dụng hiệu ứng quang điện trong bán dẫn để chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành dòng điện một chiều Loại pin mặt trời phổ biến nhất hiện nay là pin sử dụng silic tinh thể Silic tinh thể tinh khiết là một chất bán dẫn có khả năng dẫn điện kém do các electron bị giữ lại bởi cấu trúc mạng Khi bị kích thích bởi ánh sáng hoặc nhiệt độ, các electron có thể thoát khỏi liên kết, nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra một lỗ trống tích điện dương trong vùng hóa trị, từ đó cho phép chất bán dẫn dẫn điện.
Một module tinh thể hoặc đơn tinh thể có hiệu suất lên đến 16% Loại module này thường có giá thành cao vì được cắt từ các thỏi hình ống, với các tấm đơn tinh thể có mặt trống ở góc nối giữa các module.
Đa tinh thể được sản xuất từ các thỏi silic nung chảy, sau đó được làm nguội và làm rắn Loại pin này thường có giá thành thấp hơn so với pin đơn tinh thể, nhưng hiệu suất của nó kém hơn Tuy nhiên, ưu điểm của pin đa tinh thể là khả năng tạo thành các tấm vuông lớn, giúp che phủ bề mặt hiệu quả hơn, bù đắp cho hiệu suất thấp của chúng.
Dải silic được hình thành từ các miếng phim mỏng của silic nóng chảy với cấu trúc đa tinh thể Loại dải silic này thường có hiệu suất thấp nhất, nhưng lại là lựa chọn kinh tế nhất trong số các loại vì không cần phải cắt từ thỏi silic.
Về bản chất pin quang điện là một điốt bán dẫn bao gồm hai tấm bán dẫn loại
Pin quang điện được cấu tạo từ hai loại bán dẫn P và N, với bề mặt rộng và lớp N mỏng cho phép ánh sáng đi qua Bề mặt pin có lớp chống phản xạ nhằm giảm thiểu lượng ánh sáng bị phản xạ và tối ưu hóa lượng ánh sáng hấp thụ Khi ánh sáng chiếu vào, một phần sẽ bị hấp thụ, phần khác bị phản xạ, và một phần sẽ đến lớp chuyển tiếp, nơi hình thành các cặp electron và lỗ trống trong điện trường Các bước sóng phù hợp sẽ cung cấp năng lượng đủ lớn để electron thoát khỏi liên kết, sau đó, dưới tác động của điện trường, electron sẽ di chuyển về phía bán dẫn loại N, trong khi lỗ trống di chuyển về phía bán dẫn loại P Nếu hai cực được nối vào hai phần bán dẫn này, hiện tượng dòng điện sẽ xảy ra.
N và P sẽ đo được một hiệu điện thế, giá trị này phụ thuộc vào bản chất của chất bán dẫn và tạp chất được hấp phụ.
Nguyên lí hoạt động của pin mặt trời
Pin mặt trời là thiết bị sử dụng hiệu ứng quang điện trong bán dẫn để chuyển hóa ánh sáng mặt trời thành dòng điện một chiều Thiết bị này hoạt động dựa trên khả năng phát ra electron khi bề mặt vật chất được chiếu sáng, giúp biến đổi năng lượng quang thành năng lượng điện.
Hình 2.2 Hấp thụ ánh sáng từ pin mặt trời
Pin mặt trời có hai đặc tính làm việc chính, bao gồm điện áp hở mạch lớn nhất (VOC) khi dòng ra bằng 0 và dòng điện ngắn mạch (ISC) khi điện áp ra bằng 0 Những thông số này đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất và khả năng hoạt động của pin mặt trời.
0 Công suất của pin được tính theo công thức:
2 -1) Tại điểm làm việc U = UOC, I = 0 và U = 0, I = ISC, công suất làm việc của pin cũng có giá trị bằng 0.
Hình 2.3 Đường đặc tính làm việc U – I của pin mặt trời
Hình 2.4 Sơ đồ tương đương của pin mặt trời
Từ sơ đồ tương đương, ta có phương trình đặc trưng sang V-A của pin như sau:
Isc là dòng quang điện (dòng ngắn mạch khi không có Rs và Rsh) (A/m 2 )
I01 là dòng bão hòa (A/m 2 ) q là điện tích của điện tử: q = 1,6.10 -19 (C) k là hệ số Boltzman = 1,38.10 -23 (J/k)
I, V, Rs, Rsh lần lượt là dòng điện ra, điện áp ra, điện trở Rs và Rsh của pin trong mạch tương đương ở hình 2.4
Dòng ngắn mạch Isc tỉ lệ thuận với cường độ bức xạ chiếu sáng, do đó đường đặc tính V - A của pin mặt trời cũng bị ảnh hưởng bởi cường độ bức xạ Tại mỗi mức bức xạ, chỉ có một điểm làm việc V = VMPP đạt công suất tối đa, được thể hiện qua hình vẽ Điểm có công suất lớn nhất, được đánh dấu bằng chấm đen to, chính là đỉnh của đường cong đặc tính.
Đặc trưng V-A của pin mặt trời chịu ảnh hưởng trực tiếp từ cường độ bức xạ mặt trời và nhiệt độ Cụ thể, điện áp hở mạch (Voc) của pin mặt trời phụ thuộc vào nhiệt độ, do đó, đường đặc tính V-A cũng thay đổi theo nhiệt độ của pin.
Để hệ thống pin mặt trời (PV) hoạt động hiệu quả, đường đặc tính của tải cần phải tương thích với điểm tối ưu công suất (MPPT) của pin mặt trời, như thể hiện trong Hình 2.6, cho thấy sự phụ thuộc của đường đặc tính pin vào nhiệt độ.
Hình 2.7 Đường đặc tính tải và đặc tính của pin mặt trời
Trong hình vẽ 1.6, đường OA và OB đại diện cho các đường đặc tính tải Khi tải được kết nối trực tiếp với dãy pin mặt trời, đường đặc tính tải là OA, và pin hoạt động tại điểm A1, cung cấp công suất P1 Để đạt được công suất tối đa P2 từ ánh sáng mặt trời, cần thiết phải sử dụng một bộ điều chỉnh công suất để kết nối giữa dãy pin mặt trời và tải.
Hiệu suất thu điện năng từ pin mặt trời thay đổi theo vùng miền và thời gian trong ngày, do bức xạ mặt trời không đồng đều trên bề mặt trái đất Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của pin mặt trời, bao gồm vị trí địa lý, thời tiết, và góc nghiêng của tấm pin.
- Chất liệu bán dẫn làm pin.
- Vị tríđặt các tấm panel mặt trời.
- Thời tiết khí hậu, mùa trong năm.
- Thời gian trong ngày: sáng, trưa, chiều.
Tấm năng lượng mặt trời được thiết kế để chịu đựng các điều kiện khí hậu khắc nghiệt, bao gồm mưa bão, sự ăn mòn từ nước biển và quá trình oxi hóa Nhờ vào quy trình sản xuất tiên tiến, tuổi thọ của mỗi tấm pin thường kéo dài từ 25 đến 30 năm.
3 Cách ghép nối các tấm pin năng lượng mặt trời
Các môđun pin mặt trời được sản xuất với công suất và hiệu điện thế cố định Để đáp ứng nhu cầu về công suất và điện thế, cần phải kết nối nhiều tấm môđun lại với nhau Có hai phương pháp ghép nối cơ bản để thực hiện điều này.
- Ghép nối tiếp các tấm mođun lại sẽ cho điện áp ra lớn hơn.
- Ghép song song các tấm môđun lại sẽ cho dòng điện ra lớn.
Đặc tính làm việc của pin mặt trời
1 Giới thiệu chung về acquy.
Hình 2.11- Hình ảnh thực tế của acquy
Acquy là loại bình điện hóa học dùng để tích trữ điện năng làm nguồn điện cung cấp cho các thiết bị sử dụng điện
Các đặc điểm cơ bản của acquy
- Sự tự phóng điện bé nhất
- Năng lượng nạp vào bao giờ cũng bé hơn năng lượng mà acquy phóng ra
Điện trở của acquy rất thấp, bao gồm điện trở của các bản điện cực và điện trở của dung dịch điện phân, đồng thời xem xét sự ngăn cách giữa các tấm ngăn Trị số điện trở trong acquy khi nạp đầy thường nằm trong khoảng 0.0001 - 0.00015Ω, trong khi đó, điện trở khi acquy phóng điện hoàn toàn dao động từ 0.02 đến 0.025Ω.
2 Phân loại và nguyên lý hoạt động của acquy
2.1: Phân loại Acquy: a: Acquy “châm nước”
Người dùng cần thường xuyên “châm nước” cho acquy khi dung dịch cạn, vì nếu không thực hiện kịp thời, acquy sẽ mất khả năng tích điện, phóng điện và có thể bị hỏng Khi sạc điện, dung dịch trong acquy thường phát ra mùi khó chịu, ảnh hưởng xấu đến sức khỏe Nếu acquy được đặt sai vị trí, dung dịch có thể thoát ra ngoài Do những nhược điểm này, acquy truyền thống thường chỉ được sử dụng trong môi trường ngoài trời, như khởi động động cơ, máy phát, xe tải và ô tô Trong khi đó, acquy miễn bảo dưỡng (MF - Maintenance Free) là giải pháp thay thế tốt hơn.
Bình ắc quy miễn bảo dưỡng cho phép người dùng không cần can thiệp bằng cách châm nước như các dòng sản phẩm khác Khi sạc, khí vẫn thoát ra nhưng ít hơn, và nếu để ở vị trí không đúng (nghiêng, sấp), dung dịch bên trong có thể bị rò rỉ Sản phẩm này chủ yếu được thiết kế cho mục đích khởi động, với hai cực hình tròn lớn, phù hợp cho việc kích điện cho xe tải, ô tô và máy phát điện.
Acquy cần cung cấp một lượng điện cực lớn trong thời gian ngắn để khởi động động cơ Một loại acquy phổ biến là acquy kín khí (AGM VRLA – Absorbent Glass Mat / Valve Regulated Lead Acid), nổi bật với khả năng hấp thụ và giữ điện năng hiệu quả.
Thuật ngữ “acquy kín khí” là cách gọi chính xác cho dòng sản phẩm này, vì nó ngăn chặn khí thoát ra ngoài và dung dịch không thể rò rỉ ở mọi tư thế Các cực dương âm của acquy này thường được thiết kế mảnh mai, phù hợp với mục đích sử dụng trong các môi trường cần dòng phóng ổn định và duy trì trong thời gian dài, như Bộ tích điện (UPS), Inverter, telecom, utilities điện, xe điện, cửa, báo cháy và an ninh Các nhà sản xuất chuyên nghiệp thường phân chia dòng sản phẩm này thành các cấp độ đặc thù cho những mục đích sử dụng khác nhau, trong đó có acquy AGM Gel (AGM GEL).
Ắc quy AGM Gel không phải là loại "khô" mà thực chất là dòng acquy kín khí Cấu tạo của acquy này khác với các dòng AGM VRLA thông thường, khi mà phần trên của dung dịch axit sulfuric được phủ bằng một lớp gel, giúp giảm ăn mòn và ngăn chặn hiệu quả quá trình bay hơi Ắc quy 100% Gel, hay còn gọi là "khô" đúng nghĩa, là sự lựa chọn tối ưu cho những nhu cầu cao về độ bền, tuổi thọ và môi trường "sạch" Công nghệ ắc quy GEL được thiết kế với tấm cách PVC-Si siêu thẩm thấu, sử dụng dung dịch điện phân cô đặc, cho phép tăng tuổi thọ và chu kỳ xả sâu lên hơn 50% so với ắc quy AGM, đồng thời phục hồi dung lượng tốt sau khi xả sâu.
Có nhiều loại acquy với những cách gọi khác nhau, bao gồm acquy nước, acquy axit, acquy axit kiềm hở, acquy kín khí, acquy không cần bảo dưỡng, acquy khô, acquy gel và acquy kiềm Những tên gọi này thực chất chỉ là cách diễn đạt khác nhau cho một số loại acquy cơ bản.
Có hai loại acquy chính, bao gồm acquy axit sử dụng điện môi axit và acquy kiềm dùng điện môi kiềm Tuy nhiên, acquy kiềm ít phổ biến hơn trong thực tế, do đó, hầu hết các loại acquy hiện có trên thị trường chủ yếu là acquy axit.
Acquy axit được chia thành hai loại chính: acquy axit kiểu hở thông thường và acquy axit kiểu hở kín khí, thường bị gọi nhầm là acquy nước và acquy khô Hiểu rõ nguyên lý hoạt động của acquy axit giúp dễ dàng phân biệt giữa hai loại này và nhận biết đặc tính riêng của từng loại acquy.
3 Các sự cố thường gặp với acquy và cách khắc phục a Nạp quá no:
Sự nạp điện cho acquy quá no có thể gây ra ăn mòn cực điện và tạo khí mạnh, dẫn đến bong và rung hoạt chất ở các bản cực Các hoạt chất này sẽ rơi xuống đáy bình, làm đứt mạch các bản cực trong quá trình nạp, gây ra sự tạo khí Nếu không có thiết bị cảnh báo hoặc tự động dừng, việc nạp quá no có thể dẫn đến cháy nổ Ngoài ra, nạp quá no còn làm tăng nhiệt độ acquy, gây hư hỏng các bản cực và tấm cách điện, đồng thời làm hơi nước bay hơi nhiều, dẫn đến giảm dung lượng của acquy.
Khi acquy thường xuyên nạp chưa đủ, biểu hiện sẽ là trọng lượng riêng của dung dịch thấp, màu sắc các bản cực sáng hơn, và hiện tượng cong vênh, sunfat hóa, điều này có thể nhanh chóng làm hỏng acquy và cần phải thay thế Do đó, cần chú ý đến quá trình nạp để đảm bảo acquy đạt đủ điện 100% trước khi sử dụng hoặc cất trữ Ngoài ra, các cực và dây nối bị han gỉ, ăn mòn cũng cần được kiểm tra thường xuyên.
Hiện tượng han gỉ ở đầu cực acquy do bảo quản không đúng cách có thể gây ra sự cố tiếp xúc điện khi nạp và phóng điện Để khắc phục, cần sử dụng bàn chải để làm sạch, sau đó rửa bằng dung dịch amoniac loãng để trung hòa axit, tiếp theo là rửa lại bằng nước sạch và lau khô Cuối cùng, hãy đấu nối dây và phủ lên đầu cực một lớp dầu mỡ cách điện để bảo vệ.
Trong giai đoạn cuối của quá trình nạp điện, khi dung lượng acquy gần đạt 100%, các phản ứng hóa học diễn ra mạnh mẽ tại bản cực âm, dẫn đến sự tạo ra khí H2.
Còn ở cực dương sảy ra các phản ứng tạo oxy :
S 2 + kết quả của hai phản ứng trên là +
Trong quá trình nạp điện, nước trong acquy có thể bị mất đi, dẫn đến tình trạng dung dịch trong acquy cạn dần Do đó, người dùng cần chú ý kiểm tra dung dịch định kỳ và áp dụng phương pháp nạp điện phù hợp, như nạp bằng hai bước, nạp chậm, và thiết kế bộ điều khiển nạp để đảm bảo hiệu quả sử dụng.
2.2.3 BỘ NGHỊCH LƯU DC/AC a: Những đặc tính cơ bản của kích điện
Sử dụng acquy với các điện áp như 12V, 24V, 48V hoặc cao hơn tùy thuộc vào công suất, kích điện cung cấp điện áp đầu ra tương tự như lưới điện quốc gia, cụ thể là 220V, xoay chiều, tần số 50 Hz Hình dạng sóng điện đầu ra có thể khác nhau tùy thuộc vào loại kích điện và nhu cầu sử dụng cụ thể Nguyên lý làm việc của kích điện sẽ được giải thích rõ hơn trong phần sau.
Các sự cố thường gặp với acquy và cách khắc phục
a: Những đặc tính cơ bản của kích điện
Sử dụng acquy với điện áp 12V, 24V, 48V hoặc cao hơn tùy thuộc vào công suất, kích điện cung cấp điện áp đầu ra tương tự như lưới điện quốc gia 220V, xoay chiều, tần số 50 Hz Dạng sóng điện đầu ra sẽ khác nhau tùy thuộc vào từng loại kích điện và nhu cầu sử dụng cụ thể Nguyên lý làm việc của kích điện là chuyển đổi điện áp từ acquy thành điện áp xoay chiều phù hợp với thiết bị sử dụng.
Biến đổi điện từ ắc quy một chiều sang điện xoay chiều 220V được thực hiện thông qua các transistor công suất và biến áp sắt từ ở tần số 50 Hz Quá trình này có hai sơ đồ nguyên lý khác nhau: một loại tương tự như hình bên phải và một loại sử dụng cầu H để tạo ra điện áp xoay chiều tại cuộn sơ cấp của biến áp sắt từ, với biến áp chỉ có hai đầu dây ở cuộn này.
Biến đổi điện diễn ra qua hai bước: đầu tiên, điện một chiều từ ắc quy với điện áp thấp (12, 24, 36 VDC) được chuyển đổi sang điện một chiều cao hơn (310-350 VDC) thông qua mạch dao động tần số cao và biến áp xung (bước DC-DC) Sau đó, điện một chiều cao áp này được điều tiết qua cầu H để chuyển đổi thành điện xoay chiều 220 VAC, phục vụ cho nhu cầu sử dụng trong dân dụng (bước DC-AC).
Hình 2.12 – dạng sóng điện đầu ra
Trong hình (2.12), có ba dạng sóng hình cơ bản thường gặp trong kích điện: sóng hình sin chuẩn (đường màu xanh), sóng xung vuông (đường màu vàng) và sóng sin mô phỏng (đường màu đỏ) Sóng sin chuẩn có biên độ điện áp đạt 310V trong lưới điện 220V dân dụng, trong khi đó, sóng mô phỏng và sóng xung vuông có mức điện áp thấp hơn Việc sử dụng các dạng sóng không phải sóng sin có thể ảnh hưởng đến hiệu suất và độ bền của thiết bị tiêu thụ điện.
Dạng sóng điện đầu ra của các kích điện không hoàn toàn giống với dạng sóng lưới điện dân dụng (hình sin), điều này có thể ảnh hưởng đến một số thiết bị điện Cụ thể, dạng sóng xung vuông thường gây khó khăn cho hoạt động của các thiết bị có tính cảm kháng, như động cơ điện trong quạt, điều hòa, tủ lạnh và máy bơm nước Khi sử dụng sóng sin chuẩn, động cơ hoạt động mượt mà, nhưng với sóng xung, hiệu suất giảm, phát ra tiếng kêu và có thể nóng hơn bình thường Nguyên nhân là do sự chuyển đổi mức điện áp đột ngột của sóng vuông, gây thay đổi từ trường giữa các cuộn dây, dẫn đến momen quay của roto cũng thay đổi đột ngột, làm cho động cơ hoạt động giống như động cơ bước, từ đó giảm hiệu suất và làm nóng cuộn dây Tùy thuộc vào chất lượng và đặc điểm của từng loại động cơ, mức độ ảnh hưởng có thể khác nhau.
Động cơ có chất lượng kém, như cuộn dây định vị không chắc chắn và lõi sắt lỏng lẻo, sẽ gặp phải hiện tượng rung và phát ra tiếng ồn do sự biến thiên đột ngột giữa các mức điện áp.
Nếu roto có quán tính không lớn, như các loại quạt bàn và quạt cây, thì quá trình quay của roto sẽ không đều Khi điện áp tăng cao, mô men quay lớn nhưng không kịp điều chỉnh, dẫn đến việc mô men bị ngắt khi điện áp giảm Sự thay đổi liên tục này khiến cho tốc độ quay của roto giảm và lại tăng lên khi điện áp cao trở lại, tạo ra hiện tượng quay giật cục thay vì mượt mà như dòng điện chuẩn.
2.2.4 GIỚI THIỆU BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC
Bộ biến đổi DC/DC là thiết bị quan trọng trong hệ thống nguồn điện một chiều, giúp chuyển đổi nguồn điện không ổn định thành nguồn điện có thể điều khiển Trong ứng dụng pin mặt trời, bộ biến đổi này kết hợp với MPPT để tối ưu hóa điện áp đầu vào từ pin mặt trời, đảm bảo cung cấp điện áp lớn nhất phù hợp với tải Thông thường, bộ biến đổi DC/DC bao gồm các thành phần cơ bản như khoá điện tử, cuộn cảm lưu trữ năng lượng và điốt dẫn dòng.
Các bộ biến đổi DC/DC được chia thành hai loại: có cách ly và không có cách ly Loại có cách ly sử dụng máy biến áp cao tần nhỏ để tách biệt nguồn điện một chiều đầu vào và đầu ra, đồng thời điều chỉnh áp suất thông qua hệ số biến áp, thường được áp dụng trong các nguồn cấp một chiều với khóa điện tử Các mạch cầu, nửa cầu và flyback là những kiểu phổ biến nhất Trong các thiết bị quang điện, loại có cách ly được ưa chuộng vì lý do an toàn Ngược lại, loại DC/DC không cách ly không sử dụng máy biến áp cách ly và thường được dùng trong các bộ điều khiển động cơ một chiều Các bộ biến đổi DC/DC thường được sử dụng trong hệ thống năng lượng mặt trời (PV).
- Bộ đảo dấu điện áp (buck – boost)
- Bộ biến đổi tăng – giảm áp Cusk
Việc lựa chọn loại DC/DC phù hợp cho hệ thống năng lượng mặt trời phụ thuộc vào yêu cầu của ắc quy và tải liên quan đến điện áp đầu ra của dãy panel mặt trời.
Bộ giảm áp buck có khả năng xác định điểm làm việc với công suất tối ưu khi điện áp vào vượt quá điện áp ra Tuy nhiên, trường hợp này ít xảy ra khi cường độ bức xạ ánh sáng giảm thấp.
Bộ tăng áp Boost hoạt động hiệu quả ngay cả trong điều kiện ánh sáng yếu, giúp tối ưu hóa điểm làm việc Hệ thống sử dụng bộ Boost để nâng cao điện áp cung cấp cho tải trước khi chuyển đổi qua bộ biến đổi DC/AC.
Bộ Buck – boost vừa có thể tăng, vừa có thể giảm áp.
