Tính toán & Ứng dụng hệ thống năng lượng mặt trời độc lập và hòa lưới

Tính toán hệ thống năng lượng mặt trời độc lập & hòa lưới chi tiết. Hướng dẫn lựa chọn công suất, thiết bị phù hợp, tối ưu hiệu quả đầu tư.

• Tác giả: Ths. Lương Chấn Nguyên Vũ
• Trường học: Trường Cao Đẳng Công Nghệ Thủ Đức
• Chuyên ngành: Điện - Điện Tử
• Đề tài: Tính Toán Sử Dụng Hệ Thống Năng Lượng Mặt Trời Độc Lập Và Hòa Lưới
• Loại tài liệu: Nghiên cứu khoa học
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• PHẦN MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI
• 1.1. Giới thiệu về pin mặt trời
• 1.2. Hệ thống pin mặt trời
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC BỘ BIẾN ĐỔI BÁN DẪN TRONG HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI LÀM VIỆC ĐỘC LẬP
• 2.1. Các bộ biến đổi bán dẫn trong hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập
• 2.2. Phương pháp dò tìm điểm làm việc tối ưu MPPT
• 2.3. Các phương pháp dò tìm điểm MPP
• 2.4. Phương pháp điều khiển MPPT
• 2.5. Giới hạn của MPPT
• 2.6. Sơ đồ khối của bộ biến đổi điện tử công suất và chức năng của từng khối
• 2.7. Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi điện tử công suất
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ĐỘC LẬP VÀ HÒA LƯỚI
• 3.1. Hệ thống NLMT độc lập
• 3.2. Mô tả hệ thống và hoạt động
• 3.3. Kết quả thực nghiệm
• 3.4. Hệ thống NLMT hòa lưới
• 3.5. Kết quả thực nghiệm
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ

Tóm tắt

I. Hướng Dẫn Tính Toán Hệ Thống Điện Mặt Trời Từ A Z 2024

Việc tính toán hệ thống năng lượng mặt trời là bước nền tảng quyết định hiệu quả và chi phí đầu tư. Một hệ thống được tính toán chính xác không chỉ đáp ứng đủ nhu cầu năng lượng mà còn tối ưu hóa thời gian hoàn vốn. Tài liệu nghiên cứu “Tính Toán Sử Dụng Hệ Thống Năng Lượng Mặt Trời Độc Lập và Hòa Lưới” của Ths. Lương Chấn Nguyên Vũ (2018) đã chỉ ra rằng, việc lựa chọn đúng mô hình và công suất là yếu tố then chốt để khai thác tối đa nguồn năng lượng sạch. Hệ thống điện mặt trời được chia thành hai loại chính: độc lập (off-grid) và hòa lưới (on-grid), cùng với một biến thể là hệ thống lai (hybrid). Mỗi hệ thống có phương pháp tính toán riêng, phụ thuộc vào mục tiêu sử dụng, điều kiện địa lý và ngân sách. Việc nắm vững các bước tính toán, từ việc xác định phụ tải tiêu thụ, lựa chọn công suất pin mặt trời, đến việc định cỡ inverter và hệ thống lưu trữ điện, sẽ giúp chủ đầu tư tránh được các rủi ro về kỹ thuật và tài chính. Bài viết này sẽ cung cấp một quy trình chi tiết, dựa trên cơ sở học thuật và kinh nghiệm thực tiễn, để tính toán cả hai hệ thống này. Quá trình này không chỉ là các phép tính cơ học mà còn là sự kết hợp giữa phân tích dữ liệu khí tượng và yêu cầu vận hành thực tế.

1.1. Tầm quan trọng của việc xác định đúng công suất pin

Xác định đúng công suất pin mặt trời là bước khởi đầu quan trọng nhất. Nếu công suất quá nhỏ, hệ thống sẽ không sản xuất đủ điện, dẫn đến thiếu hụt năng lượng, đặc biệt trong những ngày ít nắng. Ngược lại, công suất quá lớn sẽ gây lãng phí chi phí đầu tư ban đầu và kéo dài thời gian hoàn vốn. Theo nghiên cứu, công suất cần thiết phụ thuộc vào ba yếu tố chính: tổng lượng điện tiêu thụ hàng ngày (kWh), số giờ nắng đỉnh tại khu vực lắp đặt, và hiệu suất hệ thống tổng thể. Một tính toán sai lầm ở bước này có thể làm giảm hiệu quả kinh tế của toàn bộ dự án.

1.2. Phân biệt hệ thống Độc lập Hòa lưới và Hybrid

Hệ thống độc lập hoạt động hoàn toàn không phụ thuộc vào lưới điện quốc gia, yêu cầu một hệ thống lưu trữ điện (thường là ắc quy/pin lithium) để sử dụng năng lượng vào ban đêm hoặc khi không có nắng. Hệ thống hòa lưới kết nối trực tiếp với lưới điện, cho phép bán lượng điện dư thừa và lấy điện từ lưới khi cần thiết, không cần hệ thống lưu trữ. Trong khi đó, hệ thống hybrid là sự kết hợp của cả hai, vừa hòa lưới vừa có bộ lưu trữ dự phòng, đảm bảo an ninh năng lượng tối đa. Mỗi loại hình sẽ có cách tính toán và lựa chọn thiết bị khác nhau, đặc biệt là inverter hòa lưới và inverter độc lập.

II. Top 5 Sai Lầm Khi Tính Toán Điện Mặt Trời Gây Tốn Kém

Quá trình tính toán và thiết kế hệ thống điện mặt trời tiềm ẩn nhiều sai lầm có thể dẫn đến chi phí phát sinh và hiệu quả vận hành thấp. Một trong những lỗi phổ biến nhất là đánh giá không chính xác nhu cầu phụ tải thực tế, dẫn đến việc lựa chọn hệ thống quá lớn hoặc quá nhỏ. Sai lầm thứ hai là sử dụng dữ liệu số giờ nắng đỉnh không phù hợp với vị trí địa lý cụ thể, làm cho sản lượng điện mặt trời dự kiến bị sai lệch. Nghiên cứu khoa học nhấn mạnh rằng, hiệu suất của pin mặt trời phụ thuộc lớn vào cường độ bức xạ và nhiệt độ môi trường. Bỏ qua các yếu tố này sẽ dẫn đến kết quả tính toán thiếu thực tế. Một sai lầm khác là không tính đến sự suy giảm hiệu suất của tấm pin theo thời gian, thường là khoảng 0.5-0.8% mỗi năm. Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến sản lượng dài hạn và bài toán thời gian hoàn vốn. Ngoài ra, việc lựa chọn các thành phần không đồng bộ, ví dụ như inverter không tương thích với công suất dàn pin hoặc bộ điều khiển sạc không phù hợp với ắc quy/pin lithium, cũng là một lỗi kỹ thuật nghiêm trọng, có thể gây hư hỏng thiết bị và giảm tuổi thọ hệ thống. Cuối cùng, việc xem nhẹ các khoản chi phí lắp đặt phụ trợ như khung giàn, dây dẫn, và các thiết bị bảo vệ cũng có thể khiến ngân sách dự án bị vượt chi.

2.1. Đánh giá sai lệch số giờ nắng đỉnh và bức xạ

Số giờ nắng đỉnh (Peak Sun Hours - PSH) là một chỉ số quy đổi, không phải là tổng số giờ có ánh sáng trong ngày. Tại Việt Nam, chỉ số này dao động từ 4 đến 5 giờ tùy thuộc vào vùng miền và mùa. Sử dụng một con số trung bình chung cho mọi địa điểm là một sai lầm. Cần phải sử dụng dữ liệu bức xạ mặt trời cụ thể của địa phương để có được công thức tính điện mặt trời chính xác nhất, từ đó xác định được sản lượng điện mặt trời tiềm năng.

2.2. Bỏ qua yếu tố suy giảm hiệu suất hệ thống theo thời gian

Mọi tấm pin mặt trời đều có tỷ lệ suy giảm hiệu suất hàng năm. Các nhà sản xuất uy tín thường cam kết hiệu suất còn lại trên 80% sau 25 năm. Khi tính toán thời gian hoàn vốn và lợi ích kinh tế dài hạn, việc bỏ qua yếu tố suy giảm này sẽ tạo ra một bức tranh quá lạc quan. Một hiệu suất hệ thống được tính toán chuẩn xác phải bao gồm cả yếu tố này để đảm bảo dự báo sản lượng là đáng tin cậy.

2.3. Lựa chọn sai thông số inverter và hệ thống lưu trữ

Việc chọn inverter độc lập hay inverter hòa lưới phải phù hợp với mô hình hệ thống. Công suất của inverter phải đủ lớn để xử lý toàn bộ công suất từ dàn pin và đáp ứng tải đỉnh. Đối với hệ độc lập, dung lượng của hệ thống lưu trữ điện phải được tính toán để đảm bảo cung cấp điện trong những ngày không có nắng (autonomy days). Lựa chọn sai các thiết bị này không chỉ làm giảm hiệu quả mà còn tiềm ẩn nguy cơ cháy nổ.

III. Phương Pháp Tính Hệ Thống Độc Lập Chuẩn Xác Cho Mọi Nhu Cầu

Hệ thống năng lượng mặt trời độc lập là giải pháp tối ưu cho những khu vực không có lưới điện hoặc lưới điện không ổn định. Việc tính toán hệ thống này đòi hỏi sự chi tiết và cẩn trọng để đảm bảo an ninh năng lượng. Theo tài liệu nghiên cứu gốc, quy trình tính toán bắt đầu bằng việc lập danh sách và xác định công suất tiêu thụ (Watt) cũng như thời gian sử dụng (giờ/ngày) của tất cả các thiết bị điện. Từ đó, tính toán tổng năng lượng tiêu thụ hàng ngày (Watt-giờ/ngày). Bước tiếp theo là xác định tổng năng lượng mà dàn pin cần tạo ra. Do có sự tổn hao trong quá trình chuyển đổi và lưu trữ, cần áp dụng một hệ số an toàn, thường từ 1.3 đến 1.5. Năng lượng yêu cầu từ pin sẽ bằng tổng năng lượng tiêu thụ nhân với hệ số này. Dựa trên năng lượng yêu cầu và số giờ nắng đỉnh tại địa phương, công suất pin mặt trời (Wp) cần thiết sẽ được xác định. Sau khi có công suất dàn pin, bước tiếp theo là lựa chọn bộ điều khiển sạc có dòng định mức đủ lớn và inverter độc lập có công suất cao hơn ít nhất 25-30% so với tổng công suất tải tức thời. Cuối cùng, việc tính toán dung lượng hệ thống lưu trữ điện là quan trọng nhất, đảm bảo cung cấp đủ năng lượng cho số ngày dự phòng mong muốn.

3.1. Công thức tính điện mặt trời dựa trên tổng phụ tải

Bước đầu tiên là liệt kê toàn bộ thiết bị và tính tổng Watt-giờ (Wh) tiêu thụ mỗi ngày. Ví dụ: (2 bóng đèn 18W x 5 giờ) + (1 quạt 40W x 6 giờ) = 180 Wh + 240 Wh = 420 Wh/ngày. Áp dụng hệ số an toàn (ví dụ 1.5), năng lượng pin cần cung cấp là 420 * 1.5 = 630 Wh/ngày. Công thức tính điện mặt trời cơ bản cho công suất pin (Wp) là: Wp = (Năng lượng cần cung cấp) / (Số giờ nắng đỉnh). Ví dụ, với 4.5 giờ nắng đỉnh, Wp = 630 / 4.5 ≈ 140 Wp.

3.2. Lựa chọn inverter độc lập và bộ điều khiển sạc

Inverter độc lập (off-grid inverter) phải có khả năng xử lý dòng khởi động lớn của các thiết bị như tủ lạnh, máy bơm. Công suất của nó nên lớn hơn tổng công suất của tất cả các thiết bị có thể bật cùng lúc. Bộ điều khiển sạc (Solar Charge Controller) có nhiệm vụ bảo vệ ắc quy, ngăn sạc quá đầy hoặc xả quá sâu. Dòng điện của bộ điều khiển sạc phải lớn hơn dòng ngắn mạch (Isc) của toàn bộ dàn pin.

3.3. Tính toán dung lượng ắc quy pin lithium cho hệ lưu trữ

Dung lượng lưu trữ (Ah) được tính dựa trên năng lượng tiêu thụ hàng ngày, điện áp hệ thống (12V, 24V, hoặc 48V), số ngày tự chủ (autonomy days), và độ xả sâu cho phép (Depth of Discharge - DoD). Công thức: Ah = (Tổng Wh/ngày * Số ngày tự chủ) / (Điện áp hệ thống * DoD). Ví dụ, với ắc quy/pin lithium có DoD là 80%, dung lượng cần thiết sẽ cao hơn so với ắc quy axit-chì (DoD ~50%) cho cùng một mức năng lượng sử dụng.

IV. Cách Tính Toán Hệ Thống Điện Mặt Trời Hòa Lưới Tối Ưu Hóa

Hệ thống điện mặt trời hòa lưới là mô hình phổ biến nhất hiện nay, đặc biệt cho các hộ gia đình và doanh nghiệp tại khu vực đô thị. Mục tiêu chính của việc tính toán là xác định công suất pin mặt trời phù hợp để tối đa hóa lượng điện tự dùng và giảm thiểu chi phí tiền điện hàng tháng. Khác với hệ độc lập, hệ hòa lưới không yêu cầu tính toán hệ thống lưu trữ điện, giúp giảm đáng kể chi phí lắp đặt ban đầu. Quy trình tính toán bắt đầu bằng việc phân tích hóa đơn tiền điện trong 6-12 tháng gần nhất để xác định mức tiêu thụ điện trung bình hàng ngày (kWh). Từ đó, xác định sản lượng điện mặt trời mục tiêu mà hệ thống cần tạo ra. Sử dụng dữ liệu về số giờ nắng đỉnh và hiệu suất tổng thể của hệ thống (thường khoảng 75-85%), ta có thể tính ra công suất dàn pin (kWp) cần thiết. Một yếu tố quan trọng trong hệ thống này là inverter hòa lưới, thiết bị này không chỉ chuyển đổi điện DC thành AC mà còn phải đồng bộ pha và tần số với lưới điện quốc gia. Việc sử dụng phần mềm tính toán chuyên dụng như PVsyst hoặc Helioscope giúp mô phỏng chính xác sản lượng và phân tích hiệu quả tài chính một cách trực quan.

4.1. Xác định sản lượng điện mặt trời cần thiết

Mục tiêu là tạo ra lượng điện tương đương với mức tiêu thụ. Dựa vào hóa đơn tiền điện, nếu một hộ gia đình tiêu thụ trung bình 15 kWh/ngày, và số giờ nắng đỉnh là 4.5 giờ, công suất hệ thống cần thiết sẽ được tính như sau: Công suất (kWp) = (Lượng điện tiêu thụ hàng ngày) / (Số giờ nắng đỉnh * Hiệu suất hệ thống). Giả sử hiệu suất là 80%, ta có: 15 / (4.5 * 0.8) ≈ 4.17 kWp. Thông thường, nên lắp đặt hệ thống có công suất khoảng 5 kWp.

4.2. Vai trò của inverter hòa lưới và công tơ điện 2 chiều

Inverter hòa lưới (on-grid inverter) là trái tim của hệ thống, quyết định hiệu suất và độ an toàn. Nó phải có chức năng anti-islanding, tự động ngắt kết nối khi lưới điện gặp sự cố. Công tơ điện 2 chiều là thiết bị bắt buộc, dùng để đo đếm lượng điện tiêu thụ từ lưới và lượng điện mặt trời dư thừa phát lên lưới. Dữ liệu từ công tơ này là cơ sở để công ty điện lực thanh toán tiền điện cho chủ đầu tư.

4.3. Mô phỏng và dự báo bằng phần mềm tính toán chuyên dụng

Các phần mềm tính toán như PVsyst cho phép nhập các thông số chi tiết về vị trí, hướng lắp, độ nghiêng của tấm pin, loại pin và inverter. Phần mềm sẽ mô phỏng sản lượng điện mặt trời hàng tháng, hàng năm, tính toán các tổn thất do nhiệt độ, bụi bẩn, dây dẫn, và đưa ra báo cáo chi tiết về hiệu quả kinh tế và thời gian hoàn vốn. Đây là công cụ không thể thiếu để có được một bản thiết kế tối ưu và chính xác.

V. Phân Tích Thực Tiễn Chi Phí Lắp Đặt Và Thời Gian Hoàn Vốn

Việc phân tích tính kinh tế là yếu tố quyết định khi đầu tư vào một hệ thống năng lượng mặt trời. Chi phí lắp đặt ban đầu bao gồm nhiều hạng mục: giá tấm pin mặt trời, inverter, khung giàn lắp đặt, dây dẫn, tủ điện, các thiết bị bảo vệ và chi phí nhân công. Đối với hệ thống điện mặt trời áp mái cho hộ gia đình, chi phí thường được tính theo đơn vị kWp. Một hệ thống hòa lưới thường có chi phí thấp hơn hệ thống độc lập cùng công suất do không cần đầu tư cho hệ thống lưu trữ điện đắt đỏ. Thời gian hoàn vốn là chỉ số quan trọng nhất, được tính bằng cách lấy tổng chi phí đầu tư chia cho khoản tiền tiết kiệm được (hoặc thu về) hàng năm. Khoản tiền này bao gồm tiền điện không phải trả cho EVN và tiền bán điện dư (nếu có chính sách). Dựa trên các kết quả thực nghiệm và báo giá điện mặt trời hiện tại, thời gian hoàn vốn cho một hệ thống hòa lưới áp mái tại Việt Nam thường dao động từ 4 đến 6 năm. Sau thời gian này, hệ thống sẽ tạo ra lợi nhuận trong suốt phần đời còn lại (khoảng 20-25 năm). Việc nhận được sự tư vấn lắp đặt từ các đơn vị chuyên nghiệp sẽ giúp tối ưu hóa cả chi phí và hiệu suất.

5.1. Các yếu tố chính ảnh hưởng đến chi phí lắp đặt

Chi phí lắp đặt không cố định mà phụ thuộc vào nhiều yếu tố: thương hiệu và công nghệ của tấm pin, loại inverter (chuỗi, microinverter), độ phức tạp của mái nhà (mái tôn, mái ngói, mái bằng), vị trí địa lý (ảnh hưởng chi phí vận chuyển, nhân công), và các yêu cầu về tiêu chuẩn kỹ thuật, an toàn. Một báo giá điện mặt trời chi tiết cần phải liệt kê rõ ràng tất cả các hạng mục này.

5.2. Cách ước tính thời gian hoàn vốn cho hệ thống áp mái

Để ước tính thời gian hoàn vốn, cần xác định hai thông số: tổng vốn đầu tư và lợi ích hàng năm. Lợi ích hàng năm = (Sản lượng điện hàng năm * Đơn giá điện). Ví dụ, một hệ 5 kWp có tổng đầu tư 70 triệu VNĐ, mỗi năm sản xuất 7.200 kWh, với giá điện trung bình 2.500 VNĐ/kWh, lợi ích hàng năm là 18 triệu VNĐ. Thời gian hoàn vốn = 70 / 18 ≈ 3.9 năm. Công thức này chưa tính đến sự trượt giá của điện và suy giảm hiệu suất pin.

5.3. Vai trò của việc tư vấn lắp đặt chuyên nghiệp

Một đơn vị tư vấn lắp đặt uy tín sẽ không chỉ cung cấp thiết bị. Họ sẽ tiến hành khảo sát thực địa, sử dụng phần mềm tính toán để đưa ra phương án tối ưu, đảm bảo hiệu suất hệ thống cao nhất và tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn điện. Sự tư vấn chuyên nghiệp giúp nhà đầu tư tránh được các rủi ro kỹ thuật và tối ưu hóa lợi ích kinh tế trong dài hạn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1:TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI 1. Giới thiệu về pin mặt trời 1. Pin mặt trời còn gọi là pin quang điện là thiết bị ứng dụng hiệu ứng quang điện trong bán dẫn (thường gọi là hiệu ứng quang điện trong – quang dẫn) để tạo ra dòng điện một chiều từ ánh sáng mặt trời. 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 ánh sáng hay nhiệt độ kích thích, các điện tử bị bứt ra khỏi liên kết, hay là các điện tử tích điện âm nhảy từ vùng hoá trị lên vùng dẫn và để lại một lỗ trống tích điện dương trong vùng hoá trị. Lúc này chất bán dẫn mới dẫn điện. Có 3 loại pin mặt trời làm từ tinh thể Silic: - Một tinh thể hay đơn tinh thể module.

Đơn tinh thể này có hiệu suất tới 16%. Loại này thường đắt tiền do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các môdule. - Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc từ Silic nung chảy, sau đó được làm nguội và làm rắn. Loại pin này thường rẻ hơn loại đơn tinh thể, nhưng lại có hiệu suất kém hơn.

Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn loại đơn tinh thể bù cho hiệu suất thấp của nó. - 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 nhưng cũng là loại rẻ nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi Silicon. Về bản chất pin quang điện là một điốt bán dẫn bao gồm hai tấm bán dẫn loại P và loại N đặt sát cạnh nhau, khác ở chỗ pin quang điện có diện tích bề mặt rộng và có lớp N cực mỏng để ánh sáng có thể truyền qua.

Trên bề mặt của pin quang điện có một lớp chống phản xạ vì khi chiếu ánh sáng vào pin quang điện, sẽ có một phần ánh sáng bị hấp thụ khi truyền qua lớp N và một phần ánh sáng sẽ bị phản xạ ngược lại còn một phần ánh sáng sẽ đến được lớp chuyển tiếp, nơi có các cặp electron và lỗ trống nằm trong điện trường của bề mặt giới hạn. Với các bước sóng thích hợp sẽ truyền cho electron một năng lượng đủ lớn để thoát khỏi liên kết. Khi thoát khỏi liên kết, dưới tác dụng của điện trường, electron sẽ bị kéo về phía bán dẫn loại N, còn lỗ trống bị kéo về phía bán dẫn loại P. Khi đó nếu nối hai cực vào hai phần bán dẫn loại N và P sẽ đo được một hiệu điện thế.

Giá trị của hiệu điện thế này phụ thuộc vào bản chất của chất làm bán dẫn và tạp chất được hấp phụ. Đặc tính làm việc của pin mặt trời. Đặc tính làm việc của pin mặt trời thể hiện qua hai thông số là điện áp hở mạch lớn nhất VOC lúc dòng ra bằng 0 và Dòng điện ngắn mạch ISC khi điện áp ra bằng 0. Công suất của pin được tính theo công thức: P = I.U (1-1) Tại điểm làm việc U = UOC/ I = 0 và U = 0 / I = ISC , Công suất làm việc của pin cũng có giá trị bằng 0.

IPV uMPP, iMPP ISC MPPT UPV UOC Hình 1. Đường đặc tính làm việc U – I của pin mặt trời Rs I ID I sh I + - Rsh Hình 1. Sơ đồ tương đương của pin mặt trời Từ sơ đồ tương đương, ta có phương trình đặc trưng sáng volt– ampe của pin như sau: (1-2) Trong đó: Isc là dòng quang điện (dòng ngắn mạch khi không có Rs và Rsh) (A/m2) I01 là dòng bão hòa (A/m2) q là điện tích của điện tử (C) = 1,6.10-19 k là hệ số Boltzman = 1,38.10-23(J/k) T là nhiệt độ (K) 4 I, V, Rs, Rsh lần lượt là dòng điện ra, điện áp ra, điện trở Rs và Rsh của pin trong mạch tương đương ở hình 1. * Nhận xét: - Dòng ngắn mạch Isc tỉ lệ thuận với cường độ bức xạ chiếu sáng.

Nên đường đặc tính V – I của pin mặt trời cũng phụ thuộc vào cường độ bức xạ chiếu sáng. ở mỗi tầng bức xạ chỉ thu được duy nhất một điểm làm việc V = VMPP có công suất lớn nhất thể hiện trên hình vẽ sau. Điểm làm việc có công suất lớn nhất được thể hiện là điểm chấm đen to trên hình vẽ. Sự phụ thuộc của đặc trưng VA của pin mặt trời vào cường độ bức xạ Mặt trời.

- Điện áp hở mạch Voc phụ thuộc trực tiếp vào nhiệt độ nên đường đặc tính VA của pin mặt trời cũng phụ thuộc vào nhiệt độ của pin. Sự phụ thuộc của đường đặc tính của pin mặt trời vào nhiệt độ của pin 5 - Để toàn bộ hệ PV có thể hoạt động được một cách hiệu quả thì đường đặc tính của tải cũng phải phù hợp với điểm MPP. Đường đặc tính tải và đặc tính của pin mặt trời Trên hình vẽ 1.5 đường OA và OB là những đường đặc tính tải. Nếu tải được mắc trực tiếp với dãy pin mặt trời thì tải có đường đặc tính là OA.

Khi đó, pin làm việc ở điểm A1 và phát công suất P1. Công suất lớn nhất do phơi nắng thu được là P2. Để có thể thu được công suất P2, cần có một bộ điều chỉnh công suất để liên kết giữa dãy pin mặt trời và tải. ứng dụng Pin mặt trời đã được ứng dụng ở nhiều nơi trên thế giới.

Chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng lưới điện không đến được. Pin mặt trời được sử dụng nhiều trong sản xuất cũng như trong đời sống. Một ứng dụng đơn giản của pin mặt trời trong cuộc sống hàng ngày như đồng hồ, máy tính … Ngoài ra pin mặt trời còn được ứng dụng trong các thiết bị vận chuyển như ô tô, máy tính cầm tay, điện thoại di động, thiết bị bơm nước… Ngày nay, những ngôi nhà có gắn những tấm năng lượng mặt trời trên nóc đã trở thành phổ biến và có xu hướng tăng dần trong tương lai. Tấm năng lượng mặt trời.

Tấm năng lượng mặt trời được tạo thành từ nhiều pin mặt trời có thể gồm 36 đến 72 pin mặt trời mắc nối tiếp với nhau. Qua những tấm pin mặt trời, năng lượng mặt trời được chuyển hoá thành điện năng. Mỗi pin mặt trời cung cấp một lượng nhỏ năng lượng, nhưng nhiều pin được đặt trải dài trên một diện tích lớn tạo nên nguồn năng lượng lớn hơn đủ để các thiết bị điện sử dụng. Mỗi tấm pin mặt trời có công suất khác nhau như: 30Wp, 40Wp, 45Wp, 50Wp, 75Wp, 100Wp, 125Wp, 150Wp.

Điện áp của các tấm pin thường là 12VDC. Công suất và điện áp của hệ thống tuỳ thuộc vào cách ghép nối các tấm pin lại với nhau. Nhiều tấm năng lượng mặt trời có thể ghép nối tiếp hoặc song song với nhau để tạo thành một dàn pin mặt trời. Để đạt được hiệu năng 6 tốt nhất, những tấm năng lượng phải luôn được phơi nắng và hướng trực tiếp đến mặt trời.

Hiệu suất thu được điện năng từ pin mặt trời ở các vùng miền vào các giờ trong ngày là khác nhau, do bức xạ mặt trời trên bề mặt trái đất không đồng đều nhau. Hiệu suất của pin mặt trời phụ thuộc vào nhiều yếu tố: - Chất liệu bán dẫn làm pin. - Vị trí đặt các tấm panel mặt trời - Thời tiết khí hậu, mùa trong năm. - Thời gian trong ngày: sáng, trưa, chiều Các tấm năng lượng mặt trời được lắp đặt ở ngoài trời nên thiết kế sản xuất đã đảm bảo được các thay đổi của khí hậu, thời tiết, mưa bão, sự ăn mòn của nước biển, sự oxi hoá… Tuổi thọ của mỗi tấm pin khoảng 25 đến 30 năm.

Cách ghép nối các tấm năng lượng mặt trời. Như ta đã biết các môđun pin mặt trời đều có công suất và hiệu điện thế xác định từ nhà sản xuất. Để tạo ra công suất và điện thế theo yêu cầu thì phải ghép nối nhiều tấm môdun đó lại với nhau. Có hai cách ghép cơ bản: - Ghép nối tiếp các tấm mođun lại sẽ cho điện áp ra lớn hơn.

- Ghép song song các tấm môđun lại sẽ cho dòng điện ra lớn. Trong thực tế phương pháp ghép hỗn hợp được sử dụng nhiều hơn để đáp ứng cả yêu cầu về điện áp và dòng điện. Phương pháp ghép nối tiếp các tấm môdun mặt trời. Ghép nối tiếp hai môđun pin mặt trời (a) và đường đặc trưng VA của các môđun và của cả hệ (b) 7 Giả sử các môđun đều giống hệt nhau, có đường đặc tính V-A giống hết nhau, các thông số dòng đoản mạch ISC, thế hở mạch VOC bằng nhau.

Giả sử cường độ chiếu sáng trên các tấm là đồng đều nhau. Khi ghép nối tiếp các tấm môđun này ta sẽ có: I = I1 = I2 = … = Ii (1-3) (1-4) (1-5) (1-6) Trong đó: I, P, V,… là dòng điện, công suất và hiệu điện thế của cả hệ. Ii, Vi, Pi… là dòng điện, công suất, hiệu điện thế của môđun thứ i trong hệ Iopi, Vopi, Popi… là dòng điện làm việc tối ưu, điện thế làm việc tối ưu, công suất làm việc tối ưu của các môđun thứ i trong hệ Iop, Vop, Pop… là dòng điện làm việc tối ưu, điện thế làm việc tối ưu, công suất làm việc tối ưu của hệ Khi tải có giá trị 0 < R < , Các môđun làm việc như các máy phát tương đương. Đường đặc tính vôn – ampe của hệ bằng tổng hình học của hai đường đặc trưng của mỗi môđun.

Ghép song song các môđun mặt trời. ở cách ghép này, ta cũng giả sử các môđun đều giống hệt nhau, có đường đặc tính V-A giống hết nhau, các thông số dòng đoản mạch ISC, thế hở mạch VOC bằng nhau. Giả sử cường độ chiếu sáng trên các tấm là đồng đều nhau. Ghép song song hai môđun pin mặt trời (a) và đường đặc trưng VA của các môđun và của cả hệ (b) Khi đó ta có: U = U1 = U2 = … = Ui (1-7) (1-8) (1-9) (1-10) Đường đặc tính VA của hệ cũng được suy ra bằng cách cộng các giá trị dòng điện I ứng với các giá trị điện thế V không đổi.

Trong trường hợp này, các pin cũng làm việc như các máy phát điện khi tải có giá trị 0 < R <. Hiện tượng “điểm nóng” Xảy ra khi ta ghép nối các môđun không giống nhau, tức là khi các thông số ISC, VOC, POPT của các môđun pin khác nhau.