TỔNG QUAN
Các đề tài nghiên cứu đã thực hiện
Hiện nay trong nước và trên thế giới cũng đã có nhiều đề tài nghiên cứu liên quan đến hệthống này như :
• Kyocera Solar Inc, Solar Water Pump Applications Guide, 2001.
• B Eker, Solar Powered Water Pumping Systems, Trakia Journal of Sciences, Vol 3, No 7, pp 7-11, 2005.
• Akihiro Oi, Design and simulation of photovoltaic water pumping system, 26th September, 2005.
• Mukesh Kumar Gupta, Rohit Jain, "MPPT Simulation with DC Submersible Solar Pump using Output Sensing Direct Control Method and Cuk Converter",
Hình 1.10 Hệthống bơm nước sửdụng năng lượng Mặt Trời
1.2 Các đềtài nghiên cứu đã thực hiện
Hiện nay trong nước và trên thế giới cũng đã có nhiều đề tài nghiên cứu liên quan đến hệthống này như :
• Kyocera Solar Inc, Solar Water Pump Applications Guide, 2001.
• B Eker, Solar Powered Water Pumping Systems, Trakia Journal of Sciences, Vol 3, No 7, pp 7-11, 2005.
• Akihiro Oi, Design and simulation of photovoltaic water pumping system, 26th September, 2005.
• Mukesh Kumar Gupta, Rohit Jain, "MPPT Simulation with DC Submersible Solar Pump using Output Sensing Direct Control Method and Cuk Converter",
Hình 1.10 Hệthống bơm nước sửdụng năng lượng Mặt Trời
1.2 Các đềtài nghiên cứu đã thực hiện
Hiện nay trong nước và trên thế giới cũng đã có nhiều đề tài nghiên cứu liên quan đến hệthống này như :
• Kyocera Solar Inc, Solar Water Pump Applications Guide, 2001.
• B Eker, Solar Powered Water Pumping Systems, Trakia Journal of Sciences, Vol 3, No 7, pp 7-11, 2005.
• Akihiro Oi, Design and simulation of photovoltaic water pumping system, 26th September, 2005.
• Mukesh Kumar Gupta, Rohit Jain, "MPPT Simulation with DC SubmersibleSolar Pump using Output Sensing Direct Control Method and Cuk Converter",
International journal of renewable energy research, Vol.3, No.1, 2013.
• TS Vũ Ngọc Hải, Nghiên cứu chếtạo trạm bơm nước thủy lợi sửdụng năng lượng Mặt Trời kết hợp năng lượng gió, Đại học Nguyễn Tất Thành.
• Ngô Minh An, Luận văn : “Mô phỏng, thi công hệthống pin mặt trời nuôi tải
DC Tìm hiểu vận hành hệ thống pin mặt trời độc lập”, Đại học Bách Khoa TP.HCM, 06/2008.
Mặc dù các đề tài hiện tại chủ yếu tập trung vào việc thiết kế hệ thống bơm đáp ứng công suất tải yêu cầu, nhưng vẫn chưa có nhiều nghiên cứu sâu về việc cải thiện hiệu suất của hệ thống và giảm chi phí sản xuất.
Định hướng của đề tài
• Đềtài tập trung nghiên cứu: o Nghiên cứu cấu trúc, nguyên lý hoạt động của Pin Mặt Trời. o Nghiên cứu cách thức nâng cao hiệu suất hệthống.
Mô hình hệ thống được xây dựng thông qua việc mô phỏng dưới các điều kiện độ ẩm và nhiệt độ khác nhau, đồng thời phát triển mô hình hệ thống thực tế Bên cạnh đó, thuật toán bám điểm công suất cực đại cho Pin Mặt Trời cũng được thiết kế nhằm tối ưu hóa hiệu suất năng lượng.
Nhiệm vụ của đề tài
• Nghiên cứu tổng quan hệthống bơm nước tưới tiêu sửdụng trực tiếp nguồn điện từpin Mặt Trời.
• Nghiên cứu nâng cao hiệu suất hệ thống bằng các phương pháp dò tìm công suất cực đại.
• Nghiên cứu, thiết kế và chếtạo bộ điều khiển tối ưu công suất, giám sát, đo lường điện năng cho hệthống.
Mô hình pin Mặt Trời cần được xây dựng với sự xem xét ảnh hưởng của bóng che, đồng thời phân tích các đặc tuyến I-V và P-V của pin Việc hiểu rõ sự phụ thuộc của các đặc tính pin Mặt Trời vào các điều kiện môi trường là rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất và ứng dụng của công nghệ năng lượng tái tạo này.
• Đềxuất phương pháp dò tìm công suất cực đại, xét đếnảnh hưởng của bóng che.
• Thi công phần cứng dò tìmđiểm cực đại khi bịbóng che.
• Xây dựng, chếtạo mô hình phục vụnghiên cứu. che.
• Xây dựng thành công mô hình bơm nước sử dụng trực tiếp nguồn năng lượng Mặt Trời, hiệu suất cao, giá thành thấp.
• Đưa mô hình triển khai vào thực tế.
Kết quả mong muốn
PIN MẶT TRỜI 2.1 Mặt Trờivà nguồnbức xạMặt Trời
Ánh sáng và bức xạ điện từ từ Mặt Trời là nguồn năng lượng chủ yếu cho Trái Đất, với hằng số năng lượng Mặt Trời khoảng 1370W/m² Một phần ánh sáng bị hấp thụ trong khí quyển, do đó chỉ khoảng 1000W/m² đến bề mặt Trái Đất trong điều kiện quang đãng Năng lượng này được sử dụng trong nhiều quá trình tự nhiên và nhân tạo, như quang hợp ở cây cối, chuyển đổi CO2 thành oxy và hợp chất hữu cơ Ngoài ra, năng lượng Mặt Trời còn được dùng để làm nóng nước và chuyển đổi thành điện năng qua các pin năng lượng Mặt Trời Nguồn năng lượng trong dầu mỏ được cho là kết quả của quá trình quang hợp và phản ứng hóa sinh từ xa xưa.
Trong toàn bộ bức xạ của Mặt Trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các phản
GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI
Mặt Trời và nguồn bức xạ Mặt Trời
Ánh sáng và bức xạ điện từ từ Mặt Trời là nguồn năng lượng chính cho Trái Đất, với hằng số năng lượng Mặt Trời khoảng 1370W/m² Một phần ánh sáng bị hấp thụ trong khí quyển, khiến chỉ khoảng 1000W/m² đến bề mặt Trái Đất trong điều kiện quang đãng Năng lượng này được sử dụng cho nhiều quá trình tự nhiên và nhân tạo, như quang hợp ở cây cối, chuyển đổi CO₂ thành ôxy, và làm nóng nước hoặc sản xuất điện qua pin năng lượng Mặt Trời Nguồn năng lượng trong dầu mỏ được coi là kết quả của quá trình quang hợp và phản ứng hóa sinh từ xa xưa.
Trong toàn bộ bức xạ của Mặt Trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các phản
CHƯƠNG 2GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG
PIN MẶT TRỜI 2.1 Mặt Trời và nguồnbức xạMặt Trời
Ánh sáng từ Mặt Trời, hay bức xạ điện từ, là nguồn năng lượng chính cho Trái Đất, với hằng số năng lượng Mặt Trời khoảng 1370W/m² Tuy nhiên, do một phần ánh sáng bị hấp thụ trong bầu khí quyển, chỉ khoảng 1000W/m² năng lượng Mặt Trời đến được bề mặt Trái Đất trong điều kiện thời tiết tốt Năng lượng này được sử dụng cho nhiều quá trình tự nhiên và nhân tạo, như quang hợp ở cây cối, chuyển đổi CO₂ thành ôxy và hợp chất hữu cơ, hoặc dùng để làm nóng nước và sản xuất điện qua pin năng lượng Mặt Trời Nguồn năng lượng dự trữ trong dầu mỏ cũng được cho là kết quả của quá trình quang hợp và phản ứng hóa sinh từ xa xưa.
Trong toàn bộ bức xạ của Mặt Trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các phản
CHƯƠNG 2GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG
PIN MẶT TRỜI 2.1 Mặt Trời và nguồnbức xạMặt Trời
Ánh sáng và bức xạ điện từ từ Mặt Trời là nguồn năng lượng chính cho Trái Đất, với hằng số năng lượng Mặt Trời khoảng 1370W/m² Một phần ánh sáng này bị hấp thụ trong bầu khí quyển, chỉ còn khoảng 1000W/m² đến bề mặt Trái Đất trong điều kiện thời tiết tốt Năng lượng này được sử dụng cho nhiều quá trình tự nhiên và nhân tạo, như quang hợp ở cây xanh, chuyển đổi CO2 thành oxy và hợp chất hữu cơ, hay làm nóng nước và sản xuất điện qua pin năng lượng Mặt Trời Dầu mỏ cũng được coi là nguồn năng lượng từ Mặt Trời, được hình thành từ quá trình quang hợp và phản ứng hóa sinh của sinh vật cổ đại.
Trong toàn bộ bức xạ của Mặt Trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các phản thái nguyên tử và các cơ chếkhác bắt đầu xảy ra.
Bức xạ điện từ từ Mặt Trời trải rộng trong không gian, với khoảng một nửa tổng năng lượng tập trung trong dải bước sóng từ 0,38 đến 0,78 micromet, tương ứng với vùng nhìn thấy của phổ.
Bức xạ trực xạ là chùm tia truyền thẳng từ Mặt Trời, trong khi tổng xạ là sự tổng hợp giữa bức xạ trực xạ và bức xạ tán xạ Mật độ dòng bức xạ trực xạ ngoài lớp khí quyển được tính cho 1m² bề mặt vuông góc với tia bức xạ qua công thức q = _ (T /100), trong đó _ là hệ số góc bức xạ giữa Trái Đất và Mặt Trời.
_ = /4/ 4 (2.2) : góc nhìn Mặt Trời và ≈ 32 như Hình 2.2.
=5.67W/m 2 K4- Hệsốbức xạcủa vật đen tuyệt đối.
T K- Nhiệt độ bề mặt Mặt Trời ( xem giống như vật đen tuyệt đối ).
Hình 2.3 Góc nhìn Mặt Trời Vậy: q = 5.67 1353 w /
Do khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trời thay đổi theo mùa, nên giá trị β cũng biến đổi, dẫn đến sự thay đổi của q Tuy nhiên, độ thay đổi này không lớn, vì vậy q có thể được coi là không đổi và được gọi là hằng số Mặt Trời.
Khi tia bức xạ đi qua lớp khí quyển của Trái Đất, chúng bị hấp thụ và tán xạ bởi tầng ozon, hơi nước và bụi, chỉ một phần năng lượng đến được bề mặt Trái Đất Bức xạ tử ngoại đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì quá trình phân ly và hợp nhất của O, O2 và O3, góp phần vào sự ổn định của khí quyển Trong quá trình này, bức xạ tử ngoại biến đổi thành dạng bức xạ có năng lượng thấp hơn khi đi qua khí quyển.
Bức xạ với bước sóng trong vùng nhìn thấy và hồng ngoại tương tác với các phân tử khí và hạt bụi mà không phá vỡ liên kết của chúng, dẫn đến hiện tượng tán xạ photon theo mọi hướng Bức xạ tán xạ chủ yếu là bức xạ có bước sóng ngắn, mang lại màu xanh lam cho bầu trời trong sáng mà chúng ta quan sát được ở độ cao không lớn Các giọt nước cũng tán xạ mạnh bức xạ Mặt Trời, nhưng bức xạ này còn gặp trở ngại do sự hấp thụ của hơi nước và khí trong khí quyển.
T K- Nhiệt độ bề mặt Mặt Trời ( xem giống như vật đen tuyệt đối ).
Hình 2.3 Góc nhìn Mặt Trời Vậy: q = 5.67 1353 w /
Khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trời thay đổi theo mùa, dẫn đến sự biến đổi của β và q Tuy nhiên, mức độ thay đổi này không lớn, vì vậy q có thể được coi là không đổi và được gọi là hằng số Mặt Trời.
Khi tia bức xạ đi qua lớp khí quyển của Trái Đất, chúng bị hấp thụ và tán xạ bởi tầng ozon, hơi nước và bụi, chỉ một phần năng lượng đến được bề mặt Trái Đất Bức xạ tử ngoại đóng vai trò quan trọng trong quá trình phân ly và hợp nhất O, O2 và O3, giúp duy trì sự ổn định của khí quyển Qua quá trình này, bức xạ tử ngoại biến đổi thành bức xạ có năng lượng thấp hơn khi đi qua khí quyển.
Các bức xạ có bước sóng thuộc vùng nhìn thấy và hồng ngoại tương tác với các phân tử khí và hạt bụi trong không khí mà không làm phá vỡ các liên kết của chúng Khi đó, các photon được tán xạ đều theo mọi hướng, trong đó một số photon quay trở lại không gian vũ trụ Bức xạ tán xạ chủ yếu là bức xạ có bước sóng ngắn nhất, và khi phản xạ từ các phần khác nhau của khí quyển, bức xạ này mang theo màu xanh lam của bầu trời trong sáng, có thể quan sát được ở độ cao không lớn Ngoài ra, các giọt nước cũng tán xạ mạnh bức xạ Mặt Trời Tuy nhiên, bức xạ Mặt Trời khi đi qua khí quyển còn gặp trở ngại do sự hấp thụ của các phần tử hơi nước và khí.
T K- Nhiệt độ bề mặt Mặt Trời ( xem giống như vật đen tuyệt đối ).
Hình 2.3 Góc nhìn Mặt Trời Vậy: q = 5.67 1353 w /
Khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trời thay đổi theo mùa trong năm, dẫn đến sự biến đổi của β và q Tuy nhiên, mức độ thay đổi này không lớn, vì vậy q có thể được coi là không đổi và được gọi là hằng số Mặt Trời.
Khi tia bức xạ đi qua lớp khí quyển của Trái Đất, chúng bị hấp thụ và tán xạ bởi tầng ozon, hơi nước và bụi, chỉ một phần năng lượng đến được bề mặt Trái Đất Toàn bộ bức xạ tử ngoại được sử dụng để duy trì quá trình phân ly và hợp nhất của O, O2 và O3, tạo ra sự ổn định cho khí quyển Trong quá trình này, bức xạ tử ngoại chuyển đổi thành bức xạ có năng lượng thấp hơn khi đi qua khí quyển.
Các bức xạ với bước sóng trong vùng nhìn thấy và hồng ngoại tương tác với các phân tử khí và bụi trong không khí mà không phá vỡ liên kết của chúng, dẫn đến sự tán xạ đều của photon theo mọi hướng Bức xạ tán xạ chủ yếu là từ các bước sóng ngắn, tạo ra màu xanh lam của bầu trời trong sáng mà chúng ta quan sát được ở độ cao không lớn Ngoài ra, các giọt nước cũng tán xạ mạnh bức xạ Mặt Trời Tuy nhiên, khi bức xạ Mặt Trời đi qua khí quyển, nó còn phải đối mặt với sự hấp thụ từ các phần tử hơi nước, điều này có thể tạo ra dòng điện có thể sử dụng được, được gọi là hiệu ứng quang điện.
Pin năng lượng Mặt Trời có nhiều ứng dụng đa dạng, đặc biệt phù hợp cho những khu vực chưa có điện lưới, vệ tinh quỹ đạo, máy tính cầm tay và thiết bị bơm nước Các tấm năng lượng Mặt Trời, được lắp đặt trên nóc các tòa nhà, có thể kết nối với bộ chuyển đổi của mạng lưới điện, mang lại nguồn năng lượng sạch và bền vững.
Hình 2.3 Một cell pin Mặt Trời.[2].
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Pin Mặt Trời
Pin Mặt Trời được cấu tạo từ một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n, có khả năng chuyển đổi năng lượng bức xạ từ Mặt Trời thành điện năng thông qua hiệu ứng quang điện.
Hình 2.4 Cấu tạo pin Mặt Trời.[10].[6].
Hiện nay, vật liệu chính cho pin Mặt Trời và các thiết bị bán dẫn là silic tinh thể Pin Mặt Trời từ silic tinh thể được phân loại thành ba loại khác nhau.
Pin Mặt Trời đơn tinh thể được sản xuất thông qua quá trình Czochralski, với hiệu suất đạt từ 11% đến 16% Mặc dù có hiệu suất cao, nhưng chúng thường có giá thành đắt đỏ do được cắt từ các thỏi hình ống, và các tấm đơn thể này thường có các mặt trống ở góc nối giữa các module.
Đa tinh thể được sản xuất từ các thỏi đúc silic nung chảy, sau đó được làm nguội và làm rắn Mặc dù các pin này thường có giá thành rẻ hơn so với đơn tinh thể, nhưng hiệu suất của chúng chỉ đạt từ 8% đến 11% Tuy nhiên, ưu điểm của đa tinh thể là khả năng tạo thành các tấm vuông lớn, giúp che phủ bề mặt hiệu quả hơn, bù đắp cho hiệu suất thấp của chúng.
Dải Silic được tạo ra từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy với cấu trúc đa tinh thể Mặc dù loại này có hiệu suất thấp nhất, chỉ khoảng 3-6%, nhưng nó lại là lựa chọn rẻ nhất do không cần cắt từ thỏi silicon.
Hình 2.5 Các loại cấu trúc tinh thểcủa pin Mặt Trời [11].
2.2.1 Cấu tạo pin Mặt Trời
Pin Mặt Trời được cấu tạo từ một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n, có khả năng chuyển đổi năng lượng bức xạ Mặt Trời thành điện năng thông qua hiệu ứng quang điện.
Hình 2.4 Cấu tạo pin Mặt Trời.[10].[6].
Hiện nay, vật liệu chính được sử dụng cho pin Mặt Trời và các thiết bị bán dẫn là silic tinh thể Pin Mặt Trời từ silic tinh thể được phân loại thành ba loại khác nhau.
Pin Mặt Trời đơn tinh thể được sản xuất thông qua quy trình Czochralski, với hiệu suất từ 11% đến 16% Tuy nhiên, giá thành của chúng thường cao do được cắt từ các thỏi hình ống, và các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module.
Đa tinh thể được sản xuất từ các thỏi đúc silic nung chảy, sau đó được làm nguội và làm rắn Mặc dù các pin này thường có giá thành thấp hơn so với pin đơn tinh thể, hiệu suất của chúng chỉ đạt từ 8% đến 11% Tuy nhiên, đa tinh thể có khả năng tạo thành các tấm vuông, giúp che phủ bề mặt nhiều hơn, bù đắp cho hiệu suất thấp của chúng.
Dải silic được tạo ra từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy với cấu trúc đa tinh thể Mặc dù loại này có hiệu suất thấp nhất, chỉ từ 3-6%, nhưng nó lại là lựa chọn rẻ nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon.
Hình 2.5 Các loại cấu trúc tinh thểcủa pin Mặt Trời [11].
2.2.1 Cấu tạo pin Mặt Trời
Pin Mặt Trời được cấu tạo từ một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n, có khả năng chuyển đổi trực tiếp năng lượng bức xạ Mặt Trời thành điện năng thông qua hiệu ứng quang điện.
Hình 2.4 Cấu tạo pin Mặt Trời.[10].[6].
Hiện nay, vật liệu chính được sử dụng cho pin Mặt Trời và các thiết bị bán dẫn là silic tinh thể Pin Mặt Trời từ silic tinh thể được phân thành ba loại khác nhau.
Pin mặt trời đơn tinh thể được sản xuất qua quá trình Czochralski, mang lại hiệu suất từ 11% đến 16% Tuy nhiên, giá thành của chúng thường cao do được cắt từ các thỏi hình ống, và các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module.
Đa tinh thể được sản xuất từ các thỏi đúc từ silic nung chảy, sau đó được làm nguội và làm rắn Mặc dù các pin này thường có giá thành rẻ hơn so với pin đơn tinh thể, hiệu suất của chúng lại thấp hơn, chỉ đạt khoảng 8%-11% Tuy nhiên, điểm mạnh của đa tinh thể là khả năng tạo thành các tấm vuông lớn, giúp che phủ bề mặt hiệu quả hơn, bù đắp cho hiệu suất không cao của chúng.
Dải silic được tạo ra từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể Mặc dù loại này có hiệu suất thấp nhất, chỉ khoảng 3-6%, nhưng lại là lựa chọn tiết kiệm nhất vì không cần phải cắt từ thỏi silicon.
Hệ thống pin mặt trời
2.3.1 Hệthống pin mặt trời thường sửdụng hiện nay
Hệ thống pin Mặt Trời bao gồm nhiều thành phần quan trọng như các tấm pin Mặt Trời, thiết bị tiêu thụ điện, thiết bị lưu trữ điện năng (ắc quy) và các thiết bị điều phối điện năng Những thành phần này hoạt động cùng nhau để đảm bảo quá trình chuyển đổi và lưu trữ năng lượng hiệu quả.
Một photon cần có năng lượng lớn hơn mức tối thiểu để kích thích electron trong lớp ngoài cùng của nguyên tử Với tần số của Mặt Trời đạt khoảng 6000°K, phần lớn năng lượng từ Mặt Trời được hấp thụ bởi silic Tuy nhiên, hầu hết năng lượng Mặt Trời chủ yếu được chuyển đổi thành năng lượng nhiệt thay vì năng lượng điện có thể sử dụng.
Hình 2.12 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời [6].
2.3.1 Hệthống pin mặt trời thường sửdụng hiện nay
Hệ thống pin Mặt Trời bao gồm các thành phần chính như tấm pin Mặt Trời, tải tiêu thụ điện, thiết bị lưu trữ năng lượng (ắc quy) và thiết bị điều phối điện năng, tạo thành một mạch hoàn chỉnh cho việc chuyển đổi và sử dụng năng lượng hiệu quả.
Một photon cần có năng lượng lớn hơn năng lượng kích thích electron lớp ngoài cùng để hoạt động Tần số của Mặt Trời thường đạt khoảng 6000°K, do đó, phần lớn năng lượng Mặt Trời được silic hấp thụ Tuy nhiên, hầu hết năng lượng Mặt Trời chuyển đổi thành năng lượng nhiệt hơn là năng lượng điện có thể sử dụng.
Hình 2.12 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời [6].
2.3.1 Hệthống pin mặt trời thường sửdụng hiện nay
Hệ thống pin Mặt Trời bao gồm nhiều thành phần quan trọng như tấm pin Mặt Trời, tải tiêu thụ điện, thiết bị lưu trữ điện năng (ắc quy) và thiết bị điều phối điện năng, tạo nên một giải pháp hiệu quả cho việc sử dụng năng lượng tái tạo.
Hình 2.13Sơ đồkhối hệthống pin Mặt Trời độc lập [7].
2.3.2 Các loại pin Mặt Trời mới
Ngoài pin mặt trời từ tinh thể silicon, hiện nay còn có nhiều phát minh mới tạo ra các loại pin mặt trời khác.
Pin mặt trời nhạy cảm với chất màu DSC (Dye–Sensitized solar Cell)
Pin DSC, hay còn gọi là pin Gratzel, là một loại pin Mặt Trời mới, có giá thành thấp và dễ chế tạo Loại pin này được phát minh lần đầu bởi Michael Gratzel tại trường Bách khoa Lausane, Thụy Sĩ vào năm 1991.
Cấu tạo nguyên thủy của pin DSC bao gồm ba phần chính: lớp dẫn điện trong suốt ở trên cùng, được làm từ oxit thiếc pha tạp flo (SnO2:F), đóng vai trò là Anot và phủ lên tấm thủy tinh Tiếp theo là lớp có diện tích bề mặt lớn, bao gồm lớp dẫn điện SnO2:F và hạt bột oxit Titan (TiO2) được nhúng vào hỗn hợp chất màu nhạy quang ruthenium-polyridin và dung môi, tạo ra liên kết cộng hóa trị với các hạt TiO2 Cuối cùng, mặt sau được tráng bằng lớp điện ly iod và được đậy kín bằng tấm điện cực kim loại, thường là platin, đảm bảo dung dịch không bị rò rỉ ra ngoài.
Pin DSC hoạt động như sau: ánh sáng Mặt trời qua tấm kính, qua lớp điện
Hình 2.13Sơ đồkhối hệthống pin Mặt Trời độc lập [7].
2.3.2 Các loại pin Mặt Trời mới
Ngoài pin mặt trời từ tinh thể silic, loại pin mặt trời phổ biến nhất hiện nay, đã có nhiều phát minh mới nhằm phát triển các loại pin mặt trời khác.
Pin mặt trời nhạy cảm với chất màu DSC (Dye–Sensitized solar Cell)
Pin DSC, hay còn gọi là pin Gratzel, là một loại pin Mặt Trời mới, có giá thành rẻ và dễ sản xuất Loại pin này được phát minh lần đầu bởi Michael Gratzel tại trường Bách khoa Lausane, Thụy Sĩ vào năm 1991.
Cấu tạo nguyên thủy của pin DSC bao gồm ba phần chính: lớp mỏng chất dẫn điện trong suốt đóng vai trò Anot, được làm từ oxit thiếc pha tạp flo (SnO2:F), phủ lên tấm thủy tinh trong suốt Tiếp theo là lớp có diện tích bề mặt lớn, kết hợp giữa lớp dẫn điện SnO2:F và hạt bột oxit Titan (TiO2) được nhúng trong hỗn hợp chất màu nhạy quang ruthenium-polyridin và dung môi, tạo ra lớp mỏng chất màu nhạy quang bám chặt vào các hạt TiO2 qua liên kết cộng hóa trị Cuối cùng, mặt sau của pin được tráng bằng lớp mỏng chất điện ly iod và được đậy kín bằng tấm điện cực kim loại, thường là platin, đảm bảo dung dịch không bị rò rỉ ra ngoài.
Pin DSC hoạt động như sau: ánh sáng Mặt trời qua tấm kính, qua lớp điện
Hình 2.13Sơ đồkhối hệthống pin Mặt Trời độc lập [7].
2.3.2 Các loại pin Mặt Trời mới
Ngoài pin mặt trời từ tinh thể silic, loại pin mặt trời phổ biến nhất hiện nay, đã có nhiều phát minh mới nhằm phát triển các loại pin mặt trời khác.
Pin mặt trời nhạy cảm với chất màu DSC (Dye–Sensitized solar Cell)
Pin DSC, hay còn gọi là pin Gratzel, là một loại pin Mặt Trời mới được phát triển bởi Michael Gratzel tại trường Bách khoa Lausane, Thụy Sĩ vào năm 1991 Loại pin này nổi bật với giá thành rẻ và quy trình sản xuất đơn giản.
Cấu tạo nguyên thủy của pin DSC bao gồm ba phần chính: lớp dẫn điện trong suốt ở trên cùng, làm bằng oxit thiếc pha tạp flo (SnO2:F) và phủ lên tấm thủy tinh trong suốt Phía dưới là lớp có diện tích bề mặt lớn, bao gồm lớp dẫn điện SnO2:F và hạt bột oxit Titan TiO2 được nhúng vào hỗn hợp chất màu nhạy quang ruthenium-polyridin và dung môi Sau khi nhúng, chất màu nhạy quang bám vào các hạt TiO2 thông qua liên kết cộng hóa trị Cuối cùng, mặt sau được tráng bằng lớp điện ly iot và đậy kín bằng tấm điện cực kim loại, thường là platin, để đảm bảo dung dịch không bị rò rỉ.
Pin DSC hoạt động khi ánh sáng Mặt trời chiếu qua tấm kính và lớp điện cực trong suốt SnO2:F, kích thích các phân tử chất màu nhạy quang trên bề mặt TiO2 Photon làm cho electron bị bứt ra và di chuyển về điện cực trong suốt Để bù đắp cho việc mất electron, phân tử chất màu nhạy quang lấy electron từ i-ot trong dung dịch điện phân, biến anion i-ot thành anion i-ot ba-I3 Khi tiếp xúc với điện cực kim loại, các anion này nhận lại electron từ điện cực trong suốt qua mạch ngoài, tạo ra dòng điện nhờ cơ chế photon kích thích.
Ứng dụng của pin mặt trời [2]
Đối với cuộc sống của loài người, năng lượng Mặt Trời là một nguồn năng lượng tái tạo quý báu.
Năng lượng từ Mặt Trời có thể được thu thập trực tiếp thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển đổi năng lượng của các photon thành điện năng, như trong pin Mặt Trời Ngoài ra, năng lượng photon cũng có thể được hấp thụ để tạo ra nhiệt năng, sử dụng cho các ứng dụng như bình đun nước Mặt Trời, làm sôi nước trong các máy nhiệt điện của tháp Mặt Trời, hoặc điều khiển các hệ thống nhiệt như máy điều hòa Mặt Trời.
Năng lượng của các photon có thể được hấp thụ và chuyển hóa thành năng lượng trong các liên kết hóa học của các phảnứng quang hóa.
Quá trình quang hợp là một phản ứng quang hóa tự nhiên, trong đó năng lượng Mặt Trời được dự trữ vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch không tái sinh Những nguồn năng lượng này đã được các nền công nghiệp từ thế kỷ 19 đến 21 khai thác triệt để.
Quá trình cung cấp năng lượng cho các hoạt động sinh học tự nhiên, sức kéo gia súc và củi đốt là nguồn năng lượng sinh học tái tạo truyền thống Trong tương lai, quá trình này có thể hỗ trợ tạo ra nguồn năng lượng tái tạo từ nhiên liệu sinh học, bao gồm các loại nhiên liệu lỏng như diesel sinh học và nhiên liệu từ dầu thực vật, cũng như khí đốt sinh học và nhiên liệu rắn.
Năng lượng Mặt Trời được hấp thụ bởi thủy quyển và khí quyển của Trái Đất, tạo ra các hiện tượng khí tượng học với năng lượng dự trữ có thể khai thác Trong mô hình năng lượng này, Trái Đất hoạt động như một bình đun nước, chuyển hóa nhiệt năng từ ánh sáng Mặt Trời thành động năng của dòng chảy nước, hơi nước và không khí, đồng thời thay đổi tính chất hóa học và vật lý của chúng.
Thế năng của nước mưa có thể được lưu trữ tại các đập nước, giúp phát điện cho các công trình thủy điện Trước khi thủy điện ra đời, năng lượng dòng chảy sông suối đã được tận dụng qua cối xay nước Ngoài ra, dòng chảy của biển cũng có khả năng chuyển động máy phát điện tại các nhà máy điện sử dụng năng lượng từ biển.
Hình 2.16Các tuabin gió phát điện nhờ sức gió và thủy triều, tận thu một cách gián tiếp năng lượng Mặt Trời [7].
Dòng chảy của không khí, hay gió, có khả năng tạo ra điện năng thông qua việc quay tuốc bin gió, trong khi trước đây, cối xoay gió đã được sử dụng để xay ngũ cốc Năng lượng gió còn tạo ra chuyển động sóng trên biển, có thể được khai thác trong các nhà máy điện sử dụng sóng biển Đại dương có nhiệt dung riêng lớn hơn không khí, dẫn đến việc thay đổi nhiệt độ chậm hơn khi hấp thụ nhiệt lượng từ Mặt Trời Vào ban đêm, đại dương thường nóng hơn không khí và lạnh hơn vào ban ngày, tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ có thể được sử dụng để vận hành các động cơ nhiệt trong các nhà máy điện sử dụng nhiệt lượng của biển.
Hình 2.17Nhà máy điện mặt trời.[7].
Khi nhiệt năng từ photon của mặt trời làm bốc hơi nước biển, một phần năng lượng này được lưu trữ trong quá trình tách muối ra khỏi nước mặn.
Hình 2.16Các tuabin gió phát điện nhờ sức gió và thủy triều, tận thu một cách gián tiếp năng lượng Mặt Trời [7].
Dòng chảy của không khí, hay gió, có khả năng tạo ra điện khi làm quay tuốc bin gió, trong khi cối xoay gió đã từng được sử dụng để xay ngũ cốc trước khi có máy phát điện gió Năng lượng gió cũng tạo ra chuyển động sóng trên biển, có thể được khai thác trong các nhà máy điện sử dụng sóng biển Đại dương, với nhiệt dung riêng lớn hơn không khí, thay đổi nhiệt độ chậm hơn khi hấp thụ nhiệt lượng từ Mặt Trời, dẫn đến việc đại dương thường nóng hơn không khí vào ban đêm và lạnh hơn vào ban ngày Sự chênh lệch nhiệt độ này có thể được tận dụng để vận hành các động cơ nhiệt trong các nhà máy điện sử dụng nhiệt lượng của biển.
Hình 2.17Nhà máy điện mặt trời.[7].
Khi nhiệt năng từ photon của mặt trời làm bốc hơi nước biển, một phần năng lượng này được lưu trữ trong quá trình tách muối ra khỏi nước biển.
Hình 2.16Các tuabin gió phát điện nhờsức gió và thủy triều, tận thu một cách gián tiếp năng lượng Mặt Trời [7].
Gió, hay dòng chảy không khí, có khả năng tạo ra điện năng khi làm quay tuốc bin gió, và trước khi có máy phát điện gió, cối xay gió đã được sử dụng để xay ngũ cốc Năng lượng gió cũng góp phần tạo ra sóng trên biển, và chuyển động này có thể được khai thác trong các nhà máy điện sử dụng sóng biển Đại dương, với nhiệt dung riêng lớn hơn không khí, thay đổi nhiệt độ chậm hơn khi hấp thụ nhiệt từ Mặt Trời, dẫn đến việc đại dương thường nóng hơn không khí vào ban đêm và lạnh hơn vào ban ngày Sự chênh lệch nhiệt độ này có thể được tận dụng để vận hành động cơ nhiệt trong các nhà máy điện sử dụng nhiệt lượng từ biển.
Hình 2.17Nhà máy điện mặt trời.[7].
Khi nhiệt năng từ photon mặt trời làm bốc hơi nước biển, một phần năng lượng này được lưu trữ trong quá trình tách muối ra khỏi nước mặn.
Nhà máy điện sử dụng phản ứng nước ngọt và nước mặn để thu hồi năng lượng khi đưa nước ngọt từ sông trở về biển Ngoài ra, điện năng cũng có thể được sản xuất từ năng lượng mặt trời thông qua hệ thống gương phản chiếu và hội tụ, tạo ra nhiệt độ cao để gia nhiệt cho môi chất làm việc, từ đó vận hành máy phát điện.
Hiện nay trong các nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời có các loại hệthống bộthu chủyếu sau đây:
Hệ thống dùng parabol trụ đểtập trung tia bức xạmặt trời vào một ống môi chất đặt dọc theo đường hội tụcủa bộthu, nhiệt độcó thể đạt tới 400 0 C.
Hệ thống nhận nhiệt trung tâm sử dụng gương phản xạ định vị theo phương mặt trời để tập trung năng lượng mặt trời vào bộ thu trên đỉnh tháp cao, giúp nhiệt độ đạt trên 1500 độ C.
Trong bối cảnh khoa học kỹ thuật phát triển mạnh mẽ, nhu cầu năng lượng đang gia tăng đáng kể Tuy nhiên, các nguồn nhiên liệu truyền thống như than đá, dầu mỏ và khí thiên nhiên đang dần cạn kiệt, đặt nhân loại trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng Do đó, việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới như năng lượng hạt nhân, địa nhiệt, gió và mặt trời trở thành ưu tiên hàng đầu trong chiến lược phát triển năng lượng, không chỉ cho các nước phát triển mà còn cho các quốc gia đang phát triển.
Năng lượng mặt trời được coi là nguồn năng lượng sạch và tiềm năng hàng đầu, thu hút sự quan tâm đặc biệt từ con người Việc nghiên cứu và nâng cao hiệu quả của các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời, cũng như triển khai ứng dụng chúng vào thực tế, đang trở thành vấn đề cấp bách và thời sự.