CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI VÀ CÁC MÔ HÌNH ĐIỆN MẶT TRỜI TẠI VIỆT NAM 1.1 Pin năng lượng mặt trời - Pin mặt trời hay pin quang điện có tên tiếng Anh là Solar panel, nó bao gồm nhiều tế bào quang điện gọi là solar cells). Tế bào quang điện này là các phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt nhiều các cảm biến của ánh sáng là đi ốt quang, nó làm biến đổi năng lượng của ánh sáng thành năng lượng điện. - Tấm pin năng lượng mặt trời là vật liệu đặc biệt có khả năng chuyển đổi quang năng của ánh sáng mặt trời thành điện năng được lắp trong hệ thống điện mặt trời. Nếu như thủy điện thì tạo ra điện từ nước, nhiệt điện thì từ than.còn pin năng lượng mặt trời sẽ tạo ta nguồn điện từ ánh sáng của mặt trời.1 Lợi ích khi sử dụng pin mặt trời - Đẹp và đơn giản, dễ lắp đặt, vận hành tự động.
- Bảo trì thấp và tuổi thọ lâu dài (20-30 năm). - Bảo vệ môi trường. - Giảm thiểu gánh nặng điện năng - Đảm bảo cung cấp điện cho bất cứ nơi đâu từ biển đảo xa xôi đến các vùng núi hẻo lánh. - Mang lại lợi ích tài chính rất lớn cho chính bản thân bạn và gia đình.
- Hiện nay, năng lượng mặt trời được coi là một trong những nguồn năng lượng xanh cần được sự chú trọng phát triển và đầu tư từ rất nhiều quốc gia trên thế giới. - Hơn thế, trong bối cảnh mà nguồn nhiên liệu không thể tái tạo như dầu thô, than đá, khoáng sản,. đang dần dần cạn kiệt thì sử dụng năng lượng mặt trời sẽ giúp ích rất nhiều cho việc hạn chế khai thác và gây ô nhiễm môi trường.2 Nhược điểm của pin mặt trời - Đầu tư trả trước cao. - Khó di chuyển.
- Không dành cho mọi mái nhà. - Sản xuất có tác động tiêu cực đến môi trường.2 Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của pin mặt trời 1.1 Cấu tạo pin mặt trời a) Tế bào quang điện: 3 SVTH: Phan Bá Thành _ Nguyễn Chơn Vũ- GVHD: TS Trương Thị Hoa Đồ án tốt nghiệp Đề tài: Thiết kế hệ thống điện mặt trời áp mái nối lưới - Có chúc năng hấp thụ ánh sáng nặt trời và biến đổi thành điện năng, đây là thành phần chính của tấm pin năng lượng mặt trời, có thể ở hai dạng là đơn hoặc đa tinh thể - Kích thước, màu sắc, số lượng thanh cái và hiệu quả chuyển đổi quang điện là các đặc tính kỹ thuật chính của các tế bào quang điện. Tế bào silicon đa tinh thể với hiệu suất trung bình khoảng 17,6% được sử dụng phổ biến nhất hiện nay. các tế bào được liên kết với nhau bằng một ruy băng.
b) Mặt kính - Có chức năng bảo vệ và đảm bảo độ bền cho tấm pin quang điện, duy trì độ ổn định, có độ dày dao động từ 2 - 4 mm, thường sẽ là 3,2mm. Mặt kính trước là - phần nặng nhất của mô-đun quang điện. c) Tấm nền - Tấm nền chỉ tấm áp ở mặt sau, được làm từ vật liệu nhựa có khả năng cách điện, bảo vệ và che chắn có các tế bào quang điện khỏi thời tiết và độ ẩm, thường có màu trắng dạng cuộn hoặc tấm ván. Tấm nền có nhiều màu sắc và độ dày khác nhau tùy theo nhu cầu sử dụng.
d) Vật liệu đóng gói - Đây là một trong những vật liệu quan trọng nhất có vai trò là chất kết dính giữa các lớp khác nhau của bảng PV. Vật liệu đóng gói thường được làm từ EVA – Ethylene vinyl acetate, một loại polymer dạng cuộn, được cắt thành tấm và được phết vào cả mặt trước và sau của tế bào quang điện. e) Khung - Là bộ phận cuối cùng để lắp ráp hoàn chỉnh được tấm pin năng lượng mặt trời, được cấu tạo từ nhôm và đảm nhiệm chức năng an toàn, định hình cho module năng lượng mặt trời. Ngoài ra, cũng có những loại mô-đun quang điện không có khung hoặc sử dụng các loại nhựa đặc biệt.1 Cấu tạo tấm pin mặt trời 4 SVTH: Phan Bá Thành _ Nguyễn Chơn Vũ- GVHD: TS Trương Thị Hoa Đồ án tốt nghiệp Đề tài: Thiết kế hệ thống điện mặt trời áp mái nối lưới (Nguồn: Công ty TNHH công nghệ số SEASOLAR) g) Hộp đựng mối nối mạch điện - Dùng để chứa các kết nối điện của tấm pin PV không lộ ra bên ngoài, chứa các đi ốt bảo vệ cho các dây cáp để kết nối các tấm năng lượng.2 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời -Tấm pin năng lượng mặt trời chuyển hóa trực tiếp năng lượng ánh sáng mặt trời thành năng lượng điện dựa trên hiệu ứng quang điệṇ (là khả năng phát ra năng lượng điện từ khi có ánh sáng chiếu vào.) - Chất bán dẫn Silicon là chất liệu trung gian giữa vật liệu dẫn điện và vật liệu cách điện.
Đây là một thành phần quan trọng trong cấu tạo của pin năng lượng mặt trời. - Silicon có cấu trúc tinh thể rất phù hợp cho việc tạo ra chất bán dẫn mặc dù có mức dẫn điện hạn chế. Nguyên tử Silicon có 2 số electron cần thiết nên nó sẽ bám chặt với các nguyên tử khác để tìm đủ 4 electron để trung hòa điện tích. Các electron tự do ở điện cực N sẽ di chuyển sang để lấp đầy các lỗ trống bên điện cực P Khi chất bán dẫn silicon tiếp xúc với năng lượng.
Tiếp theo, các hạt electron từ điện cực N và điện cực P sẽ cùng nhau tạo ra điện trường. Những tế bào từ năng lượng mặt trời sẽ chuyển hóa thành một diode, từ đó cho phép electron di chuyển từ điện cực P đến điện cực N, nhưng không cho phép các electron di chuyển ngược lại. - Để kích hoạt tiến trình cần có năng lượng xúc tác với các tế bào silicon. Các electron tự do di chuyển từ điện cực N tới điện cực P tạo ra dòng điện.
- Khi điện trường được tạo ra, ta thu thập và chuyển nó thành dòng điện sử dụng được. Dòng điện từ một chiều (DC) thành dòng điện xoay chiều (AC) bằng bộ biến tần được gắn với các tế bào năng lượng. 5 SVTH: Phan Bá Thành _ Nguyễn Chơn Vũ- GVHD: TS Trương Thị Hoa Đồ án tốt nghiệp Đề tài: Thiết kế hệ thống điện mặt trời áp mái nối lưới Hình 1.2 Nguyên lý hoạt động của tấm pin mặt trời (Nguồn: Công ty CPĐT XD Và TM Long Vũ) - Khi photon chạm vào mảnh silic thì sẽ truyền xuyên qua mảnh silic có thể đến lớp tiếp xúc PN do phiến N-Si rất mỏng. Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các hạt electron trong màng tinh thể.
Thông thường các electron này ở lớp ngoài cùng và thường được kết dính với các nguyên tử lân cận, vì thế không thể di chuyển xa. Khi electron được kích thích trở thành dẫn điện (mang điện tích âm) và có thể tự do di chuyển trong bán dẫn. Khi đó nguyên tử sẽ thiếu 1 electron và đó gọi là lỗ trống (mang điện tích dương). Lỗ trống này tạo điều kiện cho các electron của nguyên tử bên cạnh di chuyển đến và tạo ra lỗ trống cho nguyên tử lân cận.
Cứ tiếp tục như vậy, lỗ trống di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn. Do có điện trường tiếp xúc Etx tại lớp PN nên các điện tử và lỗ trống bị đẩy về 2 phía khác nhau, giữa 2 điện cực trên và dưới có một hiệu điện thế, khi nối 2 điện cực với tải thì ta có dòng quang điện. - Với một tế bào pin mặt trời (cell) silic thì hiệu điện thế chỉ khoảng 0,5 - 0,6V, vì thế để đáp ứng được nhu cầu sử dụng điện năng lớn hơn người ta thường nối nối tiếp và song song nhiều cell lại với nhau thành từng nhóm gọi là mudule mặt trời. Một module mặt trời có một giàn khung để giữ các cell, nếu cần công suất lớn hơn nữa thì có thể ghép các module (nối tiếp/song song) lại thành mảng pin mặt trời (array).
- Với một tế bào pin mặt trời (cell) silic thì hiệu điện thế chỉ khoảng 0,5 - 0,6V, vì thế để đáp ứng được nhu cầu sử dụng điện năng lớn hơn người ta thường nối nối tiếp và song song nhiều cell lại với nhau thành từng nhóm gọi là mudule mặt trời. Một module mặt trời có một giàn khung để giữ các cell, nếu cần công suất lớn hơn nữa thì có thể ghép các module (nối tiếp/song song) lại thành mảng pin mặt trời (array).3 Cấu trúc 3 loại PMT (Nguồn: Công ty CPĐT Năng lượng Vũ Sơn ) 6 SVTH: Phan Bá Thành _ Nguyễn Chơn Vũ- GVHD: TS Trương Thị Hoa Đồ án tốt nghiệp Đề tài: Thiết kế hệ thống điện mặt trời áp mái nối lưới Hiện nay, PMT chế tạo từ tinh thể silic chia làm 3 loại:( Bảng 1) Bảng 1.1 PMT chế tạo từ tinh thể silic Tiêu chí Pin mặt trời Momo Pin mặt trời Poly Pin mặt trời thin-film Chất liệu Lá cắt tinh thể silic Nhiều mảnh tinh thể CdTe đơn, tinh khiết silic nung nóng silicon vô định hình (a-Si), chảy trong khuôn, để nguội, cắt ra CIGS thành tấm wafer Màu sắc Màu đen xen kẽ các Màu hơi xanh lốm Màu đen hoặc xanh khoảng hình thoi đốm màu trắng Màu màu đen đốm xanh Kiểu dáng , Gồm 60 – 144 tế bào Gồm 60 tế bào quang Kích thước các tấm pin kích thước quang điện hình điện hình vuông xếp không đồng đều, thiết vuông vạt góc xếp nối tiếp nhau tạo kế mỏng nối tiếp nhau tạo thành hình chữ nhật thành hình chữ nhật Hiệu suất 20% 15 – 19% 11% Công suất Cao Trung bình Thấp Giá thành Cao Trung bình Thấp Ưu điểm Hiệu suất vận hành Hiệu suất vận hành cao Trọng lượng nhẹ, dễ dàng cao nhất– Độ bền, – Giá thành phải chăng vận chuyển, lắp đặt độ ổn định cao Có độ giãn nở và khả Giá pin và chi phí thi công, năng chịu nhiệt cao. lắp đặt đều rẻ Nhược điểm Giá cao hơn Hiệu suất và công suất thấp Khi lắp đặt cần có điểm tựa 7 SVTH: Phan Bá Thành _ Nguyễn Chơn Vũ- GVHD: TS Trương Thị Hoa Đồ án tốt nghiệp Đề tài: Thiết kế hệ thống điện mặt trời áp mái nối lưới 1.3 Cách ghép nối các tấm pin năng lượng mặt trời - Phương pháp ghép nối các tấm pin năng lượng mặt trời Có ba cách cơ bản nhưng rất khác nhau khi kết nối các tấm pin mặt trời với nhau và mỗi phương pháp kết nối được thiết kế cho một mục đích cụ thể. Các tấm pin mặt trời có thể được mắc nối tiếp; song song hoặc kết hợp song song cộng nối tiếp để tăng điện áp hoặc cường độ dòng điện tương ứng với công suất cao hơn .