(Luận văn thạc sĩ hcmute) nghiên cứu và chế tạo pin mặt trời dạng polymer

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ THÀNH TÂM NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO PIN MẶT TRỜI DẠNG POLYMER NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 S K C0 4 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2014 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ THÀNH TÂM NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO PIN MẶT TRỜI DẠNG POLYMER NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2014 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ THÀNH TÂM NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO PIN MẶT TRỜI DẠNG POLYMER NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS QUYỀN HUY ÁNH Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2014 Luan van Lý lịch khoa học LVTN LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC Họ tên: Lê Thành Tâm Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 09/03/1987 Nơi sinh: Bình Định Q qn: Phước Hịa – Tuy Phước – Bình Định Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: 10-04 Nhà D, Lô J, Chung cư Bình Khánh, Phường An Phú, Quận 2, TP Hồ Chí Minh Điện thoại: 0988114195 E-mail: tam05spkt@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO Đại học Hệ đào tạo: quy Thời gian đào tạo: 2005 đến 2010 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật, Quận Thủ Đức, TP Hồ Chí Minh Ngành học: Điê ̣n khí hóa - Cung cấ p điê ̣n Tên đồ án tốt nghiệp : Thiế t kế bài giảng powerpoint môn an toàn điê ̣n Ngày & nơi bảo vệ đồ án tốt nghiệp : 01/2010 – Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM Người hướng dẫn : PGS.TS Quyền Huy Ánh III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Thời gian 08/2010 - 2012 04/2011- Nay Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Khoa Điê ̣n-Điê ̣n Tử, Trường Đại Học viên học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM Trường Cao đẳng Kỹ thuật Cao Giáo viên Thắng – TP Hồ Chí Minh XÁC NHẬN CỦA CƠ QUAN (Ký tên, đóng dấu) Ngày Trang i Luan van tháng năm 2014 Người khai ký tên Lời cam đoan LVTN LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng 10 năm 2014 Người cam đoan Lê Thành Tâm Trang ii Luan van Lời cảm ơn LVTN LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Quyền Huy Ánh tận tình hướng dẫn tơi hồn thành luận văn Chân thành cảm ơn q thầy Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Trường Đại Học Bách khoa TP.HCM giảng dạy suốt hai năm học Xin cám ơn Nguyễn Bảo Quốc (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật), Trương Nguyên Bảo (Trường Đại hoạc Khoa học Tự Nhiên), giúp đỡ, chia sẻ kinh nghiệm động viên suốt thời gian làm sản phẩm Và cuối cùng, xin chân thành cảm ơn gia đình bạn tơi động viên tơi suốt q trình học tập Trang iii Luan van Tóm tắt LVTN TĨM TẮT Cơng nghệ pin quang điện (PV) góp phần tăng tính thân thiện với mơi trường, giảm thiểu khí thải cácbon từ nhiên liệu hóa thạch sinh khối Một cơng nghệ pin quang điện mới, pin mặt trời làm chất dẻo, công nghệ dựa phân tử polymer liên hợp Loại pin thu hút ý giới vài năm vừa qua, thân thiện với môi trường, linh hoạt, trọng lượng nhẹ, không tốn hiệu Đặc biệt pin mặt trời bulk-heterojunction pha trộn lớp cho (polymer liên hợp) với lớp nhận (methanolfullerene) xem hướng đầy triển vọng Luận văn : “NGHIÊN CỨU, VÀ CHẾ TẠO PIN MẶT TRỜI DẠNG POLYMER” tập trung nghiên cứu vấn đề sau:  Cách thức chế tạo pin mặt trời hữu đơn lớp ITO/MEH-PPV/AL  Xây dựng mơ hình mơ cho pin mặt trời tương ứng với mức xạ lượng mặt trời khác cách ghép nối khác  Mô so sánh kết giải thuật bắt điểm công suất cực đại Trang iv Luan van LVTN Abstract ABSTRACT New photovoltaic (PV) energy technologies can contribute to environmentally friendly, renewable energy production, and the reduction of the carbon dioxide emission associated with fossil fuels and biomass One new PV technology, plastic solar cell technology, is based on conjugated polymers and molecules Polymer solar cells have attracted considerable attention in the past few years owing to their potential of providing environmentally safe, flexible, lightweight, inexpensive, efficient solar cells Especially, bulk-heterojunction solar cells consisting of a mixture of a conjugated donor polymer with a methanofullerene acceptor are considered as a promising approach Here a brief introduction and overview is given of the field of polymer solar cells Thesis “STUDY ON THE FABRICATION OF POLYMER PHOTOVOLTAICS” research:  Method of fabrication of organic solar cells ITO/MEH-PPV/AL  Simulation for PV modules at different radiation and temperature levels  Simulation and comparison of the results of maximum power point tracking algorithm Trang v Luan van Mục lục LVTN MỤC LỤC Trang tựa Trang Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan ii Cảm tạ iii Tóm tắt iv Mục lục vi Danh sách chữ viết tắt x Danh sách hình xi Danh sách bảng xiv Chương Tổng quan 01 1.1 Đặt vấn đề 01 1.1.1 Sự tiêu thụ lượng người tương lai 01 1.1.2 Năng lượng tái tạo 05 1.1.3 Năng lượng mặt trời 08 1.2 Định hướng đề tài .13 1.3 Nhiệm vụ luận văn 13 1.4 Kết mong muốn đạt 13 Chương 2: Cở sở lý thuyết 14 2.1 Tổng quan Polymer 14 2.3 Polymer dẫn điện .15 2.3.1 Khái quát 15 2.3.2 Phân loại 15 2.3.3 Cơ chế dẫn điện .17 2.3.3.1 Cơ chế Roth .17 2.3.3.2 Cơ chế chuyền pha Kaoki 18 Trang vi Luan van Mục lục LVTN 2.4 Phương pháp tạo Polymer dẫn 19 2.4.1 Dải lượng điện tử : 19 2.4.2 Quá trình doping .20 2.4.3 Điều kiện dẫn điện Polymer .21 2.4.4 Nguyên nhân gây dòng điện Polymer 21 2.4.5 Phương pháp tổng hợp Polymer dẫn điện 25 2.4 Tổng quan Pin quang điện 26 2.4.1 Cấu tạo 26 2.4.1.1 Tấm đế 26 2.4.1.2 Lớp anode 26 2.4.1.3 Lớp truyền lỗ trống .27 2.4.1.4 Lớp truyền điện tử 27 2.4.1.5 Lớp quang hoạt .27 2.4.1.6 Lớp Kathode 28 2.5 Pin quang điện Polymer 28 2.5.1 Cấu tạo PMT Polymer .28 2.5.1.1 Cấu trúc đơn lớp 30 2.5.1.2 Cấu trúc hai lớp .31 2.5.1.3 Cấu trúc hỗn hợp 31 2.5.1.4 Cấu trúc ghép lớp 31 2.5.2 Các thông số pin mặt trời hữu 32 2.5.2.1 Dòng điện tạo pin 32 2.5.2.2 Dòng tối 33 2.5.2.3 Hệ số lấp đầy hiệu suất 34 2.5.2.4 Điện trở kí sinh .36 2.5.2 Các giải thuật bắt điểm công suất cực đại .37 2.5.2.1 Tổng quan đặc tuyến tải .37 2.5.2.2 Hệ thống bám điểm công suất cực đại 41 2.5.2.3 Các thuật tốn dị tìm công suất cực đại 44 Trang vii Luan van LVTN Chương : Xây dựng mơ hình mơ Simulink Hình 4.26: Sơ đồ khối mạch mô MPPT Trang 77 Luan van Chương 5: Kết đánh giá LVTN Chương KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ 5.1 Kết thu từ pin mặt trời ITO/MEH-PPV/AL: Kết thu từ pin Polymer ITO/MEH-PPV/AL:  Điện áp điểm cực đại: 1.5 V  Dòng điện điểm cực đại: mA  Công suất: 0.0015 W  Điện hở mạch Voc: 1.75 V  Dòng điện ngắn mạch: 1.25 mA  Độ rộng (mm): 36.5 mm  Độ dài(mm): 64 mm  Bề dày (mm): mm  Khối lượng (kg): 10 g 5.2 Mơ hình kết mô Pin Matlab Simulink : 5.2.1 Mơ hình mơ đặc tuyến pin theo độ xạ mặt trời : Sử dụng mơ hình mơ xây dựng chương trước, ta tiến hành mơ pin mặt trời có thơng số Bảng 5.1: Bảng 5.1: Thông số thực tế pin mặt trời Công suất (P) 83 W Điện áp điểm cực đại (Vmp) 17.7 V Dòng điện điểm cực đại(Imp) 4.95 A Điện áp hở mạch (Voc) 21.9 V Dòng điện ngắn mạch (Isc) 5.1 A Trang 78 Luan van Chương 5: Kết đánh giá LVTN Để khảo sát đặc tuyến pin theo độ xạ lượng mặt trời, luận văn xây dựng mơ hình khảo sát từ mơ hình khối pin polymer hình 5.1 Hình 5.1: Mơ hình mơ pin mặt trời theo độ xạ mặt trời 5.2.2 Kết mô : Kết mô đặc tuyến pin lấy điều kiện môi trường khác  Trường hợp 1: xạ 1000W/m2, nhiệt độ 25oC Hình 5.2: Đặc tuyến I – V Pin trường hợp Trang 79 Luan van Chương 5: Kết đánh giá LVTN Hình 5.3: Đặc tuyến P – V Pin trường hợp  Trường hợp 2: xạ 800W/m2, nhiệt độ 50oC Hình 5.4: Đặc tuyến I – V Pin trường hợp Trang 80 Luan van Chương 5: Kết đánh giá LVTN Hình 5.5: Đặc tuyến P – V Pin trường hợp Nhận xét :  Khi nhiệt độ tăng áp hở mạch giảm  Khi xạ tăng dịng ngắn mạch tăng Vậy công suất Pin tỷ lệ thuận theo xạ tỷ lệ nghịch theo nhiệt độ 5.3 Kết mơ mơ hình MPPT cho pin mặt trời : 5.3.1 Kết mô theo phương pháp P&O Kết bắt công suất cực đại Pin mặt trời điều kiện xạ G = 1000W/m2 ; nhiệt độ t = 250C  Đáp ứng điện áp Pin sử dụng thuật toán P&O : Trang 81 Luan van Chương 5: Kết đánh giá LVTN Hình 5.6: Đáp ứng điện áp thuật tốn P&O  Đặc tuyến cơng suất Pin sử dụng thuật tốn P&O : Hình 5.7: Đáp ứng cơng suất thuật tốn P&O Trang 82 Luan van Chương 5: Kết đánh giá LVTN Nhận xét : o Ở trạng thái xác lập, điện áp dao động nhiều o Công suất dao động quanh điểm cực đại o Thời gian xác lập chậm (0,135 s) Phương pháp PO khơng có điều kiện dừng xác định Sau chu kỳ, điện áp dòng điện tham chiếu thêm bớt khoảng thay đổi Khoảng dao động giảm xuống cách giảm độ thay đổi, khiến cho thời gian xác lập tăng lên 5.3.2 Kết mô theo phương pháp INC Kết bắt công suất cực đại Pin mặt trời điều kiện xạ G = 1000W/m2 ; nhiệt độ t = 250C  Đáp ứng điện áp Pin sử dụng thuật tốn INC : Hình 5.8: Đáp ứng điện áp thuật toán INC Trang 83 Luan van Chương 5: Kết đánh giá LVTN  Đặc tuyến cơng suất Pin sử dụng thuật tốn INC : Hình 5.9: Đáp ứng cơng suất thuật toán INC Nhận xét : o Ở trạng thái xác lập, độ dao động o Thời gian đáp ứng chậm so với P&O Giải thuật IncCond có điều kiện dừng nên trạng thái xác lập dao động so với P&O Dù thời gian xác lập chậm Có thể tăng thời gian xác lập cách tăng khoảng thay đổi đại lượng đặt (áp dòng), đồng thời tăng sai số xác lập xuất dao động nhiều quanh điểm cân 5.3.3 Kết mô theo phương pháp ANN – INC ANN huấn luyện giải thuật Levenberg-Marquardt, trainlm Sai số huấn luyện 10-5, số nơron sử dụng lớp ẩn 30 logsigs, đầu sử dụng purelin, chu kỳ huấn luyện 400 epochs Trang 84 Luan van Chương 5: Kết đánh giá LVTN Hình 5.10: Kết huấn luyện Kết bắt công suất cực đại Pin mặt trời điều kiện xạ G = 1000W/m2 ; nhiệt độ t = 250C  Đáp ứng điện áp Pin sử dụng thuật toán ANN - INC : Trang 85 Luan van Chương 5: Kết đánh giá LVTN Hình 5.11: Đáp ứng điện áp thuật tốn ANN – INC  Đặc tuyến cơng suất Pin sử dụng thuật toán ANN - INC : Hình 5.12: Đáp ứng cơng suất thuật tốn ANN – INC Trang 86 Luan van Chương 5: Kết đánh giá LVTN Nhận xét : o Thời gian xác lập nhanh so với P&O IncCond o Ở trạng thái xác lập độ dao động không nhiều Tuy giải thuật có độ phức tạp cao so với P&O IncCond Khi khai triển giải thuật, thân ANN phức tạp, thêm vào phần xử lý IncCond giải thuật đòi hỏi nhiều phép tính nhân chia P&O IncCond Qua mơ ta thấy, hai phương pháp P&O INC có đánh đổi thời gian bắt cơng suất cực đại sai số xác lập Tuy nhiên với phương pháp ANN – INC hai khuyết điểm giải Thời gian bắt điểm cơng suất cực đại phương pháp tăng lên nhanh ANN nhanh chóng hướng DC/DC đến gần điểm công suất cực đại Sai số xác lập Inccond chỉnh định để đưa đến điểm công suất cực đại xác Phương pháp cịn có ưu điểm: theo thời gian sử dụng Pin mặt trời, đặc tuyến chúng có thay đổi, điểm cực đại thay đổi so với trước Tuy nhiên gần so với điểm mà ANN đến, Inccond chỉnh định để đưa đến điểm cơng suất cực đại xác Do ANN không cần phải huấn luyện theo thời gian Trang 87 Luan van Chương 6: Kết luận LVTN Chương KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 6.1 Kết luận : Luận văn thực đầy đủ yêu cầu đề ra, cụ thể:  Nghiên cứu tính chất quang vật liệu phục vụ cho việc chế tạo pin mặt trời hữu đơn lớp: ITO/MEH-PPV/Al  Nghiên cứu qui trình chế tạo pin Polymer MEH-PPV  Xây dựng mơ hình mơ cho pin mặt trời tương ứng với mức xạ lượng mặt trời khác cách ghép nối khác  Mô so sánh thuật tốn bắt điểm cơng suất cực đại P&O, INC  Xây dựng mơ hình bắt cơng suất cực đại thuật tốn lai ANN INC 6.2 Kiến nghị : Đề tài tập trung nghiên cứu tính chất vật liệu cách thức xây dựng mơ hình mơ chưa sâu:  Khảo sát giới hạn lượng hấp thụ pin, phân bố điện trường ánh sáng suy giảm lượng lớp màng hoạt quang  Nghiên cứu cải thiện hiệu suất, ảnh hưởng cấu tạo pin tính chất vật liệu lên hiệu hoạt động pin… Đó vấn đề quan trọng cần phải nghiên cứu phát triển thời gian tới Trang 88 Luan van Tài liệu tham khảo LVTN TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT [1] TS Trương Văn Tân, Điện tử Π Polymer dẫn điện, Tạp chí Exryu Úc Châu (www.erct.com), 08 – 2007 [2] TS Trương Văn Tân, Mặt trời chúng ta, Tạp chí Exryu Úc Châu (www.erct.com), 10 –2007 [3] TS Trương Văn Tân, Polymer dẫn điện áp dụng thực tiễn, Tạp chí Exryu Úc Châu (www.erct.com), 10 –2007 [4] Văn phòng tiết kiệm lượng, Thống kê lượng Việt Nam 2008 [5] Phạm Thị Tuyết Lan, Luận văn: “ Mơ tối ưu hóa pin mặt trời hữu cấu trúc nano đa lớp”, Trường Đại học công nghệ, 2012 [6] Nguyễn Văn Giang, Luận văn: “Nghiên cứu tính chất quang vật liệu, chế tạo mô vài thông số pin mặt trời hữu cơ”, Trường Đại học công nghệ, 2011 [7] Lê Phước Anh, Luận văn: “ Nghiên cứu tính chất quang - điện pin mặt trời chất màu nhạy sáng sử dụng điện cực lai TiO2 - chấm lượng tử”, Trường Đại học công nghệ, 2011 TIẾNG NƯỚC NGOÀI [8] Key World Energy Statistics from the IEA 2012 [9] BP Statistics 2010, ECCJ Energy Conservation Handbook , 2010 [10] Japan Energy Conservation Handbook, ECCJ-2009 [11] NREL, 2010 Solar Technologies Market Report [12] Tom Markvart and Luis Castafier, Practical Handbook of Photovoltaics: Fundamentals and Applications GVHD: PGS TS Quyền Huy Ánh Trang 89 Luan van HVTH: Lê Thành Tâm Tài liệu tham khảo LVTN [13] Viktor Andersson, and Kristofer Tvingstedt, and Olle Inganäs, Optical modeling of a folded organic solar cell, Journal of applied physics 103, 094520, 2008 [14] Sheng yi Liu, Roger A Dougal, Dynamic Multiphysics Model for Solar Array, IEEE Transactions on Energy Conversion, Volume 17, 2002, pages 285-294 [15] Hamdy Radwan, Omar Abdel-Rahim, Mahrous Ahmed, Mohamed Orabi, Ahmed Alaa El-Koussi, Two Stages Maximum Power Point Tracking Algorithm for PV Systems Operating under Partially Shaded Conditions, International Middle-East Power System Conference (MEPCON), pp 683 – 688, 12/2010 [16] Kawamura, H., & Koizumi, H., Development of photovoltaic arrays model for maximum power point tracking simulation In Sustainable Energy Technologies (ICSET), 2010 IEEE International Conference on (pp 1-6) IEEE [17] González-Longatt, F M (2005), Model of photovoltaic module in matlab II CIBELEC, 2005, 1-5 [19] Frederik C.Krebs , Bellingham, Polymer Photovoltaics a practical approach, Washington USA [20] S.Gomathy, S.Saravanan, Dr S Thangavel, Design and Implementation of Maximum Power Point Tracking (MPPT) Algorithm for a Standalone PV System, International Journal of Scientific & Engineering Research Volume 3, Issue 3, March -2012 [21] 2010 BP Statistical Review of World Energy GVHD: PGS TS Quyền Huy Ánh Trang 90 Luan van HVTH: Lê Thành Tâm S K L 0 Luan van ...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ THÀNH TÂM NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO PIN MẶT TRỜI DẠNG POLYMER NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN... 10/2014 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ THÀNH TÂM NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO PIN MẶT TRỜI DẠNG POLYMER NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN... biệt pin mặt trời bulk-heterojunction pha trộn lớp cho (polymer liên hợp) với lớp nhận (methanolfullerene) xem hướng đầy triển vọng Luận văn : “NGHIÊN CỨU, VÀ CHẾ TẠO PIN MẶT TRỜI DẠNG POLYMER? ??