đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nôi dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án. Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết. Chương này trình bày về các cơ sở lý thuyết hỗ trợ cho việc thiêt kế, tính toán chọn lọc và lập trình sau này. Chương 3: Thiết Kế và Tính Toán Chương này trình việc thiết kế sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý cho hệ thống.
Tính toán chọn lọc các linh kiện trong mạch và các phần cứng khác. Chương 4: Thi công hệ thống Trình bày tiến trình thi công, lắp ráp các phần cứng. Viết lưu đồ và chương trình điều khiển hệ thống. Chương 5: Kết quả nhận xét đánh giá.
Trình bày kết quả hoạt động của hệ thống, nhận xét hệ thống có hoạt động ổn định hay không. Đồng thời đánh giá những gì đã làm được và chưa làm được. Chương 6: Kết luận. Trình bày về kết luận của nhóm đối với đề tài có đạt được như mục đích đã nêu chưa.
Trình bày hướng phát triển trong tương lai. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 3 do an CHƯƠNG 2: CỞ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2. QUY TRÌNH HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG Mô hình giám sát và điều khiển hệ thống chiếu sáng công cộng bằng năng lượng mặt trời hoạt động theo quy trình: Khi cấp nguồn cho hệ thống, hệ thống sẽ kiểm tra hướng chiếu sáng của mặt trời để tiến hành điều chỉnh hướng quay của pin năng lượng mặt trời cho phù hợp để hấp thụ tối đa nguồn bức xạ. Thực hiện việc dò tìm điểm công suất cực đại của pin mặt trời tại mỗi mức cường độ bức xạ khác nhau để pin mặt trời luôn hoạt động ở điểm công suất cực đại.
Tiến hành sạc năng lượng thu được vào ắc quy. Cập nhật các thông số về điện áp và dòng điện của pin và ắc quy và trạng thái của tải lên webserver. Giám sát và điều khiển tải qua web. CỞ SỞ LÝ THUYẾT ÁP DỤNG TRONG ĐỀ TÀI.
Pin năng lượng mặt trời a. Tổng quan Pin năng lượng mặt trời hay pin mặt trời hay pin quang điện bao gồm nhiều tế bào quang điện (solar cells) là phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là điốt quang, thực hiện biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện. Các pin năng lượng mặt trời có nhiều ứng dụng trong thực tế. Chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng mà điện lưới khó vươn tới như núi cao, ngoài đảo xa, hoặc phục vụ các hoạt động trên không gian; cụ thể như các vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo trái đất, máy tính cầm tay, các máy điện thoại cầm tay từ xa, thiết bị bơm nước.
Các Pin năng lượng mặt trời được thiết kế như những module thành phần, được ghép lại với nhau tạo thành các tấm năng lượng mặt trời có diện tích lớn, thường được đặt trên nóc các tòa nhà nơi chúng có thể có ánh sáng nhiều nhất, và kết nối với bộ chuyển đổi của mạng lưới điện. Các tấm pin mặt trời lớn ngày nay được lắp thêm bộ phận tự động điều khiển để có thể xoay theo hướng ánh sáng, giống như cây xanh hướng về ánh sáng Mặt Trời. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 4 do an CHƯƠNG 2: CỞ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.1: Cell, module và array pin mặt trời. Cấu tạo 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.
Chất bán dẫn chính được sử dụng bên trong pin năng lượng mặt trời là silicon. Silicon tuy có mức dẫn điện hạn chế nhưng nó có cấu trúc tinh thể rất phù hợp cho việc tạo ra chất bán dẫn. Nguyên tử silicon cần 4 electron để trung hòa điện tích nhưng lớp vỏ bên ngoài một nguyên tử silicon chỉ có một nửa số electron cần thiết nên nó sẽ bám chặt với các nguyên tử khác để tìm cách trung hòa điện tích.2: Cấu tạo của pin năng lượng mặt trời. Để tăng độ dẫn điện của silicon, các nhà khoa học đã “tạp chất hóa” nó bằng cách kết hợp nó với các vật liệu khác.
Quá trình này được gọi là “doping” và silicon pha tạp BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 5 do an CHƯƠNG 2: CỞ SỞ LÝ THUYẾT với các tạp chất tạo ra nhiều electron tự do và lỗ trống. Một chất bán dẫn silicon có hai phần, mỗi phần được pha tạp với một loại vật liệu khác. Phần đầu tiên được pha với phốt pho, phốt pho cần 5 electron để trung hòa điện tích và có đủ 5 electron trong vỏ của nó. Khi kết hợp với silicon, một electron sẽ bị dư ra.
Electron đặc trưng cho điện tích âm nên phần này sẽ được gọi là silicon loại N (điện cực N). Để tạo ra silicon loại P (điện cực P), các nhà khoa học kết hợp silicon với boron. Boron chỉ cần 3 electron để trung hòa điện tích và khi kết hợp với silicon sẽ tạo ra những lỗ trống cần được lấp đầy bởi electron. Nguyên lý hoạt động 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 chiều sau sẽ xảy ra: Photon truyền trực tiếp qua mảnh Silic. Điều này thường xảy ra khi năng lượng của photon thấp hơn năng lượng đủ để đưa các hạt electron lên mức năng lượng cao hơn. Khi photon bị hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các hạt electron trong mạng 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 lượng đủ để kích thích electron lớp ngoài cùng dẫn điện. Nhiệt độ của mặt trời thường tương đương 6000oK, vì thế nên phần lớn năng lượng mặt trời điều được hấp thụ bởi Silic. Tuy nhiên hầu hết năng lượng mặt trời chuyển đổi thành nhiệt nhiều hơn là năng lượng điện sử dụng được. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 6 do an CHƯƠNG 2: CỞ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.3: Nguyên lý làm việc của một solar cell.
Mạch điện tương đương với một solar panel [1]. Sơ đồ tương đương của pin mặt trời là gồm một nguồn dòng mắc song song với một diode.4: Mạch điện tương đương với solar panel. Pin mặt trời có hai thông số quan trọng: Dòng ngắn mạch (Isc) và điện áp hở mạch (Voc). Khi Pin mặt trời ngắn mạch V= 0, từ hình 2.5 ta có: I = ISC – Id (2.1) 𝑞𝑣 Mà Id = I0(𝑒 𝑘𝑇 − 1), thay vào (2.1) ta được: 𝑞𝑣 I = ISC – I0(𝑒 𝑘𝑇 − 1) (2.2) Với: q là điện tích electron, q = 1.602x10-19 C k là hằng số Boltzmann, k = 1.
381x10-23 J/K T là nhiệt độ mối nối của bán dẫn (K) BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 7 do an CHƯƠNG 2: CỞ SỞ LÝ THUYẾT Khi pin mặt trời hở mạch I=0, ta có điện áp hở mạch Voc : 𝑘𝑇 𝐼 Voc = ln( 𝑠𝑐 + 1) (2.5: Hai thông số quan trọng của solar cell. Từ hai phương trình (2.3) ta thấy dòng ngắn mạch ISC tỉ lệ trực tiếp với cường độ bức xạ, nên ta dễ dàng vẽ được đường đặc tính V-A theo cường độ bức xạ.6: Đặc tuyến V-A theo cường độ bức xạ. Trên thực tế, trong quá trình chế tạo pin PV, do tiếp xúc điện cực mặt trước và sau, cũng có thể do bản thân vật liệu có một điện trở suất nhất định. Vì vậy trong mạch điện tương đương cần phải mắc thêm vào một điện trở nối tiếp Rs và một điện trở song song Rsh với tải như hình 2.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 8 do an CHƯƠNG 2: CỞ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.7: Sơ đồ tương đương hoàn chỉnh của solar panel. Theo định luật Kirchhoff về điện thế: VPV = VD – Rs.4) Theo định luật Kirchhoff về cường độ dòng điện: 𝑞(𝑉𝑃𝑉 +𝑅𝑠 𝐼𝑃𝑉 ) 𝑉𝑃𝑉+𝑅𝑠 𝐼𝑃𝑉 IPV = Iph – ID – Ish = Iph – Is(𝑒 𝑛𝑘𝑇 − 1) - (2. Điều chỉnh hướng quay của tấm solar panel. Trong một ngày trái đất sẽ quay quanh trục theo chiều từ đông sang tây như hình 2.
Để thu được cường độ bức cao nhất buộc chúng ta phải điều chỉnh hướng quay của pin sao cho tấm solar luôn vuông góc với ánh sáng mặt trời. Để thực hiện việc này chúng ta có thể dùng 2 quang trở được mắc song song với nhau được ngăn cách bởi một màn chắn tương ứng với hướng đông và hướng tây, với đặc tính khi có ánh sáng chiếu vào thì điện trở giảm thì khi ta so sánh giá trị analog qua 2 quang trở này nếu có sự chênh lệch thì chúng ta sẽ điều chỉnh hướng quay hợp lý. Mặt khác trong một năm khi trái đất quay quanh mặt trời thì góc lệnh của đường đi mặt trời so vói trái đất sẽ bị lệch theo hướng bắc – nam.9 thì tại hai ngày xuân phân (21/3) và ngày thu phân (21/9) là 2 ngày mặt trời chiếu vuông góc với xích đạo, và 2 ngày hạ chí (21/6) và đông chí (21/12) thì mặt trời chiếu vuông góc với chí tuyến bắc và nam. Việt Nam chúng ta nằm ở bán cầu bắc cụ thể thành phố Hồ Chí Minh nằm từ vĩ độ 10010’ đến 10038’ nên góc lệch theo hướng bắc nam cao nhất vào ngày đông chí là 33026’ nên việc điều chỉnh hướng quay theo hướng bắc nam không nhất thiết.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 9 do an CHƯƠNG 2: CỞ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.8: Sự thay đổi của hướng ánh sáng mặt trời.9: Góc chiếu mặt trời so với trái đất. Phương pháp MPPT MPPT (Maximum Power Point Tracker) là phương pháp dò tìm điểm làm việc có công suất tối ưu của hệ thống nguồn điện pin mặt trời qua việc điều khiển chu kỳ đóng mở khoá điện tử dùng trong bộ DC-DC. Phương pháp MPPT được sử dụng rất phổ biến trong hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập và đang dần được áp dụng trong hệ quang điện làm việc với lưới.