CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG
4.1 Mô hình hóa pin mặt trời
4.1.1 Sơ đồ tương đương của pin mặt trời [9]
Khi được chiếu sáng, nếu ta nối các bán dẫn p và n của một tiếp xúc p-n bằng một dây dẫn thì pin mặt trời phát ra một dòng quang điện Iph. Vì vậy, trước hết pin mặt trời có thể xem là một nguồn dòng.
Lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có tính chỉnh lưu tương đương một diode. Tuy nhiên, khi phân cực ngược, do điện trở tiếp xúc có hạn nên vẫn có một dòng điện rò qua tiếp xúc p-n; người ta đưa vào đại lượng điện trở Shunt Rsh.
Dòng quang điện chạy trong mạch phải đi qua các lớp bán dẫn p và n, các điện cực, tiếp xúc,… Đặc trưng cho tổng các điện trở của các lớp tiếp xúc đó là một điện trở Rs nối nối tiếp trong mạch (nội trở của pin mặt trời).
Như vậy, có thể coi mạch điện tương đương của pin mặt trời bao gồm: một nguồn dòng Iph, một diode, một điện trở Rsh song song với diode và nguồn dòng, một điện trở Rs nối tiếp như hình 4.1.
Hình 4. 1 Sơ đồ tương đương của pin mặt trời Dòng qua diode được tính:
Id=Is. e(
q . Vd n .k . T−1)
(4.1) Trong đó:
Id - dòng điện qua diode (A/m2) Is - Dòng bão hòa của diode (A/m2)
k - Hằng số Bolzman, k = 1,381.10-23 (J/K) T - Nhiệt độ lớp tiếp xúc (0K)
n - Hệ số lí tưởng của diode, phụ thuộc vào công nghệ chế tạo pin mặt trời, gần đúng có thể lấy n = 1.
Phương trình đặc trưng V-A của pin mặt trời:
I=Iph−Id−Is=Iph−Is[(e
q(V+I . Rs)
n .k .T −1)−V+I . Rs
Rsh ] (4.2)
Trong đó:
Rs – Nội trở của pin mặt trời (Ω) Rsh – Điện trở Shunt (Ω)
Dòng điện ngắn mạch Isc: là dòng điện khi làm ngắn mạch mạch ngoài (chập các cửa ra của pin). Lúc đó điện thế ngoài của pin V = 0
Suy ra:
Isc=Iph−Is[eq . Rn. k .Ts. Isc−1]−RRs. Isc
sh
(4.3)
Ở điều kiện chiếu sáng bình thường, không có hội tụ thì điện trở nối tiếp Rs có thể bỏ qua, Id = 0. Do đó có thể suy ra:
Isc = Iph = α.E (4.4)
Trong đó:
E – Cường độ sáng α- Hệ số tỉ lệ
Ở điều kiện bình thường, dòng điện ngắn mạch của pin mặt trời tỉ lệ với cường độ bức xạ ánh sáng.
Phương trình (4.2) là phương trình cơ bản của một dãy pin mặt trời và được sử dụng để xây dựng đặc tính I-V của một dãy pin mặt trời thực.
Ở đây Iph và Is lần lượt là dòng điện quang học và dòng điện bão hòa của dãy pin. Ish phụ thuộc vào cường độ bức xạ và nhiệt độ theo phương trình:
Iph=(Isc+KI. ∆T).1000G (4.5)
Trong đó: ∆ T=T−Tn với T là nhiệt độ tại điểm xét, Tn – nhiệt độ tiêu chuẩn (0K) G: bức xạ nhiệt trên bề mặt pin.
Dòng điện bão hòa ngược trên diode là:
Is(T)=Is.(TTn)3.exp[EVgt(TTn−1) ] (4.6)
Eg là mức năng lượng vật liệu bán dẫn.
Vt = kT/q là điện áp nhiệt của pin
4.1.2 Mô phỏng pin mặt trời bằng Matlab [8]
Từ sơ đồ tương đương và phương trình đặc tính của pin mặt trời ở trên, ta mô phỏng pin mặt trời bằng phần mềm matlab như hình 4.2
Hình 4. 2 Cấu trúc mô phỏng pin mặt trời bằng matlab.
Trước tiên, ta xem xét đặc tính của pin mặt trời ở điều kiện thí nghiệm tiêu chuẩn (nhiệt độ 250C và bức xạ nhiệt đạt 1000W/m2) và xét tại thời điểm trưa – thời
ra công suất lớn nhất. Đặc tính I-V và P-V của pin mặt trời ở điều kiện tiêu chuẩn như hình 4.3 và 4.4.
Hình 4. 3 Đặc tính I-V của pin mặt trờikiểu SL120CE-24M tại 250C và 1000W/m2
Hình 4. 4 Đặc tính PV của pin mặt trời kiểu SL120CE-24M tại 250C và 1000W/m2 Mặc dù nhiệt độ môi trường không ảnh hưởng đến khối lượng năng lượng mà pin mặt trời nhận được nhưng nó ảnh hưởng đến công suất của pin phát ra.
Cụ thể, các tấm pin mặt trời phát ra công suất thấp hơn ở cùng lượng nắng như nhau nếu chúng trở nên nóng hơn. Bởi vì khi nhiệt độ tăng, khoảng cách giữa các điện tử giảm xuống làm tăng năng lượng cần thiết để giải phóng điện tử. Sự chênh lệch các trạng thái năng lượng nghỉ và năng lượng kích thích của điện tử tạo ra điện áp ra cho pin mặt trời. Khi nhiệt độ tăng lên, điện áp hở mạch giảm xuống và dòng điện ngắn mạch tăng lên. Vì độ giảm điện áp nhanh hơn độ tăng dòng điện dẫn đến hiệu suất của pin giảm xuống.
Hình 4. 5 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến đặc tính I-V của pin mặt trời