BỨC XẠ MẶT TRỜI
Bức xạ mặt trời ngoài khí quyển trái đất
Năng lượng mặt trời đóng vai trò quan trọng trong sự tồn tại và phát triển của sự sống trên Trái Đất Tuy nhiên, khi bức xạ mặt trời truyền tới Trái Đất, nó phải đi qua lớp khí quyển, điều này làm thay đổi tính chất của nó Do đó, cần xem xét các tính chất của bức xạ mặt trời khi nằm ngoài khí quyển Trái Đất.
Mặt Trời là một khối khí hình cầu với nhiệt độ cực cao, phát ra năng lượng khổng lồ nhờ các phản ứng nhiệt hạt nhân diễn ra liên tục và mạnh mẽ Đường kính của Mặt Trời ước tính khoảng 1,39 triệu km.
Đường kính của Quả Đất khoảng 12,700 km, trong khi khoảng cách trung bình giữa Mặt Trời và Quả Đất là khoảng 149.6 triệu km Mặc dù Mặt Trời rất lớn, nhưng do khoảng cách xa, nên từ mặt đất, chúng ta nhìn thấy Mặt Trời dưới một góc nhỏ khoảng 32 phút Vì vậy, các tia sáng từ Mặt Trời có thể coi là song song khi đến mặt đất Nhiệt độ và độ sáng của Mặt Trời thay đổi từ trung tâm ra ngoài, nhưng trong các tính toán ứng dụng trên mặt đất, người ta thường xem độ sáng của Mặt Trời là đồng đều.
Mật độ dòng năng lượng từ Mặt Trời ở phía ngoài khí quyển Quá Đất được xem là không đổi, với giá trị gần bằng 1353 w/m² Giá trị này được gọi là hằng số Mặt Trời, ký hiệu là S, và được đo trên một đơn vị diện tích vuông góc với các tia mặt trời.
Quả Đất quay quanh Mặt Trời theo một quỹ đạo elíp với độ lệch tâm rất nhỏ, khiến khoảng cách giữa hai thiên thể này thay đổi một chút trong suốt 365 ngày của năm Sự thay đổi này ảnh hưởng đến mật độ năng lượng Mặt Trời bên ngoài khí quyển Quả Đất Mật độ năng lượng Mặt Trời tại một thời điểm cụ thể có thể được tính toán bằng công thức phù hợp.
Năm có 365 ngày, bắt đầu từ ngày 01 tháng 01 Phản bội phổ bức xạ Mặt Trời bên ngoài khí quyển Trái Đất được trình bày trong bảng 1.1, với hằng số mặt trời là 1353 W/m².
Giá trị phổ lúc đau tăng nhanh theo bước sóng Ầ, đạt cực đại ở X - 0,48pm trước khi giảm dần về 0 Khoảng 99% bức xạ Mặt Trời nằm trong giải phổ từ 0,2pm đến 4pm, như được thể hiện trong bảng 1.1, mô tả sự phân bố phổ của bức xạ Mặt Trời.
Bảng l.ỉ: Phân bô phổ bức xạ mặt trời bén ngoài khí quyển Quá Đất
(pm) (W/1IT Lim) DU*) X (pm) (W/m 2
+ dược xác dinh theo biểu thứ co À
Bức xạ mặt trời ngoài khí quyển Trái Đất tương tự như bức xạ của một vật đen tuyệt đối, theo định luật Stefan-Boltzmann, với nhiệt độ khoảng 5762K.
Bức xạ mặt trời ở bề mặt trái đất
Bức xạ Mặt Trời đến bề mặt Quả Đất bị suy giảm đáng kể so với bức xạ ngoài vũ trụ do hiện tượng hấp thụ và tán xạ khi tia Mặt Trời đi qua lớp khí quyển Sự hấp thụ này chủ yếu xảy ra nhờ vào sự hiện diện của các phân tử ozon (O₃) và hơi nước (H₂O) trong khí quyển, cùng với sự hấp thụ của các khí khác như cacbonic (CO₂), oxit nitơ (NO₂), oxit cacbon (CO), oxit oxy (O₂) và metan (CH₄).
CH4,.và các hạt bụi Mật khác khi tia Mặt Trời gặp các phân tử khí và các hạt bụi nói
7 trên nó còn bị tán xạ về mọi phía, trong đó có một phần dáng kể nâng lượng đi trở lại vĩí trụ mà không đến dược mạt đất
Hình 1.2- Sự hâ'p thụ và tán xạ của tia Mặt Trời khi qua lớp khí quyến Quả Đất
Khí quyển ở một địa phương trên bề mặt Trái Đất thường được chia thành hai loại: khí quyển có mây mù và khí quyển trong sáng không có mây mù Cả hai loại khí quyển này đều có cơ chế hấp thụ và tán xạ giống nhau, nhưng cường độ hấp thụ và tán xạ trong khí quyển có mây mù lại mạnh hơn so với khí quyển trong sáng.
Vào những ngày trời trong sáng, bức xạ Mặt Trời đạt cường độ cao nhất khi chiếu thẳng đến bề mặt Trái Đất mà không bị cản trở Thành phần bức xạ này, khi đi thẳng từ Mặt Trời đến mặt đất mà không thay đổi hướng, được gọi là thành phần trực xạ Ngược lại, thành phần nhiễu xạ là các tia bức xạ Mặt Trời đến điểm quan sát từ mọi hướng dưới bầu trời Hiện tượng nhiễu xạ xảy ra do sự tán xạ của tia Mặt Trời khi tương tác với các phân tử khí, hạt bụi và vật cản trong khí quyển Tổng hợp của thành phần trực xạ và nhiễu xạ được gọi là tổng xạ.
Cường độ của các tia nhiễu xạ từ các hướng khác nhau trong bầu trời không đồng đều, được gọi là tính chất bất đẳng hướng của bức xạ nhiều xạ Tuy nhiên, trong các tính toán về bức xạ Mặt Trời trên mặt đất, người ta thường bỏ qua tính chất bất đẳng hướng này và coi bức xạ nhiều xạ là đẳng hướng.
Airmass (AM) là một đại lượng quan trọng thể hiện sự suy giảm của tia Mặt Trời khi xuyên qua khí quyển Trái Đất Airmass được xác định bằng tỷ lệ giữa chiều dài quang đường mà tia Mặt Trời đi qua lớp khí quyển và độ dày của lớp khí quyển.
Hìnhl.3- Xác định airmass AM
Góc Zenith 0Z là góc giữa pháp tuyến của mặt đất tại điểm quan sát và tia Mặt Trời Giá trị Airmass (AM) phụ thuộc vào góc Q Airmass "không" (AMO) tương ứng với bức xạ Mặt Trời ngoài vũ trụ, trong khi AM1 ứng với góc 0Z = 0 và AM2 ứng với góc 6Z = 60°.
Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra cơ chế hấp thụ và tán xạ bức xạ Mặt Trời trên bề mặt Quả Đất, liên quan đến các thông số thời tiết khí hậu Tuy nhiên, việc dự đoán chính xác sự thay đổi khí hậu và thời tiết, cũng như bức xạ Mặt Trời tại một địa phương cụ thể trong khoảng thời gian nhất định, là rất khó khăn Do đó, khi thiết kế và lắp đặt các thiết bị năng lượng Mặt Trời, người ta thường phải lựa chọn một hoặc một vài phương pháp phù hợp.
1 Tiêh hành đo đạc thực tê trong một khoáng thời gian đủ dài ở địa phương sẽ lắp đặt thiết bị nàng lượng Mặt Trời ;
2 Sử dụng các sô' liệu có thể ở một sô' dịa phương khác mà ở đó thời tiết, khí hậu là gần giống như ờ địa phương lắp đặt thiết bị năng lượng Mạt Trời;
3 Sử dụng các công thức dự báo kinh nghiêm liên kc't các giá trị bức xạ Mặt Trời với các thông số khí tượng khác mà các giá trị này đã biết ở địa phương quan tâm.
Số liệu về bức xạ mặt trời
Phần lớn dữ liệu về bức xạ mặt trời được thu thập từ các Trạm Khí Tượng Thủy Văn Hình 1.4 minh họa các đường cong ghi nhận trong một ngày sáng với các thành phần tổng xạ và nhiễu xạ.
Hình 1.4' Các đường cong ghi các thành phần tổng xạ và nhiễu xạ trong 1 ngày trong sáng
Hình vẽ cho thấy sự biến đổi của bức xạ Mặt Trời diễn ra một cách trơn tru, với một cực đại gần giữa trưa Tuy nhiên, trong những ngày có mây, các đường cong bức xạ sẽ biến đổi phức tạp hơn, xuất hiện nhiều cực đại và cực tiểu phụ.
Mật độ năng lượng bức xạ Mặt Trời thường được đo bằng cal/cm2 hay J/cm2, với giá trị trung bình ở địa phương lắp đặt thiết bị là thông số quan trọng nhất khi thiết kế hệ thống năng lượng Mặt Trời Để đánh giá bức xạ Mặt Trời, người ta thường tính giá trị trung bình ngày trong các tháng khác nhau và xây dựng các sổ tay tra cứu hoặc bản đồ bức xạ Mặt Trời cho từng địa phương hoặc vùng địa lý Hai đại lượng chính để đánh giá bức xạ Mặt Trời là mật độ năng lượng Mặt Trời trung bình ngày và số giờ nắng trung bình hàng tháng trong năm và cả năm.
Bảng 1.2 cho số liệu nãng lượng Mặt Trời trung bình ngày ở các địa phương khác nhau ở Việt Nam
Bang ỉ.2- Lượng lổng xạ bức xạ mạt trời trung bình ngày cùa các tháng trong năm ở một số địíi phương Việt Nam, (đơn vị: MJ/m 2 ngày)
IT Địa phương Tỏng xạ Bức xạ Mặt Trời của các tháng trong năm (đơn vi:
Bức xạ mặt trời trên mặt phẳng nghiêng
Các số liệu về bức xạ Mặt Trời thường được đo trên mặt phẳng nằm ngang, trong khi hầu hết các thiết bị thu năng lượng Mặt Trời lại được lắp đặt nghiêng một góc nhất định Do đó, việc tính toán dòng năng lượng tới trên bề mặt nghiêng từ các số liệu thu được trên mặt nằm ngang là rất cần thiết.
1.4.1 Năng lượng tia bức xạ trực xạ
Tỷ số của dòng năng lượng trực xạ tới trên mặt nghiêng và dòng năng lượng trực xạ tới trên mặt ngang được gọi là “Hệ sô' nghiêng” đối
12 với tia trực xạ, được ký hiệu bằng r b Đối với trường hợp mặt nghiêng hướng Nam (y = 0), ta có:
COS0 = sinỗ sin((p -p) + cosỗ (1) cos (ọ -P) Đối với mặt nằm ngang (p = 0), hướng Nam, 0 = ô z nên: cost), = sin8 sintp +• cos8 COSCŨ costp p _ _ cos9 sin ôsin(q)-p)
Do đó: r b = - = -——T———— (1.15) cosO z sin cpsin 5 + costpcosỗcostó
Bằng cách tính tương tự ta có thể xác dinh được biểu thức của r b đối với trường hợp mặt nghiêng không hướng Nam (Ỵ * 0)
1.4.2 Bức xạ tia nhiễu xạ
Hệ số nghiêng r_d liên quan đến bức xạ nhiễu xạ là tỷ lệ giữa dòng năng lượng nhiễu xạ tới và mặt ngang Giá trị r_d phụ thuộc vào sự phân bố bức xạ nhiễu xạ trên bầu trời cũng như trên phần bầu trời mà mặt nghiêng thu nhận bức xạ Nếu giả định bức xạ nhiễu xạ là đẳng hướng, hệ số nghiêng r_d được xác định bằng công thức: r_d = |o + cos(p)|, trong đó p là góc nghiêng của mặt nghiêng so với mặt ngang.
Bức xạ phản xạ là thành phần bức xạ đến mặt quan sát, được tạo ra từ sự phản xạ của bề mặt xung quanh Giả thiết rằng bức xạ phản xạ có hướng đi từ mọi điểm xung quanh mặt quan sát và hệ số phản xạ là p, thì hệ số Iiglìêiìg đối với bức xạ phản xạ sẽ được xác định.
1.4.4 Năng lượng Mật Trời tới trên mặt nghiêng
Gọi IT là tổng các thành phần bức xạ tới trên mặt nghiêng, thì:
IT= Ihrb + Ijfj + (I„ + ld) rr
8) Trong đó: Ib, I(] là các mật độ dòng năng lượng Mặt Trời ứng với các thành phần trực xạ và nhiều xạ đo được trên mặt nằm ngang
Phương trình (1.15) chỉ áp dụng cho mặt hướng Nam (Ỵ 0), trong khi các phương trình (1.16) và (1.17) đúng cho mặt nghiêng với góc nghiêng p Tổng xạ trên mặt ngang được ký hiệu là Is, với ly = I|, + 1,1 Từ đó, theo (1.18), ta có thể rút ra các kết luận cần thiết.
Khi áp dụng phương trình (1.18), việc xác định hệ số phản xạ p là rất quan trọng, tuy nhiên trong nhiều trường hợp, giá trị này không thể đo được Do đó, người ta thường giả định p = 0,2 để thực hiện các phép tính May mắn thay, thành phần phản xạ chỉ chiếm một tỷ lệ nhỏ trong tổng IT, do đó sai số gây ra là không đáng kể.
CÁC BỘ THU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI HỘI TỤ
Khái niệm chung
Việc hội tụ các tia bức xạ Mặt Trời có thể thực hiện thông qua các gương phản xạ hoặc thấu kính, tạo thành một hệ thống quang học hiệu quả Hệ thống này tập trung các tia Mặt Trời vào một bộ hấp thụ nhỏ, thường được bảo vệ bởi lớp kính hoặc vật liệu trong suốt Tuy nhiên, một phần năng lượng sẽ bị hao phí khi ánh sáng đi qua lớp bao che, bao gồm các tổn thất do hấp thụ và phản xạ trên các gương hoặc thấu kính, cũng như do cấu hình hình học của hệ thống quang Tổng hợp các hiệu ứng này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất quang học của bộ thu Dù vậy, nhờ vào việc hội tụ năng lượng vào một diện tích nhỏ, hiệu suất của bộ thu hội tụ thường cao hơn so với bộ thu phẳng.
Bộ thu phẳng có ưu điểm về thiết kế đơn giản và dễ bảo trì, trong khi bộ thu hội tụ lại phức tạp hơn do hệ thống quang học và cần thiết bị dõi theo Mặt Trời để hội tụ ánh sáng chính xác Đối với bộ thu không yêu cầu độ hội tụ cao, việc điều chỉnh chỉ cần thực hiện vài lần trong ngày, nhưng với bộ thu yêu cầu độ hội tụ cao, cần điều chỉnh liên tục bằng thiết bị dõi theo, làm tăng độ phức tạp trong thiết kế và bảo trì Điều này dẫn đến chi phí hệ thống cao hơn, và bộ thu hội tụ chỉ thu được một phần nhỏ bức xạ nhiễu xạ.
Trong những năm gần đây, đã có nhiều cải tiến đáng kể trong lĩnh vực hệ bộ thu hội tụ, với một số loại bộ thu được thương mại hóa Hầu hết các bộ thu này đều mang lại hiệu suất tốt hơn và tính năng vượt trội.
15 máng parabol Các tia sáng Mặt Trời được hội tụ lại trên đường tiêu hội tụ Tại đường tiêu này nhiệt đô có the đạt 40ơ’C hay cao hơn
Trong lĩnh vực quang học, có hai thuật ngữ quan trọng là bộ hội tụ và hệ thống bộ thu Bộ hội tụ được hiểu là hệ thống quang học có chức năng tập trung các loại bức xạ vào bộ hấp thụ Trong khi đó, hệ thống bộ thu hay bộ thu bao gồm toàn bộ hệ thống, bao gồm cả bộ hội tụ, các tấm phủ bảo vệ và các phụ kiện khác.
Độ mớ (aperture, ký hiệu W) là bề mặt của bộ hội tụ, cho phép các tia bức xạ đi qua Tỷ số hội tự và góc nhận cũng là những khái niệm quan trọng trong việc hiểu cách thức hoạt động của hệ thống quang học.
Mặt Trời đi qua để tới mặt hội tụ, với độ mở đặc trưng khác nhau cho các bộ hội tụ hình trụ, máng parabol và bề mặt hội tụ tròn xoay Tỷ số hội tụ (C) là tỷ lệ giữa diện tích hiệu dụng của độ mở và diện tích bề mặt của bộ hấp thụ, biến đổi từ 1 đến vài nghìn đối với đĩa Parabol Góc nhận (20a) là góc giữa tia Mặt Trời và pháp tuyến của mặt mở, cho phép tia Mặt Trời tiếp cận bộ hấp thụ Các bộ thu có góc nhận lớn yêu cầu ít điều chỉnh định hướng, trong khi các bộ thu có góc nhận nhỏ cần điều chỉnh liên tục để duy trì hiệu suất thu năng lượng.
Các bộ thu hội tụ được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau, bao gồm loại phản xạ sử dụng gương hoặc thấu kính Fresnel Các mặt phản xạ có thể là parabol, cầu hoặc phẳng, và có thể là liên tục hoặc từng đoạn Ngoài ra, sự phân loại cũng dựa trên quan điểm ảnh hội tụ, có thể là một đường (như máng parabol) hoặc một điểm (như gương cầu lõm) Tỷ số hội tụ cũng được sử dụng như một phương pháp phân loại, vì nó gần đúng xác định nhiệt độ làm việc, tương đương với phân loại bộ thu theo dải nhiệt độ hoạt động.
Một cách để mô tả bộ thu là dựa trên loại thiết bị định hướng theo Mặt Trời Tùy thuộc vào góc nhận, việc định hướng này có thể diễn ra theo từng đoạn không liên tục, như điều chỉnh một lần cho một ngày hoặc một số ngày, hoặc có thể diễn ra liên tục.
16 sự định hướng có thể thực hiện trên 1 trục hay 2 trục quay
Một số loại bộ thu hội tụ được trình bày trên hình 3.1
Hình 3.ỉ- Cắc loại bộ hội tụ,
Bô thu hội tụ phẳng là loại đầu tiên, với các gương phản xạ có khả năng điều chỉnh độ hội tụ của tia Mặt Trời vào tấm hấp thụ Thiết kế kiểu này đơn giản, có tỷ số hội tụ chỉ cao hơn 1 một chút, và thường được sử dụng để tạo ra nhiệt độ từ 20°C đến 30°C.
Bộ thu hội tụ parabol kết hợp (CPC) là loại thứ hai, bao gồm các phần mặt parabol Giống như loại đầu tiên, bộ thu này không tạo ra ảnh hội tụ rõ rệt, với tỷ số hội tụ thường nằm trong khoảng từ 3 đến 10 Ưu điểm nổi bật của bộ thu này là góc nhận lớn, giúp giảm thiểu việc điều chỉnh định hướng.
17 nữa chỉ sổ' hội tụ chi có thể đạt được giá trị cực đại ở một góc nhận tương ứng
Một loại bộ thu hội tụ phổ biến là bộ thu máng parabol, trong đó ảnh của máng chính là trục hội tụ Hiện nay, nhiều hệ thống bộ thu kiểu máng parabol đã được thương mại hóa.
Khác với bộ thu máng parabol có khả năng quay theo Mặt Trời để tập trung ánh sáng, bộ thu được mô tả trong hình 3.1d có cơ chế hội tụ cố định, trong khi bộ hấp thụ (receiver) lại có thể di chuyển.
Một kiểu khác của bộ hội tụ là dãy các gương phẳng, dài và hẹp được sắp xếp trật tự dọc theo mặt hình trụ Sự sắp xếp này tạo ra một ảnh đường thẳng hẹp, ảnh này di chuyển theo đường cong giống như chuyển động của Mặt Trời Đường cong này tương tự như đường cong sắp xếp các gương phẳng, cho phép bộ hấp thụ theo dõi Mặt Trời một cách hiệu quả.
Sự hội tụ ánh sáng có thể thực hiện thông qua việc sử dụng các thấu kính, trong đó thấu kính Fresnel được áp dụng phổ biến Thấu kính này có cấu trúc phẳng với một mặt được tạo ra các rãnh cong, giúp các tia sáng Mặt Trời hội tụ tại một điểm nhất định Vật liệu chủ yếu được sử dụng cho thấu kính là nhựa Các bộ thu hội tụ thường có tỷ số hội tụ từ 10 đến 80, cho phép đạt được nhiệt độ từ 150°C đến 400°C Để có tỷ số hội tụ và nhiệt độ cao hơn, các bộ hội tụ điểm, đặc biệt là bộ thu hội tụ điểm dạng parabol, được sử dụng, với tỷ số hội tụ từ vài trăm đến vài nghìn và nhiệt độ có thể đạt đến 2000°C.
Theo quan điểm của thiết kế cơ học, kích thước của đĩa hội tụ có giới hạn, dẫn đến lượng năng lượng mà đĩa nhận được cũng bị hạn chế Đĩa thương mại hiện nay có đường kính tối đa lên tới 17m Để thu được năng lượng lớn tại một điểm, mô hình bộ thu trung tâm được áp dụng Trong mô hình này, bức xạ trực xạ được phản xạ từ nhiều gương được điều chỉnh độc lập, giúp các tia phản xạ hội tụ vào bộ thu đặt trên một tháp cao ở trung tâm.
Bộ thu phẳng có các gương phản xạ
Bộ thu phẳng với các gương phản xạ phẳng là một thiết bị hội tụ không tạo ra hình ảnh hội tụ rõ rệt Khi sử dụng một bộ thu đơn, có thể lắp đặt 4 gương xung quanh, nhưng trong một dãy các bộ thu phẳng, chỉ có thể lắp 2 dãy gương phản xạ, với một dãy hướng Bắc và dãy kia hướng Nam Các gương phản xạ có khả năng phản xạ bức xạ trong một phạm vi góc tới nhất định của tia Mặt Trời, cũng như phản xạ một phần bức xạ nhiễu xạ Tỷ số hội tụ thường khá thấp, nằm trong khoảng từ 1 đến 4, với nhiệt độ đạt được từ 13°C đến 140°C Một ưu điểm nổi bật của loại bộ thu này là khả năng hội tụ một phần thành phần nhiều xạ trong bức xạ Mặt Trời mà không bị lãng phí hoàn toàn.
Hình 3.2' Bộ hội tụ gương phang
Trong thực tế, người ta sử dụng dãy gương phản xạ hướng Bắc cho bộ thu phẳng vì dễ dàng điều chỉnh bằng tay hơn so với dãy gương hướng Nam Góc nghiêng của các gương thường được điều chỉnh một lần trong một số ngày Đối với dãy gương phản xạ hướng Bắc có kích thước bằng bộ thu phẳng, góc nghiêng của các gương phản xạ SC được tính theo công thức: ip = (rr - p - 2o + 25)/3 Trong đó, p là góc nghiêng của bộ thu phẳng Phương trình này được áp dụng với giả thiết rằng các gương phản xạ được điều chỉnh sao cho các tia Mặt Trời chiếu tới cạnh trên của bộ thu.
19 các gương lúc 12 giờ (giờ địa phương) bị phản xạ tới cạnh trên của bộ thu
Nếu ta giâ thiết rằng địa phương lắp đặt bộ thu ở Hà Nội (ọ = 2 1") và góc nghiêng của bộ thu p = = 21" thì 4' biến thiêng trong khoảng 23,36" (với 5 = -23,45") và 54,63" (khi ổ = 23,45")
Vào thời gian khác ngoài buổi trưa (12:00 giờ), chỉ một phần bức xạ tiếp cận các gương phản xạ lớn của bộ thu, trong khi phần còn lại bị phản xạ ra ngoài.
Bộ thu máng Parapol
Bộ thu máng trụ parabol, hay còn gọi là bộ thu hội tụ đường thẳng, bao gồm ba thành phần chính: (1) một ống hấp thụ đặt trên đường hội tụ của máng phản xạ, chứa chất lỏng để thu nhiệt; (2) một ống trong suốt đồng trục với ống chất lỏng, bao bọc bên ngoài để bảo vệ ống hấp thụ; và (3) bộ thu hội tụ parabol.
Diện tích thu bức xạ của các bộ thu hội tụ thương mại dao động từ 1 đến 6 m², với chiều dài lớn hơn chiều rộng của tiết diện thu Tỷ số hội tụ đạt được trong khoảng này.
Ống hấp thụ có kích thước từ 70“ đến 12Ơ” và góc mở từ 10 đến 80 độ, được thiết kế với đường kính từ 2,5 đến 5 cm, thường được làm bằng thép hoặc đồng Bề mặt ống hấp thụ thường được phủ lớp sơn đen để tăng khả năng hấp thụ nhiệt Đối với các bộ thu chất lượng cao, ống hấp thụ được trang bị lớp chất hấp thụ chọn lọc như crom (Cr) đen, cùng với khoang không khí giữa ống hấp thụ và ống thủy tinh bên ngoài được hút chân không để tối ưu hóa hiệu suất.
Chất lỏng được sử dụng để tải nhiệt trong ống hấp thụ được chọn dựa trên nhiệt độ yêu cầu, thường là các chất lỏng hữu cơ Tuy nhiên, do độ dẫn nhiệt của chúng thấp, hệ số truyền nhiệt cũng bị ảnh hưởng Để cải thiện hiệu suất truyền nhiệt, các thiết bị tiên tiến thường được thiết kế dưới dạng băng kép hoặc vòi đồng tâm, tạo ra các ống vành khăn cho chất lỏng đi qua, từ đó nâng cao giá trị của hệ số truyền nhiệt.
Be mặt phàn xạ nói chung là thu ỷ tinh được mạ bạc phía sau và được uốn cong Các
20 tấm phim nhỏm điện phân và được anot hoá và cũng như các tấm phim acrylic phủ bạc thường cũng để dùng làm mặt phản xạ
Bộ phản xạ được cố định trên một kết cấu nhẹ bằng nhôm, với thiết kế tối ưu để dễ dàng di chuyển Khi thiết kế hệ thống kết cấu này, cần chú ý đến các thông số giữ cho hệ thống không bị biến dạng do trọng lượng và khả năng chịu lực đẩy từ gió.
2.3.2 Sự định hướng của các loại điều khiển định hướng
Một bộ thu máng parabol cần được định hướng đúng cách, với trục hội tụ có thể theo hướng Đông - Tây hoặc Bắc - Nam Khi định hướng theo Đông - Tây, trục hội tụ sẽ nằm ngang, trong khi đó, với định hướng Bắc - Nam, trục này có thể nằm ngang hoặc nghiêng một góc nhất định Để điều khiển định hướng bộ thu theo Mặt Trời, cần sử dụng các thiết bị điều khiển chuyên dụng.
Kiểu I: Trục hội tụ theo hướng Đỏng -Tây và nằm ngang, diều chỉnh một lần
Bộ thu năng lượng mặt trời được thiết kế để quay quanh trục Đông - Tây, với khả năng điều chỉnh một lần mỗi ngày Điều này giúp tia Mặt Trời chiếu vuông góc với bề mặt thu vào đúng thời điểm giữa trưa, tối ưu hóa hiệu suất thu năng lượng.
Với kiểu này, mặt mở bộ thu là một bể mặt ảo với góc azimuth Y = 0" hoặc
Y = 180", Trường hợp Y = 0"xuất hiện khi (íp - 8)> 0 và Y 0" xuấthiện khi (lị) - 8) < 0 Đểxác định góc nghiêngp củamặt mở ta thay điều kiện lúc giữatrưa,tức là Cứ - 0, 9 -
Để tính góc tới của tia Mặt Trời đối với một mặt phẳng trong một ngày, ta áp dụng phương trình tính cos0 Cụ thể, khi góc tới được xác định là 9 độ, ta có các phương trình p - (
trong đó Eị < E2 như hình
4 la Bình thường điện tử chiếm mức nâng lượng thấp hơn E| Khi chiếu sáng hệ thống, lượng tử ánh sáng- photon- có năng lượng hv (h là hằng sổ Planck, V là cần sô ánh sáng) bị điện (ử hàj thụ và chuyển lên mức năng lượng Ej Phương trình cân bằng nãng lượng có dạng: hv = E, - E| (4.1)
Trong các vật rắn, sự tương tác mạnh mẽ giữa các nguyên tử dẫn đến việc tách các mức năng lượng thành nhiều mức năng lượng con gần sát nhau, tạo ra các vùng năng lượng Vùng năng lượng thấp thường bị các điện tử chiếm giữ trong trạng thái cân bằng, được gọi là vùng hóa trị với năng lượng bờ trên là E Vùng năng lượng phía trên hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần, được gọi là vùng dẫn, với bờ dưới của vùng có năng lượng là E Giữa hai vùng hóa trị và vùng dẫn là một vùng cấm có độ rộng năng lượng E, trong đó không có mức năng lượng cho phép nào cho điện tử.
Khi ánh sáng chiếu vào vật rắn có cấu trúc vùng năng lượng, photon với năng lượng hv sẽ bị hấp thụ tại vùng hóa trị, từ đó chuyển lên vùng dẫn và tạo ra điện tử tự do Kết quả là một lỗ trống mang điện dương, ký hiệu h*, xuất hiện tại vùng hóa trị Lỗ trống này có khả năng di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện.
Hiệu ứng lượng tử của quá trình hấp thụ photon có the mô tá bằng phương trình sau: ev + hv => e + h + a/ b/
Hệ hai mírc và hai vùng nang lượng cho thấy các quá trình lượng tử quan trọng Điều kiện để điện tử hấp thụ năng lượng từ photon và chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn là khi năng lượng photon lớn hơn hiệu số năng lượng giữa các vùng Cụ thể, điều này xảy ra khi hv > Ec - Ev, tạo ra cặp điện tử - lỗ.
Từ đó, có thể tính được bước sóng giới hạn của ánh sáng để tạo cặp electron - hole, với năng lượng được tính bằng đơn vị eV.
Trong quá trình hồi phục, các hạt bị kích thích như electron và lỗ trống tự phát tham gia vào chuyển động đến các vùng năng lượng Electron giải phóng năng lượng để chuyển đến bờ vùng Et, trong khi lỗ trống di chuyển đến bờ Ev Quá trình này diễn ra trong khoảng thời gian rất ngắn, từ 10^-12 đến 10^-1 giây, và tạo ra dao động mạng (phonon) Năng lượng bị tổn hao trong quá trình hồi phục được tính bằng (hv).
Khi vật rắn được chiếu sáng, các điện tử ở vùng hóa trị hấp thu năng lượng từ photon hv và chuyển lên vùng dẫn, tạo ra cặp hạt dẫn điện gồm electron và lỗ trống Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng quang điện bên trong, dẫn đến việc hình thành một điện thế.
3.1.2 Hiệu suất của quá trình biến dổi quang - điện
Từ các phân tích trên, chúng ta có thể xác định giới hạn lý thuyết của hiệu suất biến đổi năng lượng quang điện trong hệ thống hai tấm pin mặt trời.
Trong bài viết này, J„(À) đại diện cho mật độ photon với bước sóng Â, trong khi J,,(X)dÀ thể hiện tổng số photon với bước sóng trong khoáng X Năng lượng của photon được tính bằng công thức hc/À, trong đó tử số (4,3) thể hiện năng lượng hữu ích mà diện tử hấp thụ từ photon trong quá trình quang điện, còn mẫu số là tổng năng lượng của các photon đến hệ Do đó, TỊ là một hàm số của Es, vì \ cũng là hàm số của Eg.
Theo hình ảnh trên, trong lý thuyết, có một cực đại tại TỊ llllu ô 0,44 xung quanh giá trị Ej = ỉ ,5 eV Kết quả này có tính chất tổng quát và có thể áp dụng cho các hệ 2 mức năng lượng bất kỳ.
Năng lượng tổn ỉiao trong một quá trình biến đổi quang diện chủ yêu do các nguyên nhân sau:
- Các photon có năng lượng hv < Es hay ĩ, > \ không bị diện tứ hấp thụ để tạo cạp e'- h + , mà truyền qua vật rắn ;
- Do quá trình hồi phục, điện từ và lồ trống giải phóng năng hrợng áE = hv -
Ea cho mạng tinh thể vật rắn đe tớrđáỵ các vùng nãng lượng;
Quá trình tái hợp diện tử - lỗ trống trong bán dẫn silicon (Si) cho thấy rằng, với năng lượng Eị = -1,16 eV, có tới 23% năng lượng bị mất do photon truyền qua, và 33% năng lượng bị mất do quá trình hồi phục của electron (e') và lỗ trống (h+) tới các bờ vùng Ec và E,, như minh họa trong hình 4.3 Do đó, trong lý thuyết quang điện trên vật liệu silicon, hệ số r| được xác định là nhỏ hơn 0,44.
3.1.3 Hiệu ứng quang điện trên lứp tiếp xúc bán dần pn
Khi vật rắn được chiếu sáng, nó có khả năng tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống, trong đó các liên kết yếu giữa chúng đóng vai trò quan trọng.
Hình 4.2- Hiệu suất biến đổi quang điên phụ thuộc vào dộ rộng vùng câm của vật liêu
Để tạo ra dòng điện từ biến đổi quang điện của silicon, cần phải tách electron và lỗ trống khỏi liên kết cặp Quá trình này được thực hiện thông qua một điện trường E, chẳng hạn như điện trường định xứ trên lớp tiếp xúc pn giữa hai loại bán dẫn.
Hình 4.4 là các sơ đồ các vùng nâng lượng của hai loại bán dần n và p
Trong bán dẫn loại n, mật độ hạt dẫn điện tử n rất lớn hơn mật độ lỗ trống p Do đó, điện tử được coi là hạt dẫn chính, trong khi lỗ trống được xem là hạt dẫn phụ Mật độ điện tử n gần như tương đương với mật độ tạp chất nguyên tử donor N được pha vào bán dẫn tinh khiết.
Hình 4.4- Bán dẫn loại n và p trước khi tiếp xúc (electron kí hiệu bằng chấm đen, lồ trống - vòng tròn nhỏ)
Trong hình 4.5, quá trình tạo thành lớp tiếp xúc bán dẫn pn được mô tả, trong đó bán dẫn loại p có lõi nông là hạt dần cơ bản Mật độ lỗ trống Pp lớn hơn mật độ điện tử np, với Pp > np Độ dần chủ yếu của lỗ trống phụ thuộc vào mật độ pfl, gần bằng mật độ nguyên tử của tạp chất acceptor NA được pha vào bán dẫn tinh khiết.
Pin mặt trời
3.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động cùa pin Mặt Trời
Một lớp tiếp xúc bán dẫn pn, được gọi là pin Mặt Trời, có khả năng chuyển đổi trực tiếp năng lượng bức xạ Mặt Trời thành điện năng thông qua hiệu ứng quang điện.
Pin Mặt Trời hiện nay chủ yếu được sản xuất từ vật liệu tinh thể bán dẫn silicon Silicon (Si) là một chất bán dẫn điển hình với hoá trị 4 Để tạo ra vật liệu bán dẫn loại n từ tinh thể Si tinh khiết, người ta pha tạp chất donor là photpho (P) với hoá trị 5 Ngược lại, để có vật liệu bán dẫn loại p, tạp chất acceptor được sử dụng là bo, có hoá trị 3.
Pin Mặt Trời từ vật liệu tinh thể silicon (Si) khi được chiếu sáng có hiệu điện thế hở mạch khoảng 0,55 V và dòng đoan mạch dưới bức xạ Mặt Trời 1000W/m² vào khoảng (25-30) mA/cm² Hiện nay, pin Mặt Trời bằng vật liệu silicon vô định hình (a-Si) cũng đã được đưa ra thị trường Pin Mặt Trời a-Si có ưu điểm là tiết kiệm vật liệu trong sản xuất, giúp giảm giá thành Tuy nhiên, hiệu suất biến đổi quang điện của nó thấp hơn và kém ổn định hơn so với pin Mặt Trời tinh thể khi hoạt động ngoài trời.
Ngoài silicon, nghiên cứu hiện nay còn tập trung vào các vật liệu tiềm năng khác như hệ bán dẫn nhóm III-V, sunfit cadmi-dóng (CuCdS) và galium-arsenit (GaAs) Tuy nhiên, việc chế tạo và ứng dụng các pin mặt trời từ những vật liệu này vẫn đang ở giai đoạn thí nghiệm và chưa được triển khai rộng rãi.
Một phương pháp hiệu quả để nâng cao hiệu suất biến đổi quang điện của pin Mặt Trời là thiết kế và chế tạo các pin Mặt Trời với nhiều lớp tiếp xúc pn Điều này giúp tăng cường khả năng hấp thụ các photon có năng lượng khác nhau trong phổ bức xạ Mặt Trời Chúng tôi sẽ thảo luận chi tiết về các vấn đề này trong các phần tiếp theo.
3.2.2 Các đặc trung điện cùa pin Mặt Trời
Khi được chiếu sáng, việc nối các bán dẫn p và n của tiếp xúc pn bằng một dây dẫn sẽ tạo ra dòng quang diện Iph từ pin Mặt Trời Do đó, pin Mặt Trời có thể được coi như một nguồn dòng điện.
Lớp tiếp xúc bán dẫn PN hoạt động tương tự như một diode, nhưng khi bị phân cực ngược, do điện trở của lớp tiếp xúc có giới hạn, vẫn có một dòng điện đi qua, được gọi là dòng dò Để đặc trưng cho dòng dò này, người ta sử dụng đại lượng điện trở shunt Rsh.
Khi dòng quang điện di chuyển trong mạch, nó phải vượt qua các lớp bán dẫn p và n, các điện cực, và các tiếp xúc Tổng hợp các điện trở của những lớp này tạo thành một điện trở R s nối tiếp trong mạch, có thể coi là điện trở trong của pin Mặt Trời.
Như vậy, một pin Mặt Trời dược chiếu sáng có sơ dồ điện tương đương như hình 4.11
Từ sơ dồ tương đương, có thể dể dàng viết dược phương trình đặc trưng sáng Von-Ampe cùa pin Mặt Trời như sau:
Hình 4.11- Sơ đổ tương đương của pin Mạt Trời (a) và đường đặc trưng sáng của pin Mạt
I|) - dòng qua điot (A/m 2 ); ls - dòng bão 11 oà (A/nr):
11 - dược gọi là thừa số lý tướng phụ thuộc vào các mức dộ hoàn thiện công nghệ chê' lạo pin Màt Trời Gần dứng có thế lâ'ỵ n - 1;
R - diện trờ nối tiếp (diện trớ trong) cùa pin Mạt Trời (íỉ/m 2 ) ;
R,h - diện trờ sơn (điện trở dò) (Q/m 2 ) và q - diện lích của diên tứ (C)
Điện trở trong của pin Milt Trời thường rất lớn, do đó có thể bỏ qua số hạng cuối trong biểu thức (4.10) Đường đặc trưng sáng Von-Ampe của pin có dạng như đường cong trong hình 4.1 Trên đường đặc trưng này, có ba điểm quan trọng cần lưu ý.
- Diêm làm việc công suàl cực dại 1\,
Dòng đoán mạch lsc là dòng điện trong mạch của pin Mặt Trời khi mạch ngoài bị chập lại, dẫn đến diện tích và hiệu diện của mạch ngoài bằng 0 Theo phương trình (4.10), ta có thể xác định giá trị của dòng đoán mạch này.
Trong điều kiện chiếu sáng bình thường (không có hội tự), hiệu ứng điện trở nội tiếp Rs có thể bị bỏ qua Từ đó, theo công thức (4.8), có thể suy ra các kết quả liên quan.
1 = 1 se ph lệ thuận với cường độ bức xạ chiên sáng Hình 4.12 chơ thây các đường dặc trưng V
- A cửa pin Mặt Trời phụ thuộc vào cường dộ chiếu sáng Với pin Mặt Trời linh thẻ
Si , lst-~30mA/cm'’ khi cường dộ bức xạ tới E,! - 1000 w/m 2 và ờ nhiệt dộ T - 25" c
I ,- I sc ph s qR [ cxp nkT
Dường châm chấm ]à dường nởi các diếm làm việc lối ưu có công suất cực dại ờ các cường dộ bức xa khác nhau
Hình 4.12- Sự phu thuộc cứa đạc trưng V-A cứa pin Mặt Trời vào cường dộ bức xạ
Thê hớ mạch V(K- là hiên diện thê' dược do khi mạch ngoài cùa pin Mạt Tròi hớ (R -
™) Khi đó dòng mạch ngoài I - 0 Từ bicn thức (440) và giá thiết R,!, rất lớn la có thể xác định V(1( nhờ biên thức sam
Trong biến thức (4.13), V(K) phụ thuộc trực tiếp vào nhiệt độ thông qua hệ số T và gián tiếp qua dòng bão hoà Is Dòng bão hoà L là dòng các hạt điện không cơ bản được tạo ra do kích thích nhiệt và bị ảnh hưởng bởi điện trường Khi nhiệt độ của pin Mặt Trời tăng, dòng bão hoà k cũng thay đổi theo hàm mQ.
Trong biểu thức (4.14), A đại diện cho diện tích bề mặt tiếp xúc, glh là mật độ hạt dẫn dược hình thành do kích thích nhiệt trong lớp tiếp xúc Khi T - 1 đạt giá trị g(1 = glh, điều này được gọi là hệ số kích thích fthiệt Bằng cách thay thế các biểu thức này vào biểu thức (4.13), chúng ta có thể thu được kết quả mong muốn.
Từ đó ta thấy, chí khi '1' - 0 thì mới thu dược ớ các đầu ra của tiếp xúc pn điện the bằng thế năng EJq của cặp e' - h' Còn khi T > 0 thì :
Hình 4.13- Sự phụ thuộc cúa đặc trưng sáng V-A cùa pin Mặt Trời vào nhiệt độ cóa pin
Sự khác biệt giữa các thế năng khi T = 0 và T > 0 phụ thuộc vào hệ số kích thích nhiệt và hiện suất góp K Khi chiếu sáng với cường độ cao, Nph tăng lên, và Vụ gần đạt giá trị Ep/q Đồng thời, V tăng theo hàm logarit với dòng quang điện Iph, mà cũng tỷ lệ thuận với cường độ bức xạ Kết quả là thế hở mạch V() tăng theo hàm logarit với cường độ bức xạ chiếu sáng và giảm tuyến tính khi nhiệt độ của pin Mặt Trời tăng Đối với pin Mặt Trời tinh thể Si, khi nhiệt độ tăng từ 20°C đến 100°C, V() giảm khoảng 2mV/°C, trong khi dòng quang điện tăng khoảng 0.05mA/°C Hình 4.13 minh họa sự phụ thuộc của đặc trưng sáng V-A của pin Mặt Trời tinh thể Si vào nhiệt độ trong khoảng từ -40°C đến +60°C.
3.2.2.4 Điếm làm việc vói cóng suái cực đai
Xét đường đặc trưng V-A của pin Mặt Trời dưới cường độ bức xạ và nhiệt độ xác định, khi các cực của pin được kết nối với một tải tiêu thụ R Điểm cắt ngang của đường đặc trưng V-A của pin Mặt Trời và đường đặc trưng của tải trong tọa độ OI-V sẽ cho thấy hiệu suất hoạt động của pin Mặt Trời.
Công nghệ chế tao pin mặt trời tinh thể si
Hiện nay, khoảng 90% pin Mặt Trời được sản xuất và ứng dụng chủ yếu từ vật liệu silicon (Si) dạng tinh thể hoặc vô định hình Bài viết này sẽ tập trung nghiên cứu công nghệ chế tạo pin Mặt Trời silicon linh thể, bao gồm 6 công đoạn chính trong quá trình sản xuất.
- Sư lọc cát thạch anh để có silicon có độ sạch kỹ thuật (dộ sạch luyện kim)
- Làm sach tiếp để có silicon có độ sạch bán dẫn ;
- Tạo các đơn linh thể Si từ silicon có dộ sạch bán dán ;
- Pha tạp de có Si-11 và Si-p và lạo tiếp xúc pn ;
- Tạo tiếp xúc điện, diện cực, lớp chống phàn xa ;
- Tạo modun, kièm tra, phàn loại
3.3.1 Sơ lọc cát thạch anh dê có silicon có độ sạch kỹ thuật
Cát dùng làm vật liệu ban dầu chế tạo Si phâi là cát giàu thạch anh SiO2
Hàm lượng SiC trong sản phẩm thường đạt khoảng 90% hoặc cao hơn Trong lò hồ quang nhiệt độ cao, SiO2 phản ứng với cacbon (C) để sản xuất silicon (Si) có độ sạch kỹ thuật.
3.3.2 Làm sạch tiếp dể có silicon có độ sạch bán dản
Có ba công nghệ chính dể làm sạch Si đến độ sạch bán dẫn:
Quá trình trichlorosilan mà Công ty Siemens nghiên cứu và ứng dụng là phương pháp tiêu chuẩn để làm sạch S1 với độ tinh khiết kỹ thuật cao.
Trong quá trình sản xuất bột Si, người ta sử dụng axit clohydric tinh khiết và chất xúc tác là đồng để thực hiện phản ứng hóa học Phản ứng này diễn ra theo một phương trình cụ thể, trong đó Si và HCl tương tác để tạo ra sản phẩm mong muốn Việc đảm bảo độ sạch kỹ thuật của nguyên liệu là yếu tố quan trọng để đạt được hiệu quả tối ưu trong quy trình này.
Bằng phương pháp chưng cất nhiệt, người ta có thể tạo ra SiHCl dưới dạng hal khô Sau đó, sử dụng phương pháp bốc hơi, S1 được thu được với độ sạch bán dân.
SiHCl, —> Si + khí bốc hơi Sản phẩm thu được là vật liệu da tinh the gồm các hạt dơn tinh thể S1 nhỏ
3.3.3 Tạo đưn tinh thể Si
Có thể sản xuất các đơn tinh thể silicon (Si) dưới dạng thanh, tấm hoặc băng Các công nghệ phổ biến để sản xuất đơn tinh thể silicon bao gồm công nghệ Czochralski, công nghệ vùng nổi và công nghệ trao đổi nhiệt Dưới đây, chúng ta sẽ giới thiệu chi tiết về các công nghệ này, bắt đầu với kỹ thuật tạo thanh đơn tinh thể silicon bằng công nghệ Czochralski (Cz).
Trong kỹ thuật kéo tinh thể silicon, một cần hình trụ được gắn vào dầu nóng chảy chứa mảnh đơn tinh thể silicon và được nhúng vào nồi silicon nóng chảy Quá trình này diễn ra với tốc độ kéo và quay được kiểm soát chặt chẽ, thường dưới 10 cm/giờ, giúp silicon lỏng dần dần kết tinh thành thỏi silicon đơn tinh thể Các thỏi này có đường kính từ 7.5 đến 10 cm và chiều dài từ 1 đến 1.5 m Thông thường, tạp chất boron được pha vào nồi để tạo ra thỏi silicon loại p Để giảm chi phí sản phẩm, người ta lắp đặt thiết bị cho phép cung cấp liên tục vật liệu vào nồi, từ đó có thể "kéo" liên tục các thỏi tinh thể, với khả năng tạo ra thỏi silicon có đường kính 15 cm và chiều dài 1.5 m.
Để tạo thỏi đơn tinh thể silicon (Si) bằng phương pháp vùng nổi, trước tiên cần chuẩn bị một thỏi silicon có hình dạng trụ và một mầm tinh thể silicon Mầm tinh thể được gắn vào đáy của thỏi, sau đó cả thỏi và mầm được đưa vào trong cuộn dây điện trở làm lò nung Cuộn dây điện trở có khả năng di chuyển dọc theo thỏi Ban đầu, cuộn dây được dịch chuyển để tạo ra vùng nóng chảy giữa mâm và thỏi Sau đó, cuộn dây di chuyển dần lên phía trên, khiến cho vùng nóng chảy cũng di chuyển theo, từ đó các phần thỏi silicon bị nóng chảy sẽ dần kết tinh lại thành một thỏi đơn tinh thể.
* Thỏi đa tinh the Si
Hình 4.Ỉ9- Sơ đổ chê tạo tinh thể Si bằng phương pháp vùng nói
Hướng dẫn quy trình dịch chuyển cuộn dây đơn tinh thể silicon là bước quan trọng để hoàn thiện quá trình kết tinh đơn tinh thể Để đạt được điều này, cuộn dây cần được điều chỉnh để chạy lên xuống theo một chu trình nhất định.
Kỹ thuật trao đổi nhiệt (HEM) có nhược điểm là khả năng tách tạp chất ra khỏi khối thỏi đơn tinh thể kém hơn so với kỹ thuật Cz, do khối lượng và thể tích vùng nóng chảy nhỏ Tuy nhiên, ưu điểm của HEM là tránh được sự ô nhiễm thỏi tinh thể, vì cuộn dây không tiếp xúc trực tiếp với thỏi Trong kỹ thuật Cz, việc ô nhiễm do oxi từ vật liệu nung trong môi trường nổi là một thách thức đáng kể.
Trong kỹ thuật HEM, silicon nóng chảy được làm đông đặc xung quanh một mầm tinh thể để tạo ra các khối đơn tinh thể silicon gần hoàn hảo trong điều kiện kiểm soát nghiêm ngặt Một phương pháp đúc mới cho phép sử dụng vật liệu nóng chảy có tạp chất thay cho tinh thể ban đầu Kỹ thuật này đã cho phép sản xuất các pin Mặt Trời hình vuông với hiệu suất đạt 15,5%.
3.3.4 Cát thói Si đơn tinh thể thành cảc phiến Si
Đầu tiên, khối tinh thể silicon (Si) sau khi nuôi được cắt thành thỏi hình trụ với đường kính từ 7,5 đến 10 cm Tiếp theo, người ta sử dụng cưa kim cương, cưa dây hoặc tia laser để cắt thỏi thành các phiến tròn có độ dày khoảng 0,3 - 0,5 mm Sau đó, các phiến này được mài nhấn và làm sạch bề mặt bằng phương pháp ăn mòn hóa học để loại bỏ các khuyết tật nhỏ do quá trình cắt gây ra Quá trình ăn mòn hóa học cũng làm cho bề mặt phiến trở nên "gồ ghề", giảm phản xạ ánh sáng Khoảng 50% vật liệu bị mất trong quá trình cắt và ăn mòn Do đó, hiện nay, các kỹ thuật chế tạo đơn tinh thể silicon dưới dạng băng (EFG) hoặc dạng tấm (DWG) được áp dụng để giảm thiểu các bước cắt và ăn mòn.
Kỹ thuật kéo tinh thể (EFG) là phương pháp sản xuất tinh thể silicon (Si) bằng cách nhúng khuôn có khe hẹp vào Si nóng chảy Một mầm tinh thể Si được đặt trên khuôn, và Si lỏng sẽ lèn vào khe do hiện tượng mao dẫn, sau đó bám vào mầm Khi kéo tấm Si lên với tốc độ khoảng 1 cm/phút, Si lỏng nguội và kết tinh, tạo ra băng tinh thể với độ dày từ 25 đến 100 μm và độ rộng từ 2 đến 5 cm Vật liệu làm khuôn tốt nhất là graphit, nhưng nhược điểm của kỹ thuật này là sự ô nhiễm silicon do khuôn tiếp xúc trực tiếp với Si lỏng, cùng với việc khuôn dễ bị mòn.
- Kỵ thnậi "kéo ” tấni đơn lình thé Si (DWG) được thực hiện như sau:
Để chế tạo tấm đơn tinh thể silicon, trước tiên cần tạo một khuôn hình máng hộp với chiều rộng khoảng 50mm và chiều dài từ 5 đến 10 cm Sau đó, nhúng khuôn vào nồi silicon nóng chảy để silicon lỏng bám vào khuôn và nguội dần Khi kéo khuôn ra, tấm silicon lỏng giữa khuôn sẽ bị lạnh và kết tinh thành tấm đơn tinh thể silicon Phương pháp này giúp tránh sự làm bẩn tấm silicon vì không sử dụng khuôn bằng vật liệu khác, từ đó nâng cao hiệu suất của các pin mặt trời lên đến 15%.
Hình 4.2tì- Sơ dồ thiết bị "kéo" tấm đơn tmh the bang khu ôn PPG
Nhược điểm của kỹ thuật này là yêu cầu kiểm soát nhiệt độ chính xác và tốc độ kéo phai rất chậm Hơn nữa, để đạt được độ dày yêu cầu, các tấm kéo phải được cắt, dẫn đến việc hao phí một phần vật liệu.
Hình 4.2ỉ- Sơ đồ thiết bị “kéo” tấm dơn tinh thể bâng phương pháp DWG
Có hai phương pháp dién hình tạo lớp tiếp xúc bán dần pn là khuếch lán nhiệt và cấy ion a- Phương pháp khuếch tán nhiệt
Các vật liệu và pin mặt trời vô định hình
3.4.1 Vật liệu pin Măt Trời
Độ rộng vùng cấm của vật liệu pin Mặt Trời là thông số quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất biến đổi quang điện Theo lý thuyết và thực nghiệm, để đạt hiệu suất T| > 89%, độ rộng vùng cấm của vật liệu cần nằm trong khoảng 1,0 eV đến 1,6 eV Hình 4.26 minh họa mối quan hệ giữa hiệu suất biến đổi quang điện và độ rộng vùng cấm E của một số vật liệu ở nhiệt độ 300K.
Hình 4.26- Sự phu thuộc cùa hiệu suất quang điện vào độ rộng vùng cảìn ctìa vật liệu ở 300K
Silicon (Si) có vùng cấm Ef - 1,16 cV không phải là vật liệu tối ưu cho sản xuất pin mặt trời, nhưng hiện nay hơn 90% pin mặt trời trên thị trường toàn cầu sử dụng Si do đây là vật liệu chính trong ngành công nghiệp điện tử Si đã được nghiên cứu kỹ lưỡng và sản xuất quy mô công nghiệp Các vật liệu khác như InP, GaAs, CdTe, AlSb cũng có độ rộng vùng cấm phù hợp cho hiệu suất cao và thường được chế tạo dưới dạng màng mỏng vô định hình Bảng 4.2 cung cấp thông tin về hiệu suất biến đổi quang-điện lý thuyết của một số vật liệu pin mặt trời.
Bảng 4.2- Hiệu suất lý thuyết của một số vặt liệu pin Mặt Trời
Vật liêu Năng lượng vùng cấm
Hiệu suất lý thuyết cực đại
Giá cao của các pin Mặt Trời tinh thể silicon là một trong những thách thức lớn trong việc ứng dụng năng lượng mặt trời hiện nay Công nghệ màng mỏng vô định hình được xem là một giải pháp tiềm năng giúp giảm giá thành pin Mặt Trời Công nghệ này không chỉ cho phép sản xuất các pin với diện tích tiếp xúc lớn mà còn có khả năng tạo ra các pin Mặt Trời với nhiều lớp tiếp xúc nối tiếp, mang lại hiệu suất chuyển đổi quang-điện cao.
3.4.2 Vật liệu cho pin Mại Tròi màng mỏng
Bảng 4.3 liệt kê các vật liệu pin Mặt Trời màng vô định hình đã được nghiên cứu và phát triển Nhiều vật liệu trong bảng không có tính dẫn điện lưỡng tính (p và n), do đó, các cấu trúc thường được áp dụng cho những vật liệu này bao gồm pin Mặt Trời bất đồng chất, hàng rào Schottky, hoặc cấu trúc MIS.
(kim loại- cách điện- bán dần)
Các công nghệ thông dụng nhất đê chê' tạo pin Mặt Trời màng mỏng đang dược nghiên cứu ứng dụng hiện nay bao gồm: ô- Cỏc quỏ trỡnh chỏn khụng
- Lắng đọng từ pha hơi (Evaporation Physical Vapour Deposition) PVD
- Epitaxy tường nóng (Hot Wall Epitaxy) HWE
- Lắng đọng sôi/ trào (Sputter Deposition) SDb- Các quá trình kèm theo phau ững hoá học từ pha hơi:
- Lắng đọng hơi hoá học (Chemical Vapour Deposition)
- Phản ímg hơi rắn (Solid Vapour Reaction) SVR c- Các quá trình khác:
- Lắng dọng điện (Eleclrodeposition) ED
- In lưới (Screen Printing) IP
Một số công nghệ trong bảng có khả năng trực tiếp chế tạo pin chất lượng cao, trong khi một số phương pháp khác yêu cầu các xử lý phụ như ủ ở nhiệt độ cao hoặc ủ trong môi trường khí đặc biệt.
Bảng 4.3- Các vật liệu đói với pin Mặt Trời màng móng
EjeV) Loại độ dần Vật liệu Vùng cấm
Loại dô dần a- Si 1.7 p-j-n Cd(Se.Te) 1.5-1.7 p/n a-(Si.Ge) 1.3-F 1.7 p-i-n ZnTe 2,26 p a- (Si- C) 1,7 4-2.2 pin ZnSe 2,4 n
CdTe 1.5 p/n Ưu điếm lớn nhất của các kỹ thuật pin Mặt Trời màng mỏng là khá năng tạo
CVD tạo ra các cấu trúc mô đun thông qua việc áp dụng liên tiếp các phương pháp như mặt nạ, in lưới và cắt bằng tia laser, như được trình bày trong sơ đồ hình 4.27.
Vì vậy người ta có thê’ tạo ra các pin Mạt Trời cấu trúc nhiều lớp phức lạp, có hình dạng tuỳ ý
Hiện nay, hiệu suất của pin Mặt Trời vô định hình đã đạt mức khá cao, từ 8% đến 15% Tuy nhiên, một thách thức lớn vẫn đang được nghiên cứu là độ ổn định của hiệu suất quang - điện của pin khi hoạt động ngoài trời trong thời gian dài.
Dưới đây sẽ trình bày một cách tỹ mi hơn các công nghệ chê' tạo pin Mặt Trời màng mỏng trên một sô' vật liệu quan trọng
Hình 4.27- Công nghệ chế tạo modun pin Mật Trời vô định hình a-Si
3.4.3 Pin Mặt Trời màng móng
3.4.3.1 Pin Mặt Trời vò (lịnh hình Si (a-Si)
Silicon ở trạng thái vô định hình (a-Si) có các tính chất lý hóa khác biệt so với silicon tinh thể Cụ thể, vùng cấm của a-Si là vùng cấm trực tiếp với độ rộng khoảng 1,7 eV, có thể điều chỉnh liên tục từ 1,3 eV đến 2,2 eV thông qua việc pha tạp Ge và các nguyên tố khác Độ linh động của các hạt tải điện trong a-Si giảm mạnh so với silicon tinh thể, do đó, để tối ưu hóa quá trình góp điện tích, cần thiết phải áp dụng một diện trường cuốn vào lớp tiếp xúc pn.
Một pin Mặt Trời màng mỏng a- Si là cấu trúc p- i - n (hình 4.28) chi có tổng độ dày nhỏ hơn 1 pm, nên rất tiết kiệm về mặt vật liệu
Các lớp chuyển TCO/P-SiC và i/n được xác định là nguyên nhân chính gây tổn hao do tái hợp các hạt tải Để khắc phục vấn đề này, cấu trúc p-i-n đơn giản ban đầu đã được cải tiến bằng cách thêm vào các lớp đệm pha lạp với nồng độ thích hợp, thậm chí là cấu trúc siêu mạng Điều này giúp tối ưu hóa hiệu suất của điện cục lưới điện cực lnới a-Si.
_ TCO: lớp oxít dằn trong suốt Thuỷ tinh
Sự chế tạo các lớp màng a-Si thường được thực hiện thông qua công nghệ lắng đọng hơi hóa học (CVD) từ silan Để tạo cấu trúc p-i-n, người ta sử dụng dây chuyền nhiều buồng nối tiếp, giúp tránh tình trạng làm bí mật liệu do các tạp chất xâm nhập.
Tương tác bị suy giám
Hình 4.28- Tiết diện ngang của pin Mật Trời loai IIày a-SiC
Hình 4.29- Sơ dổ dãy chuyển sán xuất pm Mặt Trời a-Si
Hiệu suất chuyển đổi quang - điện của pin mặt trời màng mỏng a-Si có thể đạt tới 13% Tuy nhiên, một vấn đề đáng lưu tâm là quá trình "già hoá" của loại pin này diễn ra khá nhanh, dẫn đến giảm hiệu suất theo thời gian Quá trình già hoá này có thể bị gia tốc mạnh hơn do sự tồn tại của các "liên kết qua lác" (dangling bonds) trong vật liệu, đóng vai trò như các tâm tái hợp, gây ra những tổn hại như phá vỡ các liên kết yếu (Si-H, Si-Si) và làm hỏng các liên kết cặp.
Cơ chế này là một vấn đề quan trọng trong tính chất của pin Mặt Trời a-Si Để cải thiện tính ổn định của pin Mặt Trời a-Si, không chỉ cần nâng cao chất lượng vật liệu mà còn cần tìm kiếm các cấu trúc phù hợp.
Hình 4.30 minh họa cấu trúc pin nhiều lớp tiếp xúc, cho thấy hiệu suất ổn định của các pin Mặt Trời đạt từ 10 đến 11,3% Bên cạnh đó, hình 4.31 giới thiệu cấu trúc "pin Mặt Trời gấp", đã được thử nghiệm và cho thấy “độ dày quang học” lớn hơn đáng kể so với “độ dày điện từ” của pin.
Các cấu trúc pin Mặt Trời màng mỏng có hai và nhiều lớp tiếp xúc bao gồm: (a) các lớp được làm từ cùng một vật liệu; (b) các lớp với vật liệu khác nhau trên đế Alt; và (c) các lớp sử dụng vật liệu khác nhau trên đế thép không gỉ.
Hiện nay, giá của pin Mật Trời a-Si tương đương với giá của modun Si linh thể, với mức giá tính trên 1 Wp Nguyên nhân chính là do công nghệ sản xuất pin a-Si hiện tại có tốc độ tạo màng thấp, chỉ khoảng 1pm/giờ Để giảm giá thành, cần tăng tốc quá trình sản xuất lên khoảng 10 lần mà không ảnh hưởng đến chất lượng của pin.
Mặt Trời Hiện nay người
Hình 4.31- Cấu trúc gấp cùa một pin Mạt Trời vô định hình Si với sự làm tăng độ hấp thụ trong các màng mỏng I
Pin mặt tròi nhlểu mức nàng lượng
3.5.1 Nguyên lý cua pin Mặt Trời nhiều mức năng lượng
Hệ thống pin Mặt Trời hai mức đã được nghiên cứu sơ bộ, cho thấy giới hạn thực tế của hiệu suất chuyển đổi năng lượng ở 25 °C là 0,25 Một trong những lý do quan trọng dẫn đến hiệu suất thấp này cần được xem xét.
Pin Mặt Trời hệ vật liệu CdTe hoạt động dựa trên cấu trúc hai mức, nơi chỉ những photon có năng lượng thoả mãn điều kiện hv > Eb mới tạo ra hiệu ứng quang điện Các photon có năng lượng thấp hơn Ef sẽ đi qua mà không gây ra phản ứng Do đó, việc tìm kiếm các sơ đồ mới để tận dụng năng lượng truyền qua là cần thiết nhằm cải thiện hiệu suất pin Bài viết sẽ nghiên cứu các hệ thống pin Mặt Trời với nhiều mức năng lượng khác nhau.
Hệ thống năng lượng gồm ba mức năng lượng, với các vùng cấm giảm dần từ Egi > Eg1 > Eg2, cho phép ánh sáng tương tác với vật liệu có năng lượng lớn Các photon có năng lượng hv > Eg1 sẽ được hấp thụ bởi lớp đầu tiên, trong khi các photon có năng lượng hv < Eg1 sẽ đi đến lớp tiếp xúc thứ hai Tương tự, các photon có năng lượng hv < Eg2 sẽ tiếp tục di chuyển đến lớp tiếp xúc tiếp theo.
Sơ đồ hệ thống ba mírc có khả năng hấp thụ tất cả các photon có năng lượng hv > Es, R, ô Eg, thay vì chỉ hấp thụ một phần photon có năng lượng hv > Eg như trong hệ thống hai mírc Điều này cho thấy hiệu suất của sơ đồ ba mírc sẽ cao hơn đáng kể Năng lượng bức xạ Mặt Trời (photon) được chuyển đổi thành điện năng thông qua hệ thống này.
E = Eg| dX + Eg jjẤdZ+Eg JjxdÀ (4.23)
() trong đó J?, là mật dộ photon có bước sóng À; ÀC|, \2 7.cl là các bước sóng giới hạn quang diện trên các vật Liệu có năng lượng earn EgI, E;.,, Ep3
Sơ đố hàng rào thế Irên hệ thống tổ hợp gổm 3 hệ con trình bày trong hình 4.35
Hinh 4.35- Cấu trúc PMT nhiều mức.Hình 4.36- So dồ các vùng năng lượng trong
PMT gồm 3 kíp tiếp xúc
Khi lãng số lượng hệ thống con, số photon bị hấp thụ sẽ tăng lên, dẫn đến hiệu suất biến đổi quang điện cũng được cải thiện.
Hệ thống bao gồm ba lớp tiếp xúc pn được nối tiếp, dẫn đến dòng quang diện được tạo ra trong các lớp con phải bằng nhau.
Iph, — (ph, — [ph, — qK- í *1 À,dA — qkN p}) Điện thê' hở mạch trên một lớp tiếp xúc pn có the viết: v^.ỈỊ-lỉto^e q q qKNph
Do đó tổng điện thế hở mạch Vlh - Vl>ư trên cả hệ thống là:
V(1 “ v ()n - v()| + V()2 + V()3 và cóng suất diện năng dưoc san xuất ra là:
(4.26) trong đó f là thừa số lấp đầy, n là số lóp tiếp xúc
(4.25) p m = ZIỘ là các thiết bị tiêu thụ điện một chiều, được kết nối trực tiếp sau bộ điều khiển (BĐK) Để đảm bảo hoạt động hiệu quả, công suất và điện áp của BĐK cần phải tương thích với công suất và điện áp của các thiết bị tiêu thụ một chiều.
Tải xoay chiền là các thiết bị tiêu thụ điện xoay chiểu (ví dụ sứ dụng điện 220V, 50Hz)
Do nguồn điện từ dàn PMT hoặc bộ ắc quy là nguồn một chiều, để có nguồn xoay chiều cho các thiết bị cần sử dụng, người ta phải sử dụng bộ đổi điện Bộ đổi điện là một thiết bị điện tử chuyển đổi điện một chiều thành điện xoay chiều.
3.6.2 Hiệu suât của hệ nguồn điện Mạt Trời độc lập
Mỗi thành phần của hệ nguồn điện Mặt Trời đều gây ra tổn hao điện năng và có hiệu suất riêng Nếu η1 là hiệu suất của bộ điều kiện, η2 là hiệu suất của bộ đổi điện, η3 là hiệu suất nạp/ phóng điện của bộ ắc quy, và η4 là hiệu suất do tổn hao trên các dây dẫn, thì hiệu suất chung của hệ nguồn điện Mặt Trời sẽ được tính bằng công thức: n = η1 • η2 • η3 • η4.
3.6.3 Xác định các đặc trưng điện cho các thành phần trong hệ nguồn điện Mặt Trời độc lập a- Xác định nhu cầu điện của các tải Để tính toán đặc tnmg điện của các thành phần trong hệ nguồn chúng ta phải xuất phát từ xác định điện năng mà các tải cần tiêu thụ hàng ngày Giả sử ta cần xây dựng hệ nguồn cho các tải tiêu thụ được cho trong bảng 4.4
Khi dó, tổng điện năng hệ nguổn phải cấp cho các tài hàng ngày sẽ là:
Công suất (W) Sổ' lượng (cái) Thời gian sứ dụng
Tổng nhu cầu điện (Wh/ngày) l T, Pj N, T| P.N T ,
4 T 4 p4 N 4 t 4 P-1 N 4 T 4 ft- Công suứ dàn PMT
Công suất p của dàn PMT thường được tính bằng Wp hay kWp và tính dược từ công thức sau:
Cường độ tổng xạ bức xạ Mặt Trời trung bình tại địa phương được lắp đặt hệ nguồn là I_t, được tính bằng Wh/m².ngày, trong khi I_0, với giá trị 1000 W/m², đại diện cho cường độ bức xạ Mặt Trời chuẩn Dung lượng bộ ắc quy được tính bằng ampe giờ (Ah).
Dung lượng của bộ ắc quy được tính theo công thức (4.32), trong đó N là số ngày dự trữ không có nắng, V là hiệu điện thế của ắc quy, D là độ sâu phóng điện, và η là hiệu suất phóng nạp Thông thường, N được chọn từ 3 đến 7 ngày, trong khi D thường nằm trong khoảng 0,6 đến 0,7.
Sơ đồ nỏ'1 cho thấy rằng số lượng ácquy và dàn PMT được lựa chọn phụ thuộc vào yêu cầu về công suất và hiệu suất của các tải Việc xác định số lượng ácquy và PMT còn phụ thuộc vào loại ácquy hoặc mô-đun PMT được sử dụng.
Mặt Trời di chuyển trên bầu trời theo quy luật xác định, mọc ở hướng Đông, di chuyển từ Đông sang Tây và lặn ở hướng Tây Trong mùa Hè (từ 21/3 đến 21/9), Mặt Trời ở Bắc Bán Cầu, mang lại nhiều ánh nắng cho khu vực này Ngược lại, trong mùa Đông (từ 21/9 đến 21/3 năm sau), Mặt Trời ở Nam Bán Cầu, khiến Bắc Bán Cầu nhận ít ánh nắng hơn Do đó, việc định hướng dàn pin mặt trời (PMT) là rất quan trọng, vì điện năng mà dàn PMT phát ra phụ thuộc vào cường độ năng lượng Mặt Trời.
Để tối ưu hiệu suất phát điện của dàn pin mặt trời, cần thiết phải có hệ thống theo dõi Mặt Trời, giúp đảm bảo các tia sáng luôn vuông góc với bề mặt pin Điều này giúp tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng và cải thiện hiệu suất năng lượng.
Hệ thống theo Mặt Trời (Sun Tracker) tiêu tốn thêm năng lượng và chi phí cho thiết bị, đặc biệt đối với các dàn pin mặt trời (PMT) lớn có công suất hàng trăm kW, đòi hỏi bộ theo dõi phải cồng kềnh, phức tạp và đắt tiền Vì lý do này, trong nhiều ứng dụng PMT, người dùng thường lựa chọn lắp đặt dàn PMT cố định, đặc biệt là ở các địa phương phía Bắc.
Bán Cầu thì dàn pin được lắp định hướng như sau (hình 4.40):
Hình 4.40- Định hướng dàn pin Mặt Trời
- Mặt dãn pin hướng Nam và nghiêng một góc so với mặt nằm ngang là p - cp + 10", trong dó (p là vĩ độ cúa vĩ tuyến nơi lắp đặt dàn pin ;
- Trục ngang của dàn pin là trục Đông - Tây
Hệ thống điện mặt trời nóì lười
Trong các mục 4.7.1 đến 4.7.3, chúng ta đã trình bày về nguồn điện Mặt Trời độc lập, thường được áp dụng cho những khu vực không có lưới điện công nghiệp hoặc cho các tải tiêu thụ nhỏ Tuy nhiên, công nghệ này có nhược điểm là sử dụng bộ ắc quy, vừa tốn kém, cần bảo trì thường xuyên và gây ô nhiễm môi trường Hơn nữa, bộ ắc quy chỉ có khả năng tích trữ một lượng điện năng hạn chế, trong khi các hệ thống pin Mặt Trời có công suất lớn từ hàng chục đến hàng trăm kW gặp khó khăn trong việc sử dụng ắc quy để lưu trữ điện.
Đối với các ứng dụng quy mô lớn ở các nước phát triển, công nghệ điện mặt trời lưới đang được áp dụng rộng rãi Công nghệ này cho phép chuyển đổi điện từ các tấm pin mặt trời thành dòng điện xoay chiều thông qua các bộ biến đổi điện (inverter), sau đó hòa vào mạng lưới điện công nghiệp Người tiêu dùng có thể lấy điện từ lưới, mà lưới điện hoạt động như một "ngân hàng" lưu trữ điện năng do tấm pin mặt trời sản xuất, cung cấp điện khi cần thiết Nhờ vào hệ thống ngân hàng điện này, việc sử dụng điện trở nên ổn định và tiết kiệm hơn.
Tại các quốc gia như Nhật Bản, Đức và Mỹ, mỗi hộ gia đình thường lắp đặt một hệ thống pin mặt trời với công suất từ 3,5 đến 4,0 kWp trên mái nhà Hệ thống này hấp thụ năng lượng mặt trời vào ban ngày để sản xuất điện Điện được phát ra sẽ được truyền lên lưới thông qua bộ biến đổi điện và hệ thống dây dẫn, với chỉ số điện năng được ghi lại bởi công tơ Khi sử dụng điện, hộ gia đình sẽ lấy điện từ lưới qua một công tơ khác Hàng tháng, họ kiểm tra chỉ số của các công tơ để xác định xem có được hoàn trả tiền điện (nếu điện tiêu thụ ít hơn điện phát lên lưới) hay phải trả thêm tiền điện cho công ty điện lực (nếu ngược lại).
Khái niệm co bàn vế năng lượng gió
4.1.1 Các đặc trưng cư bàn về gió
Gió là sự chuyển động của không khí, xảy ra do sự nung nóng không đều bề mặt Trái Đất bởi Mặt Trời Trong những điều kiện thuận lợi, nguồn năng lượng gió có thể được khai thác để phục vụ nền kinh tế quốc dân Các trạm năng lượng gió thường hoạt động ở độ cao từ 20 đến 70 mét so với bề mặt Trái Đất, vì vậy việc nghiên cứu đặc tính của gió ở lớp khí quyển này là rất quan trọng.
Trên các độ cao từ 8 đến 12 km, được gọi là tầng đối lưu, gió thường xuyên mạnh mẽ và được biết đến là dòng chảy luồng khí với vận tốc từ 25 đến 80 m/s Tiềm năng năng lượng của gió ở tầng này lớn hơn nhiều so với gió ở mặt đất Tuy nhiên, việc sử dụng gió ở độ cao này gặp nhiều khó khăn về mặt kỹ thuật khi chuyển tải năng lượng từ độ cao lớn xuống mặt đất.
Gió là một hiện tượng địa vật lý phức tạp, do đó việc dự báo sự biến đổi của nó chỉ có thể thực hiện với một mức độ xác suất nhất định.
Vận tốc gió là đặc tính quan trọng nhất để đánh giá động năng của gió Tốc độ này bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khí tượng như sự nhiễu loạn trong khí quyển, tác động của Mặt Trời, và sự truyền nhiệt tới mặt đất Bên cạnh đó, điều kiện địa hình tại chỗ cũng góp phần làm thay đổi giá trị và hướng của tốc độ gió Hướng véc tơ vận tốc giúp xác định vị trí của gió theo góc, thường được tính toán dựa trên hướng Bắc.
E)e đo vận tốc gió lức thời người ta sử dụng máy do gió Vinđo hoặc phong loe kê (máy đo gió quán tính nhó)
Dế đo vận tốc gió trong khoảng thời gian dài từ vài chục giây đến vài phút Người ta sử dụng các loại máy đo gió khác nhau, bao gồm đồng hồ chỉ thị và bộ phận ghi chép, để lưu trữ vận tốc gió trên băng.
Sai số do vận tốc gió gây ra bằng phong lốc kê có thể đạt tới 5 - 7% Do đó, nếu di chuyển ở độ chính xác lớn, ví dụ trong thí nghiệm động cơ gió và mô hình cửa trong ống khí động, người ta thường sử dụng ống pitot với áp kê vi lượng.
Vận tốc tức thời của gió ảnh hưởng đến cường độ gió và hệ thống điều chỉnh tự động, trong khi lượng điện sinh ra phụ thuộc vào vận tốc gió trung bình theo thời gian và diện tích bề mặt của bánh công tác động cơ gió.
Vận tốc gió trung bình theo thời gian được xác định bằng tỷ số giữa tổng giá trị vận tốc gió tức thời đo được và số lần đo trong khoảng thời gian tương ứng Công thức tính vận tốc gió trung bình là v = - ■, m/s.
Vận tốc gió trung bình trong ngày được xác định bằng cách chia tổng vận tốc gió trung bình theo giờ cho 24 giờ Tương tự, tốc độ gió trung bình trong năm cũng được tính toán dựa trên các dữ liệu hàng ngày.
Tốc độ gió trung bình trong 365 ngày được xác định từ các số liệu theo dõi của các trạm khí tượng hoặc máy thám không Tại hầu hết các trạm khí tượng, tốc độ gió được ghi nhận 6 lần mỗi ngày, với 4 giờ cho mỗi lần đo Những số liệu này cung cấp dữ liệu tương đối chính xác về tốc độ gió trung bình theo chu kỳ Sự sai lệch giữa các số liệu tính toán và thực tế về tốc độ gió trung bình không vượt quá 1%.
Chi số của các máy đo gió chịu ảnh hưởng của điều kiện địa hình và mức độ che khuất của trạm khí tượng Do đó, cần chú ý khi điều chỉnh vận tốc gió cho từng vùng cụ thể, ngay cả khi máy đo nằm gần trạm khí tượng.
Vận lóc gió trung bình có sự biến đổi rõ rệt theo thời gian trong ngày, tháng và mùa Do đó, người ta phân loại sự thay đổi vận tốc gió theo các khoảng thời gian này, phản ánh xu hướng chung của vận tốc gió trong các chu kỳ thời tiết.
Giá trị giới hạn của vận tốc gió, cùng với các số liệu về cường độ gió và cấu trúc của dòng khí trong khoảng thời gian ngắn, là những đặc tính trạng thái quan trọng cần được xem xét Những yếu tố này đóng vai trò thiết yếu trong việc tính toán độ bền lổ của máy móc và trong thiết kế thiết bị điều chỉnh, định hướng.
Mạch động vận lóc gió và năng lượng dòng khí được hình thành bởi cấu trúc của gió, các đặc điểm địa phương và ảnh hưởng của điều kiện cảnh quan và địa hình Đặc tính này rất quan trọng vì thường là nguyên nhân gây hư hỏng tổ máy Đặc tính mạch đóng vận tốc gió được đánh giá qua gia lốc của dòng khí, độ kéo dài của cơn gió và sự trùng hợp của các cơn gió tại những điểm khác nhau trên bề mặt chứa bánh công tác động cơ gió Hệ số KgiíU là tỷ số giữa vận lốc gió cực đại V111;|X và vận tốc gió trung bình V trong một khoảng thời gian không quá 2 phút.
Nghiên cứu sự biến đổi của vận tốc gió sẽ trở nên thuận lợi hơn nhờ vào việc phân tích tổng hợp các quy luật và sự biến đổi ngẫu nhiên của cường độ gió trong một khoảng thời gian nhất định và trên một diện tích không gian hữu hạn Thông thường, tại các trạm khí tượng, vận tốc gió trung bình được xác định trong khoảng thời gian không dưới 2 phút.
Lý thuyết đông cơ gió
4.2.1 Các loại động co gió Động cơ gió biên đối năng lượng gió thành cơ năng Bộ phận chính cứa dộng cơ gió là bánh còng lác gió Theo kê't cấu bánh công lác gió và vị trí của nó trong dòng khí, dông cơ gió dược phân làm 3 loại
4.2.1.1 Động cơ gió loại cánh dạng khí động Động cơ gió loại cánh khí dộng có 2 loại: loại ít cánh (quay nhanh) với số cánh từ
1 den 4 và loại nhiều cánh (quay chậm) với sô' cánh tới 24, Hệ số sir dụng năng lượng gió cùa loại dộng cơ gió này có giá trị trong khoáng 0,3 ’ 0,42
4.2.1.2 Động cơ gió loại róto cánh phang trục đứng
Loại bánh công tác trục đứng này có các lá cánh phẳng chuyển động theo hướng gió, với chỉ một phần lá cánh hoạt động cùng hướng gió tại một thời điểm Các lá cánh ở phía ngược lại sẽ chuyển động ngược lại hướng gió Để giảm lực cản của các lá cánh không làm việc, tấm chắn A được sử dụng để che gió, được thiết kế đặc biệt nhằm tạo điều kiện cho dòng khí chảy tốt hơn.
Do độ chênh áp về 2 phía trục quay của bánh cõng tác xuất hiện mômen làm quay bánh công tác
Loại động cơ gió này có hai nhươc điếm cơ bản:
Cánh của bánh công tác chuyển động theo hướng gió, dẫn đến sự chậm trễ trong chuyển động của dòng gió, bởi vì các lá cánh không thể di chuyển nhanh hơn tốc độ gió Tỷ số vận tốc vòng của mút cánh so với vận tốc gió không vượt quá 0,5, điều này cho thấy động cơ gió có trọng lượng riêng (tỷ trọng) lớn.
Bề mặt chiếm chỗ của bánh công tác động cơ gió rôto cánh phang trục đứng gần như bị che hoàn toàn, trong khi đó ô các động cơ gió cánh khí dộng chỉ chiếm 5 - 10% diện tích Điều này cho thấy động cơ gió quay nhanh có tỷ trọng nhỏ hơn đáng kể.
Hệ số sử dụng năng lượng gió của động cư rôto cánh phẳng trục đứng rất nhó (0,1 -0,18)
Hình 7.4- Các loại động cơ gió: a loại cánh khí dông: b loai rôto cánh phảng trục đứng; _ c _ ,
' ■ /Tic.’ LL/JT" : -7r : Tj? Hình 7.5- Đông cơ gió trục dưng Darriucr c loại rôto cánh tròn trục đứng (động cơ gió Savonius)
4.2.1.3 Động cơ gió loại rôto cánh tròn trục đứng (động cơ gió Savonius) Động cơ gió loại này do một kỹ sư người Phần Lan là J Savonius sáng ché' năm
Năm 1920, động cơ được thiết kế với hai nửa hình trụ ghép so le và quay quanh trục thẳng đứng Mặc dù có cấu trúc đơn giản và dễ chế tạo, loại động cơ này lại có tốc độ chậm (độ cao lốc z = 0,9 - 1,0) và tỷ trọng lớn Mômen khởi động của động cơ rất lớn, nhưng hiệu suất chỉ đạt khoảng 18% Động cơ gió kiểu này có thể dừng lại để sử dụng cho việc bơm nước hoặc quay máy phát điện với tốc độ thấp.
4.2.1.4 Động co gió trục dứng Darrieus Động cơ gió loại này do một kỹ sư người Pháp là Đarrieus sáng chê' năm 1925 với
Động cơ gió Darneưs, với hai dạng cánh thang và cong, đang được nghiên cứu đặc biệt tại Pháp và Canada Điểm nổi bật của loại động cơ này là kết cấu gọn nhẹ và cánh có biên dạng khí động học, mang lại hiệu suất khoảng 35% Mặc dù hiệu suất này thấp hơn so với động cơ gió cánh khí động loại ít cánh, nhưng vẫn cao hơn loại nhiều cánh Hiện tại, động cơ gió Darneưs vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu để hoàn thiện và chưa được ứng dụng rộng rãi như động cơ gió cánh khí động.
Trên hình 7.6 giới thiệu dồ thị so sánh hiệu suất sứ dụng năng lượng gió cùa các loại động cơ gió nói trên
Hinh 7.6- 1 liệu suất sử dụng năng lượng gió cúa một số loai động Cữ gió:
1 cói xay gió cổ Hà Lan; 2' Savoriu.s; 3- nhiểu cánh;
4- lí lường: 5- ba cánh: 6’ hai cánh tốc độ cao; 7- Darrieur
4.2.2 Hệ sô sử dụng nâng lượng gió
Khi dòng không khí di chuyển qua tiết diện F chứa cánh bánh công tác, nó tạo ra hình dạng tương tự như hình 7.7 Sự quay của bánh công tác gây ra hiện tượng tàng áp, dẫn đến việc vận tốc dòng khí giảm dần khi tiến gần về phía trước và ở một khoảng cách nhất định từ bề mặt cánh bánh công tác.
Trong hình 7.7, sự thay đổi vận tốc dòng khí được biểu thị bằng đường cong I Dòng khí trong trường hợp này được coi là dều Theo sơ đồ cháy, áp suất dòng khí sẽ tăng khi gần bánh công tác, trong khi sau bánh công tác, áp suất giảm đột ngột (đường cong II) Do đó, sau bánh công tác, độ giảm áp sẽ hình thành và càng xa bánh công tác, độ giảm áp này sẽ giảm dần (đường cong III).
Vận tốc gió tại tier diện A-A' bàng V, tại riết diện B-B’ bằng V’:
Sau bánh công tác trên khoáng cách nào đó lại tiết diện C-C' dòng khí có vân tóc
Vj và V là tổn thất vận tốc gió khi gió đi qua tiết diện cháy của bánh công tác Động năng của gió trước bánh công tác được tính bằng công thức mV²/2, trong khi sau bánh công tác, động năng trở thành m(V - Vj)²/2.
Năng lượng gió làm quay bánh công tác:
Vê phải phương trình có thể đưa về dạng:
Hinh 7.7- Hình dang dòng khí chảy qua mạt phỉing quay của bánh còng tác
Năng lượng thu được từ bánh công tác gió được tính bằng tích của áp lực gió và chênh lệch vận tốc (V - Vj) trong mặt phẳng chứa cánh bánh công tác.
Nến khảo sát năng lượng trong 1 giây la có:
Lực p trong chuyên dộng ốn định bằng gia số động lượng dòng khí trong I giây chảy qua mặt phắng chứa bánh công tác Vậy
P = mV2 Thế p vào phương trình trên ta dược:
Từ phương trình (7.23) có: mV^V-^-^mV^V-VẠ
Như vậy tốn thất toàn phần của vận tốc dòng khí sau bánh công tác lứn gấp 2 lần tổn thất vận tốc trong mặt phắng chứa bánh công tác
Năng hrơng dòng khí trong 1 giây qua tiết diện F mV" pV 3 P
Nàng lượng bánh công tác nhận được bàng P(V - V|)
Hiệu suất sử dụng năng lượng là tỷ số giữa năng lượng hữu ích mà bánh công tác nhận được và năng lượng toàn phần của dòng khí khi đi qua tiết diện chứa bánh công tác.
Do p - mVj và dựa theo phương trình m - pVF, lượng không khí di qua bánh còng tác trong 1 giây m = p(V - V,)F, ta có: p = p(V - VJFV,
Thay p vào phương trình (6.25) ta nhận dược: p(V-V1)2V1F(V-V|) 4(V-V|) 2 V; V| pv 3 r V 3 I V J V '
Phương trình (7.26) cho thấy, £, phụ thuộc vào gía trị tổn thất vận tốc gió khi đi qua mặt phầng chứa động cơ gió
Cho V[/V các giá trị từ 0 đến 1 và thế vào phương trình (7.26) ta tìm được hệ số sử dụng năng lượng gió lớn nhất khi V;Ạ'' = 1/3, tức là
Hệ số sử dụng năng lượng gió lý thuyết chỉ đạt được khi bánh công tác gió hoạt động mà không có bất kỳ tổn thất nào, tức là trong điều kiện lý tưởng.
Giá trị 0,593 đại diện cho hệ số sử dụng năng lượng gió lý tưởng, đây là mức giới hạn mà các hệ số sử dụng năng lượng gió của động cơ gió thực tế cần đạt được.
Giá trị tối ưu trong mối quan hệ giữa vận tốc gió V và tổn thất vận tốc là 1/3, tức là bánh cóng tác gió lý tưởng cần hoạt động để giảm tổn thất vận tốc gió xuống còn 1/3 (V, - V/3).
Ứng dụng nàng lượng gió
Từ lâu, con người đã khai thác năng lượng gió để thay thế sức lao động nặng nhọc, với các thuyền buồm và cối xay gió Cối xay gió, xuất hiện từ thế kỷ 14, trở nên phổ biến vào thế kỷ 17 và đạt đỉnh cao vào thế kỷ 18, đặc biệt là tại Hà Lan với hàng ngàn chiếc Từ thế kỷ 19 đến giữa thế kỷ 20, năng lượng gió tiếp tục được phát triển và ứng dụng rộng rãi.
Với sự phát triển của máy hơi nước và động cơ đốt trong, cối xay gió đã từng bị lãng quên Tuy nhiên, trong vài thập kỷ qua, sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch và ô nhiễm môi trường đã thúc đẩy nhiều quốc gia, bao gồm cả những nước công nghiệp phát triển như Nga, Mỹ, Pháp, Đức, Hà Lan, Anh, Đan Mạch và Thụy Điển, chú trọng nghiên cứu năng lượng gió Nhờ áp dụng các thành tựu khoa học tiên tiến trong lĩnh vực thủy khí động lực học, cơ khí và vật liệu mới, năng lượng gió đã có những bước tiến vượt bậc về chất lượng thiết bị và quy mô ứng dụng Hiện nay, các động cơ gió hiện đại có thể đạt hiệu suất sử dụng năng lượng lên tới 42%, so với chỉ dưới 20% của các cối xay gió truyền thống Các hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ vòng quay của động cơ gió, cùng với việc sử dụng vật liệu bền như hợp kim nhôm và sợi thủy tinh, đã tạo ra những động cơ gió có đường kính lên tới 80m và công suất đạt 3000 kW Việc ghép nhiều động cơ gió lại với nhau đã hình thành nên các “rừng máy phát điện gió”, góp phần quan trọng vào việc sử dụng năng lượng tái tạo.
Việc ứng dụng năng lượng gió ở mỗi quốc gia phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm vị trí địa lý, đặc điểm tiềm năng gió và trình độ công nghiệp.
3.4.4 Úng dụng dộng cơ giớ phát điện
Một trong những ứng dụng quan trọng của động cơ gió là chạy máy phát điện Động cơ gió thường được sử dụng để kéo máy phát điện là loại ít cánh và có số vòng quay tương đối lớn Việc phối hợp giữa động cơ gió và máy phát điện là rất quan trọng, vì máy phát điện thường có tốc độ quay lớn hơn so với động cơ gió Để đảm bảo hai máy có thể hoạt động hiệu quả cùng nhau, cần sử dụng máy phát có tốc độ quay thấp hoặc các bộ truyền trung gian như hộp số, dây truyền, hoặc biên lốc thủy lực.
7.3J.I Thiết bị điện dừng cho máy phát diện gió Độ phức tạp của ihict bị diện các máy phái diện gió phụ thuộc rất nhiỂư vào cùng suất cùa chúng Vời cóng suất từ 1 dến 3 MW gần như toàn bộ thiết bị điện, cư khí, thuý lực dền dặt trẽn dinh CỘI ke cá hệ thông thòng lĩn và máy tính điều khiến
Máy phát công suất lớn thường là máy tự kích, sử dụng điện áp xoay chiều 3 pha, trong khi máy phát công suất nhỏ từ vài kW cũng thường là máy tự kích một pha hoặc 3 pha Đối với các máy phát công suất cực nhỏ dưới 1 kW, thường sử dụng máy phát nam châm vĩnh cửu với điện áp xoay chiều một pha Qua thời gian sử dụng, từ trường của nam châm có thể bị yếu và cần phải nạp lại hoặc thay thế Ở các máy phát tự kích, từ trường luôn được bổ sung nên không có hiện tượng từ trường bị yếu đi Để lưu trữ điện năng khi không có gió, người ta sử dụng các bộ nắn dòng và hạ thế xuống 12 hoặc 24 V để nạp ắc quy Ngoài ra, còn có các máy phát điện gió được thiết kế riêng để nạp ắc quy, thường có điện áp thấp 12 hoặc 24 V.
Gió có đặc điểm là vận tốc không ổn định và hướng gió luôn thay đổi Do đó, việc điều chỉnh hướng quay và tốc độ quay của cánh quạt là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả hoạt động.
Dưới đây chúng ta sẽ lìm hiểu qua nguyên lý làm việc cùa các thiết bị này
4.3.1.2 Nguyen lý làm việc của hệ thống tự động điều chỉnh theo hướng gió Đối với dộng cơ gió trục ngang không lhe thiếu dược hệ thống tự dộng diều chỉnh theo hướng gió để giữ cho mặt phắng quay của cánh luôn vuông góc với hướng gió, báo dám cho dộng cơ gió nhận dược năng lượng gió tối đa Hệ thõng tư động điều chính hướng gió có nhiều kiêu khác nhau:
Định hướng bang duổi lái là loại thiết bị thường được sử dụng cho các động cơ gió có công suất nhỏ dưới 15 kW Ưu điểm của loại này là cấu tạo đơn giản và độ nhạy cao, giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của hệ thống.
Cánh quạt phụ nhỏ được định hướng với trục ngang vuông góc so với trục quay của cánh quạt chính trong động cơ gió Thông thường, cánh quạt phụ này được lắp đặt gần cạnh phía sau của động cơ gió.
Định hướng gió trong các động cơ gió phát điện công suất trung bình và lớn thường được thực hiện nhờ hệ thống truyền động điện Những máy này không có đuôi lái, mà thay vào đó, trên thân động cơ gió được gắn một thiết bị định hướng gió nhỏ Thiết bị này kết nối với một động cơ điện, giúp quay toàn bộ động cơ gió khi hướng gió thay đổi, đảm bảo rằng các cánh của động cơ gió luôn hướng đúng về phía gió.
4.3.1.2 Nguyên lý làm việc của hệ thống tự động điểu chỉnh tốc dộ quay cúa cánh quạt Đế tránh cho động cơ gió khỏi bị hư hại trước các cơn gió mạnh hoặc bão, một vân dẻ kỹ thuật rất quan trọng cần giâi quyết đói với động cơ gió là tự dõng giâm tốc độ quay cùa cánh khi lốc dộ gió vượt quá lốc độ thiết kế Có nhiều hệ thống lự dộng điểu chinh tốc dộ quay nhưng phổ biên là:
Hệ thống tự động thay đổi góc dặt cánh, hay còn gọi là tự động biến bước cánh, sử dụng lực ly tâm từ động cơ gió nhổ hoặc động cơ điện - cơ khí với động cơ gió lớn, thường được áp dụng cho các tuabin gió phát điện ít cánh Trong trường hợp này, các cánh quạt sẽ tự động xoay quanh trục của chúng để điều chỉnh góc theo hướng gió Bên cạnh đó, hệ thống phanh khí động được thiết kế cho động cơ gió phát điện 2 cánh, giúp giảm tốc độ quay của cánh quạt khi gió quá mạnh nhờ vào lực ly tâm làm bung ra các càng phanh khí động.
Hình 7.16- Hệ thống tự động định hướng bàng đuôi lái
Hệ thống tự động điều chỉnh toàn bộ cánh quạt ra khỏi hướng gió khi có gió mạnh, sử dụng hai nguyên lý hoạt động: điều chỉnh bằng cánh phụ và trục quay bánh công tác lệch tâm với tháp động cơ gió.
+ Sứ dụng cánh phụ, thường dùng cho động cơ gió nhiều cánh (hình 7.17,a)
Đặt lệch tâm trục quay của bánh cánh so với trục quay của phần tháp động cơ gió là một nguyên lý quan trọng Nguyên lý này có thể áp dụng cho các động cơ gió phát điện và bơm nước, mang lại hiệu quả cao trong việc sử dụng năng lượng gió.
