Thành phần và Nguyên lý hoạt động của Hệ thống Phát điện Quang điện

Thành phần và Nguyên lý hoạt động của Hệ thống Phát điện Quang điện (PV)

Hệ thống phát điện quang điện (PV) chủ yếu bao gồm các mô-đun PV, bộ điều khiển, bộ chuyển đổi, ắc quy, và các phụ kiện khác (ắc quy không cần thiết cho hệ thống nối lưới). Dựa trên việc có dựa vào lưới điện công cộng hay không, hệ thống PV được chia thành hai loại: độc lập và nối lưới. Hệ thống độc lập hoạt động riêng biệt mà không cần đến lưới điện công cộng. Chúng được trang bị ắc quy lưu trữ năng lượng để đảm bảo cung cấp điện ổn định, có thể cung cấp điện cho tải trong đêm hoặc những ngày mưa kéo dài khi sản xuất điện từ mặt trời không đủ.

Bất kể loại hệ thống nào, nguyên lý hoạt động vẫn giữ nguyên: các mô-đun PV chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện một chiều (DC), sau đó được chuyển đổi thành điện xoay chiều (AC) bởi bộ chuyển đổi, cho phép tiêu thụ điện hoặc nối với lưới điện.

1. Mô-đun Quang điện (PV)

Mô-đun PV là thành phần chính của toàn bộ hệ thống phát điện. Chúng được tạo ra bằng cách kết hợp các tế bào quang điện riêng lẻ, được cắt thành nhiều kích thước khác nhau sử dụng máy cắt laser hoặc dây. Do điện áp và dòng điện đầu ra của một tế bào mặt trời đơn lẻ rất thấp, nhiều tế bào được kết nối theo chuỗi để đạt được điện áp cao hơn, sau đó kết nối song song để tăng cường dòng điện. Bộ lắp ráp bao gồm một điôt chặn (để ngăn dòng điện ngược lại), và được bọc trong khung làm bằng thép không gỉ, nhôm, hoặc vật liệu phi kim. Nó được niêm phong bằng kính cường lực ở phía trước, tấm đệm ở phía sau, được bơm khí nitơ, và được hàn kín. Nhiều mô-đun PV kết nối theo chuỗi và song song tạo thành mảng PV (còn gọi là mảng mặt trời).

Nguyên lý hoạt động: Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào khớp p-n bán dẫn của tế bào mặt trời, các cặp electron-lỗ được tạo ra. Dưới tác động của điện trường tại khớp p-n, các lỗ di chuyển về vùng p và các electron di chuyển về vùng n. Khi mạch được đóng, dòng điện sẽ chảy. Chức năng chính của mô-đun PV là chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện, hoặc lưu trữ trong ắc quy hoặc trực tiếp cung cấp cho tải điện.

Các loại mô-đun PV:

• Silicon đơn tinh thể: Hiệu suất ≈ 18%, lên đến 24% — cao nhất trong tất cả các loại PV. Thường được bọc bằng kính cường lực và nhựa chống thấm nước, làm cho chúng bền và lâu dài (tuổi thọ lên đến 25 năm).

• Silicon đa tinh thể: Hiệu suất ≈ 14%. Quá trình sản xuất tương tự như silicon đơn tinh thể, nhưng hiệu suất thấp hơn, chi phí thấp hơn, và tuổi thọ ngắn hơn. Tuy nhiên, nó đơn giản hơn để sản xuất, tiêu thụ ít năng lượng hơn, và có chi phí sản xuất thấp hơn, dẫn đến sự chấp nhận rộng rãi.

• Silicon vô định hình (màng mỏng): Hiệu suất ≈ 10%. Được sản xuất bằng quá trình màng mỏng hoàn toàn khác, yêu cầu ít silicon và năng lượng. Ưu điểm chính là hiệu suất tốt hơn trong điều kiện ánh sáng yếu.

2. Bộ điều khiển (Dùng trong hệ thống độc lập)

Bộ điều khiển sạc mặt trời là thiết bị tự động ngăn chặn việc sạc quá mức và xả quá mức của ắc quy. Được trang bị vi xử lý CPU tốc độ cao và bộ chuyển đổi A/D chính xác, nó hoạt động như một hệ thống thu thập và giám sát dữ liệu dựa trên vi tính. Nó có thể nhanh chóng thu thập dữ liệu vận hành thực tế, giám sát trạng thái hệ thống, và lưu trữ dữ liệu lịch sử, cung cấp thông tin chính xác và đầy đủ để đánh giá thiết kế hệ thống và độ tin cậy của các thành phần. Nó cũng hỗ trợ giao tiếp nối tiếp cho quản lý tập trung và điều khiển từ xa của nhiều trạm PV con.

3. Bộ chuyển đổi

Bộ chuyển đổi chuyển đổi điện DC do các tấm pin mặt trời tạo ra thành điện AC, làm cho nó tương thích với các thiết bị sử dụng điện AC tiêu chuẩn. Bộ chuyển đổi PV là thành phần cân đối hệ thống (BOS) quan trọng và bao gồm các tính năng đặc biệt như Theo dõi Điểm Công suất Tối đa (MPPT) và bảo vệ đảo điện.

Các loại bộ chuyển đổi mặt trời:

• Bộ chuyển đổi độc lập: Được sử dụng trong hệ thống độc lập. Mảng PV sạc ắc quy, và bộ chuyển đổi rút điện DC từ ắc quy để cung cấp cho tải AC. Nhiều bộ chuyển đổi độc lập bao gồm bộ sạc ắc quy tích hợp có thể sạc lại ắc quy bằng điện AC. Các bộ chuyển đổi này không được kết nối với lưới điện và không yêu cầu bảo vệ đảo điện.

• Bộ chuyển đổi nối lưới: Đưa điện AC trở lại lưới điện công cộng. Sóng đầu ra của nó phải khớp với pha, tần số, và điện áp của lưới. Nó tự động tắt nếu lưới bị ngắt vì lý do an toàn. Nó không cung cấp điện dự phòng trong trường hợp lưới bị ngắt.

• Bộ chuyển đổi dự phòng ắc quy: Là bộ chuyển đổi đặc biệt sử dụng ắc quy làm nguồn điện chính và bao gồm bộ sạc để sạc lại chúng. Điện dư thừa có thể được đưa trở lại lưới. Trong trường hợp lưới bị ngắt, nó có thể cung cấp điện AC cho các mạch được chỉ định, và do đó bao gồm bảo vệ đảo điện.

4. Ắc quy (Không cần thiết trong hệ thống nối lưới)

Ắc quy là đơn vị lưu trữ năng lượng trong hệ thống PV. Các loại phổ biến bao gồm ắc quy chì kín, ắc quy chì mở, ắc quy gel, và ắc quy kiềm niken-cadmium. Ắc quy chì kín và ắc quy gel là loại được sử dụng rộng rãi nhất.

Nguyên lý hoạt động: Ban ngày, ánh sáng mặt trời chiếu vào các mô-đun PV, tạo ra điện áp DC và chuyển đổi ánh sáng thành điện. Năng lượng này được gửi đến bộ điều khiển, ngăn chặn việc sạc quá mức, và sau đó được lưu trữ trong ắc quy để sử dụng sau này khi cần thiết.