Tải bản đầy đủ

THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH CHIẾU SÁNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH CHIẾU SÁNG SỬ DỤNG
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Tác giả

LÊ THỊ THU
HOÀNG VĂN TÀI

Khóa luận được đề trình để đáp ứng yêu cầu
cấp bằng kỹ sư ngành
Công Nghệ Nhiệt Lạnh

Giáo viên hướng dẫn
TS. Nguyễn Huy Bích
ThS. Lê Quang Giảng

Tháng 6/2012
i


LỜI CẢM ƠN



Trước khi trình bày nội dung nghiên cứu của luận văn, chúng em xin dành
những dòng đầu tiên để gởi lời cảm ơn chân thành đến:
Đầu tiên tận lòng mình chúng con xin bày tỏ lòng thành kính và biết ơn sâu sắc
đến Cha, Mẹ, người đã sinh thành, nuôi nấng dạy dỗ, luôn bên cạnh chăm lo, động
viên, khuyến khích giúp chúng con từng bước trưởng thành và có như ngày hôm nay.
Gia đình luôn là hậu thuẫn vững chắc nhất, giành cho chúng con những điều kiện tốt
để chuyên tâm vào học tập. Xin chân thành cảm ơn những người thân trong gia đình
luôn ủng hộ con trong suốt thời gian qua.
Xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc đến TS. Nguyễn Huy Bích và Th.s
Lê Quang Giảng. Các thầy đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ chúng em trong suốt thời
gian thực hiện đề tài.
Xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong Bộ Môn Công Nghệ Nhiệt Lạnh và
các thầy, các anh trong trung tâm CN & TBL, đã giúp đỡ chúng em thực hiện đề tài
Xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Nông Lâm, Ban chủ
nhiệm khoa Cơ Khí - Công Nghệ cùng quý Thầy Cô đã tận tình giảng dạy và tạo mọi
điều kiện thuận lợi cho chúng em trong suốt quá trình học tập tại trường.
Sau cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè thân yêu, những người đã cùng
chung vai, sát cánh, giúp đỡ và đóng góp ý kiến cho chúng tôi trong những năm ở
giảng đường đại học.
Chân thành cảm ơn!
TPHCM, Ngày 25 tháng 6 năm 2012
Người thực hiện

Hoàng Văn Tài.

ii

Lê thị Thu.


TÓM TẮT
Đề tài “Thiết kế chế tạo mô hình chiếu sáng sử dụng năng lượng Mặt Trời (NLMT)”
được thực hiện từ tháng 2- 6/2012 tại trung tâm công nghệ và thiết bị lạnh (CN&TBL)
trường đại học Nông Lâm TPHCM.
Mục đích đề tài:
 Xây dựng mô hình chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện để
chiếu sáng trong chuồng trại chăn nuôi hoặc sinh hoạt.
 Nghiên cứu thiết kế và chế tạo đèn chiếu sáng tiết kiệm điệng năng với công


nghệ chiếu sáng LED.


Tạo ra sản phẩm để sử dụng làm mô hình học tập môn học “Năng lượng
mặt trời và Sinh khối”.

Nội dung của đề tài:
 Tìm hiểu về nguồn NLMT và Pin Mặt Trời.
 Tìm hiểu các loại đèn chiếu sáng để chọn ra loại đèn tiết kiệm điện năng
LED.
 Thiết kế, chế tạo mô hình chiếu sáng ứng dụng NLMT.
 Khảo nghiệm, đánh giá, so sánh hiệu quả của hệ thống chiếu sáng so với
các hệ thống thông thường.
Kết quả thực hiện:
Sau một thời gian thực hiện đề tài thì đã thu được một số kết quả sau đây:
 Thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh mô hình gồm có bộ thu NLMT và bộ đèn LED
 Các bộ đèn sử dụng nguồn DC tiết kiệm điện năng hơn so với các loại đèn
khác nhau có cùng công suất có trên thị trường mà vẫn đảm bảo độ sáng đạt
yêu cầu.

iii


SUMMARY

The Bachelor thesis named "Designing and manufacturing a model using solar energy
for lighting” has been conducted at the Nong Lam University Ho Chi Minh City
during the period from 02/2012 to 06/2012 under the advice of Dr. Nguyen Huy Bich
and Mr. Le Quang Giang.
The objectives of the thesis are:
 To develop a model of lighting for farms or living using the DC electricity
transferred from solar energy;
 To calculating, designing, and manufacturing the system of saving energy lights
use the LED technology;
 To made a sample of solar energy lighting system for practice of the course of
“Solar Energy and Biomass”.
The thesis includes:


Comprehensive of solar energy and solar cells,



The saving energy lights of lighting



Designing and manufacturing a model of solar energy lighting



Experimental investigation, evaluation, and comparison the solar energy
lighting system with the convectional ones.

The achieved results of the thesis are:
 A model of solar energy lighting including the solar cells and the LED lighting
has been designed and manufactured completely.
 The LED lights using the DC system are more efficiency and higher luminous
in terms of saving energy comparing with the others have same consumption
power.

iv


Danh mục các từ viết tắt:
NLMT

: Năng Lượng Mặt Trời

LED

: Light Emiting Diode

AC

: Alternating current (dòng điện xoay chiều)

DC

: Direct current (dòng điện một chiều)

CLF

: Tiêu chuẩn áp dụng cho bóng đèn huỳnh quang compact

CTCP Red Sun

: Công ty cổ phần Red Sun ( Mặt Trời đỏ).

VA

: Cường độ dòng điện theo điện thế.

Acquy

: Thiết bị lưu trữ điện năng.

ISC

: Dòng điện đoản mạch (A/m2)

Iph

: Dòng quang điện (A/m2)

Is

: Dòng bảo hòa (A/m2)

N

: Là hệ số lý tưởng pin mặt trời có thể lấy gần đúng n=1

Rs

: Điện

Q

: Điện tích điện tử (C)

I0

: Hằng số dòng điện ngược bão hòa.

k

: Hằng số Boltzman = 8,617.10-5 eV/K.

T

: Nhiệt độ lớp tiếp xúc (ºC)

Is(  )

: Mật độ photon có bước sóng

Kq

: Hiệu suất đóng góp của lớp tiếp xúc

B

: Các tải tiêu thụ điện.

P

: Công suất tiêu thụ (W)

t

: Thời gian làm việc (s)

trở trong của pin mặt trời (Ω)

v


η

: Là hiệu suất của cả hệ thống (%)

Ec

: Năng lượng điện mặt trời cần thiết (Wp)

E

: Công suất của dàn pin mặt trời (Wp)

ηm

: Là hiệu suất của pin ở nhiệt độ T (%)

Vm

: Điện thế làm việc tối ưu (V)

Im

: Dòng làm việc tối ưu (A)

Pm

: Công suất đỉnh (WP)

D

: Số ngày cần dự trữ năng lượng.

ηb

: Hiệu suất nạp phóng điện của acquy.

DOS

: Độ sâu phóng điện thích hợp (khoảng 0,6 - 0,7).

Eng

: Công suất tiêu thụ điện bình quân trong ngày (Wh/ngày)

Voc

: Điện áp hở mạch (V).

VPvmax

: Điện áp lớn nhất của pin mặt trời (V)

IPvmax

: Dòng

PV

: Hiệu

TPV

: Nhiệt

C

: Dung lượng của Acquy (Ah)

điện lớn nhất của pin mặt trời (V)

suất pin mặt trời (%)
độ hoạt động (ºC)

vi


Danh Sách Các Hình:

Hình 2. 1. Ch.Frits, nhà phát minh người Mỹ và tấm pin mặt trời đầu tiên ....................4 
Hình 2. 2. Cấu tạo pin mặt trời ........................................................................................5 
Hình 2. 3. Phân loại pin mặt trời .....................................................................................7 
Hình 2. 4. Hệ thống 2 mức năng lượng E1Hình 2. 5 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời ...........................................................10 
Hình 2. 6. Đồ thị cường độ theo điện thế V-A ..............................................................13 
Hình 2. 7. Cấu tạo của LED ..........................................................................................20 
Hình 2. 8. Hiệu suất năng lượng của các loại đèn chiếu sáng ....................................22 
Hình 2. 9. Cấu tạo của Acquy........................................................................................29
Hình 3. 1: Một số dụng cụ đo khảo nghiệm ..................................................................33
Hình 4. 1: Sơ đồ khối của hệ thống ...............................................................................35 
Hình 4. 2: Hình chiếu đứng và chiếu bằng của giá đỡ bộ thu năng lượng mặt trời ......38 
Hình 4. 3: Acquy 12V_40Ah.........................................................................................39 
Hình 4. 4: Sơ đồ nguyên lý mạch nạp acquy .................................................................39 
Hình 4. 5: Mạch sạc Acquy ...........................................................................................40 
Hình 4. 6: Sơ đồ nguyên lý bộ đèn LED .......................................................................42 
Hình 4. 7: Bộ đèn B1 hình chữ nhật 2,4 W do nhóm chế tạo .......................................42 
Hình 4. 8: Bộ đèn B2 hình chữ nhật 2,9 W do nhóm chế tạo. ......................................43 
Hình 4. 9: Bộ đèn B3 hình tròn 3,9 W do nhóm chế tạo. ..............................................43 
Hình 4. 10: Bộ đèn B4 hình vuông 5,5 W do nhóm chế tạo. ........................................44 
Hình 4. 11: Bộ đèn B5 hình chữ nhật 5,8 W do nhóm chế tạo. ....................................44 
Hình 4. 12: Mô hình đã chế tạo hoàn thiện. ..................................................................45 
Hình 4. 13: Bộ đèn LED B4 và đèn sợi đốt...................................................................49 
Hình 4. 14: Bộ đèn LED B3,B4 và đèn compact ..........................................................49 
Hình 4. 15: Bộ đèn LED B2,B3,B4,B5 và đèn compact ...............................................50 
Hình 4. 16: Bộ đèn LED B1,B2,B3,B4,B5 và đèn compact .........................................50 
Hình 4. 17: Bộ đèn LED B3 và đèn compact ................................................................51 
Hình 4. 18. Bộ đèn LED B2 và đèn compact ................................................................51 
vii


Danh sách Các Bảng Biểu:
Bảng 1:Bảng phân tích và so sánh 3 loại đèn thông dụng.............................................24 
Bảng 2: Độ chiếu sáng ở các khu vực hoạt động ..........................................................26 
Bảng 3:Kết quả khảo nghiệm. .......................................................................................47 
Bảng 4:Kết quả khảo nghiệm xác định cường độ dòng điện, công suất của bộ đèn. ....48 
Bảng 5: Bảng so sánh các loại đèn ................................................................................52 
Bảng 6: Hiệu suất thu NLMT của tấm pin. ...................................................................53 
Bảng 7. Bảng thông số kết quả khảo nghiệm ................................................................54 
Biểu đồ 1. Mối quan hệ giữa thời gian bức xạ mặt trời và cường độ dòng điện ...........54

Danh sách Các Phụ Lục:
Phụ lục 1:Một số số liệu tham khảo về Pin mặt trời .....................................................58 
Phụ lục 2: Một số tính chất của vật liệu Pin mặt trời....................................................60 
Phụ lục 3: Bảng cường độ bức xạ trung bình theo lãnh thổ..........................................61 
Phụ lục 4: Số giờ năng trung bình cả năm của các vùng theo lãnh thổ........................62 
Phụ lục 5: Bảng số liệu khảo nghiệm ngày 06/04/2012 ................................................63 
Phụ lục 6: Một số hình ảnh tham quan kiến tập. ...........................................................65 
Phụ lục 7:Một số hình ảnh khảo nghiệm mô hình. ........................................................70 

viii


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ ii 
TÓM TẮT....................................................................................................................... iii 
Danh mục các từ viết tắt: ................................................................................................. v 
Danh sách Các Bảng Biểu: ........................................................................................... viii 
Danh sách Các Phụ Lục:............................................................................................... viii 
Chương 1. MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1 
1.1.  ĐẶT VẤN ĐỀ ................................................................................................... 1 
1.2.  MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI .......................................................................................... 2 
1.2.1.Mục đích ......................................................................................................... 2 
1.2.2. Nội dung nghiên cứu ..................................................................................... 2 
Chương 2. TỔNG QUAN................................................................................................ 3 
2.1. TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI . .............................................. 3 
2.1.1. Pin mặt trời và lịch sử phát truyển ................................................................ 4 
2.1.2. Cấu tạo của pin mặt trời ................................................................................ 5 
2.1.3. Phân loại pin mặt trời .................................................................................... 6 
2.1.4. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời: ......................................................... 7 
2.1.5. Các đặc trưng của điện mặt trời................................................................... 10 
2.1.6. Cơ sở tạo quang điện. ................................................................................. 12 
2.1.7. Ứng dụng của pin mặt trời........................................................................... 14 
2.2. TỔNG QUAN VỀ CHIẾU SÁNG ..................................................................... 15 
2.2.1. Các loại đèn chiếu sáng có trên thị trường. ................................................. 16 
2.2.2. Giới thiệu về đèn LED................................................................................. 19 
2.2.3. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của LED ................................................... 20 
2.2.4. Ứng dụng của đèn LED ............................................................................... 20 
2.2.5. Tính năng và đặc điểm của đèn LED. ......................................................... 23 
2.2.6. So sánh chi phí năng lượng của bóng đèn LED với phương pháp chiếu sáng
thông thường:......................................................................................................... 24 

ix


2.3. HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG SỬ DỤNG ĐIỆN MẶT TRỜI ............................. 27 
2.3.1. Tính phụ tải điện theo yêu cầu: ................................................................... 27 
2.3.2.. Tính năng lượng điện mặt trời cần thiết Ec : .............................................. 28 
2.3.3. Công suất của dàn pin mặt trời : .................................................................. 28 
2.3.4. Tính số module mắc song song và nối tiếp : ............................................... 28 
2.3.5. Tính dung lượng của bộ Acquy: ................................................................. 29 
2.3.5. Bộ điều khiển sạc pin mặt trời (Solar Charger Controller) ........................ 30 
Chương 3. NỘI DUNG, PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN ................................ 31 
3.1. NỘI DUNG ........................................................................................................ 31 
3.2. PHƯƠNG PHÁP TIẾN HÀNH ......................................................................... 31 
3.2.1. Phương pháp kế thừa: .................................................................................. 31 
3.2.2. Phương pháp tính toán thiết kế .................................................................... 31 
3.2.3. Phương pháp khảo nghiệm. ......................................................................... 32 
3.3. PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN .......................................................................... 33 
3.3.1. Dụng cụ chế tạo. .......................................................................................... 33 
3.3.2. Dụng cụ đo đạc khảo nghiệm. ..................................................................... 33 
3.3.3. Tài liệu từ các giáo trình, internet. .............................................................. 34 
3.3.4. Phần mềm phụ trợ: ..................................................................................... 34 
Chương 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ..................................................................... 35 
4.1. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH ................................................................. 35 
4.1.1 Sơ đồ khối của hệ thống .............................................................................. 35 
4.1.2. Tính toán chọn pin mặt trời và thiết kế bộ khung giá đỡ ............................ 36 
4.1.3. Tính toán chọn lựa Acquy và bộ điều khiển sạc. ....................................... 38 
4.1.4. Tính toán thiết kế chế tạo bộ phận chiếu sáng bằng đèn LED. ................... 41 
4.2. KHẢO NGHIỆM THỰC TẾ.............................................................................. 46 
4.2.1. Khảo nghiệm bộ thu năng lượng mặt trời. .................................................. 46 
4.2.2. Khảo nghiệm bộ Đèn. .................................................................................. 48 

x


4.3. THỐNG KÊ CÁC KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................. 53 
4.3.1. Hiệu suất tấm thu năng lượng mặt trời. ....................................................... 53 
4.3.2. Hiệu suất biến đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện. ................ 54 
Chương 5. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ......................................................................... 56 
5.1. KẾT LUẬN. ....................................................................................................... 56 
5.2. ĐỀ NGHỊ. .......................................................................................................... 56 
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 57 
PHỤ LỤC. ..................................................................................................................... 58 

xi


Chương 1. MỞ ĐẦU
1.1.

ĐẶT VẤN ĐỀ

Nhu cầu về năng lượng của con người trong thời đại khoa học kỹ thuật phát
triển ngày càng tăng. Trong khi đó các nguồn nhiên liệu dự trữ như than đá,dầu mỏ,
khí thiên nhiên và ngay cả thủy điện đều có hạn, giá thành ngày càng cao, nguồn cung
không ổn định dẩn đến nguy cơ thiết hụt năng lượng.Vì vậy việc tìm kiếm và sử dụng
các nguồn năng lượng tái tạo thay thế cho năng lượng truyền thống như năng lượng
mặt trời, năng lượng gió… là hướng đi rất quan trọng và đầy tiềm năng trong kế hoạch
phát triển nguồn năng lượng.
Việc nghiên cứu sử dụng năng lượng mặt trời ngày càng được quan tâm. Năng
lương mặt trời được coi là nguồn năng lượng ưu việt trong tương lai, đó là nguồn năng
lượng tại chổ, sẳn có, siêu sạch và miễn phí. Do vậy năng lượng mặt trời ngày càng
được sử dụng rộng dãi ở các nước trên thế giới.
Ở Việt Nam tiềm năng về năng lượng mặt trời là rất lớn vì có lợi thế là một
trong những nước nằm trong giải phân bổ ánh nắng mặt trời nhiều nhất trong năm trên
bản đồ bức xạ mặt trời của thế giới, với dải bờ biển dài hơn 3000km, có hàng nghìn
đảo hiện có cư dân sinh sống nhưng nhiều nơi không thể đưa điện lưới đến được.
Vì vậy, sử dụng năng lượng mặt trời như một nguồn năng lượng tại chỗ để thay
thế cho các dạng năng lượng truyền thống khác, đáp ứng nhu cầu của các vùng dân cư
này. Tuy nhiên, việc ứng dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam cho đến nay vẩn chưa
được chưa phát triển lắm.
Một trong những lĩnh vực tiêu tốn khá nhiều năng lượng điện nhất hiện nay là
chiếu sáng, ước tính lượng điện dùng trong chiếu sáng trên thế giới chiếm 19% tổng
điện năng và là một trong những nguyên nhân gây hiệu ứng nhà kính lên tới 6%, theo
dự kiến lượng điện sử dụng trong chiếu sáng của toàn cầu trong 20 năm tới sẽ tăng
60%, riêng ở nước ta lượng điện tiêu thụ cho chiếu sáng chiếm 25% và tăng 15%/năm,
do đó thiết kế xây dựng hệ thống chiếu sáng hiệu quả sẽ cắt giảm thị phần thế giới
1


điện, điều này sẽ tiết kiệm cho quốc gia và người tiêu dùng điện một lượng tiền đáng
kể, và giảm lượng khí thải độc hại ra môi trường.
Việc tìm ra những thiệt bị chiếu sáng tiết kiệm năng lượng là phương án tiết
kiệm năng lượng hiệu quả nhất. Chính vì thế mà công nghệ chiếu sáng bằng đèn LED
đang được ưu tiên hàng đầu với những ưu điểm: “tiết kiệm 75% điện so với bóng đèn
thường, tuổi thọ cao, thân thiện với môi trường”.
Từ những lý do trên cùng với sự định hướng và dẫn dắt của Thầy hướng dẫn,
trong đề tài này chúng tôi đã “THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH CHIẾU SÁNG SỬ DỤNG
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI”

1.2.

MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI

1.2.1.Mục đích
 Xây dựng mô hình chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện
để chiếu sáng trong chuồng trại chăn nuôi hoặc sinh hoạt.
 Thiết kế lựa chọn hệ đèn chiếu sáng sao cho cường độ chiếu sáng cao và
tiêu thụ năng lượng ít để phù hợp với sử dụng năng lượng mặt trời.
 Tạo ra sản phẩm để sử dụng làm mô hình học tập môn học “Năng lượng mặt
trời và Sinh khối”.
1.2.2. Nội dung nghiên cứu
 Tìm hiểu về sử dụng năng lượng mặt trời trong chiếu sáng.
 Tính toán, thiết kế và lắp đặt bộ phận thu năng lượng mặt trời và hệ thống
đèn chiếu sáng.
 Khảo nghiệm và đánh giá hệ thống.

2


Chương 2. TỔNG QUAN
2.1. TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI .
Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng mà con người biết sử dụng từ rất sớm,
nhưng ứng dụng năng lượng mặt trời vào các công nghệ sản xuất và trên quy mô rộng
thì mới chỉ thực sự vào cuối thế kỷ 18 và cũng chủ yếu ở những nước nhiều năng
lượng mặt trời, những vùng sa mạc. Từ sau các cuộc khủng hoảng năng lượng thế giới
năm 1968 và 1973, năng lượng mặt trời càng được đặc biệt quan tâm. Các nước công
nghiệp phát triển đã đi tiên phong trong việc nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt
trời.
Các ứng dụng năng lượng mặt trời phổ biến hiện nay bao gồm 2 lĩnh vực chủ
yếu. Thứ nhất là năng lượng mặt trời được biến đổi trực tiếp thành điện năng nhờ các
tế bào quang điện bán dẫn, hay còn gọi là Pin mặt trời, các Pin mặt trời sản xuất ra
điện năng một cách liên tục chừng nào còn có bức xạ mặt trời chiếu tới. Lĩnh vực thứ
hai đó là sử dụng năng lượng mặt trời dưới dạng nhiệt năng, ở đây, chúng ta dùng các
thiết bị thu bức xạ nhiệt mặt trời và tích trữ nó dưới dạng nhiệt năng để dùng vào các
mục đích khác nhau.
Ở đề tài này chúng em chỉ nghiên cứu đến lĩnh vực thứ nhất đó là; sử dụng
NLMT biến đổi trực tiếp thành điện năng nhờ các pin mặt trời (tế bào quang điện).

3


2.1.1. Pin mặt trời và lịch sử phát truyển
Pin mặt trời là gì?
Pin mặt trời (pin quang điện) là công nghệ sản xuất ra điện năng từ các chất bán
dẫn dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời. Khi ánh sáng chiếu tới các tế bào quang điện,
nó sẽ sản sinh ra điện năng. Khi không có ánh sáng, các tế bào này ngừng sản xuất
điện. Quá trình chuyển đổi này còn được gọi là hiệu ứng quang điện.
Lịch sử phát triển của pin mặt trời
* Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp
Alexandre Edmond Becquerel.

Hình 2. 1. Ch.Frits, nhà phát minh người Mỹ và tấm pin mặt trời đầu tiên
* 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.
* Năm 1954 tế bào quang điện đạt hiệu suất 6% được làm từ Silíc (Phòng thí nghiệm
Bell ở Mỹ) và Cu2S/CdS (Không quân Mỹ).
* Năm 1963 Sharp Corp (Nhật) đã sản xuất những tấm pin mặt trời tinh thể Silíc
thương mại đầu tiên.
4


* Năm 1966 Đài quan sát thiên văn của NASA sử dụng hệ thống pin mặt trời công
suất 1kW.
* Năm 1973 năm quan trọng của điện mặt trời. Do cuộc khủng hoảng dầu mỏ, các
nước bắt đầu quan tâm nhều hơn tới năng lượng tái tạo. Ngôi nhà đầu tiên được lắp hệ
thống pin mặt trời làm từ Cu2S do trường ĐH Delaware chế tạo.
* Năm 1982 Nhà máy điện mặt trời đầu tiên có công suất 1MW được hoàn thành ở
Mỹ.
* Năm 1995 dự án thí điểm “1000 mái nhà” lắp pin mặt trời của Đức, là động lực cho
việc phát triển chính sách về điện mặt trời ở Đức và ở Nhật.
* Năm 1999 tổng công suất lắp đặt pin mặt trời trên thế giới đạt 1GW.
* Năm 2010, tổng công suất pin mặt trời trên thế giới đạt 37,4GW (trong đó Đức có
công suất lớn nhất với 7,6GW.)
2.1.2. Cấu tạo của pin mặt trời
Cấu tạo của pin mặt trời là một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biến đổi trực tiếp
năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên trong.

Hình 2. 2. Cấu tạo pin mặt trời

5


Pin mặt trời được sản xuất và ứng dụng phổ biến hiện nay là các pin Mặt Trời
được chế tạo từ vật liệu tinh thể bán dẫn silicon (Si) có hóa trị 4. Từ tinh thể Si tinh
khiết, để có vật liệu tinh thể bán dẫn Si loại n người ta pha tạp chất donor là photpho
(P) có hóa trị 5. Còn để có vật liệu bán dẫn loại p thì pha tạp chất acceptor được dùng
để pha vào Si là Bo có hóa trị 3. Đối với pin Mặt Trời từ vật liệu tinh thể Si khi được
chiếu sáng thì điện thế hở mạch giữa hai cực khoảng 0,5V, còn dòng điện đoản mạch
của nó dưới bức xạ mặt trời 1000W/m2 vào khoảng 25-35 mA/cm2. Hiện nay người ta
cũng đã đưa ra thị trường pin mặt trời bằng vật liệu Si vô định hình (a-Si). Pin a-Si có
ưu điểm là tiết kiệm được vật liệu trong sản xuất nên có giá thành rẻ hơn. Tuy nhiên
so với pin mặt trời tinh thể thì hiệu suất biến đổi quang điện của nó thấp và kém ổn
định khi ở ngoài trời.
Ngoài Si, ngoài ta còn nghiên cứu thử nghiệm các loại vật liệu khác có nhiều
hứa hẹn như hệ bán dẫn hợp chất bán dẫn nhóm III-V, sunfi cadmi-đồng (CuCdS),
galium-arsenit (GaAs),Tuy nhiên, hiện nay việc nghiên cứu và chế tạo pin mặt trời từ
vật liệu khác Si mới chỉ thực hiện ở quy mô nhỏ trong phòng thí nghiệm.
Mặt khác nhằm nâng cao hiệu quả biến đổi quang điện của pin Mặt Trời người
ta thiết kế chế tạo các pin Mặt Trời gồm nhiều lớp tiếp xúc pn để tăng cường khả năng
hấp thụ photon có năng lượng khác nhau trong phổ năng lượng mặt trời.
2.1.3. Phân loại pin mặt trời
Đơn tinh thể: module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski. Đơn tinh thể loại
này có hiệu suất tới 16%. Chúng thường rất mắc tiền do được cắt từ các thỏi hình ống,
các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module.
Đa tinh thể: được 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 đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém
hơn. Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn
tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó.

6


Vô định hình: Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có
cấu trúc đa tinh thể, Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhất
trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon.

Hình 2. 3. Phân loại pin mặt trời
2.1.4. Nguyên lý hoạt động 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 hiệu ứng quang điện.
Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên vào năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp
Alexandre Edmond Becquerel.
Xét một hệ 2 mức năng lượng điện tử 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

(2.1)


Hình 2. 4. Hệ thống 2 mức năng lượng E1Trong 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 (kí hiệu h+). Lỗ trống này có thể di chuyển và
tham gia vào quá trình dẫn điện.
Phương trình hiệu ứng lượng tử:

eV  hv  e   h 

(2.2)

Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lượng của photon và chuyển từ vùng
hoá trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử –lỗ trống là:

hV  E g  Ec  Ev

(2.3)

Suy ra bước sóng tới hạn λC của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e-- h+ là:

C  hc ( E  E )
C
V

(2.4)


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. 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 mạch 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 như vậy lỗ trống di
chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn.
Một photon chỉ cần có năng lượng lớn hơn năng lượng 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. Vì thế hầu hết năng
9


lượng mặt trời chuyển đổi thành năng lượng nhiệt nhiều hơn là năng lượng điện sử
dụng được.

Hình 2. 5 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời
2.1.5. Các đặc trưng của điện mặt trời.
2.1.5.1. Dòng đoản mạch ISC
Dòng đoản mạch ISC là dòng điện trong mạch của pin mặt trời khi làm ngắn
mạch ngoài (chập các cực ra của pin). Lúc đó hiệu điện thế mạch ngoài của pin V=0.
Khi đó:

Trong đó:

qR I

 R I
I SC  I ph  I S exp S SC  1  S SC
nkT
RSh



(2.5)

ISC

dòng điện đoản mạch (A/m2)

Iph

dòng quang điện (A/m2)

Is

dòng bảo hòa (A/m2)

N

là hệ số lý tưởng phụ thuộc vào mức độ hoàn thiện chế tạo
pin mặt trời có thể lấy gần đúng n=1


Rs

điện trở trong của pin mặt trời (Ω)

Q

điện tích điện tử (C)

2.1.5.2. Điện thế hở mạch Voc
Hiệu điện thế hở mạch là hiệu điện thế đo được khi mạch ngoài của pin mặt trời
hở. Khi đó dòng điện ngoài I=0.
Điện thế hở được xác định:

VOC 

nkT I ph
ln
q
IS

(2.6)

2.1.5.3. Điểm làm việc với công suất cực đại.
Xét một đường đặc trưng VA của pin mặt trời với một cường độ bức xạ cho trước và ở
nhiệt độ xác định. Nếu các cực của pin mặt trời được nối với tải tiêu thụ điện thì điểm
cắt nhau giữa đường đặc trưng VA của pin mặt trời và đường đặc trưng của tải tiêu thụ
trong tọa độ OIV là điểm làm việc của pin mặt trời. Công suất của pin mặt trời cấp cho
tải r là diện tích giới hạn bởi hoàng độ và trung độ của điểm làm việc đó. Tồn tại một
giá trị R=Ropt mà tại đó công suất tiêu thụ là cực đại và ứng với công suất cực đại của
pin mặt trời.

POPT  V OPT . I OPT

(2.7)

2.1.5.4. Các tham số ảnh hưởng tới chế độ làm việc và hiệu suất của
pin mặt trời.
Có 5 tham số ảnh hưởng tới chế độ làm việc và hiêu suất của pin mặt trời. Đó là:
 Điện trở nối tiếp ( điện trở trong) RS.
 Điện trở sơn ( điện trở dò) RSh.
 Dòng bảo hòa Is.
 Cường độ bức xạ mặt trời E.
 Nhiệt độ của pin T.

11


2.1.6. Cơ sở tạo quang điện.
Sự thay đổi dòng điện theo điện thế khi lớp tiếp xúc p-n không được chiếu sáng:
I dark  I 0 (e

Với:

qV
kT

 1)

(2.8)

I0

hằng số dòng điện ngược bão hòa.

q

điện tích của điện tử.

k

hằng số Boltzman = 8,617.10-5 eV/K.

T

nhiệt độ lớp tiếp xúc.

Khi chiếu sáng qua lớp tiếp xúc p-n, điện tích từ các cặp electron vào lỗ trống
tạo ra dòng điện qua lớp tiếp xúc. Do ánh sáng có nhiều độ dài sóng khác nhau nên
dòng điện do các photon bị hấp thụ là tổng của các sóng:
I sc  q  I s (  ) .K q .d 

Với :

(2.9)

Is(  )

mật độ photon có bước sóng

Kq

hiệu suất đóng góp của lớp tiếp xúc

Vậy nên dòng điện thực có là:
IV  I sc  I dark  I sc  I 0 (e

qV

kT

 1)

(2.11)

Đây là trường hợp lý tưởng. Thực tế cần thêm hệ số không lý tưởng vào khi đó
phương trình trở thành:
IV  I sc  I dark  I sc  I 0 (e

qV

mkT

 1)

(2.12)

Khi mạch hở không tải điện thế hở mạch V0C với Iv =0 là:
 I
 
Voc   kT .Ln  sc   1
 q   I 0  

12

(2.13)


Hình 2. 6. Đồ thị cường độ theo điện thế V-A
Hiệu suất chuyển đổi năng lượng của pin mặt trời xác định bởi hình chử nhật có
điện tích lớn nhất nằm trong đường đặc tính A-V.
Độ vuông của hình chử nhật thể hiện qua các hệ số:
FF 

I M VM
.
I SC VOC

(2.14)

FF=1 tối đa khi IM=ISC và VM=VOC. Thực tế do tính chất của các chất bán dẫn nên FF≤
0,85

Hiệu suất của pin:

 (%) 

I M .VM I SC .VOC .FF
.100

Sun
Sun

(2.15)


2.1.7. Ứng dụng của pin mặt trời.
Pin mặt trời có ưu điểm là gọn nhẹ có thể lắp bất kì đâu có ánh sáng mặt trời,
đặc biệt là trong lĩnh vực hàng không vũ trụ. Ứng dụng của pin mặt trời phát triển rất
nhanh, nhất là ở các nước phát triển. Ngày nay pin mặt trời được ứng dụng trong nhiều
dụng cụ cá nhân như máy tính, đồng hồ và các đồ dùng hằng ngày. Pin mặt trời còn
được dùng để chạy xe ôtô thay thế dần các nguồn năng lượng truyền thống, dùng trong
chiếu sáng công cộng, hộ gia đình, chiếu sáng sân vườn .v.v.
Hiện giá thành thiết bị của pin mặt trời còn khá cao, trung bình hiện nay khoảng
2- 5 USD/Wp.
Ở Việt Nam, với sự hỗ trợ của một số tổ chức quốc tế đã thực hiện xây dựng
các trạm điện dùng pin mặt trời phục vụ nhu cầu sinh hoạt và văn hóa của các địa
phương vùng sâu, vùng xa nhất là đồng bằng sông Cửu Long và Tây Nguyên. Tuy
nhiên giá thành của pin mặt trời còn quá cao so với thu nhập của người dân.
Dự án phát điện kết hợp giữa Pin mặt trời và thuỷ điện nhỏ, công suất 125 kW
được lắp đặt tại tỉnh Gia Lai.
Dự án phát điện lai ghép giữa Pin mặt trời và Tubine gió phát điện với công suất là 9
kW tại tỉnh Kom Tum.
Dự án Pin mặt trời cho các cơ quan hành chính và một số hộ dân của huyện đảo
Cô Tô. Tổng công suất lắp đặt là 15 kWp.
Dự án Pin mặt trời có công suất là 6.120 Wp được lắp đặt tại tỉnh Cao Bằng
phục vụ cho trạm xá, trụ sở xã, trường học và khoảng 10 hộ gia đình..
Trạm pin mặt trời nối lưới lắp đặt trên mái nhà làm việc Bộ Công thương, 54
Hai Bà Trưng, Quận Hoàn Kiếm, Hà Nội. Công suất lắp đặt 2.700 Wp.
Trung tâm Hội nghị Quốc gia sử dụng hệ thống Pin mặt trời công suất 154
KWp là công trình Pin mặt trời lớn nhất ở Việt Nam. Hệ thống pin mặt trời hòa vào
mạng điện chung của Trung tâm Hội nghị quốc gia.v.v..

14


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×