TÓM TẮT
Với hạ tầng giao thông hiện tại của Việt Nam, do tính chất thiếu đồng bộ trong
công tác lập kế hoạch xây dựng cơ sở hạ tầng giữa xây dựng đƣờng sá và các công
trình ngầm phụ trợ khác nên việc lắp đặt một hệ thống đén tín hiệu giao thông truyền
thống có nguy cơ tạo ra hiện tƣợng kẹt xe vì các hoạt động thi công phục vụ cho việc
lắp đặt đó. Tác giả đề xuất việc nghiên cứu một hệ thống đèn tín hiệu mới sử dụng pin
năng lƣợng mặt trời để cung cấp năng lƣợng cho hệ thống cùng với việc áp dụng công
nghệ truyền dẫn tín hiệu không dây nhƣ một giải pháp cho các vấn đề hiện tại. Hệ
thống đƣợc đề xuất có nhiều ƣu điểm so với hệ thống truyền thống nhƣ:
- Sử dụng nguồn năng lƣợng sạch và thân thiện với môi trƣờng
- Các thiết bị an toàn và có vòng đời sử dụng dài
- Hạn chế tối đa sự cản trở giao thông trong quá trình đào đƣờng để lắp đặt hệ
thống
- Chi phí thấp hơn rõ rệt so với hệ thống truyền thống (chi phí vận hành, chi phí
năng lƣợng và chi phí lắp đặt)
Trong đề tài nghiên cứu này, tác giả thực hiện đánh giá đầy đủ về phƣơng pháp
ứng dụng năng lƣợng mặt trời và công nghệ không dây trong hệ thống đèn tín hiệu
giao thông để giải quyết vấn đề xây dựng hạ tầng giao thông, đồng thời chứng minh sự
khả thi và hiệu quả của một hệ thống nhƣ vậy trong hoàn cảnh của thành phố Đà
Nẵng, đặc biệt với trƣờng hợp của nút giao Nguyễn Văn Linh - Nguyễn Hữu Thọ.
Từ khóa: Hệ thống đèn tín hiệu giao thông, năng lượng mặt trời, công nghệ truyền
dẫn không dây
ABTRACT
In current Vietnam transportation infrastructure, because of the asynchronous in
infrastructure planning between road construction and underground facilities
construction, installing a new traditional traffic light system creates significant amount
of traffic jams due to underground works needed for such installation. The author
propose the study of a new traffic light system in which exploit the use of solar panels
powered LED traffic light system together with wireless signal transmission
technology as a solution for such situation. This proposed system has many advantages
compared to the traditional one such as:
- Clean and environment friendly energy source
- Safe and long life cycle equipments
- Minimum amount of traffic disruptions during installation due to road drilling
- Significant lower cost compared to traditional system (operation cost, power
supply and installation cost)
In this study, the author conduct a comprehensive evaluation on the method of
using solar energy and wireless technology in traffic light system to solve problems in
traffic infrastructures and prove the feasibility and effectiveness of such systems in Da
Nang city situation, especially with the study case of Nguyen Van Linh - Nguyen Huu
Tho intersection.
Key words: traffic light system, solar power, wireless signal transmission
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
MỤC LỤC
DANH MỤC CAC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN NĂNG LƢỢNG MẶT
TRỜI VÀ CÁC GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƢỢNG TRONG HỆ
THỐNG ĐÈN TÍN HIỆU GIAO THÔNG ..................................................................3
1.1. HỆ THỐNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI .............................................................. 3
1.1.1. Nguồn năng lƣợng mặt trời .............................................................................3
1.1.2. Tiềm năng năng lƣợng mặt trời tại Việt Nam và Đà Nẵng ............................. 3
1.1.3. Bức xạ mặt trời................................................................................................ 5
1.1.4. Giải pháp pin năng lƣợng mặt trời ................................................................ 11
1.2. CÁC GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƢỢNG TRONG ĐIỀU KHIỂN GIAO
THÔNG BẰNG ĐÈN TÍN HIỆU .................................................................................17
1.2.1. Hệ thống điều khiển giao thông bằng đèn tín hiệu .......................................17
1.2.2. Giải pháp tiết kiệm năng lƣợng trong điều khiển giao thông sử dụng đèn
LED ............................................................................................................................... 18
1.2.3. Giải pháp tiết kiệm năng lƣợng trong điều khiển giao thông sử dụng hệ
thống điều khiển không dây .......................................................................................... 20
1.2.4. Giải pháp tiết kiệm năng lƣợng trong điều khiển giao thông sử dụng các
mức năng lƣợng khi nguồn cung cấp suy giảm ............................................................. 22
1.3. KẾT LUẬN ...........................................................................................................24
CHƢƠNG 2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI KẾT HỢP ĐIỀU
KHIỂN KHÔNG DÂY CẤP NGUỒN CHO HỆ THỐNG ĐÈN TÍN HIỆU
GIAO THÔNG TẠI THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG ....................................................... 25
2.1. HIỆN TRẠNG HỆ THỐNG ĐÈN TÍN HIỆU GIAO THÔNG VÀ CẢNH
BÁO GIAO THÔNG TẠI THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG..................................................25
2.1.1 Hệ thống các tủ và nút đèn tín hiệu đƣợc kết nối về điều khiển trung tâm ...25
2.1.2. Hệ thống các nút đèn tín hiệu điều khiển giao thông độc lập ....................... 26
2.1.3. Hệ thống các nút đèn cảnh báo nháy vàng với ứng dụng năng lƣợng mặt
trời .................................................................................................................................27
2.2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI KẾT HỢP ĐIỀU KHIỂN KHÔNG
DÂY CUNG CẤP NGUỒN NÚT ĐÈN TÍN HIỆU GIAO THÔNG NGUYỄN
VĂN LINH – NGUYỄN TRI PHƢƠNG ......................................................................28
2.2.1. Nút giao Nguyễn Văn Linh – Nguyễn Tri Phƣơng .......................................28
2.2.2. Lựa chọn mô hình ......................................................................................... 31
2.2.3. Lựa chọn hệ thống đèn LED .........................................................................32
2.2.4. Thiết kế hệ thống điều khiển không dây ....................................................... 41
2.2.5. Tính toán phụ tải cho hệ thống .....................................................................45
2.2.6. Tính toán lựa chọn pin mặt trời ....................................................................47
2.2.7. Tính toán hệ thống ắc quy và bộ điều khiển sạc ...........................................50
2.3. KẾT LUẬN ...........................................................................................................52
CHƢƠNG 3. ĐÁNH GIÁ HIỆU CỦA GIẢI PHÁP DÙNG PIN MẶT TRỜI
KẾT HỢP ĐIỀU KHIỂN KHÔNG DÂY CUNG CẤP NGUỒN CHO HỆ
THỐNG ĐÈN TÍN HIỆU VÀ ĐÈN CẢNH BÁO GIAO THÔNG SO VỚI
GIẢI PHÁP CẤP NGUỒN ĐIỆN LƢỚI ..................................................................53
3.1. DỰ TOÁN THEO GIẢI PHÁP CUNG CẤP NGUỒN BẰNG ĐIỆN LƢỚI
TẠI NÚT GIAO THÔNG NGUYỄN VĂN LINH – NGUYỄN TRI PHƢƠNG .........53
3.1.1. Tổng hợp dự toán phƣơng án cấp nguồn điện lƣới nút THGT Nguyễn
Văn Linh – Nguyễn Tri Phƣơng .................................................................................... 54
3.1.2. Tổng hợp chi phí xây dựng công trình .......................................................... 55
3.1.3. Bảng dự toán hạng mục xây dựng công trình ...............................................56
3.2. DỰ TOÁN THEO GIẢI PHÁP CUNG CẤP NGUỒN BẰNG HỆ THỐNG
PIN MẶT TRỜI KẾT HỢP ĐIỀU KHIỂN KHÔNG DÂY NÚT GIAO THÔNG
NGUYỄN VĂN VINH – NGUYỄN TRI PHƢƠNG ................................................... 60
3.2.1. Tổng hợp dự toán công trình.........................................................................61
3.2.2. Tổng hợp chi phí xây dựng công trình .......................................................... 62
3.2.3. Bảng dự toán hạng mục xây dựng công trình ...............................................63
3.3. ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KINH TẾ TỪ KẾT QUẢ SO SÁNH HAI PHƢƠNG
ÁN .................................................................................................................................67
3.3.1. Hiệu quả tiết kiệm năng lƣợng ......................................................................67
3.3.2. Hiệu quả kinh tế ............................................................................................ 67
3.4. KẾT LUẬN ...........................................................................................................67
CHƢƠNG 4. KẾT LUẬN ........................................................................................... 69
4.1. KẾT LUẬN ............................................................................................................69
4.2. KIẾN NGHỊ ............................................................................................................69
4.3. HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ..................................................................69
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao)
DANH MỤC CAC BẢNG
Số hiệu
bảng
1.1.
1.2.
1.3.
1.4.
1.5.
1.6.
2.1.
2.2.
2.3.
2.4.
2.5.
2.6.
2.7.
2.8.
2.9.
2.10.
2.11.
2.12.
2.13.
2.14.
2.15.
2.16.
2.17.
2.18.
2.19.
2.20.
Tên bảng
Bảng số liệu năng lƣợng mặt trời trên các vùng l nh thổ Việt
Nam
Bảng số liệu về bức xạ mặt trời trung bình tại một số địa
phƣơng
Bảng giá trị δ, n tƣơng ứng theo ngày
Bảng số liệu phân bố bức xạ mặt trời theo bƣớc sóng
Bảng thông số kỹ thuật các loại đèn
Bảng so sánh các thông số các loại đèn
Chu kỳ phân pha đèn tín hiệu tại nút Nguyễn Văn Linh –
Nguyễn Tri Phƣơng
Bảng thông số tầm nhìn đèn đối với tốc độ
Bảng tiêu chuẩn lắp đặt trụ đối với lòng đƣờng
Thông số kỹ thuật bộ đèn X-V-Đ D300
Thông số kỹ thuật bộ đèn đi bộ X-Đ D200
Thông số kỹ thuật bộ đèn đếm lùi D450
Thông số kỹ thuật bộ đèn chữ thập D300
Thông số kỹ thuật bộ đèn mũi tên rẽ phải
Thông số kỹ thuật đèn nháy vàng D300
Bảng trạng thái hoạt động của các thiết bị từ 6 giờ - 22 giờ
Bảng trạng thái hoạt động của các thiết bị từ 22 giờ đến 6 giờ
sáng hôm sau
Bảng tổng công suất tiêu thụ điện tại các vị trí trụ đèn
Bảng tính lƣợng điện (Wh) tại các tấm pin mặt trời cung cấp
cho toàn tải mỗi ngày
Bảng thông số panel loại 110W
Bảng thông số panel loại 240W
Bảng thông số panel loại 290 W
Bảng thông số cơ bản của 3 loại panel
Bảng thông số bộ điều khiển sạc
Bảng thông số công suất chọn ắc quy
Bảng thông số của 3 loại ắc quy
Trang
4
4
6
7
19
20
30
33
34
38
39
39
40
40
41
45
46
47
48
48
49
49
50
51
52
52
DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hiệu
hình
1.1.
1.2.
1.3.
1.4.
1.5.
1.6.
1.7.
1.8.
2.1.
2.2.
2.3.
2.4.
2.5.
2.6.
2.7.
2.8.
2.9.
2.10.
2.11.
2.12.
2.13.
2.14.
2.15.
2.16.
2.17.
Tên hình
Trang
Sơ đồ cấu tạo hệ thống pin năng lƣợng mặt trời
Mô hình một hệ thống điện năng lƣợng mặt trời
Cấu tạo đèn Led
Mô hình hệ thống đèn tín hiệu giao thông kết nối không dây
Bố trí các loại đèn tín hiệu trên trụ
Đèn THGT ba màu 3x300
Mô phỏng chế độ tiết kiệm điện trên đèn tín hiệu
Cấu tạo mạch đèn Led trong hộp đèn tín hiệu
Mô hình cấu trúc hệ thống điều khiển tín hiệu giao thông tại
thành phố Đà Nẵng
Hệ thống đèn cảnh báo (nháy vàng) sử dụng năng lƣợng mặt
trời
Vị trí nút giao Nguyễn Văn Linh – Nguyến Tri Phƣơng
Mặt bằng tổng thể nút giao Nguyễn Văn Linh – Nguyễn Tri
Phƣơng
Mô phỏng phƣơng án tổ chức giao thông (bằng phần mềm
Vissim)
Mặt bằng bố trí thiết bị đèn tín hiệu điều khiển giao thông tại
nút giao Nguyễn Văn Linh – Nguyễn Tri Phƣơng theo phƣơng
án ứng dụng Pin mặt trời kết hợp điều khiển không dây
Sơ đồ chuyển đổi năng lƣợng của hệ thống pin năng lƣợng mặt
trời
Mô hình bố trí thiết bị hệ thống điều khiển không dây kết hợp
Pin mặt trời
Các loại đèn THGT theo quy chuẩn 41:2016/BGTVT
Trụ đèn chính hƣớng Nguyễn Văn Linh
Trụ đèn ngƣời đi bộ hƣớng Nguyễn Văn Linh
Trụ đèn chính hƣớng Nguyễn Hữu Thọ
Trụ ngƣời đi bộ hƣớng Nguyễn Hữu Thọ
Trụ chính hƣớng Sân bay
Trụ ngƣời đi bộ hƣớng Sân bay
Trụ chính hƣớng Nguyễn Tri Phƣơng
Tủ điều khiển không dây
12
16
18
21
22
23
23
24
25
27
28
29
29
30
31
32
33
35
35
36
36
37
37
38
42
Số hiệu
hình
Tên hình
Trang
3.1.
Mặt bằng bố trí hệ thống đèn tín hiệu điều khiển giao thông tại
nút giao Nguyễn Văn Linh – Nguyễn Tri Phƣơng theo phƣơng
án cấp nguồn từ điện lƣới
53
1
MỞ ĐẦU
Hệ thống đèn tín hiệu điều khiển giao thông là hệ thống đèn đƣợc sử dụng để
hƣớng dẫn điều khiển các phƣơng tiện tham gia giao thông tại các giao lộ có lƣu lƣợng
giao thông phức tạp. Đây là một hệ thống quan trọng không chỉ đảm bảo an toàn cho
con ngƣời và các phƣơng tiện mà còn giúp giảm ùn tắc giao thông, đảm bảo an toàn
giao thông.
Trƣớc tình hình số lƣợng phƣơng tiện tham gia giao thông ngày càng lớn, hệ
thống hạ tầng giao thông ngày càng phức tạp đ dẫn đến tình trạng ùn tắc và tai nạn
giao thông xảy ra ngày càng gia tăng. Vì vậy để đảm bảo giao thông đƣợc an toàn và
thông suốt thì việc sử dụng hệ thống đèn tín hiệu để điều khiển và phân luồng giao
thông tại các nút giao thông là rất cần thiết. Tuy nhiên, trƣớc tình hình kinh tế của đất
nƣớc, thực trạng hạ tầng giao thông và phƣơng án đầu tƣ xây dựng hệ thống đèn tín
hiệu điều khiển giao thông nhƣ hiện nay thì việc triển khai xây dựng một hệ thống đèn
tín hiệu điều khiển giao thông hoàn chỉnh cũng là một khó khăn rất lớn.
Về cơ bản, khi xây dựng hệ thống, hệ thống phải hoạt động liên tục 24h/24h,
trong quá trình thi công phải hạn chế đào xới, khoan cắt lòng lề đƣờng và trong một số
trƣờng hợp cấp thiết hệ thống phải có khả năng ứng cứu kịp thời để điều tiết, phân
luồng giao thông (hệ thống linh động, cơ động). Tuy nhiên với việc đầu tƣ xây dựng
hạ tầng giao thông không đồng bộ nhƣ hiện nay (đƣờng có trƣớc, đèn tín hiệu có sau)
thì việc đào xới, khoan cắt lòng đƣờng, vỉa hè là điều không tránh khỏi. Bên cạnh đó
nguồn điện lƣới cung cấp hoạt động không ổn định cũng là vấn đề làm ảnh hƣởng đến
hoạt động của hệ thống, ảnh hƣởng đến an toàn giao thông.
Vì vậy cần có những nghiên cứu ứng dụng nguồn năng lƣợng tại chỗ kết hợp với
công nghệ truyền tín hiệu điều khiển không dây trong hệ thống đèn tín hiệu điều khiển
giao thông để giải quyết các bất cập nêu trên.
Với sự phát triển của công nghệ đèn LED và mạch tích hợp công suất nhỏ dùng
trong hệ thống đèn tín hiệu giao thông, đèn cảnh báo giao thông phƣơng thức cung cấp
nguồn điện cấp bằng ứng dụng pin năng lƣợng mặt trời mang đến nhiều ƣu điểm:
- Nguồn năng lƣợng sạch, phong phú và thân thiện với môi trƣờng (Ở thành phố
Đà Nẵng cƣờng độ bức xạ mặt trời có thể đạt đến 960W/m2, số giờ nắng bình quân
2200h/1 năm)
- An toàn (12VDC), tăng tuổi thọ thiết bị, thi công nhanh.
- Hạn chế khoan cắt đƣờng, đào xới vỉa hè, để xây dựng hạ tầng cống bể, giảm
phá vỡ cảnh quan, hƣ hỏng hạ tầng xây dựng trƣớc đó tránh gây ách tắc giao thông…
trong quá trình triển khai thi công hạ tầng kỷ thuật.
- Tại một nút đèn tín hiệu giao thông với lƣợng công suất tiêu thụ nhỏ, các thiết
bị lại bố trí đơn lẻ, nên chi phí mua sắm và lắp đặt nguồn năng lƣợng mặt trời để cung
2
cấp nguồn điện cho các thiết bị từ nguồn (ắc quy, tấm pin) thấp hơn đáng kể so với chi
phí để cấp nguồn bằng điện lƣới (chi phí điện năng, xây dựng cống, bể, dây dẫn, khoan
cắt đƣờng)
- Kinh phí đầu tƣ xây dựng một hệ thống dùng pin năng lƣợng mặt trời tại chỗ
kết hợp với việc truyền tín hiệu điều khiển không dây trong hệ thống đèn tín hiệu điều
khiển giao thông và đèn cảnh báo giao thông thấp hơn nhiều so với kinh phí đầu tƣ xây
dựng theo phƣơng pháp xây dựng cống bể đi dây truyền thống .
Đó cũng chính là lý do tác giả chọn đề tài nghiên cứu “Ứng dụng pin mặt trời
cấp nguồn điện cho hệ thống đèn tín hiệu và đèn cảnh báo giao thông”
3
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI VÀ CÁC
GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƢỢNG TRONG HỆ THỐNG ĐÈN TÍN
HIỆU GIAO THÔNG
1.1. HỆ THỐNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI
1.1.1. Nguồn năng lƣợng mặt trời
Mặt trời là một ngôi sao trung bình với đƣờng kính 1,36 triệu km và ở cách Trái
đất khoảng 150 triệu km. Phản ứng nhiệt hạch tổng hợp các hạt nhân đồng vị Hydro
(H) để tạo ra các hạt nhân Heli (He) cung cấp nguồn năng lƣợng bức xạ khổng lồ ra vũ
trụ và là nguồn gốc của các loại năng lƣợng tái tạo trên trái đất nhƣ năng lƣợng gió,
năng lƣợng nƣớc, năng lƣợng sinh khối…
Mỗi giây công suất bức xạ của mặt trời lên tới là 3,865.
W, tƣơng đƣơng
với năng lƣợng đốt cháy hết 1,32.
tấn than đá tiêu chuẩn. Nhƣng phần năng lƣợng
mặt trời đến bề mặt trái đất chỉ là 17,57.
J/s hay tƣơng ứng với năng lƣợng đốt
cháy hết 6.
tấn than đá.
Mật độ năng lƣợng mặt trời đến trái đất (Hằng số mặt trời - Solar Constant )
đƣợc hiểu là lƣợng bức xạ mặt trời nhận đƣợc trên bề mặt có diện tích 1m2 đặt bên
ngoài bầu khí quyển và thẳng góc với tia tới. Hằng số mặt trời có giá trị sai khác
không đáng kể dựa nên nhiều nguồn tài liệu khác nhau, vì vậy sẽ đƣợc lấy thống nhất
là 1353W/m2.
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 tƣợng hấp thụ, tán xạ bởi các
phân tử khí, hơi nƣớc... 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 năng lƣợng mặt
trời khác nhau, nhƣng nhìn chung năng lƣợng mặt trời phân bố khắp trên bề mặt trái
đất.
Với khối lƣợng lên đến 2.
tấn, về lý thuyết mặt trời có khả năng cung cấp
năng lƣợng đến hàng tỷ năm. Theo tính toán, chỉ với một hiệu suất chuyển đổi là 10%
và trên một diện tích 700 x 700km ở sa mạc Sahara thì đ có thể đáp ứng đƣợc nhu cầu
năng lƣợng trên toàn thế giới và thay thế các nguồn năng lƣợng hiện có nhƣ năng
lƣợng hóa thạch, năng lƣợng nƣớc, năng lƣợng nguyên tử.
1.1.2. Tiềm năng năng lƣợng mặt trời tại Việt Nam và Đà Nẵng
L nh thổ Việt Nam trải dài từ vĩ tuyến khoảng 80 Bắc đến 230 Bắc và nằm trong
vành đai nhiệt đới nên có nguồn năng lƣợng mặt trời khá dồi dào.
Để đánh giá tiềm năng năng lƣợng mặt trời thƣờng ngƣời ta dùng 2 đại lƣợng, đó
là
t đ năng lượng mặt trời trung b nh ngày (chính là tổng xạ và đo bằng đơn vị
Wh/m2.ngày hay kWh/m2.ngày) và số giờ n ng trung b nh năm (đo bằng giờ/năm).
4
Tính trung bình cho cả nƣớc thì m t đ nănglượng mặt trời trung b nh ngày là
4,5kWh/m2.ngày và số giờ n ng trung b nh năm khoảng 2000 giờ/năm. Tùy theo vị
trí địa lý mà năng lƣợng mặt trời trên các vùng l nh thổ khác nhau cũng khác nhau.
Bảng 1.1. Bảng số liệu năng lượng mặt trời tr n các v ng l nh th iệt am
SỐ GIỜ NẮNG
MẬT ĐỘ NL
STT
KHU VỰC
TRUNG BÌNH
(kWh/m2.ngày)
(giờ/năm)
1
Khu vực Đông Bắc
3,3 - 4,1
1500 - 1800
2
Khu vực Tây Bắc
4,1 - 4,9
1890 - 2102
3
Khu vực Bắc Trung Bộ
4,6 - 5,2
1700 - 2000
4
Khu vực Nam Trung bộ, Tây Nguyên
4,9 - 5,7
2000 - 2600
5
Khu vực Nam bộ
4,3 - 4,9
2200 - 2500
Trung bình cả nƣớc
4,6
2000
Bảng 1.2. Bảng số liệu về bức xạ mặt trời trung b nh tại m t số địa phương
Địa phương
1
Việt Trì
2,42
Lào Cai
2,37
Yên Bái
2,16
Tuyên Quang 2,37
Cao Bằng 2,25
Phú Thọ
2,42
Lai Châu
3,29
Hòa Bình 2,62
Hà Nội
2,24
Đà Nẵng
3,07
Bình Định 3,16
Gia Lai
4,28
Kon Tum 4,10
Đắc Lắc
4,07
Quảng Ng i 2,86
Nha Trang 4,66
Tp. HCM 4,65
Sóc Trăng 4,81
TB
năm
Tháng
2
2,45
2,77
2,58
2,39
2,45
3,45
3,83
2,66
2,40
3,27
4,06
5,15
4,98
4,82
3,78
5,29
5,19
5,35
3
2,68
3,42
3,13
2,70
3,04
2,67
3,58
2,94
2,53
4,55
4,99
5,51
5,53
5,06
4,68
5,69
5,43
5,54
4
3,61
4,29
4,59
3,40
4,07
3,60
5,43
3,81
3,46
5,09
5,93
5,66
5,74
5,23
5,68
5,91
5,45
5,55
5
5,25
5,01
4,44
5,00
5,42
5,24
5,32
5,00
5,23
5,27
5,93
5,51
5,32
4,73
5,87
5,90
4,79
4,49
6
4,85
4,61
4,68
4,25
5,35
4,85
4,48
4,53
5,31
5,81
5,76
4,96
4,59
4,45
5,83
5,66
4,76
4,28
7
5,21
4,60
4,68
4,97
5,90
5,21
4,54
4,86
5,59
5,77
5,55
4,71
4,26
4,24
5,74
5,66
4,34
4,53
8
4,80
4,57
4,59
4,80
5,85
4,79
4,73
4,56
5,10
5,42
5,80
4,57
4,45
4,21
5,75
5,51
4,78
4,50
9
4,86
4,39
3,84
4,70
5,19
4,82
4,81
4,36
4,79
4,91
5,35
4,48
4,1
3,97
5,33
4,92
4,42
4,35
10
4,20
3,45
3,05
3,91
4,16
4,20
4,12
4,04
4,18
3,52
4,07
4,45
4,55
3,91
3,99
4,42
4,40
4,22
11
3,35
2,82
2,19
3,11
3,22
3,35
3,46
3,21
3,45
2,89
3,02
3,84
3,85
3,61
2,88
4,04
4,31
4,44
12
2,80
2,32
2,49
2,52
2,77
2,77
3,12
2,73
2,97
3,07
2,80
3,80
3,67
3,54
2,71
4,15
4,28
4,44
3,86
3,72
3,54
3,70
4,15
3,87
4,12
3,78
3,93
4,43
4,70
4,79
4,61
4,32
4,60
5,15
4,73
4,71
5
Nhƣ vậy, tại khu vực từ Đà Nẵng trở vào cho đến cực nam đất nƣớc có tiềm năng
năng lƣợng mặt trời rất cao và phân bố khá đồng đều với lƣợng bức xạ bình quân nhận
đƣợc trong mỗi ngày ít thay đổi trong cả năm. Vì vậy việc khai thác, ứng dụng năng
lƣợng mặt trời nói chung ở khu vực miền Nam sẽ mang đến hiệu quả cao và thuận lợi
hơn so với phía Bắc.
1.1.3. Bức xạ mặt trời
Có 2 loại bức xạ mặt trời: bức xạ mặt trời đến bên ngoài bầu khí quyển và bức xạ
mặt trời đến trên mặt đất. Trong mục này ta cần phân biệt ý nghĩa của các ký hiệu
đƣợc dùng để biểu diễn giá trị của lƣợng 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 tƣơng ứng với các ký hiệu I và H
lần lƣợt là giờ và ngày. Khái niệm ngày trong kỹ thuật năng lƣợng mặt trời đƣợc hiểu
là khoảng thời gian từ lúc mặt trời mọc cho đến lúc mặt trời lặn.
1.1.3.1. Bức xạ mặt trời đến b n ngoài bầu khí quyển
Nói chung, bức xạ mặt trời đến bên ngoài bầu khí quyển (Extra Terrestrial Solar
Radiation) có giá trị khá ổn định ứng với một vị trí khảo sát cụ thể và có phƣơng rất rõ
ràng, đó là đƣờng nối từ mặt trời đến vị trí khảo sát. Các khảo sát thực tế cho thấy - về
mặt giá trị - bức xạ mặt trời đến bên ngoài bầu khí quyển cũng có những biến đổi nhẹ.
Có 2 lý do gây ra sự biến đổi này: sự biến đổi lƣợng bức xạ xuất phát từ mặt trời
do các hiện tƣợng diễn ra trong nội bộ mặt trời và sự biến đổi của khoảng cách từ mặt
trời đến Trái đất. Các nghiên cứu cho thấy, lý do thứ nhất chỉ gây ảnh hƣởng tối đa
không quá ±1,5% , còn lý do thứ hai có thể gây ảnh hƣởng đến ±3%. Tuy vậy, do
nhiều nguyên nhân khác nhau, đặc biệt là do sự khó khăn và phức tạp của hiện tƣợng,
các kết quả nghiên cứu về mức độ gây ảnh hƣởng của lý do thứ nhất không hoàn toàn
giống nhau. Đối với các bài toán kỹ thuật, có thể xem cƣờng độ bức xạ phát ra từ mặt
trời là ổn định và bức xạ mặt trời đến bên ngoài bầu khí quyển là bức xạ mặt trời đến
trên mặt đất nhƣng không tính đến ảnh hƣởng của bầu khí quyển. Gọi Gon là lƣợng
bức xạ mặt trời đến một mặt phẳng có diện tích 1m2 đặt thẳng góc với tia bức xạ và ở
bên ngoài bầu khí quyển, ta có:
Gon = GSC.[1+0,033.Cos(360.n/365)]
(1)
2
trong đó:GSC - hằng số mặt trời, W/m
n - số thứ tự của ngày trong năm (quy ƣớc lấy giá trị n của ngày 1 tháng1 là 1).
Nếu bề mặt khảo sát nằm ngang, giá trị G0 biểu diễn lƣợng bức xạ mặt trời đến
mặt phẳng có diện tích 1m2 đặt bên ngoài bầu khí quyển có giá trị là:
Go = GSC.[1+0,033.Cos(360.n/365)].CosθZ
(2)
Trong đó, θ là góc tới của tia trực xạ (là góc hợp bởi tia trực xạ và pháp tuyến
của bề mặt khảo sát); θz là góc tới đối với các bề mặt ngang
Gọi Ho (J/m2) là lƣợng bức xạ mặt trời đến mặt phẳng nằm ngang có diện tích
1m2 đặt bên ngoài bầu khí quyển trong thời gian 1 ngày, ta viết đƣợc:
Ho = GSC.[1+0,033.Cos(360.n/365)].(Cosδ.Cosφ.Cosω+Sinδ.Sinφ).dt (3)
6
Trong đó
δ: Góc lệnh của mặt trời (góc tạo bởi tia trực xạ và mặt phẳng xích đạo )
φ: Góc phƣơng vị của bề mặt khảo sát (là góc tạo bởi hình chiếu lên mặt phẳng
nằm ngang của pháp tuyến của bề mặt khảo sát và phƣơng nam)
ω: Góc giờ của mặt trời (là góc tạo bởi tia trực xạ và đƣờng nối khải sát với vị trí
cao nhất của mặt trời trong ngày)
Khi đặt dt = a.dω, ta có:
Ho = a.GSC.[1+0,033.Cos(360.n/365)].(Cosδ.Cosφ.Cosω+Sinδ.Sinφ).dω
Trong các biểu thức trên, t có đơn vị là giây, ω có đơn vị là độ và biến đổi trong
khoảng từ -ωS cho đến +ωS (trong đó ω mang dấu âm nếu trƣớc giờ trƣa và mang dấu
dƣơng nếu sau giờ trƣa), tức là từ lúc mặt trời mọc cho đến lúc mặt trời lặn. Sau khi
lấy tích phân, thu đƣợc: Ho = 2a.A.B
trong đó:
a = 3600.(180/15/), với a là góc cao của mặt trời
A = GSC.[1 + 0,033.Cos(360.n/365)]
B = Sinδ.Sinφ.ωS.(/180) + Cosδ.Cosφ.SinωS
Bên cạnh giá trị Ho, trong các tính toán về bức xạ mặt trời ngƣời ta cũng rất quan
tâm đến giá trị Hom (trong đó Hom là lƣợng bức xạ mặt trời đến trên mặt phẳng nằm
ngang có diện tích 1m2 đặt bên ngoài bầu khí quyển trong thời gian 1 ngày nhƣng là
ngày điển hình của tháng khảo sát). Theo định nghĩa, ngày điển hình của một tháng
nào đó là ngày mà Ho có giá trị gần nhất so với giá trị bức xạ trung bình của tháng đó.
Bảng 1.1 dƣới đây trình bày cụ thể ngày điển hình của mỗi tháng (do Klein đề nghị) và
các giá trị δ, n tƣơng ứng.
Bảng 1.3. Bảng giá trị δ, n tương ứng theo ngày
Tháng
Ngày điển hình
δ, độ
N
1
17
-20,9
17
2
16
-13
47
3
16
-2,4
75
4
15
9,4
105
5
15
18,8
135
6
11
23,1
162
7
17
21,2
198
8
16
13,5
228
9
15
2,2
258
10
15
-9,6
288
11
14
-18,9
318
12
10
-23
344
7
Tƣơng tự nhƣ cách tính H0, có thể sử dụng các công thức đ trình bày ở trên để
xác định lƣợng bức xạ mặt trờiđến một mặt phẳng nằm ngang có diện tích 1m2 đặt bên
ngoài bầu khí quyển trong thời gian 1giờ (ký hiệu là Io). Thay cận dƣới và cận trên của
dấu tích phân bằng ω1 và ω2 (thay vì -ωS và +ωS) sao cho ω2 - ω1 = 1 giờ. Tổng quát
hơn, khi cần xác định lƣợng bức xạ mặt trời trong một khoảng thời gian bất kỳ, có thể
thay đổi các cận của dấu tích phân sao cho hiệu số ω2 - ω1 đúng bằng khoảng thời gian
khảo sát.
Các tia bức xạ mặt trời về nguyên tắc có bƣớc sóng gần nhƣ là từ 0 cho đến .
Tuy nhiên, do cƣờng độ các tia bức xạ mặt trời phân bố rất không đồng đều theo bƣớc
sóng và do phần lớn các tia bức xạ mặt trời tập trung trong vùng có bƣớc sóng ngắn,
cho nên thực tế chỉ quan tâm đến các tia bức xạ có bƣớc sóng trong khoảng từ
0,24m đến 50m. Cƣờng độ của các tia bức xạ có bƣớc sóng < 0,24m và > 50m
thật sự không đáng kể.
Số liệu về sự phân bố bức xạ mặt trờitheo bƣớc sóng đƣợc đƣa ra trong bảng ,
trong đó:
Gsc,- cƣờng độ bức xạ đơn sắc, W/m2
f0- - tỉ số giữa lƣợng bức xạ ứng với bƣớc sóng trong khoảng từ 0 đến và hằng
số mặt trời.
Bảng 1.4. Bảng số liệu phân bố bức xạ mặt trời theo bước sóng
, m GSC,
f0-
, m
GSC,
f0-
, m
GSC,
f0-
0,24
63,0
0,0014
0,47
2033 0,1817
1,0
748
0,6949
0,25
70,9
0,0019
0,48
2074
0,1968
1,2
485
0,7840
0,26
130
0,0027
0,49
1950
0,2115
1,4
337
0,8433
0,27
232
0,0041
0,50
1942
0,2260
1,6
245
0,8861
0,28
222
0,0056
0,51
1882
0,2401
1,8
159
0,9159
0,29
482
0,0081
0,52
1833
0,2538
2,0
103
0,9349
0,30
514
0,0121
0,53
1842
0,2674
2,2
79
0,9483
0,31
689
0,0166
0,54
1783
0,2808
2,4
62
0,9586
0,32
830
0,0222
0,55
1725
0,2938
2,6
48
0,9667
0,33
1059
0,0293
0,56
1695
0,3065
2,8
39
0,9731
0,34
1074
0,0372
0,57
1712
0,3191
3,0
31
0,9783
0,35
1093
0,0452
0,58
1715
0,3318
3,2
22,6
0,9822
0.36
1068
0,0532
0,59
1700
0,3444
3,4
16,6
0,9850
0,37
1181
0,0615
0,60
1666
0,3568
3,6
13,5
0,9872
0,38
1120
0,0700
0,62
1602
0,3810
3,8
11,1
0,9891
0,39
1098
0,0782
0,64
1544
0,4042
4,0
9,5
0,9906
8
, m
0,40
GSC,
1429
f0-
0,0873
, m
0,66
GSC,
1486
f0-
0,4266
, m
4,5
GSC,
5,9
f0-
0,9934
0,41
1751
0,0992
0,68
1427
0,4481
5,0
3,8
0,9951
0,42
1747
0,1122
0,70
1369
0,4688
6,0
1,8
0,9972
0,43
1639
0,1247
0,72
1314
0,4886
7,0
1,0
0,9982
0,44
1810
0,1373
0,75
1235
0,5169
8,0
0,59
0,9988
0,45
2006
0,1514
0,80
1109
0,5602
10,0
0,24
0,46
2066
0,1665
0,90
891
0,6337
50,0
3,9.10
0,9994
-4
1,0000
1.1.3.2. Bức xạ mặt trời đến tr n mặt đất
Khi các tia bức xạ mặt trời đi vào bầu khí quyển, do ảnh hƣởng của bầu khí
quyển và các vật thể li ti có trong bầu khí quyển cho nên các tia bức xạ mặt trời sẽ phải
chịu hiện tƣợng hấp thụ và phản xạ. Về cơ bản, hiện tƣợng hấp thụ các tia bức xạ mặt
trời là do ôzôn và hơi nƣớc, mức độ hấp thụ khác nhau tùy theo bƣớc sóng. Ứng với
các tia cực tím có bƣớc sóng nhỏ hơn 0,29m thì khả năng hấp thụ các tia bức xạ của
ôzôn rất mạnh, ứng với các tia có bƣớc sóng lớn hơn 0,29m thì khả năng hấp thụ của
ôzôn giảm xuống đáng kể, khi bƣớc sóng vƣợt quá 0,35m thì ôzôn không còn khả
năng hấp thụ các tia bức xạ đƣợc nữa (tuy nhiên, ở vùng lân cận bƣớc sóng 0,6m thì
ôzôn vẫn còn khả năng hấp thụ một ít). Trong khi đó, hơi nƣớc có khả năng hấp thụ
mạnh các tia hồng ngoại. Đặc biệt, ở trong vùng lân cận các bƣớc sóng 1m, 1,4m và
1,8m thì khả năng hấp thụ các tia hồng ngoại của hơi nƣớc rất mạnh.
Chính hiện tƣợng hấp thụ làm giảm cƣờng độ của các tia bức xạ và làm cho
quang phổ của các tia bức xạ đến mặt đất thu hẹp lại, có thể nói các tia bức xạ có bƣớc
sóng lớn hơn 2,3m rất khó đến đƣợc bề mặt Trái đất (trong vùng này, các tia hồng
ngoại không chỉ bị hấp thụ bởi hơi nƣớc mà còn bởi khí CO2) . Cùng với hiện tƣợng
hấp thụ, hiện tƣợng phản xạ làm một bộ phận của tia bức xạ bị đổi phƣơng, do đó
phƣơng của thành phần bị phản xạ không rõ ràng. Kết quả của các hiện tƣợng vừa nêu
là, càng tiến đến gần bề mặt đất, cƣờng độ của các tia bức xạ tổng càng giảm.
Một cách tổng quát, ngƣời ta xem lƣợng bức xạ tổng đi vào bầu khí quyển để đến
một bề mặt khảo sát nào đó trên mặt đất bao gồm hai thành phần là trực xạ và khuếch
tán. Thành phần trực xạ có phƣơng rõ ràng, đó là đƣờng thẳng nối từ mặt trời đến địa
điểm khảo sát. Trong khi đó, đối với thành phần khuếch tán, việc xác định phƣơng
hƣớng và cƣờng độ của thành phần khuếch tán là khá phức tạp.
Các khảo sát cho thấy, vào những ngày bầu trời trong sáng, do sự hấp thụ bởi các
phân tử ôxy và ôzôn có trong bầu khí quyển ở tầm cao, bƣớc sóng nhỏ nhất của các tia
bức xạ đến bề mặt Trái đất chỉ vào khoảng 0,29m. Sự suy giảm cƣờng độ các tia bức
xạ mặt trời đến bề mặt Trái đất trong trƣờng hợp này là do ba nguyên nhân sau đây:
9
- Sự hấp thụ có tính chọn lọc theo bƣớc sóng bởi hơi nƣớc, các phân tử ôxy, ôzôn
và CO2.
- Sự phân tán Rayleigh bởi các phân tử của các loại chất khí và các hạt bụi lơ
lửng có trong bầu khí quyển (kích thƣớc của các thành phần này rất nhỏ so với bƣớc
sóng của các tia bức xạ), kết quả của sự phân tán này là có khoảng phân nửa các tia
bức xạ bị phân tán quay trở lại không gian, khoảng phân nửa còn lại đến bề mặt đất
theo rất nhiều phƣơng khác nhau.
- Sự phân tán Mie (trong trƣờng hợp này kích thƣớc của các thành phần làm phân
tán các tia bức xạ lớn hơn bƣớc sóng của tia bức xạ) làm một phần các tia bức xạ bị
đổi hƣớng và một phần khác bị chính các thành phần này hấp thụ.
Vào những ngày có mây mù, cƣờng độ của các tia trực xạ bị giảm đi đáng kể.
Các quan sát thực tế cho thấy, một bộ phận các tia bức xạ sẽ bị phản xạ ngƣợc vào
không gian do các đám mây mù, một bộ phận khác bị các đám mây mù hấp thụ và bộ
phận còn lại sẽ đi đến mặt đất với tính chất của các tia khuếch tán.
Ta gọi tỉ lệ giữa tổng các tia bức xạ bị phản xạ ngƣợc trở lại không gian do nhiều
nguyên nhân khác nhau (do mây mù, do mặt đất, do bụi và các chất khí có trong bầu
khí quyển) và tổng các tia bức xạ đến toàn bộ Trái đất là Albedo của hệ thống khí
quyển - mặt đất, giá trị của Albedo vào khoảng 30%.
Để đơn giản hóa việc xác định các đại lƣợng đặc trƣng của thành phần khuếch
tán, Hottel và Woertz giả sử thành phần khuếch tán phân bố đồng đều trong khắp bầu
trời. Giả thiết này hầu nhƣ chỉ phù hợp trong trƣờng hợp bầu trời có sƣơng mù, hoặc bị
che phủ bởi mây phân bố đều trong bầu trời. Vào những ngày trời trong, hầu hết
những tia bức xạ khuếch tán có phƣơng gần giống với phƣơng của tia trực xạ.
a) Xác định cường độ bức xạ tổng đến bề mặt nghiêng
Gọi:
G, GT - cƣờng độ bức xạ tổng đến mặt phẳng nằm ngang và đến bề mặt nghiêng
đang khảo sát.
Gb, GbT - cƣờng độ tia trực xạ đến mặt phẳng nằm ngang và đến bề mặt nghiêng
đang khảo sát.
Gd, GdT - cƣờng độ thành phần khuếch tán đến mặt phẳng nằm ngang và đến bề
mặt nghiêng đang khảo sát.
Ta có:
G = Gb + G d
(4)
GT = GbT + GdT
(5)
Đặt:
R = GT/G
(6)
Rb = GbT/Gb
(7)
Rd = GdT/Gd
(8)
Ta suy đƣợc:
10
R = Rb.(Gb/G) + Rd.(Gd/G)
(9)
Trong biểu thức (24), Rb có thể đƣợc tính nhƣ sau:
Rb = GbT/Gb = Cosθ/CosθZ
(10)
Bên cạnh thành phần khuếch tán do bầu trời, còn có thành phần phản xạ do bề
mặt đất, thành phần này có giá trị khá đáng kể ở những nơi bề mặt đất bị tuyết phủ.
Liu và Jordan xem thành phần này nhƣ lƣợng bức xạ tổng đi đến một bề mặt nghiêng
bất kỳ bao gồm ba thành phần là thành phần trực xạ, thành phần khuếch tán bầu trời và
thành phần phản xạ từ mặt đất.
Gọi là góc nghiêng của bề mặt nghiêng đang khảo sát, giá trị (1+Cos)/2 đƣợc
hiểu là hệ số nhìn bầu trời và giá trị (1-Cos)/2 đƣợc hiểu là hệ số nhìn mặt đất của bề
mặt nghiêng này. ta có:
GT = GbRb + Gd.(1+Cos)/2 + (Gd + Gb)..(1-Cos)/2
(11)
Trong đó là hệ số phản xạ của mặt đất, Liu và Jordan đề nghị lấy = 0,2 đối
với bề mặt đất không có tuyết phủ và lấy = 0,7 đối với bề mặt đất có tuyết phủ. Kết
hợp các biểu thức (4), (6) và (11), ta có:
R = (Gb/G).Rb + (Gd/G).(1+Cos)/2 + .(1-Cos)/2
(12)
b) Lượng hóa mức độ trong sáng của bầu trời
Theo những giả thiết đ nêu về sự phân bố và hƣớng của tia khuếch tán, vào
những ngày bầu trời trong sáng ta xem nhƣ R = Rb, còn vào những ngày bầu trời bị
mây và sƣơng mù ta xem nhƣ Rd = 1. Rõ ràng, mức độ khuếch tán và hấp thụ các tia
bức xạ mặt trời thay đổi theo thời gian do trạng thái và đặc điểm của bầu khí quyển
không hoàn toàn ổn định. Chính vì vậy ta cần phải chuẩn hóa khái niệm trong sáng của
bầu trời. Gọi b là hệ số xuyên qua bầu khí quyển của các tia trực xạ, ta có:
b = Gb/Go = ao + a1.e(-k/Cosθz)
(13)
Các nhà nghiên cứu đ đề xuất cách xác định ao, a1 và k ứng với bầu trời đạt độ
trong sáng tiêu chuẩn có tầm nhìn xa 23km nhƣ sau:
a0S = 0,4237 – 0,00821.(6 – A)2
(14)
2
a1S = 0,5055 + 0,00595.(6,5 – A)
(15)
2
kS = 0,2711 + 0,01858.(2,5 – A)
(16)
trong đó:
A - độ cao của ngƣời quan sát, km;
Gb - thành phần tia trực xạ xuyên qua bầu trời có độ trong sáng tiêu chuẩn đến
2
1m bề mặt nằm ngang.
Công thức (13) sử dụng đƣợc cho bất kỳ giá trị nào của θZ ứng với độ cao khảo
sát nhỏ hơn 2,5km. Nếu vị trí khảo sát thuộc vùng nhiệt đới thì nên nhân thêm hệ số
hiệu chỉnh, cụ thể:
ao = 0,95.aOS
(17)
a1 = 0,98.a1S
(18)
11
k = 1,02.kS
(19)
Bên cạnh việc xác định thành phần tia trực xạ xuyên qua bầu trời có độ trong
sáng tiêu chuẩn, cần phải xác định cả thành phần khuếch tán tƣơng ứng để có thể tính
đƣợc giá trị bức xạ tổng. Gọi Gd là thành phần tia khuếch tán xuyên qua bầu trời có độ
trong sáng tiêu chuẩn đến 1m2 bề mặt nằm ngang, Liu và Jordan đ đề nghị cách xác
định hệ số xuyên qua bầu khí quyển d của các tia khuếch tán ứng với bầu trời có độ
trong sáng tiêu chuẩn nhƣ sau:
d = Gd/Go = 0,271 – 0,2939.b
(20)
Trong đó, b là hệ số xuyên qua bầu khí quyển của các tia trực xạ (trong công
thức (13)
Tuy nhiên, việc sử dụng các hệ số đ nêu không có tính thực tế cao do độ trong
sáng của bầu trời rất khác nhau tùy theo địa điểm và thời điểm khảo sát, do vậy
phƣơng pháp đ nêu chỉ có giá trị tham khảo.
Cần phải xác định rõ, việc xác định cƣờng độ bức xạ mặt trời đến trên mặt đất là
bài toán không hề đơn giản. Nói chung, tùy vào từng trƣờng hợp cụ thể mà ngƣời ta có
thể tìm kiếm phƣơng pháp thích hợp. Thông thƣờng, trong các thí nghiệm khoa học
ngƣời ta thƣờng phải trực tiếp đo cƣờng độ bức xạ mặt trời, còn trong các nghiên cứu
đánh giá tiềm năng ngƣời ta thƣờng phải xây dựng phƣơng pháp mô phỏng dựa trên
các cơ sở dữ liệu đ có.
1.1.4. Giải pháp pin năng lƣợng mặt trời
1.1.4.1. guy n lý hoạt đ ng của pin năng lượng mặt trời
Pin năng lƣợng mặt trời là tập hợp nhiều phần tử bán dẫn có chức năng chuyển
hóa năng lƣợng ánh sáng thành năng lƣợng điện dựa trên hiệu ứng quang điện.
Pin mặt trời đƣợc cấu tạo gồm một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n, thông thƣờng đƣợc
chế tạo từ silic.
Quá trình sản sinh điện năng bắt đầu khi các nguyên tử silic hấp thụ một phần
ánh sáng. Năng lƣợng của ánh sáng đánh bật một số electron ra khỏi các nguyên tử.
Các electron chạy qua giữa hai lớp. Dòng chạy đó tạo ra một dòng điện. Dòng điện có
thể đi ra khỏi tế bào qua các tiếp xúc kim loại và đƣợc sử dụng.
12
Hình 1.1. Sơ đồ cấu tạo hệ thống pin năng lượng mặt trời
Bình thƣờng electron chiếm mức năng lƣợng thấp hơn E1. Khi chiếu sáng hệ
thống, lƣợng tử ánh sáng (photon) mang năng lƣợng hv (h là hằng số Plank và ν là tần
số ánh sáng) bị electron hấp thụ và chuyển lên mức E2.
Phƣơng trình cân bằng năng lƣợng:
hν = E1-E2
Trong các vật rắn, do tƣơng tác rất mạnh của mạng tinh thể lên electron vành
ngoài, nên các năng lƣợng của nó bị tách ra nhiều mức năng lƣợng con rất sát nhau và
tạo thành vùng năng lƣợng. Vùng năng lƣợng thấp bị các electron chiếm đầy khi ở
trạng thái cần bằng gọi là vùng hoá trị mà bên trên của nó có năng lƣợng Ev. Vùng
năng lƣợng phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là vùng
dẫn, bên dƣới của vùng có năng lƣợng là EC, cách ly giữa vùng hóa trị và vùng dẫn đó
gọi là vùng cấm có độ rộng năng lƣợng là Eg, trong đó không có mức năng lƣợng cho
phép nào của electron.
Khi ánh sáng chiếu đến vật rắn có vùng năng lƣợng nói trên, photon có năng
lƣợng hv tới hệ thống, bị electron của vùng hoá trị hấp thụ và nó có thể chuyển lên
vùng dẫn để trở thành electron tự do e-, lúc này vùng hoá trị sẽ có một lỗ trống có thể
13
di chuyển nhƣ “hạt“ mang điện tích dƣơng nguyên tố (kí hiệu h+), Lỗ trống này có thể
di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện.
Các vùng năng lượng
Phƣơng trình hiệu ứng lƣợng tử:
eV + hv → e- + h+
Điều kiện để electron có thể hấp thụ năng lƣợng của photon và chuyển từ vùng
hoá trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử -lỗ trống là:
hv > Eg = Ec - Ev
Suy ra bƣớc sóng tới hạn của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e' - h+ là:
= hc/( Ec - Ev)
Vậy khi chiếu sáng vào vật rắn, electron ở vùng hoá trị hấp thụ năng lƣợng
photon hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn electron - lỗ trống e’- h+, tức là
tạo ra một điện thế. Hiện tƣợng đó gọi là hiện tƣợng quang điện bên trong.
Khi photon chạm vào mảnh silic thì sẽ truyền xuyên qua mảnh silic (thƣờng xảy
ra khi năng lƣợng của photon thấp hơn năng lƣợng đủ để đƣa các hạt electron lên mức
năng lƣợng cao hơn) hoặc năng lƣợng của photon đƣợc hấp thu bởi silic (thƣờng xảy
ra khi năng lƣợng của photon lớn hơn năng lƣợng đủ để đƣa các hạt electron lên mức
năng lƣợng cao hơn).
Khi photon đƣợc hấp thụ, năng lƣợng của nó đƣợc truyền đến các hạt electron
trong màng tinh thể. Thông thƣờng các electron này lớp ngoài cùng, và thƣờng đƣợc
kết dính với các nguyên tử lân cận vì thế không thể di chuyển xa. Khi electron đƣợc
kích thích, trở thành dẫn điện, các electron này có thể tự do di chuyển trong bán dẫn.
Khi đó nguyên tử sẽ thiếu 1 electron và đó gọi là lỗ trống. Lỗ trống này tạo điều kiện
cho các electron của nguyên tử bên cạnh di chuyển đến điền vào lỗ trống, và điều này
tạo ra lỗ trống cho nguyên tử lân cận có "lỗ trống". Cứ tiếp tục nhƣ vậy lồ trống di
chuyên xuyên suốt mạch bán dẫn.
Một photon chi cần có năng lƣợng lớn hơn năng luợng đủ để kích thích electron
lớp ngoài cùng dẫn điện. Tuy nhiên, tần số của mặt trời thƣờng tƣơng đƣơng 6000°K,
vì thế năng lƣợng đều đƣợc hấp thu bởi silic. Tuy nhiên, hầu hết năng lƣợng mặt trời
chuyển đổi thành nhiệt năng hơn là điện năng.
- Xem thêm -
.PDF 
86 
20 
65 
