Báo cáo bài tập lớn môn vật lí bán dẫn Đề tài tìm hiểu về pin mặt trời

Một trong những phát minh đột phá có tính bước ngoặt trong ngành sản xuất và tái tạo năng lượng xanh chính là tấm pin năng lượng mặt trời, nhờ đó mà mang đến rất nhiều lợi ích, nó được ứ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TPHCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA



BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

MÔN : VẬT LÍ BÁN DẪN

Đề tài : Tìm hiểu về pin mặt trời

GVHD: Thầy Trần Hoàng Linh

Thành Phố Hồ Chí Minh, Tháng 6-2024

Mục lục

MỤC LỤC………2

I LỜI MỞ ĐẦU………3

II LÝ THUYẾT……….4

1 Cấu tạo……… 4

2 Nguyên lý hoạt động……….6

3 Ứng dụng……… 7

III ÁP DỤNG 14

IV TỔNG KẾT 17

V TÀI LIỆU THAM KHẢO 17

I Lời mở đầu Trong thế giới hiện đại ngày nay, biến đổi khí hậu và ô nhiễm môi trường

là những vấn đề ảnh hưởng nghiêm trọng đến cuộc sống của chúng ta Việc sản xuất điện từ các nhà máy nhiệt điện, thủy điện hay nhà máy điện hạt nhận mang lại hệ lụy không nhỏ đến tài nguyên, chất lượng nước và không khí Từ những nguyên nhân đó đòi hỏi chúng ta phải sử dụng những nguồn năng lượng tái tạo, thân thiện với môi trường như gió, ánh sáng mặt trời,

để sản xuất điện năng Những năm gần đây nền khoa học kỹ thuật phát triển mạnh mẽ, song song đó thì các nhà khoa học không ngừng tìm tòi nghiên cứu những ứng dụng tiến tiến, hiện đại nhằm phục vụ tốt hơn cho xã hội cũng như phục vụ đời sống con người Một trong những phát minh đột phá có tính bước ngoặt trong ngành sản xuất và tái tạo năng lượng xanh chính là tấm pin năng lượng mặt trời, nhờ đó mà mang đến rất nhiều lợi ích,

nó được ứng dụng khá rộng rãi hiện nay Pin mặt trời hay pin quang điện

có tên tiếng Anh là Solar panel, nó bao gồm nhiều tế bào quang điện (gọi là solar cells) Tế bào quang điện này là các phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt nhiều các cảm biến của ánh sáng là điốt quang, nó làm biến đổi năng lượng của ánh sáng thành năng lượng điện

II Lí thuyết

1 Cấu tạo

a Khung nhôm: có chức năng tạo ra một kết cấu đủ cứng cáp để tích hợp solar cell và các bộ phận khác lên Với thiết kế cứng cáp nhưng vẫn đảm bảo trọng lượng đủ nhẹ, khung nhôm có thể bảo vệ và cố định các thành phần bên trong trước tải trọng gió lớn và ngoại lực tác động bên ngoài Một

số khung nhôm còn được anode hóa và gia cố thanh ngang để tăng độ cứng cáp cho tấm pin Màu sắc phổ biến của khung nhôm là bạc

b Kính cường lực: có chức năng bảo vệ solar cell khỏi tác động của các yếu tố thời tiết và các tác động va đập từ bên ngoài Độ dày kính cường lực được thiết kế khoảng2-4mm( đa số là 3.2-3.3mm) để bảo đảm vừa đủ khả năng bảo vệ và quan trọng là độ trong suốt của kính để bảo đảm hấp thụ được hoàn toàn ánh sáng chiếu vào

c Lớp EVA (ethylene vinyl acetate): còn được gọi là chất kết dính có tác dụng cố định solar cell vào kính cường lực và lớp nền bên dưới, ngoài ra lớp này còn có tác dụng hấp thụ và bảo vệ solar cell khỏi sự rung động, tránh bám bụi và hơi ẩm Tác dụng chịu nhiệt và độ bền của EVA cực kỳ cao

d Lớp Solar cell (tế bào quang điện): được cấu thành từ những đơn vị nhỏ hơn là solar cell, trong 1 cell, tỉnh thể silic được kẹp giữa 2 lớp dẫn điện là ribbon và busbar, 1 cell sử dụng 2 lớp silic khác nhau là P và N

e Tấm nền pin (phía sau): có tác dụng cách điện, bảo vệ tác động cơ học

và chống ẩm Vật liệu thường được sử dụng là Polymer, PP, PVF, PET Tấm nền có độ dày khác nhau do từng hãng sản xuất Phần lớn có màu trắng Với các công nghệ mới người ta loại bỏ tấm nền mà sử dụng 2 lớp cường lực giúp cell có thể hấp thụ ánh sáng ở cả 2 mặt

f Hộp đấu dây (Junction box): nằm ở phía sau cùng, là nơi tập hợp và chuyển năng lượng điện được sinh ra từ tấm pin năng lượng mặt trời ra ngoài Vì đây là điểm trung tâm nên được thiết kế bảo vệ khá chắc chắn

g Cáp điện DC: Cáp điện DC, loại cáp điện chuyên dụng cho điện năng lượng mặt trời, có khả năng cách điện một chiều DC cực tốt, kèm với đó là khả năng chống chịu tốt trước sự khắc nghiệt của thời tiết (tia cực tím, bụi, nước, ẩm ) và tác động cơ học khác

h Jack kết nối MC4: jack kết nối MC4, là đầu nối điện thường được dùng

để kết nối các tấm pin mặt trời “MC” trong MC4 là viết tắt của nhà sản xuất Multi-Contact Loại jack kết nối này giúp bạn dễ dàng kết nối các tấm pin và dãy pin bằng cách gắn jack từ các tấm pin liền kề với nhau bằng tay

2 Nguyên lý hoạt động

2.1 Sự chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện

Ánh sáng mặt trời là bức xạ điện từ có tính chất sóng và hạt Những đợt sóng hạt chuyển động gọi là photon

• Khi một photon chạm vào một mảnh silic, một trong hai điều sau sẽ xảy ra:

• Photon truyền trực xuyên qua mảnh silic Điều này thường xảy ra khi năng lượng của photon thấp hơn năng lượng đủ để đưa các hạt electron lên mức năng lượng cao hơn

• Năng lượng của photon được hấp thụ bởi silic Điều này thường xảy ra khi năng lượng của photon lớn hơn năng lượng để đưa electron lên mức năng lượng cao hơn

• Đầu tiên năng lượng từ các photon ánh sáng được hấp thụ và hình thành các cặp electron-hole trong chất bán dẫn

• Thông thường các e kết dính với các nguyên tử lân cận ko thể di chuyển

xa nhưng khi chiếu photon vào các electron thì các eclectron bị kích thích

do đó nó có thể chuyển động tự do trong chất bán dẫn Một khi electron dịch chuyển đi thì nguyên tử đó bị thiếu electron gọi là lỗ trống Lỗ trống này tạo điều kiện cho các electron của các nguyên tử bên cạnh di chuyển vào điều này đồng thời tạo ra lỗ trống cho các nguyên tử lân cận Khi lấp 1

lỗ sẽ tạo ra ion âm và để lại ion dương Cứ tiếp tục như vậy lỗ trống sẽ đi xuyên suốt mạch bán dẫn cũng như sự chuyển động của điện tích trong không gian tạo thì sẽ tạo nên 1 hiệu điện thể cho pin năng lượng mặt trời

• Pin mặt trời sẽ được nối tực tiếp vào mạch ngoài tạo nên dòng điện 2.2 Hoạt động khi có ánh sáng mạnh

• Cốt lõi của việc tạo ra năng lượng mặt trời là khi các hạt photon tiếp xúc với bề mặt tấm pin năng lượng mặt trời sẽ giải phóng electron, electron di chuyển tự do tạo nên dòng điện

• Vì thế để tế bào quang điện có thể hoạt động cần có ánh sáng mặt trời hay ánh sáng nhân tạo

→Khi trời sáng các tế bào quang điện hoạt động nhờ tác động của các hạt photon từ ánh sáng mặt trời và hoạt động như đúng nguyên lí của nó 2.3 Hoạt động khi có ánh sáng yếu hoặc không có ánh sáng

• Khi không còn áng sáng mặt trời đồng nghĩa với không có photon chỉ còn ánh sáng nhân tạo để kích hoạt các tế bào quang điện nhưng việc đó không hiệu quả vì hiệu suất của pin chỉ 15%-22%

• Để sử dụng điện vào ban đêm ta phải tích trữ điện vào các bình ắc quy điện để cung cấp điện vào ban đêm

3 Ứng dụng

3.1 Ứng dụng trong các lĩnh vực

3.1.1 Trạm sạc năng lượng mặt trời

- Trạm sạc năng lượng mặt trời được thiết kế dùng để sạc pin cho smartphone, có sẵn dây kết nối micro USB hay Lightning cho các thiết bị Android và iPhone với tốc độ sạc tương đương bộ sạc bằng nguồn điện lưới quốc gia hoặc dùng để sạc các loại xe chạy bằng điện

Trạm sạc xe bằng năng lượng mặt trời

Trạm sạc điện thoại bằng năng lượng mặt trời

3.1.2 Hệ thống nước nóng bằng năng lượng mặt trời

Pin năng lượng mặt trời được lắp đặt chuyển hóa ánh sáng sang điện sử dụng nóng lạnh trong phòng tắm hoặc nước nóng gia đình

Dàn nóng lạnh mặt trời 3.1.3 Sấy khô các sản phẩm nông nghiệp và các sản phẩm từ động vật bằng năng lượng mặt trời

Bảo quản là quá trình rất quan trọng trong quá trình đưa nông sản, thủy sản

ra thị trường để tiêu thụ, quá trình này làm cơ sở để tạo nên một sản phẩm hoàn chỉnh với năng suất và giá trị dinh dưỡng, dược liệu cao nhất

3.1.4 Chiếu sáng công cộng, đèn giao thông

Những chiếc đèn đường năng lượng mặt trời tại đường đi, sân vườn công viên, hay những chiếc đèn giao thông tự động vô cùng hiện đại, vừa góp phần tiết kiệm điện năng, vừa giảm ô nhiễm môi trường

Trụ đèn đường năng lượng mặt trời

3.1.5 Thùng rác năng lượng mặt trời

Những chiếc thùng rác thông minh có chức năng lọc nước thải để nuôi cây xanh và đặc biệt là có thể sạc pin điện thoại bằng năng lượng mặt trời

3.1.6 Ứng dụng pin mặt trời cho phương tiện giao thông

Để giải quyết vấn đề cạn kiệt nguyên liệu xăng dầu, ngày nay con người đã ứng dụng pin mặt trời trong việc phát minh ra những phương tiện giao thông chạy bằng năng lượng mặt trời, hoàn toàn không gây ô nhiễm môi trường Ví dụ: Xe ô tô năng lượng mặt trời Stella, Máy bay SI2, Xe đạp lai

ô tô ELF Velomobile chạy bằng năng lượng mặt trời, Xe đạp năng lượng mặt trời Solarbike

Máy bay SI2

3.1.7 Tích hợp vào các thiết bị an ninh

Camera năng lượng mặt trời G/4G/Wifi cho nông trại, giao thông đường phố, sân vườn, cảnh báo đột nhập, cảnh báo sạt lở đất, công trình xây dựng trên cao , có thể lắp đặt ở những nơi khó đi dây điện

Camera sử dụng năng lượng mặt trời

3.2 Những nguyên nhân làm cho pin mặt trời vẫn chưa được sử dụng rộng rãi

• Yếu tố giá thành: giá thành và chi phi lắp đặt cao vào khoảng từ (300 triệu – 1 tỷ VNĐ), nếu nhu cầu là giảm tiền điện hàng tháng thì phương án lắp pin mặt trời vẫn chưa khả thi

• Hiệu suất phát điện không cao: phụ thuộc vào khí hậu của từng vùng, ở miền Nam Trung Bộ và Nam Bộ sẽ có hiệu năng cao hơn những vùng ở phía Bắc Pin mặt trời chỉ hoạt động vào ban ngày và những ngày thời tiết

âm u thì nó vẫn hoạt động với hiệu suất thấp, do đó nó hoạt động một cách không liên tục

• Chiếm nhiều diện tích: Những căn chung cư hoặc đa số những ngôi nhà ở Việt Nam thường là căn nhà ống có diện tích bề ngang hẹp hoặc bị che khuất ánh sáng thì việc lắp đặt trên mái nhà là điều không thể

• Nguyên liệu để làm pin khá hiếm: Cadmium Telluride (CdTe), Đồng Indium Gallium Selenide (CIGS), rất khó tìm trong tự nhiên; Silic dạng tinh thể là vật liệu chủ yếu tạo nên pin năng lượng mặt trời nhưng giá thành sản xuất cao, sản xuất khó

khăn

• Vấn đề môi trường: Trong quá trình sản xuất mới hay xử lí các bộ pin cũ đều tạo ra nhiều chất độc hại cho môi trường như Silicon Tetrachloride (SiC14), Cadmium Telluride (CdTe),

III ÁP DỤNG

1)Phân tích về ứng dụng pin mặt trời

a) Ứng dụng pin mặt trời để sạc pin điện thoại :

Pin mặt trời Solar charger 36890mAh b) Cấu tạo :

- Các tấm pin mặt trời

- Đèn báo tín hiệu sạc điện thoại , báo dung lượng pin

- Pin Lilthium

- Nút nguồn

c) Nguyên lí hoạt động :

Sau khi lấy nguồn năng lượng từ mặt trời, bộ sạc sẽ biến đổi chúng thành điện năng và xuất ra ngoài thông qua 2 cổng USB 5V - 2.4A Các dây dẫn kết nối với cổng sạc điện thoại với chỉ số 5V-(2-5A) Lượng điện năng còn lại được trữ trong pin lithium của cục sạc

d) Ưu điểm và nhược điểm :

Ưu điểm :

-Không bị phụ thuộc vào nguồn điện

-Không sợ hết pin như những cục sạc dự phòng thông thường

- Tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường

Nhược điểm :

- Giá thành cao hơn pin bình thường

- Không phù hợp với những người làm văn phòng hay không thường xuyên ra ngoài,

2 Sản phẩm ứng dụng pin mặt để sạc điện thoại :

a Sản phẩm :

https://drive.google.com/file/d/1-HyN9yJmicVkoiLIlVQebNsFFVGNVFjq/view?usp=sharing

b Vẽ sơ đồ mạch điện trên proteus

- Linh kiện sử dụng :

+ 2 tấm pin năng lượng mặt trời 6V – Solar panel

+ 1 mạch giảm áp DC 5V-3A HW-676

+ 1 đèn led

+ 1 breadboard

+ 1 điện trở 2kΩ - Resistor

+ Các loại dây dẫn và chân cắm

- Sơ đồ trong Proteus :

 Chạy thử :

c Chức năng linh kiện

- Mô tả chung : Solar panel tạo ra dòng điện DC để sạc điện thoại qua

1) Pin mặt trời : tạo ra dòng điện 1 chiều DC không đổi và cung cấp cho toàn mạch

2)Điện trở : điều chỉnh điện áp ở mức phù hợp và tránh cháy nổ khi chập mạch

3) Mạch giảm áp DC 5V-3A HW-676 :tạo ra hay duy trì một điện áp

ổn định dù cho đầu vào thay đổi ở một khoảng dài rộng nào đó

IV Tổng kết

Khoa điện-điện tử nói chung và bộ môn vật lí bán dẫn nói riêng rất thiết thực trong đời sống Vì vậy để học tốt môn này chúng em xin chân thành cảm ơn đến thầy Trần Hoàng Linh đã truyền cảm hứng học tập và kiến thức trong môn học này.Để thể hiên kết quả sau quá trình học tập thì chúng em xin báo cáo bài tập lớn với chủ đề ứng dụng của pin mặt trời.Tuy còn nhiều thiếu sót trong quá trình làm việc và nghiên cứu nên chúng em kính mong thầy bỏ qua và nhận được những lời góp ý của thầy

V Tài liệu tham khảo

https://datsolar.com/cau-tao-va-nguyen-ly-lam-viec-pin-nang-luong-mat-troi/

https://vuphong.vn/cau-tao-pin-nang-luong-mat-troi/#So_do_nguyen_ly_hoat_dong

https://www.youtube.com/watch?v=TeZ4XjC2RbE