Tài liệu Phần II: Ứng dụng năng lượng mặt trời ppt

31
PHÁƯN II
ỈÏNG DỦNG NÀNG LỈÅÜNG MÀÛT TRÅÌI


Nàng lỉåüng màût tråìi (NLMT) l ngưn nàng lỉåüng m con
ngỉåìi biãút sỉí dủng tỉì ráút såïm, nhỉng ỉïng dủng nàng lỉåüng màût tråìi
vo cạc cäng nghãû sn xút v trãn quy mä räüng thç måïi chè thỉûc sỉû
vo cúi thãú k 18 v cng ch úu åí nhỉỵng nỉåïc nhiãưu nàng lỉåüng
màût tråìi, nhỉỵng vng sa mảc. Tỉì sau cạc cüc khng hong nàng
lỉåüng thãú giåïi nàm 1968 v 1973, nàng lỉåüng màût tråìi cng âỉåüc âàûc
biãût quan tám. Cạc nỉåïc cäng nghiãûp phạt triãøn â âi tiãn phong trong
viãûc nghiãn cỉïu ỉïng dủng nàng lỉåüng màût tråìi. Cạc ỉïng dủng nàng
lỉåüng màût tråìi phäø biãún hiãûn nay bao gäưm 2 lénh vỉûc ch ú
u. Thỉï
nháút l nàng lỉåüng màût tråìi âỉåüc biãún âäøi trỉûc tiãúp thnh âiãûn nàng
nhåì cạc tãú bo quang âiãûn bạn dáùn, hay cn gi l Pin màût tråìi, cạc Pin
màût tråìi sn xút ra âiãûn nàng mäüt cạch liãn tủc chỉìng no cn cọ bỉïc
xả màût tråìi chiãúu tåïi. Lénh vỉûc thỉï hai âọ l sỉí dủng nàng lỉåüng màût
tråìi dỉåïi dảng nhiãût nàng, åí âáy, chụng ta dng cạc thiãút bë thu bỉïc xả
nhiãût màût tråìi v têch trỉỵ nọ dỉåïi dảng nhiãût nàng âãø dng vo cạc mủc
âêch khạc nhau.

Viãût Nam l nỉåïc cọ tiãưm nàng vãư NLMT, tri di tỉì vé âäü 8” Bàõc
âãún 23” Bàõc, nàòm trong khu vỉûc cọ cỉåìng âäü bỉïc xả màût tråìi tỉång
âäúi cao, våïi trë säú täøng xả khạ låïn tỉì 100-175 kcal/cm
2
.nàm. Do âọ
viãûc sỉí dủng NLMT åí nỉåïc ta s âem lải hiãûu qu kinh tãú låïn. Thiãút bë

sỉí dủng nàng lỉåüng màût tråìi åí Viãût Nam hiãûn nay ch úu l hãû thäúng
cung cáúp âiãûn dng pin màût tråìi, hãû thäúng náúu cåm cọ gỉång phn xả,
hãû thäúng cung cáúp nỉåïc nọng, chỉng cáút nỉåïc dng NLMT, dng
NLMT chảy cạc âäüng cå nhiãût (âäüng cå Stirling), v ỉïng dủng NLMT
âãø lm lảnh l âãư ti háúp dáùn cọ tênh thåìi sỉû â v âang âỉåüc nhiãưu
nh khoa hc trong v ngoi nỉåïc nghiãn cỉïu.


32


CHặNG 3

PIN MT TRèI



Pin mặt trời là phơng pháp sản xuất điện trực tiếp từ năng lợng
mặt trời qua thiết bị biến đổi quang điện. Pin mặt trời có u điểm là
gọn nhẹ có thể lắp bất kỳ ở đâu có ánh sáng mặt trời, đặc biệt là trong
lĩnh vực tàu vũ trụ. ứng dụng năng lợng mặt trời dới dạng này đợc
phát triển với tốc độ rất nhanh, nhất là ở các nớc phát triển. Ngày nay
con ngời đã ứng dụng pin mặt trời trong lĩnh vực hàng không vũ trụ,
để chạy xe và trong sinh hoạt thay thế dần nguồn năng lợng truyền
thống.

3.1. CÁÚU TẢO V HOẢT ÂÄÜNG CA PIN MÀÛT TRÅÌI

Pin màût tråìi lm viãûc theo ngun l l biãún âäøi trỉûc tiãúp nàng
lỉåüng bỉïc xả màût tråìi thnh âiãûn nàng nhåì hiãûu ỉïng quang âiãûn.
3.1.1. Hiãûu ỉïng quang âiãûn
Hiãûu ỉïng quang âiãûn âỉåüc phạt hiãûn âáưu tiãn nàm 1839 båíi nh
váût l Phạp Alexandre Edmond Becquerel. Tuy nhiãn cho âãún 1883
mäüt pin nàng lỉåüng måïi âỉåüc tảo thnh, båíi Charles Fritts, äng ph
lãn mảch bạn dáùn selen mäüt låïp cỉûc mng vng âãø tảo nãn mảch näúi.
Thiãút bë chè cọ hiãûu sút 1%, Russell Ohl xem l ngỉåìi tảo ra pin nàng
lỉåüng màût tråìi âáưu tiãn nàm 1946. Sau âọ Sven Ason Berglund â cọ
cạc phỉång phạp liãn quan âãún viãûc tàng kh nàng cm nháûn ạnh sạng
ca pin.
Xẹt mäüt hãû hai mỉïc nàng
lỉåü
ng âiãûn tỉí (hçnh 3.1) E
1
<E
2
,
bçnh thỉåìng âiãûn tỉí chiãúm mỉïc
nàng lỉåüng tháúp hån E
1

. Khi
nháûn bỉïc xả màût tråìi, lỉåüng tỉí
ạnh sạng photon cọ nàng lỉåüng
hν (trong âọ h l hàòng säú Planck,
ν l táưn säú ạnh sạng) bë âiãûn tỉí
háúp thủ v chuøn lãn mỉïc nàng
lỉåüng E
2
. Ta cọ phỉång trçnh cán
bàòng nàng lỉåüng:
2
E
E
1
ν
h

Hçnh 3.1. Hãû 2 mỉïc nàng lỉåüng
hν = E
2
- E
1
(3.1)
Trong cạc váût thãø ràõn, do tỉång tạc ráút mảnh ca mảng tinh thãø
lãn âiãûn tỉí vng ngoi, nãn cạc mỉïc nàng lỉåüng ca nọ bë tạch ra
nhiãưu mỉïc nàng lỉåüng sạt nhau v tảo thnh cạc vng nàng lỉåüng
(hçnh 3.2). Vng nàng lỉåüng tháúp bë cạc âiãûn tỉí chiãúm âáưy khi åí trảng
thại cán bàòng gi l vng hoạ trë, m màût trãn ca nọ cọ mỉïc nàng

33

lỉåüng E
v
. Vng nàng lỉåüng phêa trãn tiãúp âọ hon ton träúng hồûc chè
bë chiãúm mäüt pháưn gi l vng dáùn, màût dỉåïi ca vng cọ nàng lỉåüng
l E
c
. Cạch ly giỉỵa 2 vng họa trë v vng dáùn l mäüt vng cáúp cọ âäü
räüng våïi nàng lỉåüng l
E
g
, trong âọ khäng cọ
mỉïc nàng lỉåüng cho phẹp
no ca âiãûn tỉí.
Khi nháûn bỉïc xả
màût tråìi, photon cọ nàng
lỉåüng hν tåïi hãû thäúng v
bë âiãûn tỉí åí vng hoạ trë
tháúp háúp thu v nọ cọ thãø
chuøn lãn vng dáùn âãø
tråí thnh âiãûn tỉí tỉû do e
-
, âãø lải åí vng hoạ trë mäüt läù träúng cọ thãø coi
nhỉ hảt mang âiãûn dỉång, k hiãûu l h
+
. Läù träúng ny cọ thãø di chuøn
v tham gia vo quạ trçnh dáùn âiãûn.
E
c
v

E
Vng dáùn
Vng hoạ trë
E
g
h
ν

Hçnh 3.2 Cạc vng nàng lỉåüng
Hiãûu ỉïng lỉåüng tỉí ca quạ trçnh háúp thủ photon cọ thãø mä t
bàòng phỉång trçnh:
E
v
+ hν -> e
-
+ h
+
(3.2)
Âiãưu kiãûn âãø âiãûn tỉí cọ thãø háúp thủ nàng lỉåüng ca photon v
chuøn tỉì vng hoạ trë lãn vng dáùn, tảo ra càûp âiãûn tỉí - läù träúng l
hν = hc/λ ≥ E
g
= E
c
- E
v
. Tỉì âọ cọ thãø tênh âỉåüc bỉåïc sọng tåïi hản λ
c

ca ạnh sạng âãø cọ thãø tảo ra càûp e

-
- h
+
:

ggvc
c
EE
hc
EE
hc 24,1
==
−
=
λ
, [µm] (3.3)
Trong thỉûc tãú cạc hảt dáùn bë kêch thêch e
-
v h
+
âãưu tỉû phạt
tham gia vo quạ trçnh phủc häưi, chuøn âäüng âãún màût ca cạc vng
nàng lỉåüng: âiãûn tỉí e
-
gii phọng nàng lỉåüng âãø chuøn âãún màût ca
vng dáùn E
c
, cn läù träúng h
+
chuøn âãún màût ca E

v
, quạ trçnh phủc
häưi chè xy ra trong khong thåìi gian ráút ngàõn 10
-12
÷ 10
-1
giáy v gáy

34

ra dao õọỹng maỷnh (photon). Nng lổồỹng bở tọứn hao do quaù trỗnh phuỷc
họửi seợ laỡ E
ph
= h - E
g
.
Toùm laỷi khi vỏỷt rừn nhỏỷn tia bổùc xaỷ mỷt trồỡi, õióỷn tổớ ồớ vuỡng hoaù
trở hỏỳp thuỷ nng lổồỹng photon h vaỡ chuyóứn lón vuỡng dỏựn taỷo ra cỷp
haỷt dỏựn õióỷn tổớ - lọự trọỳng e
-
- h
+
, tổùc laỡ õaợ taỷo ra mọỹt õióỷn thóỳ. Hióỷn
tổồỹng õoù goỹi laỡ hióỷu ổùng quang õióỷn bón trong.
Bổồùc 1
ỏm tờnh
dổồng tờnh
lồùp p
lồùp n
õióỷn tờch dổồng

õióỷn tờch ỏm
Bổồùc 2
lồùp p
lồùp n
tióỳp xuùc p-n
õióỷn trổồỡng
Bổồùc 3
õióỷn trổồỡng
tióỳp xuùc p-n
lồùp p
lồùp n
phọton
õióỷn trổồỡng
Bổồùc 4
taới õióỷn
õióỷn tổớ tổỷ do
Mỷt trồỡi
Prọton
ióỷn tổớ
ióỷn tổớ
tổỷ do
Lọự trọùng
Hỗnh 2.3. Nguyón lyù hoaỷt õọỹng cuớa pin mỷt trồỡi
Hỗnh 3.3 Nguyón lyù hoaỷt õọỹng cuớa pin mỷt trồỡi

35

3.1.2. Hióỷu suỏỳt cuớa quaù trỗnh bióỳn õọứi quang õióỷn
Ta coù thóứ xaùc õởnh hióỷu suỏỳt giồùi haỷn vóử mỷt lyù thuyóỳt cuớa
quaù trỗnh bióỳn õọứi quang õióỷn cuớa hóỷ thọỳng 2 mổùc nhổ sau:

=
o
o
o
o
g
d
hc
J
dJE
c






)(
)(
(3.4)

Trong õoù:
J
o
() laỡ mỏỷt õọỹ photon coù bổồùc
J
o
()d laỡ tọứng sọỳ photon tồùi coù bổồùc soùng trong khoaớng ữ + d
hc/ laỡ nng lổồỹng cuớa photon
E
g
= laỡ nng
lổồỹng hổợu ờch maỡ õióỷn tổớ
hỏỳp thuỷ cuớa photon trong
quaù trỗnh quang õióỷn,
()


dJ
c

0
0
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0.5
1

1.5 2
E
g
eV


Hỗnh 3.4. Quan hóỷ

( E
g
)




d
hc
J
o
o








)(
laỡ tọứng

nng lổồỹng cuớa caùc photon
tồùi hóỷ.
Nhổ vỏỷy hióỷu suỏỳt laỡ mọỹt
haỡm cuớa E
g
(hỗnh 3.4).
Bũng tờnh toaùn lyù thuyóỳt õọỳi vồùi chỏỳt baùn dỏựn Silicon thỗ hióỷu
suỏỳt 0,44.
3.1.3. Cỏỳu taỷo pin mỷt trồỡi

Hởón nay vỏỷt lióỷu chuớ yóỳu cho pin mỷt trồỡi laỡ caùc silic tinh thóứ.
Pin mỷt trồỡi tổỡ tinh thóứ silic chia ra thaỡnh 3 loaỷi:

36

•
Mäüt tinh thãø hay âån tinh thãø module sn xút dỉûa trãn quạ
trçnh Czochralski. âån
tinh thãø loải ny cọ hiãûu
sút tåïi 16%. Chụng
thỉåìng ráút âàõt tiãưn do
âỉåüc càõt tỉì cạc thi hçnh
äúng, cạc táúm âån thãø ny
cọ cạc màût träúng åí gọc
näúi cạc module.
•
Âa tinh thãø lm tỉì cạc
thi âục-âục tỉì silic nung chy cáøn tháûn âỉåüc lm ngüi v lm
ràõn. Cạc pin ny thỉåìng r hån cạc âån tinh thãø, tuy nhiãn hiãûu
sút kẹm hån. Tuy nhiãn chụng cọ thãø tảo thnh cạc táúm vng

che ph bãư màût nhiãưu hån âån tinh thãø b lải cho hiãûu sút tháúp
ca nọ.

Hçnh 3.5. Pin màût tråìi
•
Di silic tảo tỉì cạc miãúng phim mng tỉì silic nọng chy v cọ
cáúu trục âa tinh thãø. Loải ny thỉåìng cọ hiãûu sút tháúp nháút, tuy
nhiãn loải ny r nháút trong cạc loải vç khäng cáưn phi càõt tỉì
thi silicon.
Mäüt låïp tiãúp xục bạn dáùn pn cọ kh nàng biãún âäøi trỉûc tiãúp nàng
lỉåüng bỉïc xả màût tråìi thnh âiãûn nàng nhåì hiãûu ỉïng quang âiãûn bãn
trong gi l pin màût tråìi. Pin màût tråìi âỉåüc sn xút v ỉïng dủng phäø
biãún hiãûn nay l cạc pin màût tråìi âỉåüc chãú tảo tỉì váût liãûu tinh thãø bạn
dáùn silicon (Si) cọ hoạ
trë 4. Tỉì tinh thãø Si tinh khiãút, âãø cọ váût liãûu
tinh thãø bạn dáùn Si loải n, ngỉåìi ta pha tảp cháút donor l photpho cọ
hoạ trë 5. Cn cọ thãø cọ váût liãûu bạn dáùn tinh thãø loải p thç tảp cháút
acceptor âỉåüc dng âãø pha vo Si l Bo cọ hoạ trë 3. Âäúi våïi pin màût
tråìi tỉì váût liãûu tinh thãø Si khi bỉïc xả màût tråìi chiãúu âãún thç hiãûu âiãûn
thãú håí mảch giỉỵa 2 cỉûc khong 0,55V v dng âiãûn âon mảch ca nọ

37

khi bỉïc xả màût tråìi cọ cỉåìng
âäü 1000W/m
2
vo khong
25 ÷ 30 mA/cm
2
.

Silicon âa
tinh thãø
38
Hiãûn nay ngỉåìi ta â chãú
tảo pin màût tråìi bàòng váût
liãûu Si vä âënh hçnh (a-Si).
So våïi pin màût tråìi tinh thãø
Si thç pin màût tråìi a-Si giạ
thnh r hån nhỉng hiãûu
sút tháúp hån v kẹm äøn
âënh.
Ngoi Si, hiãûn nay ngỉåìi
ta âang nghiãn cỉïu v thỉí
nghiãûm cạc loải váût liãûu
khạc cọ nhiãưu triãøn vng
nhỉ Sunfit cadmi-âäưng
(CuCds), galium-arsenit
(GaAs) ...
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
Thi Silicon

Bọc tảo thi
Tảo Silicon
âån tinh thãø
Pha tảp cháút
tảo bạn dáùn
Tảo bãư màû
t
Pin màût tråìi
âån
Cäng nghãû chãú tảo pin
màût tråìi gäưm nhiãưu cäng
âoản khạc nhau, vê dủ âãø
chãú tảo pin màût tråìi tỉì
Silicon âa tinh thãø cáưn qua
cạc cäng âoản nhỉ hçnh 3.6
cúi cng ta âỉåüc module.
Tảo âiãûn cỉûc
Tảo tiãúp xục âiãûn,
låïp bo vãû
Âọng khung
Thnh module


Module
Pin màût tråìi



Hçnh 3.6. Quạ trçnh tảo module

Tỏỳm kờnh phuớ phờa trón
Lồùp caùc pin mỷt trồỡi
Tỏỳm keo EVA
Tỏỳm keo EVA
Tỏỳm õaùy


Hỗnh 3.7. Cỏỳu taỷo module








3.2. THIT K H THNG IN MT TRèI

Hóỷ thọỳng õióỷn mỷt trồỡi laỡ mọỹt hóỷ thọỳng bao gọửm mọỹt sọỳ caùc
thaỡnh phỏửn nhổ; caùc tỏỳm pin mỷt trồỡi (maùy phaùt õióỷn), caùc taới tióu thuỷ
õióỷn, caùc thióỳt bở tờch trổợ nng lổồỹng vaỡ caùc thióỳt bở õióửu phọỳi nng
lổồỹng,...
Thióỳt kóỳ mọỹt hóỷ thọỳng
õióỷn mỷt trồỡi

laỡ xỏy dổỷng mọỹt
quan hóỷ tổồng thờch giổợa caùc
thaỡnh phỏửn cuớa hóỷ vóử mỷt õởnh
tờnh vaỡ õởnh lổồỹng, õóứ õaớm

baớo mọỹt sổỷ truyóửn taới nng
lổồỹng hióỷu quaớ cao tổỡ maùy
phaùt - pin mỷt trồỡi õóỳn caùc taới
tióu thuỷ.
Khọng nhổ caùc hóỷ nng
lổồỹng khaùc, nhión lióỷu cuớa
maùy phaùt õióỷn laỡ bổùc xaỷ mỷt
trồỡi, noù luọn thay õọứi phổùc taỷp
theo thồỡi gian, theo õởa
phổồng vaỡ phuỷ thuọỹc vaỡo caùc
õióửu kióỷn khờ hỏỷu, thồỡi tióỳt,... nón vồùi cuỡng mọỹt taới õióỷn yóu cỏửu, coù



Hỗnh 3.8. Hóỷ thọỳng pin mỷt trồỡi.

39