by
Pin mặt trời là gì? Làm sao nó có thể tạo ta điện?
Pin mặt trời (solar cell) được cấu tạo bởi những chất bán dẫn (semiconductor), thông thường là Silicon (Si). Trước tiên các lớp bán dẫn này được làm nhiễm thừa điện tích dương (gọi là p-conducting semiconductor layer) có thưa các lỗ, và làm nhiễm thiếu điện tích dương (gọi là n-conducting semiconductor layer) có thừa các electron. Nếu ta kẹp một lớp p có dư điện tích dương có thừa lỗ với một lớp n bị thiếu điện tích dương có nhiều electron thì rõ ràng các electron ở lớp n sẽ chực chờ muốn nhảy sang lớp p để chiếm các lỗ. Rồi thì các electron từ lớp n cũng mò qua biên giới n-p junction để nhảy sang lớp p. Biên giới này bị mất thăng bằng điện tích nên phản ứng lại bằng cách tạo ra 1 điện trường dọc theo nó, đẩy các electron sang tận mép bên kia của lớp n và đẩy các lỗ sang tận mép bên kia của lớp p. Ngăn cách xảy ra!! Các electron từ lớp n không còn qua được các lỗ bên lớp p được nữa. Bây giờ nếu ta bắt cầu, nối dây dẫn từ lớp n sang lớp p để các electron từ lớp n có thể nhảy sang lớp p? Chúng quá yếu để di chuyển. Thế rồi dưới bức xạ của ánh nắng mặt trời, các photon chạm vào lớp silicon và mang năng lượng đến cho chúng: các photon cung cấp năng lượng để các electron thoát ra khỏi nhân tạo thành các electron di chuyển tự do, từ mặt ngoài của lớp n, chúng theo dây dẫn chạy sang lớp p bên kia để gặp các lỗ, tạo thành dòng điện. Và khi ánh nắng mặt trời còn mang photon đến thì quá trình này lại xảy ra, tạo ra dòng điện liên tục để ta sử dụng.
Hiệu suất của pin mặt trời là gì?
Đó là hiệu suất biến đổi năng lượng (conversion efficiency) của pin mặt trời., là tỉ số giữa lượng điện năng nó sản xuất ra với lượng năng lượng nó nhận được từ ánh sáng mặt trời. Khi hiệu suất biến đổi càng cao, pin mặt trời sản xuất ra nhiều năng lượng hơn. Hiệu suất biến đổi của pin mặt trời là do cấu tạo của nó (tùy theo nhà sản xuất với loại vật liệu sử dụng, kỹ thuật chế tạo,...mà đặc tính và hiệu suất các tấm pin sẽ khác nhau)
Bảng bên dưới đây cho ta tham khảo hiệu suất này:
Panel Generation Factor (PGF) là gì?
Trong thiết kế hệ thống solar, sử dụng bao nhiêu tấm pin mặt trời là điều trước tiên phải làm. Các tấm pin mặt trời hấp thụ bức xạ và phát ra điện nhiều hay ít tùy thuộc vào khí hậu từng vùng. Nhờ có hệ số hấp thu bức xạ của pin mặt trời (PGF) ta có thể biết được vùng ta ở thì độ hấp thu bức xạ của pin mặt trời là bao nhiêu để từ đó tính ra số lượng tấm pin mặt trời cần sử dụng.
Bên dưới là bảng số liệu hệ số hấp thụ bức xạ ở khu vực Châu Á- Thái Bình Dương được NASA ghi chép lại và tính toán trung bình của 10 năm.
Tại sao pin mặt trời không đặt nằm phẳng ngang để nhận tia sáng mặt trời tốt hơn mà lại đặt hơi nghiêng nghiêng?
Quả đất ta không phải là một mặt phẳng mà là hình cầu quay xung quanh mặt trời. Chỉ vùng đường xích đạo thẳng góc với tia sáng mặt trời còn các vùng khác thì không. Ở vùng xích đạo góc tới của tia sáng mặt trời bằng 0, càng xê dịch đến cực địa cầu thì góc tới của tia sáng mặt trời càng lớn. Do vậy ở các nơi này pin mặt trời không đặt nằm phẳng ngang mà lại đặt hơi nghiêng để có góc tới bằng 0, pin mặt trời hấp thụ tối đa bức xạ mặt trời.
Nếu ở Bắc bán cầu, pin mặt trời đặt nghiêng về phía Nam 1 góc bằng vĩ độ
Nếu ở Nam bán cầu, pin mặt trời đặt nghiêng về phía Bắc 1 góc bằng vĩ độ
MPP là gì?
Các tấm pin mặt trời làm từ vật liệu Silicon nên dòng và áp của chúng cũng có quan hệ với nhau, chứ không phải bất kỳ. Khi pin mặt trời ở một điện thế nào đó thì nó cũng có một dòng điện tương ứng. Vẽ tất cả các cặp điểm này lại ta có Đường cong đặc tính V-I của pin mặt trời.
Với một điểm làm việc nào đó của nó ta sẽ có một V và một I tương ứng, và công suất nó tạo ra sẽ là P = VI. Chắc chắn là P này sẽ thay đổi khi điểm làm việc thay đổi, và điểm nào cho ta P lớn nhất thì gọi là điểm công suất cực đại của tấm pin mặt trời (Maximum Power Point: MPP)
Đường cong đặc tính dòng điện – điện áp của tấm pin mặt trời cho ta quan hệ V và I để từ đó xác định được điểm công suất cực đại của nó có hình dạng như hình sau đây.
MPPT hay Maximum Power Point Tracking là thuật toán mà bộ charge controllers sử dụng để làm cho các tấm pin mặt trời kết nối vào nó hấp thụ tối đa năng lượng mặt trời. Khi tia nắng mặt trời thay đổi (như khi trời râm mát hay nắng lên) điểm MPP của tấm pin mặt trời thay đổi theo. Bộ charge controllers có MPPT thường có thiết kế vi-xử-lý bên trong luôn theo dõi được quan hệ V-I, ép tấm pin mặt trời phải làm việc tại điểm công suất cực đại, nhằm làm cho các tấm pin mặt trời hấp thụ năng lượng tối đa.
Bộ solar charger controller loại PWM và loại bộ solar charger controller MPPT khác nhau như thế nào?
Nhiệm vụ cơ bản nhất của bộ điều khiển charge là điều chỉnh điện áp ra của PV panel thành điện áp thích hợp để nạp cho acquy. Để làm điều này, trước đây người ta dung nguyên tắc PWM (điều rộng xung) và sau này là MPPT (làm việc ở điểm công suất lớn nhất)
Nguyên tắc PWM thường được dùng trong các mạch ổn áp, nếu PV panel có điện áp 17V trong khi điện áp charge cho acquy chỉ có 13.6V, người ta sẽ sử dụng 1 mạch transistor để đóng cắt liên tục làm nó chỉ cấp điện trong 80% thời gian (17V * 80% = 13.6V). Có thể hiểu được điều này khi xem hình vẽ sau:
Các solar charger controller hiện nay thường dùng phương pháp MPPT. Phương pháp này thoát ra khỏi quan niệm điều áp cũ kỹ của PWM để đưa vào quan điểm khác: làm sao sử dụng tối ưu hiệu suất của PV panel. Do vậy nó khá phức tạp và tốn kém. Nguyên tắc của nó là dùng các mạch vi-xử-lý để theo dỏi điểm làm việc có công suất cực đại của PV panel, ép PV panel luôn làm việc ở điểm này để lấy tối đa năng lượng của PV panel (điểm MPP của PV panel cũng luôn thay đổi do ánh nắng thay đổi). Sau đó đưa năng lượng này sang 1 mạch charge bình, vì mạch này độc lập nên có thể thiết kế có nhiều chế độ charge, tối ưu hóa việc nạp bình về thời gian nạp và cách nạp để kéo dài tuổi thọ bình. Một ưu điểm khác là vào ban đêm, khi điện áp của PV panel bằng không, năng lượng được dự trữ ở acquy có điện thế lớn có khuynh hướng chạy ngược về panel thì nó cách ly ra chúng ra hoàn toàn, vừa bảo vệ PV panel vừa bảo vệ năng lượng dự trữ ở bình. Điều này thì bộ PWM khó có thể thực hiện hoàn hảo được.
Các solar charger controller MPPT có giá đắt hơn nhiều so với các solar charger controller PWM. Tuy nhiên nó xứng đáng được dùng vì nếu tính trên hiệu suất của cả hệ thống thì nó lại rẻ hơn nhiều so với khi dùng loại PWM cũ, làm mất hiệu suất trên 10% hay hơn thế nữa.
0 comments: