Pin năng lượng mặt trời

LỜI NÓI ĐẦU
Như chúng ta đã biết mốc lịch sử rất quan trọng trong lịch sử phát triển của loài
người là việc phát minh ra lửa và dùng các loại nhiên liệu tự nhiên như củi rừng để
duy trì ngọn lửa, nhờ đó đã phát triển thành một nền văn minh của nhân loại và thoát
khỏi cuộc sống của động vật. Sau nhiều nghìn năm mải đến thế kỷ thứ nhất trước công
nguyên con người mới biết dùng sức nước để làm quay guồng nước, và đến đầu thế kỷ
thứ XII mới biết sử dụng sức gió để làm quay cối xay gió. Khoảng nửa cuối thế kỹ thứ
XVIII con người mới phát hiện được nguồn nhiên liệu hóa thạch như: than đá, dầu và
khí đốt tự nhiên. Đến giữa thế kỷ XX nhà máy điện nguyên tử đầu tiên của thế giới ra
đời, nhờ đó đã thỏa mãn được nhu cầu năng lượng của con người và đưa nền văn minh
của nhân loại tiến một bước dài như ngày nay.
Tuy nhiên, các nguồn năng lượng hóa thạch là có hạn, con người khai thác đến
một lúc nào đó sẽ hết, hơn nửa khi khai thác và sử dụng các nguồn nhiên liệu hóa
thạch, thủy điện và điện nguyên tử… đã để lại cho loài người những hậu quả về tác
động môi trường là vô cùng lớn lao. Một trong những hậu quả đó là khi sử dụng các
nguồn nhiên liệu này đã thải ra môi trường các loại khí độc làm ô nhiểm bầu khí quyển
bao quanh Trái Đất, mà hậu quả tai hại của hiện tượng này đã làm thay đổi khí hậu, tác
động xấu đối với cuộc sống hiện nay và tương lai của loài người.
Ngày nay, khi mà tiềm năng thủy điện đã được con người khai thác gần hết, còn
các nguồn nhiên liệu như: than, dầu khí thì không có khả năng tái tạo và trong tương lai
không xa sẽ cạn kiệt, khi mà năng lượng nguyên tử còn đặt ra quá nhiều tranh cãi bởi
sự độc hại của nó thì việc nghiên cứu tìm ra các nguồn năng lượng mới và sạch đã trở
thành nghiên cứu mũi nhọn của nhiều quốc gia, đặt biệt là các nước phát triển. Trong
công cuộc đi tìm nguồn năng lượng mới này, con người đã đạt được những thành công
nhất định: Đó là sự ra đời của các trung tâm phát điện dùng năng lượng gió, năng
lượng mặt trời với công suất lên tới hàng ngàn mega oát. Tuy nhiên những nguồn năng
lượng trên tương đối phụ thuộc vào tự nhiên.
Hòa cùng xu hướng phát triển về khoa học kỷ thuật trên thế giới, thì trong
những năm gần đây hoạt động nghiên cứu và tái tạo nói chung và năng lượng mặt trời
nói riêng ở nước ta đã được triển khai khá mạnh mẻ và rộng khắp. Vì vậy, chúng ta cần
phải nghiên cứu và ứng dụng nguồn năng lượng vô tận này một cách tốt nhất và có

hiệu quả nhất.
Một trong những đề tài ứng dụng thành công nhất của nguồn năng lượng sạch
và vô tận này có thể nói là đề tài “ Pin năng lượng mặt trời”. Cũng chính gì vậy mà đề
tài “ Pin năng lượng mặt trời” sẽ được chúng ta nghiên cứu và tìm hiểu sâu hơn trong
tiểu luận này.


PHẦN I
NỘI DUNG CHÍNH
I.

GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT VỀ PIN.

1.
Khái niện Pin.
Định nghĩa một cách đơn giản Pin là một thiết bị lưu trữ năng lượng dưới dạng
hoá học. Pin là nguồn cung cấp năng lượng hoạt động cho hầu như tất cả các thiết bị
cầm tay hiện nay. Và một số dụng cụ thường dùng trong gia đình như: Radio, điều
khiển từ xa, đồng hồ treo tường,…
Điện áp của Pin.
Điện áp của Pin được đo bằng Vôn (V). Với các loại Pin nickel, metal hydrid
(Ni-MH) và Ni-Cd, điện áp khoảng 1.2V mỗi viên. Với Alkaline và các loại Pin không
sạc được thì điện áp cao hơn, thường là 1.5V mỗi viên. Điện áp của Pin phải phù hợp
với chỉ định của thiết bị. Dùng Pin không đúng điện áp có thể làm hỏng các thiết bị của
ta.
Dung Lượng Của Pin.
Dung lượng của Pin (hay ta thường gọi là dòng của Pin) được đo bằng đơn vị:
Miliampe giờ (mAh). Thí dụ: Pin có dung lượng 1000 mAh tức là nó có thể cung cấp
một dòng điện 1000mA tức là 1Ampe (1A) cho thiết bị sử dụng trong 1 giờ. Chỉ số này
giúp ta so sánh độ mạnh của các loại Pin. Pin có mAh càng lớn thì Pin càng mạnh.

Khả Năng Chịu Tải.
Khả năng chịu tải của Pin phụ thuộc nhiều vào nội trở của Pin. Pin có nội trở
càng nhỏ thì khả năng chịu tải càng cao (cung cấp một dòng điện lớn). Điều này sẽ rất
có ích thiết bị của ta có tải nặng (thí dụ máy ảnh có nhiều motor và đèn flash).
Bảo Quản Pin.
Không có loại nào Pin giữ được nguyên vẹn năng lượng của nó trong quá trình
bảo quản. Nguyên nhân do các phản ứng điện hoá trong Pin gây ra các suy hao không
tránh được. Sự tự xả này giới hạn thời gian bảo quản của Pin. Với các loại Pin sạc, mức
tự xả cao hơn các loại không sạc được, thường là 15-25% mỗi tháng khi bảo quản ở
nhiệt độ trong phòng (khoảng 250C) so với mức 1.5% mỗi năm của Pin không sạc. Ta
không nên bảo quản Pin trong tủ lạnh vì sự ngưng tụ hơi nước sẽ làm tăng nội trở và
làm giảm khả năng chịu tải của Pin.
2.
6.1

Các Loại Pin Sạc Và Pin Thường.
Pin thường.

* Pin Alkaline
Pin Alkaline có thể mua được khá dễ dàng. Nếu ta dùng với máy ảnh số thì thời
gian sủ dụng sẽ rất ngắn. Tuy vậy với giá khá rẻ Pin Alkaline vẫn là lựa chọn của nhiều
người. Pin Alkaline có chất lượng tốt trên thị trường do các hãng danh tiếng như Fuji


hay Duracell sản xuất. Khi sử dụng điện áp và khả năng chịu tải của Pin Alkaline giảm
dần dần. Nhờ vậy, người dùng có thể nhận biết được thời điểm hết Pin.
Pin Alkaline có nội trở nhỏ, khả năng chịu tải cao, có thể bảo quản trong nhiều
năm, suy yếu trung bình 2%/năm.
* Pin Silver oxide (oxit bạc)
Hoạt động được trong môi trường nhiệt độ thấp, nội trở nhỏ và có khả năng chịu

tải lớn.
Pin Silver có độc tính cao không thông dụng do giá rất đắt. Ta có thể thấy loại
Pin này trong một số loại đồng hồ, máy trợ thính, ….và các máy ảnh tiêu thụ ít điện
năng.
* Pin Zinc cloride và Zinc carbon
Pin carbon kẽm có giá rất rẻ. Đây là lựa chọn tốt cho các thiết bị tiêu thụ ít điện
năng (đèn Pin và đồ chơi). Các loại Pin trong nước sản xuất như (Pin Con Ó...) thường
thuộc loại này. Do có nội trở cao, ta không sử dụng loại Pin này cho các thiết bị như
máy ảnh, radio, đồng hồ treo tường là tốt nhất. Mức tự xả của Pin tròn Zinc carbon
kẽm tối đa là 4%/năm.
* Pin Lithium (Li/MnO2)
Pin Lithium là lựa chọn tốt nhất cho ta khi sử dụng dòng Pin không sạc và cần
độ tin cậy cao, mức xả ổn định. Loại Pin này có mật độ năng lượng cao, trọng lượng
nhẹ, hoạt động tốt trong dải nhiệt độ rộng (từ 40 - 60 độ C), có khả năng bảo quản tốt
(giảm 2% năng lượng/năm).
Khi sử dụng Pin này ta không nên dùng lẫn với loại Pin khác vì nó có đặc tính
xả rất khác với các loại Pin khác.Mặt khác, vì điện thế cao hơn (1.5V/viên), Pin này sẽ
trở thành nguồn nạp điện cho các Pin còn lại có điện thế thấp hơn.
6.2

Pin sạc.

* Ni-Cd (hay NiCad)
Pin Ni-Cd có nội trở nhỏ bằng ½ so với các Pin Ni-MH, do đó rất phù hợp khi
dùng với đèn flash (chu kỳ nạp nhanh hơn). tuy nhiên ta phải cẩn thận khi sử dụng vì
Pin Ni-Cd rất độc.
Một trong số các yếu điểm của Pin Ni-Cd là điện thế giảm đột ngột ở cuối chu
kỳ xả. Sự giảm đột ngột này không nhanh bằng Pin Ni-MH nhưng thấy rõ so với Pin
Alkaline. Vì vậy, để tránh “sự mất điện năng đột ngột này” ta nên có Pin dự phòng khi
đi xa hay làm những việc quan trọng.

Một đặc điểm Ni-Cd là hiệu ứng nhớ (memory efface). Đây là hiện tượng suy
giảm tuổi thọ nhanh chóng nếu không sử dụng Pin đúng cách. Hiện tượng này được
giải thích như sau: Khi ta sạc Pin Ni-cd với dòng sạc nhỏ hay trước khi dùng kiệt thì
một số hợp chất hoá học sẽ tích tụ ở cực âm của Pin. Nếu ta tiếp tục sạc kiểu này, các
hợp chất tích tụ ngày càng nhiều thêm và làm giảm khả năng tích lũy năng lượng. Cách
tốt nhất để tránh hiện tượng này là dùng Pin cho đến hết hay xả trước khi sạc. Các bộ


sạc Pin Ni-Cd tốt nhất thường có nút bấm để xả Pin rồi tự động sạc khi điện áp thụt đến
mức thấp nhất.
* Pin Ni-MH (Nickel Metal Hudride).
Pin Ni-MH dạng “AA” có thể dùng vơi hầu như tất cả các thiết bị đang dùng
Pin Alkaline và Ni-Cd. Pin Ni-MH có khả năng lưu trữ năng lượng tốt và nội trở nhỏ.
Đây là lựa chọn phổ biến vì Pin Ni-MH không có hiệu ứng nhớ và dung lượng Pin cao
hơn hai lần Pin Ni-Cd. Với Pin này ta có thể sạc bất cứ lúc nào mà không cần phải xả
Pin. Tuy nhiên nó có thể bị hỏng vì nhiệt nếu sạc quá lâu. Ta nên sử sụng bộ sạc pin
chất lượng cao. Có điều khiển tự động để tránh điều này. Khi mua Pin Ni-MH, ta sử
dụng nên sử dụng các loại có dung lượng cao (cỡ 1800mA/h trở lên). Trên thị trường ta
có thể chọn Pin Ni-MH của các hãng như: Sanyo, Panasonic, Sony... có dung lượng
2000-2200mAh. Một lưu ý nữa là không nên dùng sạc của Pin Ni-Cd cho Pin Ni-MH
để tránh cháy, nổ Pin nhất là khi dùng bộ sạc nhanh. Sau khi sạc hãy bỏ Pin khỏi bộ sạc
để tránh “rò” Pin.
* Pin Lithium-lon (Li-lon).
Pin Li-lon hiện nay được sử dụng nhiều trong các thiết bị cao cấp như điện thoại
di động, PDA, máy ảnh đắt tiền và máy tính xách tay...nó có thể lưu trữ nhiều năng
lượng hơn Pin Ni-Cd và Ni-MH nhưng cũng đắt hơn nhiều do công nghệ chế tạo và
chất liệu được sử dụng. Trong mỗi viên Pin Li-lon thường có mạch điều khiển quá
trình sạc và bảo vệ Pin.
Pin Li-lon suy giảm chất lượng theo thời gian bất kể ta dùng hay không dùng
nó. Vì vậy khi sử dụng Pin, ta cần được đảm bảo rằng Pin mới được sản xuất. Ta có thể

sạc Pin bất cứ lúc nào, đầy hay hết đều không quan trọng nhưng nó sẽ giãm chất lượng
sau mỗi lần sạc. Đó là lý do tại sao các chương trình kiểm tra Pin (battery monitoring)
trên máy tính xách tay đếm cả số lần sạc Pin.
* Pin Lithium-Polymer (Li-Po).
Là thế hệ Pin mới và cũng đắt tiền nhất nên chỉ xuất hiện trong các thiết bị PDA
và điện thoại di động cao cấp. Pin Li-Po có chất điện phân dạng rắn khác với điện phân
lỏng như hầu hết các loại Pin khác. Điều đó có nghĩa nó có trọng lượng nhẹ hơn nhiều
so với các loại Pin khác và nhà sản xuất có thể chế tạo Pin Li-Po với bất kỳ hình dạng
nào.
Pin Li-Po nhẹ và có khả năng lưu trữ điện năng nhiều hơn bất kỳ loại Pin nào kể
trên vì vậy được giới mô hình (RC) rất ưa chuộng và sử dụng phổ biến trong môn mô
hình hiện nay.

II.

TÌM HIỂU KHÁI QUÁT VỀ PIN NHIÊN LIỆU.
1.

Khái niện chung về Pin nhiên liệu.

- Pin nhiên liệu được ký hiệu: (PAC: Piles as Combustible).
- Khái niệm về pin nhiên liệu thực ra đã có từ lâu, nó là một thiết bị điện hoá
mà trong đó biến đổi hoá năng thành điện năng nhờ quá trình oxy hoá nhiên liệu, mà


nhiên liệu thường dùng ở đây là khí H2 và khí O2 hoặc không khí. Quá trình biến đổi
năng lượng trong pin nhiên liệu ở đây là trực tiếp từ hoá năng sang điện năng theo phản
ứng: H2 + O2 = H2O + Dòng điện, nhờ có tác dụng của chất xúc tác, thường là các
màng platin nguyên chất hoặc hỗn hợp platin, hoặc các chất điện phân như kiềm, muối
Cacbonat, Oxit rắn ... thực chất nó là một loại pin điện hoá. Người ta phân loại các pin

nhiên liệu theo chất điện phân, điện cực và các chất xúc tác trong pin nhưng nguồn
nguyên liệu vẫn chỉ là H2 và O2 (không khí). Trước đây người ta dùng khí H2 để biến
đổi thành nhiệt năng dưới dạng đốt cháy, sau đó từ nhiệt năng sẽ biến đổi thành cơ
năng qua các tua-bin khí và các tua-bin đó dẫn động các máy phát điện để biến đổi
thành dòng điện, với biến đổi gián tiếp như vậy thì hiệu suất của quá trình sẽ thấp. Từ
đó ta dễ dàng so sánh quá trình biến đổi trực tiếp trong pin nhiên liệu là có hiệu suất rất
cao.

Hình 1. Pin nhiên liệu do Phân viện Vật lý tại TP.HCM chế tạo.
2.
Sơ lược về sự hình thành và phát triển của PAC.
- Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu (PAC) đã được tìm ra từ năm 1802
nhưng mãi tới năm 1839 nó mới có được bước tiến quan trọng: đó là sự hoạt động lần
đầu tiên của một pin nhiên liệu với các điện cực bằng platin và dung dịch điện phân là
axít sunfuric. Đến năm 1855, có nhiều nghiên cứu hướng vào việc chế tạo, thiết kế
PAC và cũng đạt được một số kết quả: than được dùng làm nhiên liệu. Tuy nhiên,
những kết quả đạt được còn quá khiêm tốn. Và đề tài này dường như bị quên lãng.
Người ta phải đợi cho tới khi có sự tham gia của người Mỹ trong công cuộc chinh phục
vũ trụ (khoảng những năm 1960) thì nó mới được chú ý lại. Song song với nó là những
nghiên cứu loại công nghệ mới này nhằm ứng dụng vào lĩnh vực giao thông. Thế
nhưng những vấn đề về công nghệ, giá thành đã khiến cho PAC không thể phát triển và
cạnh tranh nổi với kỷ nguyên thống trị của dầu lửa.
- Tuy nhiên trong vòng vài trục năm trở lại đây, những dự án quan trọng nhất
cho hình thành sự phát triển nguồn năng lượng này trong tương lai là pin nhiên liệu
được sử dụng làm nguồn điện trong các thiết bị không gian nằm trong dự án Gemini,
Apollo và Tàu con thoi của NASA. Và bắt đầu từ những năm 80, nó được sử dụng
trong các nhà máy điện có công suất từ (20 kW đến 50 kW) và từ đó cho đến nay, đã
có rất nhiều nhà máy điện sử dụng năng lượng này ở các nước phát triển như Mỹ,

Canada, Nhật Bản và một số nước Châu Âu với công suất hàng trăm MW và tuổi thọ là
hàng chục nghìn giờ làm việc. Ngoài ra một trong những sự thu hút nhất của một loại
pin nhiên liệu có tên "pin nhiên liệu dạng màng trao đổi proton" [màng proton ion
exchange membrane, đó là một lớp màng mỏng chỉ cho phép proton (hạt nhân của
phân tử H2) di chuyển qua. Thông thường lớp màng này bao gồm vật liệu có tính phân
cực mạnh (electrolyte) được gia cố bằng các lớp màng polime xen kẽ. Như vậy về mặt
nguyên lý hoạt động, có khác với màng thẩm thấu ngược (reverse osmosis)] đã được
phát triển trong công nghiệp ô tô vận tải, là nguồn nguyên liệu trong xe hơi, nó đang
được phát triển trong các công ty ô tô hàng đầu thế giới như General Motor, Ford
(Mỹ), Daimler Benz (Đức), Renaul (Pháp), Toyota, Nissan, Honda ... (Nhật bản),
Hyundai (Hàn Quốc).... và tiềm năng của nó trong các ngành công nghiệp phục vụ đời
sống là rất to lớn.
- Pin nhiên liệu sẽ có thể nắm giữ vai trò chủ đạo trong viễn cảnh nguồn năng
lượng của thế giới trong tương lai. Những đặc điểm ưu việt của nó như hiệu suất cao,
ổn định lớn, độ phát xạ thấp, không gây ồn, không gây ô nhiễm môi trường ..., sẽ bắt
buộc pin nhiên liệu sử dụng trong các nhà máy điện trong tương lai. Có thể nói Hydro
sẽ trở thành nguồn năng lượng của thế kỷ XXI, mà như các nghiên cứu chỉ ra rằng, pin
nhiên liệu có một ưu thế không thể nghi ngờ hơn tất cả các thiết bị biến đổi năng lượng
khác.
3.

Sơ lược về nguyên lý hoạt động của PAC.

* Nguyên lý hoạt động :
Nguyên lý hoạt động cơ bản của PAC rất đơn giản, đó là quá trình ngược lại của
sự thuỷ phân của nước. Pin nhiên liệu tổ hợp oxi và hidro để tạo thành nước, cung cấp
điện, và nhiệt mà không thải ra các chất gây ô nhiễm. Quá trình này có thể biểu diễn
bằng phương trình hoá học như sau :
2H2 + O2 →
2H2O

Một điện cực là oxi (O2), một điện cực là hydro (H2), hiệu điện thế tạo ra trên
thực tế đạt 0,7V trên mỗi cặp điện cực. Do đó cần đặt nhiều phần tử như vậy nối tiếp
nhau để đạt được một điện áp mong muốn.
Pin nhiên liệu hoạt động dựa trên phản ứng của oxi và hydro. Để hoạt động
được thì ngoài phần hoá học, một máy phát điện loại này cần có các phần khác: đầu
vào, đầu ra, phần phụ, hệ thống điều khiển.
* Đầu vào:
Sản xuất hydro: Có thể được điều chế từ các loại hydro cacbon (CxHy), các sản
phẩm phụ của công nghiệp hoá và dầu lửa, hoặc điều chế hydro từ nước (H2O).
Dự trữ nhiên liệu (hydro): Có thể dùng hydro lỏng (ở -252 độ C) áp suất 100bar
hoặc hyđrua kim loại (rất nặng và đắt), hoặc trong các ống nonatomic (là những ống
dùng trong vật liệu phi hạt nhân).
Chất cháy: Dùng oxi trong không khí ở điều kiện bình thường. Tuy nhiên trong
một số trường hợp để tăng hiệu suất, người ta phải nén khí. Hơn nữa, không khí thường
không sạch do đó cũng cần lọc trước khi dùng.
* Đầu ra:


Bộ phận thải khí: Để thải các khí trơ bám ở a-not làm giảm quá trình phản ứng,
khí bão hoà sẽ thành nước bám vào ca-tot.
Tản nhiệt: Các phản ứng trong pin có phát nhiệt, cần phải tản nhiệt để đảm bảo
nhiệt độ của pin. Ta có thể tận dụng nhiệt này để làm nhiều việc khác. Lượng nhiệt tản
ra cũng gần tương đương với điện năng thu được.
Điện năng: Điện phát ra trên hai cực của pin phải đảm bảo được điện áp một
chiều tối thiểu làm việc của pin. Điểm làm việc (điện áp ra) này sẽ được cố định nhờ
các bộ biến đổi điện. Nếu chúng ta muốn có điện xoay chiều thì cần thêm vào một bộ
biến đổi nữa (từ 1 chiều thành xoay chiều).
* Các hệ thống phụ khác:
Để khởi động PAC cần dùng đến hệ thống pin điện hoá. Nó dùng để nâng nhiệt
độ của pin đến ngưỡng cần thiết, đảm bảo hoạt động của các bộ phận cùa pin lúc khởi

động, đồng thời cũng đảm bảo an toàn cho pin trong các trường hợp sự cố.
* Khối điều khiển:
Nó gồm tất cả các bộ đo, đồng hồ … cho phép biết trạng thái vận hành của hệ
thống, tình trạng, thông số của tất cả các phần tử…Nó được lập trình chính xác cho các
quá trình khởi động, quá độ, dừng và chế độ làm việc xác lập để điều khiển tối ưu sự
làm việc của hệ thống.

Hình 2. Hoạt động của pin nhiên liệu.


Hình 3. Sơ đồ tam giác năng lượng của Hydro nhờ năng lượng mặt trời.
4.

Một số ưu nhược điểm của Pin nhiên liệu.

Ưu điểm.
- Hiệu suất cao: Nếu chỉ sản xuất điện thì đạt 40% (bằng nhiệt điện), nếu là cụm
nhiệt điện thì có thể đạt tới 90%.
- Hiệu suất này ít thay đổi theo công suất phát.
- Công suất của PAC có thể từ vài kW tới hàng MW mà không làm thay đổi
hiệu suất.
- Ít gây ồn (ngoại trừ máy nén khí và bơm).
- Ít phải bảo quản và giá thành bảo dưỡng rẻ.
- Gần như không gây ô nhiễm môi trường: không cháy, không thải khí độc SOx,
còn COx thì thấp hơn 2 lần và NOx thì thấp hơn 50 lần so với máy phát nhiệt điện.
4.2

Nhược điểm cần khắc phục.

- Độ tin cậy của hệ thống: cần đạt được 40 nghìn giờ vận hành với các ứng

dụng tĩnh (phát điện lên lưới điện).


- Giá thành sản xuất giảm: phải đạt cỡ 5000 kW công suất đặt. Riêng với ôtô thì
chỉ số này cần giảm 10 lần (tức là một pin 500 kW).
- Giảm lượng platin cần dùng.
* Hơn thế nữa là phải đảm bảo ổn định được nguồn nhiên liệu và hoà được vào
lưới điện.
5.
PAC Methanol.
- PAC Methanol tạo ra điện trong một quá trình phản ứng hóa học có kiển soát.
Nhiên liệu này là một dung dịch của chất methanol phản ứng trên nước khi các phân tử
của một chất xúc tác metallic được bổ sung vào nhiên liệu chất methanol sẽ được phân
hóa. Một màng nhầy sẽ cho phép những chất phế thải di chuyển qua nhưng vẫn giữ lại
chất methanol cô đặc, dùng cho việc phản ứng.
- Chất methanol càng cô đặc thì càng tốt. Trong công nghệ hiện tại. Ở một tỉ lệ
cô đặc quá cao, một phần methanol vẫn thấm qua màng nhầy, đó là màng hạn chế khả
năng phát điện. Những loại pin nhiên liệu dùng cho máy tính mini trước đây hoạt động
với tỉ lệ cô đặc methanol thấp hơn và vì thế dung tích của pin cũng phải lớn hơn mới có
thể cung cấp được lượng nhiên liệu thích hợp để tạo đủ điện cho hoạt động của máy
tính.
- Vật liệu mới của PAC Methanol cho phép chất methanol được lưu trong một
dung dịch có tỉ lệ 30% mà không bị rò thấm. Vì thế các nhà chế tạo PAC Methanol có
thể khẳng định với 300ml dung dịch vẫn có thể tạo ra điện cho một máy Notebook hoạt
động trong vòng 8 – 10 giờ.


Hình 4. Sơ đồ cấu tạo và hoạt động của Pin nhiên liệu cồn Methanol.

III.

1.

NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI.
Mặt trời và cấu tạo của mặt trời.

Hình 5. Cấu tạo bề ngoài của măt trời.
Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1,390.106 km (lớn hơn 110
đường kính trái đất), cách xa trái đất 150.106 km (bằng một đơn vị thiên văn AU ánh
sáng mặt trời cần khoảng 8 phút để vượt qua khoảng cách này đến trái đất). Khối lượng
mặt trời khoảng Mo= 2.1030 kg. Nhiệt độ To của trung tâm mặt trời thay đổi trong
khoảng từ 10.106 K đến 20.106 K, trung bình khoảng 15600000 K. Ở nhiệt độ như vậy
vật chất không thể giử được cấu trúc trận tự thông thường gồm các nguyên tử và phân
tử. Nó trở thành plasma trong đó các hạt nhân của nguyên tử chuyển động tách biệt với
các electron. Khi các hạt nhân tự do có va trạm với nhau sẽ xuất hiện những vụ nổ
nhiệt hạch. Khi quan sát tính chất của vật chất nguội hơn trên bề mặt nhìn thấy được
của mặt trời, các nhà khoa học đã kết luận rằng có phản ứng nhiệt hạch xảy ra ở trong
lòng mặt trời.
Về cấu trúc, mặt trời có thể chia làm 4 vùng, tất cả hợp thành một khối cầu khí
khổng lồ. Vùng giửa gọi là hạt nhân hay “ lỏi” có những chuyển động đối lưu, nơi xảy
ra những phản ứng nhiệt hạt nhân tạo nên nguồn năng lượng mặt trời, vùng này có bán
kính khoảng 175000km, khối lượng riêng 160kg/dm3, nhiệt độ ước tính từ 14 đến 20
triệu độ, áp suất vào khoảng hàng trăm tỷ at. Vùng kế tiếp là vùng trung gian còn gọi là
vùng “đổi ngược” qua đó năng lượng truyền từ trong ra ngoài, vật chất ở vùng này gồm
có: sắt (Fe), Canxi (Ca), Natri (Na), Stronti (Sr), Crom (Cr), Niken (Ni), Cacbon (C),
Silic (Si), và các khí như Hydro (H2), Heli (He)…, chiều dày vùng này khoảng
400000km. Tiếp theo là vùng “đối lưu” dày 125000km và vùng “quang cầu” có nhiệt
độ khoảng 6000K, dày 1000km ở vùng này gồm các bọt khí sôi sục, có chổ tạo ra các


vết đen, là các hố xoáy có nhiệt độ thấp khoảng 4500K và các tai lửa có nhiệt độ từ

7000K – 10000K. Vùng ngoài cùng là vùng bất định và gọi là “ khí quyển” của mặt
trời.
Nhiệt độ bề mặt của mặt trời khoảng 5762K nghĩa là có giá trị đủ lớn để các
nguyên tử tồn tại trong tình trạng kích thích, đồng thời đủ nhỏ để ở đây thỉnh thoảng lại
xuất hiện những nguyên tử bình thường và các cấu trúc phân tử. Dựa trên cơ sở phân
tích các phổ bức xạ và hấp thụ của mặt trời người ta xác định được rằng trên mặt trời
có ít nhất 2/3 số nguyên tố tìm thấy trên trái đất. Nguyên tố phổ biến nhất trên mặt trời
là nguyên tố nhẹ nhất Hydro. Vật chất của mặt trời bao gồm chừng 92,1% là Hydro và
gần 7,8% là Heli, 0,1% là các nguyên tố khác. Nguồn năng lượng bức xạ chủ yếu của
mặt trời là do phản ứng nhiệt hạch tổng hợp hạt nhân Hydro, phản ứng này dựa trên sự
tạo thành Heli. Hạt nhân của Hydro có một hạt mang điện dương là proton. Thông
thường những hạt nhân mang điện cùng dấu đẩy nhau, nhưng ở nhiệt độ đủ cao chuyển
động của chúng sẽ nhanh tới mức chúng có thể tiến gần tới nhau ở một khoảng cách
mà ở đó có thể kết hợp với nhau dưới tác dụng của các lực hút. Khi đó cứ 4 hạt nhân
Hydro lại tạo ra một hạt nhân Heli, 2 Neutrino và một lượng bức xạ Gama (γ).
4H11
→ He24 + 2 Neutrino + γ
Neutrino là hạt không mang điện, rất bền và có khả năng đâm xuyên rất lớn. Sau
phản ứng các neutrino lập tức rời khỏi phạm vi mặt trời và không tham gia vào các
“biến cố” sau đó.
Trong quá trình diễn biến của phản ứng có một lượng vật chất của mặt trời bị
mất đi. Khối lượng của mặt trời do đó mỗi giây giảm chừng 4.106 tấn, tuy nhiên theo
các nhà nghiên cứu, trạng thái của mặt trời vẫn không thay đổi trong thời gian hàng tỷ
năm nửa. Mỗi ngày mặt trời sản xuất một nguồn năng lượng qua phản ứng nhiệt hạch
lên đến 9.1024 kWh, (tức là chưa đầy một phần triệu giây mặt trời đã giải phóng ra một
lượng năng lượng tương đương với tổng số điện năng sản xuất trong một năm trên trái
đất).


2.

Hình 6. Cấu trúc mặt Trời
Năng lượng bức xạ mặt trời.

Trong toàn bộ bức xạ của mặt trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các phản ứng
hạt nhân xảy ra trong nhân mặt trời không quá 3%. Bức xạ γ ban đầu khi đi qua
5.105km chiều dày của lớp vật chất mặt trời, bị biến đổi rất mạnh. Tất cả các dạng của
bức xạ điện từ đều có bản chất sóng và chúng khác nhau ở bước sóng. Bức xạ γ là sóng
ngắn nhất trong các sóng đó (hình 7). Từ tâm mặt trời đi ra do sự va chạm hoặc tán xạ
mà năng lượng của chúng giảm đi và bây giờ chúng ứng với bức xạ có bước sóng dài.
Như vậy bức xạ chuyển thành bức xạ Rơn-ghen có bước sóng dài hơn. Gần đến bề mặt
mặt trời nơi có nhiệt độ đủ thấp để có thể tồn tại vật chất trong trạng thái nguyên tử và
các cơ chế khác bắt đầu xảy ra.
Đặc trưng của bức xạ mặt trời truyền trong không gian bên ngoài mặt trời là một
phổ rộng trong đó cực đại của cường độ bức xạ nằm trong dải 10-1 – 10 µm và hầu như
một nửa tổng năng lượng mặt trời tập trung trong khoảng bước sóng 0,38 – 0,78 µm đó
là vùng nhìn thấy của phổ.
* ĐỘ DÀI BƯỚC SÓNG (µm).


Hình 7. Dải bước sóng điện từ.
3.

Số liệu về bức xạ mặt trời.

Phần lớn các số liệu về bức xạ mặt Trời được đo ở trên mặt nằm ngang ở các
Trạm Khí Tượng Thủy Văn. Ví dụ hình 8 trình bày các đường cong ghi được trong một
ngày trong sáng đối với các thành phần tổng xạ và nhiễu xạ.

Hình 8. Các đường cong ghi các thành phần tổng xạ và nhiễu xạ trong 1 ngày

trong sáng.
Qua hình vẽ này ta thấy rằng, sự biến đổi của bức xạ mặt Trời là khá trơn tru và
có một cực đại lân cận giữa trưa. Đối với các ngày mây mù các đường cong trên sẽ
biến đổi phức tạp với rất nhiều cực đại và cực tiểu phụ.
Mật độ năng lượng bức xạ mặt Trời thường được đo bằng cal/cm3. Đối với việc
thiết kế các hệ thống thiết bị năng lượng mặt trời người ta quan tâm trước hết là cái giá


trị trung bình của bức xạ mặt Trời ở địa phương lắp đặt thiết bị. Thông thường người ta
tính giá trị trung bình ngày của bức xạ mặt Trời đối với các tháng khác nhau trong một
năm.
Để tham khảo các số liệu bức xạ mặt Trời ở các địa phương khác nhau trong
một nước hay trong một vùng địa lý nào đó người ta ta thường xây dựng các sổ tay tra
cứu hay các bản đồ bức xạ mặt Trời. Có hai đại lượng chính để đánh giá bức xạ mặt
Trời ở một địa phương nào đó, đó là mật độ năng lượng mặt Trời trung bình ngày và số
giờ nắng trung bình tháng trong năm và cả năm.
Bảng 1: Lượng tổng bức xạ mặt Trời trung bình ngày của các tháng trong
năm ở một số địa phương Việt Nam, (đơn vị MJ/m2.ngày).

TT

Địa phương

1

Cao Bằng

2

Móng Cái

3

Sơn La

4

Phú Hộ

5

Láng (Hà Nội)

6

Yên Định

7

Vinh

8

Đà Nẵng

9

Cần Thơ

10

Đà Lạt

4.

Tổng bức xạ mặt Trời của các tháng trong năm
(đơn vị: MJ/m2.ngày)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
8,21
8,72
10,43 12,70 16,81 17,56
18,81 19,11 17,60 13,57 11,27
9,37
18,81 19,11 17,60 13,57 11,27
9,37
17,56 18,23 16,10 15,75 12,91 10,35
11,23 12,65 14,45 16,84 17,89 17,47
11,23 12,65 14,45 16,84 17,89 17,47
8,04

8,09
8,96
12,15 17,73 18,23
18,39 17,89 16,22 14,41 11,65 10,01
8,76
8,63
9,09
12,44 18,94 19,11
20,11 18,23 17,22 15,04 12,40 10,66
9,72
9,55
10,18 13,53 20,66 20,32
20,87 18,96 18,44 15,71 12,19 11,35
8,88
8,13
9,34
14,50 20,03 19,78
21,79 16,39 15,92 13,16 10,22
9,01
12,44 14,87 18,02 20,28 22,17 21,04
22,84 20,78 17,93 14,29 10,43
8,47
17,51 20,07 20,95 20,88 16,72 15,00
16,68 15,29 16,38 15,54 15,25 16,38
16,68 15,29 16,38 15,54 15,25 16,38
18,94 16,51 15,00 14,87 15,75 10,07

Hằng số mặt Trời.

Trái đất chuyển động quanh mặt Trời theo một quỷ đạo hình elip với tâm sai

8
± 3% . Khoảng cách giữa mặt Trời và trái Đất là 1,495.10 km, khoảng cách này được
gọi là một đơn vị thiên văn. Từ khoảng cách này tại một điểm nằm trên mặt đất người


ta nhìn thấy mặt trời dưới một góc đặt β = 32 phút (hình 9) dưới góc này hai tia sáng
xuất phát từ đường bao của mặt Trời gửi đến trái Đất là gần như song song.

Hình 9. Quan hệ giữa mặt Trời và trái Đất.
Hằng số mặt Trời ISC được định nghĩa là cường độ bức xạ đo được trong không
gian nằm ngoài lớp khí quyển bao quanh trái Đất, trong một đơn vị thời gian, trên một
đơn vị diện tích bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ. Ngày nay nhờ vệ tinh và các dụng
cụ đo chính xác người ta đã xác định được hằng số mặt Trời có giá trị bằng ISC =
1.353W/m2, tương đương 1940 Cal/cm2/phút, hay 4.871 kJ/m2/h (số liệu này do cơ
quan vũ trụ NASA của Mỹ công bố năm 1971). Tuy nhiên, khi chùm bức xạ xuyên qua
lớp khí quyển bao quanh trái Đất chúng bị hấp thụ và tán xạ bởi các phân tử khí như:
CO2, O3, CH4, H2O, cũng như các hạt bụi lơ lửng trong không khí …. Nên khi đến mặt
đất thì cường độ bức xạ đã bị giảm đi đáng kể.
5.

Năng lượng bức xạ mặt trời ở Việt Nam.

Cường độ bức xạ.
Theo kết quả nghiên cứu của đề tài cấp nhà nước mang mã số 52C-01-01a đã
tiến hành xử lý số liệu quan trắc của 112 trạm Khí Tượng Thủy Văn phân bố trên toàn
quốc về bức xạ mặt Trời và thời gian nắng, được thu thập liên tục trong khoảng thời
gian 18 ÷19 năm, mỗi ngày tiến hành 5 lần quang trắc vào các giờ 6h30; 9h30; 12h30;
15h30; và 18h30.
- Giá trị cường độ tổng xạ trung bình ngày được tính theo công thức:
(kWh/m2/ngày)

Trong đó:


Qd - lượng tổng xạ cả ngày trung bình.
Qi - cường độ tổng xạ trung bình ở kỳ quan trắc cuối có giá trị Q > 0.
Qk - cường độ tổng xạ trung bình ở kỳ quan trắc cuối có giá trị Q > 0.
τmoc - khoản thời gian giữa lúc mặt trời mọc và kỳ quan trắc đầu có Q > 0.
τlan - khoản thời gian giữa lúc mặt trời lặn và kỳ quan trắc cuối có Q > 0.
* Giá trị cường độ tổng xạ trung bình cả năm (kWh/m2/năm) hay (kWh/m2/N).

∑S Q
=
∑S
i

Qi

i

i

(kWh/m2/N)

i

i

Trong đó:
Qi - cường độ bức xạ trung bình trong nhiều năm tại trạm quan trắc thứ i.
Si - diện tích của địa phương có đặt trạm quan trắc thứ i.

∑ Si - tổng diện tích của nhóm địa phương hoặc tất cả các địa phương trong
i

toàn quốc (theo số liệu thống kê năm 1989).
(* Cường độ bức xạ trung bình ngày và trung bình năm thể hiện qua bảng 2).
Số giờ nắng trong cả năm.
Số giờ nắng được đo bằng nhật quang ký Cambell-Stocker, trong đó có một số
rất ít trạm dùng nhật quang ký Jordan, nhưng sự khác nhau giữa hai loại này là không
đáng kể. Các giờ nắng được tính khi cường độ bức xạ (CĐBX) có giá trị Q ≥140W/m2,
đã để lại vết cháy trên giấy giản đồ. Dựa vào số liệu đo được của 112 trạm để tính số
giờ nắng trung bình trong vùng và lảnh thổ.
(* Số giờ nắng trung bình cả năm của các vùng lảnh thổ được thể hiện qua bảng 3).
Bảng 2: Cường độ bức xạ trung bình.
Vùng
lảnh thổ
1
2

3

Tên địa phương
Vùng núi phía Bắc, Đông Bắc,
Đồng bằng sông Hồng đến
Vinh - Nghệ An
Vùng núi Tây Bắc, Thanh
Hóa, Hà Tỉnh, Quảng Bình,
Quảng Trị
Thừa Thiên - Huế, ven biển từ
Đà Nẵng đến Phú Yên, Kom
Tum, Gia Lai, các tỉnh miền

Đông Nam Bộ, TP Hồ Chí
Minh, các tỉnh Đồng Bằng

CĐBX trung bình
(kWh/m2/ngày) (kWh/m2/Năm)
3,91

1.427

4,44

1.549

4,80

1.799


Sông Cửu Long
Đắk Lăk, Lâm Đồng, Khánh
Hoà, Ninh Thuận, Bình Thuận,
Bà Rịa Vũng Tàu
Cả nước

4

5,61

2.084

4,59

1.675

Bảng 3: Số giờ nắng trung bình trong năm.
Vùng
lảnh thổ
1
2
3
4
5
6
7
8

Số giờ nắng trung
bình trong năm

Tên địa phương
Điện Biên, Lai Châu, Sơn La Mộc
Châu
Lào Cai, Hà Giang, vùng Tây Bắc
Bắc Bộ
Vùng núi phía Bắc, Đông Bắc,
Đồng Bằng sông Hồng, và Bắc
khu IV cũ (đến Hà Tỉnh)
Quảng Bình, Quảng Trị, Vùng núi
Thừa Thiên - Huế
Vùng ven biển từ Quảng Trị, Thừa

Thiên - Huế đến Ninh Thuận
Phan Thiết (Bình Thuận)
Kom Tum, Gia Lai, Đăk Lăk, Lâm
Đồng
Đông Nam Bộ, TP. Hồ Chí Minh,
Đồng Bằng sông Cửu Long
Trung bình cả nước

1.930
1.452
1.631
1.818
2.294
2.961
2.431
2.411
1.854

* Cơ sở để tính toán bảng 3:

∑ST
T=
∑S

i i

i

(h / N )

i

i

Trong đó:
T - số giờ nắng trung bình trong năm (h/N).
Si - diện tích địa phương có đặt trạm quan trắc thứ i.
Ti - tổng số giờ nắng trung bình trong nhiều năm tại trạm đo thứ i.
∑ Si - tổng diện tích của nhóm địa phương hoặc tất cả các địa phương trong
i

toàn quốc (theo số liệu thống kê năm 1989).


IV.
1.

PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI.
Sơ lược về Pin năng lượng mặt Trời.

Khái niệm.
Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện), là thiết bị bán
dẫn chứa lượng lớn các diod p-n, duới sự hiện diện của ánh sáng mặt trời có khả năng
tạo ra dòng điện sử dụng được. Sự chuyển đổi này gọi là “hiệu ứng quang điện”.

Hình 10. Một tế bào quang điện.
Các pin năng lượng mặt trời có nhiều ứng dụng. Chúng đặc biệt thích hợp cho
các vùng mà chưa có mạng lưới điện vươn tới, các vệ tinh, máy tính cầm tay, các máy
điện thoại cầm tay từ xa, thiết bị bơm nước...
Lịch sử của Pin năng lượng mặt Trời.

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.
Hiệu ứng quang điện.
Khái niệm.
Hiệu ứng quang điện là một hiện tượng điện - lượng tử, trong đó các điện tử
được thoát ra khỏi vật chất sau khi hấp thụ năng lượng từ các bức xạ điện từ. Hiệu ứng
quang điện đôi khi được người ta dùng với cái tên Hiệu ứng Hertz, do nhà khoa học
Heinrich Hertz tìm ra.


Hình 11. Hiện tượng của hiệu ứng quang điện.
Hiện tượng.
Khi bề mặt của một tấm kim loại được chiếu bởi bức xạ điện từ có tần số lớn
hơn một tần số ngưỡng (tần số ngưỡng này là giá trị đặc trưng cho chất làm nên tấm
kim loại này), các điện tử sẽ hấp thụ năng lượng từ các photon và sinh ra dòng điện
(gọi là dòng quang điện). Khi các điện tử bị bật ra khỏi bề mặt của tấm kim loại, ta có
hiệu ứng quang điện ngoài (external photoelectric effect). Các điện tử không thể phát
ra nếu tần số của bức xạ nhỏ hơn tần số ngưỡng bởi điện tử không được cung cấp đủ
năng lượng cần thiết để vượt ra khỏi rào thế (gọi là công thoát). Điện tử phát xạ ra dưới
tác dụng của bức xạ điện từ được gọi là quang điện tử. Ở một số chất khác, khi được
chiếu sáng với tần số vượt trên tần số ngưỡng, các điện tử không bật ra khỏi bề mặt, mà
thoát ra khỏi liên kết với nguyên tử, trở thành điện tử tự do (điện tử dẫn) chuyển động
trong lòng của khối vật dẫn, và ta có hiệu ứng quang điện trong (external photoelectric
effect). Hiệu ứng này dẫn đến sự thay đổi về tính chất dẫn điện của vật dẫn, do đó,
người ta còn gọi hiệu ứng này là hiệu ứng quang dẫn.
Lịch sử của hiệu ứng quang điện.

Alexandre Edmond Becquerel lần đầu tiên quan sát thấy hiệu ứng quang điện
xảy ra với một điện cực được nhúng trong dung dịch dẫn điện được chiếu sáng vào
năm 1839. Năm 1873, Willoughby Smith phát hiện rằng selen (Se) có tính quang dẫn.
Năm 1887, Heinrich Hertz quan sát thấy hiệu ứng quang điện ngoài đối với các
kim loại và 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 tỉ mỉ 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 vào
năm 1900 của Max Planck. Các công trình này đã 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.
2.

Pin năng lượng mặt trời.


Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Pin năng lượng mặt Trời.
Pin năng lượng mặt Trời (hay Pin mặt Trời) có cấu tạo cũng khá đơn giản. Gồm
một lớp tiếp xúc bán dẩn pn có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt Trời
thành năng nhờ hiệu ứng quang điện bên trong.
Pin mặt Trời được sản xuất và ứng dụng phổ biến nhất hiện nay là các pin mặt
Trời được chế tạo từ vật liệu tinh thể bán dẩn Silicon (Si) có hóa trị 4. Từ tinh thể Si
tinh khiết, để có vật liệu tinh thể bán dẩn Si loại n, người ta pha tạp chất Donor là
Photpho (P) có hóa trị 5. Còn để có vật liệu bán dẩn tinh thể loại p thì tạp chất Accetor
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 hiệu điện thế hở mạch giữa hai cực vào khoảng 0,55V, còn
dòng đoản mạch của nó dưới bức xạ mặt Trời 1000W/m2 vào khoảng (25 ÷ 30)
mA/cm2. Hiện nay người ta cũng đã đưa ra thị trường các loại pin mặt Trời bằng vật
liệu Si vô định hình (a-Si). Pin mặt Trời a-Si có ưu điểm là tiết kiệm được vật liệu

trong sản xuất do đó có thể có gía 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 làm việc.
Ngoài Si, người ta còn nghiên cứu và thử nghiệm các loại vật liệu khác có nhiều
hứa hẹn như hệ bán dẩn hợp chất bán dẩn nhóm III – V, Sunfit cadmi-đồng (CuCdS),
Galium-Arsenit (GaAs),…Tuy nhiên, hiện nay việc nghiên cứu chế tạo và sử dụng các
pin mặt Trời từ các vật liệu khác Si chỉ mới ở phạm vi và quy mô thí nghiệm.
Một hướng khác nhằm nâng cao hiệu suất biến đổi quang điện của pin mặt Trời
là thiết kế, chế tạo các pin mặt Trời gồm một số lớp pn để tăng cường khả năng hấp thụ
photon có năng lượng khác nhau trong phổ bức xạ mặt Trời.


Hình 12. Nguyên lý hoạt động của pin mặt Trời
Các đặc trưng điện của pin mặt Trời.
Sơ đồ tương đương.
Khi được chiếu sáng, nếu ta nối các bán dẩn p và n của một tiếp xúc pn bằng
một dây dẩn, thì pin mặt Trời phát ra một dòng quang điện Iph. Vì vậy trước hết pin mặt
Trời có thể xem tương đương như một “nguồn dòng”.
Lớp tiếp xúc bán dẩn pn có tính chất chỉnh lưu tương đương như một diot. Tuy
nhiên, khi phân cực ngược, do điện trở lớp tiếp xúc có giới hạn, nên vẩn có một dòng
điện được gọi là dòng dò - qua nó. Đặc trưng cho dòng dò qua lớp tiếp xúc pn người ta
đưa vào đại lượng điện trở sơn Rsh (shun).
Khi dòng quang điện chạy trong mạch, nó phải đi qua các lớp bán dẩn p và n,
các điện cực, các tiếp xúc,… Đặc trưng cho tổng các điện trở của các lớp đó là một
điện trở Rs nối tiếp trong mạch (có thể là điện trở trong của pin mặt Trời).
Như vậy, một pin mặt Trời được chiếu sáng có sơ đồ tương đương như sau:


I

Rs

ID
IΦ

+

Ish

+
_

Isc

I

Rsh

Im

PM

V
_

O
(a)

(b)

Vm

Voc

V

Hình 13: Sơ đồ tương đương của pin mặt Trời (a)
Đường đặc trưng sáng của pin mặt Trời (b).
Từ sơ đồ tương đương, có thể dể dàng viết được phương trình đặc trưng sáng
von-ampe của pin mặt Trời như sau:
q (V + Rs I  V + Rs I

I = I ph − I d − I sh = I ph − I s exp
− 1 −
nkT
Rsh



(2.1)

Trong đó:
Iph – dòng quang điện (A/m2);
Id – dòng qua diot (A/m2);
Is - dòng bảo hòa (A/m2);
n - được gọi là thừa số lý tưởng phụ thuộc vào các mức độ hoàn thiện công nghệ
pin mặt Trời. Gần đúng có thể lấy n = 1;
Rs - điện trở nối tiếp (điện trở trong) của pin mặt Trời (Ω/m2);
Rsh - điện trở sơn (Ω/m2);
q - điện tích của điện tử (C);
Thông thường điện trở sơn Rsh rất lớn vì vậy có thể bỏ qua số hạng cuối trong
biểu thức (2.1). Đường đặc trưng sáng vôn-ampe của pin mặt Trời cho bởi biểu thức có

dạng như đường cong trong (hình 13) . Có ba điểm quan trọng trên đường đặc trưng
này:
- Dòng đoản mạch Isc;
- Thế hở mạch Voc;
- Điểm làm việc công suất cực đại Pin mặt Trời PM;

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 của pin). Lúc đó hiệu điện thế mạch ngoài của pin bằng
V = 0. Đặt gía trị V = 0 vào biểu thức (1.2) ta có:
qR I

 R I
I SC = I PH − I S exp S SC − 1 − S SC (2.2)
nkT
Rsh



Ở các điều kiện chiếu sáng bình thường (không có hội tụ) thì hiệu ứng điện trở
nối tiếp Rs có thể bỏ qua, và ID= 0 và do đó ta có: ISC = Iph = αE. Trong đó E là cường
độ sáng, α là một hệ số tỉ lệ. Như vậy ở điều kiện bình thường, dòng đoản mạch ISC của
pin mặt Trời tỷ lệ thuận với cường độ bức xạ chiếu sáng. Hình 14, cho thấy các đường
đặc trưng VA của pin mặt Trời phụ thuộc vào cường độ chiếu sáng. Với pin mặt Trời
tinh thể Si, ISC ≈30mA/cm2 khi cường độ bức xạ tới E0 = 1000W/m2 và nhiệt độ
T = 250C. Đường chấm là đường nối các điểm làm việc tối ưu có công suất cực đại ở
các cường độ bức xạ khác nhau.
Thế hở mạch VOC.

Thế hở mạch VOC là hiệu điện thế được đo khi mạch ngoài của pin mặt Trời hở
(R=∞). Khi đó dòng mạch ngoài I= 0. Đặt giá trị đó của dòng mạch ngoài vào (2.2) và
giả thiết Rsh rất lớn ta được biểu thức xác định VOC như sau:
qV
qV 



0 = I ph − I S exp OC − 1 = I ph − I S exp OC  + I S
nkT
nkT 



qV 

I ph + I S = I S exp OC 
nkT 

nkT I ph + I S
VOC =
ln
q
IS
nkT I ph + I S
Vì Iph >> Is nên có thể viết: VOC =
ln
(2.3)
q
IS

Trong biểu thức của VOC ta thấy nó phụ thuộc vào nhiệt độ một cách trực tiếp
(thừa số T ở trước biểu thức) và gián tiếp qua dòng bảo hòa IS. Như đã biết, dòng bảo
hòa IS là dòng các hạt tải điện không cơ bản được tạo ra do kích thích nhiệt và bị gia
tốc bởi điện trường tiếp xúc. Khi nhiệt độ của pin mặt Trời tăng dòng bảo hòa IS cũng
tăng lên theo hàm mũ:


Isc (A)
1,50 kW/m2,

1,50 ●

1,25 kW/m2

1,25 ●

1,00 kW/m2

1,00 ●

0,75 kW/m2

0,75 ●

0,50 kW/m2

0,50 ●

0,25 kW/m2

0,25 ●
0

Đường công suất
cực đại

T = const

●
0,1

●
0,2

●
0,3

●
0,4

●
0,5

●
0,6

U(V)
●
0,7

Hình 14: Sự phụ thuộc đặc trưng V(A) của pin mặt Trời vào cường độ bức xạ
mặt Trời.
  E g 
 (2.4)
I S = qAg th LD = qALD g 0 s exp −
  kT 

ở đây

  E g 

g th = g 0 exp −
  kT 

trong biểu thức (2.4) A là điện tích bề mặt tiếp xúc pn, gth là mật độ hạt dẫn được tạo ra
do kích thích nhiệt trong lớp tiếp xúc, g0 = gth khi T = ∞ được gọi là hệ số kích thích
nhiệt. Đặt các biểu thức này vào biểu thức VOC ta có:
VOC =

Rg
q

−

nkT LD g 0 A
ln
q
KN ph

Từ công thức trên ta thấy, chỉ khi T = 0 thì mới thu được các đầu ra của tiếp xúc
pn điện thế bằng thế năng Eg/q của cặp e- - h+. Còn khi T > 0 thì
VOC <

Eg
q

Sự khác nhau giữa các thế năng khi T = 0 và khi T > 0 phụ thuộc vào hệ số kích
thích nhiệt g0 và vào hiệu suất góp K. Khi chiếu sáng với cường độ sáng cao thì
Nph tăng lên và V0 càng gần tới gía trị Eg/q. Ngoài ra, VOC tăng theo hàm loga với dòng


quang điện Iph mà đến lượt nó lại tăng tuyến tính với cường độ bức xạ chiếu sáng. Kết
quả là thế hở mạch VOC tăng theo hàm loga theo cường độ bức xạ chiếu sáng và giảm
tuyến tính khi nhiệt độ của pin mặt Trời tăng. Đối với các pin mặt Trời tinh thể Si, khi
nhiệt độ tăng trong khoảng từ 200C đến 1000C thì VOC giảm khoảng 2 mV/0C, còn
dòng quang điện tăng lên khoảng 0,03mA/cm2.0C. Hình 15, cho thấy sự phụ thuộc đặc
trưng sáng VA của pin mặt Trời tinh thể Si vào nhiệt độ từ -400C đến +600C.
Điểm làm việc cực đại.
Xét một đường đặc trưng VA của pin mặt Trời đối 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 R thì điểm cắt nhau của đường đăc 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
một pin mặt Trời là một tải điện trở Ohm thuần, thì đường đặc trưng tải là một đường
thẳng đi qua gốc tọa độ và có độ nghiêng α đối với trục OV và tgα = 1/R
(trên hình 16), (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 diện tích hình chử
nhật giới hạn bởi hoành 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 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 hình 16, là điểm tiếp xúc giữa đường đặc trưng VA của pin
mặt Trời và đường công suất không đổi (đường công suất không đổi IV = const là các
đường hypecbol).
Isc (A)
1,00 ●
0,75 ●
0,50 ●

E = const

-400 C
200 C

0,25 ●
600 C

U(V)
●
●
●
0
0,53
0,6
0,72
Hình 15: Sự phụ thuộc đặc trưng sáng của V(A) của pin mặt Trời vào nhiệt độ
của pin.