Pin Năng Lượng Mặt Trời Và Ứng Dụng Trong Đời Sốngvà Kĩ Thuậ.pdf

Phần I : Giới Thiệu Chung1: Khái Niệm và Hoạt Động của pin mặt trời 1.1: Khái niệm Pin Mặt trời, tấm năng lượng mặt trời hay tấm quang điện Solar panel bao gồm nhiều tế bào quang điện

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

HÓA LÝ

Pin năng lượng mặt trời và ứng dụng trong đời sống

và kĩ thuật

Giáo viên hưỡng dẫn : Đàm Xuân Thắng

Thành viên nhóm : Trần Quang Minh

Hà Hải Đăng

Vũ Thùy Dung

LỜI MỞ ĐẦU

Nhu cầu về năng lượng của con người trong thời đại khoa học kỹ thuật phát triển ngày càng tăng Trong khi đó các nguồn nhiên liệu dự trữ như than đá,dầu

mỏ, khí thiên nhiên và ngay cả thủy điện đều có hạn, khiến cho nhân loại đứng trước nguy cơ bị thiếu hụt năng lượng Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới như năng lượng hạt nhân, năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió

và năng lượng mặt trời là hướng quan trọng trong kế hoạch phát triển năng lượng

Việc nghiên cứu sử dụng năng lượng mặt trời ngày càng được quan tâm, nhất là trong tình trạng thiếu hụt năng lượng và vấn đề cấp bách về môi trường hiện nay Năng lượng mặt trời được xem như là ngồn năng lượng ưu việt trong tương lai, đó là nguồn năng lượng sẵn có, siêu sạch và miễn phí Do vậy năng lượng mặt trời ngày càng được sử dụng rộng rãi trên thế giới

Việt Nam có lợi thế là nằm trong vùng phân bổ ánh nắng mặt trời nhiều nhất trong năm trên bản đồ bức xạ mặt trời của thế giới, với bờ biển trải dai hơn 3.000km, lại có tới hàng nghìn đảo hiện có dân cư sinh sống, nhưng nhiều nơi không thể đưa điện lưới đến được Vì vậy,việc nghiên cứu triển khai áp dụng năng lượng thay thế trong đó có năng lượng mặt trời là rất cần thiế

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 2

Phần I : Giới Thiệu Chung 4

1: Khái Niệm và Hoạt Động của pin mặt trời 4

1.1: Khái niệm 4

1.2 : Hoạt động của pin mặt trời 4

2: Vật liệu và hiệu suất 5

3: Lợi ích 6

Phần 2 : Pin năng lượng mặt trời và ứng dụng trong đời sống và kĩ thuật 7

1: Sản xuất điện từ năng lượng mặt trời 7

2: Sấy khô các sản phऀm nông nghiê ̣p 9

3: Hệ thống sưởi ấm, làm mát và thông gió 10

4: Máy nước nóng năng lượng mặt trời 10

5 : Một số thiết bị chạy bằng pin năng lượng mặt trời 11

5.1 : Năng lượng cho phương tiê ̣n máy bay, ô tô 11

5.2 :Đồng hồ mặt trời 12

5.3 : Máy tính xách tay năng lượng mặt trời 12

6: Một số ứng dụng pin năng lượng mặt trời 13

6.1: Ứng dụng sạc pin năng lượng mặt trời 13

6.2 :Ứng dụng năng lượng mặt trời trong xử lý nước 14

6.3 : Ứng dụng của năng lượng mặt trời trong nấu ăn 14

Phần 3: Tổng kết 16

Phần I : Giới Thiệu Chung

1: Khái Niệm và Hoạt Động của pin mặt trời

1.1: Khái niệm

Pin Mặt trời, tấm năng lượng mặt trời hay tấm quang điện (Solar

panel) bao gồm nhiều tế bào quang điện (solar cells) - là phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là điốt quang, thực hiện biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện Cường độ dòng điện, hiệu điện thế hoặc điện trở của pin mặt trời thay đổi phụ thuộc bởi lượng ánh sáng chiếu lên chúng Tế bào quang điện được ghép lại thành khối để trở thành pin mặt trời (thông thường 60 hoặc 72 tế bào quang điện trên một tấm pin mặt trời) Tế bào quang điện có khả năng hoạt động dưới ánh sáng mặt trời hoặc ánh sáng nhân tạo Chúng có thể được dùng như cảm biến ánh sáng (ví dụ cảm biến hồng ngoại), hoặc các phát xạ điện từ gần ngưỡng ánh sáng nhìn thấy hoặc đo cường độ ánh sáng

Hình 1.1

Hình ảnh một tế bào quang điện thông dụng được làm từ tinh thể silicon Trên

bề mặt pin được phủ các đường dẫn bằng kim loại với các nhánh nhỏ hơn toả ra trên bề mặt pin để thu thập electron sinh ra bởi hiệu ứng quang điện

1.2 : Hoạt động của pin mặt trời

Sự chuyển đổi này thực hiện theo hiệu ứng quang điện Hoạt động của pin mặt trời được chia làm ba giai đoạn:

các cặp electron-hole trong chất bán dẫn

 Các cặp electron-hole sau đó bị phân chia bởi ngăn cách tạo bởi các loại chất bán dẫn khác nhau (p-n junction) Hiệu ứng này tạo nên hiệu điện thế của pin mặt trời

 Pin mặt trời sau đó được nối trực tiếp vào mạch ngoài và tạo nên dòng điện

Các pin năng lượng Mặt trời có nhiều ứng dụng trong thực tế Do giá thành còn đắt, chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng mà điện lưới khó vươn tới như núi cao, ngoài đảo xa, hoặc phục vụ các hoạt động trên không gian; cụ thể như các vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo Trái Đất, máy tính cầm tay, các máy điện thoại cầm tay từ xa, thiết bị bơm nước Các Pin năng

lượng Mặt trời được thiết kế như những modul thành phần, được ghép lại với nhau tạo thành các tấm năng lượng Mặt trời có diện tích lớn, thường được đặt trên nóc các tòa nhà nơi chúng có thể có ánh sáng nhiều nhất, và kết nối với bộ chuyển đổi của mạng lưới điện Các tấm pin Mặt Trời lớn ngày nay được lắp thêm bộ phận tự động điều khiển để có thể xoay theo hướng ánh sáng, giống như loài hoa hướng dương hướng về ánh sáng Mặt Trời

2: Vật liệu và hiệu suất

Đã có nhiều loại vật liệu khác nhau được thử nghiệm chế tạo pin Mặt trời

Có hai tiêu chuऀn đánh giá, là hiệu suất và giá cả

Hiệu suất là tỉ số giữa năng lượng điện từ và năng lượng ánh sáng Mặt trời Vào buổi trưa một ngày trời trong, ánh Mặt trời tỏa nhiệt khoảng 1000 W/m² trong đó 10% hiệu suất của 1 module 1 m² cung cấp năng lượng khoảng 100 W hiệu suất của pin Mặt trời thay đổi từ 6% từ pin Mặt trời làm từ silic không thù hình, và có thể lên đến 30% hay cao hơn nữa

Có nhiều cách để nói đến giá cả của hệ thống cung cấp điện (chính xác là phát điện), là tính toán cụ thể giá thành sản xuất trên từng kilo Watt giờ điện (kWh) Hiệu năng của pin Mặt trời tạo dòng điện với sự bức xạ của Mặt trời là 1 yếu tố quyết định trong giá thành Nói chung, với toàn hệ thống, là tổ hợp các tấm pin Mặt trời, thì hiệu suất là rất quan trọng Và để tạo nên ứng dụng thực tế cho pin năng lượng, điện năng tạo nên có thể nối với mạng lưới điện sử dụng dạng chuyển đổi trung gian; trong các phương tiện di chuyển, thường sử dụng

hệ thống ắc quy để lưu trữ nguồn năng lượng chưa sử dụng đến Các pin năng lượng thương mại và hệ thống công nghệ cho nó có hiệu suất từ 5% đến 15% Giá của 1 đơn vị điện từ 50 Eurocent/kWh (Trung Âu) giảm xuống tới 25

eurocent/kWh trong vùng có ánh Mặt trời nhiều

Ngày nay thì vật liệu chủ yếu chế tạo pin Mặt trời (và cho các thiết bị bán dẫn) là silic dạng tinh thể Pin Mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành ba loại:

 Một tinh thể hay tinh thể đơn (module) sản xuất dựa trên quá trình

Czochralski Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16% Chúng thường rất đắt tiền do được cắt từ các thỏi silic hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module

 Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc - đúc từ silic nung chảy cऀn thận được làm nguội và làm rắn Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó

 Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon

Nền tảng chế tạo dựa trên Công nghệ sản xuất tấm mỏng, có độ dày

300 μm và xếp lại để tạo nên các module tạo thành các loại pin trên

3: Lợi ích

Ánh sáng mặt trời là nguồn năng lượng tự nhiên quen thuộc với tất cả mọi người Nhờ có tấm pin năng lượng mặt trời mà nguồn năng lượng tự nhiên đó được chuyển hóa thành điện năng để phục vụ cho đời sống của con người

Một điểm cộng cho tấm pin năng lượng mặt trời chính là tạo ra một nguồn năng lượng sạch, thân thiện với môi trường

Phần 2 : Pin năng lượng mặt trời và ứng dụng trong đời sống và kĩ thuật

1:

S愃ऀn xuất điện từ năng lượng mặt trời

Khi công nghệ và kỹ thuật phát triển thì việc ứng dụng năng lượng mặt trời

để sản xuất ra điện ngày càng trở lên dễ dàng hơn Nhu cầu năng lượng sạch rất lớn nên việc sản xuất pin mặt trời cũng phát triển nhanh

Điện mặt trời còn gọi là quang điện hay quang năng là biến đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng nhờ tấm pin mặt trời Các tấm pin mặt trời ghép lại với nhau thành các module Ánh nắng mặt trời chiếu vào các module chuyển thành điện năng trực tiếp Do các hạt photon đập vào electron làm tăng năng lượng electron Electron di chuyển nhanh đến mức tạo thành dòng điện một chiều

Thời kỳ đầu việc nghiên cứu ra sử dụng điện năng từ năng lượng mặt trời chủ yếu phục vụ trong quân sự, nghiên cứu vũ trụ, vệ tinh nhân tạo hay phi thuyền Nhưng ngày nay, công nghệ sản xuất điện mặt trời phát triển thì việc sử dụng điện mặt trời cho gia đình ngày càng phổ biến

Các tấm pin được bảo vệ bởi một lớp gương để ngăn tác động xấu từ môi trường Các tấm pin càng được ghép thành diện tích lớn thì sản lượng điện càng cao Hiện giờ các nước đang khuyến khích phát triển điện mặt trời Các chính phủ đều có chính sách ưu đãi như mua lại điện dư thừa được sản xuất ra từ năng lượng mặt trời Chính phủ Việt Nam cũng đang có chính sách khuyến khích phát triển điện mặt trời

Hình 2.1 Sản xuất đèn năng lượng mặt trời chiếu sáng

Sản phऀm đèn năng lượng mặt trời này khá phổ biến và được ưa chuộng tại các gia đình Việt trong những năm gần đây Đèn chiếu sáng năng lượng mặt trời

có nhiều kiểu dáng, kích cỡ và mục đích sử dụng khác nhau Chúng ta có thể chia ra các mẫu đèn chủ yếu như sau: Đèn năng lượng mặt trời trong nhà hay còn gọi là đen pha năng lượng mặt trời, Đèn đường sử dụng năng lượng mă ̣t trời, Đèn năng lượng mặt trời sân vườn, Đèn năng lượng mặt trời treo tường…

Nguyên lý hoạt động của chúng rất đơn giản, các loại đèn này đều có chế độ cảm biến ánh sáng tức là khi trời sáng đèn sẽ tắt để sạc pin và trời tối đèn lập tức chiếu sáng Và tất nhiên bạn không cần cắm điện, điều này giúp bạn tiết kiệm rất nhiều chi phí trong viê ̣c sử dụng cũng như bảo trì m̀i năm

2 : Sấy khô các s愃ऀn phऀm nông nghiê ̣p

Việt Nam có sản lượng nông nghiệp lớn Vì thế nhu cầu sấy khô nhanh các sản phऀm từ nông nghiệp rất cấp thiết Vì vậy nhiều loại thiết bị sấy bằng năng lượng mặt trời đã và đang được nghiên cứu phát triển Tuy nhiên các máy sấy còn hạn chế ở quy mô, thiết bị hiệu suất cao thì chi phí cũng cao Vì thế không

có mấy hộ nông dân có thể sở hữu máy sấy năng lượng mặt trời

Các thiết bị sấy bằng năng lượng mặt trời có nguyên lý hoạt động giống như hiệu ứng nhà kính Nguồn nhiệt từ mặt trời bên trong hệ thống sấy cao hơn rất nhiều so với nhiệt độ bên ngoài Vì thế, nông sản được đưa vào máy sấy sẽ nhanh khô hơn

Các thiết bị sấy tuy có quy mô khác nhau nhưng vẫn là có 4 bộ phận Gồm buồng sấy, bộ phận thông gió và tải ऀm, bộ phận cấp liệu và lấy sản phऀm, bộ phận cấp nhiệt Dù là thiết bị sấy năng lượng mặt trời thì cũng cần lắp thêm thiết bị h̀ trợ Thiết bị này sẽ hoạt động khi không có nắng để đảm bảo độ sấy luôn đồng đều

Hình 2.2

3: Hệ thống sưởi ấm, làm mát và thông gió

Tại các nước ôn đới, thì các tòa nhà cần hệ thống sưởi ấm, làm mát và thông gió Hệ thống này này chiếm một nguồn năng lượng rất lớn Ứng dụng năng lượng mặt trời được phát triển giúp tiết kiệm điện năng

Các tòa nhà được lắp cửa sổ bằng kính rất lớn hướng về mặt trời Hệ thống sưởi ấm bằng cách thu nhiệt trực tiếp từ ánh nắng mặt trời vào tòa nhà Một bộ phận thu năng lượng mặt trời để làm nóng nước hoặc lưu trữ nhiệt lại

Khi tòa nhà cần nhiệt các bộ phận thu hoặc lưu trữ nhiệt sẽ truyền nhiệt đi Qua các thiết bị được phân bố khắp tòa nhà như quạt, ống dẫn không khí, bộ tản nhiệt…

Các tòa nhà còn có ống khói năng lượng mặt trời là hệ thống thông thụ động Ống khói bao gồm một trục thẳng đứng kết nối nội thất và ngoại thất tòa nhà Khi ống khói nóng lên, không khí bên trong được đun nóng gây ra hiệu ứng updraft kéo không khí thông qua tòa nhà

4:

Máy nước nóng năng lượng mặt trời

Dùng năng lượng mặt trời để làm nóng nước là hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời Sản phऀm phổ biến nhất ứng dụng làm nóng nước bằng cách này

là máy nước nóng năng lượng mặt trời

Máy nước nóng năng lượng mặt trời có 2 bộ phận chính là bình bảo ôn và ống thủy tinh hấp thu nhiệt mặt trời

Những ống thủy tinh khi được nắng mặt trời chiếu vào sẽ hấp thụ bức xạ mặt trời Sau đó chuyển hóa thành nhiệt năng làm nóng nước Với nguyên lý tỷ trọng nước nóng nhỏ hơn nước lạnh hình thành nên vòng tuần hoàn Vòng tuần hoàn liên tục chuyển động làm nóng nước, cho đến khi cân bằng được nhiệt độ nước Hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời còn có bình trữ nước nóng Như thế, những lúc không có ánh nắng mặt trời vẫn có sẵn nước nóng để sử dụng

Lắp máy nước nóng năng lượng mặt trời cần đáp ứng được các điều kiện: Máy phái được lắp đúng hướng mặt trời chiếu vào nhiều nhất Và cần có nguồn cấp nước ổn định Đảm bảo lúc nào cũng có nước để hệ thống làm nóng nước Không nên để máy không có nước, vì như thế sẽ nhanh hỏng

Hình 2.4

5 : Một số thiết bị chạy bằng pin năng lượng mặt trời

5.1 : Năng lượng cho phương tiê ̣n máy bay, ô tô

Các phương tiện giao thông như xe máy, ô tô hay thậm chí là máy bay đã được ứng dụng năng lượng mặt trời trong nhiều năm trở lại đây

+ Máy bay sử dụng năng lượng mặt trời vẫn cần được tiếp nhiên liệu bên ngoài Những tập đoàn sản xuất máy bay Airbus đã sản xuất ra máy bay Zephyr Zephyr thực hiện chuyến bay bằng năng lượng mặt trời trong vòng 25 tiếng mà không cần tiếp thêm nhiên liệu Zephyr rất nhẹ chỉ khoảng 75kg vì được làm từ sợi Carbon Zephyr được lắp hệ thống tấm pin mặt trời trên 2 sải cánh dài đến 25m Nhờ vậy máy bay được cấp năng lượng liên tục khi bay, kéo dài hành trình chuyến bay trên tầng bình lưu

+ Ô tô chạy bằng năng lượng mặt trời được trang bị những tấm pin mặt trời lắp trên mui xe Những tấm pin này sẽ hấp thu nhiệt từ mặt trời chuyển thành điện năng để chạy cho ô tô Siêu xe ô tô chạy bằng năng lượng mặt trời đầu tiên là Lightyear one Xe có thể tăng tốc lên 100km trong 10s Khi xe được sạc đầy thì

sẽ di chuyển được quãng đường 725 km Với m̀i giờ sạc dưới ánh mặt trời sẽ giúp xe đi thêm được 12km

5.2 : Đồng hồ mặt trời

Ngày nay, con người đã phát minh ra đồng hộ sử dụng năng lượng mặt trời Đồng hồ năng lượng mặt trời kiểu dáng cũng như đồng hồ thông thường Nhưng được trang bị thêm tấm pin mặt trời ở mặt trên đồng hồ Đồng hồ có thể tổng hợp điện cả khi ở trong nhà Đồng hồ được sạc đầy sau một giờ tiếp xúc ánh sáng

Hình 5.2

5.3 : Máy tính xách tay năng lượng mặt trời

Laptop sử dụng năng lượng mặt trời

Khác với những dòng máy laptop thông thường sử dụng pin và phải cắm điện thì chiếc laptop này sử dụng pin năng lượng mặt trời để sạc Ý tưởng này bắt nguồn từ công ty WeWi tại Canada, muốn hướng tới người dùng tại khu vực thường xuyên gặp tình trạng mất điện nên tận dụng ánh nắng để sáng chế

Công ty này cho biết các tấm pin năng lượng chỉ mất khoảng 2 tiếng để sạc đầy

Hình 5.3

6: Một số ứng dụng pin năng lượng mặt trời

6.1:

Ứng dụng sạc pin năng lượng mặt trời

Ngoài việc sạc pin từ dây sạc điện hoặc pin dự phòng bạn còn có thể sử dụng sạc pin từ năng lượng mặt trời Đây là một ứng dụng rất hay và hữu ích giúp cho việc sạc pin cho các máy điện thoại, ipad… ở bất cứ nơi đâu mà không cần

ổ cắm điện, rất thích hợp cho công việc ngoài trời, đi du lịch…

Bộ sạc pin năng lượng mặt trời khá nhỏ gọn và nhẹ nên dễ dàng mang theo bên người Xét về tốc độ sạc pin cho điện thoại cũng khá nhanh, chỉ mất khoảng

2 tiếng để sạc đầy điện thoại có pin dung lượng 4,300 mAh

Để sạc được điện, bạn cần để bộ sạc này ở nơi có ánh sáng chiếu tới vì vậy bạn có thể để nó ở ngoài ban công hoặc trên tầng thượng và nhớ nên lau chùi,

vệ sinh tấm pin sạch sẽ để tăng tuổi thọ và hiệu quả hoạt động của nó nhé.