Thiết kế hệ thống điện dùng pin mặt trời cấp điện cho hộ gia đình công suất 3kw

Ánh sáng nói riêng, hay bức xạ điện từ nói chung, từ bề mặt của Mặt Trời được xem là nguồn năng lượng chính cho Trái Đất.. Hiện nay trong các nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng Mặt Tr

KHOA CÔNG NGHỆ

  

TS : Trần Trung Tính

SINH VIÊN THỰC HIỆN:

Mai Hoàng Nhi (MSSV: 1064087)

Ngành: Kỹ Thuật Điện – Khóa 32

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN DÙNG PIN MẶT TRỜI CẤP ĐIỆN CHO HỘ

GIA ĐÌNH CÔNG SUẤT 3 kW

Tháng 05/2010

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

1 Họ và tên cán bộ hướng dẫn: Trần Trung Tính

2 Tên đề tài: Thiết kế hệ thống điện dùng pin năng lượng Mặt Trời cấp điện cho hộ gia đình công suất 3kW

3 Địa điểm, thời gian thực hiện:

Địa điểm: Bộ môn Kỹ Thuật Điện – Khoa Công Nghệ - Trường Đại Học Cần Thơ

Thời gian thực hiện: 14 tuần (bắt đầu từ ngày 01/02/2010 và hoàn thành ngày 02/05/2010)

4 Họ và tên sinh viên thực hiện: Mai Hoàng Nhi

MSSV: 1064087 Lớp: Kỹ Thuật Điện K32

5 Mục đích của đề tài:

Thiết kế hệ thống điện dùng Pin Mặt Trời cấp điện cho hộ gia đình, đảm bảo theo yêu cầu kỹ thuật, cung cấp đủ cho tải tiêu thụ và tính kinh tế cao nhất

6 Kinh phí dự trù cho việc thực hiện đề tài: 300.000 (đồng)

LỜI CẢM ƠN

***

Sau 14 tuần bắt tay vào công việc, đến nay luận văn tốt nghiệp của em đã hoàn thành Có được kết quả như hôm nay, ngoài sự phấn đấu của bản thân, em còn nhận được sự dạy dỗ tận tình, sự động viên, giúp đở của gia đình, thầy cô, bạn bè

Nhân đây, em xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô Bộ môn Kỹ Thuật Điện, trường Đại Học Cần Thơ, đặc biệt là thầy hướng dẫn Trần Trung Tính đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ em hoàn thành luận văn đúng hạn

Xin chân thành cảm ơn tất cả các bạn bè và người thân xung quanh đã động viên, giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình học tập, giúp mình hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp

Xin chân thành cảm ơn !

Cần Thơ, ngày 02 tháng 5 năm 2010

Sinh viên thực hiện

Mai Hoàng Nhi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN *****

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1 Cán bộ hướng dẫn : Trần Trung Tính 2 Đề tài: Thiết kế hệ thống điện dùng pin năng lượng Mặt Trời cấp điện cho hộ gia đình công suất 3kW 3 Sinh viên thực hiện : Mai Hoàng Nhi 4 Lớp : Kỹ Thuật Điện 5 Nội dung nhận xét : a Nhận xét về hình thức của LVTN: b Nhận xét về nội dung của LVTN:………

………

c Nhận xét về nội dung của LVTN: (Đề nghị ghi chi tiết đầy đủ) * Đánh giá nội dung thực hiện của đề tài:………

………

… ………

* Những vấn đề còn hạn chế:

………

d Nhận xét đối với từng sinh viên tham gia thực hiện đề tài: (ghi rỏ từng nội dung chính do sinh viên nào chịu trách nhiệm thực hiện nếu có)…………

………

e Kết luận, đề nghị và điểm :………

Cần Thơ, ngày tháng năm 2010

Cán bộ chấm hướng dẫn

Trần Trung Tính

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN *****

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ CHẤM PHẢN BIỆN 1 Cán bộ chấm phản biện : Đỗ Nguyễn Duy Phương 2 Đề tài: Thiết kế hệ thống điện dùng pin năng lượng Mặt Trời cấp điện cho hộ gia đình công suất 3kW 3 Sinh viên thực hiện : Mai Hoàng Nhi 4 Lớp : Kỹ Thuật Điện Khóa 32 5 Nội dung nhận xét : a Nhận xét về hình thức của LVTN:…………

b Nhận xét về hình thức của LVTN:…………

………

c Nhận xét về nội dung của LVTN: (Đề nghị ghi chi tiết đầy đủ) * Đánh giá nội dung thực hiện của đề tài:………

………

… ………

* Những vấn đề còn hạn chế:

………

d Nhận xét đối với từng sinh viên tham gia thực hiện đề tài (ghi rỏ từng nội dung chính do sinh viên nào chịu trách nhiệm thực hiện nếu có)…………

……… …

………

e Kết luận, đề nghị và điểm :………

Cần Thơ, ngày tháng năm 2010

Cán bộ chấm phản biện

Đỗ Nguyễn Duy Phương

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN *****

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ CHẤM PHẢN BIỆN 1 Cán bộ chấm phản biện : Đinh Mạnh Tiến 2 Đề tài: Thiết kế hệ thống điện dùng pin năng lượng Mặt Trời cấp điện cho hộ gia đình công suất 3kW 3 Sinh viên thực hiện : Mai Hoàng Nhi 4 Lớp : Kỹ Thuật Điện Khóa 32 5 Nội dung nhận xét : c Nhận xét về hình thức của LVTN:…………

d Nhận xét về hình thức của LVTN:…………

………

c Nhận xét về nội dung của LVTN: (Đề nghị ghi chi tiết đầy đủ) * Đánh giá nội dung thực hiện của đề tài:………

………

… ………

* Những vấn đề còn hạn chế:

………

d Nhận xét đối với từng sinh viên tham gia thực hiện đề tài (ghi rỏ từng nội dung chính do sinh viên nào chịu trách nhiệm thực hiện nếu có)…………

……… …

………

e Kết luận, đề nghị và điểm :………

Cần Thơ, ngày tháng năm 2010

Cán bộ chấm phản biện

Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới như năng lượng Mặt Trời là một trong những hướng quan trọng trong kế hoạch phát triển năng lượng, không những đối với những nước phát triển mà ngay cả với những nước đang phát triển

Năng lượng Mặt Trời - nguồn năng lượng sạch và tiềm tàng nhất - đang được loài người thực sự đặc biệt quan tâm Có thể vừa giải quyết và thay thế các nguồn năng lượng thiên nhiên sắp bị cạn kiệt, và nhất là bảo vệ môi trường thiên nhiên, đồng thời giải quyết phần nào ô nhiễm môi trường do con người tạo ra

Việt Nam là nước có tiềm năng về năng lượng Mặt Trời rất lớn, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao do đó việc sử dụng năng lượng

ở nước ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế lớn

Hiện nay ở nước ta chỉ mới có vài công trình “Pin Mặt trời” được ứng dụng chủ yếu cấp điện cho đồng bào miền núi, vùng hải đảo…do nhà nước tài trợ Ngoài

ra cũng có một vài ngôi nhà lắp Pin Mặt Trời (viện trợ của nước ngoài), đã đem lại lợi ích rất lớn, cần được nhân rộng

Đó là lý do em chọn đề tài “Thiết kế hệ thống điện dùng pin năng lượng Mặt Trời cấp điện cho hộ gia đình công suất 3kW” Khi mô hình mái nhà pin mặt trời này được ứng dụng rộng rãi sẽ giải quyết được tình trạng thiếu điện như hiện nay

Nội dung luận văn gồm có 10 chương:

Chương I: Năng lượng Mặt Trời nguồn năng lượng sạch và vô tận

Chương II: Pin năng lượng Mặt Trời

Chương III: Lý thuyết hệ thống Điện Mặt Trời

Chương IV: Khảo sát, tính toán các thành phần trong hệ thống

Chương V: Kết quả tính toán

Chương VI: Lựa chọn thiết bị cho hệ thống điện Mặt Trời Chương VII: Đấu nối hệ thống

Chương VIII: Bài toán kinh tế

Chương IX: Vận hành, bảo dưỡng hệ thống

Chương X: Kết luận

Phụ lục

MỤC LỤC

Số trang

Lời nói đầu

Chương I: NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI NGUỒN NĂNG LƯỢNG SẠCH VÀ

VÔ TẬN………1

1.1 Cấu tạo Mặt Trời 1

1.2 Phản ứng hạt nhân trong Mặt Trời 2

1.3 Hằng số Mặt Trời 2

1.4 Năng lượng Mặt Trời 3

1.5 Năng lượng Mặt Trời tạo ra điện như thế nào ? 4

1.5.1 Sử dụng nhiệt năng tạo ra điện 4

1.5.2 Sử dụng quang năng (dùng tấm pin Mặt Trời) trực tiếp tạo ra điện 5

1.6 Những ứng dụng của Pin Mặt Trời và tiềm năng của Pin Mặt Trời ở Việt Nam 5

1.6.1 Một số ứng dụng của Pin Mặt Trời đã được triển khai tại Việt Nam 5

1.6.1.1 Tấm panel lấy điện cấp cho hộ gia đình 4

1.6.1.2 Pin Mặt Trời cấp điện cho đồng bào miền núi, vùng sâu vùng xa, hải đảo, cơ quan hành chính 6

1.6.1.3 Thắp sáng đèn đường, đèn tín hiệu 7

1.6.2 Tiềm năng Pin Mặt Trời tại Việt Nam 8

Chương II: PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 9

2.1 Hiệu ứng quang điện 9

2.2 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của Pin Mặt Trời 10

2.2.1 Cấu tạo 10

2.2.2 Nguyên lý hoạt động 12

2.3 Các đặc trưng điện của Pin Mặt Trời 14

2.3.1 Sơ đồ tương đương 14

2.3.2 Dòng đoản mạch I SC 15

2.3.3 Thế hở mạch V OC 16

2.3.4 Điểm làm việc công suất cực đại 17

2.4 Các tham số ảnh hưởng đến chế độ làm việc của Pin Mặt Trời 18

Mục lục

2.5 Hiệu suất 18

2.6 Sơ lược công nghệ chế tạo Pin Mặt Trời Si 19

2.6.1 Sơ lọc cát thạch anh để có Silicon có độ sạch kỹ thuật 19

2.6.2 Làm sạch tiếp để có Silicon có độ sạch bán dẫn 20

2.6.3 Tạo đơn tinh thể Si 20

2.6.4 Cắt thỏi Si đơn tinh thể thành các phiến Si 20

2.6.5 Tạo lớp tiếp xúc p-n 20

2.6.6 Tạo lớp tiếp xúc Ohmic 21

2.6.7 Đóng gói Pin Mặt Trời thành modul 22

Chương III: LÝ THUYẾT HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI……… 23

3.1 Ghép dàn Pin Mặt Trời 23

3.1.1 Mắc nối tiếp các modul giống nhau 24

3.1.2 Mắc song song các modul 25

3.2 Tích lũy năng lượng 25

3.2.1 Acquy chì 26

3.2.2 Các phương pháp phóng và nạp Acquy 27

3.2.2.1 Phóng điện Acquy 27

3.2.2.2 Nạp điện Acquy 27

a Nạp với dòng điện không đổi 28

b Nạp với dòng điện giảm dần 28

c Nạp với điện thế không đổi 28

d Nạp thay đổi với điện thế không đổi 28

3.3 Các thiết bị bảo vệ, điều khiển 30

3.3.1 Bộ điều khiển phóng/nạp 30

3.3.2 Biến đổi DC/AC 30

3.3.3 Các diod bảo vệ 30

3.3.4 Khung giá, hộp nối và dây điện 31

Chương IV: KHẢO SÁT, TÍNH TOÁN CÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG 32

4.1 Bài toán thiết kế 32

4.2 Các bước tính toán 32

4.2.1 Lựa chọn sơ đồ khối cho hệ thống 32

4.2.2 Tính phụ tải điện theo yêu cầu 32

4.2.3 Tính hiệu suất truyền năng lượng của hệ 33

4.2.4 Năng lượng hằng ngày dàn Pin Mặt Trời phải cấp cho hệ, E out .33

4.2.5 Tính dung lượng dàn Pin Mặt Trời ra Oat-đỉnh (peak watt, Wp) 33 4.2.6 Tính số modul mắc song song và nối tiếp 34

4.2.7 Dung lượng Acquy theo ampe-giờ (Ah) 34

4.2.8 Tính toán chọn dây dẫn, thiết bị bảo vệ cho hệ thống 34

4.2.8.1 Lựa chọn dây dẫn (theo dòng phát nóng cho phép) 34

4.2.8.2 Lựa chọn thiết bị bảo vệ 35

Chương V: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN 37

5.1 Tổng điện năng tiêu thụ của hộ gia đình 37

5.2 Hiệu suất truyền năng lượng của hệ 37

5.3 Năng lượng hằng ngày E out 37

5.4 Dung lượng dàn Pin Mặt Trời cần lắp đặt 38

5.5 Số modun cần dùng 38

5.6 Số lượng Acquy cần dùng 38

5.7 Chọn dây dẫn, CB 39

5.7.1 Lựa chọn dây dẫn 39

5.7.2 Lựa chọn CB 39

Chương VI: LỰA CHỌN THIẾT BỊ CHO HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI 6.1 Tấm Pin Mặt Trời 40

6.2 Điều khiển sạt 40

6.3 DC-AC Inverter 40

6.4 Acquy 41

6.5 Các thiết bị khác 41

Chương VII: ĐẤU NỐI HỆ THỐNG 42

7.1 Một số lưu ý khi đấu nối 42

7.2 Sơ đồ đấu nối 42

Chương VIII: BÀI TOÁN KINH TẾ 45

8.1 Chi phí lắp đặt hệ thống Điện Mặt Trời 3 kW 45

8.2 Tính kinh tế của hệ thống Điện Mặt Trời 47

Chương IX: VẬN HÀNH, BẢO DƯỠNG VÀ TÍNH TOÁN KINH TẾ 49

9.1 Vận hành 49

Mục lục

9.2 Bảo dưỡng 49

9.2.1 Kiểm tra bộ Acquy định kỳ 49

9.2.2 Kiểm tra dàn Pin Mặt Trời 50

9.2.3 Kiểm tra các đặc trưng điện của modul hay dàn pin 50

Chương X: KẾT LUẬN 52

10.1 Kết luận 52

10.2 Kết quả 53

Tài liệu tham khảo 54

PHỤ LỤC 55

MỤC LỤC HÌNH Trang

Hình 1.1: Cấu trúc của Mặt Trời 1

Hình 1.2: Góc nhìn Mặt Trời 2

Hình 1.3: Nhà máy Điện Mặt Trời 4

Hình 1.4: Robot tự vận hành trên sao hỏa và vệ tinh nhân tạo 5

Hình 1.5: Ngôi nhà Pin Mặt Trời tại Việt Nam 6

Hình 1.6: Nhà sinh hoạt cộng đồng buôn Chăm 6

Hình 1.7: Trụ đèn dùng năng lượng Mặt Trời 7

Hình 1.8: Nhà máy sản xuất tấm Pin Mặt Trời 8

Hình 2.1: Hiệu ứng quang điện trong tế bào Pin Mặt Trời 8

Hình 2.2: Một tế bào quang điện 9

Hình 2.3: Cấu tạo của Pin Mặt Trời 10

Hình 2.4: Các loại cấu trúc tinh thể của Pin Mặt Trời 11

Hình 2.5 : Nguyên lý hoạt động của Pin Mặt Trời 12

Hình 2.6 : Hệ thống 2 mức năng lượng trong đó E1 < E2 12

Hình 2.7: Các vùng năng lượng 13

Hình 2.8: Sơ đồ tương đương của Pin Mặt Trời 13

Hình 2.9: Dòng đoản mạch I SC 15

Hình 2.10: Điện áp hở mạch V OC 16

Hình 2.11: Đặt trưng V-A của Pin Mặt Trời 17

Hình 2.12: Quy trình chế tạo Pin Mặt Trời 19

Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống Pin Mặt Trời độc lập 23

Hình 3.2: Mắc nối tiếp, song song các Pin Mặt Trời thành dãy 22

Hình 3.3: Đồ thị V - A của một tấm Pin Mặt Trời 24

Hình 3.4: Mắc nối tiếp các tấm Pin Mặt Trời 24

Hình 3.5: Mắc song song các tấm Pin Mặt Trời 25

Hình 3.6: Cấu tạo của Acquy chì 26

Hình 3.7: Mắc diod nối tiếp – song song bảo vệ 31

Hình 4: Sơ đồ khối hệ thống Điện Mặt Trời 32

Hình 6.1: Tấm Pin Mặt Trời Redsun 40

Hình 6.2: Điều khiển sạt Acquy BP SOLAR 40

Hình 6.3: Điều Bình Acquy Atlas 40

Phụ lục hình

Hình 6.4: Khung giá và đinh ốc 41

Hình 7.1: Mô hình Mái nhà kết nối thiết bị 42

Hình 7.2: Sơ đồ mạch của hệ thống điện Mặt Trời 43

Hình 7.3: Lắp diod rẽ nhánh bảo vệ hệ thống 44

MỤC LỤC BẢNG

Bảng 5: Tải tiêu thụ trung bình trong một ngày của một hộ gia đình 37 Bảng 8.1: Liệt kê các thiết bị 45 Bảng 8.2: Giá bán lẻ điện sinh hoạt 46 Bảng 8.3: So sánh sử dụng hệ thống điện Mặt Trời 216Wp với máy phát điện 48

Chương I: Năng lượng Mặt Trời nguồn năng lượng sạch và vô tận

Chương I

NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI NGUỒN NĂNG LƯỢNG SẠCH

VÀ VÔ TẬN

1.1 Cấu tạo Mặt Trời

được cấu trúc trật tự thông thường gồm các nguyên tử và phân tử, các hạt nhân của nguyên tử chuyển động tách biệt với các electron Khi các hạt nhân tự do có va chạm với nhau sẽ xuất hiện những vụ nổ nhiệt hạch

Hình 1.1: Cấu trúc của Mặt Trời

Ánh sáng nói riêng, hay bức xạ điện từ nói chung, từ bề mặt của Mặt Trời được xem là nguồn năng lượng chính cho Trái Đất Hằng số năng lượng Mặt Trời được tính bằng công suất của lượng bức xạ trực tiếp chiếu trên một đơn vị diện tích

trên bầu khí quyển Trái Đất, nên một phần nhỏ hơn tới được bề mặt Trái Đất, gần bằng 1000W/m²

1.2 Phản ứng hạt nhân trong Mặt Trời

chất của Mặt Trời bao gồm chừng 92,1% là Hydro và gần 7,8% là Heli, 0,1% là các nguyên tố khác Nguồn năng lượng bức xạ chủ yếu của Mặt Trời là do phản ứng nhiệt hạch tổng hợp hạt nhân Hydro, phản ứng này dựa trên sự tạo thành Heli Hạt nhân của Hydro có một hạt mang điện dương là proton Thông thường những hạt nhân mang điện cùng dấu đẩy nhau, nhưng ở nhiệt độ đủ cao (nhiệt độ bề mặt của

tiến gần tới nhau ở một khoảng cách mà ở đó có thể kết hợp với nhau dưới tác dụng của các lực hút Khi đó cứ 4 hạt nhân Hydro lại tạo ra một hạt nhân Heli, 2 Neutrino

Mỗi ngày Mặt Trời sản xuất một nguồn năng lượng qua phản ứng nhiệt hạch

một lượng năng lượng tương đương với tổng số điện năng sản xuất trong một năm trên Trái Đất) Trong 10 phút truyền xạ, Trái Đất nhận một năng lượng khoảng

trong vòng một năm Trong 36 giờ truyền xạ, Mặt Trời cho chúng ta một năng lượng bằng tất cả những giếng dầu của Trái Đất cộng lại

1.3 Hằng số Mặt Trời

Trái Đất chuyển động quanh Mặt Trời theo một quỷ đạo hình elip với tâm sai 3% Mặt Trời không ở tâm elip mà là tại một trong 2 tiêu điểm Trái Đất chuyển động quanh Mặt Trời, đồng thời

nó cũng quay quanh trục của nó

Trong thời gian quay một vòng

quanh Mặt Trời, Trái Đất quay

365 vòng và 1/4 vòng quanh trục

Khoảng cách giữa Mặt Trời và

Hình 1.2: Góc nhìn Mặt Trời

Chương I: Năng lượng Mặt Trời nguồn năng lượng sạch và vô tận

cách này được gọi là một đơn vị thiên văn

Từ khoảng cách này tại một điểm nằm trên mặt đất người ta nhìn thấy Mặt

Trời dưới một góc đặt β = 32 phút (Hình 1.2), dưới góc này hai tia sáng xuất phát từ

đường bao của Mặt Trời gửi đến Trái Đất là gần như song song

không gian nằm ngoài lớp khí quyển bao quanh Trái Đất, trong một đơn vị thời gian, trên một đơn vị diện tích bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ Ngày nay nhờ

vệ tinh và các dụng cụ đo chính xác người ta đã xác định được hằng số Mặt Trời có

liệu này do cơ quan vũ trụ NASA của Mỹ công bố năm 1971)

Tuy nhiên, khi chùm bức xạ xuyên qua lớp khí quyển bao quanh Trái Đất

các hạt bụi lơ lửng trong không khí…Nên khi đến mặt đất thì cường độ bức xạ đã bị giảm đi đáng kể

việc thiết kế các hệ thống thiết bị năng lượng Mặt Trời người ta quan tâm trước hết

là giá trị trung bình của bức xạ Mặt Trời ở địa phương lắp đặt thiết bị

Để tham khảo các số liệu bức xạ Mặt Trời ở các địa phương khác nhau trong một nước hay trong một vùng địa lý nào đó người ta ta thường xây dựng các sổ tay tra cứu hay các bản đồ bức xạ Mặt Trời Có hai đại lượng chính để đánh giá bức xạ Mặt Trời ở một địa phương: mật độ năng lượng Mặt Trời trung bình ngày và số giờ nắng trung bình tháng trong năm và cả năm

1.4 Năng lượng Mặt Trời

Năng lượng Mặt Trời là sản phẩm của các phản ứng nhiệt hạt nhân diễn ra

nhiệt và áp suất cao như vậy nên vật chất đã nhanh chóng bị ion hóa và chuyển động với năng lượng rất lớn Chúng va chạm nhau và gây ra hàng loạt các phản ứng khác nhau trên Mặt Trời Có hai loại phản ứng hạt nhân chủ yếu: Phản ứng tuần hoàn giữa các hạt Carbon và Nitơ (C-N) và các phản ứng hạt nhân proton- proton

Cả hai loại phản ứng trên đều kết hợp 4 hạt nhân nguyên tử Hydro để tạo ra

Độ hụt khối của phản ứng là:

Hình 1.3: Nhà máy Điện Mặt Trời

Hay bằng 0,7% tổng khối lượng của bốn proton Từ biểu thức của Eisntein

1.5 Năng lượng Mặt Trời tạo ra điện như thế nào ?

Hiện nay có hai cách tạo ra điện từ năng lượng Mặt Trời đó là:

1.5.1 Sử dụng nhiệt năng tạo ra điện

Điện năng còn có thể tạo ra từ năng lượng Mặt Trời dựa trên nguyên tắc tạo nhiệt độ cao bằng một hệ thống gương phản chiếu và hội tụ để gia nhiệt cho môi chất làm việc truyền động cho máy phát điện

Hiện nay trong các nhà máy nhiệt điện

sử dụng năng lượng Mặt Trời có hai loại hệ

thống bộ thu chủ yếu là:

- Hệ thống dùng parabol trụ để tập trung

tia bức xạ mặt trời vào một ống môi chất đặt

dọc theo đường hội tụ của bộ thu, nhiệt độ có

- Hệ thống nhận nhiệt trung tâm bằng

cách sử dụng các gương phản xạ có định vị

theo phương mặt trời để tập trung năng lượng Mặt Trời đến bộ thu đặt trên đỉnh

1.5.2 Sử dụng quang năng (dùng tấm pin Mặt Trời) trực tiếp tạo ra điện

Pin năng lượng Mặt Trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện), là thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các diod p-n khi ánh sáng Mặt Trời chiếu vào sẽ có khả năng tạo ra dòng điện sử dụng được Sự chuyển đổi này gọi là “hiệu ứng quang điện”

Các tấm Pin Mặt Trời hấp thụ ánh sáng Mặt Trời sau đó chuyển hóa thành điện một chiều (DC), qua bộ điều khiển sạt và được tích trữ lại (bộ Acquy), nguồn

Chương I: Năng lượng Mặt Trời nguồn năng lượng sạch và vô tận

điện từ Acquy sẽ được cấp cho tải DC hoặc được chuyển thành điện xoay chiều (AC) cấp cho tải tiêu thụ thông qua bộ biến đổi điện (Inverter)

1.6 Những ứng dụng của Pin Mặt Trời và tiềm năng của Pin Mặt Trời ở Việt Nam

Đối với cuộc sống của loài người, năng lượng Mặt Trời là một nguồn năng lượng vô cùng quý báu

Có thể trực tiếp thu lấy năng lượng này thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển năng lượng các photon của Mặt Trời thành điện năng, như trong Pin Mặt Trời Năng lượng của các photon cũng có thể được hấp thụ để làm nóng các vật thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, sử dụng cho bình đun nước nóng năng lượng Mặt Trời, bếp nấu năng lượng Mặt Trời hoặc làm sôi nước trong các máy nhiệt điện của tháp Mặt Trời, hoặc vận động các hệ thống nhiệt như máy điều hòa bằng năng lượng Mặt Trời, ứng dụng trong lĩnh vực hàng không vũ trụ…Và nhiều ứng dụng khác Trong đó ứng dụng dùng Pin Mặt Trời tạo ra điện đang rất được quan tâm

Hình 1.4: Robot tự vận hành trên sao hỏa và vệ tinh nhân tạo

1.6.1 Một số ứng dụng của Pin Mặt Trời đã được triển khai tại Việt Nam

1.6.1.1 Tấm panel lấy điện cấp cho hộ gia đình

Hiện nay ngôi nhà tại TP HCM sử dụng Điện Mặt Trời là ngôi nhà của Kỹ sư Trịnh Quang Dũng (Trưởng phòng Phát triển Điện Mặt Trời - Phân viện Vật lý TP.HCM) ở số 72/1 Nhất Chi Mai, phường 13, quận Tân Bình, TP HCM Hệ thống Điện Mặt Trời cung cấp 250-300kWh điện/tháng, với chi phí đầu tư thiết kế khoảng 20.000USD Với 40 tấm Pin Mặt Trời được lắp vào mái nhà, toàn bộ bề mặt

Điện Mặt Trời được dẫn xuống trữ vào hệ thống các bình Acquy

Hình 1.5: Ngôi nhà Pin Mặt Trời tại Việt Nam

Hình 1.6: Nhà sinh hoạt cộng

đồng buôn Chăm

Khi sử dụng, dòng điện DC từ Acquy được

chuyển qua dòng điện AC 220V bởi 2 Invertor, sau đó

hòa vào mạng lưới điện gia đình Công suất của hệ

thống là 2kW Đặc biệt là tính năng tự động dò tải Khi

nhận tín hiệu có nhu cầu sử dụng, hệ thống tự động bật

lên trong 15 giây, còn không nó ở chế độ ngắt để

tiết kiệm điện Mỗi đêm vào giờ cao điểm (từ 18

đến 22h), hệ thống điện tự động phụ tải vào lưới

điện

1.6.1.2 Pin Mặt Trời cấp điện cho đồng bào miền núi, vùng sâu vùng xa, hải đảo, cơ quan hành chính…

Hiện nay đã có hơn 3.000 hộ dân vùng sâu, vùng xa được điện khí hóa bằng

hệ thống Điện Mặt Trời gia đình, 8.500 hộ sử

dụng Điện Mặt Trời qua các trạm sạc Acquy và

hàng trăm làng, nhà văn hóa, trạm thu vệ tinh,

viễn thông Điện Mặt Trời ra đời…

Từ năm 1995, buôn Chăm xã Eahsol

huyện Eahleo của tỉnh Đắc Lắc gồm 180 nhà dân

và các công trình công cộng tại địa phương sử

dụng Điện Mặt Trời Hiện Solarlap đã xây

dựng hơn 50 trạm sạc Acquy cung cấp Điện

Mặt Trời cho khoảng 8.000 hộ dân và Nhà văn hóa biên giới Tây Ninh (1996), buôn Chăm (Đắc Lắc năm 2002) và Minh Hưng (Bình Phước năm 2004)…Trạm Điện Mặt Trời cung cấp cho những địa điểm sinh hoạt đông người như nhà văn hóa, hội trường, nơi họp cộng đồng, tổ chức đám cưới, lễ hội…

Tại Trạm Kiểm lâm Vườn Quốc Gia Côn Đảo cũng được đầu tư hệ thống Điện Mặt Trời từ năm 1994 với công suất khoảng 100Wp-180Wp

Tại TP Hồ Chí Minh, khu vực Bình Chánh, Cần Giờ, Củ Chi, Điện Mặt Trời cũng được ứng dụng khá nhiều như trạm Điện Mặt Trời Nhà văn hóa Tam Thôn Hiệp tại Cần Giờ xây dựng từ năm 1990 với công suất 30Wp, Nhà văn hóa Điện Mặt Trời xã Bình Mỹ, huyện Củ Chi với tổng công suất 1.000Wp, trạm Điện Mặt Trời Bệnh viện Hóc Môn với công suất 300Wp, trạm Điện Mặt Trời đảo Thạnh An với công suất 500Wp Công trình Điện Mặt Trời trên đảo Thiềng Liềng, xã Cán Gáo (công suất 3.000Wp) cung cấp điện cho 50% số hộ dân sống trên đảo và dự án

Chương I: Năng lượng Mặt Trời nguồn năng lượng sạch và vô tận

Hình 1.7: Trụ đèn dùng năng

lượng Mặt Trời

phát triển Điện Mặt Trời phục vụ cho rừng phòng hộ huyện Cần Giờ (công suất 150Wp – 300Wp) đã cung cấp Điện Mặt Trời cho các hộ giữa rừng và các tiểu khu quản lý bảo vệ rừng, bảo đảm thông tin liên lạc 24/24 giờ

Dự án phát điện ghép giữa pin Mặt Trời (100kWp) và thuỷ điện nhỏ (125 kW) được lắp đặt tại xã Trang, huyện Mang Yang, tỉnh Gia Lai đưa vào vận hành từ cuối năm 1999, đã cung cấp điện cho 5 làng Dự án phát điện lai ghép giữa pin Mặt Trời và động cơ gió phát điện với công suất là 9kW (trong đó pin Mặt Trời là 7kW) được lắp đặt tại làng Kongu 2, huyện Đak Hà, tỉnh Kon Tum, đưa vào sử dụng từ tháng 11/2000, cung cấp điện cho một bản người dân tộc thiểu số với 42 hộ gia đình

Dự án Pin Mặt Trời cho các cơ quan hành chính và một số hộ dân của huyện đảo Cô Tô công suất 15kWp do Viện Năng lượng thực hiện đã vận hành từ tháng 12/2001

Trung tâm Hội nghị Quốc gia cũng sử dụng Điện Mặt Trời với tổng công suất 154kWp là công trình Điện Mặt Trời lớn nhất ở Việt Nam

Và còn nhiều, rất nhiều công trình, dự án Điện Mặt Trời khác đã và đang được triển khai trên toàn quốc mang lại lợi ích thiết thực cần được quan tâm, triển khai rộng rải

1.6.1.3 Thắp sáng đèn đường, đèn tín hiệu

Tại huyện Phong Điền (TP Cần Thơ) cũng đã lắp

đặt và đưa vào hoạt động hệ thống chiếu sáng công cộng

bằng năng lượng Mặt Trời tại trục đường trung tâm hành

chính mới Gồm 15 trụ đèn với vốn đầu tư gần 1 tỷ đồng

Đây cũng là địa phương đầu tiên tại Đồng Bằng Sông Cửu

Long sử dụng nguồn năng lượng Mặt Trời, góp phần giảm

chi phí, giảm sử dụng tài nguyên hóa thạch và tác

động ô nhiễm môi trường Mỗi trụ đèn chếu sáng

gồm: 2 tấm pin quang điện; 1 bộ thiết bị điều khiển

dòng sạc vào Acquy, bảo vệ Acquy, điều chỉnh thời gian sáng của đèn; 2 bình Acquy lưu trữ và hai bóng đèn chiếu sáng siêu tiết kiệm (loại 40W) Đèn sẽ sáng trung bình từ 10-12h/ngày

Tuy chi phí đầu tư ban đầu khá cao so với hệ thống điện công nghiệp cũ từ 1,3 đến 1,7 lần…nhưng có độ an toàn rất cao (nguồn điện này không gây giật), không cần dây dẫn; phát ra năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường Các

Hình 1.8 : Nhà máy sản xuất tấm Pin Mặt Trời

thiết bị cũng dễ lắp đặt, dễ di chuyển; thân thiện với môi trường; chi phí bảo trì, bảo dưỡng thấp; tính mỹ thuật cao (đẹp hơn các loại đèn đường truyền thống)…Nếu tính về lâu dài sẽ đem lại lợi rất lớn, do đó cần được nhân rộng

1.6.2 Tiềm năng Pin Mặt Trời tại Việt Nam

Việt Nam là nước có tiềm năng về năng lượng Mặt Trời rất lớn, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ Mặt Trời tương đối cao, với trị số tổng xạ khá lớn từ

2.200 giờ nắng/năm, do đó việc sử dụng năng lượng Mặt Trời ở nước ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế lớn

Khu vực Miền Nam là một trong những vùng có bức xạ Mặt Trời khá cao,

pin Mặt Trời sản sinh khoảng 0,75kWh/ngày Tính trung bình một ngôi nhà đầu tư

(112,5kWh/tháng)

Hiện nước ta đã xây nhà máy sản xuất

Pin Mặt Trời do Cty CP năng lượng Mặt Trời

Đỏ với hai đối tác chính là Trung tâm Tiết kiệm

năng lượng TPHCM, Cty TNHH TM-KT-DV

Tân Kỷ Nguyên xây dựng tại cụm công nghiệp

Đức Hòa Hạ, ấp Bình Tiền, xã Đức Hòa Hạ,

huyện Đức Hòa, tỉnh Long An đã chính thức đi

vào hoạt động vào ngày 27/04/2009

Việc xây dựng nhà máy sản xuất

tấm Pin Mặt Trời đầu tiên tại Việt Nam sẽ

được tạo cơ hội cho sự phát triển các ứng dụng Pin Mặt Trời vào đời sống, giảm chi phí, hạ giá thành sản phẩm Giá bán sản phẩm sẽ thấp hơn 30 - 40% so với giá bán

lẻ hiện tại trên thị trường

Chương II: Pin năng lượng Mặt Trời

Chương II PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

2.1 Hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng quang điện là một hiện tượng điện - lượng tử, trong đó các điện tử được thoát ra khỏi vật chất sau khi hấp thụ năng lượng từ các bức xạ điện từ Hiệu ứng quang điện đôi khi được người ta dùng với cái tên Hiệu ứng Hertz, do nhà khoa học Heinrich Hertz tìm ra

* Hiện tượng

Khi bề mặt của một tấm kim loại được

chiếu bởi bức xạ điện từ có tần số lớn hơn một

tần số ngưỡng (tần số ngưỡng này là giá trị đặc

trưng cho chất làm nên tấm kim loại này), các

điện tử sẽ hấp thụ năng lượng từ các photon và

sinh ra dòng điện (gọi là dòng quang điện) Khi

các điện tử bị bật ra khỏi bề mặt của tấm kim

loại, ta có hiệu ứng quang điện ngoài Các điện

tử không thể phát ra nếu tần số của

bức xạ nhỏ hơn tần số ngưỡng bởi

điện tử không được cung cấp đủ năng

lượng cần thiết để vượt ra khỏi rào thế (gọi là công thoát) Điện tử phát xạ ra dưới tác dụng của bức xạ điện từ được gọi là quang điện tử Ở một số chất khác, khi được chiếu sáng với tần số vượt trên tần số ngưỡng, các điện tử không bật ra khỏi bề mặt,

mà thoát ra khỏi liên kết với nguyên tử, trở thành điện tử tự do (điện tử dẫn) chuyển động trong lòng của khối vật dẫn, và ta có hiệu ứng quang điện trong Hiệu ứng này dẫn đến sự thay đổi về tính chất dẫn điện của vật dẫn, do đó, người ta còn gọi hiệu ứng này là hiệu ứng quang dẫn

Hình 2.1: Hiệu ứng quang điện trong tế bào

Pin Mặt Trời

2.2 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của Pin Mặt Trời

2.2.1 Cấu tạo

Pin năng lượng Mặt Trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện), là thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các diod p-n, dưới sự hiện diện của ánh sáng Mặt Trời có khả năng tạo ra dòng điện sử dụng được Sự chuyển đổi này gọi là “hiệu ứng quang điện”

Hình 2.2: Một tế bào quang điện Hình 2.3: Cấu tạo của Pin Mặt Trời

Cấu tạo của Pin Mặt Trời là một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ Mặt Trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên trong

Cho tới hiện tại thì vật liệu chủ yếu cho Pin Mặt Trời (và cho các thiết bị bán dẫn) là các Silic tinh thể

Pin Mặt Trời từ tinh thể Silic chia ra thành 3 loại:

- Đơn tinh thể: được sản xuất dựa trên quá trình Czochralski Pin Mặt Trời

đơn tinh thể có thể đạt hiệu suất từ 11% - 16% Chúng thường rất đắt tiền do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt rổng ở góc nối các modul

- Đa tinh thể: làm từ các thỏi đúc từ Silic nung chảy cẩn thận được làm

nguội và làm rắn Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn, từ 8% - 11% Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó

- Pin Mặt Trời vô định hình: tạo từ các miếng phim mỏng từ Silic nóng

chảy và có cấu trúc đa tinh thể Loại này có hiệu suất thấp nhất, từ 3% - 6%, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi Silicon

Chương II: Pin năng lượng Mặt Trời

Hình 2.4: Các loại của Pin Mặt Trời

Silic thuộc nhóm IV, tức là có 4 electron lớp ngoài cùng Silic có thể kết hợp với Silicon khác để tạo nên chất rắn Cơ bản có 2 loại chất rắn Silicon, đa thù hình (không có trật tự sắp xếp) và tinh thể (các nguyên tử sắp xếp theo thứ tự dãy không gian 3 chiều) Pin năng lượng Mặt Trời phổ biến nhất dùng đa tinh thể Silicon

Silic là chất bán dẫn Tức là thể rắn Silic, tại một tầng năng lượng nhất định, electron có thể đạt được, và một số tầng năng lượng khác thì không được Các tầng năng lượng không được phép này xem là tầng trống Lý thuyết này căn cứ theo thuyết cơ học lượng tử

Ở nhiệt độ phòng, Silic nguyên chất có tính dẫn điện kém Để tạo ra Silic có tính dẫn điện tốt hơn, có thể thêm vào một lượng nhỏ các nguyên tử nhóm III (thường là Photpho) hay nhóm V (là Bo) trong bảng tuần hoàn hóa học Các nguyên

tử này chiếm vị trí của nguyên tử Silic trong mạng tinh thể, và liên kết với các nguyên tử Silic bên cạnh tương tự như là một Silic Tuy nhiên các phân tử nhóm III

có 3 electron ngoài cùng và nguyên tử nhóm V có 5 electron ngoài cùng, vì thế nên

có chỗ trong mạng tinh thể có dư electron còn có chỗ thì thiếu electron Vì thế các electron thừa hay thiếu electron (gọi là lỗ trống) không tham gia vào các kết nối mạng tinh thể Chúng có thể tự do di chuyển trong khối tinh thể Silic kết hợp với nguyên tử nhóm III (Nhôm hay Gali) được gọi là loại bán dẫn p bởi vì năng lượng chủ yếu mang điện tích dương (positive), trong khi phần kết hợp với các nguyên tử nhóm V (Photpho, Asen) gọi là bán dẫn n vì mang năng lượng âm (negative) Lưu ý rằng cả hai loại n và p có năng lượng trung hòa, tức là chúng có cùng năng lượng dương và âm, loại bán dẫn n, loại âm có thể di chuyển xung quanh, tương tự ngược lại với loại p

Các tinh thể Silic (Si) hay Gali Asenua (GaAs) là các vật liệu được sử dụng làm Pin Mặt Trời Gali Asenua đặc biệt tạo nên để dùng cho Pin Mặt Trời, tuy nhiên thỏi tinh thể Silic cũng có thể dùng được với giá thành thấp hơn, sản xuất chủ

yếu để tiêu thụ trong công nghiệp vi điện tử Đa tinh thể Silic có hiệu quả kém hơn nhưng giá tiền cũng thấp hơn

Khi để trực tiếp dưới ánh sáng Mặt Trời, một pin Silic có đường kính 6cm có thể sản xuất dòng điện khoảng 0,5A ở 0,5V

Các tấm tinh thể mỏng hình đĩa, được đánh bóng để loại bỏ các khuyết tật trong quá trình cắt, chất kích thích được dùng cho các pin, và các tấm kim loại dẫn truyền đặt vào một mặt: Một lưới mỏng trên bề mặt chiếu ánh sáng Mặt Trời, và mặt phẳng trên mặt còn lại Tấm năng lượng Mặt Trời tạo thành từ các pin như vậy cắt theo hình dạng thích hợp, được bảo vệ khỏi tia bức xạ và hư hại trên mặt trước bằng các miếng gương, dán vào chất nền Sự liền mạch được tạo nên thành các dãy song song để quyết định năng lượng tạo ra Chất keo và chất nền phải có tính dẫn nhiệt, vì khi các pin được làm nóng khi hấp thụ năng lượng hồng ngoại, vốn không thể chuyển hóa thành năng lượng Một khi các pin bị làm nóng thì giảm hiệu suất hoạt động vì thế nên phải làm giảm thiểu nhiệt năng

Chương II: Pin năng lượng Mặt Trời

Bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E1 Khi chiếu sáng hệ thống, lượng tử ánh sáng (photon) mang năng lượng hv (h là hằng số Plank và v là

tần số ánh sáng) bị điện tử hấp thụ và chuyển lên mức E2 (Hình 2.6)

Phương trình cân bằng năng lượng:

Khi ánh sáng chiếu đến vật rắn có vùng năng lượng nói trên, photon có năng lượng hv tới hệ thống , bị điện tử của vùng hóa trị hấp thụ và nó có thể chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự do e-, lúc này vùng hóa trị sẽ có một lỗ trống có thể

di chuyển như “hạt” mang điện tích dương nguyên tố (kí hiệu h+) Lỗ trống này có thể di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện

Nguyên lý hoạt động của Pin Mặt Trời chính là hiện tượng quang điện xảy ra trên lớp tiếp xúc p-n Khi một photon chạm vào mảnh Silic, một trong hai điều sẽ xảy ra:

 Photon truyền trực tiếp xuyên qua mảnh Silic Điều này thường xảy ra khi năng lượng của photon thấp hơn năng lượng đủ để đưa các hạt electron lên mức năng lượng cao hơn

 Năng lượng của photon được hấp thụ bởi Silic Điều này xảy ra khi năng lượng của photon lớn hơn năng lượng để đưa electron lên mức năng lượng cao hơn

Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các hạt electron trong mạng tinh thể Thông thường các electron này ở lớp ngoài cùng, và thường được kết dính với các nguyên tử lân cận vì thế không thể di chuyển xa Khi electron được kích thích, trở thành dẫn điện, các electron này có thể tự do di chuyển trong bán dẫn Khi đó nguyên tử sẽ thiếu 1 electron và đó gọi là lỗ trống Lỗ trống này tạo điều kiện cho các electron của nguyên tử bên cạnh di chuyển đến điền vào

lỗ trống, và điều này tạo ra lỗ trống cho nguyên tử lân cận có "lỗ trống" Cứ tiếp tục như vậy lỗ trống di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn

Một photon chỉ cần có năng lượng lớn hơn năng luợng đủ để kích thích electron lớp ngoài cùng dẫn điện Tuy nhiên, tần số của Mặt Trời thường tương đương 6000°K, nên phần lớn năng lượng Mặt Trời đều được hấp thụ bởi Silic

2.3 Các đặc trưng điện của Pin Mặt Trời

2.3.1 Sơ đồ tương đương

Khi được chiếu sáng, nếu ta nối các bán dẫn p và n bằng một dây dẫn, thì Pin

một nguồn dòng

Lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có tính chỉnh lưu tương đương như một diod Tuy nhiên, khi phân cực ngược, do điện trở lớp tiếp xúc có giới hạn, nên vẫn có một dòng điện rò chạy qua Để đặc trưng cho dòng rò qua lớp tiếp xúc nói trên ta có

Khi dòng quang điện chạy trong mạch, nó phải đi qua các lớp bán dẫn p và n, các điện cực, các lớp tiếp xúc Đặc trưng cho tổng trở của tất cả các lớp đó là điện trở R nối tiếp trong mạch (có thể xem là điện trở trong của pin)

Chương II: Pin năng lượng Mặt Trời

Hình 2.8: Sơ đồ tương đương của Pin Mặt Trời

T : Nhiệt độ lớp tiếp xúc (K)

n : Hệ số lý tưởng của diod (có thể lấy n = 1)

Phương trình đặc trưng Volt – Ampe của Pin Mặt Trời:

nKT

R I V

mạch ngoài (chập các cực của pin) Lúc đó hiệu điện thế mạch ngoài của pin V = 0 không

Hình 2.9: Dòng đoản mạch I sc

Khi đó ta có:

sh

SC S SC

s S

ph SC

R

I R nkT

I qR I

Ở các điều kiện chiếu sáng bình thường (không có hội tụ), thì hiệu ứng điện

Trong đó E là cường độ sáng, α là một hệ số tỉ lệ Như vậy ở điều kiện bình

2.3.3 Thế hở mạch V OC

Khi đó dòng điện mạch ngoài I = 0

Hình 2.10: Điện áp hở mạch V OC

S OC S

ph OC

S ph

nkT

qV I

I nkT

qV I

I

S S

S

S ph OC

I

I I q

I

I q nkT

Chương II: Pin năng lượng Mặt Trời

giảm tuyến tính khi nhiệt độ của Pin Mặt Trời tăng Đối với Pin Mặt Trời tinh thể

2.3.4 Điểm làm việc công suất cực đại

Hình 2.11: Đặt trưng V-A của Pin Mặt Trời

Xét một đường cong đặc trưng V-A của Pin Mặt Trời đối với một cường độ bức xạ cho trước và ở nhiệt độ xác định Nếu Pin Mặt Trời được nối với một tải tiêu thụ điện R thì điểm cắt nhau của đường đặc trưng V-A của Pin Mặt Trời và đường đặc trưng tải trong tọa độ OIV là điểm làm việc của Pin Mặt Trời

Nếu tải là thuần trở thì đường đặc trưng tải là một đường thẳng đi qua góc tọa độ và nghiêng một góc α đối với trục OV, tgα =1/R Trong trường hợp này công suất Pin Mặt Trời chỉ phụ thuộc vào giá trị điện trở R Công suất Pin Mặt Trời cấp cho tải bằng diện tích hình chữ nhật giới hạn bởi hoành độ và tung độ của điểm làm việc Với các giá trị R khác nhau, các điểm làm việc khác nhau sẽ cho công suất

Ohm:

Ở điều kiện cường độ bức xạ không đổi và nhiệt độ cho trước ta thấy:

- Nếu điện trở tải R lớn, R >> Ropt Pin Mặt Trời sẽ làm việc trong miền mà

2.4 Các tham số ảnh hưởng đến chế độ làm việc và hiệu suất của Pin Mặt Trời

Có 5 tham số ảnh hưởng đến chế độ làm việc và hiệu suất của pin mặt trời là:

- Cường độ bức xạ Mặt Trời E

- Nhiệt độ của pin T

Các tham số đầu ta có thể chủ động điều chỉnh được, còn hai thông số sau luôn thay đổi tùy thuộc điều kiện khí hậu, môi trường, vị trí địa lý

Ở điều kiện bức xạ bình thường (không hội tụ) các tham số trên có thể xem

Điện trở Shunt đặc trưng cho dòng rò qua lớp tiếp xúc p-n, phụ thuộc vào

dòng rò

trên với lớp bán dẫn, điện trở của lớp bán dẫn, điện trở của các thanh nối

Trời

2.5 Hiệu suất

Công suất đỉnh (peak power) của Pin Mặt Trời là công suất do Pin Mặt Trời

Công suất đỉnh được đo bằng Wp hay kWp

Hiệu suất biến đổi quang điện

%100 o

opt

E A

P



Đối với Pin Mặt Trời tinh thể Si, vào khoảng (12-17%)

Chương II: Pin năng lượng Mặt Trời

Hiệu suất là tỉ số của năng lượng điện từ ánh sáng Mặt Trời Vào buổi trưa một ngày trời trong, ánh Mặt Trời tỏa nhiệt khoảng 1000W/m² Trong đó 10% hiệu suất của 1 modul 1m² cung cấp năng lượng khoảng 100W

2.6 Sơ lược công nghệ chế tạo Pin Mặt Trời Si

Hiện nay, khoảng 90% các Pin Mặt Trời được sản xuất và ứng dụng là các Pin Mặt Trời từ vật liệu Silicon (Si) dưới dạng đơn tinh thể, hoặc đa tinh thể hoặc

vô định hình nhưng chủ yếu là dạng tinh thể Vì vậy dưới đây ta chỉ nghiên cứu công nghệ chế tạo Pin Mặt Trời tinh thể Si Quá trình công nghệ này bao gồm 6 công đoạn như sau:

* Dưới đây là mô tả sơ lược về các công đoạn nói trên:

2.6.1 Sơ lọc cát thạch anh để có Silicon có độ sạch kỹ thuật

phản ứng:

Hình 2.12: Quy trình chế tạo Pin Mặt Trời

2.6.3 Tạo đơn tinh thể Si

Có thể tạo đơn tinh thể Si dưới dạng thanh (thỏi), dạng tấm hoặc dạng băng Các công nghệ được dùng phổ biến là công nghệ Czochralski, công nghệ vùng nổi

và công nghệ trao đổi nhiệt

2.6.4 Cắt thỏi Si đơn tinh thể thành các phiến Si

Cắt gọt thỏi Si để nó có hình dạng trụ đồng đều, có đường kính d = 7,5 ÷ 10cm Sau đó dùng cưa Kim cương, cưa dây hoặc tia laser cắt thỏi thành các phiến hình đũa tròn có chiều dày cỡ 0,3 ÷ 0,5mm, sau đó mài nhẵn và làm sạch bề mặt các phiến bằng phương pháp ăn mòn hóa học để khử các khuyết tật bề mặt do quá trình cưa cắt gây ra Do các công nghệ chế tạo nói trên còn rất nhiều nhược điểm như: Hao tinh thể, nhiều công đoạn…Vì vậy ta nên sử dụng các công nghệ sau để đạt được hiệu quả cao hơn: Kỹ thuật “kéo” tấm đơn tinh thể bằng khuôn

2.6.5 Tạo lớp tiếp xúc p-n

Có hai phương pháp để tạo lớp bán dẩn tiếp xúc p-n là: Khuếch tán nhiệt, cấy ion

* Phương pháp khuếch tán nhiệt

Từ các phiến đơn tinh thể để có được Si loại n ta dùng tạp là Photpho (P), còn để có Si loại p dùng tạp là Bo (B) Các nguồn tạp chất có thể là rắn như các

Sự tạo lớp tiếp xúc p-n thực hiện theo định luật khuếch tán Pick Theo định luật này thì các nguyên tử sẽ khyếch tán từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp Tốc độ khuếch tán và độ sâu khuếch tán phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian khuếch tán Người ta dùng một tấm đế là Si-p được pha tạp chất Bo với nồng độ

Chương II: Pin năng lượng Mặt Trời

tạo thành một lớp Si-n có độ dày khoảng 1,2 ÷ 1,5µm thì người ta hạ nhiệt độ để chấm dứt quá trình khuếch tán Lớp tiếp xúc p-n là một lớp mỏng trong đó có nồng

độ tạp chuyển từ P sang B và tiếp xúc p-n được xem là đặt tại biên giới mà trên đó

về lớp tiếp xúc p-n và điện cực khi chúng được tạo ra trong miền này

* Phương pháp bắn cấy ion

Các phiến Si được đặt trước các đĩa ion năng lượng cao Tùy theo muốn chế tạo Si-n hoặc Si-p mà người ta dùng các “đạn” ion là P hay B Nhờ sự thay đổi cường độ tia ion có thể thay đổi chiều sâu đâm xuyên của các ion Bề mặt Si sau đó phải ủ bằng tia laser hoặc tia điện tử để khử các hư hỏng bề mặt do ion bắn phá vào mạng tinh thể ở gần bề mặt Lớp tiếp xúc p-n tạo bằng phương pháp cấy ion không khác gì nhiều so với tạo bằng phương pháp khuếch tán nhiệt Chiều sâu của lớp p-n

2.6.6 Tạo lớp tiếp xúc Ohmic

Vật liệu làm điện cực tiếp xúc phải có độ dẫn tốt và vừa phải bám dính tốt bán dẫn Ngoài ra đối với điện cực như mặt trên cần phải thiết kế sau cho ánh sáng Mặt Trời có thể đến được lớp tiếp xúc p-n Cần phải điều hòa giữa vấn đề che sáng

và điện trở của điện cực

Phủ lớp chống phản xạ ánh sáng Si chưa xử lý phản xạ đến 30% ánh sáng

dùng hai lớp chống phản xạ thì có thể làm giảm phản xạ xuống dưới 3% Các vật

trong chân không là công nghệ thích hợp để tạo lớp chống phản xạ

2.6.7 Đóng gói các Pin Mặt Trời thành modul

Các Pin Mặt Trời sẽ phải làm việc ở điều kiện ngoài trời lâu dài Vì vậy để bảo vệ các lớp tiếp xúc và dây nối, bảo vệ vật liệu cách điện và do đó muốn tăng tuổi thọ Pin Mặt Trời ta cần phải đóng kín Pin Mặt Trời trong các vật liệu trong suốt Tất nhiên không thể đóng gói từng pin mà ta có thể đóng gói nhiều pin để tạo thành một modul (tấm) Pin Mặt Trời Khi đóng gói ta cần chú ý là phải lựa chọn các pin hoàn toàn hoặc gần hoàn toàn giống nhau về các đặc trưng quang điện và

cơ học để xếp vào một modul

Chương III: Lý thuyết hệ thống Điện Mặt Trời

Chương III

LÝ THUYẾT HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI

Hệ thống Điện Mặt Trời là một hệ thống bao gồm các thành phần như: Các tấm Pin Mặt Trời (lắp trên mái nhà), thiết bị lưu trữ điện năng (Acquy), các thiết bị điều phối điện năng, và các tải tiêu thụ điện trong gia đình…

Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống Pin Mặt Trời độc lập

3.1 Ghép dàn Pin Mặt Trời

Ghép các modul nhỏ lại với nhau

Hình 3.2: Mắc nối tiếp, song song các Pin Mặt Trời thành dãy