Nghiên cứu Hệ Thống Tracking Năng Lượng Mặt Trời Công Suất Nhỏ

Theo dõi hệ thống năng lượng mặt trời công suất nhỏ để tối ưu hiệu quả. Tìm hiểu cách tăng sản lượng điện và tiết kiệm chi phí năng lượng.

• Trường học: Trường cao đẳng công nghệ Thủ Đức
• Chuyên ngành: Điện - Điện tử
• Đề tài: Hệ Thống Tracking Năng Lượng Mặt Trời Công Suất Nhỏ
• Loại tài liệu: Đề tài nghiên cứu
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• Danh sách các hình
• Phần mở đầu
• 1. Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI
• 1.1. Giới thiệu về pin mặt trời
• 2. Chương 2: CÁC BỘ BIẾN ĐỔI BÁN DẪN TRONG HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
• 2.1. Các bộ biến đổi bán dẫn trong hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập
• 2.1.1. Bộ biến đổi DC/DC
• 2.1.2. Điều khiển bộ biến đổi DC/DC
• 2.1.3. Bộ biến đổi DC/AC
• 3. Chương 3: HỆ THỐNG TRACKING NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CÔNG SUẤT NHỎ
• 3.1. Giới thiệu chung
• 3.2. Nguyên lý dung hợp tải
• 3.3. Thuật toán xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất MPPT
• 3.4. Phương pháp điều khiển MPPT
• 3.4.1. Phương pháp điều khiển PI
• 3.4.2. Phương pháp điều khiển trực tiếp
• 3.5. Giới hạn của MPPT
• 3.6. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động hệ thống tracking NLMT
• 3.7. Cơ cấu chấp hành ( ben điện, ty ben , Scew motor
• 3.8. Sensor dò chuyển động của mặt trời
• 3.9. Bộ điều khiển
• 3.10. Hình ảnh mô hình thực nghiệm
• 3.11. Kết quả thực nghiệm
• 4. Chương 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ
• Phần nội dung
• 1. Tổng quan về hệ thống pin năng lượng mặt trời
• 1.1. Giới thiệu về pin mặt trời

Tóm tắt

I. Tổng quan Tracking Năng Lượng Mặt Trời Tối ưu hiệu quả

Hệ thống Tracking Năng Lượng Mặt Trời, hay còn gọi là hệ thống dò theo mặt trời, là một công nghệ then chốt nhằm tối đa hóa sản lượng điện từ các tấm pin mặt trời. Nguyên tắc cơ bản của công nghệ này là điều chỉnh hướng của các tấm pin quang điện để chúng luôn vuông góc với tia nắng mặt trời trong suốt cả ngày. Việc này giúp các tế bào quang điện hấp thụ lượng bức xạ mặt trời lớn nhất có thể. Trong bối cảnh nhu cầu năng lượng sạch ngày càng tăng và các nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt, việc nâng cao hiệu suất của các hệ thống năng lượng tái tạo trở nên vô cùng cấp thiết. Tài liệu nghiên cứu cho thấy, một hệ thống pin tĩnh, lắp đặt cố định, chỉ đạt hiệu suất tối ưu vào một thời điểm nhất định trong ngày. Ngược lại, hệ thống tracking có thể tăng sản lượng điện lên đáng kể, từ 25% đến 45% tùy thuộc vào công nghệ và vị trí địa lý. Công nghệ này đặc biệt quan trọng đối với các hệ thống điện mặt trời tập trung (CSP) và các trang trại điện mặt trời quy mô lớn, nơi mà mỗi phần trăm hiệu suất tăng thêm đều mang lại lợi ích kinh tế to lớn. Hệ thống tracking bao gồm hai thành phần chính: cấu trúc cơ khí (giàn xoay) và hệ thống điều khiển thông minh. Bộ điều khiển sử dụng các sensor cảm biến ánh sáng hoặc thuật toán thiên văn để xác định vị trí của mặt trời và gửi tín hiệu đến cơ cấu chấp hành (như động cơ hoặc ben điện) để xoay giàn pin theo đúng hướng.

1.1. Nguyên lý cơ bản và hiệu ứng quang điện của pin mặt trời

Pin mặt trời, hay pin quang điện, hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện trong vật liệu bán dẫn, phổ biến nhất là Silic tinh thể. Khi các photon ánh sáng mặt trời chiếu vào tấm pin, chúng truyền năng lượng cho các electron trong vật liệu bán dẫn. Năng lượng này đủ lớn để giải phóng các electron khỏi liên kết nguyên tử, tạo ra các cặp electron-lỗ trống. Dưới tác động của một điện trường được tạo ra sẵn trong cấu trúc P-N của tế bào quang điện, các electron tự do sẽ di chuyển về cực âm và lỗ trống di chuyển về cực dương, tạo ra một dòng điện một chiều. Công suất của một tấm pin phụ thuộc trực tiếp vào cường độ bức xạ mặt trời và nhiệt độ môi trường. Đặc tính làm việc của pin được thể hiện qua đường đặc tính Volt-Ampe (V-A), trong đó tồn tại một điểm làm việc có công suất lớn nhất (MPP). Đây là điểm mà tại đó, tích của điện áp và dòng điện đạt giá trị cực đại. Việc duy trì hoạt động của hệ thống tại điểm MPP này là mục tiêu chính của các thuật toán tối ưu hóa như MPPT.

1.2. Vai trò của giàn xoay theo hướng mặt trời trong sản xuất điện

Vai trò chính của hệ thống Tracking Năng Lượng Mặt Trời là khắc phục hạn chế của các giàn pin lắp đặt cố định. Một hệ thống cố định chỉ nhận được lượng bức xạ tối ưu khi mặt trời ở vị trí vuông góc với bề mặt tấm pin, thường là vào giữa trưa. Vào các thời điểm khác trong ngày, góc tới của ánh sáng sẽ xiên hơn, làm giảm lượng năng lượng hấp thụ và sụt giảm công suất đầu ra. Bằng cách liên tục điều chỉnh hướng của giàn pin, hệ thống tracking đảm bảo các tấm pin luôn hướng thẳng về phía mặt trời từ lúc mọc đến lúc lặn. Điều này không chỉ làm tăng tổng sản lượng năng lượng hàng ngày mà còn kéo dài thời gian hoạt động ở công suất đỉnh, giúp đường cong sản lượng điện trong ngày trở nên phẳng hơn và ổn định hơn. Đặc biệt, theo nghiên cứu, các hệ thống dàn xoay 2 trục (xoay theo cả phương vị và độ cao) có thể thu được nhiều hơn tới 45% năng lượng so với hệ thống cố định, trong khi hệ thống dàn xoay 1 trục (thường xoay theo trục Đông-Tây) cũng giúp tăng sản lượng từ 20-30%. Lợi ích này giúp giảm chi phí sản xuất điện trên mỗi kWh và tối ưu hóa việc sử dụng đất.

II. Thách thức hiệu suất pin mặt trời và giải pháp Tracking

Mặc dù công nghệ pin mặt trời đã có những bước tiến vượt bậc, việc duy trì hiệu suất cao và ổn định vẫn đối mặt với nhiều thách thức. Vấn đề lớn nhất là sự phụ thuộc vào các yếu tố môi trường không thể kiểm soát như cường độ bức xạ mặt trời và nhiệt độ. Hiệu suất của pin sẽ giảm khi nhiệt độ tế bào quang điện tăng cao. Quan trọng hơn, vị trí tương đối của mặt trời thay đổi liên tục trong ngày và theo mùa, khiến các hệ thống lắp đặt cố định không thể tận dụng tối đa nguồn năng lượng. Một tấm pin chỉ phát huy hết công suất khi được đặt vuông góc với tia nắng. Khi góc tới của ánh sáng thay đổi, một phần năng lượng sẽ bị phản xạ thay vì được hấp thụ, dẫn đến sụt giảm công suất nghiêm trọng, đặc biệt vào buổi sáng sớm và chiều muộn. Hơn nữa, hiện tượng bóng che cục bộ, gây ra bởi mây, cây cối hoặc các công trình xung quanh, là một vấn đề nghiêm trọng. Khi một vài cell pin trong một chuỗi bị che khuất, chúng không những không tạo ra điện mà còn hoạt động như một điện trở, tiêu thụ năng lượng từ các cell khác và gây ra hiện tượng điểm nóng (hot spot), có thể làm hỏng tấm pin vĩnh viễn. Giải pháp Tracking Năng Lượng Mặt Trời ra đời để giải quyết triệt để những thách thức này, đảm bảo các tấm pin luôn nhận được bức xạ trực tiếp tối ưu và giảm thiểu ảnh hưởng của bóng che di động.

2.1. Ảnh hưởng của góc chiếu và bóng che đến công suất đầu ra

Công suất đầu ra của một tấm pin mặt trời tỷ lệ thuận với cường độ bức xạ mà nó nhận được. Khi các tia sáng mặt trời chiếu vuông góc với bề mặt tấm pin, cường độ bức xạ là lớn nhất. Tuy nhiên, khi góc chiếu trở nên xiên, diện tích bề mặt hiệu dụng nhận bức xạ giảm theo hàm cosin của góc tới, dẫn đến sự sụt giảm công suất. Đây là lý do chính khiến các hệ thống cố định có sản lượng thấp vào buổi sáng và chiều. Một vấn đề nghiêm trọng hơn là bóng che. Theo nguyên tắc, các tấm pin trong cùng một dãy MPPT được đấu nối tiếp, nghĩa là dòng điện đi qua tất cả các tấm là như nhau. Khi một tấm pin bị che khuất một phần, dòng điện của nó giảm mạnh. Do mắc nối tiếp, tấm pin yếu này sẽ trở thành "nút thắt cổ chai", kéo dòng điện của cả chuỗi xuống theo, gây ra sự sụt giảm công suất toàn hệ thống một cách không tương xứng. Giải pháp tracking giúp giảm thiểu vấn đề này bằng cách liên tục điều chỉnh vị trí để tránh các bóng che có thể dự đoán được từ các vật thể cố định.

2.2. Phân tích hiện tượng điểm nóng hot spot và cách phòng tránh

Hiện tượng điểm nóng (hot spot) xảy ra khi một cell hoặc một nhóm cell pin trong một module tạo ra ít dòng điện hơn các cell khác do bị che bóng, bám bẩn hoặc lỗi sản xuất. Các cell khỏe mạnh khác trong cùng chuỗi nối tiếp sẽ tiếp tục đẩy dòng điện qua cell yếu này. Cell yếu sẽ hoạt động như một điện trở, tiêu thụ năng lượng và chuyển hóa nó thành nhiệt. Sự tích tụ nhiệt cục bộ này làm tăng nhiệt độ của cell lên rất cao, có thể làm chảy lớp vật liệu đóng gói, hỏng mối hàn và suy giảm hiệu suất vĩnh viễn, thậm chí gây cháy nổ. Để phòng tránh, các nhà sản xuất thường tích hợp các điốt bypass vào trong hộp nối của tấm pin. Các điốt này cho phép dòng điện "đi đường vòng" qua các cell bị che bóng, bảo vệ chúng khỏi bị phân cực ngược và quá nhiệt. Tuy nhiên, phương pháp hiệu quả nhất vẫn là đảm bảo tất cả các cell nhận được ánh sáng đồng đều. Hệ thống Tracking Năng Lượng Mặt Trời đóng vai trò quan trọng trong việc này bằng cách tối ưu hóa hướng pin, giảm thiểu khả năng xảy ra che bóng cục bộ và do đó hạn chế nguy cơ hình thành hiện tượng điểm nóng.

III. Bí quyết tối ưu công suất với thuật toán MPPT tiên tiến

Để khai thác tối đa năng lượng từ hệ thống pin mặt trời, việc sử dụng cơ cấu xoay vật lý là chưa đủ. Phần "bộ não" của hệ thống chính là thuật toán Dò tìm điểm làm việc công suất lớn nhất (MPPT - Maximum Power Point Tracking). Đặc tính làm việc của pin mặt trời thay đổi liên tục theo cường độ bức xạ và nhiệt độ, do đó điểm làm việc có công suất lớn nhất (MPP) cũng không cố định. Nếu nối trực tiếp tấm pin vào tải, điểm làm việc sẽ do đặc tính của tải quyết định và hiếm khi trùng với điểm MPP, gây lãng phí năng lượng. Thuật toán MPPT có nhiệm vụ liên tục dò tìm và điều chỉnh điểm làm việc của hệ thống để nó luôn vận hành tại điểm MPP. Về bản chất, MPPT là một thiết bị điện tử công suất, thường là một bộ biến đổi DC/DC, được điều khiển bởi một bộ vi xử lý. Bộ vi xử lý này thực thi các thuật toán phức tạp để đo lường điện áp, dòng điện và tính toán công suất hiện tại, từ đó điều chỉnh chu kỳ đóng cắt của các khóa điện tử trong bộ biến đổi DC/DC. Mục đích là để "đánh lừa" tấm pin rằng nó đang được kết nối với một tải có trở kháng tối ưu (Ropt = VMPP/IMPP), qua đó khai thác được công suất cực đại. Có nhiều thuật toán MPPT đã được phát triển, trong đó phổ biến nhất là Nhiễu loạn & Quan sát (P&O) và Điện dẫn gia tăng (INC).

3.1. Phân tích thuật toán P O Nhiễu loạn và Quan sát

Thuật toán P&O (Perturb and Observe) là phương pháp phổ biến nhất nhờ sự đơn giản và dễ triển khai. Nguyên lý hoạt động của nó rất trực quan: hệ thống sẽ tạo ra một sự thay đổi nhỏ (nhiễu loạn) trong điện áp làm việc của tấm pin và quan sát sự thay đổi của công suất đầu ra. Nếu công suất tăng lên, thuật toán sẽ tiếp tục thay đổi điện áp theo cùng một hướng ở chu kỳ tiếp theo. Ngược lại, nếu công suất giảm, nó sẽ đảo ngược hướng thay đổi. Quá trình này được lặp lại liên tục. Khi hệ thống đạt đến gần điểm MPP, nó sẽ dao động quanh điểm này. Nhược điểm chính của thuật toán P&O là sự dao động này gây ra một phần tổn hao năng lượng, đặc biệt trong điều kiện thời tiết ổn định. Ngoài ra, khi điều kiện bức xạ thay đổi đột ngột, thuật toán có thể bị "nhầm lẫn" và dò tìm sai hướng, làm giảm hiệu suất tạm thời. Mặc dù vậy, với chi phí thấp và hiệu quả chấp nhận được, P&O vẫn được ứng dụng rộng rãi trong nhiều bộ điều khiển sạc và inverter.

3.2. Ưu điểm của phương pháp Điện dẫn gia tăng INC

Phương pháp Điện dẫn gia tăng (Incremental Conductance - INC) được phát triển để khắc phục những nhược điểm của P&O. Thuật toán này dựa trên một đặc tính toán học của đường cong công suất-điện áp (P-V): đạo hàm dP/dV bằng 0 tại điểm MPP, dương ở bên trái và âm ở bên phải MPP. Từ đó suy ra, tại điểm MPP, ta có ΔI/ΔV = -I/V. Thuật toán INC sẽ liên tục so sánh giá trị điện dẫn gia tăng (ΔI/ΔV) với giá trị điện dẫn tức thời (-I/V). Nếu hai giá trị bằng nhau, hệ thống đang ở điểm MPP và giữ nguyên điện áp. Nếu điện dẫn gia tăng lớn hơn, điểm làm việc đang ở bên trái MPP và thuật toán sẽ tăng điện áp. Nếu nhỏ hơn, nó sẽ giảm điện áp. Ưu điểm lớn của thuật toán INC là khả năng xác định chính xác điểm MPP mà không cần dao động xung quanh nó, giúp giảm tổn hao năng lượng. Nó cũng phản ứng nhanh và chính xác hơn với sự thay đổi đột ngột của điều kiện thời tiết. Tuy nhiên, thuật toán này đòi hỏi năng lực tính toán cao hơn và cảm biến chính xác hơn, làm tăng độ phức tạp của bộ điều khiển.

IV. Hướng dẫn cấu tạo hệ thống Tracking Năng Lượng Mặt Trời

Một hệ thống Tracking Năng Lượng Mặt Trời hoàn chỉnh là sự kết hợp giữa kỹ thuật cơ khí chính xác và điều khiển điện tử thông minh. Về cơ bản, hệ thống được cấu tạo từ ba thành phần cốt lõi: cơ cấu chấp hành, hệ thống cảm biến và bộ điều khiển trung tâm. Cơ cấu chấp hành là bộ phận cơ khí chịu trách nhiệm xoay giàn pin, bao gồm khung giá đỡ, các trục xoay và thiết bị truyền động như ben điện (linear actuator), động cơ bước, hoặc động cơ DC kèm hộp giảm tốc. Cấu trúc này phải đủ vững chắc để chịu được tải trọng của các tấm pin và các tác động của môi trường như gió, bão. Hệ thống cảm biến đóng vai trò là "mắt thần", cung cấp thông tin về vị trí mặt trời cho bộ điều khiển. Phổ biến nhất là các sensor quang (light-dependent resistor - LDR hoặc photodiode) được bố trí để so sánh cường độ ánh sáng từ các hướng khác nhau. Ngoài ra, các hệ thống tiên tiến hơn có thể sử dụng GPS và thuật toán thiên văn để tính toán vị trí mặt trời mà không cần cảm biến ánh sáng, giúp hoạt động ổn định ngay cả trong những ngày nhiều mây. Cuối cùng, bộ điều khiển là bộ não xử lý tín hiệu từ cảm biến và ra lệnh cho cơ cấu chấp hành di chuyển giàn pin đến vị trí tối ưu. Việc lựa chọn và tích hợp các thành phần này quyết định đến độ chính xác, độ bền và hiệu suất tổng thể của hệ thống.

4.1. Các thành phần chính Sensor bộ điều khiển cơ cấu chấp hành

Sensor dò chuyển động của mặt trời: Đây là thiết bị đầu vào của hệ thống. Các cảm biến quang thường được đặt theo cặp, ngăn cách bởi một vách ngăn. Khi giàn pin hướng thẳng về mặt trời, cả hai cảm biến sẽ nhận được lượng ánh sáng như nhau. Nếu mặt trời di chuyển, một cảm biến sẽ nhận được nhiều ánh sáng hơn, tạo ra tín hiệu chênh lệch. Bộ điều khiển: Thường là một vi điều khiển (như Arduino, PIC) hoặc PLC, nhận tín hiệu chênh lệch từ sensor. Nó sẽ xử lý thông tin này và xuất tín hiệu điều khiển phù hợp. Cơ cấu chấp hành: Là bộ phận thực thi lệnh từ bộ điều khiển. Ben điện (ty ben) hoặc động cơ sẽ xoay giàn pin cho đến khi tín hiệu từ các sensor cân bằng trở lại, nghĩa là giàn pin đã hướng đúng về mặt trời. Sự phối hợp nhịp nhàng giữa ba thành phần này đảm bảo hệ thống bám theo mặt trời một cách chính xác và hiệu quả.

4.2. So sánh hiệu quả giữa hệ thống tracker 1 trục và 2 trục

Hệ thống Tracking Năng Lượng Mặt Trời được phân loại chủ yếu thành hai dạng: dàn xoay 1 trục và dàn xoay 2 trục. Dàn xoay 1 trục: Hệ thống này xoay trên một trục duy nhất, thường là từ Đông sang Tây để theo dõi chuyển động hàng ngày của mặt trời. Cấu trúc của nó đơn giản, chi phí lắp đặt và bảo trì thấp hơn so với loại 2 trục. Nó có thể tăng sản lượng năng lượng lên tới 20-30% so với hệ thống cố định. Dàn xoay 2 trục: Hệ thống này có thể xoay đồng thời trên cả hai trục: trục Đông-Tây (theo chuyển động trong ngày) và trục Bắc-Nam (theo sự thay đổi độ cao của mặt trời theo mùa). Điều này cho phép tấm pin luôn duy trì được góc vuông góc gần như tuyệt đối với tia nắng. Mặc dù có cấu trúc phức tạp và chi phí cao hơn, dàn xoay 2 trục mang lại hiệu suất vượt trội, có thể tăng sản lượng năng lượng lên tới 45%. Việc lựa chọn giữa hai loại phụ thuộc vào bài toán kinh tế, quy mô dự án và vị trí địa lý. Các vùng gần xích đạo có thể đạt hiệu quả cao với tracker 1 trục, trong khi các vùng ở vĩ độ cao hơn sẽ hưởng lợi nhiều hơn từ tracker 2 trục.

V. Kết quả thực nghiệm Tracking NLMT tăng hiệu suất ra sao

Lý thuyết và các mô hình mô phỏng đều cho thấy lợi ích vượt trội của việc áp dụng hệ thống Tracking Năng Lượng Mặt Trời. Tuy nhiên, các kết quả từ nghiên cứu thực nghiệm mới là minh chứng xác thực nhất về hiệu quả của công nghệ này. Nhiều nghiên cứu, bao gồm cả các đề tài được thực hiện tại Việt Nam, đã tiến hành xây dựng các mô hình pin mặt trời công suất nhỏ có tích hợp hệ thống tracking để so sánh trực tiếp với các hệ thống lắp đặt cố định trong cùng điều kiện môi trường. Các kết quả này đều ghi nhận sự gia tăng đáng kể về sản lượng điện. Dữ liệu thu thập được cho thấy, giàn pin có hệ thống tracking không chỉ đạt được công suất đỉnh cao hơn mà còn duy trì được mức công suất cao trong một khoảng thời gian dài hơn trong ngày. Đường cong sản lượng điện của hệ thống tracking có dạng hình thang rộng, trong khi hệ thống cố định có dạng hình chuông hẹp. Sự khác biệt này đặc biệt rõ rệt vào những ngày nắng đẹp. Phân tích số liệu cho thấy, tùy thuộc vào loại tracker (1 trục hay 2 trục) và điều kiện thời tiết, mức tăng sản lượng có thể dao động từ 20% đến trên 40%. Những con số này khẳng định rằng, mặc dù chi phí đầu tư ban đầu cho hệ thống tracking cao hơn, nhưng lợi ích về sản lượng và thời gian hoàn vốn nhanh hơn đã khiến công nghệ này trở thành một lựa chọn đầu tư hấp dẫn và hiệu quả về mặt kinh tế.

5.1. Phân tích dữ liệu từ mô hình thực nghiệm công suất nhỏ

Tài liệu nghiên cứu đã trình bày việc xây dựng một mô hình thực nghiệm hệ thống pin mặt trời độc lập công suất nhỏ tại Trường Cao đẳng Công nghệ Thủ Đức. Mô hình này được trang bị một dàn xoay có khả năng điều chỉnh hướng theo mặt trời. Bằng cách đo lường và so sánh công suất tức thời và tổng năng lượng thu được trong ngày giữa mô hình tracking và một mô hình cố định tương đương, kết quả cho thấy một sự cải thiện rõ rệt. Dữ liệu thực nghiệm chứng minh rằng hệ thống tracking giúp khắc phục hiệu quả tình trạng sụt giảm công suất vào buổi sáng và chiều. Hơn nữa, việc tích hợp thuật toán MPPT vào bộ điều khiển đảm bảo rằng tại mọi thời điểm, hệ thống luôn khai thác được công suất tối đa mà tấm pin có thể cung cấp. Các kết quả này là cơ sở khoa học vững chắc để triển khai các hệ thống tương tự ở quy mô lớn hơn, đặc biệt trong các ứng dụng giảng dạy và nghiên cứu thực tế.

5.2. Ứng dụng thực tiễn của giàn xoay theo hướng mặt trời

Trên thực tế, công nghệ Tracking Năng Lượng Mặt Trời đã được triển khai rộng rãi trên toàn thế giới, từ các hệ thống dân dụng quy mô nhỏ đến các nhà máy điện mặt trời hàng trăm megawatt. Trong các hộ gia đình hoặc doanh nghiệp có không gian lắp đặt hạn chế, việc sử dụng hệ thống tracking giúp tối đa hóa sản lượng điện trên cùng một diện tích mái nhà. Đối với các ứng dụng nông nghiệp, hệ thống bơm nước năng lượng mặt trời tích hợp tracker có thể hoạt động hiệu quả hơn và trong thời gian dài hơn, đảm bảo nguồn nước tưới tiêu ổn định. Đặc biệt, trong các nhà máy điện mặt trời quy mô lớn, việc sử dụng dàn xoay 1 trục đã trở thành tiêu chuẩn công nghiệp. Lợi ích kinh tế từ việc tăng 20-25% sản lượng điện là rất lớn, giúp giảm đáng kể giá thành sản xuất điện (LCOE - Levelized Cost of Energy) và tăng tính cạnh tranh của năng lượng mặt trời so với các nguồn năng lượng truyền thống khác.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 Tổng quan về hệ thống pin năng lượng 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.

6 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 = I SC , Công suất làm việc của pin cũng có giá trị bằng 0.

UPV UOC uMPP, iMPP ISC IPV MPPT Hình 1. Đường đặc tính làm việc U – I của pin mặt trời 7 - + Hình 1. Sơ đồ tương đương của pin mặt trời Từ sơ đồ tương đương, ta có phương trình đặc trưng sáng von – ampe của pin như sau: q .10-19 k là hệ số Boltzman = 1,38.10-23(J/k) T là nhiệt độ (K) 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 - 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 pin 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 10 với nhau để tạo thành một dàn pin mặt trời. Để đạt được hiệu năng 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) 11 và đường đặc trưng VA của các môđun và của cả hệ (b) 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) n V =∑ V i (1-4) i=1 n n P=V. I=∑ IV i=∑ P i (1-5) i=1 i=1 n n I opt =I iopt , V opt =∑ V opti , Popt =∑ P opti (1-6) i=1 i=1 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 = U 1 = U2 = … = Ui (1-7) n I=∑ I i (1-8) i=1 n n P=V. I=∑ VI i =∑ Pi (1-9) i=1 i=1 n n V opt =V iopt , I opt =∑ I opti , Popt =∑ P opti (1-10) i =1 i=1 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.