Kỹ thuật hệ thống điện mặt trời với công nghệ quang điện (Phần 1)
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.
Trang 1
Trang 2
Trang 3
Trang 4
Trang 5
Trang 6
Trang 7
Trang 8
Trang 9
Tóm tắt nội dung tài liệu: Kỹ thuật hệ thống điện mặt trời với công nghệ quang điện (Phần 1)
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:
- ky_thuat_he_thong_dien_mat_troi_voi_cong_nghe_quang_dien_pha.pdf