Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Tải bản đầy đủ - 0trang

28



Kỹ thuật chế tạo pin quang điện rất giống với kỹ thuật tạo ra các linh kiện bán

dẫn như Transistor, Diode, ... Nguyên liệu dùng làm pin quang điện cũng giống như

các linh kiện bán dẫn khác, thông thường là Silicon thuộc nhóm IV.

Trong Si, các điện tử được sắp xếp ở 3 lớp vỏ, 2 lớp vỏ bên trong được xếp

đầy bởi 10 điện tử và lớp ngoài cùng chỉ được lấp đầy 1 nửa với 4 điện tử. Điều này

làm cho 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 ngồi cùng có chung 8 điện tử (bền vững). Tinh thể Si tinh khiết là chất

bán dẫn, dẫn điện rất kém vì các điện tử bị giam giữ bởi liên kết mạng, khơng có

điện tử tự do. Chỉ trong điều kiện kích thích quang hay nhiệt mới làm các điện tử bị

bứt ra khỏi liên kết. Hay nói theo ngơn ngữ vùng năng lượng 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

dương), thì khi đó chất bán dẫn mới dẫn điện.

Để tăng khả năng dẫn điện của bán dẫn silic, người ta thường pha tạp chất

vào trong đó.

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 ngồi cùng. Khi liên kết, trong tinh thể Si lúc bấy giờ

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 khuyếch tán trong mạng tinh thể. Khi ấy, ta có chất bán

dẫn loại N (Negative) có tính chất dẫn điện bằng các điện tử tự do.



29



Thêm electron



Hình 3.2 Chất bán dẫn Si pha tạp P được gọi là bán dẫn loại N (Negative).



Mất electron



Hình 3.3 Chất bán dẫn Si pha tạp Boron được gọi là bán dẫn loại P (Positive)

Nếu pha tạp chất tinh thể Silic bằng các nguyên tử Boron (Boron có 3 điện tử

ở lớp vỏ). Khi đó, ta sẽ có chất bán dẫn loại P (Positive) có tính chất dẫn điện chủ

yếu bằng các lỗ trống.



30



Khi đó, các điện tử tự do ở gần mặt tiếp xúc trong bán dẫn loại N sẽ khuếch

tán từ bán dẫn loại N sang bán dẫn loại P và lấp các lỗ trống trong phần bán dẫn

loại P này.

Trên đây là giải thích cấu tạo cho một Diode bán dẫn. Pin quang điện chính là

một Diode bán dẫn có diện tích bề mặt rộng và có lớp N cực mỏng để ánh sáng có

thể truyền qua.

3.2 Nguyên lý hoạt động của pin quang điện

Sơ đồ nguyên lý hoạt động của pin quang điện như hình vẽ sau:



Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của pin quang điện

Khi chiếu ánh sáng vào pin quang điện:

- Một phần sẽ bị phản xạ (và do đó trên bề mặt pin quang điện có một lớp

chống phản xạ).

- Một phần bị hấp thụ khi truyền qua lớp N.

- Một phần may mắn hơn đến được lớp chuyển tiếp, nơi có các cặp electron

và lỗ trống nằm trong điện trường của bề mặt giới hạn p-n.



31



Với các bước sóng thích hợp sẽ truyền cho electron một năng lượng đủ lớn

để bật khỏi liên kết. Cặp electron và lỗ trống nằm trong tác dụng của điện trường.

Trong đó, electron sẽ bị kéo về phía bán dẫn loại n còn lỗ trống bị kéo về phía bán

dẫn loại p. Kết quả là nếu ta nối hai cực vào hai phần bán dẫn loại n và p sẽ đo

được một hiệu điện thế. Giá trị hiệu điện thế này phụ thuộc vào bản chất của chất

làm bán dẫn và tạp chất được hấp phụ.

Với Si có pha tạp chất tinh thể Boron và Phospho thì giá trị điện áp này

khoảng 0.5 đến 0.6V.

3.3 Mơ hình tốn của pin quang điện

Sơ đồ mạch điện tương đương của pin quang điện được thể hiện như hình

3.5



Hình 3.5 Sơ đồ pin quang điện thực tế

Mơ hình tốn thể hiện mối quan hệ giữa V-I được mô tả bởi biểu thức (3.1)



Trong đó:

IPH: dòng của pin quang điện (A)

IS: dòng bão hòa (A)



32



RSH: nội trở song song

RS: nội trở nối tiếp

q: điện tích của electron, q = 1,6x10-19 (C)

k: hằng số Boltzmann’s, k =1,38x10-23 (J/K)

TC: nhiệt độ vận hành của pin quang điện (K)

A: hệ số lý tưởng phụ thuộc vào công nghệ chế tạo pin quang điện được cho

trong bảng sau [15].

Bảng 3.1 Bảng lựa chọn hệ số lý tưởng A theo công nghệ chế tạo

Công nghệ chế tạo



Hệ số lý tưởng (A)



Si-mono



1.2



Si-poly



1.3



a-Si:H



1.8



a-Si:H tandem



3.3



a-Si:H triple



5



CdTe



1.5



CIS



1.5



AsGa



1.3



Nếu bỏ qua sự ảnh hưởng của tổn hao (RSH và RS) thì sơ đồ mạch điện tương

đương hình 3.5 của pin quang điện sẽ được biểu diễn như hình 3.6



33



Hình 3.6 Sơ đồ pin quang điện khi bỏ qua RSH và RS

Biểu thức (3.1) sẽ được viết lại thành biểu thức (3.2)



Mặt khác, dòng điện IPH phụ thuộc trực tiếp vào bức xạ mặt trời λ và nhiệt

độ của pin quang điện TC theo biểu thức (3.3)



Trong đó:

ISC: dòng ngắn mạch tại nhiệt độ tiêu chuẩn 250C và bức xạ 1000W/m2 (A)

KI: hệ số dòng điện phụ thuộc vào nhiệt độ (A/0C)

TRef : Nhiệt độ tiêu chuẩn của pin quang điện (0K)

λ: Bức xạ mặt trời (kW/m2)

Dòng bão hòa IS là dòng các hạt tải điện không cơ bản được tạo ra do kích

thích nhiệt. Khi nhiệt độ của pin quang điện tăng dòng bão hòa I S cũng tăng theo

hàm mũ được xác định bằng biểu thức (3.4)



34



Trong đó:

IRS: Dòng điện ngược bão hòa tại nhiệt độ tiêu chuẩn (A)

EG: Năng lượng lỗ trống của chất bán dẫn

Và dòng điện ngược bão hòa tiêu chuẩn IRS có thể được biểu diễn như biểu

thức (3.5)



Trong đó:

ISC: là dòng điện ngắn mạch (A)

VOC: là điện áp hở mạch (V)



Hình 3.7 Dòng điện ngắn mạch (ISC) và điện áp hở mạch (VOC)

Thông thường một cell có điện áp làm việc khoảng 0.5 đến 0.6V và cơng suất

khoảng 2W. Vì vậy, muốn có điện áp làm việc cao phải mắc nối tiếp các cell lại với

nhau và muốn có dòng điện làm việc lớn phải mắc song song các cell lại với nhau.

Mạch điện tương đương của module pin quang điện gồm có N S cell nối tiếp và NP

nhánh song song được mô tả như hình 3.8



35



Hình 3.8 Mơ đun pin quang điện

Khi đó mạch điện hình 3.6 được biểu diễn bằng biểu thức (3.6)



3.4 Đặc tuyến V-I, V-P của pin quang điện

Pin quang điện là thiết bị chuyển năng lượng bức xạ mặt trời thành điện

năng. Đặc tuyến của pin quang điện là khơng tuyến tính. Các đại lượng như cơng

suất, dòng điện của pin quang điện phụ thuộc vào bức xạ mặt trời, nhiệt độ của pin

quang điện.

Để thấy rõ hơn sự phụ thuộc của các đại lượng cơng suất, dòng điện, điện áp

vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ của pin quang điện, ta xét cụ thể các trường hợp

như sau:

Trường hợp 1:

Đặc tuyến V-I và V-P ở nhiệt độ T = 25 0C và bức xạ mặt trời G = 1kW/m 2 như

hình 3.9 và hình 3.10



36



Hình 3.9 Đặc tuyến V-I tại T = 250C, G = 1kW/m2



Hình 3.10 Đặc tuyến V-P tại T = 250C, G = 1kW/m2

Trường hợp 2:



37



Nếu giữ bức xạ G = 1kW/m 2 và lần lượt thay đổi nhiệt độ T = 25 0C, T = 500C, T

= 750C, T = 1000C, thì đặc tuyến V-I và V-P như hình 3.11 và hình 3.12



Hình 3.11 Đặc tuyến V-I khi thay đổi nhiệt độ



Hình 3.12 Đặc tuyến V-P khi thay đổi nhiệt độ

Trường hợp 3:



38



Nếu giữ nhiệt độ T = 250C và bức xạ mặt trời lần lượt thay đổi với các giá trị G

= 0.25kW/m2, G = 0.5kW/m2, G = 0.75kW/m2, G =1kW/m2 thì đặc tuyến V-I và V-P

của pin quang điện như hình 3.13 và hình 3.14



Hình 3.13 Đặc tuyến V-I khi thay đổi bức xạ



Hình 3.14 Đặc tuyến V-P khi thay đổi bức xạ



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×