Nghiên cứu ứng dụng của năng lượng mặt trời (Pin Mặt Trời)

Trường ĐHBK Đà Nẵng
Khoa Cơ khí giao thông
Tiểu luận môn học
NĂNG LƯỢNG VÀ MÔI TRƯỜNG
Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng của năng lượng mặt trời (Pin Mặt Trời)
Nhóm SV: 1.Cao Thanh Giang
2.Nguyễn Bá Thành
3.Nguyễn Đức Hoàng
4.Trần Văn Bình
5.Nguyễn Viết Mỹ
Lời nói đầu
Từ khi con người biết đến sử dụng nhiên liệu phục vụ cho hoạt động sống cho đến nay, các
nguồn nhiên liệu truyền thống như xăng, dầu, than,… vẫn được sử dụng rộng rãi. Việc sử dụng các
nguồn nhiên liệu này gây nên sự ô nhiễm môi trường sống, mặt khác các nguồn nhiên liệu này cũng
đang dần cạn kiệt. Chính vì thế con người đã và đang nghiên cứu để tìm ra các nguồn nhiên liệu
khác sạch hơn, nhiều hơn như năng lượng gió, năng lượng đại dương, năng lượng mặt trời(NLMT).
Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng mà con người biết sử dụng từ rất sớm, nhưng ứng
dụng NLMT 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, NLMT càng được đặc
biệt quan tâm. Các nước công nghiệp phát triển đã đi tiên phong trong việc nghiên cứu ứng dụng
NLMT.
I/ Tổng quan về nghiên cứu và ứng dụng năng
lượng Mặt Trời
1. Năng lượng Mặt Trời là gì?
Năng lượng Mặt Trời là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ Mặt Trời, cộng với một phần nhỏ năng lượng
của các hạt nguyên tử khác phóng ra từ ngôi sao này.
Dòng năng lượng này sẽ tiếp tục phát ra cho đến khi phản ứng hạt nhân trên Mặt Trời hết nhiên liệu, vào khoảng 5
tỷ năm nữa.
2. Nghiên cứu và ứng dụng NLMT trên Thế Giới
Trên Thế giới, các nước có nhiều ánh nắng Mặt Trời sẽ thuận lợi hơn trong việc ứng dụng NLMT vào cuộc sống vì có

nguồn ánh sang dồi dào. Tại Thái Lan, Malaysia, Trung Quốc, Hàn Quốc từ nhiều năm nay đã coi hướng phát triển năng
lượng tái tạo như một quốc sách vì thế năng lượng mặt trời ở đây có sự tăng trưởng rất mạnh và chiếm một tỷ lệ đáng kể
trong cơ cấu phân bổ điện năng.
Tại Mỹ, Hungary, Đức, Thụy Sỹ từ nhiều năm nay cũng đã tăng nhanh tốc độ xây dựng các nhà máy sản xuất pin mặt
trời, trong đó chủ yếu xây dựng các nhà máy sản xuất pin màng mỏng vô định hình.
I/ Tổng quan về nghiên cứu và ứng dụng năng
lượng Mặt Trời
•
Hiện nay, trên thế giới đang sử dụng ba dạng pin mặt trời là tấm pin mặt trời
tinh thể, đa tinh thể và màng mỏng vô định hình. Trong đó, pin màng mỏng
vô định hình (Amorphous Silicon (a-Si)) được đặc biệt quan tâm bởi qua
thời gian vận hành loại pin này đã thể hiện tính ổn định và cho hiệu suất cao.
•
Bằng những thí nghiệm khác, các nhà khoa học còn xác định được pin a-Si
có thể làm việc được trong điều kiện trời có mây mù và cả trong môi trường
không khí có nhiệt độ cao mà các pin khác không làm việc được. Điều này
đã làm sáng tỏ vì sao trong bảng kết quả thí nghiệm ở trên pin a-Si cho sản
lượng điện nhiều hơn hai loại pin tinh thể.
I/ Tổng quan về nghiên cứu và ứng dụng năng
lượng Mặt Trời
3. Tại Việt Nam
Việt Nam với 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 3.000km, 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, đáp ứng nhu cầu của các vùng dân cư này là
một kế sách có ý nghĩa về mặt kinh tế, an ninh quốc phòng. Tuy nhiên, việc ứng dụng
năng lượng mặt trời ở Việt Nam cho đến nay chưa phát triển. Vì vậy, việc nghiên cứu
triển khai áp dụng năng lượng thay thế trong đó có năng lượng mặt trời là điều hết sức

cần thiết.
1. Khái niệm về Pin Mặt Trời
Pin Mặt Trời là phương pháp sản xuất điện trực tiếp từ năng lượng Mặt
Trời qua thiết bị biến đổi quang điện. Pin Mặt Trời có ưu điểm là gọn nhẹ,
có thể lắp đặt ở bất kỳ đâu có ánh sang Mặt Trời, đặc biệt là trong lĩnh vực
tàu vũ trụ. Ứng dụng NLMT dưới dạng này được phát triển rất nhanh nhất
là ở các nước phát triển.
3. Cơ sở lý thuyết của ứng dụng năng lượng Pin Mặt Trời
Pin MT làm việc theo nguyên lý là biến đổi trực tiếp bức xạ MT thành
điện năng nhờ hiệu ứng quang điện.
II/ Cơ sở lý thuyết của ứng dụng năng lượng Mặt Trời - Pin Mặt Trời
a) Hiệu ứng quang điện
Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên vào năm 1839 bởi nhà Vật Lý người
Pháp Alexandre Edmond Becquerel. Tuy nhiên 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 mạch nối.
E2
E1
hv
Hình 1.Hệ 2 mức năng lượng
Xét một hệ 2 mức năng lượng điện tử (hình 1) E1<E2.
Bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E1.
Khi nhận bức xạ mặt trời, lượng tử ánh sang photon có
năng lượng hv (h là hằng số Planck, v là vận tốc ánh sáng) bị
điện tử hấp thụ và chuyển lên mức năng lượng E2.
II/ Cơ sở lý thuyết của ứng dụng năng lượng Mặt Trời - Pin Mặt Trời
Ta có phương trình cân bằng năng lượng:
hv = E2-E1
Trong các vật thể rắn, do tương tác rất, mạnh của mạng tinh thể lên
điện tử vòng ngoài, nên các mức năng lượng của nó bị tách ra nhiều

mức năng lượng sát nhau và tạo thành các vùng năng lượng (hình 2).
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 hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm
một phần gọi là vùng dẫn, mặt dưới của vùng có năng lượng là Ec.
II/ Cơ sở lý thuyết của ứng dụng năng lượng Mặt Trời - Pin Mặt Trời
Cách ly giữa 2 vùng hóa trị và vùng dẫn là một
vùng cấp có độ rộng với năng lượng là Eg, trong đó
không 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 hóa trị thấp hấp
thu và nó có thể chuyển lên vùng dẫn để tạo thành
điện tử tự do e- ,để lại ở vùng hóa trị một lỗ trống có
thể coi như hạt mang điện dương h+ . Lỗ trống này có
thể di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện.
Tóm lại, khi vật rắn nhận tia bức xạ của Mặt trời, điện
tử ở vùng hóa trị hấp thụ năng lượng photon hv và
chuyển lên vùng dẫn và tạo ra cặp hạt 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.
II/ Cơ sở lý thuyết của ứng dụng năng lượng Mặt Trời - Pin Mặt Trời

b) Nguyên lý hoạt động của Pin mặt trời
Dựa vào hiệu ứng quang điện mà người
ta chế tạo Pin mặt trời để biến ánh sang
mặt trời thành điện năng sử dụng cho
cuộc sống.

Pin Mặt Trời
II/ Cơ sở lý thuyết của ứng dụng năng lượng Mặt Trời - Pin Mặt Trời

III/ Sơ đồ, nguyên lý, trang thiết bị của ứng dụng
năng lượng Pin Mặt Trời.
Pin Mặt Trời được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống của con người
chúng ta ngày này. Nó được dùng để cung cấp điện cho sinh hoạt, sản
xuất của con người, dùng để thay thế các nhiên liệu truyền thống như
xăng, dầu…để chạy động cơ.
Một trong ứng dụng của Pin Mặt Trời đó là tạo ra năng lượng điện
phục vụ cho sinh hoạt hàng ngày của con người.
Sơ đồ, trang thiết bị của ứng dụng Pin Mặt Trời trong việc tạo
điện thắp sáng cho hộ gia đình.
1. Tấm pin mặt trời:
Có nhiệm vụ biến quang năng thành điện năng
2. Bộ điều khiển sạc mặt trời (Solar Charger Controller):
Có chức năng điều khiển việc sạc điện từ tấm pin
NLMT cho ắc-quy, chống nạp quá tải
3. Bộ kích điện DC-AC
Là một thiết bị biến đổi điện áp một chiều (DC) của
bình ắcquy thành điện áp xoay chiều (AC) có tần số phù hợp
với lưới điện đang sử dụng.
4. Cầu dao chuyển mạch (Solar Inverter)
Dùng để chuyển mạch từ điện lưới và điện từ năng
lượng mặt trời. Có thể dùng loại cầu dao chuyển mạch thủ
công hoặc muốn tự động hoàn toàn, phải dùng tủ điều khiển
ATS.
5. Ắc quy (Battery)
Là thiết bị lưu trữ điện để sử dụng vào ban đêm hoặc
lúc trời ít hoặc không còn ánh nắng.
6. Thiết bị gia đình
Tivi, tủ lạnh, quạt…
Từ giàn pin mặt trời (solar cells), ánh sáng được biến đổi thành điện

năng, tạo ra dòng điện một chiều (DC Power). Dòng điện này được dẫn tới
bộ điều khiển (charge controller) là một thiết bị có chức năng có chức năng
tự động điều hòa dòng điện từ pin mặt trời và dòng điện nạp cho acquy
(Battery). Thông qua bộ đổi điện DC/AC (Inverter) tạo ra dòng điện xoay
chiều chuẩn 220V/50Hz để chạy các thiết bị trong gia đình như đèn chiếu
sáng, quạt, tivi, máy tính, tủ lạnh, máy bơm….
Nguyên lý hoạt động
Bộ sạc năng lượng mặt trời di động
Máy tính xách tay được tích hợp tấm pin năng lượng mặt trời,
tăng thời gian sử dụng cho người làm việc
IV/ Ứng dụng năng lượng Pin Mặt Trời trong việc thay thế
cho năng lượng truyền thống trong việc phát điện và động
cơ đốt trong hiện nay.
Ở Việt Nam, với sự hỗ trợ của nhà nước (các bộ, ngành) và một số tổ
chức quốc tế đã thực hiện thành công việc xây dựng các trạm pin mặt trời
có công suất khác nhau phục vụ nhu cầu sinh hoạt và văn hóa của các địa
phương vùng sâu, vùng xa, các công trình nằm trong khu vực không có
lưới điện. Tuy nhiên hiện nay pin mặt trời vẫn đang còn là món hàng xa
xỉ đối với các nước nghèo như chúng ta.
Đi đầu trong việc phát triển ứng dụng này là ngành bưu chính viễn
thông. Các trạm pin mặt trời phát điện sử dụng làm nguồn cấp điện cho
các thiết bị thu phát sóng của các bưu điện lớn, trạm thu phát truyền hình
thông qua vệ tinh.
Ở ngành bảo đảm hàng hải, các trạm pin mặt trời phát điện sử dụng
làm nguồn cấp điện cho các thiết bị chiếu sáng, cột hải đăng, đèn báo
sông. Trong ngành công nghiệp, các trạm pin mặt trời phát điện sử dụng
làm nguồn cấp điện dự phòng cho các thiết bị điều khiển trạm biến áp
500 kV, thiết bị máy tính và sử dụng làm nguồn cấp điện nối với điện
lưới quốc gia. Trong sinh hoạt của các hộ gia đình vùng sâu, vùng xa,
các trạm pin mặt trời phát điện sử dụng để thắp sáng, nghe đài, xem vô

tuyến. Trong ngành giao thông đường bộ, các trạm pin mặt trời phát
điện dần được sử dụng làm nguồn cấp điện cho các cột đèn đường chiếu
sáng.
Pin mặt trời được dùng để chạy xe ôtô
•
Các công trình ứng dụng:
Khu vực phía Nam ứng dụng các dàn Pin mặt trời (PMT) phục vụ thắp
sáng và sinh hoạt văn hoá tại một số vùng nông thôn xa lưới điện. Các
trạm điện mặt trời có công suất từ 500 - 1.000 Wp được lắp đặt ở trung
tâm xã, nạp điện vào ắc qui cho các hộ gia đình sử dụng. Các dàn PMT có
công suất từ 250 - 500 Wp phục vụ thắp sáng cho các bệnh viện, trạm xá
và các cụm văn hoá xã. Đến nay có khoảng 800 - 1.000 dàn PMT đã được
lắp đặt và sử dụng cho các hộ gia đình, công suất mỗi dàn từ 22,5 - 70
Wp. Khu vực miền Trung có bức xạ mặt trời khá tốt và số giờ nắng cao,
rất thích hợp cho việc ứng dụng PMT. Hiện tại ở khu vực miền Trung có
hai dự án lai ghép với PMT có công suất lớn nhất Việt Nam, đó là:
•
Dự án phát điện ghép giữa PMT và thuỷ điện nhỏ, công suất 125 kW được
lắp đặt tại xã Trang, huyện Mang Yang, tỉnh Gia Lai, trong đó công suất của
hệ thống PMT là 100 kWp (kilowatt peak) và của thuỷ điện là 25 kW. Dự
án được đưa vào vận hành từ cuối năm 1999, cung cấp điện cho 5 làng. Hệ
thống điện do Điện lực Mang Yang quản lý và vận hành.
•
Dự án phát điện lai ghép giữa PMT và động cơ gió phát điện với công suất
là 9 kW, trong đó PMT là 7 kW. Dự án trên được lắp đặt tại làng Kongu 2,
huyện Đak Hà, tỉnh Kon Tum, do Viện Năng lượng thực hiện. Công trình đã
được đưa vào sử dụng từ tháng 11/2000, cung cấp điện cho một bản người
dân tộc thiểu số với 42 hộ gia đình. Hệ thống điện do sở Công thương tỉnh
quản lý và vận hành.
Sơ đồ hệ thống điện gia đình

•
Các dàn pin đã lắp đặt ứng dụng tại các tỉnh Gia Lai,
Quảng Nam, Bình Định, Quảng Ngãi và Khánh
Hoà, hộ gia đình công suất từ 40 - 50 Wp. Các dàn
đã lắp đặt ứng dụng cho các trung tâm cụm xã và
các trạm y tế xã có công suất từ 200 - 800 Wp. Hệ
thống điện sử dụng chủ yếu để thắp và truyền thông;
đối tượng phục vụ là người dân, do dân quản lý và
vận hành.
•
Ở khu vực phía Bắc, việc ứng dụng các dàn PMT
phát triển với tốc độ khá nhanh, phục vụ các hộ gia
đình ở các vùng núi cao, hải đảo và cho các trạm
biên phòng. Công suất của dàn pin dùng cho hộ gia
đình từ 40 - 75 Wp. Các dàn dùng cho các trạm biên
phòng, nơi hải đảo có công suất từ 165 - 300 Wp.
Các dàn dùng cho trạm xá và các cụm văn hoá thôn,
xã là 165 - 525 Wp.
•
Tại Quảng Ninh có hai dự án PMT do vốn
trong nước (từ ngân sách) tài trợ:
- Dự án PMT cho đơn vị bộ đội tại các đảo
vùng Đông Bắc. Tổng công suất lắp đặt
khoảng 20 kWp. Dự án trên do Viện Năng
lượng và Trung tâm Năng lượng mới Trường
đại học Bách khoa Hà Nội thực hiện. Hệ
thống điện sử dụng chủ yếu để thắp sáng và
truyền thông, đối tượng phục vụ là bộ đội, do
đơn vị quản lý và vận hành.
- Dự án PMT 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 trên do
Viện Năng lượng thực hiện. Công trình đã
vận hành từ tháng 12/2001.
V/ Kết luận và kiến nghị
1. Kết luận
- Đối với các nước đang phát triển ở Châu Á như Thái Lan,Lào,Việt Nam…, việc thiết lập các đập thủy điện
mới để giải quyết nhu cầu điện năng cho quốc gia hiện tại là một việc làm thiếu tầm nhìn nghiêm chỉnh cho
tương lai. Họ không rút ra được kinh nghiệm của các quốc gia Tây phương đang trên đà phá vỡ các đập đã
xây dựng ngõ hầu tái tạo hệ sinh hái của vùng, đồng thời cũng không học hỏi kinh nghiệm về các tác hại của
moi trường vì không nghiên cứu tác động môi trường trong quá trình thiết lập đập.
- Đối với nguồn năng lượng nguyên tử, mức an toàn trong vận hành, việc giải quyết phế thải hạt nhân vẫn là
một dấu hỏi lớn và tác hại đến nhân sự và môi trường trong trường hợp tai nạn xảy ra đã làm cho nhiều quốc
gia do dự khi quyết định xây dựng thêm nhà máy. Thêm nữa năng lượng này thải hồi nhiều khí (CO2) ảnh
hưởng đến tầng ozone của bầu khí quyển và nhất là phế thải nguyên tử vẫn còn là một nan đề chưa giải
quyết được của nhân loại.
Do đó, năng lượng mặt trời thiết nghĩ vẫn là một nguồn năng lượng tương đối tối ưu cho điều kiện Việt
Nam đứng về phương diện địa dư và nhu cầu phát triển kinh tế trong tương lai.
Sử dụng năng lượng Mặt Trời sẽ góp phần hạn chế:
•
Việc hạn chế hiệu ứng nhà kính, và sự hâm nóng toàn cầu
•
Giải quyết ô nhiễm môi trường do việc gia tăng dân số và phát triển xã hội của các quốc gia trên thế
giới;
•
Và nhất là để bổ túc vào sự thiếu hụt năng lượng trên thế giới trong tương lai khi các nguồn năng
lượng trong thiên nhiên sắp bị cạn kiệt.
2. Kiến nghị
Để việc triển khai ứng dụng đạt được hiệu quả tốt, cần tiến hành những bước sau:
- Các sở khoa học công nghệ hoặc các sở công nghiệp của các tỉnh nên mở các lớp tập huấn và tuyên

truyền, quảng cáo.
- Phối hợp với các cơ quan địa phương mở lớp tập huấn cho các cán bộ kỹ thuật địa phương về lắp
đặt, vận hành, bảo dưỡng và sửa chữa nhỏ.
- Sau khi lắp đặt, cần hướng dẫn cặn kẽ cho các hộ sử dụng về qui định vận hành, bảo quản và bảo
dưỡng thiết bị.
- Trên cơ sở kết quả ứng dụng thí điểm, nghiên cứu thiết kế kỹ thuật lắp đặt phù hợp với trình độ dân
trí và hợp lý về qui mô công suất để đáp ứng nhu cầu và khả năng kinh tế của dân địa phương.