chương 1 cũng giới thiệu qua các mô hình DC house đang được áp dụng trên thế giới và đưa ra bảng thông số kỹ thuật yêu cầu về mạch công suất mà ta đang xây dựng. Khái niệm DC house DC house là ngôi nhà có các thiết bị được cung cấp bởi nguồn điện một chiều. Động lực chính của dự án DC house là cung cấp điện cho người dân ở khu vực nông thôn, đặc biệt là ở những vùng hẻo lánh và hòn đảo biệt lập sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo và máy phát điện do con người tạo ra. Mô hình DC house tổng quát [1] 1.
Khái niệm DC house sử dụng PV Điện mặt trời (tiếng Anh: Photovoltaic - PV), cũng được gọi là quang điện hay quang năng là lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật biến đổi ánh sáng mặt trời trực tiếp thành điện năng nhờ pin mặt trời. DC house sử dụng điện mặt trời (PV) là ngôi nhà sử dụng các tấm pin mặt trời có vai trò như máy phát điện ngoài ra còn có các thiết bị lưu trữ năng lượng, thiết bị điều phối năng lượng, các tải tiêu thụ… 9 Hình 1. Mô hình DC house sử dụng pin năng lƣợng mặt trời [2] 1. Nguyên lý hoạt động và cấu tạo pin năng lƣợng mặt trời 1.
Định nghĩa Pin năng lượng mặt trời hay pin mặt trời hay pin quang điện (Solar panel) bao gồm nhiều tế bào quang điện (solar cells) - là phần tử bán dẫn 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. Sự chuyển đổi này thực hiện theo hiệu ứng quang điện. Hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên vào năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel. Tuy nhiên cho đến năm 1883 một pin năng lượng mới được tạo thành, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối.
Thiết bị chỉ có hiệu suất 1%, Russell Ohl xem là người tạo ra pin năng lượng mặt trời đầu tiên năm 1946. Sau đó Sven Ason Berglund đã có các phương pháp liên quan tới việc tăng khả năng cảm nhận ánh sáng của pin. Xét một hệ 2 mức năng lượng E1< E2: 10 Khi nhận bức xạ mặt trời, lượng tử ánh sáng photon có năng lượng hv ( trong đó h là hằng số Planck, v là tần số ánh sáng) bị điện tử hấp thụ và chuyển lên mức năng lượng E2. Hệ 2 mức năng lƣợng Ta có phương trình cân bằng năng lượng: Hv = E2 – E1 (1.1) Trong các vật thể rắn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vòng ngoài, nên các mức năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng sát nhau và tạo thành các vùng năng lượng (hình 1.
Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi ở trạng thái cân bằng gọi là vùng hóa trị, mà mặt trên của nó là mức năng lượng Ev. Vùng năng lượng phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn, mặt dưới của vùng có năng lượng là Ec. Cách ly giữa 2 vùng hóa trị và vùng dẫn là một vùng cấp có độ rộng với năng lượng là Eg, trong đó không có mức năng lượng cho phép nào của điện tử. Các vùng năng lƣợng Khi nhận bức xạ mặt trời, photon có năng lượng hv tới hệ thống và bị điện tử ở vùng có hóa trị thấp hấp thu và trở thành điện tử tự do e-, để lại ở vùng hóa trị một lỗ trống có thể xem như hạt mang điện dương, kí kiệu là h+.
Lỗ trống này có thể di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện. 11 Hiệu ứng lượng tử của quá trình hấp thụ photon có thể mô tả bằng phương trình: Ev +hv e- + h+ (1.2) Điều kiện để điện tử có thể hấp thu năng lượng của photon và chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử - lổ trống là hv = hc/>= Ec – Ev. Từ đó có thể tính được bước sóng tới hạn c của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e- và h+: hc h 1,24 c c m Ec Ev Eg Eg (1.3) Trong thực tế các hạt dẫn bị kích thích e- và h+ đều tự phát tham gia vào quá trình phục hồi, chuyển động đến mặt của các vùng năng lượng: điện tử e- giải phóng năng lượng để chuyển đến mặt của vùng dẫn Ec, còn lỗ trống h+ chuyển đến mặt của Ev, quá trình phục hồi chỉ xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn 10-12 - 10- 1giây và gây ra dao động mạnh (photon). Năng lượng bị tổn hao do quá trình phục hồi sẽ là Eph = hv – Eg.
Tóm lại khi vật rắn nhận tia bức xạ mặt trời, điện tử ở vùng hóa trị hấp thụ năng lượng photon hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra các hạt dẫn điện tử - lỗ trống e- - h+, tức là đã tạo ra một điện thế. Hiện tượng đó gọi là hiệu ứng quang điện bên trong. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 12 1. Cấu tạo pin năng lƣợng mặt trời Hình 1.
Pin mặt trời Hiện nay, nguyên liệu chủ yếu cho pin mặt trời là các silic tinh thể. Pin mặt trời từ các tinh thể silic chia thành 3 loại. Trong đó, loại thứ nhất được gọi là đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Crochralski. Đơn tinh thể loại này có hiệu suất lên tới 16%.
Chúng thường rất đắt tiền do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có mặt trống ở góc nối các module. Loại thứ hai được gọi là đa tinh thể làm từ các thỏi đúc – đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm nguội và làm rắn. Các pin này thường rẻ hơn các pin đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn. Nhưng chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn loại đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó.
Loại thứ ba là dãy silic tạo từ các tấm phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể. Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên nó rẻ nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon. Một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ năng lượng mặt trời nhờ hiệu ứng quang điện bên trong gọi là pin mặt trời. Pin mặt trời được sản xuất và ứng dụng phổ biến hiện nay là các pin mặt trời được chế tao từ vật liệu tinh thể bán dẫn Silicon (Si) có hóa trị 4.
Tinh thể Si tinh khiết, để có vật liệu tinh thể bán dẫn Si loại n, người ta pha tạp chất donor là photpho có hóa trị 5. Còn vật liệu tinh thể bán dẫn loại p thì tạp chất acceptor được dùng để pha vào Si là Bo có hóa trị 3. Đối với Pin mặt trời từi tinh thể Si, khi bức xạ mặt trời chiếu đến thì hiệu điện thế hở mạch giữa 2 cực khoảng 0.55V và dòng ngắn mạch của nó khi bức xạ mặt trời có cường độ 1000W/m2 vào khoảng 25-30mA/cm2. Hiện nay người ta đã chế tạo Pin mặt trời bằng Si vô định hình (a-Si).
So với Pin mặt trời tinh thể Si thì Pin mặt trời a-Si giá thành rẻ hơn nhưng hiệu suất thấp hơn và kém ổn định. Quá trình tạo Module Công nghệ chế tạo Pin mặt trời gồm nhiều công đoạn khác nhau, ví dụ để chế tạo Pin mặt trời từ Si đa tinh thể cần qua các công đoạn như hình 1.7 cuối cùng ta được module. Cấu tạo Module Các công nghệ biến ánh sáng mặt trời thành điện hiện tại vẫn kém hiệu quả. Các tấm pin mặt trời chưa thể hấp thụ toàn bộ năng lượng của ánh sáng mặt trời.
Nói chung, những tế bào năng lượng mặt trời tốt nhất hiện tại chỉ có thể chuyển 25% năng lượng mà nó nhận được thành điện. Tại sao vậy? Thực tế là ánh sáng mặt trời, như tất cả các loại ánh sáng khác, bao gồm một quang phổ với các bước sóng 14 khác nhau, mỗi bước sóng có một cường độ khác nhau. Có những bước sóng quá yếu không thể giải phóng các electron còn một số bước sóng lại quá mạnh với silicon. Hơn nữa, các tấm pin mặt trời cần được đặt ở những vị trí cực kỳ đặc biệt.
Góc của các tấm pin mặt trời cần được tính toán để có thể nhận được tối đa lượng ánh sáng mặt trời và đương nhiên những tấm pin mặt trời chỉ thực sự hữu ích nếu được đặt ở nơi có nhiều ánh sáng mặt trời. Đặt tấm pin mặt trời ở những nơi có thời tiết ít nắng sẽ biến chúng thành những tác phẩm nghệ thuật lố bịch và tốn kém. Các nhà khoa học vẫn đang tiếp tục nghiên cứu nhằm phát triển những tấm pin mặt trời hiệu quả hơn. Các tế bào năng lượng mặt trời dạng màng mỏng, được sản xuất từ cadmium, mỏng hơn nhiều so với tế bào silicon và có khả năng hấp thụ năng lượng mặt trời tốt hơn.
Nhưng hiện tại, khả năng biến năng lượng thu thập được thành điện năng của tế bào năng lượng mặt trời cadmium vẫn còn khá kém. Tuy nhiên, các nhà khoa học muốn nghiên cứu thêm về loại tế bào năng lượng mặt trời này bởi chúng có mức giá rẻ và kích thước thuận tiện. Đặc điểm của hệ thống pin năng lƣợng Trước hết, ta tìm hiểu qua khái niệm về phương pháp điều khiển MPPT. MPPT (Maximum Power Point Tracker) là phương pháp dò tìm điểm làm việc có công suất tối ưu của hệ thống nguồn điện pin mặt trời qua việc điều khiển chu kỳ đóng mở khoá điện tử dùng trong bộ DC/DC.
Phương pháp MPPT được sử dụng rất phổ biến trong hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập và đang dần được áp dụng trong hệ quang điện làm việc với lưới. MPPT bản chất là thiết bị điện tử công suất ghép nối nguồn điện PV với tải để khuyếch đại nguồn công suất ra khỏi nguồn pin mặt trời khi điều kiện làm việc thay đổi và từ đó có thể nâng cao được hiệu suất làm việc của hệ. MPPT được ghép nối với bộ biến đổi DC/DC và một bộ điều khiển. Bộ điều khiển MPPT trong hệ thống pin mặt trời Điện áp ra của PV module ảnh hưởng rất nhiều bởi điều kiện môi trường.
Sau đây là một trường hợp minh họa cho việc năng lượng cung cấp từ tấm pin mặt trời phụ thuộc vào nhiệt độ và môi trường. Đặc tính của pin mặt trời phụ thuộc vào điều kiện môi trƣờng Từ hình 1.10 ta thấy đường đặc tính V-I của PV module thay đổi theo nhiệt độ.