Tài liệu Tìm hiểu năng lượng gió và năng lƣợng mặt trời

ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ CẦN THƠ TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT - CÔNG NGHỆ CẦN THƠ -----�����----- ĐỒ ÁN 1 ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU NĂNG LƢỢNG GIÓ VÀ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI Giảng viên hƣớng dẫn: Ths. Tô Ái Nhân Sinh viên thực hiện: TRẦN THANH TRUYỀN Mssv: 1700546 CẦN THƠ, 2020 i Lời cam đoan Em xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của em thực hiện. Các số liệu phân tích trong đồ án có nguồn góc rõ ràng, đã đƣợc công bố theo đúng quy định. Các kết quả trong đồ án do em tìm hiểu, phân tích và thực hiện theo đúng thực tiễn Việt Nam. Sinh viên thực hiện Trần Thanh Truyền ii LỜI CẢM ƠN Trƣớc khi vào nội dung đồ án em xin chân thành cảm ơn đến Cô: Tô Ái Nhân giảng viên trƣờng Đại học Kỹ Thuật-Công Nghệ Cần Thơ đã tận tình hƣớng dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện để hoàn thành đồ án này. Cùng toàn thể thầy cô khoa ĐiệnĐiện tử-Viễn thông đã tận tình giảng dạy, chỉ bảo, truyền đạt nguồn kiến thức sâu rộng và những kinh nghiệm quý báu cho em trong suốt thời gian học tại trƣờng. Xin cảm ơn đến tất cả bạn bè, những ngƣời đã giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập cũng nhƣ thực hiện đồ án học phần này. Và cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bố mẹ đã ủng hộ và tạo điều kiện cho em hoàn thành đồ án này. Mặc dù đã nỗ lực hết mình, nhƣng do khả năng, kiến thức và thời gian có hạn nên không thể tránh đƣợc những sai sót trong lúc thực hiện đồ án này, em kính mong quý thầy cô chỉ dẫn, giúp đỡ em để ngày càng hoàn thiện hơn kiến thức của mình và có thể tự tin bƣớc vào cuộc sống với vốn kiến thức đã có đƣợc. Sinh viên thực hiện Trần Thanh Truyền iii Danh mục viết tắt Scig: squirrel-cage induction generator. Wecs: wind energy conversion system. Wrig: wound rotor induction generator. Osig: optislip induction generator. Dfig: doubly fed induction generator. Rsc: rotor side converter. Gsc: grid side converter. Wrsg: wound roto synchronous generator. Pmsg: permanent magnet synchronous generator. Hv: highvoltage generator. Srg: switched reluctance generator. Tfg: transverse flux generator. Svc: static var compensator. iv LỜI MỞ ĐẦU Trong tiến trình phát triển của loài ngƣời, việc sử dụng năng lƣợng là đánh dấu một cột mốc rất quan trọng. Từ đó đến nay, loài ngƣời sử dụng năng lƣợng ngày càng nhiều ,nhất là trong vài thế kỷ gần đây. Trong cơ cấu năng lƣợng hiện nay,chiếm phần chủ yếu là năng lƣợng tàn dƣ sinh học than đá,dầu mỏ,khí tự nhiên. Kế là năng lƣợng nƣớc thủy điện, năng lƣợng hạt nhân, năng lƣợng sinh khối (bio.gas, …) năng lƣợng mặt trời, năng lƣợng gió chỉ chiếm một phần khiêm tốn. Xã hội loài ngƣời không phát triển nếu không có năng lƣợng. Ngày nay, năng lƣợng tàn dƣ sinh học, năng lƣợng không tái sinh, ngày càng kiệt, giá dầu mỏ tăng từng ngày, ảnh hƣởng xấu đến sự phát triển kinh tế xã hội và môi trƣờng sống. Tìm kiếm nguồn năng lƣợng thay thế là nhiệm vụ cấp bách của các nhà khoa học ,kinh tế, các chính trị gia,… và mỗi ngƣời chúng ta. Nguồn năng lƣợng thay thế đó phải sạch, thân thiện với môi trƣờng, chi phí thấp, không cạn kiệt (tái sinh), và dễ sử dụng. Từ lâu, loài ngƣời đã tận dụng và sử dụng năng lƣợng gió. Nguồn năng lƣợng hầu nhƣ vô tận, đáp ứng hầu hết các tiêu chí nêu trên. Nhiều công trình nghiêng cứu đã đƣợc thực hiện, năng lƣợng gió và mặt trời không chỉ là năng lƣợng của tƣơng lai mà còn là năng lƣợng của hiện tại v mục lục 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI........................................... 1 1.1 SỰ HÌNH THÀNH NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI ................................................................... 1 1.1.1 ĐIỆN MẶT TRỜI NGHĨA LÀ ............................................................................................ 1 1.1.2 CẤU TẠO CHUNG CỦA PIN MẶT TRỜI ........................................................................... 2 1.1.3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG ............................................................................................ 2 1.2 PANEL MẶT TRỜI ................................................................................................... 3 1.2.1 BỘ ĐIỀU KHIỂN SẠC .................................................................................................... 4 1.2.2 AC-DC INVERTER .................................................................................................. 4 1.2.3 BATTERY ( ẮC-QUY) ............................................................................................. 4 1.2.4 KHUNG GÁ VÀ DÂY CÁP ...................................................................................... 5 1.2.5 MÔ TẢ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ............................................................................ 6 1.3 ĐI SÂU VÀO HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI ............................... 7 1.3.1 PIN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI .............................................................................. 7 1.3.2 NĂNG LƢỢNG HIỆN NAY ............................................................................................. 7 1.3.3 TÌM HIỂU CHUNG VỀ PIN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI ........................................ 8 1.3.4 HƢỚNG ĐẶC ........................................................................................................... 8 1.3.5 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ CẤU TẠO....................................................................... 10 1.3.6 CÂU HỎI ĐẶT RA LÀ PIN MẶT TRỜI HOẠT ĐỘNG THẾ NÀO ? ........................................ 10 1.3.7 CHẤT BÁN DẪN SI PHA TẠP P ĐƢỢC GỌI LÀ BÁN DẪN LOẠI N: ........................................ 13 1.3.8 SƠ ĐỒ CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI .......................................................... 16 1.4 ƢU,NHƢỢC ĐIỂM CỦA NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI ......................................... 17 1.4.1 ƢU ĐIỂM .................................................................................................................. 17 VỀ NHỮNG KHÓ KHĂN CHÍNH TRONG QUÁ TRÌNH TRIỂN KHAI ỨNG DỤNG ...................... 21 1.4.2 VỀ KỸ THUẬT ........................................................................................................... 21 1.4.3 VỀ KINH TẾ .............................................................................................................. 21 1.5 BỘ KÍCH INVERTER ............................................................................................. 23 LOẠI INVERTER CHO HỆ THỐNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI............................................ 23 1.5.1 HÌNH DẠNG CẤU TẠO ......................................................................................... 24 1.5.2 CẤU TẠO CHUNG ...................................................................................................... 24 vi 1.5.3 NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG ........................................................................................ 24 1.5.3.1 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ ................................................................................................... 25 1.5.4 ƢU VÀ NGƢỢC ĐIỂM ................................................................................................. 25 HÌNH 1.17 MỘT SỐ ẮC QUY CHUNG ..................................................................................... 26 1.5.6 PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾ ĐIỆN MẶT TRỜI ...................................................... 32 2 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG GIÓ ................................................................... 39 2.1.1 THỰC TRẠNG NĂNG LƢỢNG VÀ MÔI TRƢỜNG ............................................................ 39 2.1.2 SỰ HÌNH THÀNH NĂNG LƢỢNG GIÓ ........................................................................... 41 2.1.3 CÁC ĐẶC TRƢNG CỦA NĂNG LƢỢNG GIÓ ................................................................... 41 TỐC ĐỘ GIÓ ........................................................................................................................ 41 2.1.4 CÁC LÝ THUYẾT CƠ BẢN ........................................................................................... 44 2.1.5 PHÂN LOẠI TUA-BIN GIÓ ........................................................................................... 47 2.1.6 CÁC DẠNG TRUYỀN ĐỘNG ........................................................................................ 48 2.1.7 ĐỊNH LUẬT CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ .................................................................................. 49 2.1.8 ĐỊNH LUẬT LỰC ĐIỆN TỪ .......................................................................................... 50 2.1.9 HÕA ĐỒNG BỘ .......................................................................................................... 51 2.1.10 CẤU TẠO TUA-BIN GIÓ ............................................................................................ 51 2.1.11 ROTO GIÓ ............................................................................................................... 52 2.1.12 VỎ VÀ HỆ THỐNG ĐỊNH HƢỚNG ............................................................................... 59 2.1.13 BỘ ĐIỀU KHIỂN ....................................................................................................... 60 2.1.14 MÁY PHÁT ĐIỆN TRONG TUA-BIN ĐIỆN GIÓ .............................................................. 61 2.1.15 TÍNH TOÁN TUA-BIN GIÓ ......................................................................................... 72 2.1.16 CHỌN TUA-BIN GIÓ ................................................................................................. 74 2.1.17 KẾT LUẬN ............................................................................................................... 80 2.1.18 MỤC TIÊU NĂNG LUONGJ GIÓ LAM ĐƢƠC ................................................................. 80 2.1.19 HƢỚNG PHÁT TRIỂN: NÔNG TRƢỜNG GIÓ VÀ BỘ BÙ TĨNH ......................................... 81 2.2 DỰ TÍNH CÔNG SUẤT CỦA ĐỒ ÁN VỚI 0.5HA PIN MẶT TRỜI ĐỂ ĐẠT 250MW CÔNG SUẤT TRÊN THÁNG ........................................................................... 83 2.2.1 PIN MẶT TRỜI ....................................................................................................... 83 TỔNG CÔNG SUẤT PIN MẶT TRỜI MỖI THÁNG................................................................... 83 CHI PHÍ ĐẦU TƢ................................................................................................................. 83 2.2.2 TUABIN GIÓ .......................................................................................................... 83 CHI PHÍ ĐẦU TƢ NĂNG LƢỢNG GIÓ ................................................................................... 83 vii TỔNG CHI PHÍ ĐẦU TƢ DỰ ÁN SƠ BỘ.................................................................................. 84 THU NHẬP MỖI THÁNG ( CHƢA BAO GỒM HAO PHÍ VÀ TỰ DÙNG) ..................................... 84 THỜI GIAN HOÀN VỐN ....................................................................................................... 84 3 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 85 viii 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI Hình 1.1 hình hệ thống măt trời 1.1 Sự hình thành năng lƣợng mặt trời Năng lƣợng mặt trời, bức xạ ánh sáng và nhiệt từ Mặt trời, đã đƣợc khai thác bởi con ngƣời từ thời cổ đại bằng cách sử dụng một loạt các công nghệ phát triển hơn bao giờ hết. Bức xạ mặt trời, cùng với tài nguyên thứ cấp của năng lƣợng mặt trời nhƣ sức gió và sức sóng, sức nƣớc và sinh khối, làm thành hầu hết năng lƣợng tái tạo có sẵn trên Trái Đất. Chỉ có một phần rất nhỏ của năng lƣợng mặt trời có sẵn đƣợc sử dụng. 1.1.1 Điện mặt trời nghĩa là phát điện dựa trên động cơ nhiệt và pin quang điện. Sử dụng năng lƣợng mặt trời chỉ bị giới hạn bởi sự khéo léo của con ngƣời. Một phần danh sách các ứng dụng năng lƣợng mặt trời sƣởi ấm không gian và làm mát thông qua kiến trúc năng lƣợng mặt trời, qua chƣng cất nƣớc uống và khử trùng, chiếu sáng bằng ánh sáng ban ngày, nƣớc nóng năng lƣợng mặt trời, nấu ăn năng lƣợng mặt trời, và quá trình nhiệt độ cao nhiệt cho công nghiệp purposes. Để thu năng lƣợng mặt trời, cách phổ biến nhất là sử dụng tấm năng lƣợng mặt trời. 1 Công nghệ năng lƣợng mặt trời đƣợc mô tả rộng rãi nhƣ là hoặc năng lƣợng mặt trời thụ động hoặc năng lƣợng mặt trời chủ động tùy thuộc vào cách chúng nắm bắt, chuyển đổi và phân phối năng lƣợng mặt trời. Kỹ thuật năng lƣợng mặt trời hoạt động bao gồm việc sử dụng các tấm quang điện và năng lƣợng mặt trời nhiệt thu để khai thác năng lƣợng. Kỹ thuật năng lƣợng mặt trời thụ động bao gồm các định hƣớng một tòa nhà về phía Mặt trời, lựa chọn vật liệu có khối lƣợng nhiệt thuận lợi hoặc tài sản ánh sáng phân tán, và thiết kế không gian lƣu thông không khí tự nhiên. 1.1.2 Cấu tạo chung của pin mặt trời Một tế bào quang điện (cell), tấm pin mặt trời (solar cells panel) pin mặt trời hay quang điện kí hiệu la PV là hệ thống các tấm vật liệu đặc biệt có khả năng chuyển đổi quang năng của ánh sáng mặt trời thành điện năng. Pin mặt trời đƣợc cấu tạo từ các tế bào quang điện (cells) đơn tinh thể (monocrystalline) và đa tinh thể ( polycrystalline) có hiệu suất cao (15% - 18%)công suất từ 25Wp đến 240Wp và có tuổi thọ trung bình 30 năm. 1.1.3 Nguyên lý hoạt động Từ giàn pin mặt trời, ánh sáng đƣợc điến đổi thành điện năng tạo ra dòng điện một chiều DC. Dòng điện này đƣợc dẫn tới bộ điều khiển là một thiết bị điện tử có chức năng điều hòa tự động các quá trình nạp điện vào ắc-quy và phóng điện từ ắc-quy ra các thiết bị điện DC. Trƣờng hợp công suất giàn pin đủ lớn trong mạch điện sẽ đƣợc lắp thêm bộ đổi điện đẻ chuyển dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều AC ,chạy đƣợc trên nhiều thiết bị điện gia dụng ( đèn, quạt, tv....) 2 Cấu hình chung của hệ thống pin mặt trời Bảng 1.1 cấu hình chung hệ thống Tt Tên thiết bị Ghi chú 1 Soiar cells panel Monocrystalline (đơn tinh thể) Polycrystalline (đa tinh thể) 2 Solar Regulator Lựa chọn tùy mức điện thế và công suất của hệ thống 3 DC-AC inverter Dạng sóng ra: Step Wave hoặc Sine Wave 4 Battery ( ắc-quy) Bình khô, kính khí, không cần bảo dƣỡng 5 Khung, gá Chuyên dụng cho hệ thống 6 Dây cáp Chuyên dụng cho hệ thống ( ngoài trời và trong nhà) 7 Phụ kiện lắp đặc Linh, phục kiện đồng bộ khác 1.2 PANEL MẶT TRỜI Tấm pin Panel mặt trời ( solar cell panel) biến đổi quang năng hấp thụ từ mặt trời để biến thành điện năng. Một số thông tin cơ bản về tấm pin mặt trời Hiệu suất từ 15% - 18% Công suất từ 25Wp đến 175Wp Số lƣợn cells Kích thƣớc 5-6 inchs Loại cells Monocrystalline và Polycrystalline Chất liệu khung nhôm Tuổi thọ trung bình của tấm pin 30 năm Có khả năng kết nối thành các trạm điện mặt trời công suất lớn hơn không hạng chế, có thể hòa lƣới (grid), hoặc hoạt động độc lập nhƣ một hệ thống back-up điện. Trong một ngày nắng, mặt trời cung cấp 1kw/m2 đến mặt đất ( khi mặt trời đứng bóng và quang mây, ở mực nƣớc biển ). Công suất và điện áp của một hệ thống sẽ phụ thuộc vào cách chúng ta nối ghép các tấm pin Panel mặt trời lại với nhau. Các tấm pin Panel mặt trời đƣợc lắp đặc ở ngoài trời để có thể hứng đƣợc ánh nắng tốt nhất từ mặt trời nên đƣợc thiết kế với những tính năng và chất liệu đặc biệt, có thể chịu đựng đƣợc sự khắc nghiệt của thời tiếc, khí hậu, nhiệt độ..... 3 1.2.1 Bộ điều khiển sạc Là thiết bị điều khiển chức năng điều tiết sạt cho ắc-quy, bảo vệ cho ắc-quy chống nạp quá tải và xả quá sâu nhằm nân cao tuổi thọ của bình ắc-quy, và giúp hệ thống pin mặt trời sử dụng hiệu quả lâu dài. Bộ điều khiển còn cho biết tình trạng nạp điện của Panel mặt trời vào ắc-quy giúp cho ngƣời sử dụng kiểm soát đƣợc các phụ tải. Bộ điều khiển còn thực hiện việc bảo vệ nạp quá điện thế (>13.8v) hoặc điện thế thấp (<10.5v). Mạch bảo vệ của bộ điều khiển xác nhận bình ắc-quy đã đƣợc nạp đầy hoặc điện áp bình quá thấp. 1.2.2 AC-DC INVERTER Là bộ biến đổi nghịch lƣu. Inverter chuyển đổi dòng điện 12VDC từ ắc-quy thành dòng điện AC (110VAC,220VAC). Đƣợc thiết kế với nhiều cấp công suất từ 0.3kva-10kva. Inverter có nhiều loại và cách phân biệt chúng bằng dạng sóng của điện áp đầu ra: dạng sóng hình sin, giả sin, sóng vuông, sóng bật thang.... 1.2.3 BATTERY ( ẮC-QUY) Là thiết bị lƣu trữ điện để sử dụng vào ban đêm hoặc lúc trời ít hoặc không còn ánh nắng Ắc-quy có nhiều loại, kích thƣớc và dung lƣợng khác nhau, tùy thuộc vào công suất và đặc điểm của hệ thống pin panel mặt trời. Hệ thống có công suất càng lớn thì cần sử dụng ắc-quy có dung lƣợng lớn hoặc dùng nhiều bình ắc-quy kết nối lại với nhau 4 1.2.4 KHUNG GÁ VÀ DÂY CÁP Để đảm bảo cho hệ thống pin Panel mặt trời đặc đúng vị trí tốt nhất ( nắng nhiều nhất và lâu nhất) và hiệu suất sử dụng hệ thống luôn đƣợc ổn định lâu dài, chúng ta cần dùng đến bộ khung gá và dây cáp chuyên dụng.Để tối đa hóa hiệu suất của hệ thống, các tấm tin Panel mặt trời cần đƣợc lắp đặc theo một góc nghiêng và một hƣớng nhất định ( tùy thuộc từng vị trí lắp đặc cụ thể).Lƣu ý khí lắp đặt tránh các vùng có khả năng bị che, khuất nắng, nên lựa chọn những vị trí hứng đƣợc nắng tốt nhất cho cả ngày. Các phục kện đồng bộ kèm theo: ống, công tắc, bảng điện, Vaseline, domino, ổ cấm....để lắp hoàn chỉnh hệ thống điện mặt trời. Hình 1.2 vị trí của hệ thống pin mặt trời 1: tấm pin mặt trời 2:bộ điều khiển sạt mặt trời 3:bộ kích điên hoach bộ hòa lƣới 4: cầu dao chuyển mạch 5: ắc quy 5 Hình 1.3 nguyên lý làm việc hệ thống 1.2.5 Mô tả hoạt động của hệ thống Đây là sự tích hợp của hai hệ thống thành một hệ thống liên hoàn bao gồm: Hệ thống sản suất điện năng từ mặt trời thành điện 220VAC/50Hz bổ sung vào điện lƣới (on grid).Hệ thống lƣu trữ biến đổi điện điện năng từ mặt trời thành điện 20VAC/50Hz (off grid). Tuy nhiên, quý khách vẩn có thể sử dụng từng hệ thống trên một cách độc lập tùy theo nhu cầu cụ thể. Khi khởi động Battery bank luôn đƣợc ƣu tiên nạp điện từ mặt trời cho đến khi đầy. Lúc này Grid-Tie Solar Inverter (GTSI) chƣa làm việc.Khi Battery đầy bộ Inverter-solar charger (ISC) sẽ ngƣng sạc và bộ GTSI sẽ hoạt động : Biến đổi điện DC từ solar panel thành điện AC 220V có điện áp, tần số - pha trùng với điện lƣới và đƣợc hòa trực tiếp vào lƣới điện – Việc bán điện sẽ đƣợc thông qua đồng hồ W1 .Khi có điện lƣới, điện năng cho tải thông thƣờng và tải ƣu tiên sẽ đƣợc cấp qua đồng hồ điện W2 ( điện mua) 6 do ISC lúc này đang ở chế độ On grid. Khi mất điện lƣới, ISC sẽ lấy điện DC từ Bttery bank và Solar để biến đổi thành điện AC 220 V cung cấp cho tải ƣu tiên. Đồng thời GTSI sẽ ngƣng làm việc. 1.3 ĐI SÂU VÀO HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI 1.3.1 PIN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI 1.3.1.1 NĂNG LƢỢNG HIỆN TẠI Trong cuộc sống hàng ngày, chúng ta sử dụng khối năng lƣợng khổng lồ. Cuộc sống của chúng ta xoay quanh sự tiêu thụ các nguồn tài nguyên thiên nhiên và tiêu thụ năng lƣợng. Phần lớn trong tỷ lệ tiêu thụ năng lƣợng đƣợc dùng cho sự ấm -58% một phần trong số này có thể cung cấp từ năng lƣợng mặt trời.Kế tiếp là nấu nƣớc. Chiếm 24% tổng năng lƣợng tiêu thụ, hoàn toàn có thể nấu nƣớc bằng năng lƣợng mặt trời. Điều đó có nghĩa là có thể đáp ứng 83% nhu cầu năng lƣợng bằng công nghệ năng lƣợng mặt trời. Phần năng lƣợng, 13% đƣợc dùng để tạo ra điện năng để cung cấp cho chiếu sáng và các thiết bị gia dụng.Năng lƣợng đƣợc dùng cho nấu ăn,5% cũng có thể tạo ra từ năng lƣợng. 1.3.1.2 Lý do chọn năng lƣợng mặt trời Năng lƣợng mặt trời là dạng năng lƣợng sạch, xanh, miễn phí và có giá trị sử dụng tốt nhất .Mặt trời đã xuất hiện cách đây 5 tỷ năm và tiếp tục thêm 5 tỷ năm nữa, quá đủ cho loài ngƣời Chúng ta đang tìm các công nghệ sử dụng dạng năng lƣợng này một cách hiệu quả nhất, do đây là năng lƣợng sạch, rất thân thiện với môi trƣờng. Đây thực sự là nguồn tài nguyên khổng lồ, tuy năng lƣợng mặt trời tập trung chủ yếu ở các vùng đất trống 1.3.2 Năng lƣợng hiện nay Cơ quan năng lƣợng quốc tế dự báo khai thác năng lƣợng của 33 trong số 48 nhà sản xuất dầu mỏ hàng đầu thế giới đang giảm, Điều đó đang thành hiện thực. Không chỉ có đỉnh sản lƣợng dầu mỏ, hiện nay còn có đỉnh than đá, đỉnh khí tự nhiên và đỉnh uranium. Tất cả 7 các nguồn tài nguyên này đều có giới hạn, không thể thay thác mãi mãi.Điều đó có nghĩa là những ngƣời tin tƣởng vào năng lƣợng hạt nhân có thể bị sốc, năng lƣợng hạt nhân từng đƣợc coi là nguồn thay thế hữu hiệu cho nhiên liệu tàn dƣ sinh học, nhƣng mọi ngƣời phải đối mặt cùng một vấn đề. Nếu tất cả đều chuyển sang năng lƣợng hạt nhân, tốc độ tiêu thụ uranium sẽ tăng nhanh, chƣa kể các nguy cơ về an toàn hạt nhân. 1.3.3 TÌM HIỂU CHUNG VỀ PIN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI hình 1.3 pin mặt trời 1.3.4 HƢỚNG ĐẶC Điều khiển tấm pin theo mùa (xuân,hạ,thu,đông) cũng là một vấn đề về chúng ta đã biết, với mỗi mùa khác nhau, tại một thời điểm nhất định, mặt trời sẽ có một góc chiếu khác nhau. 8 Hình 1.4 hƣớng đặc tấm pin Hình 1.5 vị trí mặt trời trong năm 9 1.3.5 Nguyên lý hoạt động và cấu tạo Nhiên liệu hóa thạch theo tính toán của các nhà khoa học và môi trƣờng học sẽ cạn kiệt trong vòng 50 năm nữa nếu cứ sử dụng với tốc độ hiện nay. Việt tìm năng lƣợng thay thế là bài toán cấp bách của toàn nhân loại. Có ý kiến cho rằng điện hạt nhân là một giải pháp nhƣng với mức độ an toàn và bản chất của quá trình không thuận nghịch của phản ứng hạt nhân không cho ta kết quả nhƣ mong đợi. Năng lƣợng mặt trời xét về lâu dài mới là giải pháp cho tƣơng lai. Một trong các nguyên nhân khác của việc sử dụng năng lƣợng mặt trời đó là do tính sạch của nó về mặt môi trƣờng. Trong quá trình sử dụng nó không sinh ra khí nhà kính hay gây ra các hiệu ứng tiêu cực với khí hậu toàn cầu. Việt dạy học gắn với nội dung nay nhằm giáo dục ý thức môi trƣờng và sự chuẩn bị hành trang cho chủ nhân tƣơng lai là cần thiết và phù hợp. Có 2 cách chính sử dụng năng lƣợng mặt trời: - sử dụng dƣới dạng nhiệt năng: lò hấp thụ mặt trời, nhà kính…. - sử dụng thông qua sự chuyển hóa thành điện năng: hệ thống pin mặt trời 1.3.6 Câu hỏi đặt ra là pin mặt trời hoạt động thế nào ? Pin mặt trời là thiết bị ứng dụng hiệu ứng quang điện trong bán dẫn ( thƣờng gọi là hiệu ứng quang điện trong -quang dẫn) để tạo ra dòng điện một chiều chiều từ ánh sáng mặt trời. Loại Pin mặt trời thông dụng nhất hiện nay là loại sử dụng Silic tinh thể. 10 Để hiểu về nguyên lý làm việc của Pin mặt trời loại này chúng ta cần biết một vài đặc điểm của chất bán dẫn Silic. Trong bảng tuần hoàn Silic (si) có số thứ tự 14- 1s22s22p63s23p2. Các điện tử của nó đƣợc sắp xếp vào 3 lớp vỏ 2 lớp vỏ bên trong đƣợc sắp xếp đầy bởi 10 điện tử. Tuy nhiên lớp ngoài cùng của nó chỉ đƣợc lấp đầy 1 nửa với 4 điện tử 3s23p2. . Điều này làm nguyên tử si có xu hƣớng dùng chung các điện tử của nó với các 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). Hình 1.6 cấu tạo của silicon crystal 11 Tinh thể Si tinh khiết là chất bán dẫn điện rất kém vì các điện tử bị giảm 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 lƣợng là các điện tử ( tích điện âm) nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẫn bỏ lại vùng hóa trị 1 lỗ trống (tích điện dƣơng), thì khi đó chất bán dẫn mới dẫn điện. Để tăng khả năng dẫn điện của chất bán dẫn silicon ngƣời ta thƣờng pha tạp chất vào trong đó. Trƣớc tiên ta xem xét trƣờng hợp tạp chất là nguyên tử phospho (P) với tỷ lệ khoản một phần triệu. P có 5 điện tử ở lớp vỏ ngoài cùng nên khi liên kết trong tinh thể Si sẽ dƣ ra 1 điện tử. Điện tử này trong điều kiện bị khích thích nhiệt có thể bứt khỏi liên kết với hạt nhân P để khuếch tán trong mạng tinh thể. Hình 1.7 cấu tạo của silicon N-tipe 12