Hệ thống điện mặt trời

Hệ thống điện mặt trời cơ bản cung cấp điện một chiều và xoay chiều cho tải và hòa vào lưới điện quốc gia có sơ đồ khối như Hình 1.

Hình 1: Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời.

Trong sơ đồ này, tấm pin năng lượng mặt trời chuyển đổi năng lượng từ ánh nắng mặt trời trực tiếp thành điện năng. Điện năng này được sạc vào bình ắc-qui thông qua bộ điều khiển sạc hoặc biến đổi thành điện xoay chiều và hòa vào lưới điện quốc gia thông qua bộ biến đổi (Inverter). Điện năng lưu trữ tại bình ắc-qui đóng vai trò như một nguồn dự phòng, có thể sử dụng trực tiếp ở dạng một chiều hoặc biến đổi thành điện xoay chiều.
Trong bài viết này, chúng tôi sẽ trình bày những khái niệm cơ bản về tấm pin năng lượng mặt trời - thành phần tạo ra điện cho hệ thống.

Cấu trúc và hoạt động của tế bào quang điện (PV)
Đặc tính chính của một tế bào quang điện là tiếp giáp p-n đã được đề cập ở hầu hết các giáo trình Vật lý và linh kiện điện tử. Hiệu ứng quang điện là quá trình vật lý cơ bản để tế bào quang điện chuyển hóa ánh nắng thành điện. Ánh nắng chứa các photon hay “các gói” năng lượng đủ để tạo thành cặp electron-lỗ trống trong miền n và miền p. Electron tích lũy trong miền n và lỗ trống tích lũy trong miền p, tạo ra một hiệu điện thế giữa tế bào. Khi có một tải bên ngoài được nối vào, electron chạy qua khối vật liệu bán dẫn và tạo thành dòng điện qua tải.
Cấu trúc của tế bào quang điện: Mặc dù có nhiều loại tế bào quang điện khác nhau và những nghiên cứu đang tiếp tục hứa hẹn những sự phát triển trong tương lai, nhưng tế bào quang điện mạng tinh thể silic vẫn là loại được sử dụng rộng rãi nhất. Một tế bào quang điện silic gồm có một lớp mỏng silic được pha tạp để tạo ra tiếp giáp p-n. Bề dày và sự phân bố nguyên tử tạp chất được điều khiển rất chính xác trong quá trình pha tạp. Phương pháp phổ biến nhất để chế tạo phôi silic từ khối silic được cắt ra gọi là phương pháp Czochralski. Trong quá trình này, tinh thể silic gốc được nhúng vào khối đa tinh thể silic nóng chảy. Khi tinh thể silic gốc được lấy ra và quay tròn, tấm phôi silic hình trụ được tạo thành.
Những miếng mỏng hình tròn được cắt ra từ khối phôi silic siêu tinh khiết sau đó được đánh bóng và cắt thành những hình bát giác, ngũ giác hoặc hình chữ nhật sao cho có khả năng bao phủ lớn nhất khi lắp vào dãy. Miếng mỏng silic được pha tạp sao cho miền n mỏng hơn nhiều so với miền p để cho phép ánh sáng có thể xuyên qua được, như Hình GA1-1(a).
Một mạng lưới các dải dẫn tiếp xúc rất mỏng được phủ lên khối silic bởi các phương pháp như cảm quang hay in lụa như phần (b). Lới tiếp xúc phải tối đa hóa diện tích bề mặt của khối silic nhận ánh nắng sao cho có thể nhận được năng lượng mặt trời nhiều nhất có thể.

 

Hình GA1-1: Cấu trúc cơ bản của tế bào quang điện.

Lưới dẫn điện phủ ở mặt trên của tế bào là rất cần thiết để electron có quãng đường ngắn nhất qua khối silic khi một tải bên ngoài được nối vào. Electron ở càng xa đi qua vật liệu silic, năng lượng của nó bị mất đi càng nhiều do điện trở của vật liệu. Một lớp tiếp xúc bao phủ lớp dưới của khối silic được thêm vào, như thể hiện trong hình vẽ. Bề dày của tế bào quang điện khi so sánh với diện tích bề mặt được phóng đại lên rất nhiều cho mục đích mô tả.
Sau khi lớp tiếp xúc được kết nối lại, một lớp chống phản xạ được phủ lên bề mặt của lưới tiếp xúc và miền n, như Hình GA1-1(c). Điều này cho phép tế bào quang điện hấp thụ năng lượng mặt trời nhiều nhất có thể bằng cách giảm bớt năng lượng của ánh nắng bị phản xạ bởi bề mặt của tế bào. Cuối cùng một lớp thủ tinh hoặc một lớp nhựa trong suốt được gắn vào phía trên của tế bào với lớp kết dính trong suốt để bảo vệ tế bào khỏi tác động của thời tiết. Hình GA1-2 là một tế bào quang điện hoàn chỉnh.

 

Hình GA1-2

Một tế bào quang điện hoàn chỉnh.

Nguyên lý hoạt động của tế bào quang điện: Như đã trình bày trước đó, ánh nắng mặt trời bao gồm những photon, hay “những gói năng lượng”. Mặt trời cung cấp một lượng năng lượng đáng kinh ngạc. Một phần nhỏ năng lượng mặt trời tới trái đất là đủ gấp nhiều lần nhu cầu năng lượng của chúng ta. Chỉ cần năng lượng mặt trời chiếu xuống trái đất trong một giờ là đủ nhu cầu cho toàn thế giới trong một năm.
Lớp bán dẫn loại n rất mỏng nếu so sánh với lớp bán dẫn loại p để cho phép ánh sáng có thể truyền qua được đến miền p. Độ dày của toàn bộ tế bào thực sự chỉ xấp xỉ độ dày của vỏ quả trứng. Khi một photon xuyên qua cả miền n và miền p và tác động vào một nguyên tử silic gần tiếp giáp pn với năng lượng đủ để làm bứt một electron ở vùng hóa trị, electron đó trở thành electron tự do và để lại một lỗ trống trong vùng hóa trị, tạo thành cặp electron-lỗ trống. Năng lượng cần thiết để tạo ra một electron tự do từ vùng hóa trị của nguyên tử silic gọi là năng lượng vùng cấm và bằng 1.12 eV (electron vôn). Tại miền p, electron tự do vượt qua vùng nghèo để đến miền n bởi điện trường. Tại miền n lỗ trống vượt qua vùng nghèo để đến miền p bởi điện trường. Electron tích lũy ở miền n, tạo thành lớp điện tích âm; và lỗ trống tích lũy ở miền p, tạo thành lớp điện tích dương. Một điện áp được tạo thành giữa lớp tiếp xúc miền n và miền p, như trong Hình GA1-3.

Hình GA1-3: Nguyên lý hoạt động cơ bản của tế bào quang điện với ánh sáng chiếu tới.

Khi một tải được nối tới tế bào quang điện thông qua lớp tiếp xúc phía trên và lớp tiếp xúc phía dưới, electron tự do di chuyển qua miền n tới lưới tiếp xúc ở mặt trên, qua lớp tiếp xúc âm, qua tải và trở lại lớp tiếp xúc dương ở mặt dưới, và tới miền p tại đây chúng có thể tái hợp với lỗ trống. Năng lượng ánh nắng mặt trời tiếp tục tạo ra cặp electron-lỗ trống mới và quá trình cứ tiếp diễn, như mô tả ở Hình GA1-4.
Đặc tính của tế bào quang điện
Tế bào quang điện thường có kích thước từ 100 cm² đến 225 cm². Điện áp có thể sử dụng được của tế bào quang điện silic khoảng 0.5 V đến 0.6 V. Điện áp phụ thuộc rất ít vào cường độ ánh sáng, nhưng dòng điện tăng khi cường độ sáng tăng. Ví dụ với một tế bào quang điện silic 100 cm² đạt tới dòng điện tối đa 2 A khi được chiếu sáng bởi ánh sáng có cường độ 1000 W/m².

Hình GA1-4:Tế bào quang điện tạo ra điện áp và dòng điện qua tải khi có ánh nắng chiếu đến.

Hình GA1-5 là đặc tuyến V-I của một tế bào quang điện thông thường với những cường độ chiếu sáng khác nhau. Cường độ ánh sáng càng cao tạo ra dòng điện càng lớn. Điểm làm việc cho công suất đầu ra lớn nhất với một cường độ ánh sáng nhất định là “điểm uốn” của đặc tuyến, như thể hiện bằng đường nét đứt. Tải của tế bào quang điện điều khiển điểm làm việc này (R_L =V/I)

 

Hình GA1-5: Đặc tuyến V-I của một tế bào quang điện thông thường với cường độ chiếu sáng tăng dần.

Trong một hệ thống năng lượng mặt trời, tế bào thường được tải bởi bộ điều khiển sạc hoặc bộ biến đổi. Một phương pháp đặc biệt gọi là bám theo điểm công suất cực đại (maximum power point tracking: MPPT) sẽ tìm điểm làm việc và điều chỉnh điện trở tải để giữa điểm làm việc trong vùng điểm uốn. Ví dụ, giả sử tế bào quang điện đang hoạt động ở đặc tuyến có cường độ cao nhất (màu xanh) như trong Hình GA1-5. Để có công suất lướn nhất (đường nét đứt), điện áp là 0.5 V và dòng điện 1.5 A. Dưới điều kiện này, tải là
Bây giờ nếu cường độ chiếu sáng giảm xuống nơi tế bào quang điện hoạt động ở đường màu đỏ, dòng điện nhỏ hơn và điện trở tải phải thay đổi để giữ cho công suất ra cực đại như sau:
Nếu điện trở tải không thay đổi, điện áp ra sẽ giảm xuống còn
Kết quả làm giảm công suất ra cực đại đối với đặc tuyến màu đỏ. Dĩ nhiên là công suất sẽ nhỏ hơn hơn ở đường màu đỏ so với công suất ở đường màu xanh vì dòng điện nhỏ hơn.
Điện áp ra và dòng điện của tế bào quang điện cũng phụ thuộc vào nhiệt độ. Lưu ý ở trong Hình GA1-6 rằng đối với cường độ ánh sáng không đổi điện áp ra giảm khi khi nhiệt độ tăng nhưng dòng điện chỉ bị ảnh hưởng một lượng nhỏ.

 

Hình GA1-6: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến điện áp và dòng điện ra với cường độ sáng cố định chiếu tới tế bào

Vấn đề hiện nay là khai thác năng lượng mặt trời với lượng vừa đủ và giá thành hợp lý. Một bảng tế bào quang điện khoảng một mét vuông tạo ra 100 W trong mùa nắng. Một chút năng lượng có thể thu được ngay cả khi có mây bao phủ, nhưng không thể có năng lượng vào ban đêm.
Một tế bào quang điện đơn lẻ là không thực tế cho hầu hết các ứng dụng bởi vì nó chỉ có thể tạo ra điện áp 0.5 V đến 0.6 V. Để tạo ra điện áp cao hơn, nhiều tế bào quang điện được mắc nối tiếp như Hình GA1-7(a). Ví dụ, sáu tế bào quang điện nối tiếp sẽ tạo ra 6 x (0.5) = 3 V. Bởi vì sáu tế bào bằng nối tiếp nên dòng điện tạo ra bằng với dòng điện của một tế bào. Để tăng cường độ dòng điện, những tế bào mắc nối tiếp lại được mắc song song, như ở phần (b). Giả sử một tế bào có thể tạo ra 2 A, sắp xếp mười hai tế bào nối tiếp – song song sẽ tạo ra 4 A và 3 V. Nhiều tế bào kết nối lại để tạo ra một công suất thích hợp gọi là tấm pin năng lượng mặt trời hay mô-đun tế bào quang điện.

 

Hình GA1-7: Những tế bào quang điện kết nối lại với nhau để tạo thành một dãy gọi là tấm pin năng lượng mặt trời.

Tấm pin năng lượng mặt trời nói chung thường tồn tại dưới dạng 12 V, 24 V, 36 V và 48 V. Những tấm tế bào quang điện với đầu ra lớn hơn cũng được dùng cho một số ứng dụng đặc biệt. Trong thực tế, một tấm pin mặt trời 12 V tạo ra điện áp lớn hơn 12 V (15 V hoặc 20 V) để sạc cho ắc-qui 12 V và bù vào điện áp rơi trên các tấm pin khi mắc nối tiếp và những hao hụt khác. Một cách lý tưởng, một tấm pin với 24 tế bào quang điện cần tạo ra điện áp 12 V, giả sử mỗi tế bào tạo ra 0.5 V. Trong thực tế, hơn ba mươi tế bào thường được sử dụng trong tấm pin 12 V. Nhà sản xuất thường ghi rõ công suất danh định đầu ra của một tấm pin tại một mức phát xạ ánh nắng mặt trời nhất định gọi là mức phát xạ mặt trời đỉnh thường là 1000 W/m². Ví dụ với một tấm pin mặt trời 12 V có điện áp định mức 17 V và tạo ra dòng điện ra tải 3. 5 A tại điều kiện đỉnh mặt trời có công suất danh định là
Nhiều tấm pin mặt trời có thể được kết nối với nhau tạo thành dãy lớn hơn để tạo ra công suất ra lớn hơn, như mô tả ở Hình GA1-8.

 

Hình GA1-8: Dãy những tấm pin mặt trời.

Tài liệu tham khảo: Thomas L. Floyd, Electronic Devices, 9th Edition, Prentice Hall, 2012