Tài liệu Hệ thống năng lượng mặt trời hòa lưới

  • Số trang: 125 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 288 |
  • Lượt tải: 0
nguyetha

Đã đăng 8490 tài liệu

Mô tả:

Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về hƣớng nghiên cứu Trong những năm gần đây, vì sự thiếu hụt năng lượng trên khắp thế giới và vấn đề sử dụng năng lượng an toàn đã dẫn đến ngày càng có nhiều sự quan tâm đến phát điện từ các nguồn năng lượng tái tạo. Các lợi ích từ các nguồn năng lượng tái tạo đã được thừa nhận rộng rãi. Trong số các nguồn năng lượng tái tạo thì năng lượng mặt trời được xem là nguồn năng lượng sạch, thân thiện với môi trường và là nguồn năng lượng trong tương lai. Để hệ thống điện mặt trời thực sự là thân thiện với môi trường thì cần phải loại bỏ hệ thống ắc quy dùng để trữ điện ra khỏi hệ thống chính vì thế hệ thống điện mặt trời nối lưới cần được nghiên cứu để sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng này. Do điện năng phát ra từ hệ thống điện mặt trời là dạng DC và có điện áp và công suất ngõ ra phụ thuộc vào sự thay đổi của bức xạ mặt trời do đó điện áp và công suất ngõ ra thay đổi rất nhiều. Để hệ thống điện mặt trời hoà được vào lưới truyền tải hoặc là phân phối thì hệ thống điện mặt trời phải giải quyết 2 vấn đề cơ bản đó là chuyển đổi từ DC sang AC và ổn định điện áp ngõ ra của hệ. Mặt khác do hiệu suất của PIN mặt trời còn thấp nên để tăng hiệu quả của hệ thống thì một biện pháp nhằm tối ưu công suất phát của PIN cũng cần được nghiên cứu. Mặt khác, với sự phát triển của công nghệ điện tử công suất và công nghệ xử lý tín hiệu, việc nghiên cứu bộ chuyển đổi đa bậc trở thành một trong những trọng tâm trong lĩnh vực điện tử công suất. So với các bộ chuyển đổi hai bậc thông thường, bộ chuyển đổi đa bậc có nhiều thuận lợi và điểm thu hút như sau: - Có thể tạo ra dạng sóng với lượng sóng hài thấp - Chúng cho dòng ngõ ra với độ méo rất thấp - Chúng phát ra điện áp common-mode (CM) thấp hơn. Ngoài ra, việc sử dụng các phương pháp điều chế tinh vi, điện áp CM có thể được loại bỏ. - Chúng có thể vận hành với tần số đóng ngắt thấp hơn, dẫn đến tổn thất đóng cắt thấp hơn và hiệu suất cao hơn. 1 Chính vì những vấn đề trên mà việc nghiên cứu điều khiển hệ thống kết nối PV với lưới dùng biến tần đa bậc lai là một đề tài cần triển khai thực hiện trong giai đoạn hiện nay. * Một số công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về hệ thống kết nối PV với lưới được tóm tắt như sau: Bài báo [1] trình bày một bộ nghịch lưu pin mặt trời nối lưới năm bậc một pha với kỹ thuật hai tín hiệu điều chế mới. Hai tín hiệu điều chế giống nhau với độ lệch tương đương biên độ tín hiệu sóng mang tam giác được dùng để phát ra tín hiệu PWM. Bộ nghịch lưu gồm một bộ nghịch lưu toàn cầu và một mạch phụ gồm 4 điốt và một công tắc. Bộ nghịch lưu tạo điện áp ngõ ra 5 bậc: 0, +1/2Vdc, Vdc, - 1/2Vdc, và - Vdc. Một thuật toán điều khiển dòng tích phân tỉ lệ (PI) số được bổ sung trong DSP TMS320F2812 để giữ dòng bơm vào lưới hình sin và có đặc tính động cao với tổng độ méo dạng sóng hài (THD) thấp. Tính hiệu lực của bộ nghịch lưu đưa ra được chứng minh qua kết quả mô phỏng và thực nghiệm. Các kết quả thực nghiệm so với bộ nghịch lưu PWM nối lưới ba bậc một pha thông thường về mặt THD. * Ƣu điểm: - Tạo ra dòng điện bơm vào lưới hình sin - Đặc tính động cao với tổng độ méo dạng sóng hài (THD) thấp hơn (7,5% so với BNL 3 bậc thông thường là 12,8%) - Dùng thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT) để tìm điểm làm việc của đường cong I-V ở giá trị cực đại. Thuật toán MPPT sẽ đảm bảo rằng công suất cực đại được phân phối từ các dãy pin mặt trời ở bất kỳ tình trạng thời tiết nào. - Dòng và áp lưới cùng pha ở hệ số công suất gần bằng 1 (0,99) - Kích cỡ bộ lọc nhỏ - Nhiễu điện từ (EMI) thấp * Hạn chế: - Hiệu suất BNL đưa ra (90%) thấp hơn so với BNL 3 bậc thông thường (92%) - Không thực hiện phân tích sự đồng bộ theo các thông số sai lệch cho phép. - Không đề cập và giải quyết vấn đề cô lập hệ thống PV trong trường hợp nguồn lưới bị sự cố và mất điện. 2 Để đạt được dòng điện ngõ ra gần hình sin, nâng cao chất lượng điện năng, và giảm tổn thất năng lượng, bài báo này trình bày một hệ thống điều hòa công suất nối lưới pin mặt trời (PVPC) dựa trên BNL đa bậc lai [2]. Trong cấu trúc được đưa ra, mỗi pha của BNL bao gồm hai bộ chuyển đổi cầu H, và hai bộ chuyển đổi được nối bởi hai MBA lưới để phát ra 9 mức điện áp. Bộ PVPC được tích hợp với việc bù công suất phản kháng và công suất tác dụng, theo cách này, PVPC không chỉ cung cấp công suất tác dụng và công suất phản kháng mà còn nâng cao chất lượng điện năng trong hệ thống điện. Sau đó, phương pháp điều chế độ rộng xung vector không gian được áp dụng trong bài báo này, phương pháp này có thể giải quyết sự thiếu ứng dụng của phương pháp PWM lai. Cuối cùng, các kết quả mô phỏng trên phòng thí nghiệm 380V/13kW sẽ được trình bày để chứng minh hệ thống PVPC được đưa ra. * Ƣu điểm: Các đặc điểm hấp dẫn của bộ PVPC đa bậc được đưa ra được tóm tắt như sau: 1. Phát ra dạng sóng điện áp ngõ ra chất lượng cao (lượng hài thấp): THD I < 2%. 2. Tần số đóng cắt thấp hơn so với các BNL thông thường 3. Hiệu quả lọc cao vì điện kháng rò của các MBA ghép tầng 4. Áp dv/dt đặt lên các linh kiện đóng cắt thấp 5. Bộ PVPC dùng một bộ chuyển đổi tăng áp DC/DC để đạt được chức năng truy tìm điểm công suất cực đại (MPPT) và làm cho tụ DC giữ trạng thái cân bằng. 6. Cách ly được dòng DC và lưới thông qua việc sử dụng các máy biến áp ghép tầng. * Hạn chế: - Không thực hiện phân tích sự đồng bộ theo các thông số sai lệch cho phép. - Không đề cập và giải quyết vấn đề cô lập hệ thống PV trong trường hợp nguồn lưới bị sự cố và mất điện. Bài báo này nói về việc mô hình hóa và mô phỏng của một hệ thống pin quang điện nối lưới (GCPS) [3] để phân tích cách kết nối lưới và hiệu quả điều khiển của GCPS trong việc thiết kế hệ thống. Một mô hình mạch đơn giản của dãy pin mặt 3 trời được dùng để mô phỏng dễ dàng các đặc tính vốn có của nó với số liệu đặc tính cơ bản. Việc điều khiển công suất và bảo vệ của GCPS cũng như các mạch điện của nó được trình bày bởi các thành phần gắn liền và được định nghĩa bởi người sử dụng để đưa vào tính toán quá độ ở các tình trạng bình thường và sự cố, mà ở đó nó được kiểm soát bởi bộ điều khiển điện tử công suất. Mô hình được mô tả với sự xem xét và thi hành trong phần mềm PSCAD/EMTDC, một gói phần mềm quá độ hệ thống điện. Các kết quả mô phỏng có phạm vi rộng được trình bày và phân tích để chứng minh rằng mô hình mô phỏng được đưa ra là hiệu quả đối với sự đánh giá hiệc quả bảo vệ và điều khiển của GCPS về mặt phân tích quá độ điện từ. * Ƣu điểm: Bài báo đã đưa ra mô hình và thuật toán điều khiển GCPS với sự phân tích chi tiết các vấn đề như: - Hiệu quả điều khiển công suất của GCPS. - Khả năng chống cô lập của hệ thống khi lưới bị sự cố thông qua bộ điều khiển bảo vệ. - Sử dụng thuật toán truy tìm điểm công suất cực đại (MPPT) để cung cấp công suất cực đại được phân phối từ hệ thống PV ở bất kỳ tình trạng thời tiết nào. - Phân tích đáp ứng quá độ của hệ thống khi được nối lưới. - Độ méo dạng tổng do sóng hài (THD) của dòng ngõ ra BNL bằng 2,5%. * Hạn chế: - Tần số đóng cắt linh kiện lớn, công suất bộ nghịch lưu cũng khó nâng cao. Bài báo trình bày và thảo luận một cấu trúc chuyển đổi mới cho việc nối lưới của một hệ thống phát điện bằng pin mặt trời. Bộ điều hòa công suất đưa ra sử dụng một cấu trúc bộ nghịch lưu đôi [4] để nâng cao công suất định mức cực đại trên cơ sở các bộ nghịch lưu ba pha chuẩn. * Ƣu điểm: Bài báo đã đưa ra mô hình điều khiển GCPS với các ưu điểm như sau: - Có khả năng nâng cao công suất định mức so với các bộ nghịch lưu 3 bậc thông thường. - Bên cạnh việc phát công suất, hệ thống hoạt động như một bộ lọc tích cực với khả năng cân bằng tải, bù sóng hài và bơm công suất phản kháng. 4 - Không gặp vấn đề phải cân bằng điện áp như các bộ nghịch lưu đa bậc khác. - Tạo điện áp ngõ ra 9 bậc nên ít bị méo dạng. - Sử dụng hai dãy pin riêng biệt cấp cho mỗi BNL nên hạn chế được dòng điện thứ tự không trong mạch. * Hạn chế: - Thuật toán điều khiển phức tạp so với các BNL thông thường. - Không đề cập rõ chỉ số độ méo dạng tổng do sóng hài (THD). - Không thực hiện phân tích sự đồng bộ theo các thông số sai lệch cho phép. 1.2 Tính cấp thiết của đề tài, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Như đã đề cập ở trên, với sự khan hiếm của các nguồn năng lượng hóa thạch và các ảnh hưởng của chúng đến môi trường thì việc nghiên cứu kết nối các PV với lưới là vấn đề cấp thiết nhằm khắc phục tình trạng thiếu điện trầm trọng như hiện nay. Công trình nghiên cứu này có thể làm tài liệu tham khảo và là nền tảng để phát triển cho các hướng nghiên cứu sau này. Có thể dùng cho việc thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển kết nối các PV với lưới điện bằng biến tần lai. 1.3 Mục đích nghiên cứu, khách thể và đối tƣợng nghiên cứu Nghiên cứu điều khiển hệ thống kết nối pin mặt trời với lưới bằng biến tần lai, cụ thể: pin mặt trời và các thuật toán MPPT; biến tần lai và kỹ thuật điều chế; thuật toán điều khiển hệ thống kết nối PV với lưới. 1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài a. Nhiệm vụ nghiên cứu - Tìm hiểu năng lượng mặt trời và các giải pháp sử dụng hiệu quả; cấu tạo và nguyên lý pin quang điện (PV); các loại hệ thống PV nối lưới và độc lập. - Các thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại cho hệ thống PV. - Lý thuyết biến tần đa bậc, biến tần lai và kỹ thuật điều khiển PWM cho biến tần đa bậc lai. - Lập giải thuật và mô phỏng mô hình bộ nghịch lưu lai 5 bậc đề xuất bằng phần mềm MATLAB. - Nghiên cứu giải thuật điều khiển hệ thống kết nối PV với lưới bằng biến tần lai. - Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống kết nối PV với lưới bằng biến tần lai. 5 - Đánh giá kết quả mô phỏng. - Kết luận b. Giới hạn của đề tài Do giới hạn về thời gian và điều kiện nghiên cứu nên đề tài chỉ giới hạn các vấn đề như sau: Nghiên cứu điều khiển hệ thống kết nối PV với lưới bằng biến tần lai thông qua mô hình hóa và mô phỏng dùng chương trình Matlab/Simulink mà không đề cập việc tính toán thiết kế các panel PV, không thiết kế thi công mô hình thực. 1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu - Tham khảo tài liệu (sách, báo và tạp chí khoa học trên Internet). - Tham dự các hội nghị khoa học và báo cáo chuyên đề về lĩnh vực nghiên cứu. - Mô hình hóa và mô phỏng dùng chương trình Matlab/ Simulink. - Phân tích và đánh giá kết quả mô phỏng. 6 Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Năng lƣợng mặt trời Năng lượng Mặt trời là một trong các nguồn năng luợng tái tạo quan trọng nhất mà thiên nhiên ban tặng cho hành tinh chúng ta đồng thời nó cũng là nguồn gốc của các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, năng lượng sinh khối, năng lượng các dòng sông… Năng lượng Mặt trời có thể nói là vô tận, tuy nhiên để khai thác, sử dụng nguồn năng lượng này cần phải biết các đặc trưng và tính chất cơ bản của nó, đặc biệt là khi tới bề mặt Quả đất. Ngày nay Năng lượng mặt trời đang ngày càng thu hút được nhiều sự quan tâm và đầu tư. Tuy nhiên, vấn đề giá cả nguồn điện mặt trời hiện nay vẫn là một vấn đề lớn. Hiện nay năng lượng mặt trời chỉ cung cấp một phần nhỏ bé trong nhu cầu về điện cho con người nhưng những người ủng hộ năng lượng này tin tưởng kỉ nguyên năng lượng mặt trời chỉ mới bắt đầu và càng ngày được đẩy mạnh khi các quốc gia phát triển thực hiện chiến dịch chống biến đổi khí hậu và hạn chế việc phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch như dầu mỏ, khí đốt, than, v.v. Mặt trời bức xạ năng lượng theo một dãy rất rộng, tuy nhiên không phải tia bức xạ nào cũng có thể tạo ra hiện tượng quang điện. Chỉ có những tia bức xạ (ứng với bước sóng (  ) có năng lượng lớn hơn mức năng lượng kích hoạt electron (tuỳ từng chất bán dẫn) mới có khả năng tạo ra hiện tượng quang điện. Phân tích một điển hình về phổ năng lượng mặt trời tác động lên pin quang điện silicon. Trên biểu đồ phổ năng lượng mặt trời ta thấy: “20,2 % năng lượng mặt trời tổn hao không có tác dụng do có năng lượng thấp hơn năng lượng band gap (hiểu như mức năng lượng tối thiểu để kích hoạt các electron ra khỏi trạng thái tĩnh của chúng) của silicon (h < Eg). 30,2 % khác cũng bị mất đi ở các vùng năng lượng (h > Eg). Chỉ có 49,6 % năng lượng hữu ích có thể được thu bởi pin quang điện”. 7 Hình 2.1: Phổ năng lượng mặt trời [ERDA/NASA-1997] Để sản xuất điện mặt trời người ta thường sử dụng 2 công nghệ: nhiệt mặt trời và pin quang điện: • Nhiệt mặt trời: năng lượng mặt trời được hội tụ nhờ hệ thống gương hội tụ để tập trung ánh sáng mặt trời tạo thành nguồn nhiệt có nhiệt độ cao làm bốc hơi nước, hơi nước sinh ra làm quay tuabin để sản xuất ra điện năng. • Pin quang điện: được chế tạo từ các chất bán dẫn. Điện năng được sinh ra khi có ánh sáng mặt trời chiếu đến. Các tế bào quang điện có khả năng thể hiện chức năng này bằng cách nhận năng lượng mặt trời tách electron ra khỏi tinh thể bán dẫn tạo thành dòng điện. Như vậy các tế bào quang điện dùng mặt trời là nguồn nhiên liệu. Đề tài này sẽ trình bày về pin quang điện sử dụng năng lượng mặt trời và xây dựng mô hình sử dụng tối ưu công suất từ pin quang điện và kết nối lưới điện. 2.2 Pin quang điện (PV) 2.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của PV Pin quang điện sử dụng chất bán dẫn để biến đổi quang năng thành điện năng. Kỹ thuật tạo PV rất giống với kỹ thuật tạo ra các linh kiện bán dẫn như transistor, diode… Nguyên liệu dùng làm pin PV cũng giống như các linh kiện bán dẫn khác thông thường là tinh thể silicon thuộc nhóm IV. 8 Có thể nói PV là sự ngược lại của diode quang. Diode quang nhận điện năng tạo thành ánh sáng, thì PV nhận ánh sáng tạo thành điện năng. Hình 2.2: Cấu tạo các lớp PV. Phân tích dòng chảy electron và lỗ trống trong mối nối đưa đến phương trình diode quen thuộc như sau: I d  I 0 (e qV kT  1) (2.1) Với: I0 là dòng điện ngược của diode q : điện tích electron = 1.602 x 10-19 C k : hằng số Boltzman = 1.381 x 10-23 J/K T : nhiệt độ tuyệt đối (oK) 9 2.2.2 Mạch tƣơng đƣơng của PV Hình 2.3: Mạch tương đương của PV. Hai tham số quan trọng của PV là dòng ngắn mạch Isc và điện áp hở mạch Voc. Hình 2.4: Sơ đồ ngắn mạch và hở mạch của PV. Điên áp hở mạch Voc là hiệu điện thế được đo khi hở mạch ngoài của PV khi chịu tác động ở mức chiếu độ chuẩn, được lấy ở chiếu độ đỉnh tương ứng 1kW/m2 ở 25oC của cell PV. Dòng ngắn mạch Isc là dòng điện được đo trong mạch của PV khi nối tắc mạch ngoài, lúc đó V = 0 và cũng trong điều kiện như trên. Ở nhiệt độ chuẩn 25oC công thức tương đương sẽ như sau: I  I sc  I 0 (e38.9V  1) (2.2) I sc  1) I0 (2.3) Voc  0.0257 ln( 2.2.3 Mạch PV khi có tính đến các tổn hao Cũng như diode, pin PV trong thực tế luôn có tổn hao, đặc trưng cho sự tổn hao này là các thông số Rs và Rp 10 Hình 2.5: Sơ đồ mạch cell PV thực tế. Hình 2.6 : Đặc tính I-V ảnh hưởng bởi Rs Đồ thị đặc tính của pin PV bị ảnh hưởng của Rp khi bỏ qua Rs: Hình 2.7 : Đặc tính I-V ảnh hưởng bởi Rp Đồ thị đặc tính của pin PV bị ảnh hưởng cả Rp và Rs: 11 Hình 2.8: Đặc tính pin PV ảnh hưởng bởi cả Rs và Rp Công thức đặc trưng của pin PV thực tế bao gồm ảnh hưởng của Rs và Rp:   q(V  I .RS )    V  I .RS  I  I SC  I 0 exp     1   R kT      P  (2.4) Để đơn giản hoá trong tính toán và áp dụng luật Kirchhoff trên hình 2.5, dòng điện nút được tính như sau: Isc = I + Id +Ip (2.5) Áp dụng công thức (2.1) ở điều khiện chuẩn 25oC, ta suy ra: I  I SC  I 0 (e38.9Vd  1)  Vd RP (2.6) Như vậy, khi biết được thông số Vd, dòng điện cung cấp cho tải được tính từ công thức (2.6). Và điện áp đặt lên tải tương ứng sẽ là: V = Vd – I.RS (2.7) Phần mô phỏng PV cell sẽ được căn cứ vào hai công thức (2.6) và (2.7) để thanh lập mô hình tương đương của PV. 2.2.4 Tấm PV Một trở ngại của pin PV là điện áp và dòng điện làm việc rất nhỏ. Một pin PV có điện áp làm việc khoảng 0.6V. Do đó muốn có điện áp làm việc cao đòi hỏi phải mắc nối tiếp các pin PV lại, muốn có dòng điện làm việc lớn phải mắc song song. Một tấm PV thông thường để có điện áp 21.6 Vdc, ta phải mắc nối tiếp 36 pin PV. Một số mô đun 12 Vdc chỉ cần 20 pin PV. 12 Hình 2.9: Hình dạng Cell, Module và Array của PV. Hình 2.10: Hình thức ghép và đường đặc tính I-V của môđun PV Điện áp của môđun PV: Vmodule = n(Vd – I.RS ) 2.2.5 Hệ thống dãy PV Kết nối nhiều môđun PV sẽ được Array PV. Muốn tăng áp ngõ ra cần nối nối tiếp nhiều môđun PV. Hình 2.11: Array PV nối tiếp 13 Hình 2.12: Đường đặc tính I-V của Array PV nối tiếp Nối song song nhiều môđun PV để tăng dòng điện Hình 2.13: Array PV nối song song Hình 2.14: Đường đặc tính I-V của Array PV nối song song Kết nối hỗn hợp để tăng cả áp và dòng như ở hình 2.15. 14 Hình 2.15: Array PV nối kết hợp song song và nối tiếp Hình 2.16: Đường đặc tính I-V của Array PV nối kết hợp song song và nối tiếp 2.3 Các yếu tố ảnh hƣởng đến PV Đặc tính của PV bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như cường độ chiếu sáng, nhiệt độ môi trường, hiện tượng bóng râm, v.v. Cường độ chiếu sáng càng lớn, thì công suất thu được của PV càng cao, dòng Isc tăng lên. Nhưng ngược lại nhiệt độ cao thì V0 bị suy giảm. 2.3.1 Cƣờng độ chiếu sáng Biên độ dòng quang điện là lớn nhất trong điều kiện đầy đủ ánh sáng. Vào những ngày nắng không hoàn toàn, dòng quang điện suy giảm tỷ lệ cường độ chiếu sáng. Đặc tính I-V dịch xuống phía cường độ chiếu sáng thấp hơn như hình 2.17. Do đó, vào những ngày có mây dòng ngắn mạch giảm đáng kể. Tuy nhiên, điện áp hở mạch chỉ giảm một phần nhỏ. Hiệu suất chuyển đổi quang điện của tế bào quang điện rất nhạy với bức xạ mặt trời trong tầm làm việc thực tế. Ví dụ, hình 2.18 cho thấy hiệu suất gần như 15 không đổi với bức xạ 500W/m2 và 1.000W/m2. Điều này có nghĩa là hiệu suất chuyển đổi là như nhau vào những ngày nắng gắt và những ngày có mây. Chúng ta sẽ thu được công suất thấp hơn vào những ngày có mây bởi vì ít năng lượng mặt trời hơn đi vào tế bào quang điện. Hình 2.17: Đặc tính I-V dịch xuống khi chiếu độ giảm và có sự giảm nhẹ về điện áp Hình 2.18: Hiệu suất chuyển đổi quang điện theo bức xạ, hiệu suất này ổn định khi bức xạ tăng. 2.3.2 Góc chiếu sáng 16 Dòng ngõ ra tế bào quang điện được cho bởi I =I0 cos , trong đó I0 là dòng điện trong điều kiện mặt trời bình thường (để tham khảo), và  là góc chiếu sáng được đo trong điều kiện bình thường. Luật cosin đảm bảo góc chiếu sáng dao động từ 0 đến 50. Ngoài 50, ngõ ra điện lệch đáng kể khỏi luật cosin , và tế bào quang điện không phát ra công suất ngoài 85, mặc dù luật cosin toán cho biết sẽ phát ra 7.5 phần trăm công suất. Đường cong công suất- góc của tế bào quang điện được gọi là cosin Kelly, và được chỉ ra trong hình 2.19 và bảng 2.1. Hình 2.19: Đường cong cosin Kelly đối với pin quang điện tại góc từ 0 đến 90 Bảng 2.1: Giá trị cosin Kelley của dòng quang điện trong tế bào Silic 2.3.3 Hiệu ứng bóng mờ Hệ thống pin quang điện có thể bao gồm nhiều dãy pin nối tiếp mắc song song. Hai dãy được minh họa trong hình 2.20. Hệ thống pin quang điện lớn có thể bị hiện tượng bóng mờ một phần do kết cấu của hệ thống. Nếu một tế bào trong dãy dài bị che phủ hoàn toàn, nó sẽ mất điện áp quang điện, nhưng vẫn còn mang dòng điện của cả dãy pin do việc mắc nối tiếp các tế bào trong một dãy. Điện áp bên trong không sinh ra , nó không thể sinh ra công suất. Thay vào đó, nó sẽ hoạt động như 17 tải, sinh ra công suất tổn hao I2R và nhiệt. Các tế bào còn lại trong dãy phải hoạt động ở điện áp cao hơn để bù điện áp bị mất do hiện tượng bóng mờ. Điện áp sẽ cao hơn trong các tế bào hoạt động bình thường có nghĩa là dòng điện trong một dãy sẽ thấp hơn như trên đặc tính I-V của dãy. Điều này được chỉ ra trong vùng dưới bên trái của hình 2.20. Việc hao hụt dòng điện không tỷ lệ với điện tích bị che mờ. Tuy nhiên, nếu nhiều tế bào bị che mờ với số lượng vượt ra ngoài giới hạn cho phép, đường cong I-V sẽ có điện áp hoạt động của dãy rất thấp, làm cho dòng dãy giảm đến giá trị zero, lúc đó tất cả công suất của dãy sẽ không còn nữa. Hình 2.20: Hiệu ứng bóng mờ trên một dãy pin quang điện . Việc giảm công suất không đáng kể đến khi bóng mờ vượt quá giới hạn cho phép Hình 2.21: Diode thông trong dãy pin quang điện tối thiểu hóa việc hao hụt công suất do hiệu ứng bóng mờ nhiều. 18 Phương pháp thường hay dùng nhất để loại bỏ tổn hao của dãy do hiệu hứng bóng mờ là chia nhỏ chiều dài mạch thành nhiều phần có diode thông (bypass diode) (hình 2.21). Diode của phần bị che mờ sẽ nối tắt qua phần của dãy pin. Việc này làm hao hụt tương ứng điện áp và dòng điện dãy pin mà không bị mất toàn bộ công suất dãy pin. Một số hệ thống pin quang điện hiện đại được lắp diode thông ở bên trong. 2.3.4 Hiệu ứng nhiệt độ Khi nhiệt độ tăng, dòng ngắn mạch của tế bào tăng trong khi đó điện áp hở mạch giảm (hình 2.22). Hiệu ứng nhiệt độ đối với công suất được đánh giá định lượng bằng cách kiểm tra hiệu ứng trên dòng và áp một cách riêng biệt. I0 và U0 là dòng ngắn mạch và điện áp hở mạch tại nhiệt độ tham khảo T, và ,  là hệ số nhiệt độ tương ứng. Nếu nhiệt độ hoạt động tăng lên khoảng T , dòng và điện áp mới đươc cho bởi phương trình sau: Isc=Io(1+.ΔT) and Voc=Vo(1−.ΔT) (2.8) Bởi vì dòng và điện áp hoạt động thay đổi xấp xỉ tỷ lệ với dòng ngắn mạch và điện áp hở mạch, công suất mới có phương trình là P = V.I = Io(1+.T).Vo(1−.ΔT) (2.9) Có thể được rút gọn bằng cách bỏ đi lượng nhỏ không đáng kể P = Po.[1+(-).T] (2.10) Đối với những tế bào Si đơn tinh thể điển hình,  là 500u/C và  là 5mu/C. Vì vậy, công suất là: P = Po.[1+(500μu −5 mu).ΔT] hoặc Po[1−0.0045ΔT] (2.11) 19 Hình 2.22: Hiệu ứng của nhiệt độ trên đặc tính I-V. Tế bào sinh ít dòng nhưng nhiều điện áp hơn với việc đạt được công suất ngõ ra khi nhiệt độ thấp. Hình 2.23: Hiệu ứng nhiệt độ trên đặc tính P-V. Tế bào phát ra nhiều công suất hơn khi nhiệt độ thấp Điều này cho thấy khi nhiệt độ hoạt động tăng 1C, vượt qua nhiệt độ tham khảo, công suất ngõ ra tế bào quang điện Si giảm 0.45%. Bởi vì việc tăng dòng điện thì ít hơn nhiều việc so với việc giảm điện áp, nên việc ảnh hưởng đến toàn bộ công suất là không đáng kể ở nhiệt độ hoạt động cao. Ảnh hưởng của việc thay đổi nhiệt độ đối với công suất ngõ ra được chỉ ra trong đặc tính P-V tại hai nhiệt độ họat động hình 2.23. Hình vẽ cho thấy công suất cực đại có sẵn ở nhiệt độ thấp cao hơn ở nhiệt độ cao. Do đó, nhiệt độ thấp thực sự tốt hơn cho pin quang điện, vì nó phát ra nhiều công suất hơn. Tuy nhiên, hai điểm công suất cực đại không cùng giá trị điện áp. Để trích ra công suất lớn nhất tại tất cả các nhiệt độ, hệ thống pin quang điện phải được thiết kế sao cho điện áp ngõ ra pin 20
- Xem thêm -