Kỹ thuật hệ thống điện mặt trời với công nghệ quang điện

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.

Kỹ thuật hệ thống điện mặt trời với công nghệ quang điện trang 1

Trang 1

Kỹ thuật hệ thống điện mặt trời với công nghệ quang điện trang 2

Trang 2

Kỹ thuật hệ thống điện mặt trời với công nghệ quang điện trang 3

Trang 3

Kỹ thuật hệ thống điện mặt trời với công nghệ quang điện trang 4

Trang 4

Kỹ thuật hệ thống điện mặt trời với công nghệ quang điện trang 5

Trang 5

Kỹ thuật hệ thống điện mặt trời với công nghệ quang điện trang 6

Trang 6

Kỹ thuật hệ thống điện mặt trời với công nghệ quang điện trang 7

Trang 7

Kỹ thuật hệ thống điện mặt trời với công nghệ quang điện trang 8

Trang 8

Kỹ thuật hệ thống điện mặt trời với công nghệ quang điện trang 9

Trang 9

pdf 9 trang duykhanh 28420
Bạn đang xem tài liệu "Kỹ thuật hệ thống điện mặt trời với công nghệ quang điện", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên

Tóm tắt nội dung tài liệu: Kỹ thuật hệ thống điện mặt trời với công nghệ quang điện

Kỹ thuật hệ thống điện mặt trời với công nghệ quang điện
i 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).
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 3. Hệ thống phát điện mặt trời quang điện 
 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 
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.
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).
 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 albedo
Đường đi 0.04
Mặt nước 0.07
Rừng thông vào mùa đông 0.07
Đường nhựa 0.10
Mái nhà và sân thượng 0.13
Mặt đất 0.14
Đồng cỏ khô 0.20
Đá sỏi 0.20
Bêtông 0.22
Rừng/ cánh đồng (mùa thu) 0.26
Đồng cỏ xanh 0.26
Bề mặt tối của tòa nhà 0.27
Lá cây mục 0.30
Bề mặt sáng của tòa nhà 0.60
Tuyết 0.75
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 8. Bản đồ bức xạ trung bình [kWh/m2/ngày] 
 tại các khu vực trên thế giới
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 
Hình 9. Bản đồ năng lượng bức xạ trung bình [kWh/kWp/ngày và kWh/kWp/ năm] tại các khu vực ở Việt Nam
Thời gian 
nắng trong 
năm
Năng lượng 
bức xạ 
(kWh/m2, 
ngày)
Ứng dụng
Đông Bắc 1600 – 1750 3.3 – 4.1 Trung bình
Tây Bắc 1750 – 1800 4.1 – 4.9 Trung bình
Bắc Trung 
bộ 1700 – 2000 4.6 – 5.2 Vùng Tốt
Tây Nguyên 
và Duyên 
hải Nam 
Trung bộ
2000 – 2600 4.9 – 5.7 Rất tốt
Phía Nam 2200 – 2500 4.3 – 4.9 Rất tốt
Trung bình 
toàn quốc 1700 – 2500 4.6 Tốt
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 11. Mối nối P-N và vùng kiệt Hình 12. Dòng điện phát ra bởi tế bào quang điện khi được chiếu sáng
10 BảN TiN HộI ĐIỆN LỰC MIềN NAM - THáNg 4 / 2018
Phần trăm % tổn thất của bức xạ mặt trời
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 
module
- 23% : do số photon có bước sóng cao, với mức 
năng lượng không đủ để giải phóng các electron 
tự do, do đó sẽ mất mát dưới dạng tổn thất nhiệt
- 32% : do số photon có bước sóng thấp, với 
mức năng lượng cao (hơn mức năng lượng cần 
thiết để giải phóng các electron tự do), do đó sẽ 
mất mát dạng tổn thất nhiệt 
- 8,5% : do hiện tượng các điện tích tự do kết 
hợp lại 
- 20% : do tổn thất điện áp đặc trưng bằng tỉ số 
Fv= eVB/eg của mối nối
- 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
 Hình 13. Hiệu ứng quang điện và các thành phần tổn 
thất năng lượng
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 
đặt trên mái các công trình hay trên khung đỡ đặt 
trên nền đất của HTQĐ (Hình 15).
Trong thực tế, các tế bào trong các module 
có thể không hoàn toàn giống nhau do dung 
sai trong quá trình sản xuất và do đó, hai tế bào 
ghép song song sẽ có điện áp khác nhau. Dòng 
điện chạy quẩn từ tế bào có điện áp cao hơn tới 
tế bào ở điện áp thấp hơn gây ra tổn thất năng 
lượng.  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.
b.a. 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 
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.
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;
• 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 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;
• 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; 
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.
Hình 17. a. Mặt cắt ngang của một 
module silicon tinh thể
Hình 17. b. Module silicon đơn tinh 
thể 
Hình 17. c. Module silicon đa tinh thể
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)
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% .
Hình 18. Hiệu suất và diện tích/kWp các module QĐ theo các công nghệ khác nhau
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, 
com/global/seitp/seitp202.
nsf/c71c66c1f02e6575c125
711f004660e6/d54672ac6e-
97a439c12577ce0038d84 
/$FILe/Vol.10.pdf
[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
[6]. 
san-pham?product_id=65
BảN TiN HộI ĐIỆN LỰC MIềN NAM - THáNg 4 / 2018 13 

File đính kèm:

  • pdfky_thuat_he_thong_dien_mat_troi_voi_cong_nghe_quang_dien.pdf