TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
SỬ DỤNG CHO TRẠM SẠC XE ĐIỆN
Học viên: Nguyễn Hữu Như Danh
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số: 60.52.50 Khóa: K31.KTĐ Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN
Tóm tắt - Năng lượng tái tạo trong đó có năng lượng mặt trời đang được nghiên cứu và ứng dụng
rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đem lại những lợi ích vô cùng to lớn. Sử dụng xe điện mang lại
nhiều lợi ích hơn so với xe ô tô sử dụng xăng hoặc dầu thông thường. Xe điện là một bước đi
quan trọng trong việc tiết kiệm các dạng năng lượng hóa thạch. Nguyên tắc cơ bản của xe điện
chạy bằng năng lượng mặt trời là sử dụng năng lượng được lưu trữ trong pin để điều khiển động
cơ và di chuyển xe theo chiều hướng về phía trước hoặc ngược lại.Vì lý do đó, luận văn này tính
toán và thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời sử dụng cho trạm sạc xe điện, đánh giá khả năng sạc
pin xe điện làm việc ở Đà Nẵng bằng cách sử dụng hệ thống năng lượng mặt trời.Sử dụng phần
mềm PV*Sol Premium 2017để thiết kế, tính toán và mô phỏng sự hoạt động của trạm sạc xe điện.
Sự biến đổi theo mùa và ngày đêm của bức xạ mặt trời được phân tích để xác định năng lượng có
sẵn cho việc sạc xe điện và hoạt động của trạm sạc xe điện.Nghiên cứu này áp dụng mô hình đề
xuất cho thành phố Đà Nẵng để đánh giá về mặt kỹ thuật và tính khả thi về mặt kinh tế. Tác giả
đã tóm tắt các kết quả đạt được và đưa ra các hướng phát triển tiếp theo.
Từ khóa –Xe điện; Trạm sạc xe điện; Hệ thống năng lượng mặt trời; Năng lượng tái tạo; Lưu trữ
trong pin.
DESIGNING CALCULATOR AN ELECTRIC VEHICLE CHARGING STATION USING
THE PHOTOVOLTAIC SYSTEM
Abtract - Renewable energy in which solar energy is being studied and widely used in many
fields offers enormous benefits. Electric vehicles (EVs) have many benefits as compared to
normal petrol or gas cars. The electric vehicle is a step in saving these non renewable sources of
energy.The basic principle of based electric vehicle is to use energy that is stored in a battery to
drive the motor and it moves the vehicle in forward or reverse direction.For this purpose, this
Thesis design and calculator an electric vehicle charging station using the the photovoltaic
system, investigates the possibility of charging battery electric vehicles at workplace in Da Nang
city using the photovoltaic system. Using PV*Sol Premium 2017 software to design, calculatator
and simulator the Evs Charging station operation.The seasonal and diurnal variation in solar
radiation is analyzed to determine the energy availability for EV charging and the necessity for
Evs Charging station operation.This project applies the proposed model to Da Nang City to verify
its technical and economic feasibility.The achieved results are summarized and perspective of the
work in provided
Key words –Electrical vehicle; Charging station; Photovoltaic systems; Renewable energy;
Stored in a battery.
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
1. Lý do chọn đề tài ....................................................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu ...............................................................................................1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ..........................................................................1
4. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................2
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ................................................................2
6. Bố cục đềtài ............................................................................................................2
Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶTTRỜI VÀ HỆ THỐNG PIN
NĂNGLƯỢNG MẶT TRỜI .........................................................................................3
1.1. TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ...............................................3
1.1.1.Nguồn năng lượng mặt trời ............................................................................3
1.1.2. Tổng quan các công nghệ khai thác và sử dụng năng lượng mặt trời ..........5
1.2. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA PIN MẶT TRỜI .............10
1.2.1. Cấu tạo của pin mặt trời ..............................................................................10
1.2.2. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời .......................................................11
1.2.3. Đặc tính làm việc của pin mặt trời ..............................................................13
1.2.4. Dàn pin mặt trời ..........................................................................................16
1.3. ẮC QUY (HỆ THỐNG DỰ TRỮ ĐIỆN NĂNG) .............................................18
1.3.1. Cấu tạo của ắc quy ......................................................................................18
1.3.2. Các phương pháp phóng và nạp ắc quy ......................................................19
1.3.3. Các chế độ vận hành ắc quy .......................................................................19
1.4. HỆ THỐNG ĐIỀU PHỐI ĐIỆN MẶT TRỜI ...................................................20
1.4.1. Bộ điều khiển sạc ........................................................................................20
1.4.2. Bộ nghịch lưu ..............................................................................................21
1.5. CÁC MÔ HÌNH CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI ......................21
1.5.1. Vận hành độc lập với lưới (Off Grid) .........................................................21
1.5.2. Vận hành kiểu lai (Hybrid) .........................................................................22
1.5.3. Vận hành kết nối với lưới điện (grid tie) ....................................................22
1.6. KẾT LUẬN .......................................................................................................23
Chương 2- NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦATRẠM SẠC XE ĐIỆN .................24
2.1. TỔNG QUAN VỀ XE ĐIỆN.............................................................................24
2.1.1. Xe điện lai (HEV - Hybrid Electric Vehicles ) ...........................................24
2.1.2. Xe điện hỗn hợp (PHEV - Plug-in Hybrids Electric Vehicles) .................24
2.1.3. Xe điện chạy hoàn toàn bằng pin (BEV - Battery Electric Vehicles) ........24
2.1.4. Xe điện có tầm xa hoạt động xa (EREV - Ex tended Range Electric
Vehicles). .......................................................................................................................24
2.2. CÁC CHẾ ĐỘ SẠC ...........................................................................................25
2.2.1. Sạc ở Cấp 1 – 120V AC..............................................................................26
2.2.2. Sạc ở Cấp 2 – 208 VAC đến 240 VAC .....................................................26
2.2.3. Sạc ở Cấp 3 – 200 VDC đến 450 VDC ....................................................27
2.3. TRẠM SẠC XE ĐIỆN .....................................................................................28
2.3.1. Thiết bị đảm bảo an toàn trong trạm sạc xe điện ........................................28
2.3.2. Tiêu chuẩn chứng nhận thiết bị điện ...........................................................29
2.4. TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ ................................................................................29
2.4.1. Chuẩn SAE J1772 - sạc bằng dòng xoay chiều - AC ................................30
2.4.2. Chuẩn SAE J1772 –Sạc nhanh bằng dòng điện một chiều - DC ................31
2.4.3.Tiêu chuẩn SAE J1772 Combo....................................................................32
2.4.4. Tiêu chuẩn CHAdeMO –Sạc nhanh ở dòng điện một chiều ......................33
2.4.5. Trạm sạc siêu nhanh của hãng Tesla ..........................................................34
2.5. Kết luận chương 2 ..............................................................................................35
Chương 3 - KHẢO SÁT TIỀM NĂNG ĐIỆN MẶT TRỜI TẠI ĐÀNẴNG VÀ
XÂY DỰNG HỆTHỐNG PIN MẶT TRỜI CẤP ĐIỆNCHO TRẠM SẠC XE
ĐIỆN .............................................................................................................................36
3.1. TIỀM NĂNG ĐIỆN MẶT TRỜI Ở ĐÀ NẴNG ...............................................36
3.2. VỊ TRÍ XÂY DỰNG TRẠM SẠC XE ĐIỆN ...................................................39
3.3.XÂY DỰNG HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CẤP ĐIỆN CHO
TRẠM SẠC XE ĐIỆN TẠI CÔNG VIÊN BIỂN ĐÔNG ............................................40
3.3.1. Một số yêu cầu cơ bản của hệ thống ...........................................................40
3.3.2. Mô hình của trạm sạc xe điện sử dụng hệ thống pin năng lượng mặt trời. 40
3.3.3. Cơ sở tính toán các thông số của trạm sạc. .................................................41
3.3.4. Chọn loại pin mặt trời và lựa chọn các thông số cụ thể của hệ thống pin
năng lượng mặt trời. ......................................................................................................43
3.4. ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA DỰ ÁN HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI CẤP ĐIỆN CHO TRẠM SẠC XE ĐIỆN ............................................45
3.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ..................................................................................48
Chương 4 - THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ
THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ TRẠM SẠC XE ĐIỆN ...............49
4.1. PHẦN MỀM PV*SOL PREMIUM R8 2017 ....................................................49
4.1.1. Giới thiệu sơ lược về phần mềm .................................................................49
4.1.2. Các chức năng chính của phần mềm ..........................................................49
4.2.KHẢO SÁT SỰ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG PIN NLMT VÀ TRẠM
SẠC XE ĐIỆN ..........................................................................................................53
4.2.1. Thông số dùng để nhập dữ liệu phần mềm .................................................53
4.2.2.Sơ đồ mô phỏng ...........................................................................................56
4.2.3. Kết quả mô phỏng .......................................................................................58
4.2.4. Nhận xét ......................................................................................................63
4.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 ..................................................................................64
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................65
TÀI LIỆU THAM KHẢO
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao)
PHỤ LỤC
DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu
bảng
Tên bảng
Trang
1.1.
Các nước có nhà máy điện từ pin mặt trời cỡ lớn (công suất
trên 1MWp).
7
1.2.
Các số liệu về hệ thống cung cấp nước nóng bằng năng lượng
mặt trời đã lắp đặt tại một số nước.
8
1.3.
Các nhà máy điện mặt trời PV lớn nhất thế giới (trên 50MW)
8
1.4.
Các nhà máy điện từ pin mặt trời lớn nhất thế giới
9
2.1.
Tổng quan các mức sạc trong trạm sạc xe điện.
25
2.2.
Thời gian sạc tính trên quãng đường di chuyển ở Sạc cấp 1.
(b) Tính trung bình trên đường thành phố và đường cao tốc
dòng điện sạc bé hơn 12Ayêu cầu thời gian sạc dài hơn.
26
2.3.
Thời gian sạc tính trên quãng đường xe điện di chuyển và
côngsuất sạc tối đa của trạm sạc ở Cấp 2. Tính trung bình trên
đường thành phố và đường cao tốc.
27
2.4.
Thời gian sạc và công suất sạc tương ứng với quãng đường di
chuyển ở cấp 3 – Sạc nhanh. (a) Tính trung bình trên đường
thành phố và đường cao tốc.
28
2.5.
Tóm tắt các đặc tính của các thiết bị cấp 1 120V AC và cấp 2
208-VAC hoặc 240-VAC ở Bắc Mỹ.
30
2.6.
Tóm tắt các chi tiết kỹ thuật cho sạc ở dòng điện một chiều
Cấp 1 và Cấp 2 ở Bắc Mỹ.
32
3.1.
Bảng số liệu về bức xạ mặt trời tại các tỉnh thành ở Việt Nam
38
3.2.
Nhiệt độ không khí trung bình các tháng (ºC) tại ĐàNẵng.
38
3.3.
Bảng bức xạ tổng cộng trung bình trong ngày tại thành phố
Đà Nẵng (KWh/m2.ngày).
38
3.4.
Bảng bức xạ tổng cộng trung bình tháng và năm tại thành phố
Đà Nẵng (KWh/m2.tháng).
39
3.5.
Lượng điện năng tiêu thụ trung bình của trạm sạc xe điện
41
3.6.
Đơn giá xây dựng hệ thống pin năng lượng mặt trời cung cấp
cho trạm sạc xe điện
46
Số hiệu
bảng
Tên bảng
Trang
3.7.
Bảng tổng hợp chi phí xây dựng hệ thống pin năng lượng mặt
trời cung cấp cho trạm sạc xe điện
47
4.1.
Kết quả mô phỏng đối với cả năm, chế độ sạc mặc định
58
4.2.
Kết quả mô phỏng phân bố năng lượng được sử dụng
59
4.3.
Kết quả mô phỏng dự báo năng lượng điện tiêu thụ
60
4.4.
Kết quả mô phỏng đối với ngày nắng lớn, chế độ sạc mặc
định.
61
4.5.
Kết quả mô phỏng đối với ngày có cường độ bức xạ thấp, chế độ
sạc mặc định
62
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Số hiệu
hình
1.1.
1.2.
1.3.
1.4.
1.5.
1.6.
1.7.
2.1.
2.2.
2.3.
2.4.
2.5.
2.6.
2.7.
2.8.
2.9.
2.10.
2.11.
3.1.
3.2.
3.3.
4.1.
4.2.
4.3.
4.4.
4.5.
Tên hình
Trang
Các vùng năng lượng
Hệ 2 mức năng lượng
Đường đặc trưng theo độ chiếu sáng của pin mặttrời
Điểm làm việc và điểm công suất cực đại
Ghép nối tiếp hai module pin mặt trời (a)và đường đặc trưng
VA của các module và của cả hệ (b)
Ghép song song hai module pin mặt trời (a)và đường đặc trưng
VA của các module và của cả hệ (b)
Dàn pin năng lượng mặt trời
Xe điện chạy hoàn toàn bằng pin và xe điện hỗn hợp
Trạm sạc xe điện đơn và đôi.
Chi tiết dầu kết nối sạc J1772
Chi tiết của ổ cắm sạc trên xe điện - J1772
Chi tiết của đầu kết nối sạc J1772 Combo
Chi tiết của ổ cắm sạc trên xe điện - J1772 Combo
Khả năng tương thích của ổ cắm Compo với các đầu sạc tiêu
chuẩn và đầu sạc Compo.
Chi tiết đầu sạc CHAdeMO
Chi tiết ổ các trên xe điện sử dụng tiêu chuẩn CHAdeMO
Chi tiết đầu sạc của hãng Tesla
Chi tiết ổ cắm trên xe điện của hãngTesla
Bảng cường độ bức xạ bình quân trong ngày tại các tỉnh thành ở
Việt Nam (Nguồn: bản đồ năng lượng bức xạ mặt trời tại Việt
Nam).
Vị trí xây dựng trạm sạc xe điện
Mô hình hóa trạm sạc xe điện sử dụng hệ thống pin năng lượng
mặt trời
Đặc tính U-I của tấm pin Model CS6P-265
Đặc tính U-P của tấm pin Model CS6P-265
Mô hình hóa xe điện EAGLE-6088K
Mô hình hóa xe điện BMW i3
Mô hình hóa trạm sạc xe điện hoạt động từ 7 giờ sáng đến 9 giờ
tối
11
12
14
15
16
17
18
25
28
31
31
32
32
33
34
34
35
35
37
39
40
54
54
55
55
56
Số hiệu
hình
4.6.
4.7.
4.8.
4.9.
4.10.
4.11.
Tên hình
Sơ đồ nguyên lý trạm sạc xe điện mô phỏng bằng phần mềm
PV*SOL Premium 2017
Biểu đồ phân bố năng lượng mặt trời cả năm
Biểu đồ phân bố năng lượng được sử dụng
Biểu đồ phân bố năng lượng được sử dụng
Biểu đồ phân bố năng lượng mặt trời trong ngày nắng lớn
Biểu đồ phân bố năng lượng mặt trời trong ngày có cường độ
bức xạ thấp
Trang
57
58
59
60
61
62
1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Hiện nay nhu cầu sử dụng năng lượng của con người ngày càng tăng nhất là năng
lượng điện. Con người cần năng lượng điện để phục vụ cho nhu cầu đời sống sinh
hoạt, sản xuất. Từ những nhu cầu đơn giản như chiếu sáng sinh hoạt cho đến các dây
chuyền sản xuất hiện đại. Trong khi đó các nguồn nhiên liệu truyền thống đứng trước
nguy cơ thiếu hụt năng lượng. Ngoài ra các dạng năng lượng này gây ra ô nhiễm môi
trường xung quanh và làm tăng hiệu ứng nhà kính. Năng lượng tái tạo trong đó có
năng lượng mặt trời đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực
đem lại những lợi ích vô cùng to lớn.
Công nghệ ô tô điện sử dụng năng lượng điện sẽ thay thế cho các loại ô tô sử
dụng nguồn năng lượng hóa thạch đang là xu hướng tất yếu hiện nay của con người.
Hiện nay, công nghệ ô tô điện đang phát triển nhanh chóng và trong tương lai gần sẽ
thay thế hoàn toàn các dạng ô tô truyền thống.
Với những lợi ích to lớn mà công nghệ ô tô điện mang lại cho con người, việc sử
dụng ô tô điện là bước đi quan trọng để con người không còn phụ thuộc vào nguồn
năng lượng hóa thạch, sử dụng nguồn năng lượng sạch để tiến đến xây dựng một trong
những dự án tham vọng nhất của con người trong thế kỷ 21 là loại bỏ hoàn toàn việc
sử dụng nguồn nhiên liệu hóa thạch
Đi đôi với việc sử dụng ô tô điện, yêu cầu cấp thiết hiện nay là phải xây dựng hệ
thống phân phối năng lượng điện rải khắp trên những tuyến đường, khu vực mà ô tô
điện hoạt động, trong đó việc xây dựng trạm sạc ô tô điện thông minh, tự động là bước
đi quan trong nhất trong việc hình thành nên hệ thống này. Việc kết hợp hệ thống năng
lượng mặt trời để cung cấp nguồn cho trạm sạc ô tô điện là một trong những bước đi
đầu tiên để tiến đến sử dụng hoàn toàn năng lượng tái tạo trong tương lai.
Vì vậy việc “Tính toán thiết kế Hệ thống năng lượng mặt trời sử dụng cho trạm
sạc xe điện” để cung cấp năng lượng sạch cho ô tô điện là lý do Tôi chọn đề tài này.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Từ những lý do trên, đề tài đặt ra mục tiêu chính là “Tính toán thiết kế Hệ thống
năng lượng mặt trời sử dụng cho trạm sạc xe điện” nhằm góp phần thúc đẩy việc
nghiên cứu và sử dụng năng lượng mặt trời trong các ứng dụng hàng ngày của con
người.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là hệ thống pin năng lượng mặt trời cung cấp cho trạm sạc
xe điện.
Phạm vi nghiên cứu
+ Đặc tính làm việc của hệ thống pin năng lượng mặt trời
2
+ Các thông số cơ bản của hệ thống pin năng lượng mặt trời
+ Mô phỏng hệ thống pin năng lượng mặt trời và hoạt động của trạm sạc xe
điện phần mềm PV*SOL Premium 2017 chuyên dụng
4. Phương pháp nghiên cứu
Để giải quyết các mục tiêu nêu trên, luận văn đưa ra phương pháp nghiên cứu
như sau:
- Nghiên cứu lý thuyết: các lý thuyết về năng lượng mặt trời, cấu tạo, nguyên lý
làm làm việc của hệ thống pin mặt trời
-Xây dựng hệ thống pin năng lượng mặt trời cung cấp cho một trạm sạc xe điện
cụ thể
- Mô phỏng hoạt động hệ thống pin năng lượng mặt trời và trạm sạc xe điện phần
mềm PV*SOL Premium 2017 chuyên dụng
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học: Ứng dụng được công nghệ mới vào sản xuất, góp phần phát
triền năng lượng mặt trời, là nguồn năng lượng tái tạo, sạch và được nhà nước khuyến
khích đầu tư.Thiết kế, tính toán, mô phỏng được sự hoạt động của hệ thống pin năng
lượng mặt trời và hoạt động của trạm sạc xe điện, từ đó có cơ sở đánh giá tính hiệu
quả về mặt kinh tế và kỹ thuật của hệ thống trước khi đầu tư xây dựng.
Tính thực tiễn: Góp phần phát triển trạm sạc xe điện sử dụng năng lượng mặt
trời, ứng dụng các loại xe điện vào thực tế cuộc sống.
6. Bố cục đềtài
Mở đầu.
Chương 1: Tổng quan về năng lượng mặt trời và hệ thống pin năng lượng mặt trời
Chương 2: Nguyên lý hoạt động của Trạm sạc xe điện
Chương 3: Khảo sát tiềm năng điện mặt trời tại Đà Nẵng và xây dựng hệ thống
pin năng lượng mặt trời cung cấp cho trạm sạc xe điện
Chương 4: Thiết kế, tính toán và mô phỏng hoạt động của hệ thống pin năng lượng
mặt trời và trạm sạc xe điện bằng phần mềm PV*SOL Premium 2017 chuyên dụng
Kết luận và kiến nghị.
3
Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶTTRỜI VÀ HỆ
THỐNG PIN NĂNGLƯỢNG MẶT TRỜI
1.1. TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
1.1 .1.Nguồn năng lượng mặt trời
1.1.1.1.Bức xạ mặt trời
Mặt trời là quả cầu lửa khổng lồ với đường kính trung bình khoảng 1,36 triệu km
và ở cách Trái đất khoảng 150 triệu km. Theo các số liệu hiện có, nhiệt độ bề mặt của
mặt trời vào khoảng 6.000K, trong khi đó nhiệt độ ở vùng trung tâm của mặt trời rất
lớn, vào khoảng 8.106K đến 40.106K. Mặt trời được xem là một lò phản ứng nhiệt
hạch hoạt động liên tục. Do luôn luôn bức xạ năng lượng vào trong vũ trụ nên khối
lượng của mặt trời sẽ giảm dần. Điều này dẫn đến kết quả là đến một ngày nào đó mặt
trời sẽ thôi không tồn tại nữa. Tuy nhiên, do khối lượng của mặt trời vô cùng lớn, , nên
thời gian để mặt trời còn tồn tại cũng vô cùng lớn. Bên cạnh sự biến đổi nhiệt độ rất
đáng kể theo hướng kính, một điểm đặc biệt khác của mặt trời là sự phân bố khối
lượng rất không đồng đều. Ví dụ, khối lượng riêng ở vị trí gần tâm mặt trời vào
khoảng 100g/cm3, trong khi đó khối lượng riêng trung bình của mặt trời chỉ vào
khoảng 1,41g/cm3.
Các kết quả nghiên cứu cho thấy, khoảng cách từ mặt trời đến Trái đất không
hoàn toàn ổn định mà dao động trong khoảng ±1,7% xoay quanh giá trị trung bình đã
trình bày ở trên. Trong kỹ thuật NLMT, người ta rất chú ý đến khái niệm hằng số mặt
trời (Solar Constant). Về mặt định nghĩa, hằng số mặt trời được hiểu là lượng bức xạ
mặt trời (BXMT) nhận được trên bề mặt có diện tích 1m2 đặt bên ngoài bầu khí quyển
và thẳng góc với tia tới. Tùy theo nguồn tài liệu mà hằng số mặt trời sẽ có một giá trị
cụ thể nào đó, các giá trị này có thể khác nhau tuy nhiên sự sai biệt không nhiều.
Trong tài liệu này ta thống nhất lấy giá trị hằng số mặt trời là 1353W/m2.
Có 2 loại bức xạ mặt trời: BXMT đến bên ngoài bầu khí quyển và BXMT đến
trên mặt đất. Trong mục này ta cần phân biệt ý nghĩa của các ký hiệu được dùng để
biểu diễn giá trị của lượng bức xạ khảo sát là G, I và H. Đơn vị của G là W/m2, đơn vị
của I và H là J/m2, trong đó thời gian tương ứng với các ký hiệu I và H lần lượt là giờ
và ngày. Khái niệm ngày trong kỹ thuật NLMT được hiểu là khoảng thời gian từ lúc
mặt trời mọc cho đến lúc mặt trời lặn.
1.1.1.2. Nguồn gốc năng lượng mặt trời
NLMT có vai trò quan trọng đối với sự tồn tại và tồn tại và phát triển của các yến
tố sự sống trên trái đất.
Trước hết, NLMT là nguồn năng lượng khổng lồ có tính tái sinh. NLMT được
sinh ra do các phản ứng nhiệt hạt nhân tổng hợp các hạt nhân đồng vị Hydro (H) để
tạo ra các hạt nhân Heli (He) liên tục xảy ra trên mặt trời . Công suất bức xạ của mặt
4
trời là 3,865.1026W, tương đương với năng lượng đốt cháy hết 1,32.1016 tấn than đá
tiêu chuẩn. Nhưng phần NLMT đến bề mặt trái đất chỉ là 17,57.1016J/s hay tương ứng
với năng lượng đốt cháy hết 6.106 tấn than đá.
Ngoài khí quyển trái đất (hay còn gọi là ngoài vũ trụ) mật độ NLMT là
1.353W/m2. Nhưng khi tới mặt đất các tia mặt trời phải đi qua lớp khí quyển trái đất
(chiều dày khoảng 16km) nên bị mất mát khoảng 30% do các hiện tượng hấp thụ, tán
xạ bởi các phân tử khí, hơi nước... của lớp khí quyển. Vì vật trên bề mặt trái đất, mật
độ bức xạ mặt trời chỉ còn khoảng 1.000W/m2. Mặc dù ở các vĩ độ khác nhau thì
NLMT khác nhau, nhưng nhìn chung NLMT phân bố khắp trên bề mặt trái đất. Ở đâu
cũng có thể khai thác và ứng dụng nguồn năng lượng này.
Bản chất của BXMT là sóng điện từ có phổ bước sóng trải từ 10-10m đến
1014m, trong đó mắt người có thể nhận biết được giải sóng có bước sóng từ 0,4 đến
0,7m và được gọi là áng sáng nhìn thấy (vùng khả kiến). Vùng bức xạ điện từ có
bước sóng nhỏ hơn 0,4m được gọi là vùng sóng tử ngoại. Còn vùng có bước sóng lớn
hơn 0,7m được gọi là vùng hồng ngoại. Do bản chất của sóng điện từ nên NLMT là
nguồn năng lượng không có phát thải, không gây ô nhiễm môi trường hay được gọi là
nguồn năng lượng sạch.
Các thành phần của BXMT trên mặt đất:
Ngoài lớp khí quyển trái đất bức xạ mặt trời chỉ có một thành phần. Đó là các tia
mặt trời đi thẳng phát ra từ mặt trời. Nhưng khi tới mặt đất, do các hiện tượng tán xạ
trong lớp khí quyển quả đất, bức xạ mặt trời bị biến đổi và gồm 3 thành phần:
- Thành phần trực xạ gồm các tia mặt trời đi thẳng từ mặt trời đến mặt đất. Nhờ
các tia trực xạ này mà ta có thể nhìn thấy mặt trời;
- Thành phần nhiễu hay tán xạ gồm các tia mặt trời tới mặt đất từ mọi phương
trên bầu trời do hiện tường tán xạ của tia mặt trời trên các phân tử khí, hơi nước, các
hạt bụi,…. Nhờ các tia tán xạ này mà chúng ta vẫn có ánh sáng ngay cả những ngày
mây mù, không thể nhìn thấy mặt trời, ở trong nhà, dưới bóng cây,…;
Tổng hai thành phần trên được gọi là tổng xạ của bức xạ mặt trời ở mặt đất. Các
Trạm Khí tượng thường đo các thành phần này nhiều lần trong một ngày và liên tục
trong nhiều năm để có số liệu đánh giá tiềm năng NLMT.
Tỷ lệ của các thành phần trực xạ và tán xạ trong tổng xạ phụ thuộc vào điều kiện
tự nhiên và trạng thái thời tiết của địa điểm và thời điểm quan sát hay đo đạc. Ví dụ ở
nước ta, trong các tháng mùa Hè, từ tháng 5 đến tháng 8, thì thành phần trực xạ chiếm
ưu thế (trên 50%), còn trong mùa Đông, từ tháng 12 đến tháng 2 năm sau thành phần
tán xạ lại chiếm ưu thế.
Thành phần phản xạ từ mặt nền ở nơi quan sát hay nơi đặt bộ thu NLMT, nó phụ
thuộc vào hệ số phản xạ của mặt nền và tổng xạ tới. Thành phần này chỉ được phân
5
biệt khi thiết kế, tính toán các bộ thu NLMT. Trong trường hợp chung nó là một phần
rất nhỏ trong thành phần bức xạ tán xạ.
1.1.2. Tổng quan các công nghệ khai thác và sử dụng năng lượng mặt trời
1.1.2.1. Quá trình phát triển và triển khai ứng dụng năng lượng mặt trời
NLMT trung bình trên bề mặt quả đất nằm trong khoảng 150 đến 300W/m2 hay
từ 3,5 đến 7,0kWh/m2 ngày.
NLMT từ lâu đã được con người khai thác sử dụng bằng các phương pháp tự
nhiên, trực tiếp và đơn giản như phơi sấy (quần áo, vật dụng; nông, lâm, hải sản; sưởi
ấm…). Tuy nhiên cách sử dụng NLMT theo các phương cách tự nhiên nói trên có hiệu
quả thấp và hoàn toàn thụ động.
NLMT có thể sử dụng dưới dạng nhiệt hay biến đổi thành điện. Điện từ mặt trời
là dạng điện năng được tạo ra khi biến đổi NLMT thành điện năng nhờ hiệu ứng quang
điện (photovoltaic effect, viết tắt PV) một cách trực tiếp, hoặc nhờ các hệ thống nhiệt
điện thông qua hiệu ứng hội tụ tia mặt trời (concentrated solar power, CSP) một cách
gián tiếp. Các hệ thống CSP sử dụng các thấu kính hay các gương hội tụ và hệ thống
“dõi theo mặt trời” (solar tracking systems) để hội tụ một diện tích lớn các tia mặt trời
vào một diện tích nhỏ hơn (gọi là điểm hay đường hội tụ). Nguồn nhiệt hội tụ này sau
đó được sử dụng để phát điện. Các hệ thống này gọi là hệ nhiệt điện mặt trời. Còn các
hệ thống PV biến đổi ánh sáng thành điện năng khi dùng hiệu ứng quang điện được
gọi là hệ thống điện PV.
Ứng dụng quan trọng đầu tiên của pin mặt trời là nguồn dự phòng (back-up) cho
về tinh nhân tạo Vanguard I vào năm 1958, nó đã cho phép truyền tín hiệu về quả đất
hơn một năm sau khi nguồn ắc qui điện hóa đã bị kiệt. Sự hoạt động thành công này
của pin mặt trời trên vệ tinh đã được lặp lại trong nhiều về tinh khác của Liên Xô và
Mỹ. Vào cuối những năm 1960, PV đã trở thành nguồn năng lượng được được sử
dụng riêng cho về tinh. PV đã có một vai trò rất quan trọng công nghệ vệ tinh thương
mại và nó vẫn giữ vị trí đó đối với hạ tầng viễn thong ngày nay.
Nhờ sự phát triển của khoa học công nghệ nên hiện nay con người đã biết khai
thác NLMT một cách hiệu quả và chủ động hơn nhờ các công nghệ hiện đại.
Nhà máy nhiệt điện mặt trời thương mại đầu tiên được xây dựng trong những
năm 1980. Nhà máy có công suất lớn nhất là 354MW xây dựng tại Sa mạc Mojave ở
California (Mỹ). Các nhà máy lớn khác như nhà máy Solnova (150MW) và Andasol
(100MW), cả hai đều ở Tây Ban Nha [4].
Những phát triển giai đoạn đầu của công nghệ năng lượng mặt trời (CN NLMT)
bắt đầu trong những năm thập niên 1980 đã được kích thích bởi sự kiện rằng than sẽ
không lâu nữa sẽ bị cạn kiệt. Tuy nhiên sự phát triển của CN NLMT sau đó bị chậm
lại vào thời gian đầu của thế kỷ 20 do phải đối mặt với các vấn đề về giá, tính kinh tế
và tính tiện dụng của than và dầu. Năm 1974 người ta đã ước tính rằng chỉ có 6 hộ ở
tất cả khu vực Bắc Mỹ sử dụng hoàn toàn năng lượng cho sưởi ấm và làm lạnh nhờ
6
các hệ thống thiết bị NLMT. Sự cấm vận dầu năm 1973 và sự khủng hoảng năng
lượng năm 1979 đã làm thay đổi chính sách năng lượng trên phạm vi thế giới và CN
NLMT lại được quan tâm thúc đẩy phát triển. Chiến lược triển khai tập trung vào các
chương trình tăng tốc như Chương trình sử dụng PV Liên Bang ở Mỹ, Chương trình
NLMT ở Nhật. Các cố gắng khác gồm có sự xây dựng các cơ sở nghiên cứu ở Mỹ
(SERI, nay là NREL), Nhật (NEDO), và Đức (Fraunhofer Institute for Solar Energy
Systems ISE).
Giữa các năm 1970 và 1983 các lắp đặt PV tăng rất nhanh, nhưng đầu những
năm 1980 do giá dầu giảm nên làm giảm nhịp độ phát triển của PV từ 1984 đến 1996.
Từ 1997, sự phát triển của PV lại được gia tốc do các vấn đề khó khăn về cung cấp
dầu và khí, do sự nóng lên của quả đất, và sự cải thiện của công nghệ sản xuất PV, dẫn
đến tính tính tế của PV trở nên tốt hơn. Sản xuất PV tăng trung bình 40%/năm từ năm
2000 và công suất lắp đặt đã đạt đến 10,6GW vào cuối năm 2007 và 14,73GW vào
năm 2008. Năm 2010 các nhà máy điện PV lớn nhất trên thế giới là Sania Power plant
ở Canada.
1.1.2.2. Tình hình ứng dụng năng lượng mặt trời trên thế giới
Tới nay, rất nhiều quốc gia đã nghiên cứu và đang ứng dụng thành công nguồn
NLMT trong nhiều lĩnh vực của đời sống. Tại Hoa Kì, các hoạt động quảng bá NLMT
diễn ra rất sôi nổi. Hàng năm, các tiểu bang ở miền đông đều mở hội nghị về năng
lượng xanh với mục đích giới thiệu công nghệ mới về các thiết bị áp dụng NLMT cho
các hộ gia đình và cơ sở kinh doanh nhỏ.
Ở Pháp, từ những năm của thập niên 60 thế kỉ trước, họ đã rất chú trọng tới việc
giải quyết thiếu hụt năng lượng cho quốc gia phát triển. Họ đã thành công trong việc
thiết kế và lắp đặt các hệ thống biến NLMT thành điện năng cung ứng cho các làng xã
có quy mô 1.000 hộ. Nhờ đó, một số quốc gia vùng Trung Mỹ đã thừa hưởng thành
tựu này vì dễ lắp ráp và chi phí tương đối rẻ.
Đan Mạch được cho là quốc gia sử dụng năng lượng hiệu quả nhất thế giới. Ở
Đan Mạch, ước tính có tới 30% các hộ sử dụng tấm thu NLMT. Đan Mạch là nước
đầu tiên triển khai cơ chế buộc các nhà máy điện lớn phải mua điện xanh từ các địa
phương với giá cao (Feed - in tariff - FIT). Với cơ chế này, các địa phương hào hứng
sản xuất điện xanh. Mô hình đã được 30 nước áp dụng như: Đức, Tây Ba Nha, Nhật
Bản… Đức trở thành nước dẫn đầu thị trường PV thế giới (chiến 45%) kể từ khi điều
chỉnh lại hệ thống giá điện (Feed-in tariff) như là một phần của Chương trình “Hành
động nguồn năng lượng tái tạo” (Renewable Energy Sources Act). Công suất lắp đặt
PV đã tăng từ 100MW năm 2000 lên gần 4150MW vào cuối năm 2007 (bảng 1.5). Sau
năm 2007, Tây Ban Nha trở thành nước có sự phát triển sôi động nhất. Các nước Pháp,
Italy, Hàn Quốc và Mỹ cũng đã tăng công suất lắp đặt lên rất nhanh trong các năm mới
đây nhờ các chương trình kích thích và các điều kiện thị trường địa phương. Các
7
nghiên cứu mới đây đã cho thấy rằng, thị trường PV thế giới được dự báo vượt quá
16GW vào năm 2010.
Bảng 1.1. Các nước có nhà máy điện từ pin mặt trời cỡ lớn
(công suất trên 1MWp).
Tổng công suất
STT
Tên nước
Thị phần (%)
(MWp)
1.
Đức
400
45
2.
Tây Ban Nha
245
28
3.
Mỹ
142
16
4.
Italy
17
2
5.
Nhật Bản
17
2
6.
Hàn Quốc
13
2
7.
Bồ Đào Nha
12
1,5
8.
Hà Lan
9
1
9.
Thụy Sỹ
5
1
10.
Bỉ
3
0,5
11.
12.
13.
14.
15.
Úc
Trung Quốc
Áo
Cộng hòa Séc
Philipines
16.
Réunion
2
2
1,5
1,4
1,1
0,5
0,2
0,2
0,2
1
0,1
0,1
Ở Trung Quốc, sự hưởng ứng mang tính tự phát của người dân trong việc lắp đặt
các tấm thu NLMT cũng đang đưa nước này vượt qua Đức trở thành thị trường tấm
thu NLMT lớn nhất thế giới. Trung Quốc cũng đã ban hành luật năng lượng tái tạo
(năm 2005), tạo cơ sở cho các hoạt động về dạng năng lượng này trở nên sôi nổi hơn.
Cho tới cuối năm 2005, tổng công suất lắp đặt các hệ thống cung cấp nước nóng
bằng NLMT trên toàn thế giới vào khoảng 88GWth, trong đó phần lớn được lắp đặt ở
Trung Quốc và các nước thuộc khối EU. Đặc biệt trong những năm gần đây, tốc độ lắp
đặt các hệ thống nước nóng NLMT ở các nước đứng đầu trong bảng 1.4 dưới đây gia
tăng rất đáng kể (1m2 collector có thể được qui đổi thành 0,7kWth).
8
Bảng 1.2.Các số liệu về hệ thống cung cấp nước nóng bằng năng
lượng mặt trời đã lắp đặt tại một số nước.
Công suất đã lắp đặt,
Nước
Diện tích collector (106 m2)
GWth
Trung Quốc
79,3
55,5
EU
Thổ Nhĩ Kỳ
Nhật Bản
Israel
Brazil
Mỹ
16
8,1
7,2
4,7
2,3
2,3
11,2
5,7
5
3,3
1,6
1,6
Bảng 1.3. Các nhà máy điện mặt trời PV lớn nhất thế giới (trên 50MW)
Công suất DC
TT
Nhà máy PV
Ghi chú
cực đại (MW)
Đã được xây dựng
1 Sarnia PV Power Plant (Canada)
97
2009-2010
Đã được xây dựng
2 Montalto di Castro PV Station (Italy)
84,2
2009-2010
Pha 1 hoàn thành
3 Finsterwalde Solar Park (Đức)
80,7
2009, pha 2 và 3,
2010
4 Rovigo PV Power Plant (Italia)
70
Hoàn thành 11/2010
5 Olmedilla PV Park (Tây Ban Nha)
60
Hoàn thành 9/2008
6 Strasskirchen Solar Park (Đức)
54
7 Lieberose PV Park (Đức)
53
Hoàn thành 2009
8 Puertollano PV Park (Tây Ban Nha)
50
Khởi công 2008
Từ bảng 1.3 có thể thấy, các nước thi đua khai thác nguồn năng lượng vô tận từ
mặt trời. Về mức độ khai thác và sử dụng NLMT, Việt Nam chỉ đang xếp hạng xấp xỉ
với Lào hoặc ở mức gần bằng với Campuchia.
Các nhà máy nhiệt điện mặt trời thương mại (CSP) đã được xây dựng lần đầu
tiên vào những năm 1980. Tháp NLMT PS10, 11MW ở Tây Ban Nha, đã hoàn thành
vào cuối năm 2005, là hệ CSP thương mại đầu tiên ở Châu Âu và một nhà máy khác
công suất 300MW được chờ đợi sẽ xây dựng vào năm 2013 cùng tại vị trí đó. Ngoài ra
nhà máy Ivanpah Solar Power ở Đông Nam California gần biên giới Nevada được chờ
đợi có công suất 392MW.
Công suất lắp đặt pin mặt trời trên toàn thế giới đến năm 2007 là 10.300MWp.
Đức hiện đang dẫn đầu với 3.862MWp. Trong đó, WP (watt-peak) là công suất điện
9
một chiều của pin mặt trời được đo đạc trong các điều kiện tiêu chuẩn (với cường độ
sáng: 1000 W/m2, nhiệt độ môi trường: 250C, quang phổ của nguồn sáng thử nghiệm
phải tương tự như quang phổ của BXMT tương ứng với hệ số khối lượng không khí là
1,5) (bảng 1.4).
Bảng 1.4. Các nhà máy điện từ pin mặt trời lớn nhất thế giới
STT Công suất (MWp)
Thành phố
Quốc gia
1.
20
Jumilla (Murcia)
Tây Ban Nha
2.
20
Beneixama (Alicante)
Tây Ban Nha
3.
14
Nellis, NV
Mỹ
4.
13,8
Salamanca
Tây Ban Nha
5.
12,7
Lobosillo (Murcia)
Tây Ban Nha
6.
12
Erlasee (Arnstein)
Đức
7.
11
Serpa (Alentejo)
Bồ Đào Nha
8.
10,35
Bradis
Đức
9.
10
Porkinh
Đức
10.
9,55
Milagro
Tây Ban Nha
11.
8,76
Viana (Navarra)
Tây Ban Nha
12.
8,4
Gottelbom
Đức
13.
8,22
San Luis Valley
Mỹ
14.
6,3
Muhkhausen
Đức
15.
6,277
Aldea del Conde
Tây Ban Nha
(Extremmadura)
16.
6
Olmedilla (Castilla la Mancha)
Tây Ban Nha
17.
6
Doberschutz
Đức
18.
5,8
Darro (Granada)
Tây Ban Nha
19.
5,568
Oberottmarshausen
Đức
20.
5,27
Miegersbach
Nhật Bản
21.
5,21
Kameyama
Đức
22.
5,076
Kleinaitingen
Đức
23.
5,04
Alvarado
Tây Ban Nha
Từ giữa các năm 1990 các nước dẫn đầu trong lĩnh vực PV đã dịch từ Mỹ sang
Nhật Bản và Châu Âu. Trong các năm 1992 - 1994 Nhật Bản đã tăng nguồn cung cấp
kinh phí cho các hoạt động R&D, đã xây dựng hướng dẫn về ĐMT nối lưới và đã đưa
vào một chương trình bù giá cho ĐMT, và do đó đã thúc đẩy sự lắp đặt các hệ thống
PV cho khu dân cư. Kết quả là, sản xuất trên thế giới đã tăng 30% trong các năm cuối
của thập kỷ 1990.
Các hệ PV cho dân sự (domestic) thường được tính công suất theo đơn vị
kilowatt-peak, kWp (thông thường nằm trong dải từ 1 đến 10kWp).Mặc dù tiềm năng
10
NLMT rất lớn. Tuy nhiên, đến năm 2008 nó mới chỉ cung cấp được dưới 0,02% tổng
nhu cầu năng lượng của nhân loại.
Một vấn đề quan trọng với ĐMT là chi phí lắp đặt còn cao, mặc dù chi phi đó đã
giảm nhiều so với các thập niên trước đây. Đặc biệt các nước đang phát triển có thể
không có đủ quĩ tài chính để xây dựng các nhà máy PV, mặc dù các ứng dụng qui mô
nhỏ hiện nay đã có thể thay thế các nguồn khác trong các nước đang phát triển.
1.2. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA PIN MẶT TRỜI
1.2.1. Cấu tạo của pin mặt trời
Cấu tạo bằng 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
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 .
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,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.
11
Cấu tạo pin MặtTrời
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.
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
mạchcủa nó khi bức xạ mặt trời có cường độ 1000W/m2 vào khoảng 25 – 30 mA/cm2.
1.2.2. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời
1.2.2.1. Hiện tượng 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 1.1. 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
12
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 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 1.2. Hệ 2 mức năng lượng
Khi nhận bức xạ mặt trời, photon có năng lượng hv tới hệ thống và bị điện tử
ởvùng 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)
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
mặt của Ev, quá trình phục hồi chỉ xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn 10-12 - 10-1
giây và gây ra dao động mạnh (photon). Năng lượng bị tổn hao do quá trình phục hồi
sẽ là:
Eph = hv–Eg (1.4)
Tóm lại khi vật rắn nhận tia bức xạ mặt trời, điện tử ở vùng hóa trị hấp thụ năng
lượng photon hv và chuyển lên vùng dẫn và tạo ra cặp hạt dẫn điện tử - lỗ trống e- h+, tức là đã tạo ra một hiệu điện thế. Hiện tượng đó gọi là hiệu ứng quang điện bên
trong.
- Xem thêm -
.PDF 
84 
52 
149 
