Chương 1 : Giới thiệu chung Chương 2 : Cấu hình và mô hình toán học của hệ thống Chương 3 : Lý thuyết về ổn định hệ thống Chương 4 : Đánh giá ổn định hệ một máy kết nối điện mặt trời và điện gió 6 Chương 5 : Kết luận và hướng phát triển của đề tài Tài liệu tham khảo. 7 CHƯƠNG 2: CẤU HÌNH VÀ MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA HỆ THỐNG 2. Cấu hình hệ thống nghiên cứu 1 Cấu hình của hệ thống được dùng để nghiên cứu 2. Mô hình toán học của hệ thống 2.
Mô hình pin năng lượng mặt trời 2. Tổng quan về pin mặt trời Pin mặt trời còn gọi là pin quang điện là thiết bị ứng dụng hiệu ứng quang điện trong bán dẫn (thường gọi là hiệu ứng quang điện trong – quang dẫn) 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 điện rất kém vì các điện tử bị giam giữ bởi liên kết mạng, không có điện tử tự do.
Khi bị ánh sáng hay nhiệt độ kích thích, các điện tử bị bứt ra khỏi liên kết, hay là các điện tử tích điện âm nhảy từ vùng hoá trị lên vùng dẫn và để lại một lỗ trống tích điện dương trong vùng hoá trị. Lúc này chất bán dẫn mới dẫn điện. Có 3 loại pin mặt trời làm từ tinh thể Silic: 8 - Một tinh thể hay đơn tinh thể module. Đơn tinh thể này có hiệu suất tới 16%.
Loại này thường đắt tiền do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các môdule. - Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc từ Silic nung chảy, sau đó được làm nguội và làm rắn. Loại pin này thường rẻ hơn loại đơn tinh thể, nhưng lại có hiệu suất kém hơn. Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn loại đơn tinh thể bù cho hiệu suất thấp của nó.
- Dải Silic tạo từ các miếng phim mỏng từ Silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể. Loại này thường có hiệu suất thấp nhất nhưng cũng là loại rẻ nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi Silicon. Về bản chất pin quang điện là một điốt bán dẫn bao gồm hai tấm bán dẫn loại P và loại N đặt sát cạnh nhau, khác ở chỗ pin quang điện có diện tích bề mặt rộng và có lớp N cực mỏng để ánh sáng có thể truyền qua. Trên bề mặt của pin quang điện có một lớp chống phản xạ vì khi chiếu ánh sáng vào pin quang điện, sẽ có một phần ánh sáng bị hấp thụ khi truyền qua lớp N và một phần ánh sáng sẽ bị phản xạ ngược lại còn một phần ánh sáng sẽ đến được lớp chuyển tiếp, nơi có các cặp electron và lỗ trống nằm trong điện trường của bề mặt giới hạn.
Với các bước sóng thích hợp sẽ truyền cho electron một năng lượng đủ lớn để thoát khỏi liên kết. Khi thoát khỏi liên kết, dưới tác dụng của điện trường, electron sẽ bị kéo về phía bán dẫn loại N, còn lỗ trống bị kéo về phía bán dẫn loại P. Khi đó nếu nối hai cực vào hai phần bán dẫn loại N và P sẽ đo được một hiệu điện thế. Giá trị của hiệu điện thế này phụ thuộc vào bản chất của chất làm bán dẫn và tạp chất được hấp phụ.2 Đặc tính làm việc của pin mặt trời Đặc tính làm việc của pin mặt trời thể hiện qua hai thông số là điện áp hở mạch lớn nhất VOC lúc dòng ra bằng 0 và dòng điện ngắn mạch ISC khi điện áp ra bằng 0.
Công suất của pin được tính theo công thức: P = I.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. 9 IPV uMPP, iMPP ISC MPPT UPV UOC Hình 2.2 Đường đặt tính làm việc U – I của pin mặt trời Hình 2.3 Sơ đồ tương đương pin mặt trời Từ sơ đồ tương đương, ta có phương trình đặc trưng của pin như sau: q.( v IRs) (V IR s ) I I sc I 01 e kT 1 Rsh (2.2) Trong đó: Isc là dòng quang điện (dòng ngắn mạch khi không có Rs và Rsh) (A/m2) I01 là dòng bão hòa (A/m2) q là điện tích của điện tử (C) = 1,6.10-19 k là hệ số Boltzman = 1,38.10-23(J/k) T là nhiệt độ (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. * Nhận xét: 10 Dòng ngắn mạch Isc tỉ lệ thuận với cường độ bức xạ chiếu sáng. Nên đường đặc tính V – I của pin mặt trời cũng phụ thuộc vào cường độ bức xạ chiếu sáng.
Ở mỗi tầng bức xạ chỉ thu được duy nhất một điểm làm việc V = VMPP có công suất lớn nhất thể hiện trên hình vẽ sau. Điểm làm việc có công suất lớn nhất được thể hiện là điểm chấm đen to trên hình vẽ.4 Sự phụ thuộc của đặc trưng VA của pin mặt trời vào cường độ bức xạ Mặt trời. Điện áp hở mạch Voc phụ thuộc trực tiếp vào nhiệt độ nên đường đặc tính VA của pin mặt trời cũng phụ thuộc vào nhiệt độ của pin. Để toàn bộ hệ PV có thể hoạt động được một cách hiệu quả thì đường đặc tính của tải cũng phải phù hợp với điểm MPP.5 Sự phụ thuộc của đường đặc tính của pin mặt trời vào nhiệt độ của pin 11 Hình 2.6 Đường đặc tính tải và đặc tính của pin mặt trời Trên hình vẽ 2.6 đường OA và OB là những đường đặc tính tải.
Nếu tải được mắc trực tiếp với dãy pin mặt trời thì tải có đường đặc tính là OA. Khi đó, pin làm việc ở điểm A1 và phát công suất P1. Công suất lớn nhất do phơi nắng thu được là P2. Để có thể thu được công suất P2, cần có một bộ điều chỉnh công suất để liên kết giữa dãy pin mặt trời và tải.3 Tấm năng lượng mặt trời Tấm năng lượng mặt trời được tạo thành từ nhiều pin mặt trời có thể gồm 36 đến 72 pin mặt trời mắc nối tiếp với nhau.
Qua những tấm pin mặt trời, năng lượng mặt trời được chuyển hoá thành điện năng. Mỗi pin mặt trời cung cấp một lượng nhỏ năng lượng, nhưng nhiều pin được đặt trải dài trên một diện tích lớn tạo nên nguồn năng lượng lớn hơn đủ để các thiết bị điện sử dụng. Mỗi tấm pin mặt trời có công suất khác nhau như: 30Wp, 40Wp, 45Wp, 50Wp, 75Wp, 100Wp, 125Wp, 150Wp. Điện áp của các tấm pin thường là 12VDC.
Công suất và điện áp của hệ thống tuỳ thuộc vào cách ghép nối các tấm pin lại với nhau. Nhiều tấm năng lượng mặt trời có thể ghép nối tiếp hoặc song song với nhau để tạo thành một dàn pin mặt trời. Để đạt được hiệu năng tốt nhất, những tấm năng lượng phải luôn được phơi nắng và hướng trực tiếp đến mặt trời. Hiệu suất thu được điện năng từ pin mặt trời ở các vùng miền vào các giờ trong ngày là khác nhau, do bức xạ mặt trời trên bề mặt trái đất không đồng đều nhau.
Hiệu suất của pin mặt trời phụ thuộc vào nhiều yếu tố: 12 Chất liệu bán dẫn làm pin. Vị trí đặt các tấm panel mặt trời Thời tiết khí hậu, mùa trong năm. Thời gian trong ngày: sáng, trưa, chiều Các tấm năng lượng mặt trời được lắp đặt ở ngoài trời nên thiết kế sản xuất đã đảm bảo được các thay đổi của khí hậu, thời tiết, mưa bão, sự ăn mòn của nước biển, sự oxi hoá… Tuổi thọ của mỗi tấm pin khoảng 25 đến 30 năm.4 Cách ghép nối các tấm pin năng lượng mặt trời Như ta đã biết các môđun pin mặt trời đều có công suất và hiệu điện thế xác định từ nhà sản xuất. Để tạo ra công suất và điện thế theo yêu cầu thì phải ghép nối nhiều tấm môdun đó lại với nhau.
Có hai cách ghép cơ bản: Ghép nối tiếp các tấm môđun lại sẽ cho điện áp ra lớn hơn. Ghép song song các tấm môđun lại sẽ cho dòng điện ra lớn. Trong thực tế phương pháp ghép hỗn hợp được sử dụng nhiều hơn để đáp ứng cả yêu cầu về điện áp và dòng điện. Phương pháp ghép nối các tấm modul mặt trời (a) (b) Hình 2.7 Ghép nối tiếp hai môđun pin mặt trời (a) và đường đặc trưng VA của các môđun và của cả hệ (b) Giả sử các môđun đều giống hệt nhau, có đường đặc tính V - A giống hết nhau, các thông số dòng đoản mạch ISC, thế hở mạch VOC bằng nhau.
Giả sử cường độ chiếu sáng trên các tấm là đồng đều nhau. Khi ghép nối tiếp các tấm môđun này ta sẽ có: 13 I = I1 = I2 = … = Ii (2.5) i 1 i 1 n n I opt I iopt , Vopt Vopti , Popt Popti (2.6) i 1 i 1 Trong đó: I, P, V,… là dòng điện, công suất và hiệu điện thế của cả hệ. Ii, Vi, Pi… là dòng điện, công suất, hiệu điện thế của môđun thứ i trong hệ Iopi, Vopi, Popi… là dòng điện làm việc tối ưu, điện thế làm việc tối ưu, công suất làm việc tối ưu của các môđun thứ i trong hệ Iop, Vop, Pop… là dòng điện làm việc tối ưu, điện thế làm việc tối ưu, công suất làm việc tối ưu của hệ Khi tải có giá trị 0 < R < , Các môđun làm việc như các máy phát tương đương. Đường đặc tính vôn – ampe của hệ bằng tổng hình học của hai đường đặc trưng của mỗi môđun.
Ghép song song các modul mặt trời Ở cách ghép này, ta cũng giả sử các môđun đều giống hệt nhau, có đường đặc tính V - A giống hết nhau, các thông số dòng đoản mạch ISC, thế hở mạch VOC bằng nhau. Giả sử cường độ chiếu sáng trên các tấm là đồng đều nhau.8 Ghép song song hai môđun pin mặt trời (a) và đường đặc trưng VA của các môđun và của cả hệ (b) U = U1 = U2 = … = Ui (2.9) i 1 i 1 n n Vopt Viopt , I opt I opti , Popt Popti (2.10) i 1 i 1 Khi đó ta có: Đường đặc tính VA của hệ cũng được suy ra bằng cách cộng các giá trị dòng điện I ứng với các giá trị điện thế V không đổi.