CHƯƠNG 1: CẤU TRÚC HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ CHIẾN LƯỢC TĂNG HIỆU SUẤT LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG TRONG ĐIỀU KIỆN BỊ CHE PHỦ MỘT PHẦN Trong chương này, tác giả trình bày tổng quan về hệ thống NLMT có hòa lưới bao gồm các thành phần, mô hình kết nối các thành phần cơ bản của hệ thống NLMT và các cấu trúc kết nối TPQĐ. Tiếp theo, trình bày tổng quan chiến lược tăng hiệu suất làm việc của hệ thống NLMT trong điều kiện chiếu sáng không đồng nhất cho mạch kết nối TCT và SP, dựa trên phương pháp cân bằng bức xạ. Phân tích ưu, nhược điểm các phương pháp của các nghiên cứu khác, từ đó xây dựng định hướng nghiên cứu cho luận án. Chiến lược tăng hiệu suất làm việc cho hệ thống NLMT trong điều kiện bị che phủ 1 phần được tác giả phân tích và công bố tại (CT1.1 Tổng quan về hệ thống năng lượng mặt trời 1.1 Năng lượng mặt trời Mặt trời là ngôi sao ở trung tâm hệ mặt trời, chiếm khoảng 99,86% khối lượng của hệ mặt trời.
Trái đất và các thiên thể khác như các hành tinh, tiểu hành tinh, thiên thạch, sao chổi, và bụi quay quanh mặt trời. Khoảng cách trung bình giữa mặt trời và trái đất xấp xỉ 149,6 triệu kilômét (1 đơn vị thiên văn AU) nên ánh sáng mặt trời cần 8 phút 19 giây mới đến được trái đất. Năng lượng mặt trời ở dạng ánh sáng hỗ trợ cho hầu hết sự sống trên trái đất thông qua quá trình quang hợp, và điều khiển khí hậu cũng như thời tiết trên trái đất. Thành phần của mặt trời gồm hydro (khoảng 74% khối lượng, hay 92% thể tích), heli (khoảng 24% khối lượng, 7% thể tích), và một lượng nhỏ các nguyên tố khác, gồm sắt, nickel, oxy, silic, lưu huỳnh, magiê, carbon, neon, canxi, và crom.
Mặt trời có có nhiệt độ bề mặt xấp xỉ 5. Quang phổ của bức xạ mặt trời ở trong không gian và ở trên trái đất thể hiện trong Hình 1-1. Quang phổ của bức xạ mặt trời trong không gian (màu đỏ) và trên trái đất (màu xanh) [11] 1.2 Bức xạ mặt trời Trái đất quay quanh mặt trời mỗi vòng mất 365.2 ngày, tại một thời điểm một nửa trái đất được chiếu sáng bởi mặt trời. Khi bức xạ mặt trời chiếu vào bầu khí quyển của trái đất, bầu khí quyển sẽ hấp thu tia cực tím (UV) và tia hồng ngoại, chỉ cho phép bức xạ mặt trời có bước sóng dao động từ 0.
Bức xạ mặt trời là năng lượng mặt trời nhận được trên diện tích bề mặt đơn vị được tính bằng Watt/m2. Phần năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt trái đất trong những ngày quang đãng ở thời điểm cao nhất vào khoảng 1. Yếu tố cơ bản xác định cường độ của bức xạ mặt trời ở một điểm nào đó trên Trái đất là quãng đường nó đi qua. Sự mất mát năng lượng trên quãng đường đó gắn liền với sự tán xạ, hấp thụ bức xạ và phụ thuộc vào thời gian trong ngày, mùa, vị trí địa lý.
Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển trái đất [12] 1.3 Điện mặt trời Điện mặt trời là việc chuyển đổi năng lượng ánh sáng mặt trời thành điện năng, chuyển đổi trực tiếp bằng cách sử dụng tấm pin quang điện (TPQĐ), chuyển đổi gián tiếp bằng cách sử dụng điện mặt trời tập trung (ĐMTTT). Hệ thống ĐMTTT sử dụng ống kính, gương và các hệ thống theo dõi để tập trung một khu vực rộng lớn của ánh sáng mặt trời vào một chùm nhỏ. TPQĐ chuyển đổi ánh sáng thành dòng điện bằng cách sử dụng hiệu ứng quang điện. Nhiệt tập trung sau đó được sử dụng như một nguồn năng lượng cho một nhà máy điện thông thường.
Các nhà máy ĐMTTT thương mại được phát triển đầu tiên vào những năm 1980, CSP SEGS354MW là nhà máy ĐMTTT lớn nhất trên thế giới và nằm ở sa mạc Mojave của California. Các nhà máy ĐMTTT lớn khác bao gồm Nhà máy điện mặt trời Solnova (150 MW) và Nhà máy điện mặt trời 10 Andasol (100 MW), cả hai ở Tây Ban Nha. Nhà máy quang điện Sarnia Canada là nhà máy quang điện lớn nhất thế giới. TPQĐ là một thiết bị bao gồm nhiều tế bào quang điện, chuyển đổi ánh sáng thành dòng điện bằng cách sử dụng hiệu ứng quang điện.
Phần sau đây, mô tả định nghĩa về tấm pin quang điện, hiệu ứng quang điện, các thông số cơ bản về tế bào quang điện, tấm pin quang điện.1 Tế bào quang điện Ngày nay vật liệu chủ yếu chế tạo pin mặt trời (và cho các thiết bị bán dẫn) là silic dạng tinh thể. Hoạt động của pin mặt trời được chia làm ba giai đoạn (Hình 1-3): - Đầu tiên năng lượng từ các photon ánh sáng được hấp thụ và hình thành các cặp electron-hole trong chất bán dẫn. - Các cặp electron-hole sau đó bị phân chia bởi ngăn cách tạo bởi các loại chất bán dẫn khác nhau (p-n junction). Hiệu ứng này tạo nên hiệu điện thế của pin mặt trời.
- Pin mặt trời sau đó được nối trực tiếp vào mạch ngoài và tạo nên dòng điện. Hiệu ứng quang điện [13] 11 1.2 Đặc tính Dòng điện - Điện áp (I-V) và Công suất - Điện áp (P-V) Đường cong đặc tính I-V thể hiện tất cả các điểm vận hành và mối tương quan giữa dòng điện - điện áp của tế bào quang điện (TBQĐ) (Hình 1-4). Đường cong này được tạo ra bằng các thay đổi giá trị phụ tải của TBQĐ trong phòng thí nghiệm. Điểm vận hành thể hiện trong đường đặc tính I-V phụ thuộc vào phụ tải của TBQĐ.
Đường cong đặc tính công suất – điện áp (P-V) tương ứng được tính theo công thức P = V*I. Hình 1-4b bao gồm dòng ngắn mạch ISC điện áp mở mạch VOC, MPP điểm làm việc công suất cực đại trên đồ thị I-V và PMPP tương ứng là điểm làm việc cực đại trên đồ thị P-V, IMPP và VMPP là dòng điện, và điện áp tại điểm PMPP. Đặc tính Dòng điện - Điện áp (I-V) và Công suất - Điện áp (P-V) của tế bào quang điện [14] Công suất của TBQĐ chịu ảnh hưởng rất lớn từ mức độ ánh sáng mặt trời. Các TPQĐ khi nhận được nhiều ánh sáng sẽ cho ra công suất cao hơn [15].
Hình 1-5 thể hiện mối quan hệ giữa dòng điện - điện áp và mức độ bức xạ mặt trời. Bức xạ mặt trời càng lớn thì công suất tạo ra bởi hệ thống càng cao. Ảnh hưởng của ánh sáng mặt trời đến đường cong đặc tính dòng điện - điện áp [15] Các TBQĐ khi hoạt động chịu ảnh hưởng lớn từ nhiệt độ xung quanh. Dòng ngắn mạch tăng nhẹ khi nhiệt độ cao hơn so với tiêu chuẩn (250C).
Tuy nhiên dòng mở mạch lại bị ảnh hưởng rất lớn khi nhiệt độ TPQĐ vượt quá 250C. Như vậy, mặc dù dòng điện tăng nhưng không đáng kể so với việc điện áp giảm dẫn đến công suất của TPQĐ giảm [15]. Hình 1-6 giải thích mối liên hệ giữa đường cong đặc tính dòng điện - điện áp và sự thay đổi của nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng thì công suất TPQĐ sẽ giảm.
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến đường cong đặc tính dòng điện - điện áp [15] 13 1.3 Mô hình toán học của tế bào quang điện Tế bào quang điện (TBQĐ) (solar cells) - là phần tử bán dẫn [16] 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. TBQĐ có thể được biểu diễn bởi mạch điện trong Hình 1-7. Mối liên hệ giữa dòng điện - điện áp được phân tích trong [17], công thức ( 1-1 ): (89:;< ) ( 1-1 ) ) >< ?@ A CB F + !H( ! = !" − !4 56 − 1E − H(I Trong đó: I: Dòng điện của TBQĐ k: Hằng số Boltzamann V: Điện áp của TBQĐ Tc: Nhiệt độ TBQĐ I0: Dòng bão hoà của điốt RS: Điện trở nối tiếp TBQĐ q: Điện tích electron RSH: Điện trở song song TBQĐ Ad: Hệ số chất lượng của điốt IL: Dòng quang điện ns: Số TBQĐ mắc nối tiếp Hình 1-7. Mạch điện của tế bào quang điện [16] 14 1.4 Tấm pin quang điện (TPQĐ) Một TPQĐ được kết nối bởi nhiều TBQĐ, chúng được kết nối nối tiếp và song song, số lượng TBQĐ tùy thuộc vào yêu cầu của hệ thống.
Trong những mô hình TPQĐ đơn giản, ảnh hưởng của điện trở song song là không đáng kể, RSH là giá trị vô cùng lớn do đó đặc tính dòng điện - điện áp của TPQĐ được thu gọn trong công thức ( 1-2 ). Với np và ns lần lượt là số TBQĐ mắc song song và nối tiếp trong TPQĐ [18].5 Điện áp hở mạch, dòng ngắn mạch và điểm công suất cực đại (MPP) Trong biểu đồ đặc tính dòng điện - điện áp có 2 điểm quan trọng là điện áp hở mạch VOC và dòng ngắn mạch ISC. Ở cả 2 điểm làm việc này, công suất của hệ thống NLMT đều bằng 0. VOC có thể được tính bằng công thức ( 1-3 ) khi dòng diện của TBQĐ bằng 0.
Dòng ngắn mạch ISC tại V = 0 cũng có thể được tính bằng IL theo công thức ( 1-4 ). QR& !" ( 1-3 ) FP' ≈ TK U + 1V S !4 !(' ≈ !" ( 1-4 ) Điểm làm việc cho công suất cực đại của TBQĐ trong đồ thị đặc tính dòng điện - điện áp là điểm có giá trị P=V*I lớn nhất. Điểm này được gọi là điểm công suất cực đại (MPP) và có duy nhất 1 điểm trong đồ thị (Hình 1-8). Điểm công suất cực đại (MPP) trong biểu đồ đặc tính dòng điện - điện áp của TBQĐ [19] 1.6 Điốt chặn và điốt nối tắt trong TPQĐ Điốt được hiểu đơn giản là thiết bị điện có 2 chân, có tác dụng định hướng, chỉ cho dòng điện chạy theo một chiều.
Chúng được làm từ chất bán dẫn, thông thường là silicon, hoặc các chất tương tự như selen, gecmani. Chân anode và cathode của điốt [20] Hình 1-9 là điốt với 2 chân anode và cathode. Dòng điện chỉ có thể chạy theo chiều từ anode sang cathode, mà không thể chạy theo chiều ngược lại. Vị trí điốt nối tắt và điốt chặn trong kết nối TPQĐ [21] Hình 1-10 thể hiện vị trí của điốt nối tắt (bypass diode) và điốt chặn (blocking diode) trong kết nối TPQĐ.
Điốt chặn chỉ cho phép dòng điện từ tấm pin mặt trời sang thiết bị lưu trữ và ngăn cản chiều ngược lại, giúp ngăn dòng xả từ ắc quy sang tấm pin và giúp lưu trữ năng lượng tốt hơn.