Chương 1. Tổng quan SVTH: Đỗ Thị Huyền Trang 7 Chương 2. Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của HT điện mặt trời hòa lưới CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU VỀ CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI HÒA LƯỚI 2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống điện mặt trời hòa lưới Cấu tạo cơ bản của hệ thống điện mặt trời hòa lưới gồm các thành phần cơ bản sau: - Tấm pin năng lượng mặt trời - Biến tần hòa lưới (inverter) - Công tơ 2 chiều Hình 2.
Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điện mặt trời hòa lưới Điện thu được từ tấm pin mặt trời (Solar Panel) là điện 1 chiều, qua biến tần hòa lưới (Connected Inverter) có chức năng chuyển đổi từ điện DC sang AC cùng pha, cùng tần số với điện lưới, sau đó hệ thống sẽ hòa chung với điện lưới SVTH: Đỗ Thị Huyền Trang 8 Chương 2. Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của HT điện mặt trời hòa lưới − Khi điện năng sinh ra từ hệ thống điện mặt trời đáp ứng nhu cầu điện năng của tải thì tải tiêu thụ điện năng hoàn toàn từ pin mặt trời. − Khi điện năng sinh ra từ hệ thống điện mặt trời nhỏ hơn so với nhu cầu điện năng của tải thì tải sẽ lấy thêm điện năng của lưới để bù vào. − Khi điện năng sinh ra từ hệ thống điện mặt trời lớn hơn với nhu cầu điện năng của tải lưới thì lượng điện năng thừa sẽ được phát lên lưới.
Tấm pin mặt trời (Solar Panel) 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 diode quang, nó làm biến đổi năng lượng của ánh sáng thành năng lượng điện. Các chỉ số cường độ dòng điện, hiệu điện thế hay điện trở của tấm pin thay đổi phụ thuộc vào lượng ánh sáng chiếu lên chúng. Các tế bào quang điện này được ghép lại thành một khối để trở thành pin mặt trời (thông thường sẽ từ 60 hoặc 72 tế bào quang điện trên một tấm pin).
Thành phần của pin năng lượng mặt trời SVTH: Đỗ Thị Huyền Trang 9 Chương 2. Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của HT điện mặt trời hòa lưới Pin mặt trời Solar panel được chia làm ba loại: - Đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski. Đơn tinh thể loại này có hiệu suất lên tới 16%. Chúng thường có giá thành cao do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module.
Tấm pin đơn tinh thể - Đa tinh thể: làm từ các thỏi đúc, đúc từ silic nung chảy cẩn thận sau đó được làm nguội và làm rắn. Các loại pin này có giá rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn. Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó. Tấm pin đa tinh thể - 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 và có giá rẻ nhất trong các loại vì SVTH: Đỗ Thị Huyền Trang 10 Chương 2.
Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của HT điện mặt trời hòa lưới không cần phải cắt từ thỏi silicon. Các công nghệ trên là sản suất tấm, nói cách khác, các loại trên có độ dày 300 μm tạo thành và xếp lại để tạo nên module. Tấm pin màng mỏng 2. Mô hình toán học pin quang điện Mô hình toán học của pin quang điện được xây dựng trên cơ sở sơ đồ thay thế đơn giản của pin quang điện và được biểu diễn như sau: Hình 2.
Sơ đồ thay thế đơn giản của pin quang điện Trong pin quang điện, hai tham số quan trọng của nó là dòng điện ngắn mạch 𝐼𝑆𝐶 và điện áp hở mạch 𝑉𝑂𝐶. SVTH: Đỗ Thị Huyền Trang 11 Chương 2. Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của HT điện mặt trời hòa lưới Hình 2. Các tham số quan trọng của pin quang điện Pin quang điện được mô tả toán học như sau: 𝑞𝑉 𝐼 = 𝐼𝑆𝐶 − 𝐼0 (𝑒 𝑘𝑇 − 1) (2.2) 𝑞 𝐼0 Trong đó: I: Cường độ dòng điện của pin quang điện (A); V: Điện áp của pin quang điện (V); 𝐼𝑠𝑐 : Cường độ dòng điện ngắn mạch của pin quang điện (A); 𝑉𝑜𝑐 : Điện áp hở mạch của pin quang điện (V); 𝐼0 : Dòng điện ngược của diode, có giá trị rất nhỏ (khoảng 10−12 A/𝑐𝑚2 ); q: Điện tích electron, q = 1,602.
Module pin quang điện Một khuyết điểm của pin quang điện là điện áp và dòng điện làm việc của nó rất nhỏ. Một pin quang điện có điện áp làm việc khoảng 0,5 V. Do đó: + Để có điện áp làm việc lớn hơn, yêu cầu phải mắc nối tiếp các pin quang điện; + Để có dòng điện làm việc lớn hơn, yêu cầu phải mắc song song các pin quang điện. SVTH: Đỗ Thị Huyền Trang 12 Chương 2.
Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của HT điện mặt trời hòa lưới Hình 2. Module pin quang điện Khi ấy, điện áp của module pin quang điện có thể được xác định như sau: 𝑉𝑚𝑜𝑑𝑢𝑙𝑒 = 𝑛(𝑉𝑛 − 𝐼𝑅𝑆 ) (2.3) Trong đó: 𝑉𝑚𝑜𝑑𝑢𝑙𝑒 : Điện áp của module pin quang điện (V); n: Số pin quang điện của module pin quang điện; 𝑉𝑑 : Điện áp của diode (V); 𝑅𝑠 : Giá trị điện trở nối tiếp (Ω). Các đường đặc tính của một module pin quang điện được mô tả như sau: Hình 2. Đặc tính của module pin quang điện SVTH: Đỗ Thị Huyền Trang 13 Chương 2.
Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của HT điện mặt trời hòa lưới 2. Mảng pin quang điện Mảng pin quang điện được định nghĩa là việc kết nối nhiều module pin quang điện. Có 3 hình thức kết nối các module pin quang điện là: + Nối tiếp; + Song song; + Hỗn hợp. Kết hợp nối tiếp nhiều module pin quang điện Hình thức kết hợp nối tiếp nhiều module pin quang điện được sử dụng để nâng điện áp của hệ thống pin quang điện.
Module pin mắc nối tiếp b. Kết hợp song song nhiều module pin quang điện Hình thức kết hợp song song nhiều module pin quang điện được sử dụng để nâng cường độ dòng điện của hệ thống pin quang điện. SVTH: Đỗ Thị Huyền Trang 14 Chương 2. Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của HT điện mặt trời hòa lưới Hình 2.
Module pin mắc song song c. Kết hợp hỗn hợp nhiều module pin quang điện Hình thức kết hợp nhiều module pin quang điện được sử dụng để nâng cả điện áp và cường độ dòng điện của hệ thống pin quang điện. SVTH: Đỗ Thị Huyền Trang 15 Chương 2. Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của HT điện mặt trời hòa lưới Hình 2.
Module pin kết hợp nối tiếp và song song 2. Bộ tăng áp DC/DC Có hai cách để thực hiện các bộ biến đổi DC/DC kiểu chuyển mạch mà bao gồm bộ biến đổi sử dụng các tụ điện chuyển mạch và các điện cảm chuyển mạch. Trong đó, giải pháp sử dụng điện cảm chuyển mạch có nhiều ưu thế hơn đối với các mạch công suất lớn. Mạch này gồm 4 linh kiện điện tử cơ bản đó là cuộn dây L, khóa chuyển mạch Mosfet, diode D và tụ điện C Hình 2.
Sơ đồ mạch tăng áp SVTH: Đỗ Thị Huyền Trang 16 Chương 2. Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của HT điện mặt trời hòa lưới Nguồn cho mạch tăng áp có thể đến từ bất kỳ nguồn DC phù hợp nào, chẳng hạn như pin lion, pin mặt trời, bộ chỉnh lưu và máy phát điện một chiều. Nguyên lý hoạt động Hình 2. Sơ đồ mô tả hoạt động của mạch ở thời điểm van dẫn Trong khoảng thời gian sóng vuông tần số cao ở mức cao được đưa vào cực G của MOSFET.
Trong khoảng thời gian này MOSFET dẫn điện, làm cho đầu bên phải của cuộn cảm L được nối với cực âm của nguồn điện. Do đó, sẽ có một dòng điện chạy giữa cực dương và âm của nguồn điện qua cuộn dây L và tăng dần từ giá trị ban đầu nào đó. Cuộn dây tích lũy năng lượng dưới dạng từ trường. Hầu như không có dòng điện chạy trong phần còn lại của mạch vì sự kết hợp của D, C và tải biểu thị trở kháng cao hơn nhiều so với đường dẫn trực tiếp qua MOSFET dẫn điện mạnh.
Sơ đồ mô tả hoạt động của mạch ở thời điểm van khóa SVTH: Đỗ Thị Huyền Trang 17 Chương 2. Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của HT điện mặt trời hòa lưới Hình trên cho thấy đường đi của dòng điện trong khoảng thời gian sóng vuông đưa vào cực G của MOSFET ở mức thấp. Vì MOSFET bị tắt nhanh chóng nên dòng điện giảm đột ngột làm cho cuộn dây L tạo ra một sức điện động ngược. Cực tính điện áp trên cuộn dây L ngược chiều so với khoảng thời gian MOSFET dẫn, để dòng điện chạy qua.
Điều này dẫn đến hai điện áp, điện áp cung cấp 𝑉𝐼𝑁 và điện áp 𝑉𝐿 trên cuộn dây nối tiếp với nhau. Điện áp cao hơn này (𝑉𝐼𝑁 + 𝑉𝐿 ) phân cực thuận cho diode D. Dòng điện tạo ra chạy qua D và nạp điện cho tụ điện C đến giá trị 𝑉𝐼𝑁 + 𝑉𝐿 trừ đi một ít điện áp trên diode D, đồng thời cung cấp cho tải. Sơ đồ mô tả hoạt động của mạch ở thời điểm van dẫn sau khi tụ đã được nạp Hình trên cho thấy hoạt động của mạch khi MOSFET dẫn điện trở lại sau giai đoạn khởi động ban đầu.
Mỗi khi MOSFET dẫn, điện thế tại cực cathode của diode D dương hơn điện thế tại cực anode, do điện áp trên C. Do đó, diode D tắt nên ngõ ra của mạch bị cách ly với ngõ vào, tuy nhiên tải vẫn tiếp tục được cung cấp điện áp 𝑉𝐼𝑁 + 𝑉𝐿 từ điện áp trên tụ điện C. Mặc dù tụ điện C xả điện qua tải làm cho điện áp trên tụ giảm trong thời gian này, tụ điện C được sạc điện trở lại mỗi khi MOSFET dẫn, do đó duy trì điện áp ngõ ra trên tải gần như ổn định. - Giá trị điện áp trung bình ngõ ra được tính bởi: 𝑉𝑖𝑛 𝑉𝑜𝑢𝑡 = (2.4) 1− 𝐷 - Giả sử không có tổn hao công suất, ta có: 𝑃𝑖𝑛 = 𝑃𝑜𝑢𝑡 ⇒ 𝐼𝑖𝑛 .5) SVTH: Đỗ Thị Huyền Trang 18 Chương 2.