Kỹ thuật hệ thống điện mặt trời với công nghệ quang điện (Phần 1)
KỸ THUẬT HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI
VỚI CÔNG NGHỆ QUANG ĐIỆN
(Phần 1)
PgS.tS. ngUYỂn HỮU PHÚC
Trường ĐH Bách Khoa – ĐH Quốc Gia TP. HCM
tóm tắt
Hiện nay, năng lượng mặt trời và năng lượng gió là hai nguồn năng lượng tái tạo tiềm năng nhất
và đang được phát triển tại Việt Nam. Đặc biệt, đối với nguồn phát điện từ năng lượng mặt trời các
chính sách ưu đãi về cơ chế khuyến khích phát triển các dự án điện mặt trời sẽ là động lực cho các dự
án phát triển mạnh mẽ trong tương lai. Các bài báo sau trong Phần 1 sẽ giới thiệu về các kĩ thuật và
hệ thống phát điện mặt trời với công nghệ quang-điện. Các bài báo tiếp theo của Phần 2 sẽ giới thiệu
về các vấn đề từ ảnh hưởng của việc xâm nhập của nguồn năng lượng tái tạo- với bản chất không
ổn định, lên chất lượng điện, cũng như độ ổn định của hệ thống điện nói chung, khi trong tương lai tỉ
lệ công suất các nguồn phát từ năng lượng tái tạo so với công suất lắp đặt của các nguồn phát truyền
thống (từ nhiên liệu hóa thạch, thủy điện) tăng lên. Phần 2 cũng sẽ giới thiệu về các qui định đấu nối
và các giải pháp kĩ thuật nhằm hạn chế tác động tiêu cực từ việc đưa các nguồn phát từ năng lượng
tái tạo vào làm việc với lưới điện.
mỞ đầu
trong nước để hình thành ngành công nghiệp sản
xuất tấm pin quang điện PV ở Việt Nam. Ước tính
tới tháng 3/2017, các nhà máy sản xuất tấm pin
năng lượng mặt trời tại Việt Nam có tổng công
suất thiết kế khoảng hơn 6.000 MW, và với sản
lượng thực tế hàng năm khoảng gần 2.000 MW
(Viện Năng lượng, 2017).
Với sự phát triển tiến bộ không ngừng về công
nghệ, mức chi phí đầu tư ban đầu ngày càng
giảm, chi phí vận hành và bảo dưỡng thấp nên
giá thành sản xuất điện từ mặt trời đang dần
cạnh tranh với các nguồn điện từ nhiên liệu hóa
thạch. Hiện nay, điện từ nguồn năng lượng mặt
trời đang phát triển mạnh với tốc độ rất cao, với
tốc độ tăng công suất điện mặt trời khoảng 48%/
năm trong giai đoạn 2006 – 2016. Năm 2016,
công suất điện mặt trời từ công nghệ quang- điện
(PV- Photovoltaics), với ít nhất 75 GWp đã được
lắp đặt thêm trên thế giới, lần đầu tiên trở thành
dạng công nghệ được ứng dụng hàng đầu trong
số các công nghệ năng lượng tái tạo.
Theo các số liệu đến tháng 08/2017, tổng công
suất lắp đặt điện mặt trời trên cả nước khoảng
28 MW, chủ yếu là quy mô nhỏ cấp điện tại chỗ
(vùng ngoài lưới cho các hộ gia đình và một số dự
án nối lưới điện hạ áp, lắp đặt trên các tòa nhà,
công sở). Tuy vậy, trong vòng 2 năm trở lại đây
nhiều chủ đầu tư trong và ngoài nước đang xúc
tiến và tìm kiếm cơ hội đầu tư vào dự án điện mặt
trời nối lưới quy mô lớn trong phạm vi cả nước.
Hiện nay, có khoảng 115 dự án quy mô công suất
lớn nối lưới đã và đang được xúc tiến đầu tư tại
một số tỉnh có tiềm năng điện mặt trời lớn tại các
tỉnh miền Trung và miền Nam ở các mức độ khác
nhau: xin chủ trương khảo sát địa điểm, xin cấp
phép đầu tư, lập dự án đầu tư xây dựng. Tính tới
giữa năm 2017, tổng công suất các dự án đang
tiến hành lập dự án đầu tư trên cả nước khoảng
hơn 17.000 MW.
Tuy nguồn phát từ năng lượng mặt trời với
công nghệ quang điện có những ưu điểm nổi bật,
nhưng nhược điểm do tính không ổn định của
sản lượng điện phát ra do sự thay đổi của bức xạ
năng lượng mặt trời là một vấn đề lớn. Trong xu
thế chung của việc xâm nhập ngày càng lớn của
nguồn phát từ năng lượng tái tạo- trong đó có
năng lượng mặt trời với bản chất nguồn công suất
không ổn định, phụ thuộc nhiều vào thời tiết,
vào lưới điện hiện hữu sẽ làm phát sinh các vấn
đề về kĩ thuật như chất lượng điện, và làm ảnh
hưởng đến tính ổn định của toàn hệ thống. Các
khía cạnh về kĩ thuật và hệ thống phát điện mặt
trời, cụ thể là kĩ thuật và hệ thống quang-điện,
sẽ được giới thiệu trong các bài báo của Phần 1,
trong khi Phần 2 sẽ trình bày về các Qui định đấu
nối và các giải pháp kĩ thuật nhằm hạn chế các tác
động tiêu cực của việc xâm nhập các nguồn phát
từ năng lượng tái tạo vào lưới điện.
2. Phát triỂn năng LưỢng mặt trỜi trên
thế giới và việt nam
Tính đến năm 2016, tổng công suất nguồn
điện mặt trời với công nghệ PV được lắp đặt
trên thế giới khoảng trên 303 GW, với tốc độ tăng
công suất điện mặt trời khoảng 48%/năm trong
giai đoạn 2006 – 2016. Trên Hình 1 là 6 quốc gia
có tổng công suất HTQĐ lớn hơn 10 GW.
Việc sản xuất các tấm pin quang điện PV đã
bắt đầu ở Việt nam từ giữa những năm 90, với việc
Chính phủ Việt Nam hỗ trợ việc chuyể về sản xuất
BảN TiN HộI ĐIỆN LỰC MIềN NAM - THáNg 4 / 2018 5
Hình 1. Công
suất toàn cầu
của điện mặt
trời công nghệ
PV (206-2016)
và tại 10 nước
hàng đầu
Trong Chiến Lược Phát Triển Năng Lượng Tái
Tạo ở Việt Nam, Quyết định số 2068/QĐ-TTg
ngày 25/11/2015 nêu rõ “Các đơn vị phát điện
có công suất lắp đặt trên 1.000MW, tỷ lệ điện
sản xuất từ năng lượng tái tạo đến năm 2020
không thấp hơn 3%; năm 2030 không thấp hơn
10%; năm 2050 không thấp hơn 20%” (eVN+
GeNCO)**. Theo Quy Hoạch Phát Triển Năng
Lượng Tái Tạo với Quyết định số 428/QĐ-TTg
ngày 18/3/2016 (QHĐ VII điều chỉnh) là các số
liệu sau: trong giai đoạn 2016 – 2020 sẽ đưa vào
vận hành 3.603MW; giai đoạn 2021 – 2025 đưa
vàovậnhành6.290MW;giaiđoạn2026–2030đưa
vào vận hành 15.190MW. Tổng cộng trong giai
đoạn 2016 – 2030 sẽ có 25.000 MW được đưa vào
vận hành, trong đó nguồn công suất từ Điện mặt
trời: 850MW (2020); 4.000M (2025); 12.000MW
(2030) và từ Điện gió: 800MW (2020);2.000MW
(2025); 6.000MW (2030).
Trên Hình 2 là các số liệu từ eVN (tháng
5.2018), với các quy hoạch và chuẩn bị đầu tư
(đã xác định địa điểm, công suất) cho các dự án
nguồn điện mặt trời có công suất ~ 2.275MW.
Ngoài ra, các dự án Pin Năng Lượng Mặt Trời
Áp Mái (NLMTAM) (tại trụ sở các Tổng Công Ty
Truyền tải, Tổng Công Ty Điện Lực, Công Ty Điện
Lực, Trạm Biến Áp thuộc eVN) với các số liệu sau.
Năm 2017: tiềm năng các dự án pin NLMTAM nối
lưới: 55,6 MWp; 2017 - 2018: đã lắp đặt 13 dự
án, với công suất 758 kWp; 2018 và các năm tiếp
theo: sẽ tiếp tục lắp đặt hệ thống pin NLMTAM.
Hình 2. Công suất của các dự án Nguồn Phát Năng Lượng
Mặt Trời (EVN) [1]
3. tổng quan về hệ thống quang điện
3.1 nguyên Lí hoạt động
Trong các hệ thống quang điện (HTQĐ) và nhà
máy quang điện (NMQĐ) (Hình 3) năng lượng mặt
trời được biến đổi trực tiếp thành năng lượng
điện qua việc sử dụng kĩ thuật chất bán dẫn phù
hợp được “pha tạp” (doped) phát ra dòng điện
khi làm việc với bức xạ mặt trời [2].
Ưu điểm chính của HTQĐ hay NMQĐ:
• Phát điện phân tán
• Không phát thải các chất gây ô nhiễm
• Tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch
• Độ tin cậy cao của các nhà máy do không có các
6 BảN TiN HộI ĐIỆN LỰC MIềN NAM - THáNg 4 / 2018
bộ phận quay (tuổi thọ của NMQĐ thường trên
20 năm)
• Chi phí vận hành và bảo trì giảm
• Tính linh hoạt module hệ thống (dễ dàng nâng
công suất nhà máy theo nhu cầu phụ tải bằng
cách tăng số lượng các module quang điện).
Phân Loại htqđ
Các HTQĐ thường được phân loại:
1. HTQĐ làm việc độc lập với lưới điện (có hệ
thống tích trữ năng lượng)
2. HTQĐ làm việc đấu nối với lưới điện hạ thế
3. NMQĐ, thường đấu nối với lưới điện trung áp.
Hai loại HTQĐ 1. và 2. thường có công suất
dưới 1 MW, trong khi loại 3 là các NMQĐ có công
suất trên 1 MW.
Tại một số nước hiện đang áp dụng chính
sách ưu đãi về giá điện khi điện năng sản xuất từ
HTQĐ được phát về lưới (Feed- In Tariff- FIT), tuy
vậy thường chỉ được áp dụng đối với loại 2 và 3,
với công suất không thấp hơn 1 kW.
Nhược điểm:
• Chi phí đầu tư của NMQĐ hiện nay vẫn còn khá
cao do thị trường chưa đạt được mức độ phát
triển đầy đủ, xét từ quan điểm kỹ thuật và kinh tế
• Tính không ổn định của sản lượng điện phát ra
do sự thay đổi của bức xạ năng lượng mặt trời.
Sản lượng điện năng hàng năm của NMQĐ phụ
thuộc vào các yếu tố sau:
• Năng lượng bức xạ mặt trời ở địa điểm xây dựng;
• Độ nghiêng và hướng của các module;
• Hiện tượng che bóng;
• Hiệu suất kỹ thuật của các bộ phận NMQĐ, chủ
yếu là các tấm pin mặt trời (module quang điện)
và biến tần.
Một HTQĐ thường gồm có: 1. các module mặt
trời lắp trên các khung sườn bằng nhôm đặt trên
đất, hay lắp trên cấu trúc công trình xây dựng, 2.
biến tần và hệ thống điều khiển, 3. hệ thống tích
trữ năng lượng đối với HTQĐ làm việc độc lập),
4. các tủ bảng điện và máy cắt hợp bộ đi kèm với
thiết bị bảo vệ, 5. cáp đấu nối.
3.2 năng LưỢng mặt trỜi
Phản ứng tổng hợp nhiệt hạch diễn ra không
ngừng trong lõi của mặt trời ở hàng triệu độ C
làm sản sinh ra nguồn năng lượng khổng lồ dưới
dạng bức xạ điện từ. Chỉ một phần rất nhỏ của
nguồn năng lượng này đến phần bên ngoài của
bầu khí quyển của trái đất với bức xạ trung bình
(hằng số mặt trời) khoảng 1.367 kW/m2 3%, và
giá trị này thay đổi theo khoảng cách từ Trái Đất
đến Mặt Trời (Hình 5) và hoạt động của Mặt trời
(các vết đen trên bề mặt Mặt trời).
Hình 5 cho thấy cường độ này thay đổi trong
năm và sụt giảm nhiều nhất vào mùa hè, trong
khi lại cao nhất vào mùa đông. Điều này là do
quĩ đạo của trái đất quanh mặt trời có dạng hình
ellip, với khoảng cách xa nhất vào mùa hè (tháng
Sáu, tháng Bảy, trong khi khoảng cách gần nhất
vào mùa đông (tháng Mười Hai, tháng Một).
Hình 3. Hệ thống phát điện mặt trời quang điện
Cường độ bức xạ mặt trời (solar irradiance) là
cường độ của bức xạ điện từ mặt trời trên 1 m2 bề
mặt [kW/ m2]. Mức bức xạ này là tổng công suất bức
xạ ứng với mỗi tần số trong phổ bức xạ mặt trời.
Hình 4. Suất giảm giá USD/Wp theo các năm
Theo dự báo của Cơ Quan Năng Lượng Quốc
Tế IeA (International energy Agency), giá của
các module QĐ sẽ giảm từ 0.6- 0.8 USD/Wp
hiện nay xuống khoảng 0.3 - 0.4 USD/Wp vào
năm 2035 (Hình 4).
Hình 5. Cường độ bức xạ mặt trời W/m2 đến tầng khí
quyển trái đất thay đổi theo tháng trong năm
BảN TiN HộI ĐIỆN LỰC MIềN NAM - THáNg 4 / 2018 7
Cường độ và năng lượng
bức xạ mặt trời
Bức xạ phản xạ phụ thuộc
vào khả năng phản xạ của bề
mặt và được đo bằng hệ số
phản xạ albedo tính cho mỗi vật
liệu (Bảng 1).
Hình 8 là bản đồ bức xạ trung
bình [kWh/m2/ngày] tại các khu
vực trên thế giới trên mặt phẳng
nghiêng 300 về phía Nam. Ở Việt
Nam năng lượng bức xạ hàng
ngày (Hình 9) thay đổi từ 2.6-
4.6 kWh/kWp và năng lượng
bức xạ hàng năm trung bình từ
949 – 1680 kWh/kWp cho các
vùng miền khác nhau của Việt
Nam. Bảng 2 là năng lượng bức
xạ mặt trời ở Việt Nam
12 tháng trong năm: J- tháng 1, F- tháng 2, M- tháng 3,
A- tháng 4, J- tháng 6, J- tháng 7, A- tháng 8, S- tháng 9, O- tháng
10, N- tháng 11, D- tháng 12
Khi qua bầu khí quyển trái đất, cường độ bức xạ mặt trời suy
giảm một phần do hiện tượng phản xạ và hấp thụ (do hơi nước và
bởi các chất khí trong khí quyển). Các bức xạ xuyên qua sau đó lại
một phần bị khuếch tán bởi không khí và bởi các hạt bụi lơ lửng
trong không khí (Hình 6).
Năng lượng bức xạ mặt trời (incident solar radiation) là bức xạ
mặt trời trong một khoảng thời gian nhất định [kWh/m2]. Do đó,
năng lượng bức xạ trên một bề mặt ngang là tổng bức xạ trực tiếp,
từ bức xạ trực tiếp trên bề mặt, bức xạ khuếch tán đến bề mặt từ
toàn bộ bầu trời ( không từ một phần cụ thể của bầu trời) và bức xạ
phản xạ từ mặt đất và môi trường xung quanh. Vào mùa đông với
bầu trời u ám và thành phần bức xạ khuếch tán khi đó lớn hơn so
với bức xạ trực tiếp (Hình 7).
Bản đồ BứC xạ mặt trỜi
trung Bình Ở CáC vùng
miền việt nam
• Bản đồ bức xạ trung bình
[kWh/kWp/ngày và kWh/kWp/
năm] (Nguồn Ngân Hàng Thế
Giới) tại các khu vực ở Việt Nam
ước tính lượng điện có thể sản
xuất từ HTQĐ là tấm pin mặt
trời 1 kWp nối lưới, tính toán
cho khoảng thời gian 9 năm gần
đây (2007-2015).
• HTQĐ kiểu cố định, dùng tấm
pin mặt trời loại silicon tinh
thể với khung đỡ đặt trên nền
đất, góc nghiêng trong khoảng
5- 24o về phía Nam. Biến tần
là loại có hiệu suất cao. Các
tính toán điện năng sản xuất
dựa vào các số liệu nguồn năng
lượng mặt trời với độ phân giải
cao và từ phần mềm Solargis.
Các tính toán có xét đến bức xạ
mặt trời, nhiệt độ không khí, địa
hình, mô phỏng quá trình biên
đổi năng lượng và các tổn thất
trong module quang điện và
các bộ phận khác của HTQĐ.
Các tổn thất do bụi bám vào
module, cáp dẫn, biên tần và
máy biến áp được tính là 9%.
• Cơ sở dữ liệu nguồn năng
lượng mặt trời được tính toán
từ các số liệu khí quyển và từ vệ
tinh với bước thời gian mỗi 30
phút, độ phân giải không gian
250 m.
Hình 6- Hình 7. Bức xạ mặt trời đến trái đất và các thành phần
8 BảN TiN HộI ĐIỆN LỰC MIềN NAM - THáNg 4 / 2018
Bảng 1. hệ Số Phản xạ aLBEdo
Loại bề mặt
Đường đi
albedo
0.04
0.07
0.07
0.10
0.13
0.14
0.20
0.20
0.22
Mặt nước
Rừng thông vào mùa đông
Đường nhựa
Mái nhà và sân thượng
Mặt đất
Đồng cỏ khô
Đá sỏi
Bêtông
Rừng/ cánh đồng (mùa thu) 0.26
Đồng cỏ xanh
0.26
0.27
0.30
0.60
0.75
Bề mặt tối của tòa nhà
Lá cây mục
Bề mặt sáng của tòa nhà
Tuyết
Hình 8. Bản đồ bức xạ trung bình [kWh/m2/ngày]
tại các khu vực trên thế giới
3.3 CáC thành Phần Cơ Bản Của hệ thống điện mặt trỜi
3.3.1 moduLE quang điện
Thành phần cơ bản của module quang điện (Module QĐ) (Hình 10) là các tế bào quang điện
(TBQĐ), nơi chuyển đổi bức xạ mặt trời thành dòng điện. Tế bào bao gồm một lớp mỏng vật liệu bán
dẫn, thường là silicon, với độ dày khoảng 0,3 mm và diện tích bề mặt từ 100 đến 225 cm2.Silicon,
có 4 electron hóa trị (tetravalent), được “pha tạp” bằng cách thêm các nguyên tử 3 hóa trị (ví dụ như
boron - P doping) lên một “lớp” và một lượng nhỏ các nguyên tử 5 hóa trị (ví dụ như phosphorus – N
doping) lên một lớp khác. Vùng P có một lượng lớn các lỗ trống dư thừa , trong khi vùng N có một
lượng electron dư thừa (Hình 10.a.). Trong vùng tiếp giáp giữa hai lớp được pha tạp môt cách khác
nhau (mối nối P-N), các electron tự do di động (mobile electrons) có xu hướng di chuyển từ vùng giàu
electron (N) đến vùng nghèo electron (P), do đó tạo ra sự tích tụ điện tích âm trong vùng P. Một hiện
tượng đối ngẫu xảy ra đối với các lỗ trống, với việc tích tụ điện tích dương trong vùng N. Do đó, giữa
mối nối P-N sẽ xuất hiện một điện trường chống lại hiện tượng khuếch tán các hạt mang điện nói trên
(Hình 10.b/. và c/. )
Hình 10. a/. Cấu trúc nguyên tử trong
Hình 10. (b) Các điện tích trong giai đoạn bắt đầu dịch chuyểnmột tế
bào quang điện silicon (c) giai đoạn xác lập [3]
BảN TiN HộI ĐIỆN LỰC MIềN NAM - THáNg 4 / 2018 9
Năng lượng
bức xạ
(kWh/m2,
ngày)
Thời gian
nắng trong
năm
Ứng dụng
Trung
bình
Đông Bắc
Tây Bắc
1600 – 1750
1750 – 1800
3.3 – 4.1
4.1 – 4.9
Trung
bình
Bắc Trung
bộ
1700 – 2000 4.6 – 5.2 Vùng
Tốt
Tây Nguyên
và Duyên
hải Nam
2000 – 2600
4.9 – 5.7
Rất tốt
Trung bộ
Phía Nam
2200 – 2500
1700 – 2500
4.3 – 4.9
4.6
Rất tốt
Tốt
Trung bình
toàn quốc
Hình 9. Bản đồ năng lượng bức xạ trung bình [kWh/kWp/ngày và kWh/kWp/ năm] tại các khu vực ở Việt Nam
Trường hợp áp lên một điện áp từ bên ngoài lên mối nối P-N, mối nối chỉ cho dòng điện chảy theo
một hướng nhất định, đây là trường hợp mối nối P-N làm việc với chức năng của một diode. Khi ánh
nắng rọi vào tế bào, do hiệu ứng quang điện, một số cặp electron-lỗ trống sẽ xuất hiện cả trong vùng
N cũng như trong vùng P. Điện trường bên trong khiến các electron dư thừa (có được từ sự hấp thụ của
các photon) được tách ra từ các lỗ trống và đẩy chúng theo các hướng ngược nhau.
Kết quả là, một khi các electron đã qua vùng kiệt (depletion region) thì chúng không thể di
chuyển ngược trở lại vì điện trường ngăn không cho chúng chảy theo chiều ngược lại (Hình 11). Khi tế
bào được chiếu sáng (Hình12), mối nối và dây dẫn bên ngoài tạo thành một mạch điện, và khi đó dòng
điện chảy từ lớp P có điện thế cao hơn đến lớp N, có điện thế thấp hơn.
Vùng silicon tạo ra dòng điện là vùng quanh mối nối P-N; điện tích cũng hình thành ở các vùng
xa hơn, nhưng do không có điện trường và do đó chúng kết hợp lại. Do đó, điều quan trọng là tế bào
quang điện cần có bề mặt lớn, bề mặt càng lớn, khi đó dòng điện tạo ra càng lớn.
Hình 12. Dòng điện phát ra bởi tế bào quang điện khi được chiếu sáng
Hình 11. Mối nối P-N và vùng kiệt
10 BảN TiN HộI ĐIỆN LỰC MIềN NAM - THáNg 4 / 2018
Phần trăm % tổn thất của bức xạ mặt trời
Hình 14 cho thấy nhiều TBQĐ được ghép nối
tiếp trong một tấm pin mặt trời (module), và
nhiều module được nối lại với nhau thành bảng
tấm (panel) pin mặt trời. Nhiều tấm pin mặt trời
sau đó nối tiếp lại tạo thành nhánh (string). Các
nhánh lại được nối song song với nhau tạo thành
dãy (arrays). Một HTQĐ thường bao gồm nhiều
dãy nối song song phát ra công suất và điện áp
yêu cầu. Các module quang điện được ghép nối
thành bảng tấm pin mặt trời (panel), và được lắp
Hình 13 của dòng chảy công suất của hiệu
ứng quang điện cho thấy một phần đáng kể năng
lượng mặt trời không được chuyển đổi thành điện
năng, và sẽ gây ra tổn thất nhiệt trong một TBQĐ.
Trong số 100% năng lượng của bức xạ mặt trời
đi đến tế bào, % năng lượng không được chuyển
đổi thành điện năng, và do đó mất mát dưới dạng
tổn thất nhiệt sẽ như sau:
- 3% : do phản xạ và che bóng mặt trước của đặt trên mái các công trình hay trên khung đỡ đặt
module
- 23% : do số photon có bước sóng cao, với mức
trên nền đất của HTQĐ (Hình 15).
Trong thực tế, các tế bào trong các module
năng lượng không đủ để giải phóng các electron có thể không hoàn toàn giống nhau do dung
tự do, do đó sẽ mất mát dưới dạng tổn thất nhiệt sai trong quá trình sản xuất và do đó, hai tế bào
ghép song song sẽ có điện áp khác nhau. Dòng
- 32% : do số photon có bước sóng thấp, với
điện chạy quẩn từ tế bào có điện áp cao hơn tới
mức năng lượng cao (hơn mức năng lượng cần
tế bào ở điện áp thấp hơn gây ra tổn thất năng
thiết để giải phóng các electron tự do), do đó sẽ
lượng. Hiện tượng tổn thất năng lượng cũng xảy
mất mát dạng tổn thất nhiệt
ra khi các tế bào nhận bức xạ mặt trời khác nhau,
- 8,5% : do hiện tượng các điện tích tự do kết
khi một phần bề mặt của các tấm panel bị che
hợp lại
bóng hay già hóa trong quá trình làm việc.
- 20% : do tổn thất điện áp đặc trưng bằng tỉ số
Các tế bào bị che bóng khi đó sẽ làm việc
Fv= eVB/eg của mối nối
như các diode, chặn dòng phát ra từ các tê bào
còn lại được chiếu năng đầy đủ. Mặt khác, điện áp
(ngược) từ các tế bào còn lại đặt lên các diode này
có thể gây hiện tượng đánh thủng mối nối của tế
bào với tổn thất do quá nhiệt cục bộ và làm hư
hỏng các module.
- 0.5% : do tổn thất nhiệt trên điện trở nối tiếp
Như vậy còn lại khoảng 14% là năng lượng
điện sử dụng được.
Trong điều kiện hoạt động tiêu chuẩn (bức xạ
1 kW/m2 ở nhiệt độ 25° C) một tế bào quang điện
tạo ra một dòng điện khoảng 3A với điện áp 0.5V
và công suất đỉnh bằng 1.5-1.7 Wp.
Các module quang điện trên thị trường có cấu
tạo từ tập hợp các tế bào. Phổ biến nhất là loại
module gồm 36 hay 72 tế bào nối tiếp, với diện
tích từ 0.5 đến 1m2.
1. Các điện tích phân li; 2. Tái hợp; 3. Chuyển
dịch; 4. Phản xạ và che bóng mặt trước
a.
b.
c.
Hình 14. Lắp ghép các tấm pin mặt trời
a. Tế bào quang điện (PV cell) Hình 15. Bảng tấm pin mặt trời
b. Module quang điện (PV module)
c. Dãy (array) HTQĐ gồm nhiều module quang điện nối tiếp tạo
thành nhánh (string) và nhiều nhánh song song với nhau
Hình 13. Hiệu ứng quang điện và các thành phần tổn
thất năng lượng
BảN TiN HộI ĐIỆN LỰC MIềN NAM - THáNg 4 / 2018 11
Hiện tượng tổn thất năng lượng cũng xảy ra khi các tế bào nhận
bức xạ mặt trời khác nhau, khi một phần bề mặt của các tấm panel
bị che bóng hay già hóa trong quá trình làm việc. Các tế bào bị che
bóng khi đó sẽ làm việc như các diode, chặn dòng phát ra từ các tê
bào còn lại được chiếu năng đầy đủ. Mặt khác, điện áp (ngược) từ
các tế bào còn lại đặt lên các diode này có thể gây hiện tượng đánh
thủng mối nối của tế bào với tổn thất do quá nhiệt cục bộ và làm
hư hỏng các module. Để hạn chế hiện tượng tiêu cực này, thường
có các diode rẽ nhánh (by-pass diode) song song với các module
để ngắn mạch các tế bào bị che bóng hoặc phần module bị hỏng.
Trong công nghệ màng mỏng,
kết nối điện là một phần của
quy trình của quá trình sản
xuất các tế bào, được đảm bảo
bởi một lớp oxid kim loại trong
suốt, chẳng hạn như oxid kẽm
hoặc oxid thiếc.
Hiện tượng tổn thất năng lượng cũng xảy ra khi điện áp của các
dãy quang điện trở nên mất cân bằng do hiện tượng bóng che hay
sự cố trong các dãy. Thường dùng diode chặn (blocking diode) nối
tiếp trên mỗi dãy để chống việc dòng điện chạy theo chiều ngược
(Hình 16).
Các tế bào trong một module hay một tấm pin năng lượng mặt
trời được đóng gói với các đặc tính:
• cách điện tế bào với bên ngoài;
• bảo vệ các tế bào khỏi các tác nhân xâm hại khí quyển và tác động
cơ học;
• bảo vệ chống tia cực tím ở nhiệt độ thấp, các thay đổi nhiệt độ đột
ngột và hiện tượng ăn mòn;
Hình 17. a. Mặt cắt ngang của một
module silicon tinh thể
• thoát nhiệt dễ dàng để tránh hiện tượng tăng nhiệt độ khi công
suất cung cấp bởi module giảm.
Nhà sản xuất phải bảo đảm các đặc tính này trong suốt thời gian
làm việc của các module.
Hình 17. b. Module silicon đơn tinh
thể
Hình 16. Diode chặn trên mỗi nhánh giúp tránh hiện tượng dòng ngược khi
có hiện tượng hư hỏng hay bóng che trên một nhánh, a. Khi không có diode
chặn, b. Khi có diode chặn
Hình 17 cho thấy mặt cắt ngang của một module silicon tinh thể,
được tạo thành bởi:
• lớp bảo vệ ngoài cùng có độ trong suốt cao tiếp xúc với ánh sáng
(vật liệu được sử dụng nhiều nhất là kính cường lực);
• lớp bao bọc bằng Ethylene Vinyl Acetate (EVA) tránh tiếp xúc trực
tiếp giữa lớp kính và tế bào, loại bỏ các khe do bề mặt không hoàn
hảo của các tế bào và cách điện tế bào với phần còn lại của panel;
Hình 17. c. Module silicon đa tinh thể
• mặt đỡ phía sau (thủy tinh, kim loại, nhựa);
• khung đỡ kim loại, thường bằng nhôm.
Trong công nghệ silicon tinh thể, sử dụng công nghệ hàn để kết nối
điện các tế bào sau khi được sản xuất;
12 BảN TiN HộI ĐIỆN LỰC MIềN NAM - THáNg 4 / 2018
Hình 17. d. Module màng mỏng gốc CdTe-CdS
Công nghệ CáC tấm Pin quang điện (Pv)
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. “Hiện Trạng và Dự Kiến
Phát Triển Ngành Điện Việt
Nam”, Hội Thảo Tích Hợp Nuôi
Trồng Thủy Sản với các Hệ
Thống Năng Lượng Tái Tạo-
Động Lực Thúc Đẩy Phát Triển
Năng Lượng Tái Tạo ở Việt
Nam, Tập Đoàn Điện Lực Việt
Nam eVN, TP HCM ngày 11
tháng 05.2018
[2]. aBB Technical application
Papers No.10 Photovoltaic
Plants, http://www04.abb.
PV thế hệ đầu: đã phát triển thương mại, sử dụng công nghệ
tinh thể silicon wafer-based (c-Si), hoặc tinh thể đơn (sc-Si) hoặc
đa tinh thể (mc-Si). Hiệu suất thương mại khoảng 16- 22 % (Hình
15).
PV thế hệ thứ hai: công nghệ PV màng mỏng (thin film), đang
được triển khai ở quy mô thương mại; nhưng một số khác vẫn
ở giai đoạn đầu của quá trình phát triển. Hiệu suất thương mại
khoảng 7-10 %.
Thế hệ thứ ba: bao gồm các công nghệ như PV tập trung (CPV=
Concentrated PV) và tế bào quang hữu cơ, công nghệ này vẫn đang
trong giai đoạn nghiên cứu, chưa được thương mại hóa rộng rãi.
Hiệu suất lên đến khoảng 30% .
[3]. Gilbert M. Masters ,
Renewable and efficient electric
Power Systems, John Wiley &
Sons, Inc., ISBN 0-471-28060-
7, 2004
[4]. Yang, Y., & Blaabjerg,
F., Overview of Single-Phase
Grid-Connected Photovoltaic
Systems, electric Power
Components & Systems,
43(12), 1352-1363, 2015
[5]. Ha¨berlin, Heinrich.,
Photovoltaics : System Design
and Practice, translated by
Herbert eppel, John Wiley &
Sons, Ltd, ISBN 978-1-119-
99285-1, 2012
Hình 18. Hiệu suất và diện tích/kWp các module QĐ theo các công nghệ khác nhau
BảN TiN HộI ĐIỆN LỰC MIềN NAM - THáNg 4 / 2018 13
9 trang
151780
Free
Bạn đang xem tài liệu "Kỹ thuật hệ thống điện mặt trời với công nghệ quang điện (Phần 1)", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- ky_thuat_he_thong_dien_mat_troi_voi_cong_nghe_quang_dien_pha.pdf
