Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
Chương 1: PIN MẶT TRỜI VÀ ỨNG DỤNG

Chương 1: PIN MẶT TRỜI VÀ ỨNG DỤNG

Tải bản đầy đủ - 0trang

Trường đại học công nghiệp Hà Nội

1.2.



Đ ồ án t ốt nghi ệp



Giới thiệu về pin năng lượng mặt trời



1.2.1. Pin năng lượng mặt trời là gì? Làm sao có thể tạo ra điện.

Pin mặt trời (solar cell) được cấu tạo bởi những chất bán dẫn (semiconductor),

thông thường là Silicon (Si). Trước tiên các lớp bán dẫn này được làm nhiễm thừa

điện tích dương (gọi là p-conducting semiconductor layer) có thưa các lỗ và làm

nhiễm thiếu điện tích dương (gọi là n-conducting semiconductor layer) có thừa các

electron. Nếu ta kẹp một lớp p có dư điện tích dương có thừa lỗ với một lớp n bị thiếu

điện tích dương có nhiều electron thì rõ ràng các electron ở lớp n sẽ chực chờ muốn

nhảy sang lớp p để chiếm các lỗ. Electron từ lớp n di chuyển đến gần lớp tiếp giáp n-p

function để nhảy sang lớp p. Biên giới này bị mất thăng bằng điện tích nên phản ứng

lại bằng cách tạo ra 1 điện trường dọc theo nó, đẩy các electron sang tận mép bên kia

của lớp n và đẩy các lỗ sang tận mép bên kia của lớp p. Ngăn cách xảy ra. Các

electron từ lớp n khơng còn qua được các lỗ bên lớp p được nữa.

Bây giờ nếu ta bắt cầu nối dây dẫn từ lớp n sang lớp p để các electron từ lớp n

có thể nhảy sang lớp p? Chúng quá yếu để di chuyển. Dưới bức xạ của ánh nắng mặt

trời, các photon chạm vào lớp silicon và mang năng lượng đến cho chúng: các photon

cung cấp năng lượng để các electron thoát ra khỏi nhân tạo thành các electron di

chuyển tự do, từ mặt ngoài của lớp n, chúng theo dây dẫn chạy sang lớp p bên kia để

gặp các lỗ, tạo thành dòng điện. Và khi ánh nắng mặt trời còn mang photon đến thì

q trình này lại xảy ra, tạo ra dòng điện liên tục để ta sử dụng.



Hình 1.1: Cấu tạo bên trong của các lớp pin năng lượng mặt trời

GVHD: Th..s.Nguyễn Văn Đồi



Trang 6



Trường đại học cơng nghiệp Hà Nội



Đ ồ án t ốt nghi ệp



1.2.2 Cấu tạo pin mặt trời

Hiện nay nguyên liệu chủ yếu cho pin mặt trời là các silic tinh thể. Pin mặt trời

từ các tinh thể silic chia thành 3 loại:



Hình 1.2: Hình ảnh một tế bào quang điện





Đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Crochralski. Đơn tinh thể

loại này có hiệu suất lên tới 16%. Chúng thường rất đắt tiền do được cắt

từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có mặt trống ở góc nối các

module.







Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc – đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm

nguội và làm rắn. Các pin này thường rẻ hơn các pin đơn tinh thể, tuy nhiên

hiệu suất kém hơn. Nhưng chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ

bề mặt nhiều hơn loại đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó.







Dãy silic tạo từ các tấm phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh

thể. Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên nó rẻ nhất trong các

loại vì khơng cần phải cắt từ thỏi silicon.



Một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ

năng lượng mặt trời nhờ hiệu ứng quang 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. Tinh thể Si 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 vật liệu tinh

thể bán dẫn loại p thì tạp chất acceptor được dùng để pha vào Si là Bo có hóa trị 3. Đối

với Pin mặt trời từ tinh thể Si, khi bức xạ mặt trời chiếu đến thì hiệu điện thế hở mạch



GVHD: Th..s.Nguyễn Văn Đồi



Trang 7



Trường đại học cơng nghiệp Hà Nội



Đ ồ án t ốt nghi ệp



giữa 2 cực khoảng 0.55V và dòng ngắn mạch của nó khi bức xạ mặt trời có cường độ

1000W/m2 vào khoảng 25-30mA/cm2.



Hiện nay người ta đã chế tạo Pin mặt trời bằng Si vơ định hình (a-Si). So với Pin

mặt trời tinh thể Si thì Pin mặt trời a-Si giá thành rẻ hơn nhưng hiệu suất thấp hơn và

kém ổn định.

Công nghệ chế tạo Pin mặt trời gồm nhiều cơng đoạn khác nhau, ví dụ để chế tạo

Pin mặt trời từ Si đa tinh thể cần qua các cơng đoạn như hình 1.3 cuối cùng ta được

module.



Hình 1.3: Q trình tạo Module



GVHD: Th..s.Nguyễn Văn Đồi



Trang 8



Trường đại học công nghiệp Hà Nội



Đ ồ án t ốt nghi ệp



Hình 1.4: Cấu tạo Module

1.2.3



Tấm pin mặt trời



Hình 1.5: Tấm pin mặt trời

Các tấm pin mặt trời được ghép từ các cell pin có cơng suất khác nhau, phổ

biến là 3w; 6w, 10w, 15w, 30w, 50w, 80w, 100w, 150w, 200w có khi tới 300w.

Điện áp ra có thể là 12V; 24V; 48V hay 60V một chiều. Tùy vào nhu cầu sử dụng

có thể ghép song song hoặc nối tiếp các tấm pin với nhau tạo thành hệ thống pin

có công suất ra và điện áp theo nhu cầu người sử dụng.

1.2.4 Nguyên lý hoạt động của của pin mặt trời

Pin mặt trời làm việc theo nguyên lý là biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt

trời thành điện năng nhờ biến đổi quang điện.

GVHD: Th..s.Nguyễn Văn Đoài



Trang 9



Trường đại học công nghiệp Hà Nội



Đ ồ án t ốt nghi ệp



 Hiệu ứng quang điện:



Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên vào năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp

Alexandre Edmond Becquerel. Tuy nhiên cho đến năm 1883 một pin năng lượng mới

được tạo thành, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng

vàng để tạo nên mạch nối. Thiết bị chỉ có hiệu suất 1%, Russell Ohl xem là người tạo ra

pin năng lượng mặt trời đầu tiên năm 1946. Sau đó Sven Ason Berglund đã có các

phương pháp liên quan tới việc tăng khả năng cảm nhận ánh sáng của pin.

Xét một hệ 2 mức năng lượng điện tử (hình 1.6) E 1 < E2, bình thường điện tử

chiếm mức năng lượng thấp hơn E1. Khi nhận bức xạ mặt trời, lượng tử ánh sáng photon

có năng lượng hv (trong đó h là hằng số Planck,v là tần số ánh sáng) bị điện tử hấp thụ

và chuyển lên mức năng lượng E2. Ta có phương trình cân bằng năng lượng:

Hv = E2 – E1



Hình 1.6: Hệ 2 mức năng lượng

Trong các vật thể rắn, do tương tác rất, mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vòng

ngồi, nên các mức năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng sát nhau và tạo

thành các vùng năng lượng (hình 1.7). Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy

khi ở trạng thái cân bằng gọi là vùng hóa trị, mà mặt trên của nó là mức năng lượng Ev.

Vùng năng lượng phía trên tiếp đó hồn tồn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là

vùng dẫn, mặt dưới của vùng có năng lượng là Ec.

Cách ly giữa hai vùng hóa trị và vùng dẫn là một vùng cấp có độ rộng với năng

lượng là Eg, trong đó khơng có mức năng lượng cho phép nào của điện tử.

Khi nhận bức xạ mặt trời, photon có năng lượng hv tới hệ thống và bị điện tử ở

vùng có hóa trị thấp hấp thu và trở thành điện tử tự do e -, để lại ở vùng hóa trị một lỗ

GVHD: Th..s.Nguyễn Văn Đồi



Trang 10



Trường đại học cơng nghiệp Hà Nội



Đ ồ án t ốt nghi ệp



trống có thể xem như hạt mang điện dương, kí kiệu là h +. Lỗ trống này có thể di chuyển

và tham gia vào quá trình dẫn điện.



Hình 1.7: Các vùng năng lượng

Hiệu ứng lượng tử của q trình hấp thụ photon có thể mơ tả bằng phương trình:

Ev +hv  e- + h+

Điều kiện để điện tử có thể hấp thu năng lượng của photon và chuyển từ vùng hóa trị lên

vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử - lổ trống là hv = hc/λ >= Ec – Ev. Từ đó có thể tính được

bước sóng tới hạn λc của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e- và h+:



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 chuyển đến mặt của vùng dẫn Ec, còn lỗ trống h + chuyển đến mặt của Ev, quá

trình phục hồi chỉ xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn 10 -12 - 10-1giây và gây ra dao

động mạnh (photon). Năng lượng bị tổn hao do quá trình phục hồi sẽ là Eph = hv – Eg.

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 tạo ra các hạt dẫn điện tử - lỗ trống e - - h+, tức

là đã tạo ra một điện thế. Hiện tượng đó gọi là hiệu ứng quang điện bên trong.



GVHD: Th..s.Nguyễn Văn Đồi



Trang 11



Trường đại học cơng nghiệp Hà Nội



Đ ồ án t ốt nghi ệp



Hình 1.8: Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời





Hiệu suất biến đổi năng lượng

Hiệu suất biến đổi năng lượng (conversion efficiency) của pin mặt trời., là



tỉ số giữa lượng điện năng nó sản xuất ra với lượng năng lượng nó nhận được từ

ánh sáng mặt trời. Khi hiệu suất biến đổi càng cao, pin mặt trời sản xuất ra nhiều

năng lượng hơn. Hiệu suất biến đổi của pin mặt trời là do cấu tạo của nó.



GVHD: Th..s.Nguyễn Văn Đồi



Trang 12



Trường đại học cơng nghiệp Hà Nội



Đ ồ án t ốt nghi ệp



Bảng 1.1. Bảng thống kê hiệu suất pin năng lượng mặt trời



Ta có thể xác định hiệu suất giới hạn về mặt lý thuyết η của quá trình biến

đổi quang điện của hệ thống 2 mức sau:

(1.4)

Trong đó:

là mật độ photon có bước λ .

là tổng số photon tới có bước sóng trong khoảng λ : λ + dλ

là năng lượng của photon.

là năng lượng hữu ích mà điện tử hấp thụ của photon trong quá trình quang điện,

là tổng năng lượng của các photon tới hệ.



Hình 1.9: Quan hệ

Như vậy hiệu suất η là một hàm của



Eg



( hình 1.9).



Bằng tính tốn lý thuyết đối với chất bán dẫn Silicon thì hiệu suất η ≤ 0.44

1.2.5. Ứng dụng của pin mặt trời



GVHD: Th..s.Nguyễn Văn Đồi



Trang 13



Trường đại học cơng nghiệp Hà Nội



Đ ồ án t ốt nghi ệp



Pin mặt trời là phương pháp sản xuất điện trực tiếp từ năng lượng mặt trời

(NLMT) qua thiết bị biến đổi quang điện. Pin mặt trời có ưu điểm là gọn nhẹ có thể lắp

bất cứ ở đâu có ánh sáng mặt trời, đặc biệt là trong lĩnh vực tàu vũ trụ. Ứng dụng NLMT

dưới dạng này được phát triển với tốc dộ rất

nhanh, đặc biệt là các nước phát triển. Ngày nay

con người đã ứng dụng pin mặt trời trong rất

nhiều cụng cụ cá nhân như: máy tính, đồng hồ và

các đồ dùng hàng ngày.

- Pin mặt trời còn dùng dể chay xe ơ tơ

thay thế dần nguồn năng lượng truyền thống.

Hình 1.10: Xe dùng pin mặt trời

- Dùng để thắp sáng đèn đường.



Hình 1.11: Đèn đường sử dụng pin mặt trời

- Dùng để thắp sáng đèn giao thơng



GVHD: Th..s.Nguyễn Văn Đồi



Trang 14



Trường đại học cơng nghiệp Hà Nội



Đ ồ án t ốt nghi ệp



Hình 1.12: Đèn giao thông sửa dụng pin mặt trời

- Cung cấp điên cho các tòa nhà



Hình 1.13: Pin mặt trời được nắp đặt trên các mái nhà

- Nhà máy điện sửa dụng pin mặt trời

Bằng cách kết nối với nhiều nguồn điện năng lượng mặt tr ời với nhau có

thể tạo ra được một tổ hợp nguồn điện mặt trời có đủ khả năng thay th ế một nhà

máy phát điện.

Nhà máy điện năng lượng mặt trời có thể dùng để cấp đi ện cho m ột thành

phố, một hòn đảo,… Hiện tại số lượng nhà máy điện năng l ượng mặt tr ời trên th ế

giới còn hạn chế, tuy nhiên trong tương lai số lượng này sẽ tăng lên khi giá thành

sản xuất Pin năng lượng mặt trời giảm xuống.

GVHD: Th..s.Nguyễn Văn Đồi



Trang 15



Trường đại học cơng nghiệp Hà Nội



Đ ồ án t ốt nghi ệp



Ngoài những ứng dụng cơ bản ở trên thì hệ thống pin năng lượng mặt

trời còn được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhằm nâng cao chất l ượng cu ộc

sống cho người dân.



Hình 1.14: Nhà máy điện mặt trời tại Việt Nam

- Ứng dụng pin mặt trời chiếu sáng trạm buýt

Ý tưởng này bắt đầu được đưa ra thực hiện tại Florence - Italia. Vào ban

đêm, những trạm xe buýt này trở thành những cơng trình chiếu sáng cơng cộng

hết sức thu hút và sang trọng. Ngoài ra, trong trạm xe buýt, còn cài đặt thêm

hệ thống cho phép người đợi xe kết nối wifi và sử dụng điện thoại truy cập

Internet miễn phí trong lúc chờ đợi.



GVHD: Th..s.Nguyễn Văn Đồi



Trang 16



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Chương 1: PIN MẶT TRỜI VÀ ỨNG DỤNG

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×