Năng lượng - Chương 3: Điện mặt trời

huyển thành nhiệt sau đó tỏa lại về không gian. Chỉ một phần nhỏ NLMT được sử dụng thì có thể đáp ứng được nhu cầu về năng lượng của thế giới. Mặt trời là nguồn năng lượng mà con người có thể tận dụng được: sạch sẽ, đáng tin cậy, gần như vô tận và có ở khắp mọi nơi. Việc thu giữ NLMT không thải ra khí và nước độc hại, do đó không góp phần vào vấn đề ô nhiễm môi trường và hiệu ứng nhà kính. Tiềm năng về NLMT trên thế giới: phân bố không đồng đều trên thế giới, mạnh nhất là vùng xích đạo và vùng khô hạn, giảm dần về phía cực trái đất (Phụ lục 2.2.1). Tiềm năng kính tế sử dụng NLMT phụ thuộc vào vị trí địa điểm trên trái đất, phụ thuộc vào đặc điểm khí hậu, thời tiết cụ thể của từng vùng miền. Theo số lượng thống kê bức xạ trung bình của một địa điểm trên thế giới vào khoảng 2000kWh/m2/năm. Tiềm năng về NLMT ở Việt Nam: phân bố khôn đồng đều trên lãnh thổ Việt Nam do đặc điểm địa hình khí hậu khác nhau của hai miền Nam và Bắc. Nói chung là cường độ năng lượng bức xạ không cao và thay đổi thất thường Bảng 3.1 Tiềm năng NLMT một số nước trên thế giới [4] STT Quốc gia Tiềm năng tWh/năm Bức xạ trung bình kWh/m2/năm 1 Angiêri 13,9 1970 2 Ai Cập 36,0 2450 3 Bồ Đào Nha 3,0 1910 4 Cô oét 2,5 1900 5 Hy Lạp 4,0 1730 6 Iran 16,0 2100 7 Irắc 6,8 2050 8 Ý 10,0 1800 9 Li Băng 1,5 1920 10 Marốc 17,0 2000 11 Saudi Arabi 13,9 2130 12 Tây Ban Nha 5,0 2000 Bảng 3.2 Tiềm năng NLMT ở Việt Nam[4] Vùng Giờ nắng trong năm Bức xạ kcal/cm2/năm Khả năng ứng dụng Đông bắc 1500-1700 100-125 Thấp Tây bắc 1750-1900 125-150 Trung bình Bắc trung bộ 1700-200 140-160 Tốt Tây nguyên, nam trung bộ 2000-2600 150-175 Rất tốt Nam bộ 2200-2500 130-150 Rất tốt Trung bình cả nước 1700-2500 100-175 Tốt Hai ứng dụng chính của NLMT là: Nhiệt mặt trời : Chuyển bức xạ mặt trời thành nhiệt năng, sử dụng ở các hệ thống sưởi hoặc để đun nước tạo hơi quay turbin điện. Điện mặt trời: Chuyển bức xạ mặt trời (dạng ánh sáng) trực tiếp thành điện năng (hay còn gọi là quang điện – photovoltaics - PV). Hai dạng hệ thống dân dụng sử dụng NLMT phổ biến nhất hiện nay là hệ thống nhiệt NLMT và hệ thống quang điện cá nhân. Một số hệ thống khác là: Hệ thống đun nước mặt trời, máy bơm NLMT và điện mặt trời sử dụng cho các trạm truyền thông vô tuyến ở vùng sâu vùng xa. Nhu cầu về điện mặt trời tăng rất nhanh trong 20 năm qua, với tốc độ trung bình là 25% mỗi năm, trong năm 2004 tổng công suất lắp đặt điện mặt trời toàn cầu đạt 927 MW, tăng gần gấp đôi năm 2003( 574MW) và gấp hơn 40 lần so với 25 năm trước. Các quốc gia phát trên thế giới đang thúc đẩy mạnh mẽ các kế hoạch phát triển điện mặt trời thông qua cải thiện kỹ thuật cũng như trợ vốn. Pin mặt trời và lịch sử phát triển Quang điện là một hiện tượng ánh sáng sinh điện. Khi ánh sáng rọi trên bề mặt một vật. Vật sẽ hấp thụ năng lượng nhiệt của ánh sáng cho đến tần số thời gian đạt đến mức hấp thụ cao nhất. Vật sẽ không còn hấp thụ năng lượng nhiệt của ánh sáng. Tại thời điểm này năng lượng ánh sáng sẽ tách điện tử rời khỏi bề mặt của vật trở thành điện tử tự do có khả năng làm cho vật trở thành dẫn điện. Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel. Tuy nhiên cho đến 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. Sven Ason Berglund đã có phương pháp liên quan đến việc tăng khả năng cảm nhận ánh sáng của pin. Năm 1887 Heinrich Hertz quan sát thấy hiệu ứng quang điện ngoài đối với các kim loại (cũng là năm ông thực hiện thí nghiệm phát và thu sóng điện từ). Sau đó Aleksandr Grigorievich Stoletov đã tiến hành nghiên cứu một cách tỷ mĩ và xây dựng nên các định luật quang điện. Một trong các công trình của Albert Einstein xuất bản trên tạp chí Annal der Physik đã lý giải một cách thành công hiệu ứng quang điện cũng như các định luật quang điện dựa trên mô hình hạt ánh sáng, theo thuyết lượng tử vừa được công bố năm 1900 của Max planck. Các công trình này dẫn đến sự công nhận về bản chất hạt của ánh sáng và sự phát triển của lý thuyết lưỡng tính sóng-hạt của ánh sáng. Nguyên lý hoạt động của tế bào quang điện Hiện tượng quang điện ngoài Hiện tượng ánh sáng làm bật các electron ra khỏi mặt kim loại gọi là hiện tượng quang điện (ngoài). Ánh sáng kích thích chỉ có thể làm bậc các electron ra khỏi một kim loại khi bước sóng của nó ngắn hơn hoặc bằng giới hạn quang điện của kim loại đó. λ≤hcA=λ0 (3.1) Trong đó: λ: bước sóng ánh sáng. λ0: giới hạn quang điện của kim loại. A: Công thoát. h, c: hằng số Hình 3.2 Hiện tượng ánh sáng làm bật electron ra khỏi bề mặt kim loại Hiện tượng quang điện trong Một số chất bán dẫn như Ge, Si, PbS, PbSe, PbTe,CdS, CdSe, CdTe, có tính chất đặt biệt như sau: Chúng là chất dẫn điện kém khi không bị chiếu sáng và trở thành chất dẫn điện tốt khi bị chiếu ánh sang thích hợp, các chất này gọi là chất quang dẫn. Dựa vào thuyết lượng tử, ta có thể giải thích đặc tính của các chất quang dẫn như sau: Khi không bị chiếu sáng, các êlectron ở trong các chất nói trên điều ở trạng thái liên kết với nút mạng tinh thể. Không có êlectron tự do. Khi đó các chất nói trên là chất cách điện. Khi chiếu sáng chất quang dẫn, mỗi phôtôn của ánh sáng kích thích sẽ truyền toàn bộ năng lượng của nó cho một êlectron liên kết. Nếu năng lượng mà êlectron nhận được đủ lớn thì êlectron đó có thể được giải phóng khỏi mối liên kết để trở thành êlectron dẫn và tham gia vào quá trình dẫn điện. Mặt khác, khi êlectron liên kết được giải phóng thì nó sẽ để lại một lỗ trống. Lỗ trống này cũng tham gia vào quá trình dẫn điện. Kết quả là khối chất nói trên trở thành chất dẫn điện. Hiện tượng ánh sáng giải phóng các electron liên kết để cho chúng trở thành các electron dẫn, đồng thời tạo ra các lỗ trống cùng tham gia vào quá trình dẫn điện gọi là hiện tượng quang điện trong. Hiện tượng quang điện trong được ứng dụng trong quang điện trở và pin quang điện. Pin quang điện Pin quang điện (còn gọi là pin mặt trời) là một nguồn điện chạy bằng năng lượng ánh sáng. Nó biến trực tiếp quang năng thành điện năng. Các pin quang điện thường được làm bằng Si, Se, Ge, Te, CdS, GaAs... Ta hãy xét cấu tạo và hoạt động chung của pin quang điện. Hình 3.3 Sơ đồ cấu tạo của pin quang điện Pin có một tấm bán dẫn loại n, bên trên có phủ một lớp mỏng chất bán dẫn loại p (H 3.1). Có thể tạo ra lớp này bằng cách cho khuếch tán một tạp chất thích hợp vào lớp bề mặt của lớp bán dẫn loại n. Trên cùng là một lớp kim loại rất mỏng. Dưới cùng là một đế kim loại. Các kim loại này cùng đóng vai trò các điện cực trơ. Electron sẽ khuếch tán từ bán dẫn loại n sang bán dẫn loại p, để lại những lỗ trống dương. Các êlectron này vẫn có liên kết với các lỗ trống tạo thành một lớp gọi là lớp tiếp xúc p – n. Trong lớp tiếp xúc này có điện trường Etx hướng từ dương sang âm, tức là hướng từ bán dẫn loại n sang bán dẫn loại p. Điện trường Etx ngăn cản sự khuếch tán của êlectron từ n sang p và lỗ trống từ p sang n. Vì vậy người ta còn gọi lớp tiếp xúc này là lớp chặn. Khi chiếu ánh sáng có bước sóng ngắn hơn giới hạn quang dẫn vào lớp kim loại mỏng phía trên cùng thì ánh sáng sẽ đi xuyên qua lớp này vào lớp bán dẫn loại p, gây ra hiện tượng quang điện trong và giải phóng ra các cặp êlectron và lỗ trống. Electron khuếch tán dễ dàng từ p sang n qua lớp chặn. Còn lỗ trống thì bị chặn lại và ở lại trong lớp p. Kết quả là điện cực kim loại mỏng ở trên sẽ nhiễm điện dương và trở thành điện cực dương của pin, còn đế kim loại ở phần dưới sẽ nhiễm điện âm và trở thành điện cực âm của pin. Nếu nối hai điện cực bằng một dây dẫn thông qua một ampe kế thì sẽ có dòng quang điện chạy từ cực dương sang cực âm. Suất điện động của pin quang điện nằm trong khoảng từ 0,5V đến 0,8V. Vậy nguyên tắc hoạt động của pin quang điện là dựa vào hiện tượng quang điện trong xảy ra bên cạnh một lớp chặn. Pin quang điện đã được dùng làm nguồn điện cho các trạm nghiên cứu và cho sinh hoạt ở những nơi khó khăn cho việc dẫn điện lưới đến như: núi cao, hải đảo, các phương tiện lưu động, vệ tinh nhân tạo, trạm vũ trụ... Để tránh gây ô nhiễm môi trường, người ta đã nghiên cứu thay thế các động cơ chạy xăng ở ôtô, máy bay... bằng các động cơ chạy bằng pin quang điện. Người ta sử dụng Pin quang điện để biến đổi năng lượng ánh sáng mặt trời thành điện năng (Solar Cell). Nếu dùng pin quang điện bằng chất bán dẫn Silic, hiệu suất của nó có thể đạt đến 14-15%. Người ta tính được trên diện tích 1m2 của pin quang điện được ánh sáng chiếu tới ta có thể nhận được một công suất điện là 100 W và như vậy với diện tích của một mái nhà trung bình ta có đủ điện năng để thỏa mãn mọi tiện nghi cho một gia đình. Tuy nhiên, về giá thành của các Pin quang điện hiện nay còn tương đối khá đắt so với các nguồn năng lượng khác. Nguyên lý hoạt động Hình 3.4 Nguyên lý hoạt động của Pin mặt trời Hình 3.5 Hệ thống 2 mức năng lượng trong đó E1<E2 Bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E1. Khi chiếu sáng hệ thống, lượng tử ánh sáng (photon) mang năng lượng hv (h là hằng số Plank và v là tần số ánh sáng)bị điện tử hấp thụ và chuyển lên mức E2. Phương trình cân bằng năng lượng: hv = E1-E2 (3.2) Trong các vật rắn ,do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vành ngoài , nên các năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng con rất sát nhau và tạo thành vùng năng lượng. Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi ở trạng thái cân bằng gọi là vùng hoá trị mà bên trên của nó có năng lượng EV. Vùng năng lượng phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn, bên dưới của vùng có năng lượng là EC, cách ly giữa vùng hóa trị và vùng dẫn đó gọi là một vùng cấm có độ rộng năng lượng là Eg, trong đó không có mức năng lượng cho phép nào của điện tử. Khi ánh sáng chiếu đến vật rắn có vùng năng lượng nói trên, photon có năng lượng hv tới hệ thống , bị điện tử của vùng hoá trị hấp thụ và nó có thể chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự do e-,lúc này vùng hoá trị sẽ có một lỗ trống có thể di chuyển như “hạt“ mang điện tích dương nguyên tố (kí hiệu h+). Lỗ trống này có thể di chuyển và tham gia van quá trình dẫn điện . Phương trình hiệu ứng lượng tử: eV+hv→ e- + h+ (3.3) Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lượng của photon và chuyển từ vùng hoá trị lên vùng dẫn, tạo ra căp điện tử –lỗ trống là: hv > Eg = EC – EV (3.4) Suy ra bước sóng tới hạn λC của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e- - h+ là: λC = hc/( EC – EV) (3.5) Vậy khi chiếu sáng vào vật rắn, điện tử ở vùng hoá trị hấp thụ năng lượng photon hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử – lỗ trống e- - h+, tức là tạo ra một điện thế. Hình 3.6 Các vùng năng lượng Hiện tượng đó gọi là hiện tượng quang điện bên trong. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời chính là hiện tượng quang điện xảy ra trên lớp tiếp xúc p-n. Khi một photon chạm vào mảnh Silic, một trong hai điều sau sẽ xảy ra: Photon truyền trực xuyên qua mảnh silic. Điều này thường xảy ra khi năng lượng của photon thấp hơn năng lượng đủ để đưa các hạt electron lên mức năng lượng cao hơn. Năng lượng của photon được hấp thụ bởi silic. Điều này thường xảy ra khi năng lượng của photon lớn hơn năng lượng để đưa electron lên mức năng lượng cao hơn. Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các hạt electron trong màng tinh thể. Thông thường các electron này lớp ngoài cùng, và thường được kết dính với các nguyên tử lân cận vì thế không thể di chuyển xa. Khi electron được kích thích, trở thành dẫn điện , các electron này có thể tự do di chuyển trong bán dẫn. . Hình 3.7 Nguyên lý dẫn điện của vật 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 như vậy lỗ trống di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn. Một photon chỉ cần có năng lượng lớn hơn năng luợng đủ để kích thích electron lớp ngoài cùng dẫn điện . Tuy nhiên, tần số của mặt trời thường tương đương 6000°K, vì thế nên phần lớn năng lượng mặt trời đều được hấp thụ bởi silic. Tuy nhiên hầu hết năng lượng mặt trời chuyển đổi thành năng lượng nhiệt nhđiều hơn là năng lượng điện sử dụng được. Hình 3.8 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 3.2.5 Các đặc trưng của pin mặt trời 3.2.5.1 Sơ đồ tương đương Khi pin mặt trời được chiếu sang nếu như ta nối 2 lớp ban dẫn của tiếp xúc PN thì sẽ có dòng điện chạy qua lớp bán dẫn. dòng điện nãy gọi là Iph lúc này pin mặt trời tương đương một nguồn dòng. Vì được cấu tạo là một lớp bán dẫn PN cho nên pin mặt trời có tính chất chỉnh lưu tương tự như một diod. Vì là một diode nên khi bị phân cưc ngược vẫn có một dòg điện gọi là dòng dò di qua nó. Nười ta đặc trưng đại lượng ầny bằng điệ trở sun Rsh. Khi được chiếu sang sẽ có một dòng điện chạy trong pin mặt trời. và dòng điện này được đặc trưng bằng một điện trở Rs. Hình 3.9 Sơ đồ tương đương của pin mặt trời 3.2.5.2 Dòng đoản mạch ISC Dòng ngắn mạch là dòng điện chạy trong pin mặt trời khi ngõ ra bị ngắn mạch. Tức là dòng điện chạy trong pin khi khi điện áp ngõ ra bằng không. Công thức tính dòng ngắn mạch là: (3.6) Iph – Dòng quang điện (A/m2) ID – Dòng qua diode (A/m2) IS – Dòng bão hòa (A/m2) n – được gọi là thừa số lý tưởng phụ thuộc vào các mức độ hòan thiện công nghệ chế tạo pin mặt trời. lý tưởng có thể lấy N=1 RS – điện trở nối tiếp (điện trở trong của pin mặt trời) RSh – điện trở Sun (/m2) q – điện tích của điện tử (C) Khi pin mặt trời được chiếu sáng trong điều kiện bình thường thì có thể bỏ qua điện trở nối tiếp RS, và dòng ID = 0 do đó ISC = IPh=kE Trong đó: E: cường độ sáng K: hệ số tỉ lệ Nhận xét: Trong điều kiện bình thường ta có dòng ngắn mạch Isc của Pin mặt trời tỉ lệ thuận với cường độ bức xạ chiếu sáng. Hình 3.10 Sự phụ thuộc của đặc trưng VA của Pin mặt trời vào cường độ bức xạ mặt trời 3.2.5.3 Thế hở mạch Là điện thế của pin mặt trời đo ở trạng thái hở mạch, khi hở mạch thì dòng mạch ngoài bằng 0 và giả thiết Rsh là rất lớn thì: (3.7) Vì Iph>>IS nên có thể viết Trong biểu thức Voc ta thấy nó phụ thuộc vào nhiệt độ một cách trực tiếp, và sự phụ thuộc của Voc vào Is gián tiếp. Trong đó Is là dòng bảo hoà là dòng các hạt tải điện không cơ bản được tạo ra do kích thích nhiệt và bị gia nhiệt bởi điện trường tiếp xúc. Như vậy khi nhiệt độ tăng thì Is cũng tăng theo hàm mũ. Hình 3.11 Sự phụ thuộc của cường độ bức xạ mặt trời đến đường VA của Pin mặt trời 3.2.5.4 Điểm làm việc với công suất cực đại Xét một đường đặc trưng VA của pin mặt trời đối với một cường độ bứ xạ cho trước và ở nhiệt độ xác định. Nếu các cực của pin mặt trời được nối với một tải tiêu thụ điện R thì điểm cắt nhau của đường đặc trưng VA của pin mặt trời và đường đặc trưng của tải trong tọa độ OIV là điểm làm việc của pin mặt trời. Nếu tải tiêu thụ điện của pin mặt trời là một tải điện trở Ohm thuần thì đường đặc trưng tải là một đường thẳng qua góc tọa độ và có độ nghiêng anpha đối với trục OV và taga = 1/R trên hình 2.14 (theo định luật Ohm ta có i=V/R. Trong trường hợp này công suất pin mặt trời cấp cho tải chỉ phụ thuộc vào giá trị điện trở R). Trong tọa độ OIV, công suất pin mặt trời cấp cho tải R bằng dđiện tích hình chữ nhật giới hạn bi hòanh độ và tung độ của điểm làm việc. với các giá trị R khác nhau, các điểm làm việc sẽ khác nhau và do đó công suất tải tiêu thụ cũng khác nhau. Tồn tại một giá trị R=ROPT mà tại đó công suất tải tiêu thụ là cực đại. Điểm làm việc ứng với công suất cực đại, điểm A trên hính 2.14 là điểm tíếp xúc giữa đường đặc trưng VA của pin mặt trời và đường công suất không đổi (đường công suất không đổi IV=có là các đường hyperpol) ROPT=VOPT/IOPT ROPT giá trị của điện trở tải tối ưu Ở điều kiện cường độ bức xạ không đổi và ở nhiệt độ cho trước ta thấy: + Nếu điện trở tải R<ROPT , pin mặt trời sẽ làm việc trong miền MN là miền mà cường độ dòng điện gần như không đổi và gần bằng dòng đỏan mạch ISC. + Nếu điện trở R>ROPT , pin mặt trời làm việc trong miền PS với hiệu điện thế gần như không đổi và bằng điện thế hở mạch VOC. Rõ ràng là pin mặt trời chỉ làm việc có hiệu quả khi tải tiêu thụ điện có giá trị lân cận ROPT. Hình 3.12 Điểm làm việc và điểm làm việc công suất cực đại 3.2.5.5 Các điều kiện về tải tiêu thụ điện Tải là tên gọi chung cho các thiết bị tiêu thụ điện . Trong trường hợp tổng quát, điểm làm việc của pin mặt trời hay hệ pin mặt trời cũng được xác định bởi điểm cắt giữa các đường đặc trưng VA của nó và các đường tải. Trong đề tài này nghiên cứu và thi công mô hình hệ thống điện mặt trời nạp xả qua acquy nên tìm hiểu tải tiêu thụ là acquy. Acquy là tải có điện thế gần như không đổi đường đặc tuyến VA của nó gần như song song vơi trục OI trên mặt phẳng tạo độ IOV. Một đặc điểm của hệ thống pin mặt trời là đặc trưng VA của nó thay đổi theo cường độ ánh sáng mặt trời chiếu lên nó. Do vậy điểm làm việc có công suất cực đại sẽ khác nhau. Tập hợp các điểm làm việc có công suất cực đại đối với các cường độ sáng khác nhau tạo ra đường gọi là đường công suất cực đại. Để đánh gia sự phù hợp giữa một nguồn năng lượng mặt trời và một tải ta có thể xem xét đường công suất cực đại của nguồn và đường tải của thiết bị tiêu thụ điện . Một hệ thống pin mặt trời đơn giản sẽ gồm : pin mặt trời, ắcquy và tải. 3.2.5.6 Các tham số ảnh hưởng đến chế độ làm việc & hiệu suất của pin MT Có 5 tham số ảnh hưởng đến chế độ làm việc của pin mặt trời là Điện trở nội Rs Điện trở shun Rsh Dòng bão hòa Is Cường độ bức xạ mặt trời E Nhiệt độ của pin T ở điều kiện bức xạ bình thường (không hội tụ) các ham số trên có thể xem như các tham số độc lập, chỉ trừ dòng điện bão hòa IS và nhiệt độ T. điện trở Son RSH đặc trưng cho dòng rò qua lớp tiếp xúc PN, phụ thuộc vào công nghệ chế tạo lớp tiếp xúc. Thông thường giá trị RSH khá lớn, nên dòng rò có thể bỏ qua. 3.2.5.7 Hiệu suất biến đổi quang điện của pin mặt trời Công suất đỉnh (peak power) của pin mặt trời là công suất do pin mặt trời phát ra khi nó làm việc ở điểm làm việc tối ưu dưới bức xạ có cường độ là 1000w/m2 và ở nhiệt độ 25oC, công suất đỉnh được đo bằng WP hay KWp . Hiệu suất biến đổi quang điện của pin mặt trời là tỉ số giữa công suất điểm đỉnh và ổng năng lượng bức xạ tới pin mặt trời ở 1 nhiệt độ cho trước. Công thức: (3.8) Trong đó hiệu suất biến đổi quang điện (%) A – Diện tích bề mặt pin mặt trời được chiếu sáng (m2). E0 – Cường độ bức xạ chuẩn (1000W/m2). Đối với pin mặt trời tinh thể Si thương mại hiệu suất thường vào khoảng từ (12-15%) . trong phòng thí nghiệm hiệu suất có thể đạt đến 20 – 22%. Như đã nói, nhiệt độ có ảnh hưởng lên các đặc trưng của pin mặt trời. Cụ thể là, dòng quang điện tăng theo nhiệt độ với giá trị 0,1 % khi nhiệt độ tăng 1oC hay 0,03 mA/oC.cm2. Sự tăng dòng quang điện của pin măt trời là do sự giảm độ rộng vùng cấm của vật liệu Eg khi nhiệt độ tăng theo định luât. Công thức: (3.9) Với a và b là hằng số phụ thuộc vào vật liệu, Eg(0)là độ rộng vùng cấm của vật liệu ở T = 00K. dưới đây là giá trị của Eg(0), a và b của vài vật liệu pin mặt trời điển hình: Bảng 3.2 Các giá trị Eg, a, b,của Si và GaAs Eg (0) (eV) A (10-4 eV) B (0K) Si 1.46 7 1100 GaAs 1.52 5.8 300 Thế hở mạch VOC giảm một cách tuyến tính với sự tăng nhiệt độ vì dòng bão hòa IS tăng theo hàm mũ. Dòng bão hòa là dòng của các hạt tải không cơ bản được tạo ra do kích thích nhiệt . Sự phụ thuộc của dòng bão hòa vào nhiệt độ có thể biểu diễn như sau: (3.10) Trong đó Io=Is (T= )=qALDgo Kết quả là công suất cực đại có thể của pin mặt trời bị giảm khoảng 0,35% khi nhiệt độ tăng 10C và vì thế hiệu suất của pin mặt trời cũng bị giảm với hệ số như vậy. hình 31 biểu diễn sự giảm của hiệu suất biến đổi quang điện theo nhiệt độ đối với các vật liệu Si và GaAs. 3.2.5.8 Hệ số lấp đầy (Fill Factor) Thừa số lấp đầy FF là tỷ số giữa công suất đỉnh Popt = Vopt . Iopt tích số Voc.Isc (3.11) FF = 4 20 10 30 300 400 500 600 T(K) Hiệu Suất % Si GaAs Hình 3.13 Sự phụ thuộc của hiệu suất vào nhiệt độ. Công nghệ sản xuất tế bào quang điện Pin mặt trời có thể chế tạo từ nhiều loại vật liệu khác nhau và rất đa dạng gồm : silic tinh thể, GaAs, a – Si (silic vô định hình) CdS, CdTe, vv. Công nghệ được sử dụng để sản xuất pin mặt trời cũng rất phong phú như công nghệ bốc bay tạo pin mặt trời màng mỏng. Công nghệ khuếch tán, công nghệ Ruban, công nghệ phân hủy silan tạo PMT silic vô định hình vv... Tuy nhiên vật liệu chủ yếu sử dụng trong công nghiệp chế tạo PMT hiện nay là Silic tinh thể và Silic vô định hình. Hướng vật liệu này sẽ còn phát triển vào đầu thế kỷ 21 nhờ đặc tính ổn định và kinh tế của chúng. 3.3.1 Pin mặt trời tinh thể Silic Từ vật liệu ban đầu là cát (SiO2) người ta tinh chế ra Silic rồi sau đó tạo Silic đa tinh thể bằng công nghệ đúc khối hoặc kéo thành đơn tinh thể theo công nghệ Choxranski. Khi đã có khối vật liệu tinh thể Silic, người ta cưa, cắt chúng bằng dao kim cương, laser ... thành các phiến tinh thể Silic dày khoảng 400 μm. Qua các công đoạn cưa, cắt, xử lý hóa học, mài, tẩy sạch bề mặt để chuẩn bị và các bước công nghệ tiếp theo vật liệu đã bị tiêu hao khoảng 50%. Sau khi đã có phiến Silic tinh thể tiêu chuẩn, người ta tiến hành bước quan trọng nhất trong công nghệ làm PMT là tạo lớp chuyển tiếp p – n bằng cách pha Brôm (Br), photpho (P) vào phiến pin Silic từ các nguồn Br, P rắn ở nhiệt độ 900 – 10000C. Đây là một chu trình đòi hỏi sự chính xác cao vì nó quyết định hiệu suất của PMT. Hình 3.14 Qui trình chế tạo pin mặt trời từ cát Bảng 3.3 Sản lượng pin mặt trời 1990 – 2000(MWp) Năm/PMT 1990 1995 2000 Silic tinh thể 31.7 85 190 Silic vô định hình 14.7 65 160 Tổng số 46.4 150 350 Nhiệt độ khuếch tán phải được khống chế ở độ xác chính cao để có được độ sâu khuếch tán mong muốn. Người ta đã áp dụng phương pháp cấy ion để giải quyết độ chính xác và tự động hóa của công đoạn chế tạo này. Tiếp theo, các nhà công nghệ phải tạo lớp tiếp xúc (contact) mặt trước và mặt sau để lấy điện ra và phủ lên bề mặt lớp màng chống phản xạ A.R.C – (Anti Reflection Coating). Hình 3.15 Cấu trúc pin mặt trời Silic tinh thể Khi có ánh sáng chiếu tới, hai loại hạt tải tự do được tạo ra trong lòng bán dẫn Silic gồm các điện tử tự do mang điện tích âm ở vùng dẫn và các lỗ trống tự do mang điện tích dương ở vùng hóa trị. Quá trình chuyển hóa quang năng mặt trời thành điện năng xảy ra khi các hạt tải tự do này được các photon ánh sáng kích hoạt và di chuyển theo hai chđiều ngược nhau dưới tác dụng của nội điện trường ở vùng chuyển tiếp p – n, dòng điện được lấy ra nhờ hai contact ở mặt trước và mặt sau của phiến PMT. Cấu trúc tiêu biểu của một phiến PMT silic tinh thể được mô tả trên hình 8. Trên cùng là lớp contact mặt trước được chế tạo bằng công nghệ in lưới, kế tiếp là màng chống phản xạ nhằm tăng cao hiệu suất chuyển hóa. Phần quan trọng nhất của phiến pin là lớp chuyển tiếp p – n tiếp theo là lớp contact mặt sau. Từ 2 lớp contact mặt trước và sau người ta hàn các dây Ni-Cr để lấy điện ra. Thông thường mỗi phiến PMT cho thế hở mạch khoảng 0,5V còn dòng ngắn mạch tùy thuộc theo dđiện tích của phiến PMT. Pin mặt trời Silic vô định hình Pin mặt trời Silic vô định hình ra đời sau cùng nhất. Ra mắt lần đầu tiên vào năm 1974 tại phòng thí nghiệm RCA của Mỹ. Tuy nhiên giá thành của nó rẻ hơn các loại khác nhờ quá trình chế tạo có nhiều ưu thế, chu trình khép kín, khả năng làm diện tích rộng. Do vậy mà pin mặt trời Silic vô định hình đã nhanh chóng chiếm lĩnh thị trường Màng TIO Hình 3.16 cấu trúc Pin mặt trời Silic vô định hình. Người ta tạo ra PMT vô định hình ở pha khí bằng cách phân hủy khí Silan SiH4 và chuyển tiếp P.I.N được tạo ra bởi sự pha tạp của khí B2H6 và PH4. Contact mặt trước được dùng là các loại màng oxit trong suốt như TiO, SnO ... nhưng phổ biến nhất là màng ITO (hình 9). Vì là loại pin vô định hình, nên nó có thể được chế tạo trên bất kỳ loại đế nào như : sắt, thủy tinh, sành sứ ... với diện tích rộng lớn hơn hẳn lọai pin tinh thể. Mỹ và Nhật Bản là hai nước dẫn đầu trong việc chế tạo loại pin này. Đặc biệt là Nhật Bản đã có hướng đầu tư táo bạo trong việc nghiên cứu đưa loại pin này thành một loại “vật liệu xây dựng” như ngói mặt trời và kính cửa sổ mặt trời. Có thể nói rằng đây là một loại PMT có rất nhđiều hứa hẹn trong thế kỷ tới khi mà kỹ thuật và công nghệ nâng được hiệu suất của nó lên cao hơn và độ lão hóa ổn định hơn. Những công bố gần đây của các công ty hàng đầu thế giới cho thấy đã đạt được những bước tiến dài về hiệu suất như SANYO 11,7% ; TDK 12% ; FUJI 11,5% ; ECD 11,3%; SOLAREX 10,9%; GLASS TECH 10,6%; ARCO SOLAR 10,2% ... Một sơ đồ nguyên lý chế tạo PMT vô định hình được mô tả trên hình 10. Hình 3.17 Sơ đồ thiết bị chế tạo pin mặt trời Si vô định hình Pin mặt trời hiệu suất cao Pin mặt trời Silic đa tinh thể Để hạ giá thành PMT, các hãng Solarex, Photowatt, Kyocera ... đã chọn Silic đa tinh thể, là vật liệu rẻ tiền, làm vật liệu chế tạo PMT. Vấn đề đặt ra là cần tăng hiệu suất của loại PMT này (năm 1990 mới đạt cỡ 10 – 12%). Rất nhiều phương pháp đã được thử nghiệm. Ví dụ trong chương trình châu Âu “Multichess”, các cơ sở như IMFC (Bỉ), CNRS và Photowatt, Eurosolaire và Enea (Ý) đã đạt được PMT diện tích 4cm2, hiệu suất 16,5% vào năm 1993, bằng cách sử dụng các công nghệ chế tạo PMT kỹ thuật cao nêu ở điểm a, b, c, e, f và g trong bảng 5. Ngày nay, các PMT của Photowatt sử dụng phương pháp đạt hiệu suất 15% trên diện tích 100cm2. Viện công nghệ Georgran thu được hiệu suất 17,7% trên đế 1cm2 và Kyocera thu được 16,4% trên dđiện tích 225cm2. Như vậy hiệu suất 16% đối với PMT Silic đa tinh thể là đã đạt được, để có thể sản xuất đại trà. Bảng 3.4 Các công nghệ PMT hiệu suất cao STT Công nghệ Mục đích A Thụ động hóa emitter N+ bằng oxide Giảm tái hợp bề mặt trước B Làm mỏng lớp Emitter Thụ động hóa bề mặt trước C Sử dụng trường mặt sau bằng cách pha tap Bo Tạo trường mặt sau p+ vaf giarm tasi hợp d Tạo bề mặt gồ ghề bằng lazer và tạo contact Ni chìm Tăng độ góp hạt giảm độ che của contact mặt trước. e Gotter bằng phopho Cải thiện chất lượng vật liệu đế P f Bốc hơi chân không contact g Màng chống phản xạ ARC kép Silic đơn tinh thể Phương pháp đạt hiệu suất cao: Các hãng sản xuất PMT lớn nhất thế giới là Siemens Solar và BP Solar ở châu Âu, Solarex (Mỹ), Kyocera (Nhật) vv... sử dụng Silic đơn tinh thể chế tạo bằng phương pháp Czochralsky để làm vật liệu đế. Có hai điểm bất lợi là phiến Silic rất đắt và có dạng tròn, không tđiện lợi khi đóng module. Ưu điểm chính là cùng công nghệ chế tạo, hiệu suất biến đổi quang điện cao hơn Silic đa tinh thể từ 1 – 2%. Tuy nhiên xét về giá thành trên watt đỉnh của thành phẩm là như nhau. Bạn có thể thấy thỏi Silicon có hình trụ mà không phải là hình khối là do quá trình xử lí Czochralski , thỏi được tạo bằng cách kéo và quay silicon nóng chảy và hình dạng tự nhiên của tinh thể Silicon trong kết quả của quá trình trên là hình tròn chứ không phải hình vuông. Các tiến bộ đang được thực hiện: Theo phân tích của Siemens Solar, giá thành cuối cùng phụ thuộc giá nguyên liệu (20 –40USD/kg), chiều dày phiến Silic và hiệu suất biến đổi quang điện . Bằng cách giảm độ dầy phiến Silic dưới 200μm, giảm độ che contact mặt trước, có thể đạt giá thành PMT 2USD/Wp. Chương trình nghiên cứu của châu Âu lấy tên “Eurochess” gồm các phòng thí nghiệm ở Madrid (Tây Ban Nha), Freiburg (Đức) và Leren (Bỉ), hãng BP Solar và Siemens Solar có nhiệm vụ chung là đạt tới hiệu suất 18% bằng công nghệ mà giá thành sản xuất chấp nhận được trong công nghiệp. BP Solar đã đạt được 16,5%. Các cố gắng tập trung vào việc tạo màng contact kim loại rẻ tiền như : in lụa, lắng đọng hóa học Nikel, hoặc tạo bề mặt trước gồ ghề bằng ăn mòn hóa học, xử lý cơ học. Các PMT hiệu suất cao: Bằng cách sử dụng contact bốc bay, màng chống phản xạ kép, emitter và contact định xứ, Viện năng lượng mặt trời Freiburg (Đức) đã đạt được hiệu suất 20,7% trên dđiện tích 4cm2 từ vật liệu Silic đơn tinh thể chế tạo từ Pin mặt trời có tiếp xúc phương pháp Czochralsky (Cz). Thay vật liệu này bằng Silic đơn tinh thể chế tạo từ phương pháp nóng chảy vùng thẳng đứng (Si Fz), bằng công nghệ tương tự, Vđiện Freiburg đạt hiệu suất 22,3% trên dđiện tích 4cm2. Bằng vật liệu Si Fz, với các cấu trúc PMT khác, các kỷ lục về hiệu suất cũng đã đạt được. Chúng ta nêu ra hai trường hợp điển hình: Các PMT Perc và Perl của đại học Sydney (Úc) đã đạt được hiệu suất 23,5% trên diện tích 4cm2 (6) trong hình 36 : Perc (passivated emitter and real cell) : Bề mặt trước được làm gồ ghề theo kiểu “Piramid” bằng phương pháp quang khắc (photolito – graphic), emitter và bề mặt sau được thụ động hóa bằng oxid. Perl (passivated emitter and real locally diffused cell) : loại PMT này giống như trên cộng thêm lớp p+ định xứ mặt sau. Hình 3.18 PMT “PERC” Đại học Sydney PMT với contact cầu nối mặt sau đạt được 22,7% trên dđiện tích 8cm2 từ năm 1988 ở California. Ngoài việc giảm thiểu chđiều dày vùng n+ và p+, các vùng này được nối ra mặt sau để giảm sự che của contact kim loại mặt trước. Các loại PMT đã được đưa vào sản xuất ở qui mô nhỏ trong nhà máy. Sau đây là hai ví dụ : PMT TPER (Textured, passivated, real field and reflection cell) được cơ quan nghiêng cứu vũ trụ Đức chế tạo đạt hiệu suất 18,5% và hiệu suất cực đại đạt 19,4% trên dđiện tích 23cm2 mà không dùng phương pháp quang khắc (hình 37) : Hình 3.19 PMT TPER PMT với contact cầu nối (hình 38) của Sunpower đạt hiệu suất 21,1% và cực đại đạt 22% trên dđiện tích 18cm2 với hai bước quang khắc được bán cho hãng Honda để trang bị cho ô tô Dream phục vụ các cuộc thi ô tô mặt trời. Chúng ta có thể kết luận rằng PMT Silic đơn tinh thể với hiệu suất 20% hoàn toàn có thể đạt được trong một ngày gần đây với giá chấp nhận được. PMT có thể đạt được hiệu suất cao hơn với công nghệ rất đắt tiền rất khó chấp nhận cho mục tiêu sử dụng bình thường trên mặt đất. Tuy vậy chúng ta có thể dùng công nghệ chế tạo PMT hội tụ cao cho mục tiêu đó. Hình 3.20 PMT contact cầu nối Pin mặt trời GaAs Sau Silic, GaAs là vật liệu bán dẫn được sử dụng nhđiều nhất cho vi điện tử. Đối với sử dụng mặt trời nó có ưu điểm là đạt thế hở mạch cao (1,0V thay vì 0,7V đối với Si) và hiệu suất biến đổi quang điện cao (kỷ lục là 25% thay vì 23%) mặc dù phổ hồng ngoại gần như bị cắt làm giảm dòng nối tắt xuống còn 28mA/cm2 (thay vì 40mA/cm2). Công nghệ chế tạo phức tạp hơn nhđiều so với PMT Si vốn không thể sử dụng phương pháp thụ động hóa bằng oxid, nhưng có thể thay thế bằng lớp “cửa sổ” Ga-xAlxAs) (x gần bằng 0,9), contact mặt trước thường được chế tạo trên lớp bề mặt pha tạp mạnh định xứ nhờ phương pháp quang khắc. Các đơn tinh thể của đế thường chiếm bề mặt nhỏ và rất đắt nhưng người ta có thể thay thế bằng đơn tinh thể Ge. PMT GaAs được chế tạo bằng nhiều lớp hợp chất có nồng độ pha tạp khác nhau, một trong những cấu trúc đơn giản nhất được trình bày ở bảng 6. Các lớp này được tạo ra trong quá trình tinh thể được lớn lên liên tục. Sự lớn lên của tinh thể xảy ra trong pha lỏng, pha hơi hoặc bằng bán phân tử trong thiết bị rất phức tạp và bắt buộc phải sử dụng khí vô cùng độc. Bảng 3.5 Cấu trúc PMT GaAs Chđiều dầy (μm) Câu trúc Hợp kim Pha tạp (cm3) 0,5 0,05 0,5 3 0,75 1,5 300 –500 Contact Cửa sổ Emitter Đế Trường mặt sau Lớp đệm Đế GaAs Gan-1AlnAs GaAs GaAs Gan-8Aln-2 As GaAs GaAs P = 1,6.1020 P = 1018 P = 5.1018 N =1,7.1017 N = 1018 N = 1019 N = 1016 Về vấn đề này, Varian (Mỹ ) và Viện kỹ thuật Ioffé (Nga) đạt được những kết quả rất xuất sắc. Vđiện kỹ thuật Ioffé đã thử sản xuất pilot PMT GaAs phục vụ mục tiêu phục vụ trên mặt đất và ngoài vũ trụ và hiện đang tiếp tục được đầu tư bởi kinh phí của Mỹ. Ở Pháp, một phòng thí nghiệm chuyên dụng đã được CNRS thành lập ở Valbonne vào năm 1983, do ông C.Vérié, sau đó ông P.Gibart phụ trách đã đạt được nhiều kết quả xuất sắc, nhờ sự đầu tư đáng kể và những kinh nghiệm thực hành cực kỳ xuất sắc. Họ đạt được hiệu suất kỷ lục 26% trên dđiện tích 0,04cm2 đối với PMT có cấu trúc như ở bảng 6 và cấu trúc Tandems. Những cố gắng như vậy cần được đảm bảo bằng nguồn kinh phí lâu dài. Nói thêm về phương pháp quang khắc: Quang khắc là tập hợp các quá trình quang hóa nhằm thu được các phần tử trên bề mặt của đế có hình dạng và kích thước xác định. Có nghĩa là quang khắc sử dụng các phản ứng quang hóa để tạo hình. Bề mặt của đế sau khi xử lý bề mặt được phủ một hợp chất hữu cơ gọi là chất cản quang (photoresist), có tính chất nhạy quang (tức là tính chất bị thay đổi khi chiếu các bức xạ thích hợp), đồng thời lại bền trong các môi trường kiềm hay axit. Cản quang có vai trò bảo vệ các chi tiết của vật liệu khỏi bị ăn mòn dưới các tác dụng của ăn mòn hoặc tạo ra các khe rãnh có hình dạng của các chi tiết cần chế tạo. Cản quang thường được phủ lên bề mặt tấm bằng kỹ thuật quay phủ (spin-coating). Cản quang được phân làm 2 loại Cản quang dương: Là cản quang có tính chất biến đổi sau khi ánh sáng chiếu vào sẽ bị hòa tan trong các dung dịch tráng rửa. Cản quang âm: Là cản quang có tính chất biến đổi sau khi ánh sáng chiếu vào thì không bị hòa tan trong các dung dịch tráng rửa. Pin mặt trời đa phổ Nguyên lý của loại này rất đơn giản : người ta phân phổ mặt trời thành nhđiều lớp, mỗi lớp được chuyển hóa bởi một PMT tương ứng. Muốn đạt hiệu suất cao, tất cả các PMT phải chuyển hóa tối đa bức xạ mặt trời chưa bị hấp thụ bởi lớp trước đó. Loại PMT kép, còn gọi là “tandem” khá phức tạp được mô tả trên hình 39. Về phương dđiện điện , có nhđiều khả năng thay đổi. PMT tandem với hai đầu ra có thể xây dựng cho sự hoạt động đồng nhất, về nguyên lý không phức tạp hơn nhđiều so với GaAs nhưng có hai điều kiện rất khó thực hiện : đó là sự bằng nhau của dòng nối tắt của 2 pin và vị trí trung gian ở giữa hai pin của một diod “đường ngầm” (tunel) bán trong suốt như một thành phần nối. PMT tandem bốn lối ra dễ chế tạo hơn và có hiệu suất cao hơn. Hình 3.21 PMT tandem Các hệ pin mặt trời hội tụ Trong một hệ thống quang điện , thành phần đắt tiền nhất là PMT. Nếu ta giảm dđiện tích của PMT C lần nhờ hệ hội tụ C lần, ta có thể giảm giá thành hệ PMT ngay khi nó được gắn quay tự động về hướng mặt trời, hoặc ngay cả khi nó không chuyển hóa được thành phần khuếch tán của bức xạ mặt trời. Rõ ràng một hệ hoạt động như vậy có thể hoạt động trong vùng nhiệt đới nơi bức xạ trực tiếp rất cao khoảng 6 – 7,5KWh/m2/ngày và sự tối ưu hóa sẽ tăng hiệu suất của toàn hệ thống. Trên hình 40 và 41 ta thấy sơ đồ sử dụng thấu kính Fesnel và và nắp đậy hình lăng trụ giảm độ che của răng contact mặt trước. Thấu kình Fesnel là hệ phổ biến nhất, được hãng Entech – Texas nổi tiếng của Mỹ chọn để sử dụng. Hệ thống tự quay theo mặt trời tuy có làm phức tạp thêm về cơ khí và giảm một ít độ ổn định của toàn hệ thống, nhưng hệ này có thể thúc đẩy năng lượng sinh ra một cách đáng kể, đôi khi từ 20 – 40%. Ngoài làm cần chú ý sử dụng hệ thống làm lạnh để nhiệt độ của PMT không tăng lên nhđiều. Hình 3.22 Thấu kính Fresnel Hình 3.23 Nấp che lăng tụ giảm độ che của contact Ưu điểm chính của PMT hội tụ là tăng hiệu suất chuyển hóa lên C lần (C là hệ số hội tụ). Lý do rất đơn giản : thế hở mạch là loga của dòng nối tắt, vì vậy lấy gần đúng cũng là logic. Để tận dụng tối đa yếu tố này cần giảm điện trở nối tiếp của PMT, khi đó tăng bề rộng của các lưới contact mặt trước với sự phủ lớp hình lăng trụ để giảm sự che của contact mặt trước. Với sự hoàn hảo về công nghệ, BP Solar đạt được hiệu suất 20,1% đối với các PMT hiệu suất 18% khi hệ số hội tụ C =1. Pin mặt trời cho vũ trụ Mỗi năm các vệ tinh và tàu vũ trụ sử dụng hàng trăm MWp PMT, chiếm khoảng 3% thị trường PMT nói chung. Giá PMT vũ trụ vào thập niên 1960 tới 1000USD/Wp. Ngày nay giá PMT dùng cho vũ trụ khoảng 55USD/Wp, đắt hơn 15 lần so với sử dụng ở mặt đất vì yêu cầu chất lượng cao, các yếu tố đó là : độ tin cậy phải hoàn hảo, hiệu suất cao và trọng lượng nhỏ. Về hiệu suất phải tính đến dùng PMT ở trên vũ trụ với bức xạ lớn hơn 35% trên mặt đất, nhưng hiệu suất giảm đi 1-2% vì phổ bức xạ hơi dịch về ánh sáng xanh. Ngoài ra còn phải tính đến “vành đai bức xạ” thường phá hoại PMT ở độ cao 700 – 14.000km và sự thay đổi của nhiệt độ rất lớn (từ -1500C đến 600C). Phục vụ cho mục tiêu sử dụng ngoài vũ trụ, người ta thường sử dụng PMT GaAs hoặc PMT Si đơn tinh thể hiệu suất cao. So với PMT Si, PMT GaAs có hiệu suất cao hơn nhđiều thường có thể gấp rưỡi. Sử dụng PMT cho mục đích vũ trụ là ứng dụng đầu tiên và còn là ứng dụng lâu dài trong tương lai. Pin mặt trời vũ trụ chính là chìa khóa cho Công nghệ thông tin Viễn thông qua các vệ tinh. Có thể nói PMT vũ trụ đã đưa loài người sang một kỹ nguyên công nghệ mới, thông tin viễn thông toàn cầu và hàng loại các tđiện ích của công nghệ thông tin. Hình 3.24 Trạm Skylab – giàn pin mặt trời 20W phóng lên vũ trụ 1973 Triển vọng của pin mặt trời hiệu suất cao Các PMT Si đơn tinh thể chế tạo bằng phương pháp Cz và sử dụng các công nghệ chế tạo được cải tiến, đạt được hiệu suất 16 – 18%. Các PMT Si hiệu suất cao và pin GaAs đạt hiệu suất 20 – 25% và đang là hướng nghiên cứu cần tiếp tục. Tuy vậy đối tượng sử dụng khá hẹp, chủ yếu dùng cho các con tàu vũ trụ. Giữa hai hướng trên là PMT hội tụ rất thuận lợi cho việc sử dụng ở các nước nhiệt đới. Song song với những tiến bộ này của PMT hiệu suất cao, PMT đa tinh thể và vô định hình với giá thành hạ cũng là một hướng đáng quan tâm, sẽ được bàn đến ở phần khác. Hiện nay, các tấm pin mặt trời truyền thống đang gặp phải vấn đề về tính hiệu quả trong việc hấp thu năng lượng. Các tấm pin này chỉ hấp thu được khoảng 20% năng lượng từ ánh sáng. Tuy nhiên gần đây, một kỹ sư thuộc trường đại học Missouri, Mỹ đã phát triển một tấm pin năng lượng mặt trời linh hoạt hơn, có khả năng hấp thu đến 90% năng lượng từ ánh sáng. Ông dự định sẽ đưa những sản phẩm thử nghiệm đầu tiên đến tay người tiêu dùng trong vòng năm năm tới. Hệ thông nguồn điện pin mặt trời 3.4.1 Hệ thống nguồn pin mặt trời độc lập Đối với các khu vực nơi mà không có lưới điện vươn tới sử dụng với quy mô nhỏ thường sử dụng nguồn Pin mặt trời độc lập. Một hệ thống nguồn Pin mặt trời độc lập gồm các bộ phận chính sau: Dàn Pin mặt trời. Bộ tích trữ điện năng. Các thiết bị điều khiển, biến đổi điện , tạo cân bằng năng lượng trong hệ. Thiết bị tiêu thụ điện . Hình 3.25 Sơ đồ khối hệ thông pin mặt trời độc lập Hình 3.26 Nguồn Pin mặt trời nối lưới Hệ thống pin mặt trời nối lưới Trong hệ thông pin mặt trời nối lưới thì điện mặt trời được tạo ra thì chuyển đổi thành AC và hòa vào mạng lưới công nghiệp. Đây là công nghệ được phổ biến ở các nước phát triển Pin mặt trời đã lâu năm như: Mỹ, Nhật, Pháp, Đức, Ưu điểm của hệ thống này là có thể không phải dùng bộ dự trữ điện năng, xem lưới như là bồn chứa điện năng khi cần thì có thể lấy ra sử dụng, đây là phương pháp không phải tốn chi phí của bộ tích trữ năng lượng, nhưng phải chăm sóc bảo dưỡng phức tạp. Thiết kế và lắp đặt các hệ thống pin mặt trời Dàn pin mặt trời Modun pin mặt trời: Vì các pin mặt trời làm việc ngoài trời lâu dài, vì vậy để bảo vệ các mối nối dây, bề mặt của pin, tăng tuổi thọ của pin ta cần phải đóng pin mặt trời trong vật liệu trong suốt. Vì vậy người ta đóng nhiều pin trong vật liệu trong suất gọi là modun pin mặt trời. Mỗi modun có công suất và hiệu điện thế nhất định. Hiện nay với pin mặt trời Si thì một modun chỉ khoảng 100Wp và có diện tích khoảng 1m2. Tấm pin mặt trời: Hình 3.27 Cell – Module – Array Trong thực tế mỗi modun mặt trời có công suất và hiệu điện thế có định. Như vậy để có được hiệu suất và hiệu điện thế như ý muốn của tải ta phải ghép các modun với nhau, tùy theo tải ta có thể ghép nối tiếp hoặc song song hoặc hỗn hợp. Nếu như đòi hỏi có dòng điện lớn ta ghép các modun song song và muốn có hiệu điện thế lớn ta ghép song song, trong thực tế người ta thường ghép hỗn hợp các modun với nhau. Ghép nối tiếp modun pin mặt trời với nhau Hai modun giống hệt nhau có: ISC=ISC1= ISC2 (3.12) VOC1= VOC2 Với: ISC là dòng đoản mạch VOC là thế hở mạch Hai modun mắc nối tiếp thì chúng có cùng đường đặc tính VA. Trong điều kiện bức xạ mặt trời chiếu xuống các tấm mắc nối tiếp là bằng nhau thì: + Dòng đoản mạch của hệ: ISC=ISC1= ISC2 (3.13) + Thế hở của hệ: VOC=VOC1+ VOC2 (3.14) Công suất điện do mỗi modun cấp cho tải bằng nhau và tải nhận được tổng công suất của hai modun: P=P1+P2=2P1=2P2 (3.15) R Hình 3.28 Modun pin mặt trời ghép nối tiếp Ghép song song modun pin mặt trời với nhau Ở điều kiện đoản mạch: (R=0) Isc= Isc1 + Isc2 , V=0 (3.16) Ở điều kiện hở mạch (R = ): Voc= Voc1= Voc2 ; I=0 Ở các tải khác, 0 < R < I= I1 + I2 ; V=V1=V2 (3.17) P=I.V=( I1 + I2 ).V=P1+P2 R Hình 3.29 Modun mặt trời ghép song song Các thông số kỹ thuật của Modun Pin mặt trời Để tránh các ghép nối không đúng các modun tạo thành dàn lớn (tức là để tránh hiệu ứng điểm nóng đã trình bày ở trên), người sản xuất cần phải đo đạc, kiểm tra chính xác một số các đặc trưng dưới đây và ghi rõ trên modun hoặc trong các tài liệu bán kèm modun: - Công suất làm việc cực đại Pmax (Wp) - Dòng điện ngắn mạch Isc (A) - Thế hở mạch Voc (V) - Dòng điện làm việc tối ưu Iopt (A) - Thế làm việc tối ưu Vopt (V) - Hiệu suất cực đại (%) - Vùng nhiệt độ làm việc cho phép (0C) - Kích thước, trọng lượng modun. Các đặc trưng điện phải được đo ở điều kiện tiêu chuẩn quốc tế. Cụ thể là: Nguồn bức xạ để đo phải có phổ như phổ bức xạ mặt trời, có mật độ 1000W/m2 và ở nhiệt độ chuẩn Tc=250C. Ngoài các do đạc trên, các modun còn phải đạt các tiêu chuẩn khác như: độ cách điện , độ bền cơ học (chịu được gió cấp 12 hay 130km/h, chịu được mưa đá), chịu độ ẩm, Các bước thiết kế hệ năng lượng mặt trời Lựa chọn sơ đồ khối. Căn cứ vào yêu cầu và đặt trưng của tải tiêu thụ mà ta thiết kế sơ đồ khối thích hợp. Mõi thành phần trong sơ đồ khối đều có một tổn hao năng lượng nhất định cho nên khi thiết kế phải hạn chế càng ít khối càng tốt. Đối với một hệ thống tải DC thì ta có sơ đồ khối đơn giản như sau: Hình 3.30 Sơ đồ khối hệ nguồn pin mặt trời đơn giản Tính toán các thành phần trong hệ nguồn Có một số phương pháp thiết kế, tính toán dưới đây là phương pháp thống dụng nhất được dung để tính toán thiết kê dàn pin mặt trời chủ yếu dựa trên sự cân bằng điện năng hàng ngày. Tính điện năng tải yêu cầu Điện năng của tải tiêu thụ được tính theo ngày hoặc theo tháng và theo năm. Giả sử hệ gồm các thiết bị A,B,C có các công suất tiêu thụ lần lượt là Pa, Pb, Pc. Và thời gian làm việc trong ngày của chúng là ta, tb, tc Thì tổng điện năng mà tải yêu cầu trong một ngày cần là: En = Pa.ta + Pb.tb + Pc.tc +. (3.18) Từ đó ta có thể suy ra năng lượng hệ cần trong một tháng hay trong một năm. Tính hiệu suất truyền năng lượng của hệ Gọi η1: hiệu suất của thành phần thứ nhất η2 : hiệu suất của thành phần thứ 2 η3: hiệu suất nạp phóng của acquy. Thì hiệu suất của hệ sẽ được tính theo công thức: ηS = η1 .η2 .η3 Năng lượng hàng ngày cần phải cấp cho hệ, Eout Năng lượng hàng ngày dàn pin mặt trời phải cung cấp cho hệ, Eout được tính theo công thức: (3.19) Tính dung lượng dàn pin mặt trời W đỉnh (Peak Watt, Wp) Trong công thức tính toán dung lượng dàn pin mặt trời thường được tính ra công suất đỉnh hay cực đại (peak Watt,Wp), tức là công suất dàn pin mặt trời phát ra ở điều kiện tổng xạ chuẩn E0 = 1000W/m2 và ở nhiệt độ chuẩn T0 = 250C. Ta tính cho trường hợp dàn pin mặt trời phải đảm bảo đủ năng lượng cho tải liên tục cả năm. Khi đó cường độ bức xạ mặt trời dùng để tính phải là cường độ bức xạ hàng ngày trung bình cua tháng thấp nhất trong năm. Nếu gọi Ith - cường độ bức xạ trên mặt phẳng ngang. IDh – Cường độ bức xạ nhiễu xạ trên mặt phẳng ngang. Của thánh có bức xạ thấp nhất, thì tổng cường độ bức xạ trên mặt phẳng nghiêng góc so với mặt phẳng ngang được tính theo công thức: (3.20) Ở đây ITt là cường độ tổng xạ (= trực xạ + nhiễu xạ) trên mặt phẳng nghiêng, R là hệ số phản xạ của mặt nền nơi có lắp đặt dàn pin mặt trời. Vì các góc tới vàcủa tia mặt trời đối với mặt phẳng nghiêng và mặt phẳng ngang phụ thuộc phức tạp van giờ quan sát hàng ngày, vào tháng trong năm, vào vĩ độ đặt hệ năng lượng nên người ta có thể tính gần đúng khi tính tỷ số ở thời gian giữa trưa. Từ công thức (1), ta có thể suy ra đối với mặt dàn pin mặt trời hướng Nam cho các cho các địa phương ở Bắc Bán Cầu và nghiên góc. Ta có: - Đối với mặt phẳng ngang: nên Đối với mặt phẳng nghiêng : (hướng mặt Nam), và (3.21) Với là vĩ độ địa điểm lắp đặt dàn pin mặt trời, có thể lấy là góc lệch trung bình của tháng đang tính toán. Dung lượng dàn Pin mặt trời tính ra Peak watt (Wp) sẽ là: (3.22) Trong đó cường độ tổng xạ trên mặt nghiêng ITt tính theo Wh/m2.ngày và ta đã đặt cường độ tổng xạ chuẩn E0=1000W/m2. Trong thiết kế, việc chọn giá trị tổng xạ trung bình ngày ITh và do đó ITt có ý nghĩa rất quan trọng. Nếu lấy giá trị của các đại lượng đó của ngày bức xạ mặt trời thấp nhất trong năm, như đã nói ở trên, có nghĩa là phải chọn dàn pin mặt trời có dung lượng lớn, thì trong các tháng còn lại năng lượng hệ nguồn phát ra là dư thừa, hiêu quả đầu tư sẽ thấp. Còn nếu chọn ngày bức xạ trung bình của cả năm để thiết kế, thì dung lượng dàn pin sẽ nhỏ hơn, chi phí ít hơn, nhưng đó hoặc phải dùng các máy điện phụ ( có thể cũng là pin mặt trời hay diezen,) hoặc phải cắt giảm tải tiêu thụ. Tóm lại việc vận dụng công thức phụ thuộc rất nhđiều vào yêu cầu cụ thể của hộ tiêu thụ, vào kinh nghiệm của người thiết kế. Hiệu chỉnh hiệu ứng nhiệt độ. Dung lượng dàn pin mặt trời theo nói trên chỉ đủ cấp cho tải ở nhiệt độ chuẩn To=250C. Khi làm việc ngoài trời, do nhiệt độ của của các pin mặt t trời cao hơn nhiệt độ chuẩn, nên hiệu suất biến đổi quang điện của pin và modun pin mặt trời bị giảm. Để hệ làm việc bình thường ta phải tăng dung lượng tấm pin lên. Gọi dung lượng của dàn pin có kể đến hiệu ứng nhiệt độ là E(Wp,T) thì: Trong đó được xác định theo công thức ηM(T) = ηM(TC).(1+PC.(T-TC)) (3.23) Tính số module mắc song song và nối tiếp. - Thế làm việc tối ưu Vmd - Dòng điện làm việc tối ưu Imd - Công suất đỉnh Pmd Số modun cần phải dung cho hệ được tính từ tỷ số: (3.23) Số modun nối tiếp thành dãy trong dàn pin được xác định từ điện thế yêu cầu của hệ V: (3.24) Còn số dãy modun ghép song song được xác định từ dòng điện toàn phần của hệ I: (3.25) Trong đó N=Nnt.Nss. Trong tính toán ở trên. Ta đã bỏ qua điện trờ dây nối, sự hao phí năng lượng do bụi phủ trên dàn pin mặt trời, Nếu cần phải tính đến các hao phí đó, người ta thường đưa vào một hệ số K và dung lượng dàn pin mặt trời khi đó sẽ là: K.E(Wp,T) (3.26) Với K được chọn trong khoảng (1-1.2) tùy theo các điều kiện thực tế, và thường được gọi là các hệ số an toàn của hệ. Dung lượng của bộ acquy tính theo ampe-giờ,Ah (3.27) Dung lượng tính ra Ah của bộ acquy phụ thuộc vào thế làm việc của hệ V, số ngày cần dự trữ năng lượng (số ngày không có nắng) D, hiệu suất nạp phóng điện của acquy và độ sâu phóng điện thích hợp DOS và được tính theo công thức: (C cũng có thể tính ra oat-giờ, Wh, dùng công thức Wh=Ah x V x BF). Nếu V là hiệu điện thế làm việc của hệ thống nguồn, còn v là hiệu điện thế của mỗi acquy, thì số bình mắc nối tiếp trong bộ là: (3.28) (3.29) Số dãy bình mắc song song là: Trong đó mỗi bình có dung lượng Cb tính ra Ah. Tổng số bình acquy được xác định như sau: (3.30) (V/v) Ở đây V là điện thế của bộ acquy, v là điện thế mỗi bình acquy Trong công thức D là số ngày dự phòng không có nắng được lựa chọn dựa trên số liệu khí tượng về số ngày không có nắng trung bình trong tháng đã nói ở trên và vào yêu cầu thực tế của tải tiêu thụ. Tuy nhiên khong nên chọn D quá lớn, ví dụ >10 ngày, vì khi đó dung lượng acquy sẽ rất lớn, vừa tốn kém về chi phí, lại vừa làm cho acquy không khi nào được nạp no, gây hư hỏng cho acquy. Thông thường D được chọn trong khoảng từ 3 đến 10 ngày. Độ sâu phóng điện DOS đối với acquy chì được chọn trong khoảng 0.6 đến 0.7. Xác định công suất tải Do mô hình có công suất nhỏ nên có thể áp dụng cách thức tính toán sơ bộ gần đúng như sau: Phần bóng đèn được thiết kế gồm 32 con led siêu sáng mõi con có điện áp định mức là 3.2V. Do đó khi sử dụng acquy 6V (khi đầy là 6.4V) ta phải nối tiếp 2 led lại thành 16 dãy và mắc song song nhau: Dòng điện qua mõi led là 20mA vậy công suất P của bóng đèn là : P=6,4.20.10^-3.16=2W Để thấp sáng trong 1 ngày 10 giờ. Vậy mõi ngày cần một lượng acquy là 2Ah Ta chọn acquy loại khô có điện áp định mức là 6V và dung lượng là 4.5 Ah. Xác định công suất tấm pin Với acquy 6V, 4.5Ah để nạp được thì yêu cầu đặt ra là: Về điện áp Unạp= 7,2V-7,7V. để thỏa mãn điều kiện này ta chọn điện áp của tấm pin phát ra là 9V tương đương với 18 cell 0.5V mắc nối tiếp Về dòng điện nạp theo tiêu chuẩn nạp ắcquy thì dòng nạp tốt nhất là bằng 1/10 ampe giờ tức là Inạp=0.45 A Từ đây ta tính được công suất tấm pin mặt trời cần sử dụng P=0,45.9=4.05W. Do cong suất của mõi cell là 1/3W với 18cell sử dụng ta có 6W. Như vậy với tấm pin 6W ta có thể đẩm bảo được yêu cầu nạp ắcquy trong một ngày. Thi công thiết kế module Module pin mặt trời được chúng em tự thiết kế và thi công, sau đây xin trình bày phần thi công module: Mõi cell có 2 mặt mặt trên hướng về phía mặt trời là cực âm, mặt dưới là cực dương, do vậy để nối tiếp các cell ta hàn mặt liên tiếp các contact mặt trên của cell trước với các contact mặt dưới của cell trên rồi cho ra hai đầu cực âm và dương như hình bên dưới. Sau khi hàn xong các cell lại với nhau ta dùng silicon để định vị các cell trên mặt sau của bo đồng. Phần làm khung cho mô hình ta thiết kế một khung nhôm bằng với kích thướt của bo đồng sau đó cho đậy một tấm kiến lên trên và cho vào khe rãnh ở giữa khung nhôm. Sau đó ta tiến hành trét một lớp silicon xung quanh các khe rãnh của tấm panel để chống thấm nước. Hình 3.31 Modun pin mặt trời hoàn thành. Hình 3.32 Mô hình chiếu sáng pin mặt trời công suất nhỏ