Đồ án: Xác định MPPT toàn cục cho hệ thống pin quang điện dùng giải thuật PSO

Đồ án kỹ thuật nghiên cứu tốt nghiệp xác định điểm công suất cực đại toàn cục dùng giải thuật tối ưu bầy đàn cho hệ thống pin, thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu

• Tác giả: Nguyễn Vũ Luân
• Người hướng dẫn: PGS. Trương Việt Anh
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật Điện – Điện tử
• Đề tài: Xác định điểm công suất cực đại toàn cục dùng giải thuật tối ưu bầy đàn cho hệ thống pin quang điện trong điều kiện có bóng che
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• TRANG BÌA
• PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
• PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
• 1.1. Mục tiêu đề tài
• 1.2. Nhiệm vụ đề tài
• 1.3. Phương pháp nghiên cứu
• 1.4. Giá trị thực tiễn của đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
• 2.1. Giới thiệu pin mặt trời
• 2.2. Nguyên lí hoạt động
• 2.3. Đặc tính của tế bào quang điện
• 2.4. Tổng quang hệ thống pin năng lượng mặt trời
• 2.5. Cấu hình kết nối dàn pin mặt trời
• 2.6. Hệ thống MPPT
• 2.7. Bộ chuyển đổi DC-DC (BOOST)
• 2.8. Bộ điều khiển - Arduino Nano
• 3. CHƯƠNG 3: GIẢI THUẬT DÒ TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI
• 3.1. GIẢI THUẬT PSO
• 3.1.1. Tổng quan về giải thuật PSO
• 3.1.2. Giới thiệu giải thuật PSO
• 3.1.3. Các đặc điểm của giải thuật PSO
• 3.1.4. Các thông số của PSO
• 3.1.5. Lưu đồ chung cho giải thuật PSO
• 3.1.6. Các bước thực hiện và ví dụ
• 3.2. Hiện tượng bóng che và đặc tuyến của hệ PV khi có bóng che
• 3.2.1. Hiện tượng bóng che
• 3.2.2. Áp dụng giải thuật PSO vào bài toán dò tìm điểm công suất cực đại
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ MÔ HÌNH THỰC TẾ
• 4.1. Mô phỏng giải thuật PSO dò tìm điểm công suất cực đại trên PSIM
• 4.1.1. Thông số mô phỏng
• 4.1.2. Mạch mô phỏng trên phần mềm PSIM
• 4.1.3. Kết quả mô phỏng trên PSIM
• 4.2. Mô hình thực tế
• 4.2.1. Sơ đồ kết nối linh kiện trên Proteus
• 4.2.2. Chroma và bộ nguồn thay thế hệ thống pin thực tế
• 4.2.3. Kết quả mô phỏng
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN
• 5.1. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. MPPT Toàn Cục Giới Thiệu và Tổng Quan Về Giải Pháp

Pin quang điện (PV) là thiết bị chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng. Tuy nhiên, hiệu suất của chúng bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố môi trường như nhiệt độ và cường độ ánh sáng. Hiện nay, có nhiều phương pháp để nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng của pin quang điện. Đồ án này tập trung nghiên cứu giải thuật dò tìm điểm phát công suất cực đại của hệ thống PV trong điều kiện có bóng che dựa trên giải thuật tối ưu bầy đàn (PSO). Nhóm nghiên cứu đã thực hiện các mô phỏng trên PSIM và trên mô hình vật lý bằng bộ nguồn mô phỏng pin quang điện Chroma 6205H. Kết quả cho thấy việc ứng dụng giải thuật PSO để nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng của hệ thống PV là khả quan. Bộ MPPT có nhiệm vụ tìm ra và duy trì điểm làm việc tại điểm công sức lớn nhất để đạt hiệu quả tối ưu của hệ thống và đảm bảo sự ổn định cho hệ thống khi có thay đổi về cường độ ánh sáng mặt trời. Bài báo cáo này tập trung tìm hiểu tổng quan pin năng lượng mặt trời và giải thuật PSO. Từ đó ứng dụng vào mạch dò tìm MPPT với điều kiện bóng che của hệ thống pin năng lượng mặt trời. Tiến hành mô phỏng và thực nghiệm ghi nhận và đánh giá tính khả thi của giải thuật. Năng lượng tái tạo như là lời giải cho bài toán năng lượng và ô nhiễm môi trường toàn cầu, đặc biệt là năng lượng mặt trời. Năng lượng mặt trời góp phần tiết kiệm năng lượng, giảm lượng khí thải, cũng như giảm tải cho nguồn điện lưới quốc gia một phần năng lượng. Nhưng chi phí cho một hệ thống pin mặt trời hiện nay còn rất cao, vì vậy phải tận dụng tối đa công suất được nhận bởi ánh sáng mặt trời. Điện năng thu được từ hệ thống pin mặt trời phụ thuộc rất nhiều vào cường độ bức xạ và nhiệt độ. Các tham số thay đổi liên tục theo thời gian, vì vậy phát triển các thuật toán MPPT để đạt được công suất đỉnh vô cùng cần thiết.

1.1. Tổng Quan Về Hệ Thống Pin Năng Lượng Mặt Trời

Pin mặt trời (Solar panel) hay pin quang điện là một nguồn điện hoạt động dựa trên nguyên lý hiệu ứng quang điện trong chất bán dẫn. Pin mặt trời bao gồm nhiều tế bào quang điện - phần tử bán dẫn có chứa nhiều cảm biến ánh sáng là diot quang, thực hiện chức năng chuyển đổi năng lượng ánh sáng mặt trời thành điện năng. Hiệu điện thế, cường độ dòng điện hoặc điện trở của pin mặt trời phụ thuộc bởi lượng ánh sáng chiếu vào chúng. Các tế bào quang điện được ghép thành khối để tạo ra một tấm pin mặt trời, thông thường một tấm pin mặt trời có 60 hoặc 72 tế bào quang điện. Cấu tạo 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 ảnh sáng hay nhiệt độ kích thích, các điện tử bị bứt ra khỏi liên kết, hay là các điện tử tích điện âm nhảy tử vùng hoá trị lên vùng dẫn và để lại một lỗ trống tích điện thương trong vùng hoá trị. Lúc này chất bán dẫn mới dẫn điện.

1.2. Mục Tiêu Nghiên Cứu và Ứng Dụng Thực Tiễn

Đề tài dựa trên số liệu kết quả khi nghiên cứu giải thuật PSO ứng dụng vào mạch dò tìm công suất cực đại của hệ thống pin năng lượng mặt trời để có thể đạt được công suất tối đa khi có điều kiện bóng che. Nếu không thực hiện việc dò tìm điểm công suất cực đại thì công suất chuyển đổi điện năng của tấm pin đạt hiệu quả rất thấp. Vì vậy mục tiêu của đề tài là ứng dụng giải thuật PSO để dò tìm điểm công suất cực đại một cách nhanh nhất, hiểu quả nhất đáp ứng nhu cầu cung cấp điện cho tải. Từ đó tận dụng được tối đa và tránh lãng phí nguồn năng lượng chuyển đổi.

II. Thách Thức Bóng Che Ảnh Hưởng và Cách Khắc Phục MPPT

Một vấn đề quan trọng ảnh hưởng rất lớn trong hệ thống pin năng lượng mặt trời đó là bóng che. Vì cần có ánh sáng mặt trời trực tiếp để các tấm pin mặt trời sản xuất điện, nên bóng râm là vấn đề lớn nhất ảnh hưởng đến khả năng sản xuất điện của toàn hệ thống. Hiện tượng bóng che sẽ thay đổi đặc tuyến I-V và P-V nhấp nhô với nhiều điểm cực trị địa phương thay vì một cực trị với điều kiện lí tưởng không bóng che. Vì vậy, việc tìm điểm công suất cực đại (MPP) cho tấm pin năng lượng mặt trời là điều cần thiết cho cả hệ thống. Một kỹ thuật đáng tin cậy với độ chính xác cao ổn định là bắt buộc. Các kỹ thuật thông thường như nhiễu loạn và quan sát (P&O) và độ dẫn tăng dần (INC) không đủ khả năng để theo dõi GMPP theo điều kiện này, dẫn đến hiệu suất của hệ thống PV giảm đáng kể.

2.1. Tổng Quan Về Hiện Tượng Bóng Che Trên Pin Mặt Trời

Bóng che là hiện tượng một hoặc nhiều cell pin trong tấm năng lượng mặt trời bị che phủ. Điều này dẫn đến sự bất ổn định trong hệ thống pin và các đặc tính I-V, P-V cũng trở nên phức tạp hơn. Hiện tượng bóng che có hai loại: bóng che một phần và bóng che hoàn toàn. Hầu hết bóng che một phần xảy ra ở các tế bào quang điện nhất định trên một tấm pin quang điện hoặc một số tấm pin trong hệ thống bị che khuất khỏi ánh sáng mặt trời trực tiếp. Nguyên nhân của bóng che một phần xảy ra do các đám mây, tòa nhà cao tầng, bụi, lá cây, điều kiện vận hành, … Bóng che hoàn toàn cũng tạo ra những vấn đề tương tự cho các hệ thống PV nhưng không được thảo luận nhiều như bóng che một phần vì lượng bức xạ mặt trời chiếu xuống các tấm pin PV là như nhau.

2.2. Đặc Tuyến Pin Quang Điện Khi Bị Bóng Che Ảnh Hưởng

Khi có hiện tượng bóng che đường cong đặc tuyến PV xuất hiện nhiều cực trị và nhiều vùng biến thiên không giống nhau. Số lượng các cực trị và vùng biến thiên phụ thuộc vào vị trí bóng che. Bài toán tìm điểm công suất cực đại lúc này trở thành bài toán tối ưu hàm đa điểm. Vậy nên việc áp dụng thuật toán PSO cho bài toán MPPT bóng che là có cơ sở.

III. Phương Pháp PSO Giải Thuật Tối Ưu Bầy Đàn Cho MPPT Toàn Cục

PSO (Particle swarm optimization) là kết quả của sự mô hình hóa việc đàn chim bay đi tìm kiếm thức ăn cho nên nó thường được xếp vào các loại thuật toán có sử dụng trí tuệ bầy đàn. Được giới thiệu vào năm 1995 tại một hội nghị của IEEE bởi James Kennedy và kỹ sư Russell C. Thuật toán có nhiều ứng dụng quan trọng trong tất cả các lĩnh vực mà ở đó đòi hỏi phải giải quyết các bài toán tối ưu hóa. Bây giờ chúng ta tìm hiểu làm cách nào mà một mô hình trong sinh học như vậy có thể áp dụng trong tính toán và sinh ra thuật toán PSO mà ta từng nhắc đến. Hãy xét bài toán tối ưu của hàm số F trong không gian n chiều. Mỗi vị trí trong không gian là một điểm tọa độ n chiều. Hàm F là Hàm mục tiêu (fitness function) xác định trong không gian n chiều và nhận giá trị thực. Mục đích là tìm ra điểm cực tiểu của hàm F trong miền xác định nào đó. Ta bắt đầu xem xét sự liên hệ giữa bài toán tìm thức ăn với bài toán tìm cực tiểu của hàm theo cách như sau. Giả sử rằng số lượng thức ăn tại một vị trí tỉ lệ nghịch với giá trị của hàm F tại vị trí đó. Có nghĩa là ở một vị trí mà giá trị hàm F càng nhỏ thì số lượng thức ăn càng lớn. Việc tìm vùng chứa thức ăn nhiều nhất tương tự như việc tìm ra vùng chứa điểm cực tiểu của hàm F trên không gian tìm kiếm.

3.1. Các Đặc Điểm và Ưu Điểm Của Giải Thuật PSO

PSO sử dụng sự tương tác, trao đổi thông tin giữa các phần tử trong quần thể để khám phá không gian tìm kiếm, hướng tìm kiếm đa chiều hơn khả năng tìm được nghiệm cao hơn PSO sử dụng các thông tin từ hàm mục tiêu thông qua các phép toán đơn giản, dễ tiếp cận PSO sử dụng các luật chuyển đổi theo xác xuất (dùng số ngẫu nhiên) PSO đòi hỏi các thông số của bài toán tối ưu để tìm được giá trị tối ưu bên trong không gian tìm kiếm.

3.2. Lưu Đồ Thuật Toán PSO và Các Bước Thực Hiện Chi Tiết

• Bước 1: Khởi tạo quần thể Chọn một quần thể với số phần tử N có vị trí {x1, x2,…xn} và vận tốc ban đầu {v1, v2,…vn}. Mỗi cá thể đều tương ứng với hàm mục tiêu y = f(x). Số lượng phần tử sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến thời gian tìm được giá trị tối ưu cho bài toán. Nếu số lượng phần tử nhiều, phạm vi cũng như tỉ lệ tìm được giá trị tối ưu nhanh hơn sẽ tăng nhưng đồng thời cũng làm tăng thời gian trao đổi thông tin giữa các phần tử. Ngược lại, nếu số lượng các phần tử ít phạm vi và tỉ lệ đạt giá trị tối ưu nhanh sẽ giảm những cũng làm giảm thời gian trao đổi thông tin giữa các phần tử. Khởi tạo các tham số của thuật toán, tức là các giá trị w, c1, c2. Các giá trị này có thể được tinh chỉnh sao cho phù hợp nhất với yêu cầu bài toán. • Bước 2: Tìm vị trí tốt nhất của mỗi cá thể và của cả quần thể: Như đã đề cập, trong quá trình khám phá không gian tìm kiếm mỗi cá thể trong quần thể chịu tác động của hai thông tin là vị trí tốt nhất của chính cá thể trong quá khứ (Pbest), và vị trí tốt nhất mà cả bầy đàn đạt được trong quá khứ (Gbest). Hàm mục tiêu có thể được tính toán, đo lường, …. để thu về hai giá trị nói trên

3.3. Công Thức Cập Nhật Vị Trí và Vận Tốc Trong PSO

Vận tốc và vị trí của mỗi cá thể được tính như sau: 𝑿𝒊𝒌+𝟏 = 𝑿𝒊𝒌 + 𝑽𝒊𝒌+𝟏 𝑽𝒌+𝟏𝒊 = w.𝑽𝒊𝒌 + c1.rand1.(𝑷𝒃𝒆𝒔𝒕𝒊 − 𝑿𝒊𝒌 ) + c2.rand2.(𝑮𝒃𝒆𝒔𝒕 − 𝑿𝒊𝒌) Trong đó w: trọng số quán tính, c1, c2: các hệ số gia tốc, rand1, rand2: số ngẫu nhiên giữa 0 và 1 Hai công thức này sẽ mô tả chính xác sự lan truyền, trao đổi thông tin giữa các cá thể trong quần thể.

IV. Mô Phỏng PSIM Đánh Giá Hiệu Quả MPPT PSO Cho PV

Đồ án được trình bày thành 5 chương, cụ thể như sau: Chương 1: Tổng quan các cơ sở lý luận của đồ án. Chương 2: Trình bày tổng quan về pin quang điện, lý thuyết bộ biến đổi DC-DC. Chương 3: Giải thuật dò điểm công suất cực đại PSO trong điều kiện có bóng che. Chương 4: Trình bày kết quả mô phỏng và thực nghiệm. Chương 5: Kết luận và phương hướng phát triển đề tài. Trong mục Utilities của PSIM chọn Solar Module (physical model) tiến hành nhập các thông số module như bảng trên, nhấn Calculate I-V Curve.

4.1. Thiết Lập Thông Số Mô Phỏng và Mạch Điện PSIM

Xét mô hình pin quang điện gồm 4 tấm pin với thông số như sau SunPower-76R- BLK-U. Thông số kỹ thuật của Arduino Nano. Bảng 3.1: Thông số pin mặt trời. Công suất ở STC (W) 76. Công suất ở PTC (W) 64,9 Hai mặt Không Mật độ công suất ở STC (W / m2) 140.741 Mật độ công suất ở PTC (W / m2) 120.185 Vmp: Điện áp ở công suất tối đa (V) 13,5 Imp: Dòng điện ở công suất tối đa (A) 5,65 Voc: Điện áp mạch mở (V) 16,2 Isc: Dòng điện ngắn mạch (A) 6,02 Nhiệt độ tế bào hoạt động danh nghĩa (° C) 55.4 Hệ số nhiệt độ điện áp mạch hở (% / ° C) -0.379 Hệ số nhiệt độ dòng điện ngắn mạch (% / ° C) 0,031 Hệ số nhiệt độ công suất tối đa (% / ° C) -0,451

4.2. Phân Tích Kết Quả Mô Phỏng MPPT PSO Trên PSIM

Khi chưa có hiện tượng bóng che đặt tuyến của hệ được khảo sát bằng phần mềm PSIM có dạng như hình. Khi có hiện tượng bóng che Ir1 = Ir2 = 1000 (W/m2), Ir3 = Ir4 = 700 (W/m2) Đặc tuyến P-V khi có hiện tượng bóng che với Ir1 = Ir2 = 1000 (W/m2), Ir3 = Ir4 = 700 (W/m2) Đặc tuyến I-V khi có hiện tượng bóng che với Ir1 = Ir2 = 1000 (W/m2), Ir3 = Ir4 = 700 (W/m2). Khi Ir1 = 1000 (W/m2), Ir2 = 500 (W/m2), Ir3 = 700 (W/m2), Ir4 = 700 (W/m2). Đặc tuyến P-V khi có hiện tượng bóng che với Ir1 = 1000 (W/m2), Ir2 = 500 (W/m2), Ir3 = 700 (W/m2), Ir4 = 700 (W/m2). Đặc tuyến I-V khi có hiện tượng bóng che với Ir1 = 1000 (W/m2), Ir2 = 500 (W/m2), Ir3 = 700 (W/m2), Ir4 = 700 (W/m2) Nhận xét: Khi có hiện tượng bóng che đường cong đặc tuyến PV xuất hiện nhiều cực trị và nhiều vùng biến thiên không giống nhau. Số lượng các cực trị và vùng biến thiên phụ thuộc vào vị trí bóng che. Bài toán tìm điểm công suất cực đại lúc này trở thành bài toán tối ưu hàm đa điểm. Vậy nên việc áp dụng thuật toán PSO cho bài toán MPPT bóng che là có cơ sở.

V. Thực Nghiệm và Kết Quả Kiểm Chứng MPPT PSO Trên Mô Hình

Tiến hành mô phỏng thí nghiệm trên phần mền và mô hình vật lý , thu thập số liệu so sánh với kết quả mô phỏng cho từng trường hợp. Đánh giá kết quả mô hình thực hiện.Tìm kiếm và tham khảo các tài liệu về các giải thuật điều khiển từ các tạp chỉ khoa học, các bài báo công bố trên thư viện điện tử . Xây dựng mô hình mô phỏng và giải thuật dò điểm công suất cực đại trong điều kiện có bóng che trên phần mềm chuyên dụng PSIM. Đồng thời, kiểm tra lại kết quả mô phỏng bằng mô hình thực nghiệm được lập trình điều khiển trên phần mềm Arduino IDE với board Arduino Nnano để điều khiển thực nghiệm giải thuật để xuất. Thu thập, đo đạt, kiểm tra các mô hình với phần mền mô phỏng Pin mặt trời Chroma để thay thế cho pin mặt trời thực tế.

5.1. Sơ Đồ Kết Nối và Linh Kiện Trong Mô Hình Thực Tế

Mạch boost có cấu tạo khá đơn giản với các phần tử cơ bản là một khoá điện tử, một cuộn cảm để giữ năng lượng, một (hoặc hai) tụ điện và một Diode dẫn dòng. Điện áp đầu ra phụ thuộc vào độ rộng xung và giá trị cuộn cảm L.

5.2. Kết Quả Thực Nghiệm và So Sánh Với Mô Phỏng

Nhận xét: Dòng điện nguồn cấp (cũng chính là dòng điện qua cuộn dây) lớn hơn dòng điện tải đúng bằng tỷ số điện áp nguồn và điện áp tải. Dòng điện nguồn cấp cũng chính là dòng cuộn dây IS = IL, ta có. Trong hệ thống, MPPT control được xem như bộ não tiếp nhận thông tin điện tử và đưa ra lệnh các điều khiển. Chúng thường là các vi mạch điều khiển có nhiều tích hợp. Trong bài báo cáo, MPPT control là mạch arduino nano. Arduino nano được sử dùng thực hiện các nhiệm vụ: đọc số liệu I và V từ pin mặt trời sau đó tính toán điều khiển đưa ra xung PWM điều khiển chu kì công tác của Mạch DC-DC phù hợp.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển MPPT PSO Cho Tương Lai

Bài báo cáo này tập trung tìm hiểu tổng quan pin năng lượng mặt trời và giải thuật PSO. Từ đó ứng dụng vào mạch dò tìm MPPT với điều kiện bóng che của hệ thống pin năng lượng mặt trời. Tiến hành mô phỏng và thực nghiệm ghi nhận và đánh giá tính khả thi của giải thuật.

6.1. Tóm Tắt Kết Quả Nghiên Cứu và Đánh Giá

Đề tài dựa trên số liệu kết quả khi nghiên cứu giải thuật PSO ứng dụng vào mạch dò tìm công suất cực đại của hệ thống pin năng lượng mặt trời để có thể đạt được công suất tối đa khi có điều kiện bóng che. Nếu không thực hiện việc dò tìm điểm công suất cực đại thì công suất chuyển đổi điện năng của tấm pin đạt hiệu quả rất thấp. Vì vậy mục tiêu của đề tài là ứng dụng giải thuật PSO để dò tìm điểm công suất cực đại một cách nhanh nhất, hiểu quả nhất đáp ứng nhu cầu cung cấp điện cho tải. Từ đó tận dụng được tối đa và tránh lãng phí nguồn năng lượng chuyển đổi.

6.2. Hướng Phát Triển Tiếp Theo Của Đề Tài MPPT PSO

Tổng quan tình hình năng lượng ở Việt Nam, nhất là năng lượng mặt trời. Tổng quan về pin năng lượng mặt trời (PV): cấu tạo, nguyên lí hoạt động, đặc tính, cấu hình kết nối trong một hệ thống. Tìm hiểu giải thuật PSO ứng dụng vào mạch MPPT bằng vi xử lý Arduino Nano. Tiến hành mô phỏng thí nghiệm trên phần mền và mô hình vật lý , thu thập số liệu so sánh với kết quả mô phỏng cho từng trường hợp. Đánh giá kết quả mô hình thực hiện.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan các cơ sở lý luận của đồ án. Chương 2: Trình bày tổng quan về pin quang điện, lý thuyết bộ biến đổi DC-DC. Chương 3: Giải thuật dò điểm công suất cực đại PSO trong điều kiện có bóng che. Chương 4: Trình bày kết quả mô phỏng và thực nghiệm.

Chương 5: Kết luận và phương hướng phát triển đề tài. 3 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2. Giới thiệu pin mặt trời Pin mặt trời (Solar panel) hay pin quang điện là một nguồn điện hoạt động dựa trên nguyên lý hiệu ứng quang điện trong chất bán dẫn. Pin mặt trời bao gồm nhiều tế bào quang điện - phần tử bán dẫn có chứa nhiều cảm biến ánh sáng là diot quang, thực hiện chức năng chuyển đổi năng lượng ánh sáng mặt trời thành điện năng.

Hiệu điện thế, cường độ dòng điện hoặc điện trở của pin mặt trời phụ thuộc bởi lượng ánh sáng chiếu vào chúng. Các tế bào quang điện được ghép thành khối để tạo ra một tấm pin mặt trời, thông thường một tấm pin mặt trời có 60 hoặc 72 tế bào quang điện. Cấu tạo 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 ảnh sáng hay nhiệt độ kích thích, các điện tử bị bứt ra khỏi liên kết, hay là các điện tử tích điện âm nhảy tử vùng hoá trị lên vùng dẫn và để lại một lỗ trống tích điện thương trong vùng hoá trị. Lúc này chất bán dẫn mới dẫn điện.1: Cấu tạo pin mặt trời 4 Một Pin mặt trời cơ bản được cấu tạo từ năm lớp: - Front metal contacts: lớp tiếp xúc trên bằng kim loại (điện cực trên) - Antireflection coating: lớp phủ chất không phản xạ - N-type crystal: bán dẫn loại n - P-type crystal: bán dẫn loại p - Rear metal contal: lớp tiếp xúc dưới bằng kim loại (điện cực dưới) 2. Phân loại Hiện nay, vật liệu chủ yếu làm pin năng lượng mặt trời (và cho các thiết bị bán dẫn) là các Silic tinh thể. Pin năng lượng mặt trời làm từ tinh thể Silic chia ra thành 3 loại: pin mặt trời đơn tinh thể, pin mặt trời đa tinh thể, pin mặt trời dạng phim mỏng.

Pin năng lượng mặt trời mono đơn tinh thể (Monocrystalline) Các tế bào quang điện của tấm pin mặt trời Mono được làm bằng silicon đơn tinh thể với độ tinh khiết cao. Các tế bào quang điện của loại pin này được cấu tạo từ các phôi silicon hình trụ để giúp tăng cường được tối đa hiệu suất, nhà sản xuất đã vạt góc mặt của phôi silicon. Bề ngoài của tấm pin mono có màu đen sẫm đồng nhất. Cùng với đó là các tế bào quang điện hình vuông được vạt góc xếp liền nhau tạo ra khoảng trống hình thoi.

Pin mono thường có hiệu suất chuyển đổi và công suất cao nhất trong 3 loại pin. Hầu hết các tấm pin mặt trời mono thường đạt hiệu suất chuyển đổi trên dưới 20%.2: Pin năng lượng mặt trời mono đơn tinh thể (Monocrystalline) 5 2. Pin năng lượng mặt trời poly đa tinh thể(polycrystalline) Các tấm pin mặt trời Poly đều được tạo nên từ silicon đa tinh thể như polysilicon (p- Si) và silicon đa tinh thể (me-Si). Nguyên liệu silicon này bị tan chảy và đổ vào khuôn hình vuông, để nguội và cất thành những tấm wafer vuông hoàn hảo.

Ưu điểm của pin. mặt trời Poly là quá trình sản xuất đơn giản và ít tốn kém nên giá thành thấp hơn so với pin mono. Ngoài ra tấm có mức độ giãn nở và chịu nhiệt cao. Tuy nhiên hiệu suất làm việc của các tấm pin mặt trời poly thường có hiệu suất chuyển đổi từ 15 đến 19% thấp hơn loại pin mono trong cùng một điều kiện.

Bên cạnh đó tuổi thọ của loại pin này không cao bằng pin mono.3: Pin năng lượng mặt trời poly đa tinh thể (polycrystalline) 2. Pin năng lượng mặt trời dạng phim mỏng Pin mặt trời dạng phim mỏng là loại pin được tạo từ những miếng phim rất mỏng từ chất liệu Silic nóng chảy. Loại pin này có cấu trúc đa tinh thể và cho hiệu suất thấp nhất khi so sánh với hai dòng pin Mono và Poly. Chúng thường có hiệu suất chuyển đổi gần hơn 11%.

Bởi bỏ qua thao tác cắt thỏi Silicon nên pin năng lượng mặt trời dạng phim mỏng được xem là có giá cả mềm nhất so với hai loại pin trên.4: Pin năng lượng mặt trời dạng phim mỏng 6 2. Nguyên lí hoạt động Hình 2.5: Nguyên lí hoạt động của pin mặt trời Nguyên lí hoạt động của pin quang điện dựa tvào hiện tượng quang điện trên lớp tiếp xúc p-n. Ánh sáng mặt trời như một dòng chảy của các hạt mang năng lượng được gọi là photon. Khi ánh sáng chiếu đến tế bào quang điện, các hạt photon ánh sáng có thể dễ dàng đi vào trong lớp chuyển tiếp p-n thông qua lớp lớp p.

Năng lượng ánh sáng ở dạng hạt photon có thể cung cấp đủ năng lượng cho các electron tại vùng nghèo tách ra khỏi liên kết với lỗ trống để tạo ra một số cặp electron-lỗ trống. Lúc này vùng nghèo mất trạng thái cân bằng nên lớp ngăn cách bị phá vỡ, các electron vùng n có thể di chuyên xuyên qua lớp chuyển tiếp p-n đến lớp p. Khi kết nối một dây dẫn ở hai đầu lớp p và lớp n qua một phụ tải, sẽ có một dòng electron di chuyển từ lớp n xuyên qua vùng nghèo đến lớp p và qua phụ tải về lại lớp n. Dòng dịch chuyển của electron tạo thành một dòng điện kín có chiều ngược chiều electron (chiều dòng điện từ lớp n về lại lớp p).

Đặc tính của tế bào quang điện 2. Mô hình toán của một tế bào quang điện Để thuận tiện trong việc tính toán, thiết kế, một mạch điện tương đương được đưa ra để thay thế pin mặt trời. Nó bao gồm một nguồn dòng (IPH), một diode, một điện trở nối tiếp (Rs) và một điện trở shunt (Rsh).6: Mô hình toán của tế bào quang điện Sử dụng định luật Kirchhoff cho nguồn dòng (IPH), dòng điện qua diode (ID), dòng điện qua điện trở shunt (Ish), dòng điện đến qua tải (I) được biểu diễn sau: IPH − ID − ISH − I = 0 (2.2) R SH Trong đó: IPH: dòng quang điện (A) IS: dòng bão hòa (A) q: điện tích của electron, q = 1,6 × 10−19 C k: hằng số Boltzmann’s, k = 1,38 × 10−23 J/K TC: nhiệt độ vận hành của pin (K) A: hệ số lý tưởng phụ thuộc vào công nghệ chế tạo pin, ví dụ công nghệ Si-mono A=1.2, Si-Poly A = 1 3… 8 Dòng quang điện IPH phụ thuộc trực tiếp vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ của pin: IPH = [Isc + K1 (Tc − TRef )]  (2.3) Trong đó: ISC: dòng ngắn mạch tại nhiệt độ tiêu chuẩn 25C (A) và bức xạ 1kW/m2 K1: hệ số dòng điện phụ thuộc vào nhiệt độ (A/C) Tc: Nhiệt độ vận hành của pin mặt trời (K) TRef: Nhiệt độ tiêu chuẩn của pin mặt trời (K) λ: Bức xạ mặt trời (kW/m2) Dòng bão hòa IS là dòng các hạt tải điện không cơ bản đƣợc tạo ra do kích thích nhiệt. Khi nhiệt độ của pin mặt trời tăng dòng bão hòa cũng tăng theo hàm mũ TC 3 [qE G ( 1 − 1 )] (2.4) IS = IRS ( ) e kA Tref TC Tref IRS: Dòng điện ngƣợc bão hòa tại nhiệt độ tiêu chuẩn (A) EG: Năng lượng lỗ trống của chất bán dẫn Đối với pin mặt trời lý tưởng, điện trở dòng rò Rsh = ∞, Rs = 0 Khi đó mạch điện tương đương của pin quang điện trở thành: Hình 2.7: Sơ đồ mạch điện lý tưởng của pin quang điện Khi đấy dòng điện qua tải I được đơn giản hóa như sau: q (V+ IR ) (2.5) I = IPH − IS (ekTCA − 1) 9 Thông thường, công suất của tế bào quang điện khoảng 2W và điện áp khoảng 0.

Vì thế, phải ghép nối các tế bào quang điện với nhau theo dạng nối tiếp-song song để sinh ra lượng công suất và điện áp đủ lớn đáp ứng được từng nhu cầu sử dụng. Mạch điện tương đương của module pin quang điện gồm Ns tế bào được mắc nối tiếp và Np song song song. Xem xét module quang điện với Ns tế bào được mắc nối tiếp và Np song song: Hình 2.8: Sơ đồ mạch tương đương của pin mặt trời mắc nối tiếp, song song Phương trình đặc trưng của module pin: qV (2.6) I = IP IPH − NP IS [exp ( − 1)] NS kTC A 2. Đặc tuyến của pin quang điện Đặc tính làm việc của pin mặt trời thể hiện qua hai thông số là điện áp hở mạch lớn nhất (VOC) và dòng điện ngắn mạch (ISC) VOC là hiệu điện thế được đo khi mạch ngoài của pin mặt trời hở, lúc đó I = 0.9: Mô hình PV lý tưởng khi hở mạch Dòng ngắn mạch ISC là dòng điện trong mạch của pin mặt trời khi làm ngắn mạch ngoài (chập các cực ra của pin) Lúc đó hiệu điện thế mạch ngoài của pin bằng V = 0.10: Mô hình PV lý tưởng khi ngắn mạch Công suất của pin được tính theo công thức: P =UI.

Tại điểm làm việc U = VOC; I = 0 và U = 0; I = ISC, Công suất làm việc của pin có giá trị bằng 0. Tại bức xạ mặt trời nhất định, tế bào quang điện cho ra giá trị các đại lượng điện áp V (V), dòng điện I (A) và công suất P (W) tương ứng. Các giá trị của V, I và P giúp xác định các đặc tuyển của một tế bào quang điện đó là mối tương quan giữa I-V (điện áp- dòng điện) và P-V (công suất-điện áp). Ở đây, Isc là dòng điện ngắn mạch, VOC là điện áp hở mạch, MPP là điểm có công suất cực đại, IMP vàVMP là dòng điện và điện áp tương ứng tại MPP.11: Đặc tuyến I-V ở điều kiện tiêu chuẩn Hiệu suất của tế bào quang điện phụ thuộc vào các yếu tố như vật liệu sản xuất, nhiệt độ môi trường, cường độ bức xạ mặt trời, góc nghiêng đối với mặt trời và sự khác nhau của bức xạ giữa các tế bào.

Các yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến tế bào quang điện là: độ bức xạ và nhiệt độ, nơi mà bức xạ càng lớn thì giá trị đầu ra càng lớn (I và V), nhưng mặt khác, nhiệt độ của tế bào quang điện càng cao, điện áp đầu ra càng thấp. Thời 11 tiết mùa đông và độ cao cũng có thể dẫn đến bức xạ thấp và như bất kỳ thiết bị điện tử nào khác, pin quang hoạt động tốt hơn khi được làm mát.