Chương 1 : Tổng quan về hệ thống điện mặt trời 1. Tổng quan về hệ thống điện mặt trời: 1. Hệ thống điện mặt trời là gì? Hệ thống điện mặt trời là hệ thống có tác dụng biến đổi ánh sáng mặt trời trực tiếp thành điện năng thông qua các tấm pin mặt trời. Năng lượng mặt trời cung cấp một nguồn năng lượng vô hạn, không sinh ra khí thải CO2 và đặc biệt là không mất chi phí khi sử dụng, bởi vậy đây là nguồn năng lượng tái tạo vô cùng sạch, đáng tin cậy và mang nhiều giá trị cho con người.
Cấu trúc của hệ thống điện mặt trời: Các thành phần cơ bản tạo nên hệ thống điện mặt trời bao gồm: Các tấm pin mặt trời, biến tần chuyển đổi điện, hệ thống ắc quy lưu trữ. Mỗi bộ phận đều đóng vai trò quan trọng khác nhau tạo nên một hệ thống điện mặt trời hiệu quả nhất: Hệ thống pin năng lượng mặt trời: Thành phần chính trong pin mặt trời là silic tinh khiết. Trên bề mặt một số lượng lớn các cảm biến ánh sáng có nhiệm vụ thu nhận và chuyển hoá năng lượng mặt trời thành điện năng, sau đó cung cấp nguồn điện cho cả hệ thống hoạt động. Bộ biến tần (Inverter): Có nhiệm vụ chuyển đổi nguồn điện một chiều DC của pin mặt trời sang điện xoay chiều AC để sử dụng.
Hệ thống ắc quy lưu trữ: Vì điện mặt trời không được sản xuất liên tục do thời gian chiếu sáng cố định, bởi vậy các bình ắc quy khi này được sử dụng để lưu trữ nguồn điện. Khi điện lưới bị mất hoặc hệ thống điện mặt trời không sản xuất ra điện thì các bình ắc quy lưu trữ này sẽ cung cấp cho các tải tiêu thụ từ hệ thống điện lưới. Nguyên lý hoạt động của hệ thống điện mặt trời: Hệ thống điện năng lượng mặt trời dựa trên hiệu ứng quang điện trong vật lý học. Hệ thống những tấm pin năng lượng mặt trời được lắp lên mái nhà hoặc những vị trí có nhiều ánh sáng mặt trời nhiều nhất.
Những tấm pin sẽ có tác dụng hấp thu các photon trong ánh sáng mặt trời và sản sinh thành dòng điện một chiều. Dòng điện một chiều này thông qua bộ chuyển đổi inverter sẽ chuyển dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều. Dòng điện xoay chiều này có cùng công suất và cùng tần số với điện hòa lưới. Tiếp đến, hệ thống này sử dụng sạc năng lượng mặt trời để sạc đầy các ắc quy lưu trữ, rồi hòa vào mạng lưới điện của nhà nước.
Từ đó, cả hai nguồn điện này sẽ cùng lúc cung cấp điện cho các tải tiêu thụ. Tuy nhiên hệ thống sẽ tự động ưu tiên sử dụng nguồn 3 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Thành Đạt_Đặng Văn Nghiêm Hướng dẫn: TS.Giáp Quang Huy Nghiên cứu khảo sát và mô phỏng hoạt động Inverter PVH-L2550E điện mặt trời chỉ khi hệ thống điện mặt trời không sản sinh và cung cấp đủ nguồn điện sử dụng thì sẽ chuyển sang sử dụng nguồn điện lưới. Khảo sát về hệ thống điện mặt trời: Tất cả các loại hệ thống điện mặt trời đều hoạt động trên nguyên tắc giống nhau. Tuỳ vào nhu cầu, nơi lắp đặt mà có thể chọn được loại hệ thống phù hợp.
Có ba loại hệ thống năng lượng mặt trời là nối lưới (On-grid), không nối lưới (Off-Grid) và lai (Hybrid). Hệ thống điện mặt trời nối lưới: Hệ thống mặt trời nối lưới được kết nối với lưới điện của công ty điện lực. Hệ thống này lý tưởng cho việc cân bằng sản xuất điện, năng lượng mặt trời biến động dựa trên điều kiện thời tiết, thời gian trong này và theo mùa. Nếu năng lượng mặt trời thấp, có thể sử dụng lưới điện để cung cấp năng lượng cho người sử dụng mà không cần lo lắng đủ năng lương khi mà sản lượng năng lượng thấp.
Nếu năng lượng mặt trời tạo ra dư thừa, có thể chuyển năng lượng này trở lại lưới điện và được trả tiền trong biểu giá từ công ty điện lực. Hệ thống điện mặt trời không nối lưới: Hệ thống không nối lưới không được kết nối với lưới điện và do đó yêu cầu bộ lưu trữ pin để cân bằng nhu cầu năng lượng. Hệ thống không nối lưới hoàn toàn dựa vào năng lượng mặt trời. Pin là cần thiết với những hệ thống như vậy, một ngôi nhà hoặc doanh nghiệp không có hệ thống lưu trữ pin sẽ không thể sử dụng điện vào ban đêm.
Hệ thống pin lưu trữ dữ lượng điện dư thừa sẽ sản xuất vào ban ngày, sau đó có thể sử dụng vào ban đêm để giữ sáng cho đèn. Các hệ thống này hoàn toàn độc lập về năng lượng, nên rất hạn chế khả năng cung cấp năng lượng cho một nhu cầu lớn. Hệ thống điện mặt trời lai: Hệ thống năng lượng mặt trời lai là sự kết hợp giữa nối lưới và không nối lưới. Các hệ thống này được kết nối với lưới điện và được trang bị hệ thống lưu trữ pin riêng.
Các hệ thống hybrid là tuỳ chọn linh hoạt nhất hiện có, cung cấp khả năng lấy năng lượng vượt quá khả năng sản xuất năng lượng. Đây là hệ thống duy nhất có thể khả năng trộn 3 nguồn từ lưới điện, pin mặt trời và hệ thống lưu trữ. Chọn lựa hệ thống phù hợp với quy mô: Tuỳ vào nhu cầu, diện tích lắp đặt mà có các giải pháp về hệ thống năng lượng mặt trời khác nhau. Đối với hộ gia đình ở các khu vực khó khăn về lưới điện hoặc chưa có lưới điện quốc gia thì hệ thống điện mặt trời không nối lưới sẽ rất phù hợp, những hộ gia đình ở nông thôn có diện tích lắp đặt lớn cũng có thể sử dụng hệ thống này.
Còn đối với những hộ gia đình ở trong hoặc gần thành phố có diện tích lắp đặt tấm pin năng lượng bị giới hạn 4 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Thành Đạt_Đặng Văn Nghiêm Hướng dẫn: TS.Giáp Quang Huy Nghiên cứu khảo sát và mô phỏng hoạt động Inverter PVH-L2550E không gian trên mái nhà. Lựa chọn tốt nhất là một hệ thống nối lưới, việc kết nối với lưới điện là điều quan trọng khi hệ thống năng lượng mặt trời không tạo ra đủ năng lượng. Đối với thương mại và công nghiệp, hệ thống nối lưới và hệ thống lai là được chọn lựa nhiều nhất. Trong công nghiệp và thương mại việc mất điện sẽ ảnh hưởng rất nhiều đến doanh thu và lợi nhuận của công ty nên việc sử dụng 2 nguồn độc lập hoặc các nguồn trộn vào nhau sẽ có lợi rất nhiều trong những lúc điện mặt trời không sản xuất kịp.
Ngoài ra ở hai hệ thống này nếu điện được sản xuất vượt quá nhu cầu sử dụng thì sẽ trả ngược lại vào lưới điện để có thể kiếm thêm lợi nhuận từ các nguồn điện dư thừa đó. Tổng quan về pin quang điện (PV): 1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của PV: Pin quang điện sử dụng chất bán dẫn để biến đổi quang năng thành điện năng. Kỹ thuật tạo PV rất giống với kỹ thuật tạo ra các linh kiện bán dẫn như transistor, diode… Nguyên liệu dùng làm pin PV cũng giống như các linh kiện bán dẫn khác thông thường là tinh thể silicon thuộc nhóm IV.1: Cấu tạo các lớp PV 1.
Tấm PV: Một trở ngại của pin PV là điện áp và dòng điện làm việc rất nhỏ. Một pin PV có điện áp làm việc khoảng 0. Do đó muốn có điện áp làm việc cao đòi hỏi phải mắc nối tiếp các pin PV lại, muốn có dòng điện làm việc lớn phải mắc song song. 5 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Thành Đạt_Đặng Văn Nghiêm Hướng dẫn: TS.Giáp Quang Huy Nghiên cứu khảo sát và mô phỏng hoạt động Inverter PVH-L2550E Hình 1.2: Hình dạng Cell, Module và Array của PV 1.
Hệ thống dãy PV: - Kết nối nhiều môđun PV sẽ được Array PV. Muốn tăng áp ngõ ra cần nối nối tiếp nhiều môđun PV.3: Array PV mắc nối tiếp Hình 1.4: Đường đặc tính I-V của Array PV nối tiếp 6 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Thành Đạt_Đặng Văn Nghiêm Hướng dẫn: TS.Giáp Quang Huy Nghiên cứu khảo sát và mô phỏng hoạt động Inverter PVH-L2550E - Nối song song nhiều môđun PV để tăng dòng điện Hình 1.5: Array PV nối song song và Đường đặc tính I-V của Array PV song song Kết nối hỗn hợp để tăng cả áp và dòng như ở hình Hình 1.6: Array PV nối kết hợp song song và nối tiếp Hình 1.7: Đường đặc tính I-V của Array PV nối tiếp kết hợp song song 1. Các yếu tố ảnh hưởng đến PV: Đặc tính của PV bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như cường độ chiếu sáng, nhiệt độ môi trường, hiện tượng bóng râm, v. Cường độ chiếu sáng càng lớn, thì công 7 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Thành Đạt_Đặng Văn Nghiêm Hướng dẫn: TS.Giáp Quang Huy Nghiên cứu khảo sát và mô phỏng hoạt động Inverter PVH-L2550E suất thu được của PV càng cao, dòng Isc tăng lên.
Nhưng ngược lại nhiệt độ cao thì V0 bị suy giảm. Điểm làm việc công suất cực đại (MPP) và điều khiển MPPT: 1. Điểm làm việc công suất cực đại (MPP): Điểm công suất cực đại MPP (Maximun Power Point ), tức là điểm làm việc hiệu quả nhất của PV theo các mức độ bức xạ hấp thu được. Do sự thay đổi theo nhu cầu của từng loại tải cũng như biến động áng sáng của môi trường nên trong quá trình làm việc của PV không phải lúc nào cũng ở điểm MPP.
Xét một đường cong đặc trưng của PV ở điều kiện chuẩn, nếu cung cấp cho một tải tiêu thụ là điện trở thuần R, thì đường cong đặt trưng của tải là một đường thẳng qua góc tọa độ và có độ dốc với trục 0V với tgα =I/R; và điểm giao nhau giữa đường cong PV và R là điểm làm việc. Và điểm làm việc này suy ra được công suất của PV cung cấp cho tải, nhưng không có nghĩa là toàn bộ công suất của PV được cung cấp cho tải. Như vậy vấn đề đặt ra là sử dụng như thế nào là hiệu quả nhất. Do đó, ở mỗi điểm làm việc khác nhau ta sẽ có một công suất khác nhau, vấn đề là phải xác định vị trí làm việc mà tại đó công suất thu được là lớn nhất.8: Những điểm công suất cực đại theo độ chiếu sáng 1.
Bộ điều khiển MPPT: Để thu được công suất cực đại cần xác định điểm MPP, và để đạt được điều này người ta dùng bộ dò tìm MPPT để tính toán điểm làm việc cực đại, sau đó điều khiển bộ DC/DC để đạt được điểm làm việc này.