CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Tổng quan về năng lượng mặt trời Năng lượng là nhu cầu thiết yếu của cuộc sống. Hiện nay, các nguồn năng lượng truyền thống từ than, dầu hỏa…ngày càng cạn kiệt và khan hiếm. Xu hướng tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế hiện nay là nguồn năng lượng tái tạo.
Một trong những nguồn năng lượng tái tạo tiềm năng nhất đó là năng lượng mặt trời vì được đánh giá là nguồn năng lượng vô tận, sẵn có trong tự nhiên, xanh, sạch và thân thiện với môi trường. Chính vì vậy mà hệ thống sử dụng PV đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như vệ tinh, hệ thống thông tin liên lạc, máy bơm nước, các ứng dụng xe điện, và các nhà máy điện năng lượng mặt trời. Để sản xuất điện mặt trời, người ta thường sử dụng 2 công nghệ: nhiệt mặt trời và pin quang điện: - Nhiệt mặt trời: năng lượng mặt trời được hội tụ nhờ gương hội tụ để tập trung ánh sáng mặt trời tạo thành nguồn nhiệt có nhiệt độ cao làm bốc hơi nước, hơi nước sinh ra làm quay tuabin để sản xuất ra điện năng. - Pin quang điện: được chế tạo từ các chất bán dẫn.
Điện năng được sinh ra khi có ánh sáng mặt trời chiếu đến. Các tế bào quang điện có khả năng thể hiện chức năng này bằng cách nhận năng lượng mặt trời, tách electron ra khỏi tinh thể bán dẫn tạo thành dòng điện. Như vậy các tế bào quang điện dùng mặt trời là nguồn nhiên liệu Ở đây ta tập trung vào lĩnh vực biến đổi trực tiếp quang năng thành điện năng (tức Pin quang điện). Nhờ sự phát triển của công nghiệp vật liệu, các tấm pin được sản xuất ngày càng cho hiệu suất cao, giá thành giảm nhưng vẫn cho thấy nhiều ưu điểm hứa hẹn.1 Pin quang điện (PV) 1.
Cấu tạo Pin quang điện (PV) còn gọi là pin mặt trời là thiết bị ứng dụng hiệu ứng quang điện trong bán dẫn (thường gọi là hiệu ứng quang điện bên trong) để tạo ra dòng điện một chiều từ ánh sáng mặt trời. Loại pin mặt trời thông dụng nhất hiện nay là loại sử dụng Silic tinh thể. Tinh thể Silic tinh khiết là chất bán dẫn dẫn điện rất kém vì các điện từ bị giam dữ bởi liên kết mạng, không có điện tử tự do. Khi bị nhiệt độ hay ánh sáng kích thích, các điện từ bị bứt ra khỏi liên kết, hay là các điện từ tích điện âm nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẫn và để lại một lỗ trống tích điện dương trong vùng hóa trị.
Lúc này chất bán dẫn mới dẫn điện. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin mặt trời.[8] Để làm pin mặt trời từ bán dẫn tinh khiết này phải tạo ra hai loại bán dẫn loại p và loại n. Sau đó, ghép chúng lại với nhau để có được lớp tiếp giáp p – n là nền tảng cho tế bào pin. 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. Ngược lại, để tạo bán dẫn loại p ta pha một nguyên tử có 3 electron ngoài cùng (Bo) tức là thiếu 1 electron mới tạo đủ 4 liên kết. Bán dẫn pha tạp thừa 1 lỗ trống mang điện dương.
Bằng cách ghép nối công nghệ hai loại bán dẫn này tạo thành cấu trúc chứa 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. 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 điển tử để lấp vào lỗ trống tạo ra vùng nghèo này cũng tạo nên hiệu điện thế gọi là hiệu điện thế ở tiếp xúc p-n, đối với Si vào cỡ 0,6V đến 0,7V.
Đây là hiệu điện thế tạo nên điện trường tại lớp tiếp giáp [8]. Nguyên lý hoạt động Như được thể hiện ở Hình 1-1, khi chất bán dẫn silicon tiếp xúc với năng lượng (photon từ ánh sáng mặt trời), các electoron tự do ở điện cực N sẽ di chuyển sang để lấp đầy các lỗ trống bên điện cực P. Sau đó, các electron từ điện cực N và điện cực P sẽ cùng nhau tạo ra điện trường. Các tế bào năng lượng mặt trời sẽ trở thành một diode, cho phép electron di chuyển từ điện cực P đến điện cực N, không cho phép di chuyển ngược lại.
Sự di chuyển của các electron tự do từ điện cực N tới điện cực P tạo ra dòng điện 1 chiều. Đặc tính của pin mặt trời Mỗi tấm pin PV được đặc trưng bởi 2 đường cong phi tuyến: đặc tính I- Vvà P-V. Đường đặc tính P-V được tính toán dựa trên đường đặc tính I-V. Hai đường đặc tính này có dạng như sau: Hình 1- 2 Các đường đặc tính của pin mặt trời.
Khi nhiệt độ của môi trường hoặc cường độ bức xạ mặt trời hay tải bị thay đổi sẽ ảnh hưởng trực tiếp làm thay đổi đặc tính I-V của PV. Có thể thấy rõ điều này, với tấm pin mặt trời SQ160, từ tài liệu [8] chúng ta có được đường đặc tính I-V của tấm pin này thể hiện ở các hình sau: Hình 1-3 Đặc tính I-V khi cường độ bức xạ thay đổi. Hình 1- 4 Đặc tính I-V khi nhiệt độ thay đổi. 3 Như 2 hình trên, có thể thấy, khi cường độ ánh sáng tăng lên, đường đặc tính I-V có xu hướng di chuyển lên trên.
Với trường hợp thay đổi nhiệt độ, khi tăng nhiệt độ, đường đặc tính có xu hướng di chuyển về phía bên phải và ngược lại.2 Giới thiệu về hệ thống biến đổi điện tử công suất sử dụng pin năng lượng mặt trời 1.1 Giới thiệu Trong các hệ thống pin mặt trời kết nối lưới điện thì bộ biến đổi điện tử công suất giữ vai trò rất quan trọng trong các hệ thống điều khiển, bởi đặc tính của pin mặt trời là có công suất phát luôn biến đổi do phụ thuộc điều kiện thời tiết. Sự thay đổi công suất phát của chúng có thể gây ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng điện năng của lưới điện, như gây dao động điện áp, tăng độ méo sóng hài dòng điện, … Để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao về chất lượng điện năng đã đặt ra yêu cầu thực tế là: cần thiết phải có những bộ biến đổi điện tử công suất đáp ứng linh hoạt, trao đổi công suất và đảm bảo được các chỉ tiêu chất lượng điện năng.2 Bộ biến đổi DC/DC Bộ biến đổi DC/DC được sử dụng rộng rãi trong nguồn điện một chiều với mục đích chuyển đổi nguồn một chiều không ổn định thành nguồn điện một chiều có thể điều khiển được. Trong hệ thống pin mặt trời, bộ biến đổi DC/DC được kết hợp chặt chẽ 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.
Các loại bộ biến đổi DC/DC thường dùng trong hệ PV gồm: - Bộ tăng áp (Boost) - Bộ giảm áp (Buck) - Bộ đảo dấu điện áp (Buck-boost) Việc chọn lựa loại DC/DC nào để sử dụng trong hệ PV còn tùy thuộc vào yêu cầu của ắc quy và tải đối với điện áp ra của mảng PV.3 Bộ biến đổi DC/AC Thường bộ biến đổi DC/AC sẽ tiếp nhận điện áp từ phía DC (Pin mặt trời, Ắc quy) rồi biến đổi điện DC thành điện AC để cung cấp cho tải xoay chiều và lưới. Bộ DC/AC có thể hoạt động theo chiều ngược lại như một bộ chỉnh lưu tích cực khi mà hệ thống đang hoạt động có nối lưới.4 Hệ thống PV-Inverter Hệ thống PV-Inverter bao gồm 2 hệ thống con là hệ thống PV-Inverter 1 phase và hệ thống PV-Inverter 3 phase. Cấu trúc chung của hệ thống được thể hiện ở hình 1-5. 4 Hình 1-5 Cấu trúc hệ thống PV-Inverter.
Nhìn vào sơ đồ câú trúc ta có thể thấy hệ thống gồm các bộ biến đổi điện tử công suất chính như sau: - Bộ biến đổi DC/DC: được dùng để cấp nguồn điện DC cho bộ biến tần Inverter - Biến tần (Inverter): Có chức năng biến đổi điện DC thành điện AC cho tải và lưới. Ưu điểm của hệ thống sử dụng bộ lưu trữ điện Battery đó là giúp hệ thống có thể hoạt động được 24/7. Còn ở hệ thống không dùng Battery thì điện áp DC của pin mặt trời sẽ được chuyển thành điện áp AC 3 pha cấp cho tải.3 Internet of Things 1.1 Giới thiệu Internet of Things (IoT) là mạng lưới vạn vật kết nối internet hoặc là mạng lưới thiết bị kết nối internet, khi mà mỗi đồ vật, con người được cung cấp một định danh riêng của riêng mình, và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần đến sự tương tác trực tiếp giữa con người với con người, hay người với máy tính [11]. IoT đã phát triển từ sự hội tụ công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử và internet.
Hay nói đơn giản là một tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối với nhau, với internet, với thế giới bên ngoài để thực hiện một công việc nào đó [12]. Hay hiểu một cách đơn giản IoT là tất cả thiết bị có thể kết nối với nhau. Việc kết nối có thể thực hiện qua các giao thức truyền thông không dây như Wifi, mạng Global System for Mobile Communications (GSM) 3G/4G, Bluetooth, Zigbee, Lora, … 5 Hình 1-6 Mạng lưới thiết bị kết nối internet (IoT).2 Ứng dụng của IoT trong hệ thống điện tử công suất IoT được ứng dụng khá nhiều trong các lĩnh vực nổi bật hiện nay như: Nhà thông minh Quản lý các thiết bị cá nhân Quản lý môi trường Quản lý giao thông Nhận thấy IoT không chỉ ứng dụng vào những lĩnh vực trên mà nó còn được ứng dụng rất nhiều trong công nghiệp tự động hóa. Các khu công nghiệp sẽ được quản lý thông qua internet.
Người quản lý sẽ không phải đến nhà máy cũng biết được hệ thống đang hoạt động như thế nào để đưa ra các yêu cầu tới hệ thống.