Tải bản đầy đủ (.pdf) (50 trang)

Năng lượng bức xạ mặt trời và năng lượng tái tạo

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.94 MB, 50 trang )

NĂNG LƯỢNG BỨC XẠ MẶT TRỜI
công nghệ điện & nhiệt mặt trời
Đặng Đình Thống
Việ
Vật

Kỹ
Th ật
Việ
n
Vật

Kỹ
Th
u
ật
Đạihọc Bách khoa Hà Nội
ĐT. 0913 363947
Email:
1
năn
g


n
g
bức x

m

t trời


g ợ g ạ ặ
Công nghệ điện & nhiệt mặt trời
NỘI DUNG
NỘI

DUNG
1- Nguồn NL mặt trời
2- Công nghệ Quang Điện & ứng dụng
3
Công nghệ Nhiệtmặttrời&ứng dụng
3
-
Công

nghệ

Nhiệt

mặt

trời

&

ứng

dụng
4- Ứng dụng NLMT ở Việt nam
2
I- NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

I
NGUỒNNLMT
I
-
NGUỒN

NLMT
• Kích thước, khoảng cách (hình
vẽ)

Nhiệt độ: Lõi 15 10
6
K; bề mặt

Nhiệt

độ:

Lõi
,
15
.
10
6
K;

bề

mặt
,

5778K
• Thành phần khí: 78,4% H2, Heli
19
,
8%
,
các n
g
u
y
ên tố khác
,, gy
1,8%.
•Áp suất:bên trong MT cao hơn
340.10
8
MPa.
¾ Phản ứng nhiệt hạt nhân: Tổ
hợp các proton tạo thành hạt
nhân He và năng lượng E
3
NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Phản ứng nhiệt hat nhân:
Phản

ứng

nhiệt


hat

nhân:
1
H +
1
H =
2
H + e + γ
2
H +
1
H =
3
He + γ
3
3
4
1
3
He +
3
He =
4
He + 2
1
H

4
1

H Æ
4
He + e + γ + ∆m Æ E = ∆m.c
2
( c = 3.10
8
m/s)
1

11
 1 g proton
1
H tham gia ph

n ứng tạo ra một NL = 6,3.10
11
J.
► Công suất bức xạ MT: 3,865.10
26
J/s, ≈ NL đốt cháy hết 1,32.10
16
tấn than.
► Quả đất nhận được 17,57.10
16
J/s, ≈ NL đốt cháy hết 6.10
6
tấn than.
• Do ∆m nên MT mất 4,22.10
6
tấn/s Æ sau 15.10

13
năm MT cháy hết.
4
NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Bản chất của bức xạ MT
• Sóng điện từ, có phổ bước sóng rất rộng, λ = (10
-10
÷>10
14
)μm (tia vũ
tr

đến són
g
vô tu
y
ến đi

n
)
ụ gyệ )
•Năng lượng BXMT tập trung chủ yếu trong vùng phổ từ 0,2 đến 3 μm,
chiếm khoảng 80% NL BXMT.

Mắtngườinhận được vùng sóng có
λ
=
(0 4
÷
0 76)

μ
m

Ánh sánh
Mắt

người

nhận

được

vùng

sóng



λ

(0
,
4

0
,
76)

μ
m


Ánh

sánh

nhìn thấy
• Ở ngoài vũ trụ (ngoài tầng khí quyển quả đất mật độ NLMT không đổi
và bằng
Isc
=
1364 W/m2
gọilàhằng số MT


bằng

Isc

1364

W/m2
gọi



hằng

số

MT

.
• Ngoài vũ trụ BXMT chỉ có một thành phần là các tia MT truyền thẳng
gọi là trực xạ.
5
NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Bức xạ MT tới bề mặt quả đất- ảnh hưởng lớp khí quyển
QĐ bị bhbởi ộtlớ / ỏ khí ể QĐ ó độ dà kh ả 10k



bị

b
ao quan
h

bởi
m
ột

lớ
p
/
v


khí
quy

n


c
ó

độ


y
kh
o

ng
10k
m,
gồm các phân tử khí (O
2, N2, CO2,NOx, Sox
,
…), hơi nước (H2O), các hạt
bụi, v.v…
Ti ặttời khí lớ khí ể bị

Ti
a m
ặt

t
r
ời

khí

qua
lớ
p
khí
quy

n
bị
:
– Các phân tử khí, hơi nước, buị,… làm tán xạ và hấp thụ một phần NL,
nên khi đến mặt đất chỉ còn khoảng 70% NLMT ngoài vũ trụ; mật độ
đ i
1000W/
2
cực
đ

i

1000W/
m
2
.
–Do bị tán xạ nên tới mặt đất BXMT có 2 thành phần là trực xạ và
nhiễu xạ. Thành phần nhiễu xạ đến điểm quan sát trên mặt đất từ mọi
hươ ủ bầ t ờiTỷ lệ áthàhhầ h th ộ àthờii ị
phươ
ng c

a

bầ
u
t
r
ời
.
Tỷ

lệ
c
á
c
thà
n
h
p
hầ
n p
h

th
u

c v
à
o
thời
g
i
an, v



trí quan sát và vào thời tiết.
Tổng trực xạ và nhiễu xạ gọi là tổng xạ.
6
N
GUỒ
N NĂN
G
L
ƯỢ
N
G
M

T TR

I
GUỒ G ƯỢ G Ặ Ờ
Bức xạ MT tới bề mặt quả đất
ảnh hưởng của chuyển động QĐ

MT
ảnh

hưởng

của

chuyển


động




MT
QĐ quay xq MT với chu kỳ 365,25 ngày; Chuyển động Quay xq trục riêng
B-N với chu kỳ 24 giờ. Trục quay riêng B-N tạo một góc 23,45
o
. =► NLMT
luôn tha
y
đ

i theo thời
g
ian và vĩ đ

.
y g ộ
21-9
Thu ph©n
Ph¸ t Õ Ü ®
N
B
21-12
§«ng chÝ
Tia mÆt trêi Tia mÆt trêi
MÆt trêi

23,5
0
VÜ tuyÕn
23,5
0
B¾c
Ph¸
p
t
uy
Õ
n qu
Ü

®
¹o
qu¶ ®Êt
NN
N
B
B
§êng xÝch ®¹o
§êng xÝch ®¹o
§«ng

chÝ
21-6
H¹ chÝ
21-3
Xu©n ph©n

QuÜ ®¹o cña qu¶ ®Êt
VÜ tuyÕn
23,5
0
Nam
Trôc quay riªng
cña qu¶ ®Êt
N
N
N
B
7
Xu©n

ph©n
23,5
0
N
NGUỒN NĂNG LƯ

NG M

T TRỜI
Ợ Ặ
CÁC THÀNH PHẦN BXMT TỚI
BỘ THU
1. Trực xạ: các tia đi thẳng từ MT
2
Tán xạ:
các tia đếnmặtbộ thu từ mọi

Mặt trời
2
.
Tán

xạ:
các

tia

đến

mặt

bộ

thu

từ

mọi

hướng trên bầu trời do các tia MT bị
tán xạ trên các phân tử khí, hạt bụi,…
trong lớp khí quyển QĐ
Tia
trực xạ
Tia
tán
xạ

3. Phản xa: các tia phản xạ từ mặt nền
xung quanh bộ thu do các tia MT bị
phản xạ ở măt nền. Phụ thuộc hệ số
hả ủ ặt ề
xạ
Tia
phản xạ
Mặt
phả
n xạ c

a m
ặt
n

n.
thu
Mặt nền
8
NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
CÔNG THỨC TÍNH NLMT TỚI MẶT BỘ THU ĐẶT NGHIÊNG
Gồ 3thà h hầ Tá hả àt

Gồ
m
3

thà
n
h

p
hầ
n:

n xạ, p
hả
n xạ v
à

t
rực xạ
• Tổng NLMT tới một bộ thu trên mặt đất:
I
I
I
I
+
+
RtDtBtTt
I
I
I
I
+
+
=
RIIIII
ThDh
t
DhThTt








+






+
+−=
2
cos1
2
cos1
cos
cos
)(
ββ
θ
θ
h





2
2
cos
θ
cosθi = (cosφ.cosβ + sinφ.sinβ.cosAZS )cosδ.cosω + cosδ.sinω.sinβ.sinAZS
+ sinδ(sinφ.cosβ -cosφ.sinβ.cosAZS ).
Rhệ ố hả ủ ặt ề
R
=
hệ
s

p
hả
n xạ c

a m
ặt
n

n.
ITh, IDh là mật độ tổng xạ và tán xạ NLMT trên mặt ngang; ITt, IBt, IDt và IRt là mật độ NLMT
tổng, trực xạ, tán xạ và phản xạ tới mặt thu đặt nghiêng.
9
TIỀM NĂNG NLMT

VI

T NAM


Bảng 1: Mật độ NLMT và số giờ năng trung bình năm đối với các vùng ở Việt
nam (Ng ồnViệnNL
)
nam

(Ng
u
ồn
:
Viện

NL
)
TT Vùng lãnh thổ
Mật độ NLMT
(kcal/cm
2
.năm)
Số giờ năng TB
(giờ/năm)
1 Đông Bắc 100 – 125 1500-1700
2Tây Bắc 125 – 150 1750-1900
3Bắc Trung bộ 140 – 160 1700-2000

Vùng Đông BắccóNLMTthấpnhất
4 Nam Trung bộ và Tây nguyên 150 – 175 2000-2600
5Nam bộ 130 - 150 2200-2500

Vùng


Đông

Bắc



NLMT

thấp

nhất
.
•Tây Bắc và Bắc Trung bộ: khá
•Từ Đà Nẵng trở vào: NLMT có tiềm năng rất tốt.
Nói chung NLMT ở Việt nam có tiềm năng tốt và có khả năng khai thác ứng dụng
hiệ ả
10
hiệ
u qu

.
CHƯƠNG II- CÔNG NGHỆ NLMT
CÔNG NGHỆ NLMT
CÔNG

NGHỆ

NLMT
1. Công nghệ Quang-điện

2. Công nghệ nhiệt mặt trời
 CN nhi

t MT nhi

t đ

thấ
p
d

a trên hi

u ứn
g
nhà kính
ệ ệ ộ p ự ệ g
 CN nhiệt MT nhiệt độ cao
11
CÔNG NGHỆ NLMT
CÔNG NGHỆ QUANG
ĐIỆN
CÔNG

NGHỆ

QUANG
-
ĐIỆN
1. Hiệu ứng Quang-Điện trên lớp tiếp xúc bán dẫn p/n

ấ ể
2. Nguyên lý c

u tạo và hoạt động của pin mặt trời tinh th

Si
3. Các đặc trưng quang-điện của pin mặt trời
4. Mô đun pin mặt trời
5. Nguồn điện mặt trời độc lập
6. Nguồn điện mặt trời nối lưới
7. Hiện trạng ứng dụng điện mặt trời ở Việt nam và xu hướng
12
Vài nét về lịch sử phát triển
• Năm 1839 nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel phát hiện Hiệu ứng Quang-điện.
• Năm 1883 pin năng lượng mặt trời đầu tiên được Charles Fritts (Mỹ) tạo thành bằng cách
phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng để tạo nên điện cực.
• Năm 1946, Russell Ohl đã tạo ra pin năng lượng mặt trời có hiệu suất 1%.
• 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) đãsảnxuấtnhững tấmpinmặttrờitinhthể Silíc thương mại

Năm

1963
Sharp

Corp


(Nhật)

đã

sản

xuất

những

tấm

pin

mặt

trời

tinh

thể

Silíc

thương

mại

đầu tiên.
• 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
ầ ề ấ
đ

u quan tâm nh

u hơn tới năng lượng tái tạo. Hội thảo Cherry Hill tại Mỹ đánh d

u sự ra
đời quỹ nghiên cứu về điện mặt trời. Ngôi nhà đầu tiên được lắp hệ thống pin mặt trời làm
từ Cu2S do trường ĐH Delaware chế tạo.
• Năm 1995 dự án thí điểm “1000 mái nhà” lắp pin mặt trời của Đức, là động lực cho việc
ể ề
phát tri

n chính sách v

điện mặt trời ở Đức và ở Nhật.
• Năm 1999 tổng công suất lắp đặt pin mặt trời trên thế gới đạt 1GW.
• Năm 2010, tổng công suất pin mặt trời trên thế giới đạt 37,4GW (trong đó Đức có công
suấtlớnnhấtvới 7,6GW.)
13
suất

lớn

nhất

với


7,6GW.)
CÔNG NGH

QUANG-
Đ
I

N


I- HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN TRÊN TIẾP XÚC BÁN DẪN P/N
11
Bán dẫnloạinvàp
1
.
1
-
Bán

dẫn

loại

n



p
•Bán dẫn là vật liệu có tính dẫn điện trung gian giữa kim loại và điện môi.
• Trong chất bán dẫn tinh khiết có 2 loại hạt dẫn: (1)- các hạt dẫn điện là điện tử

điệ âêtố à(2)
álỗ t ố điệ tí h d êtố
mang
điệ
n
â
m nguy
ê
n
tố
v
à

(2)
-c
á
c
lỗ

t
r

ng mang
điệ
n

c
h

d

ương nguy
ê
n
tố

(điện tích nguyên tố = 1,6.10
-19
C). Mật độ điện tử ni = mật độ lỗ trông pi.
•Bán dẫn loại n: pha vào bán dẫn tinh khiết các tạp chất có hóa trị cao hơn bán
dẫn tinh khiếttacóbándẫnloạin mật độ điệntử n
n
rấtlớnhơnmật độ lỗ trống
dẫn

tinh

khiết

ta



bán

dẫn

loại

n
,

mật

độ

điện

tử

n
n
rất

lớn

hơn

mật

độ

lỗ

trống

pn. nn >> pn . Điện tử là hạt dẫn cơ bản. (VD: pha tạp Phốtpho P hóa trị 5 vào bán
dẫn Si hóa trị 4 ta có bán dẫn n-Si).
•Bán dẫn lo

i
p

:
p
ha t
ạp
có hóa tr

nhỏ hơn
(
VD
p
ha Bo- hóa tr

3 và Si
)
có bán
ạ pp ạp ị (p
ị )
dẫn loại p. Mật độ Hạt dẫn chủ yếu là lỗ trống pp, pp >> np.
14
CÔNG NGHỆ QUANG-ĐIỆN
I- HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN TRÊN TIẾP XÚC BÁN DẪN P/N
12
TiếpxúcBándẫnp/n
1
.
2
-
Tiếp

xúc


Bán

dẫn

p/n
• Cho các bd p và n tiếp xúc (điện tử) với nhau. Do chênh lệch về mật độ, Nn >>
Pn ;Np << Pp nên Điện tử khuêch tán từ bd n → bd p, lỗ trống khuếch tán ngược
lại, từ bd p → bd n. Kếtquả hình thành một
lớptiếp xúc bán
lại,

từ

bd

p



bd

n.

Kết

quả

hình


thành

một

lớp

tiếp

xúc

bán

dẫn p/n, trong đó phía bd n tích điện dương, phía bd p tích điện âm.
• Hình thành điện trường tiếp xúc Etx định xứ ở lớp tiếp xúc, hướng từ bd p sang
bd n (xem hình 2)
bd

n
.
(xem

hình

2)
.
• Quá trình khuêch tán và hình thành điện trường tiếp xúc hay hiệu điện thế tiếp
xúc định xứ phụ thuộc vào bản chất các bán dẫn và nhiệt độ được cho bởi biểu
thức sau:
ni = pi là mật độ điện tử và lỗ trống
trong bd tinh khiết; k- hằng số Bolzman;

q
-
điện tích nguyên tố.






=
2
ln
i
pn
tx
n
pn
q
kT
U
15
q
điện

tích

nguyên

tố.
CÔNG NGHỆ QUANG-ĐIỆN

I- HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN TRÊN TIẾP XÚC BÁN DẪN P/N
13
Hiệu ứng quang
điện trên lớptiếpxúcBándẫnp/n
1
.
3
-
Hiệu

ứng

quang

điện

trên

lớp

tiếp

xúc

Bán

dẫn

p/n
• Khi chưa chiếu sáng lớp tiếp xúc bán dẫn p/n nói trên là một Đi-ốt, cho dòng

điện đi theo một chiều là chiều từ bd n sang bd p và được ký hiệu như hình vẽ.
Lớptiếp xúc p/n có tính
chỉnh lưu dòng điên
Lớp

tiếp

xúc

p/n



tính

chỉnh

lưu

dòng

điên
.
Bán dẫn n Bán dẫn p
A
16
Ký hiệu Đi-ốt và chiều phân cực thuận đi-ốt
CÔNG NGHỆ QUANG-ĐIỆN
I- HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN TRÊN TIẾP XÚC BÁN DẪN P/N
1.3- Hi


u ứn
g

q
uan
g


đi

n trên lớ
p
ti
ếp
xúc Bán dẫn
p
/n
ệ gq g
ệ p p p
• Chiếu sáng lớp tiếp xúc bán dẫn p/n:
– Các cặp điện tử-lỗ trống mới liên kết yếu với nhau được hình thành.

Do có Etx định xứ nên các điệntử và lỗ trống bị

xé ra

khỏi liên kếtcặpvà

Do




Etx

định

xứ

nên

các

điện

tử



lỗ

trống

bị



ra

khỏi


liên

kết

cặp



bị đNy về các hướng ngược nhau: lỗ trống chuyển động cùng chiều, còn điện
tử chuyển động ngược chiều Etx. Hai đầu các bán dẫn p và n xuất hiện một
s.đ.đ quang-điện. N ếu nối các bán dẫn với một mạch ngoài ta sẽ có một
dòng điện chạy từ bd p sang bd n gọi là dòng quang điện (xem hình …).
–Hiện tượng xuất hiện dòng điện ở mạch ngoài nối các đầu lớp tiếp xúc bd
p/n khi chiếu sáng lớp tiếp xúc p/n gọi là Hiệu ứng quang điện.
– Ứng dụng hiệu ứng Quang điện trên tiếp xúc bán dẫn p/n để chế tạo
pin mặt trời.
17
CÔNG NGHỆ QUANG-ĐIỆN
II- N
g
u
y
ên l
ý
cấu t

o và ho

t đ


n
g
của PMT tinh th

Si
gy ý ạ ạ ộ g
18
CÔNG NGHỆ QUANG-ĐIỆN
II- n
g
u
y
ên l
ý
cấu t

o và ho

t đ

n
g

gy ý ạ ạ ộ g
của PMT tinh thể Si
2.1- Cấu tạo:

Thành phần chính là lớpTXbándẫn
Thành


phần

chính



lớp

TX

bán

dẫn

p/n. Lớp n rất mỏng, ~10-12μm để cho
ánh sáng có thể xuyên qua. Lớp p dày
~ 300-500 μm;

• Điện cực trên b

ng kim loại và có
dạng lưới để ánh sáng đi qua; điện cực
dưới bằng lớp mỏng kim loại;

Mặttrênlàmàngchống phảnxạ ánh

Mặt

trên




màng

chống

phản

xạ

ánh

sáng.
19
CÔNG NGHỆ QUANG-ĐIỆN
2.2- Pin mặt trời và mô đun PMT

Điềukiệnchuẩn để đánh giá thông số

Điều

kiện

chuẩn

để

đánh


giá

thông

số

PMT
:
– Cường độ sáng I0 = 1000W/m
2
;

Nhi

t đ

: 25
o
C.
ệ ộ
• Đối với PMT Si: Imax = 25-30 mA/cm
2
Vmax = 0,5-0,6 V.
• Để có công suất, dòng điện, hiệu điện thế đủ lớn
ể ể ắ ể ổ
và đ

vận chuy

n, l


p đặt thuận lợi, đ

tăng tu

i
thọ của PMT người ta ghép nhiều pin lại và sản
xuất các mô đun PMT (solar PV module)
Hình phải là 1 PMT (solar cell) tinh thể Si hoàn
thiện.
20
CÔNG NGH


Q
UANG-
Đ
I

N
Ệ Q

2.2- Pin mặt trời và mô đun PMT
Hình trái: Cấu trúc lớp của mô đun PMT; Hình phải: các loại mô dun PMT.
TÊm kÝnh
p
hÝa trªn
p
TÊm keo EVA
Líp c¸c pin mÆt trêi ®·

hµn
g

p
®i
Ön
gpÖ
TÊm keo EVA
TÊm ®¸y
21
TÊm

®¸y
CÔNG NGHỆ QUANG-ĐIỆN
II- nguyên lý cấu tạo và hoạt động của PMT tinh thể Si
2.2- Hoạt động:
•Chiếu sáng PMT, các nguyên tử trong pin hấp thụ ánh sáng và sinh ra
các cặp điện tử-lỗ trống, e

-h
+
.
ở ế

• Do có Etx

lớp ti
ế
p xúc bd p/n nên các cặp e


-h
+
bị tách ra và bị gia t

c
theo các hướng ngược nhau: e
-
chuyển động ngược chiều, h+ chuyển
động cùng chiều Etx Î mạch ngoài có dòng điện- dòng quang-điện.

Công suất điện do PMT phát ra tỷ lệ với:

Công

suất

điện

do

PMT

phát

ra

tỷ

lệ


với:
–Cường độ ánh sáng tới
–Diện tích PMT được chiếu sáng
Phụ thuộcvậtliệuPMT

Phụ

thuộc

vật

liệu

PMT
22
III- Các đặc trưng của PMT tinh thể Si
2.3- Hi

u suất chu
yể
n đ

i của PMT
ệ y
1. Đo ở điều kiện chuẩn:
•E
o = 1000W/m
2
; T = 25
o

C
2.
Định nghĩahiệusuất
η
2.
Định

nghĩa

hiệu

suất

η
ocscmmm
E
A
VI
FF
AE
VI
E
A
P
.
.
.
.
===
η

3. Đối với PMT Si: η = 14 – 18%
ĐốivớiMôđun PMT Si: 12

15%
ooo
E
A
AE
E
A
.
.
Đối

với



đun

PMT

Si:

12

15%
Mô đun PMT màng mỏng vô định hình:
η = 7 – 10%
23

IV- Một số ứng dụng của PMT
4.1- Các h

n
g
uồn Đi

n m

t trời
ệ g ệ ặ
Có 3 loại hệ thống:
1. Hệ nguồn PMT độc lập
ồ ố
2. Hệ ngu

n PMT n

i lưới
3. Hệ nguồn lai ghép.
•Hệ 1 và 3 ứn
g
dụn
g
ở các khu vực khôn
g
có lưới điện
(
nôn
g

thôn
g g g (g
miền núi, vùng sâu, vùng xa, các đảo, công suất dàn PMT nhỏ).
•Hệ 2 ứng dụng ở các khu vực có lưới điện (các nước phát triển, công
suất dàn PMT lớn
)
.
)
24
IV- M

t số ứn
g
d

n
g
của PMT
ộ g ụ g
4.2- Hệ nguồn PMT độc lập
Các thành phần:

(1)- T

m PMT
(2)- Bộ điều khiển phóng/nạp
(3)- Bộ đổi điện

(4)- Bộ


c qui
(5)- Các tải tiêu thụ.
25

×