Tài liệu Thiết kế và thi công xe tiết kiệm nhiên liệu sử dụng năng lượng mặt trời

TÓM TẮT Ngày nay nguồn năng lượng tái tạo đang dần thay thế các nhiên liệu hóa thạch như xăng, dầu than đá… và các nhà khoa học đang tập trung nghiên cứu và chế tạo những sản phẩm tiết kiệm nhiên liệu. Đề tài thiết kế chế tạo xe tiết kiệm nhiên liệu được nghiên cứu để tìm ra giải pháp giúp tiết kiệm nguồn nhiên liệu quốc gia. Sử dụng nguồn bức xạ mặt trời thông qua một thiết bị biến đổi thành điện năng cung cấp cho xe hoạt động. Thiết bị đó gọi là pin mặt trời (solar cell). Trong bài nghiên cứu này sử dụng phần mềm Pro/Engineer để thiết kế kết cấu cơ khí và biên dạng thân xe, phần mềm Ansys dùng để phân tích trọng lượng, quá trình biến dạng tổng quát của khung xe. Kết cấu cơ khí, biên dạng thân xe, trọng lượng xe, công suất, dung lượng của pin mặt trời, thời gian sạc cho bình ắc quy là những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình vận hành, sự tiêu hao năng lượng được đưa ra thảo luận. Keywords: Fuel save challenge – Solar car MỤC LỤC ĐẶT VẤN ĐỀ ............................................................................................................................ 1 A. Động cơ thúc đẩy.. ................................................................................................................. 1 B. Nguồn gốc đề tài….. ..............................................................................................................1 C. Mục đích của đề tài .................................................................................................................1 D. Kết cấu của đề tài ………………………………………………………………………….2 CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN ..................................................................................................... 3 1.1 Tổng quan xe năng lượng mặt trời.........................................................................................3 1.2 Tổng quan nguồn năng lượng mặt trời ..................................................................................4 1.3 Định nghĩa năng lượng mặt trời.............................................................................................4 1.3.1 Phân loại nguồn năng lượng ...................................................................................... 5 1.3.2 Ứng dụng năng lượng Mặt Trời................................................................................. 5 1.4 Giới thiệu về pin mặt trời.......................................................................................................6 1.5 Cấu Tạo Và Hoạt Động Của Pin Mặt Trời ............................................................................6 1.5.1 Cấu tạo Silic............................................................................................................... 6 1.5.2 Cấu tạo pin Mặt Trời.................................................................................................. 8 1.5.3 Quá trình tạo các module ......................................................................................... 10 1.5.4 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời ..................................................................... 11 CHƯƠNG 2 – THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ........................................................................... 16 2.1 Thiết kế chi tiết khung xe ....................................................................................................16 2.2 Mô phỏng động lực học khung xe .......................................................................................17 2.2.1 Thông số mô phỏng ................................................................................................. 18 2.2.2 Phân tích quá trình biến dạng của khung xe ............................................................ 18 CHƯƠNG 3 – KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN ................................................... 20 3.1 Kết quả mô phỏng động lực học của khung xe....................................................................20 3.2 Biểu đồ trọng lượng khung xe ứng với từng vật liệu...........................................................20 3.3 Quá trình biến dạng của khung xe .......................................................................................21 3.4 Quá trình biến dạng khi chịu tác dụng va đập lên khung xe................................................22 3.5 Thiết kế biên dạng thân xe...................................................................................................23 3.6 Biểu đồ trọng lượng biên dạng thân xe............................................................................... 24 CHƯƠNG 4 - CƠ SỞ TÍNH TOÁN ........................................................................................ 25 4.1 Tính toán chọn công suất cho động cơ chính ......................................................................25 4.1.1 Những Vấn Đề Chung ............................................................................................. 25 4.1.2 Phát nóng và nguội lạnh của động cơ ...................................................................... 26 4.1.3 Các chế độ làm việc của truyền động điện ............................................................. 26 4.1.4 Tính chọn công suất động cơ cho những truyền động không điều chỉnh tốc độ ..... 27 4.1.5 Chọn công suất động cơ làm việc dài hạn ............................................................... 28 4.1.6 Chọn công suất động cơ làm việc ngắn hạn ............................................................ 29 4.1.7 Tính chọn công suất động cơ cho truyền động có điều chỉnh tốc độ....................... 31 4.1.8 Kiểm nghiệm công suất động cơ ............................................................................. 33 4.1.9 Tính toán chọn công suất động cơ truyền động của động cơ điện.......................... 33 4.2 Chọn ắc quy 4.2.1 Chọn accu cho xe tiết kiệm nhiên liệu..................................................................... 38 4.2.2 Các phương pháp nạp điện ...................................................................................... 39 4.2.3 Tính toán chọn dung lượng bình accu cho xe tiết kiệm nhiên liệu.......................... 41 4.2.4 Tính toán diện tích pin mặt trời căn cứ theo Q = 10 Ah của bình đã chọn, và thời gian nạp là 2 giờ........................................................................................................................ 43 4.3 Chọn pin mặt trời cho xe tiết kiệm nhiên liệu 4.3.1 Mạch điều khiển nạp (charger controller)................................................................ 45 4.4 Điều khiển tốc độ động cơ ..................................................................................................45 4.4.1 Hiệu ứng Hall trong điều khiển tốc độ động cơ....................................................... 45 4.5 Ưu điểm, tính kinh tế. ..........................................................................................................48 4.5.1 Ưu điểm ................................................................................................................... 48 4.5.2 Nhược điểm ............................................................................................................. 48 4.5.3 Tính kinh tế.............................................................................................................. 48 KẾT LUẬN............................................................................................................................... 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................ 51 DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU Kí hiệu Ý nghĩa λ Bước sóng ánh sáng E1 Mức năng lượng điện tử vùng 1 E2 Mức năng lượng điện tử vùng 2 h Hằng số planck v Tần số ánh sáng e- Điện tử tự do h+ Hạt mang điện dương Eph Năng lượng tổn hao do quá trình phục hồi η Hiệu suất quá trình biến đổi quang điện J0( λ ) Mật độ photon có bước sóng λ hc/ λ Năng lượng photon Eg Là năng lượng hữu ích mà điện tử hấp thụ của photon trong quá trình quang điện ΔP Tổn thất công suất ΔW Tổn thất năng lượng Δv Nhiệt sai giữa máy điện và nhiệt độ môi trường 00C C Nhiệt dung của máy điện A Hệ số tỏa nhiệt ΔV∞ Nhiệt sai ổn định τ Hằng số thời gian phát nóng ξ Thời gian đóng điện tương đối tlv Thời gian làm việc có tải tcky Thời gian của một chu kỳ Pđm Công suất định mức Mtb Moment trung bình Mđm Moment định mức Ptb Công suất trung bình Mi Moment phụ tải thứ i ti Thời gian hoạt động tương ứng của phụ tải thứ i Pi Công suất phụ tải thứ i Plv Công suất làm việc yêu cầu x Hệ số quá tải công suất Q Công suất phản kháng F Lực cản chuyển động G Khối lượng chuyên chở Gx Khối lượng xe g Gia tốc trọng trường Rb Bán kính bánh xe β Hệ số ma sát trượt rct Bán kính cổ trục bánh xe F Hệ số ma sát lăn kms Hệ số có tính đến ma sát giữa mép bánh xe và đường ray I Tỷ số truyền từ động cơ đến bánh xe Nc Số lượng bình accu Udd Điện áp dây dẫn Un Điện áp bình accu khi nạp τsd.nh Thời gian sử dụng của phụ tải ngắn hạn. DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Những kiểu xe sử dụng năng lượng mặt trời ....................................................3  Hình 1.2 Cấu tạo lớp bán dẫn...........................................................................................7  Hình 1.3 Cấu tạo bán dẫn Silic ........................................................................................8  Hình 1.4 Cấu tạo module .................................................................................................9  Hình 1.5 Quá trình tạo module.......................................................................................10  Hình 1.6 Các vùng năng lượng ......................................................................................11  Hình 1.7 Hệ 2 mức năng lượng......................................................................................12  Hình 1.8 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời............................................................13  Hình 1.9 Quan hệ η (E g ) .................................................................................................14  Hình 2.1 Bản vẽ chi tiết khung xe..................................................................................16  Hình 2.2 Bản vẽ thiết kế khung xe.................................................................................17  Hình 2.3 Khung nhìn của bản vẽ thiết kế.......................................................................17  Hình 2.4 Sơ đồ mô phỏng quá trình biến dạng khung xe ..............................................19 Hình 2.5 Tác động lực lên khung xe theo phương ngược chiều chuyển động ..............19  Hình 2.6 Tác động lực lên khung xe theo phương vuông góc chiều chuyển động........19  Hình 3.1 Biểu đồ trọng lượng của khung xe ứng với từng loại vật liệu .......................20  Hình 3.2 Biến dạng khi lực F tác động vào khung xe 1 đoạn 10 mm............................21  Hình 1.3 Biến dạng khi lực F tác động vào khung xe 1 đoạn 25 mm............................21  Hình 3.4 Biến dạng khi lực F tác động vào khung xe 1 đoạn 49 mm............................22  Hình 3.5 Lực F1 tác động vào hông khung xe...............................................................22  Hình 3.6 Biến dạng khi lực F tác động vào hông khung xe...........................................22  Hình 3.7 Biến dạng phá hủy phần đầu khung xe ...........................................................23  Hình 3.8 Bản vẽ chi tiết khung xe..................................................................................23  Hình 3.9 Biểu đồ trọng lượng của biên dạng thân xe ứng với từng loại vật liệu...........24  Hinh 4.1 Chế độ làm việc dài hạn Hình 4.2 Chế độ làm việc ngắn hạn ........27  Hình 4.3 Chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại ....................................................................27  Hình 4.4 Đồ thị phụ tải: a) Phụ tải dài hạn không đổi; b) Phụ tải dài hạn biến đổi.......28  Hình 4.4 Biểu đồ trọng lượng của khung xe ứng với công suất của động cơ................36  Hình 4.5 Biểu đồ trọng lượng của biên dạng thân xe ứng với công suất của động cơ ..37  Hình 4.6 Biểu đồ trọng lượng, công suất, dung lượng...................................................37  Hình 4.7 Bình ắc quy .....................................................................................................38  Hình 4.9 Sơ đồ kết nối Pin mặt trời qua diode...............................................................43  Hình 4.10. Sơ đồ mạch...................................................................................................45  Hình 4.11 Cảm biếnHall AH49E được đặt trong tay vịn xe tiết kiệm nhiên liệu..........47  Hình 4.12 Mạch điều khiển tốc độ động cơ xe tiết kiệm nhiên liệu ..............................47  DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 1.1 Bảng thông số bức xạ mặt trời tại TPHCM …………..…………………….12 Bảng 2.1 Bảng thông số ngõ vào ………………………………………………….….26 Bảng 3.1 Kết quả mô phỏng biến dạng tổng quát của khung xe….……………..……27 Bảng 3.2: Kết quả phân tích trọng lượng ứng với từng loại vật liệu cho khung xe…...31 Bảng 4.1: Kết quả phân tích trọng lượng ảnh hưởng công suất của động cơ và dung lượng pin mặt trời ………………………………………………….………………43 Bảng 4.2: Bảng tính toán chi phí đầu tư ban đầu xe tiết kiệm nhiên liệu …………….57 Bảng 4.3: Bảng chi phí bảo trì trong năm ……………………………….……….…..57 Bảng 4.3: Bảng chi phí vận hành trong năm …………………………….…….……..57 -1- ĐẶT VẤN ĐỀ A. Động cơ thúc đẩy Cuộc thi shell Eco marathon là cuộc thi thiết kế xe tiết kiệm nhiên liệu kết quả đạt được là giúp cho môi trường thân thiện, đời sống con người hoàn thiện hơn. Bên cạnh những nguồn năng lượng như: năng lượng hạt nhân, năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng thủy triều thì năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng phong phú, dồi dào nhất. Qua tìm hiểu nhận thấy thực tế phương tiện giao thông lại là nguyên nhân gây ra những ô nhiễm chính trên đường như là khói bụi, tiếng ồn, tốn nhiều nhiên liệu Và đề tài nghiên cứu “Xe tiết kiệm nhiên liệu” chạy bằng năng lượng mặt trời là công trình nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời để tạo trực tiếp ra điện năng phục vụ cho xe chạy. B. Nguồn gốc đề tài Ứng dụng năng lượng mặt trời trên thế giới cũng như ở Việt Nam đã được nghiên cứu và chế tạo từ rất lâu, ông Miroslav Miljevic (Anh) đã chế tạo xe đạp 2 bánh Cycle Sol chạy bằng điện mặt trời, ở Thụy Sĩ thì chế tạo một chiếc máy bay trên đó gắng 12 ngàn tấm pin mặt trời và ở Việt Nam thì các sinh viên trường Đại học SPKT TPHCM đã chế tạo thành công xe 4 bánh. Ngày nay xe chạy bằng năng lượng mặt trời khá phổ biến tại Việt Nam và các nước Asian, xe được tạo ra hầu hết là xe tự chế và xe mô hình với mục đích chung là tiết kiệm năng lượng và tìm ra xu hướng phát triển trong tương lai ngành công nghiệp năng lượng tái tạo. C. Mục đích của đề tài Việc nghiên cứu thành công chiếc xe năng lượng mặt trời sẽ giúp chúng ta có một hướng đi mới trong ngành chế tạo xe điện, từ đó sẽ ra đời những thế hệ xe năng lượng mặt trời tiên tiến hơn, sẽ dần thay thế xe chạy bằng nhiên liệu xăng, dầu hiện nay, giúp cải thiện phần nào môi trường bị ô nhiễm, giảm chi phí kinh tế -2- Trong đề tài nghiên cứu này sử dụng phần mềm thiết kế Pro/Engineer để thiết kế bộ khung xe và biên dạng xe, phần mềm ANSYS dùng để mô phỏng quá trình biến dạng của khung xe, và phân tích trọng lượng của vật liệu. D. Kết cấu của đề tài Đề tài bao gồm 5 chương: Chương 1: Tổng Quan Chương 2: Thiết Kế Cơ Khí Chương 3: Phân Tích và Mô Phỏng Chương 4: Cơ Sở Tính Toán Chương 5: Kết Luận -3- CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan xe năng lượng mặt trời Xe năng lượng mặt trời là một phương tiện được thiết kế và chế tạo từ rất lâu nhưng chưa được đưa vào sử dụng phổ biến rộng rãi. Hầu hết những phương tiện này sử dụng trong các lĩnh vực giải trí, thám tử hoặc làm việc ở những điều kiện khắc nghiệt, nguy hiểm, những nơi không có nguồn điện. Hình 1.1 cho thấy rằng chiếc xe sử dụng năng lượng mặt trời đầu tiên năm 1059 đến năm 1979 đã có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực năng lượng mặt trời. Ứng dụng năng lượng biến đổi thành điện năng cung cấp cho xe và các thiết bị điện khác. Năm 1980, Mỹ đã chế tạo robot thám hiểm trên sa mạc và ứng dụng năng lượng mặt trời để biến đổi thành điện năng cung cấp cho robot. Và gần đây nhất khu vực Asian thường xuyên tổ chức những cuộc thi tiết kiệm nhiên liệu và ứng dụng nhiên liệu sạch vào công nghệ xe điện và ô tô điện. Hình 1.1 Những kiểu xe sử dụng năng lượng mặt trời -4- 1.2 Tổng quan nguồn năng lượng mặt trời Mặt trời là một trong những ngôi sao phát sáng mà con người có thể quan sát được trong vũ trụ. Mặt trời luôn phát ra một nguồn năng lượng khổng lồ và một phần nguồn năng lượng đó truyền bằng bức xạ đến trái đất chúng ta. Trái đất và Mặt trời có mối quan hệ chặt chẽ, chính bức xạ Mặt Trời là yếu tố quyết định cho sự tồn tại sự sống trên hành tinh chúng ta. Năng lượng Mặt Trời là một trong các nguồn năng lượng sạch và vô tận và nó là nguồn gốc của các nguồn năng lượng khác trên Trái Đất [5] 1.3 Định nghĩa năng lượng Mặt Trời Năng lượng Mặt Trời là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ Mặt Trời, cộng với một phần nhỏ năng lượng của các hạt nguyên tử khác. Bảng 1.1 Bảng thông số bức xạ mặt trời tại TPHCM [1] THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Tháng 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Bức xạ mặt trời hằng ngày kWh/m²/d 5.26 5.67 6.01 5.85 5.17 4.85 4.78 4.63 4.72 4.57 4.79 4.78 -5- Thông qua biểu đồ trên, ta thấy bức xạ mặt trời của thành phố HCM từ tháng 1 đến tháng 5 là cao, dao động từ 5,17 (tháng 5) đến 6,01 (tháng 3) (kWh/m²/d) vì thời gian này là mùa nắng nên lượng bức xạ cao, pin mặt trời xe đạt hiệu suất cao, do đó xe tiết kiệm nhiên liệu sẽ đạt hiệu quả cao trong thời gian này. Còn các tháng cuối năm từ tháng 6 đến tháng 12 lượng bức xạ dao động từ 4,57 đến 4,78 vì lúc này vào mùa mưa nên lượng bức xạ mặt trời thấp, khả năng hấp thụ bức xạ của pin sẽ thấp và xe tiết kiệm nhiên liệu không đạt hiệu quả cao. 1.3.1 Phân loại nguồn năng lượng Người ta chia các nguồn NL thành 2 nhóm năng lượng chính: Năng lượng hoá thạch như dầu, than đá hay khí đốt; Năng lượng tái tạo từ những nguồn năng lượng như Mặt trời, Gió, Hợp chất hữu cơ (sinh khối), năng lượng đại dương và nhiệt của trái đất. 1.3.2 Ứng dụng năng lượng Mặt Trời Năng lượng Mặt Trời là nguồn năng lượng mà con người đã biết sử dụng từ rất sớm, nhưng ứng dụng năng lượng mặt trời vào công nghệ sản xuất quy mô rộng vào cuối thế kỷ 18 và cũng chủ yếu ở những nước nhiều năng lượng Mặt Trời. Từ sau các cuộc khủng hoảng năng lượng thế giới năm 1968 và 1973, năng lượng Mặt Trời đặc biệt quan tâm. Các nước công nghiệp phát triển đã đi tiên phong trong việc nghiên cứu ứng dụng năng lượng Mặt Trời. Các ứng dụng năng lượng Mặt Trời phổ biến hiện nay bao gồm 2 lĩnh vực chủ yếu. Thứ nhất năng lượng Mặt Trời được biến đổi trực tiếp thành điện năng nhờ các tế bào quan điện bán dẫn, hay còn gọi là pin Mặt Trời. Các pin mặt trời sản xuất ra điện năng một cách liên tục chừng nào còn có bức xạ Mặt Trời chiếu tới. Lĩnh vực thứ hai đó là sử dụng năng lượng Mặt Trời chiếu tới dưới dạng nhiệt năng, ở đây chúng ta dùng thiết bị thu bức xạ nhiệt Mặt trời và tích trữ dưới dạng nhiệt năng và dùng nó vào các mục đích khác nhau. Việt Nam là nước có tiềm năng về năng lượng Mặt Trời trải dài từ vĩ độ 8 Bắc đến vĩ độ 23 Bắc, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao, với -6- trị số tổng xạ khá lớn 100 – 175 kcal/cm2 năm. Do đó việc sử dụng năng lượng Mặt Trời ở nước ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế khá lớn. Thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời ở nước ta chủ yếu dựa vào hệ thống cung cấp điện dùng pin mặt trời, hệ thống nấu cơm có gương phản xạ, hệ thống cung cấp nước nóng…[5] 1.4 Giới thiệu về pin Mặt Trời Pin mặt trời là phương pháp sản xuất điện trực tiếp từ năng lượng mặt trời thông qua thiết bị biến đổi quang điện. Pin mặt trời có ưu điểm gọn nhẹ, có thể lắp đặt bất kỳ nơi đâu có ánh sáng mặt trời, đặc biệt là trong lĩnh vực tàu vũ trụ. Ứng dụng năng lượng mặt trời dưới dạng này được phát triển với tốc độ nhanh, nhất là các nước phát triển. Ngày nay con người đã ứng dụng pin mặt trời trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, để chạy xe và trong sinh hoạt thay thế dần nguồn năng lượng truyền thống. 1.5 Cấu Tạo Và Hoạt Động Của Pin Mặt Trời 1.5.1 Cấu tạo Silic Trong bảng tuần hoàn Silic (Si) có số thứ tự 14- 1s22s22p63s23p2. Các điện tử của nó được sắp xếp vào 3 lớp vỏ, 2 lớp vỏ bên trong được xếp đầy bởi 10 điện tử. Tuy nhiên lớp ngoài cùng của nó chỉ được lấp đầy 1 nửa với 4 điện tử 3s23p2. Điều này làm nguyên tử Si có xu hướng dùng chung các điện tử của nó với các nguyên tử Si khác. Trong cấu trúc mạng tinh thể nguyên tử Si liên kết với 4 nguyên tử Si lân cận để lớp vỏ ngoài cùng có chung 8 điện tử (bền vững). Để tăng khả năng dẫn điện của bán dẫn silicon người ta thường pha tạp chất vào trong đó. Trước tiên ta xem xét trường hợp tạp chất là nguyên tử phospho (P) với tỷ lệ -7- khoảng một phần triệu. P có 5 điện tử ở lớp vỏ ngoài cùng nên khi liên kết trong tinh thể Si sẽ dư ra 1 điện tử. Điện tử này trong điều kiện bị kích thích nhiệt có thể bứt khỏi liên kết với hạt nhân P để khuếch tán trong mạng tinh thể. Chất bán dẫn Si pha tạp P được gọi là bán dẫn loại N (Negative) vì có tính chất dẫn điện bằng các điện tử tự do. Ngược lại, nếu chúng ta pha tạp tinh thể Si bằng các nguyên tử Boron (B) chỉ có 3 điện tử ở lớp vỏ, chúng ta sẽ có chất bán dẫn loại P (Positive) có tính chất dẫn điện chủ yếu bằng các lỗ trống. Khi ta cho 2 loại bán dẫn trên tiếp xúc với nhau. Khi đó, các điện tử tự do ở gần mặt tiếp xúc trong bán dẫn loại N sẽ khuyếch tán từ bán dẫn loại N -> bán dẫn loại P và lấp các lỗ trống trong phần bán dẫn loại P này. Liệu các điện tử tự do của bán dẫn N có bị chạy hết sang bán dẫn P hay không? Câu trả lời là không. Vì khi các điện tử di chuyển như vậy nó làm cho bán dẫn N mất điện tử và tích điện dương, ngược lại bán dẫn P tích điện âm. Ở bề mặt tiếp xúc của 2 chất bán dẫn bây giờ tích điện trái ngược và xuất hiện 1 điện trường hướng từ bán dẫn N sang P ngăn cản dòng điện tử chạy từ bán dẫn N sang P. Và trong khoảng tạo bởi điện trường này hầu như không có electron hay lỗ trống tự do [5]. A B A n - ty p e S ilic o n B p - ty p e S ilic o n Hình 1.2 Cấu tạo lớp bán dẫn Tinh thể Si tinh khiết là chất bán dẫn dẫn điện rất kém vì các điện tử bị giam giữ bởi liên kết mạng, không có điện tử tự do. Chỉ trong điều kiện kích thích quang, hay nhiệt làm các điện tử bị bứt ra khỏi liên kết, hay nói theo ngôn ngữ vùng năng lượng là -8- các điện tử (tích điện âm) nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẫn bỏ lại vùng hóa trị 1 lỗ trống (tích điện dương), thì khi đó chất bán dẫn mới dẫn điện. Silic Silic Silic Silic Silic Silic Silic Silic Silic Hình 1.3 Cấu tạo bán dẫn Silic 1.5.2 Cấu tạo pin Mặt Trời Hiện nay vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời là các silic tinh thể. Pin mặt trời từ tinh thể silic chia thành 3 loại: Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình czoschralski, đơn tinh thể này có hiệu suất tới 16% và thường rất đắt tiền. Do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module. -9- Hình 1.4 Cấu tạo module Đa tinh thể từ các thỏi đúc – 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. Chúng có thể tạo thành các vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó. 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 quan điện bên trong gọi là pin mặt trời. Pin mặt trời được sản xuất và ứng dụng phổ biến hiện nay là các pin mặt trời được chế tạo từ vật liệu tinh thể bán dẫn silicon (Si) có hóa trị 4. Từ tinh thể silic tinh khiết, để có vật liệu tinh thể bán dẫn Si loại n, người ta pha tạp chất donor là photpho có hóa trị 5. Còn có thể có vật liệu bán dẫn tinh thể loại p thì tạp chất acceptor được dùng để pha vào silic là Bo có hóa trị 3. Đối với pin mặt trời từ vật liệu tinh thể silic khi bức xạ mặt trời chiếu đến thì hiệu điện thế hở mạch giữa 2 cực khoảng 0,55V và dòng điện đoản mạch của nó khi bức xạ mặt trời có cường độ 1000W/m2 vào khoảng 25 – 30 mA/cm2. Hiện nay người ta đã chế tạo pin mặt trời bằng vật liệu Si vô định hình (a-Si). So với pin mặt trời tinh thể Si thì pin mặt trời a-Si giá thành rẻ hơn nhưng hiệu suất thấp hơn và kém ổn định hơn. Ngoài Si, hiện nay người ta đang nghiên cứu và thử -10- nghiệm các loại vật liệu khác có nhiều triển vọng như Sunfit cadmi-đồng (CuCds), galium-arsenit (GaAs),….[2] 1.5.3 Quá trình tạo các module Hình 1.5 Quá trình tạo module -11- 1.5.4 Nguyên lý hoạt động của pin Mặt Trời Pin mặt trời làm việc theo nguyên lý là biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện. 1.5.4.1 Hiệu ứng quang điện: Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel. Tuy nhiên tới năm 1883 thì một pin mặt trời mới tạo thành bởi Charles Fritts, ông phủ lên mặt bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối. Thiết bị chỉ có hiệu suất 1%, Russell Ohl được xem là người tạo ra pin mặt trời đầu tiên 1946. Sau đó Sven Ason Berglund đã có các phương pháp liên quan đến việc tăng khả năng cảm nhận ánh sáng của pin. Hình 1.6 Các vùng năng lượng Xét một hệ hai mức năng lượng điện tử E1 < E2, bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E1. Khi nhận bức xạ mặt trời, lượng tử ánh sáng photon có năng lượng hv (trong đó h là hằng số Planck, v là tần số ánh sáng) bị điện tử hấp thụ và chuyển lên mức năng lượng E2. Ta có phương trình cân bằng năng lượng: hv= E2 – E1 (1.1) Trong các vật thể rắn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vòng ngoài, nên các mức năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng sát nhau và tạo thành các vùng năng lượng (hình 3.5). Vùng năng lượng thấp bị các năng lượng điện tử chiếm đầy khi ở trạng thái cân bằng gọi là vùng hóa trị, mà mặt trên của nó có chức -12- năng lượng Ev. Vùng năng lượng ở trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ chiếm một phần gọi là vùng dẫn, mặt dưới của vùng có năng lượng Ec. Cách ly giữa hai vùng hóa trị và vùng dẫn là một vùng có cấp độ rộng với năng lượng là Eg, trong đó không có mức năng lượng cho phép nào của điện tử. Hình 1.7 Hệ 2 mức năng lượng Khi nhận bức xạ mặt trời, photon có năng lượng hv tới hệ thống và bị điện tử ở vùng hóa trị thấp hấp thu và nó có thể chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự do e, để lại ở vùng hóa trị một lỗ trống có thể như hạt mang điện dương, ký hiệu là h+. Lỗ trống này có thể duy chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện. Hiệu ứng lượng tử của quá trình hấp thụ photon có thể miêu tả bằng phương trình: Ev + hv -> e- + h+ (1.2) Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lượng của photon và chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử - lỗ trống là hv = hc/ λ ≥ Eg = Ec – Ev. Từ đó có thể tính bước sóng tới hạn λ c của ánh sáng có thể tạo ra cặp e- - h+: λc = hc hc 1.24 = = , [μm] Ec − Ev E g Eg (1.3) Trong thực tế các hạt dẫn bị kích thích e- và h+ đều tự phát tham gia vào quá trình phục hồi, chuyển động đến mặt của các vùng năng lượng: điện tử e- giải phóng năng lượng để giải phóng đến mặt của vùng dẫn Ec, còn lỗ trống h+ duy chuyển đến