11

Chương 3
PIN QUANG ĐIỆN
3.1 Giới thiệu
Năng lượng mặt trời đang ngày càng thu hút được nhiều sự quan tâm và đầu tư.
Tuy nhiên, vấn đề về giá cả của nguồn điện mặt trời vẫn là một vấn đề lớn.
Hiện nay, năng lượng mặt trời chỉ cung cấp một phần nhỏ bé trong nhu cầu về
điện cho con người nhưng những người ủng hộ năng lượng này tin tưởng kỉ nguyên
năng lượng mặt trời chỉ mới bắt đầu và càng ngày được đẩy mạnh khi các quốc gia
phát triển thực hiện chiến dịch chống biến đổi khí hậu và hạn chế việc phụ thuộc vào
nhiên liệu hóa thạch như dầu mỏ, khí đốt …
Chính Phủ Nhật Bản, Đức và Hoa Kỳ đang thúc đẩy việc hỗ trợ người dân dần
dần từ bỏ các nhiên liệu hoá thạch. Chẳng hạn, tại Đức, một gia đình có thể được
chính phủ hỗ trợ hơn 2000 euro (khoảng 2860 USD) để lắp đặt các pin quang điện. Họ
không phải trả bất kì phí nào trong 10 năm và còn được thu lợi trong 10 năm tiếp theo.
Tuy nhiên, ở các nước đang phát triển việc tuyên truyền sử dụng năng lượng
mặt trời lại hạn chế trong khi chính những nước này càng cần phải tranh thủ nguồn
năng lượng mặt trời nhiều hơn. Các quốc gia này có nhiều thuận lợi hơn về điều kiện
địa lý như gần xích đạo và có cường độ bức xạ mặt trời lớn hơn các nước ôn đới.
Mặt trời bức xạ năng lượng tương ứng với một dãy bức xạ rất rộng. Tuy nhiên,
có thể nhận ra rằng không phải bức xạ nào cũng có thể tạo ra hiện tượng quang điện.
Thực tế, chỉ có những bức xạ với bước sóng, λ có năng lượng lớn hơn mức năng lượng
kích hoạt electron thì bức xạ ấy mới có khả năng tạo ra hiện tượng quang điện. Hiện
tượng ánh sáng, có bước sóng ngắn làm bật các electron ra khỏi mặt kim loại gọi là
hiện tượng quang điện, các electron bị bật ra gọi là electron quang điện.
Phổ năng lượng mặt trời tác động lên PV, Hình 3.1 cho thấy rằng 20,2% năng lượng
mặt trời tổn hao không có tác dụng do có năng lượng thấp hơn mức năng lượng tối
thiểu để kích hoạt các electron ra khỏi trạng thái tĩnh của chúng (hv < Eg); 30,2% bị
mất đi ở các vùng năng lượng (hv > Eg) và chỉ có 49,6% năng lượng hữu ích có thể
được thu bởi PV [3.1].


13

.
Hình 3.3 Bản đồ nhiệt độ trung bình toàn cầu [3.2]
Năng lượng mặt trời có thể được xem như là một trong các dạng quang năng mà có thể
được biến đổi thành điện năng. Về cơ bản có 2 hình thức biến đổi:
- Quang năng  nhiệt năng  điện năng
- Quang năng  điện năng
Trong 2 hình thức phát điện trên, có thể nhận ra rằng hình thức thứ 2 với quang năng
được chuyển đổi trực tiếp thành điện năng được nghiên cứu và khai thác mạnh mẽ hơn.
Hình thức khai thác này sẽ được thực hiện thông qua hệ thống PV (Photovoltaic, PV)
mà được cấu thành từ các chất bán dẫn.
PV sử dụng chất bán dẫn để biến đổi ánh sáng thành điện năng. Kỹ thuật sản xuất PV
rất giống với kỹ thuật sản xuất ra các linh kiện bán dẫn như diode, transistor, . . .
Nguyên liệu được sử dụng để sản xuất PV cũng giống như các linh kiện bán dẫn khác,
thông thường là tinh thể silicon, thuộc nhóm IV. Có thể nói PV là sự ngược lại của
diode quang. Diode quang nhận điện năng và tạo ra ánh sáng, trong khi đó PV nhận
ánh sáng và tạo ra điện năng.
Bảng 3.1 Bảng phân loại tuần hoàn trích lược với tinh thể Silicon thuộc nhóm IV
I

II

III

IV

V


47 Ag

48 Cd

49 In

50 Sn

51 Sb

52 Xe


14

Hình 3.4 Nguyên tắc chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện của PV
Mô hình đơn giản của PV được mô tả như sau, Hình 3.5.
Photon

Điện nạp âm

Photon

Lớp n

ε

Các lỗ trống
Các electron
Lớp p


~

Isc

V

Tải

Hình 3.6 Sơ đồ thay thế đơn giản của PV

Trong PV, hai tham số quan trọng của nó là dòng điện ngắn mạch, Isc và điện áp hở
mạch, V0c.
V=0

I=0
I = Isc

a) Dòng điện ngắn mạch, Isc

V = Voc

b) Điện áp hở mạch, V0c

Hình 3.7 Các tham số quan trọng của PV: dòng điện ngắn mạch, Isc và điện áp hở
mạch, Voc

Các đặc tuyến mô tả PV:
 qV


Isc: là cường độ dòng điện ngắn mạch của PV
Voc: là điện áp hở mạch của PV
-12

2

I0: là dòng điện ngược của diode, có giá trị rất nhỏ khoảng 10 A/cm
-19

q: là điện tích electron, q = 1,602.10 (C)
-23

k: là hằng số Boltzman, k = 1,381 x 10 (J/K)
T: là nhiệt độ tuyệt đối (K)
0

Trong điều kiện 25 C, ta có:
I = Isc − I0 ( e

38,9V

− 1)

(3.3)



Voc = 0,0257 ln sc + 1
I


I

Hình 3.8 Mô hình thay thế PV có xét đến các tổn hao
Biểu thức đặc trưng của PV có xét đến các ảnh hưởng của Rs và Rp:
(3.5)

s
s
− I exp  q ( V + IR )  − 1 −  V + IR 


17

Đặc tính PV có xét đến các ảnh hưởng của Rs và Rp
Cường độ dòng điện (A)

Rp = ∞; Rs = 0

Rp = 1,0; Rs = 0,05

Điện áp (V)

Hình 3.9 Đặc tính PV có xét đến các ảnh hưởng của Rs và Rp
3.4 Module PV
Một khuyết điểm của PV là điện áp và dòng điện làm việc của nó rất nhỏ. Một
PV có điện áp làm việc khoảng 0,5 V. Do đó, để có điện áp làm việc lớn hơn, yêu cầu
phải mắc nối tiếp các PV và để có dòng điện làm việc lớn hơn yêu cầu phải mắc song
song các PV.

Cell

0

21,6V

Điện áp (V)
0,6V cho cell

Hình 3.11 Đặc tính của module PV
3.5 Mảng PV
Mảng PV được định nghĩa là việc kết nối nhiều module PV. Có 3 hình thức kết
nối các module PV như: nối tiếp, song song và hổn hợp.
3.5.1 Nối nối tiếp nhiều module PV
Hình thức này được sử dụng để nâng điện áp của hệ thống PV.
V1

V2

V3

I

Cường độ dòng điện

V = V1 + V2+ V3

1 module

2 modules

3 modules

Hình thức này được sử dụng để nâng cả điện áp và cường độ dòng điện của hệ thống
PV.

I
I

V

V

a)

b)


Cường độ dòng điện

Điện áp

Hình 3.14 Các module PV được kết hợp hổn hợp với nhau
3.6 Phân loại hệ thống PV
3.6.1 Hệ thống PV kết nối lưới điện
Hệ thống này phổ biến ở các nước phát triển như Châu Âu với sự hỗ trợ của chính phủ.
Đây là một hệ thống mà kết nối các PV trực tiếp vào lưới điện quốc gia mà được xem
giống như các nguồn điện khác. Trong trường hợp này, lưới điện hoạt động như một
hệ thống lưu trữ cho các nhà sản xuất. Khi ấy, điện năng được các nhà sản xuất bán
cho lưới điện quốc gia khi không có nhu cầu và sau đó mua lại từ lưới điện khi có nhu
cầu.
Hệ thống này cần một biến tần để truyền tải điện năng từ DC (hệ thống PV sản xuất
điện) sang AC của lưới điện. Khi hệ thống PV sản xuất điện năng và nhà sản xuất sử

3.7 Các ảnh hưởng đến PV
Các PV có bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như cường độ chiếu sáng, nhiệt độ, hiện
tượng bóng râm, . . .
3.7.1 Ảnh hưởng của cường độ chiếu sáng
Cường độ chiếu sáng càng lớn thì công suất thu được của PV càng lớn, dòng Isc
càng lớn, Hình 3.17.
0

Nhiệt độ PV, 25 C

Cường độ dòng điện (A)

8 1000 W/m2
6

800 W/m
600 W/m

2

2

4
400 W/m
2

0

200 W/m



0

0

0

75 C 50 C 25 C

4

2

0
0

10

20
Điện áp (V)

30

Hình 3.18 Đặc tuyến V-I của PV với các nhiệt độ khác nhau và cường độ chiếu sáng
2

không đổi 1 kW/m
3.7.3 Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm

Hiện tượng bóng râm được định nghĩa khi PV bị che phủ một phần mà có thể

Rs

VSH

I

Id = 0

I
Rp

Vn-1

I
(n – 1)
PV

I

Hình 3.20 Module PV với n PV trong trường hợp module bị che khuất một phần
Khi ấy, điện áp của module PV sẽ là:
VSH = Vn − I ( R p + Rs )

(3.7)

−1

Trong đó:
Vn −1


Mặt khác, do Rp >> Rs. Khi ấy:

+R
p

)

(3.10)

s

(3.11)


∆V ~

V
+ IRp
n

(3.12)

Đặc tính của module PV khi bị ảnh hưởng bởi hiện tượng bóng râm được biểu

Cường độ dòng điện

diễn như hình 3.21.

Đặc tuyến V-I với trường hợp PV không bị che khuất
Đặc tuyến V-I với trường hợp PV bị che khuất


2 PV bị che khuất
100%

Điện áp (V)

Hình 3.22 Module PV với nhiều PV bị che khuất


Để bảo vệ PV ít bị ảnh hưởng bởi hiện tượng bóng râm, các diode bypass sẽ
được kết hợp sử dụng.
Vc ≈ 0,5 V

Vc ≈ - 0,6 V
I

I
0A

I Diode
bypass dẫn

Diode
bypass bị
ngắt
I

I

a) PV không bị che khuất

65 V

I = 2,2 A
Che khuất
từng phần

52 V

I = 3,2 A

65 V

Che khuất
từng phần

65 V
On
65,6 V

80 V

Off
39 V

49,2 V

60 V

Off
I = 3,3 A

Trong hình 3.25, bình thường các PV là nguồn phát điện và ắc-quy trong khảo sát này
có điện áp là 65 V. Khi ấy, dựa vào đặc tuyến (V, I) của PV và giá trị điện áp 65 V,
cường độ dòng điện của PV được xác định là 3,3 A. Khi có hiện tượng bóng râm che
khuất một mô-đun PV, mô-đun này sẽ không còn là nguồn phát nữa, dòng điện sẽ chạy
qua điện trở song song, Rp của mô-đun này tạo ra một giá trị điện áp rơi, ΔV = I x Rp.
Giá trị điện áp rơi, ΔV này cộng với giá trị điện áp của ắc-quy, 65 V sẽ là điện áp đặt
trên các mô-đun PV còn lại và dựa vào đặc tuyến (V, I) của PV, dòng điện sẽ giảm
xuống. Trong trường hợp, khi PV sử dụng các diode bypass thì dòng điện sẽ chạy qua
diode này. Điều này cũng có nghĩa là PV sẽ chịu ảnh hưởng hơn khi hiện tưởng che
khuất xảy ra.

Bóng râm không chỉ làm giảm công suất của các tế bào quang điện mà còn thay đổi
điện áp hở mạch, Voc; dòng ngắn mạch, Isc và hiệu suất của chúng. Tình trạng bị che
một phần là tình trạng chung do bóng của các tòa nhà, cây cối, mây và bụi bẩn, . . . gây
ra. Trong điều kiện bóng che một phần, có một phần trong chuỗi các module của mảng


PV được chiếu sáng ít hơn. Các module bị che có thể phải chịu điện áp ngược do các
module không bị che đặt lên, làm quá nhiệt các module bị che và làm giảm tuổi thọ
module này. Điều này có thể tránh được bằng cách sử dụng các diode bypass có thể
được đặt trên một module PV. Điều này cho phép dòng điện của dãy đi đúng hướng
ngay cả khi một phần của dãy là hoàn toàn tối.


Hình 3.26 Các đặc tính của một mảng PV khi không có bóng râm
Hình 3.26 cho thấy các đặc tính của mảng PV bao gồm 2 chuỗi kết nối song song mỗi
chuỗi bao gồm bốn module nối tiếp trong cùng điều kiện.
Mặt khác, hình 3.27 cho thấy các đặc tính của module PV với hai tế bào của một chuỗi
bị che một phần, khi đó đường cong P-V tồn tại nhiều điểm cực đại địa phương, nghĩa
là có nhiều điểm MPP cục bộ làm ảnh hưởng đến hoạt động của bộ điều khiển bám