ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Bạn không nên nghĩ rằng ứng dụng năng lượng mặt trời là công việc của riêng của các nhà khoa học, mà đây cũng chính là nơi bạn có thể phát huy óc sáng tạo, sự khéo léo và tính kiên nhẫn

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN LẠNH

Logo

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Đề tài:

MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

SINH VIÊN THỰC HIỆN

LỚP:

KHÓA:

TP Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2015

www.7gio.com

www.7gio.com

www.7gio.com

đến thầy ?, giảng viên trường CĐKT Cao Thắng đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ

nhóm trong suốt quá trình thực hiện để hoàn thành đồ án

Cùng toàn thể thầy cô khoa Điện-Điện Lạnh đã tận tình giảng dạy, chỉ bảo, truyền đạt nguồn kiến thức sâu rộng và những kinh nghiệm quý báu cho nhóm trong suốt thời gian học tại trường

Trên hết nhóm đồ án xin bày tỏ sự kính trọng chân thành và sâu sắc đến gia đình, cha mẹ đã ủng hộ và tạo điều kiện cho nhóm hoàn thành đồ án này

Và cuối cùng nhóm xin cảm ơn đến tất cả bạn bè, những người đã giúp đỡ chúng tôi trong suốt thời gian học tập cũng như trong quá trình thực hiện đồ án này

Mặc dù đã nổ lực hết mình, nhưng do khả năng, kiến thức và thời gian có hạn nên không thể tránh được những sai sót trong lúc thực hiện đồ án này, nhóm đồ án kính mong quý thầy cô chỉ dẫn, giúp đỡ nhóm để ngày càng hoàn thiện hơn kiến thức mình và có thể tự tin bước vào cuộc sống với vốn kiến thức có được!

Cuối cùng nhóm đồ án xin chúc các thầy cô khoa Điện-Điện Lạnh dồi dào sức khỏe và luôn thành đạt trong công việc cũng như trong cuộc sống!

www.7gio.com

Trong tiến trình phát triển của con người, việc sử dụng năng lượng là đánh dấu một cột mốc rất quan trọng Từ đó đến nay, loài người sử dụng năng lượng ngày càng nhiều, nhất là trong vài thế kỷ gần đây Trong cơ cấu năng lượng hiện nay, chiếm phần chủ yếu là năng lượng tàn dư sinh học như than đá, dầu mỏ, khí tự nhiên Kế là năng lượng nước thủy điện, năng lượng hạt nhân, năng lượng sinh khối (bio gas, …), năng lượng mặt trời, năng lượng gió chỉ chiếm một phần khiêm tốn Xã hội loài người sẽ không phát triển nếu không có năng lượng

Ngày nay, năng lượng tàn dư sinh học, năng lượng không tái sinh ngày càng cạn kiệt, giá dầu mỏ tăng từng ngày, ảnh hưởng xấu đến sự phát triển kinh tế, xã hội và môi trường sống Tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế là nhiệm vụ cấp bách của các nhà khoa học, kinh tế, các chính trị gia, …và mỗi người chúng ta Nguồn năng lượng thay thế đó phải sạch, thân thiện với môi trường, chi phí thấp, không cạn kiệt (tái sinh)

và đặc biệt là dễ sử dụng

Bạn không nên nghĩ rằng ứng dụng năng lượng mặt trời là công việc của riêng của các nhà khoa học, mà đây cũng chính là nơi bạn có thể phát huy óc sáng tạo, sự khéo léo và tính kiên nhẫn của bạn Còn gì thú vị hơn khi bạn tự thực hiện và ứng dụng năng lượng mặt trời trong chính ngôi nhà của mình

Nhóm đồ án giới thiệu về các ứng dụng năng lượng mặt trời trong cuộc sống Các thí nghiệm tương đối đơn giản, chi phí không quá cao và không đòi hỏi kiến thức quá cao nhưng đạt hiệu quả tốt!

www.7gio.com

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN 3

LỜI CẢM ƠN 4

LỜI NÓI ĐẦU 5

MỤC LỤC 6

DANH MỤC BẢNG 10

DANH MỤC HÌNH 11

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ ỨNG DỤNG PIN MẶT TRỜI 1

1.1 Khái niệm năng lượng mặt trời: 1

1.2 Mặt trời và nguồn bức xạ Mặt trời: 1

1.3 Ứng dụng của năng lượng Mặt Trời: 5

1.3.1Ứng dụng của pin mặt trời trong vũ trụ: 9

1.3.2 Ứng dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam: 10

1.4 Các lý do nên sử dụng pin mặt trời: 11

1.5 Những khó khăn khi sử dụng pin năng lượng mặt trời: 13

1.6 Pin mặt trời, cấu tạo và nguyên lý hoạt động: 14

1.6.1 Cấu tạo : 15

1.6.2 Nguyên lý hoạt động: 19

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 23

2.1Thiết kế một hệ thống pin mặt trời: 23

2.2 Các bước thiết kế: 23

2.2.1 Lựa chọn sơ đồ khối: 23

2.2.2 Tính toán hệ nguồn điện pin mặt trời: 23

2.2.3 Tính phụ tải điện theo yêu cầu: 23

2.2.4 Tính năng lượng điện mặt trời cần thiết Ec: 24

2.2.5 Công suất của dàn pin mặt trời: 24

2.2.6 Tính số module mắc song song và nối tiếp: 24

www.7gio.com

2.3 Thông số kỹ thuật của Pin sử dụng trong mô hình: 25

2.4.1 Thông số một tấm pin mặt trời SC – 140P: 25

2.4.2 Đặc tính tấm pin : 26

2.5 Tính toán giá đỡ khung Pin, chân đế: 27

2.6 Tính chọn hướng đặt pin: 28

2.7 Tính toán và lựa chọn đèn cao áp thay thế năng lượng mặt trời: 31

2.8 Chế tạo khung pin: 32

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH CẢM BIẾN 36

3.1 Mục đích: 36

3.2 Khái quát chung về các linh kiện trong bộ cảm biến: 36

3.2.2 Cảm biến nhiệt độ LM35: 38

3.2.3 Quang trở: 39

3.3 Sơ đồ mô hình, bản vẽ mạch điện, sơ đồ nối dây: 41

3.3.1 Mạch cảm biến: 41

3.3.2 Mạch hiển thị LCD: 42

3.4 Nguyên lý hoạt động của bộ cảm biến: 43

3.5 Nguyên lý hoạt động của mạch hiển thị LCD: 45

3.6 Mô đun cảm biến: 45

3.7 Đánh giá thiết bị 46

CHƯƠNG 4: TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐO LƯỜNG V-I-P: 47

4.1 Tìm hiểu về MPPT: 47

4.1.1 Giới thiệu chung về MPPT: 47

4.2 Phương pháp điều khiển MPPT: 48

4.2.1 Phương pháp điều khiển PI: 48

4.2.2 Phương pháp điều khiển trực tiếp: 49

4.2.3 Phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu ra: 51

4.3 Giới hạn của MPPT: 53

4.4 Thiết kế module đo lường: 54

www.7gio.com

4.4.3 Sơ đồ mạch in: 55

4.5 Nguyên lý hoạt động: 55

4.6 Mạch nguồn 55

4.7 Mạch đo áp: 56

4.7.1 Tìm điện trở: 56

4.8.1 Tìm hiểu về cảm biến dòng: 57

4.8.2 Đo dòng : 58

4.9 Vi xử lý : 58

4.11 Xây đựng và thiết kế module đo lường và module sạc có tích hợp MPPT: 61 CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN ẮC-QUY VÀ INVERTER: 62

5.1 Ắc-quy: 62

5.1.1 Giới thiệu về Ắc-quy: 62

5.1.2 Cấu tạo của Ắc-quy 63

5.1.3 Phân loại và nguyên lý hoạt động của Ắc-quy: 63

5.1.3.1 Phân loại: 63

5.1.3.2 Nguyên lý hoạt động của Ắc-quy: 64

5.1.4 Các phương pháp phóng và nạp Ắc-quy: 66

5.1.4.1 Phóng điện Ắc-quy: 66

5.1.4.2 Phóng điện Ắc-quy: 67

5.1.4.2.1 Nạp với dòng điện không đổi: 67

5.1.4.2.2 Nạp với dòng điện giảm dần: 67

5.1.4.2.3 Nạp với điện thế không đổi: 67

5.1.4.2.4 Nạp thay đổi với điện thế không đổi: 68

5.1.5 Các chế độ vận hành: 68

5.1.5.1 Chế độ nạp thường xuyên: 68

5.1.5.2 Chế độ phóng nạp xen kẽ: 69

5.1.6 Tuổi thọ Ắc-quy: 69

5.1.7 Các phương pháp kết nối của Ắc-Quy: 70

www.7gio.com

5.2.1 Giới thiệu chung về inverter: 72

5.2.2 Nguyên lý hoạt động và phân loại của inverter: 73

5.2.2.1 Nguyên tắc hoạt động: 73

5.2.2.2 Phân loại inverter: 73

5.2.3 Một số nguyên lý kích điện của inverter trong dân dụng: 75

5.2.4 Tính toán bộ inverter : 79

5.2.5 Ưu nhược điểm và phương hướng phát triển của Inverter: 79

5.2.5.1 Ưu điểm: 79

5.2.5.2 Nhược điểm: 79

5.2.5.4 Ví dụ cụ thể về tính toán lựa chọn Ắc-quy và inverter : 79

CHƯƠNG 6 : TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ TẢI CHO MÔ HÌNH 81

6.1 Cơ sở thiết kế máy bơm và hệ thống đèn chiếu sáng: 81

6.2 Tính toán thiết kế tải: 81

6.2.1 Tính toán công suất máy bơm: 81

6.2.2Tính toán, thiết kế hệ thống đèn chiếu sáng: 83

6.2.3 Tính toán thiết kế bộ phận nguồn điện: 84

6.3 Vận hành thiết bị 85

6.3.1 Vận hành thí nghiệm với đèn chiếu sáng, đo các thông số dòng điện, điện áp, công suất tải 85

6.3.2 Vận hành thí nghiệm với đèn chiếu sáng, đo các thông số dòng điện, điện áp, công suất tải 88

6.4 Kết luận 91

6.4.1 Đánh giá 91

6.4.1.1 Ưu điểm 91

6.4.1.2 Nhược điểm 91

6.4.2 Ứng dụng, hướng phát triển của đề tài 92

www.7gio.com

Bảng 2.2: Bảng tra thông số thép (Theo tiêu chuẩn Việt Nam 1656- 1993) 28

Bảng 2.3 Thông số thiết kế giàn khung 28

Bảng 2.4: Số thứ tự ngày đầu tiên trong tháng 29

Bảng 2.5: Góc đặt pin vào các tháng trong năm 30

Bảng 5: Số liệu về bức xạ Mặt trời ở Việt Nam 32

Bảng 6.1 Bảng thông số kỹ thuật máy bơm 82

Bảng 6.2 Thông số kỹ thuật thiết bị đèn chiếu sáng 83

Bảng 6.3 Thông số Pin 85

Bảng 6.3.1 Kết quả đo mô đun cấp nguồn trực tiếp từ acquy 86

Bảng 6.3.2 Kết quả đo mô đun cup cấp nguồn cho tải DC thông qua bộ sạc 88

Bảng 6.3.3 Kết quả đo mô đun cup cấp nguồn cho tải DC không kết nối Pin 88

Bảng 6.3.4 Kết quả đo mô đun cấp nguồn trực tiếp từ acquy của tải máy bơm 89

Bảng 6.3.5 Kết quả đo mô đun cup cấp nguồn cho tải máy bơm thông qua bộ sạc 90

Bảng 6.3.6 Kết quả đo mô đun cup cấp nguồn cho tải máy bơm không kết nối Pin 90

www.7gio.com

Hình 1.1: Cấu trúc của mặt trời 1

Hình 1.2: Dải bức xạ điện từ 3

Hình 1.3: Các tuốc bin gió phát điện nhờ sức gió và thủy triều, tận thu một cách gián tiếp năng lượng Mặt Trời 6

Hình 1.5: Trạm vũ trụ ISS 9

Hình 1.6: Robot tự hành trên sao hỏa và vệ tinh nhân tạo 9

Hình 1.7: Pin mặt trời được ứng dụng tại các hộ gia đình và trong nông nghiệp 10

Hình1.8: Nguồn năng lượng mặt trời 11

Hình 1.9: Năng lượng dùng tại chỗ 12

Hình1.10: Các phương pháp ứng dụng tiết kiệm 12

Hình 1.12: Cánh đồng pin mặt trời 13

Hình1.13: Một cell pin mặt trời 14

Hình 1.14: Cấu tạo của pin mặt trời 15

Hình 1.15: Các loại cấu trúc tinh thể của pin mặt trời 16

Hình 1.16: Một số loại panel pin mặt trời 17

Hình1.17: Quá trình tạo một panel pin mặt trời 18

Hình 1.18:Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 19

Hình 1.19: Hệ thống 2 mức năng lượng trong đó E1 < E2 19

Hình 1.20: Các vùng năng lượng 20

Hình 1.21: Pin mặt trời 22

Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống pin mặt trời 23

Hình 2.2: Sơ đồ tương đương đơn giản của pin mặt trời bao gồm nguồn dòng mắc song song và một diode lý tưởng 26

Hình 2.3: Pin mặt trời khi ngắn mạch 26

Hình2.4: Pin mặt trời khi hở mạch 26

Hình 2.5: Pin mặt trời khi hở mạch, ngắn mạch và khi mắc với tải 27

Hình 2.6: Góc lệch năng lượng và góc tối ưu của Mặt trời và Trái đất 29 Hình 2.7: Góc lệch năng lượng và góc tối ưu của Mặt trời và Trái đất vào buổi trưa.29

www.7gio.com

Hình 2.9: Giá đỡ khung Pin 33

Hình 2.10: Góc xoay và tay đỡ Pin 34

Hình 2.11: Giá đỡ khung modul 34

Hình 2.12: Giá đỡ bộ đèn 35

Hình 3.1 37

Hình 3.2 37

Hình 3.3 Sơ đồ chân của LM35 39

Hình 3.4 Quang trở 40

Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý 42

Hình 3.6 Sơ đồ khối 45

Hình 3.7 Mặt trước cảm biến 45

Hình 3.8 Mặt sau cảm biến 45

Hình 4.1:Sơ đồ khối phương pháp điều khiển MPPT sử dụng bộ bù PI 48

Hình 4.2.Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển trực tiếp MPPT 49

Hình 4.3: Mối quan hệ giữa tổng trở vào của mạch Boost và hệ số làm việc D 50

Hình 4.4: Lưu đồ thuật toán P&O dùng trong phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu ra 52

Hình 4.5: Cấu tạo LM 7805 55

Hình 4.7: Cấu tạo ACS 712 57

Hình 4.8: Đồ thị giữa điện áp ngõ ra so với dòng cảm biến 58

Hình 2.4: Hình ảnh về module đo lường 61

Hình 2.5: Hình ảnh về module sạc tích hợp MPPT 61

Hình 5.1: Một số loại Ắc-quy 62

Hình 5.2: Cấu tạo của Ắc-quy 63

Hình 5.3 : Mô phỏng bản cực Ắc-quy axít 64

Hình 5.4: Trạng thái hóa học trong các quá trình phóng - nạp 68

Hình 5.5: Nguyên tắc hoạt động của inverter 73

Hình 6.1: Inverter dạng sóng vuông 74

www.7gio.com

Hình 6.3:Inverter dạng sóng sin chuẩn 75

Hình 6.4:Nguyên lý mạch điện tử biến đổi DC-AC 76

Hình 6.5: Mạch Inverter dùng 2N3055 77

Hình 6.6: Mạch Inverter sử dụng dao động đơn ổn dùng IC LC3524 78

Hình 6.1: Bơm chìm 24Vdc 82

Hình 6.1 Sơ đồ kết nối các các mô đun cung cấp nguồn trực tiếp từ acquy 85

Hình 6.2 Sơ đồ kết nối các mô đun cup cấp nguồn cho tải DC thông qua bộ sạc 87

Hình 6.3.3 Sơ đồ kết nối các các mô đun cung cấp nguồn trực tiếp từ acquy của tải máy bơm 88

Hình 6.3.4 Sơ đồ kết nối các mô đun cup cấp nguồn cho tải máy bơm thông qua bộ sạc 89

www.7gio.com

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ

ỨNG DỤNG PIN MẶT TRỜI.

1.1Khái niệm năng lượng mặt trời:

Năng lượng mặt trời là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ mặt trời, cộng với một phần nhỏ năng lượng từ các hạt nguyên tử khác phóng ra từ mặt trời

1.2 Mặt trời và nguồn bức xạ Mặt trời:

Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1,390.106km (lớn hơn 110 lần đường kính trái đất), cách xa trái đất 150.106km (bằng một đơn vị thiên văn AU ánh sáng mặt trời cần khoảng 8 phút để vượt qua khoảng này đến trái đất) Khối lượng mặt trời khoảng Mo = 2.1030kg Nhiệt độ T ở trung tâm mặt trời thay đổi trong khoảng từ 10.106K đến 20.106K, trung bình khoảng 15600000 K Ở nhiệt độ như vậy vật chất không thể giữ được cấu trúc trật 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 chạm 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 Mặt Trời không có ranh giới rõ ràng như ở các hành tinh có đấtá Ngược lại, mật độ các khí giảm dần xuống theo quan hệ số mũ theo khoảng cách tính

từ tâm Mặt Trời Bán kính của Mặt Trời được đo từ tâm tới phần rìa ngoài của quang quyển

Hình 1.1: Cấu trúc của mặt trời

www.7gio.com

Nhiệt độ To tại trung tâm mặt trời thay đổi trong khoảng từ 10.106K đến 20.106K, trung bình khoảng 15600000 K Ở nhiệt độ như vậy vật chất không thể giữ được cấu trúc trật 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 chạm 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 Về cấu trúc, mặt trời có thể chia làm 4 vùng, tất

cả hợp thành một khối cầu khí khổng lồ Vùng giữa gọi là nhân hay “lõi” 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 175.000km, khối lượng riêng 160kg/dm3, nhiệt độ ước tính từ 14 đến 20 triệu độ, áp suất vào khoảng hàng trăm tỷ atmotphe 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), can xi (Ca), nát

ri (Na), stronti (Sr), crôm (Cr), kền (Ni), cácbon ( C), silíc (Si) và các khí như hiđrô (H2), hêli (He), chiều dày vùng này khoảng 400.000km Tiếp theo là vùng “đối lưu” dày 125.000km và vùng “quang cầu” có nhiệt độ khoảng 6000K, dày 1000km ở vùng này gồm các bọt khí sôi sục, có chỗ 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

Ánh sáng nói riêng, hay bức xạ điện từ nói chung, từ bề mặt của Mặt Trời được xem là nguồn năng lượng chính cho Trái Đất Hằng số năng lượng mặt trời được tính bằng công suất của lượng bức xạ trực tiếp chiếu trên một đơn vị diện tích

bề mặt Trái Đất, bằng khoảng 1370 W/m2 Ánh sáng Mặt Trời bị hấp thụ một phần trên bầu khí quyển Trái Đất, nên một phần nhỏ hơn tới được bề mặt Trái Đất, gần

1000 W/m² năng lượng Mặt Trời tới Trái Đất trong điều kiện trời quang đãng Năng lượng này có thể dùng vào các quá trình tự nhiên hay nhân tạo Quá trình quang hợp trong cây sử dụng ánh sáng mặt trời và chuyển đổi CO2 thành ôxy và hợp chất hữu

cơ, trong khi nguồn nhiệt trực tiếp là làm nóng các bình đun nước dùng năng lượng Mặt Trời, hay chuyển thành điện năng bằng các pin năng lượng Mặt Trời

www.7gio.com

Năng lượng dự trữ trong dầu mỏ được giả định rằng là nguồn năng lượng của Mặt Trời được chuyển đổi từ xa xưa trong quá trình quang hợp và phản ứng hóa sinh của sinh vật cổ

Trong toàn bộ bức xạ của Mặt trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các phản ứng hạt nhân xảy ra trong Mặt trời không quá 3% Bức xạ γ ban đầu khi đi qua 5.105 km chiều dầy của lớp vật chất Mặt trời của 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, tứ tâm Mặt trời đi ra cho 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 Rơnghen 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

Hình 1.2: Dải bức xạ điện từ

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

www.7gio.com

hầu như một nửa tổng năng lượng Mặt trời tập trung trong khoảng bước sóng 0,38–0,78µm đó là vùng nhìn thấy của phổ

Chùm tia truyền thẳng từ Mặt trời gọi là bức xạ trực xạ.Tổng hợp các tia trực xạ

và tán xạ gọi là tổng xạ Mật độ dòng bức xạ trực xạ ở ngoài lớp khí quyển, tính đối với 1m2 bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ, được tính theo công thức:

Khi truyền qua lớp khí quyển bao bọc quanh Trái đất, các chùm tia bức xạ bị hấp thụ và tán xạ ở tầng ozon, hơi nước và bụi trong khí quyển, chỉ một phần năng lượng được truyền trực tiếp đến Trái đất.Toàn bộ bức xạ tử ngoại được sử dụng để duy trì quá trình phân ly và hợp nhất của O,O2 và O3 đó là quá trình ổn định Do quá trình này, khi đi qua khí quyển, bức xạ tử ngoại biến đổi thành bức xạ với năng lượng nhỏ hơn

Các bức xạ với bước sóng ứng với các vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoại của phổ tương tác với các phân tử khí và các hạt bụi của không khí nhưng không phá

vỡ các liên kết của chúng, khi đó các photon bị tán xạ khá đều theo mọi hướng và một số photon quay trở lại không gian vũ trụ Bức xạ chịu dạng tán xạ đó chủ yếu là bức xạ có bước sóng ngắn nhất Sau khi phản xạ từ các phần khác nhau của khí quyển bức xạ tán xạ đi đến chúng ta mang theo màu xanh lam của bầu trời trong sáng

và có thể quan sát được ở những độ cao không lớn Các giọt nước cũng tán xạ rất mạnh bức xạ mặt trời Bức xạ mặt trời khi đi qua khí quyển còn gặp một trở ngại

www.7gio.com

đáng kể nữa đó là do sự hấp thụ của các phần tử hơi nước, khí cacbônic và các hợp chất khác, mức độ của sự hấp thụ này phụ thuộc vào bước sóng, mạnh nhất ở khoảng giữa vùng hồng ngoại của phổ

Phần năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt trái đất trong những ngày quang đãng (không có mây) ở thời điểm cao nhất vào khoảng 1000W/m2

1.3 Ứng dụng của năng lượng Mặt Trời:

Đối với cuộc sống của loài người, năng lượng Mặt Trời là một nguồn năng lượng tái tạo quý báu Có thể trực tiếp thu lấy năng lượng này thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển năng lượng các photon của Mặt Trời thành điện năng, như trong pin Mặt Trời Năng lượng của các photon cũng có thể được hấp thụ để làm nóng các vật thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, sử dụng cho bình đun nước Mặt Trời, hoặc làm sôi nước trong các máy nhiệt điện của tháp Mặt Trời, hoặc vận động các hệ thống nhiệt như máy điều hòa Mặt Trời

Năng lượng của các photon có thể được hấp thụ và chuyển hóa thành năng lượng trong các liên kết hóa học của các phản ứng quang hóa

Một phản ứng quang hóa tự nhiên là quá trình quang hợp Quá trình này được cho là đã từng dự trữ năng lượng Mặt Trời vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch không tái sinh mà các nền công nghiệp của thế kỷ 19 đến 21 đã và đang tận dụng Nó cũng

là quá trình cung cấp năng lượng cho mọi hoạt động sinh học tự nhiên, cho sức kéo gia súc và củi đốt, những nguồn năng lượng sinh học tái tạo truyền thống Trong tương lai, quá trình này có thể giúp tạo ra nguồn năng lượng tái tạo ở nhiên liệu sinh học, như các nhiên liệu lỏng (diesel sinh học, nhiên liệu từ dầu thực vật), khí (khí đốt sinh học) hay rắn

Năng lượng Mặt Trời cũng được hấp thụ bởi thủy quyển Trái Đất và khí quyển Trái Đất để sinh ra các hiện tượng khí tượng học chứa các dạng dự trữ năng lượng có thể khai thác được Trái Đất, trong mô hình năng lượng này, gần giống bình đun nước của những động cơ nhiệt đầu tiên, chuyển hóa nhiệt năng hấp thụ từ photon của Mặt Trời, thành động năng của các dòng chảy của nước, hơi nước và không khí,

và thay đổi tính chất hóa học và vật lý của các dòng chảy này

www.7gio.com

Thế năng của nước mưa có thể được dự trữ tại các đập nước và chạy máy phát điện của các công trình thủy điện Một dạng tận dụng năng lượng dòng chảy sông suối có trước khi thủy điện ra đời là cối xay nước dòng chảy cũng có thể làm chuyển động máy phát của nhà máy điện dùng dòng chảy của biển

Hình 1.3: Các tuốc bin gió phát điện nhờ sức gió và thủy triều, tận thu một cách

gián tiếp năng lượng Mặt Trời

Dòng chảy của không khí, hay gió, có thể sinh ra điện khi làm quay tuốc bin gió Trước khi máy phát điện dùng năng lượng gió ra đời, cối xay gió đã được ứng dụng để xay ngũ cốc Năng lượng gió cũng gây ra chuyển động sóng trên mặt biển Chuyển động này có thể được tận dụng trong các nhà máy điện dùng sóng biển

Đại dương trên Trái Đất có nhiệt dung riêng lớn hơn không khí và do đó thay đổi nhiệt độ chậm hơn không khí khi hấp thụ cùng nhiệt lượng của Mặt Trời Đại dương nóng hơn không khí vào ban đêm và lạnh hơn không khí vào ban ngày Sự chênh lệch nhiệt độ này có thể được khai thác để chạy các động cơ nhiệt trong các nhà máy điện dùng nhiệt lượng của biển

Khi nhiệt năng hấp thụ từ photon của Mặt Trời làm bốc hơi nước biển, một phần năng lượng đó đã được dự trữ trong việc tách muối ra khỏi nước mặn của biển Nhà máy điện dùng phản ứng nước ngọt - nước mặn thu lại phần năng lượng này khi đưa nước ngọt của dòng sông trở về biển

www.7gio.com

Hình 1.4: Nhà máy điện mặt trời

Điện năng còn có thể tạo ra từ năng lượng mặt trời dựa trên nguyên tắc tạo nhiệt độ cao bằng một hệ thống gương phản chiếu và hội tụ để gia nhiệt cho môi chất làm việc truyền động cho máy phát điện

Pin mặt trời là phương pháp sản xuất điện trực tiếp từ năng lượng mặt trời qua thiết bị biến đổi quang điện Pin mặt trời có ưu điểm là gọn nhẹ và có thể lắp đặt bất kì

ở đâu có ánh sáng mặt trời,đặc biệt là trong lĩnh vực tàu vũ trụ,ứng dụng năng lượng mặt trời dưới dạng này được phát triễn với tốc độ nhanh,nhất là ở các nước phát triễn Ngày nay con người 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 lượng truyền thống.Pin mặt trời làm việc theo nguyên lý và biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện

Nguyên tắc sử dụng năng lượng mặt trời để nấu thức ăn đã được con người sử dụng từ rất lâu.Các công nghệ làm bếp dùng năng lượng mặt trời đã có những thay đổi

và phát triển.Hiện nay bếp được sử dụng phổ biến dưới 2 loại đó là bếp hình hộp và bếp Parabol

Bếp năng lượng mặt trời được ứng dụng rất rộng rãi ở các nước nhiều năng lượng mặt trời,khang hiếm củi đốt,giá thành nhiên liệu cao như các nước ở châu phi,các khu vực vùng sâu vùng xa của các nước đang phát triển.Hiện nay bếp năng lượng mặt trời còn được sử dụng càng nhiều đối với các ngư dân và khách du lịch

Ở Việt Nam bếp năng lượng mặt trời cũng đã được sử dụng khá phổ biến

www.7gio.com

Năm 2000, trung tâm nghiên cứu thiết bị áp lực và năng lượng mới thuộc trường đại học bách khoa-đại học Đà Nẵng đã phối hợp với các tổ chức từ thiện Hà Lan triển khai dự án (30000USD/năm) đưa bếp năng lượng mặt trời vào sử dụng ở các vùng nông thôn của các tỉnh Quảng Nam, Quảng Ngãi, Ninh Thuận Dự án đã phát triển rất tốt và ngày càng được đông đảo người dân sử dụng.Hiện nay dự án đã cung cấp được trên 1000 bếp hình hộp và trên 200 bếp Parabol cho người dân nghèo nông thôn

Hiện nay trong các nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời có các loại hệ thống bộ thu chủ yếu sau:

Hệ thống dùng parabol trụ để tập trung tia bức xạ mặt trời vào một ống môi chất đặt dọc theo đường hội tụ của bộ thu, nhiệt độ có thể đạt tới 400oC

Hệ thống nhận nhiệt trung tâm bằng cách sử dụng các gương phản xạ có định

vị theo phương mặt trời để tập trung năng lượng mặt trời đến bộ thu đặt trên đỉnh tháp cao, nhiệt độ có thể đạt tới trên 1500oC

Trong thời đại khoa học kỹ thuật phát triển, nhu cầu về năng lượng 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 thì có hạn khiến cho nhân loại đứng trước nguy cơ 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 một trong những hướng quan trọng trong kế hoạch phát triển năng lượng, không những đối với những nước phát triển mà ngay cả với những nước đang phát triển

Năng lượng mặt trời - nguồn năng lượng sạch và tiềm tàng nhất - đang được loài người thực sự đặc biệt quan tâm Do đó việc nghiên cứu nâng cao hiệu quả các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời và triển khai ứng dụng chúng vào thực tế là vấn

đề có tính thời sự

Việt Nam là nước có tiềm năng về năng lượng mặt trời, trải dài từ vĩ độ 8” Bắc đến 23” Bắc, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao, với trị số tổng xạ khá lớn từ 100-175 kcal/cm2.năm (4,2 -7,3GJ/m2.năm) do đó việc sử dụng năng lượng mặt trời ở nước ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế rất lớn

www.7gio.com

1.3.1Ứng dụng của pin mặt trời trong vũ trụ:

Pin mặt trời có ưu điểm là gọn nhẹ có thể lắp bất kì đâu có ánh sáng mặt trời, đặc biệt là trong lĩnh vực hàng không vũ trụ Ứng dụng của pin mặt trời phát triển rất nhanh, nhất là ở các nước phát triển Ngày nay pin mặt trời được ứng dụng trong nhiều dụng cụ cá nhân như máy tính, đồng hồ và các đồ dùng hằng ngày Pin mặt trời còn được dùng để chạy xe ôtô thay thế dần các nguồn năng lượng truyền thống, dùng thắp sáng đèn đường, đèn sân vườn và sử dụng trong từng hộ gia đình

Hình 1.5: Trạm vũ trụ ISS

Hình 1.6: Robot tự hành trên sao hỏa và vệ tinh nhân tạo

www.7gio.com

Hiện giá thành thiết bị của pin mặt trời còn khá cao, trung bình hiện nay khoảng 5USD/Wp, nên ở các nước đang phát triển pin mặt trời hiện mới chỉ có khả năng duy nhất là cung cấp năng lượng điện sử dụng cho các vùng sâu, vùng xa mà đường điện quốc gia chưa có

Hình 1.7: Pin mặt trời được ứng dụng tại các hộ gia đình và trong nông nghiệp

Ở Việt Nam, với sự hỗ trợ của một số tổ chức quốc tế đã thực hiện xây dựng các trạm điện dùng pin mặt trời phục vụ nhu cầu sinh hoạt và văn hóa của các địa phương vùng sâu, vùng xa nhất là đồng bằng sông Cửu Long và Tây Nguyên Tuy nhiên giá thành của pin mặt trời còn quá cao so với thu nhập của người dân

1.3.2 Ứng dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam:

Đến nay,cả nước có khoảng 5.000 hộ sử dụng điện mặt trời Nhưng điều đáng quan tâm là kinh phí lắp đặt mạng lưới điện mặt trời của 5.000 hộ này phần lớn là do nước ngoài tài trợ và nhà nước chưa có một chính sách nào cụ thể để đưa ngành công nghiệp điện mặt trời vào phát triển

Hơn 20 năm trở lại đây nước ta đã sử dụng nhiều loại thiết bị thu hứng ánh sáng mặt trời để phục vụ cho quá trình sản xuất như thiết bị sấy,thiết bị đun nước nóng và dàn pin mặt trời…

Theo thống kê tính đến cuối năm 1999 cả nước lắp đặt được khoảng 70 thiết bị sấy,70 thiết bị đun nóng, 600 dàn pin và hàng loạt thiết bị chưng cất nước tại nhiều khu vực Những thiết bị này hàng năm đã tạo ra một lượng điện năng đáng kể cung cấp cho người dân, đồng thời tiết kiệm cho nhà nước hàng tỷ đồng

Mới đây nhất ngày 22-3, tập đoàn First Solar của Mỹ khởi công xây dựng nhà máy sản xuất tấm pin năng lượng mặt trời công nghệ màng mỏng tại khu công nghiệp Đông Nam, huyện Củ Chi, Tp.Hồ Chí Minh

www.7gio.com

Tại một số huyện như Bình Chánh, Cần Giờ, Củ Chi điện mặt trời được sử dụng khá nhiều trong một số nhà văn hóa, bệnh viện…Gần đây dự án phát điện ghép giữa pin mặt trời và thủy điện nhỏ, công suất 125KW được lắp đặt tại xã Trang,huyện Mang Yang,tỉnh Gia Lai

1.4 Các lý do nên sử dụng pin mặt trời:

 Nguồn năng lượng điện vô tận từ mặt trời

Các tấm pin mặt trời có rất nhiều ưu điểm silicon sử dụng trong đa số tấm là chất liệu rất phổ biến Cát trên bãi biển có thành phần cấu tạo chủ yếu là silicon Các tấm pin mặt trời là đáng tin cậy

Hình1.8: Nguồn năng lượng mặt trời

Nhiên liệu" mà chúng ta sử dụng – "ánh sáng mặt trời" là có sẵn và dồi dào Đó

là nguồn tài nguyên có thể hồi phục sẽ tồn tại gần như mãi mãi Các nhà khoa học biết rẳng Mặt trời sẽ tỏa sáng trong hàng tỷ năm nữa

 Tính tiện dụng

Các tấm pin mặt trời sản xuất điện năng ngay tại nơi sử dụng chúng Riêng đối với hệ thống pin mặt trời cục bộ có đặc điểm hoạt động cách ly hoàn toàn với nguồn lưới nên không cần dây dẫn hay cáp nối để dẫn điện đi từ một nhà máy điện ở xa

www.7gio.com

Hình 1.9: Năng lượng dùng tại chỗ

 Giảm chi phí

Hình1.10: Các phương pháp ứng dụng tiết kiệm

Thay vì phải sử dụng 100% điện năng từ lưới điện quốc gia, nay chỉ cần sử dụng 50% và thậm chí là không sử dụng điện năng từ lưới điện quốc gia bằng cách sử dụng hệ thống pin mặt trời nối lưới Phần điện năng bù vào được lấy từ các tấm pin mặt trời và bơm trực tiếp vào hệ thống điện lưới trong tòa nhà

 Bảo vệ môi trường

Khi sử dụng, các tấm pin mặt trời hầu như chẳng có tác động gì đối với môi trường Chúng im lìm, chúng không nhả bụi hoặc các chất thải vào không khí Chúng không làm cho nước nhiễm độc và chúng không tạo ra các chất thải nguy hiểm

www.7gio.com

Tuy đã được triển khai ứng dụng không ít nhưng nhìn chung sử dụng năng lượng mặt trời vẫn bó hẹp trong những phạm vi địa lý nhất định và thường được ứng dụng trong các dự án

1.5 Những khó khăn khi sử dụng pin năng lượng mặt trời:

Sở dĩ năng lượng mặt trời chưa phát triển ở Việt Nam là do chi phí thiết bị còn khá cao,khoảng 20.000 USD/gia đình.Ở nước ta mới chỉ có một vài nơi ứng dụng hệ

www.7gio.com

thống điện mặt trời như : Mạng lưới điện mặt trời tại buôn Chăm-Ea Hleo-Dak Lak cung cấp điện sinh hoạt cho các hộ dân,nhà sinh hoạt cộng đồng của buôn,các lớp học,bơm nước giếng khoan… trên địa bàn

Thực tế,do đầu tư ban đầu lớn nên việc triển khai các ứng dụng sản xuất điện,thiết bị từ năng lượng mặt trời chưa được phổ biến rộng rãi và đây chính là trở ngại lớn nhất Việc cần làm lúc này là Nhà Nước nên hổ trợ kinh phí cho nghiên cứu,khảo sát thị trường đánh giá hiệu quả kinh tế,quảng bá trên phương tiện thông tin đại chúng hoặc lồng ghép vào các chương trình tuyên truyền tiết kiệm điện

1.6 Pin mặt trời, cấu tạo và nguyên lý hoạt động:

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, dưới 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

Các pin năng lượng mặt trời có nhiều ứng dụng Chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng mà điện năng trong mạng lưới chưa vươn tới, các vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo trái đất, máy tính cầm tay, các máy từ xa, thiết bị bơm nước Pin năng lượng mặt trời (tạo thành các module hay các tấm năng lượng mặt trời) xuất hiện trên nóc các tòa nhà nơi chúng có thể kết nối với bộ chuyển đổi của mạng lưới điện

Hình1.13: Một cell pin 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 chế tạo thành công, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối Russell Ohl được xem là người tạo ra pin năng lượng mặt trời đầu tiên năm 1946 tuy nhiên nó chỉ có hiệu suất 1% Pin mặt trời lần

www.7gio.com

đầu tiên được ứng dụng là trên vệ tinh Vangaurd 1 của Mĩ, được phóng năm 1958 Ngày nay pin mặt trời được sản xuất trên toàn thế giới đặt biệt là ở các nước tiên tiến như Mĩ, Đức, Tây Ban Nha…

1.6.1 Cấu tạo :

Cấu tạo của pin mặt trời là một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên trong

Hình 1.14: Cấu tạo của pin mặt trời

Cho tới hiện tại thì vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời (và cho các thiết bị bán dẫn) là các silic tinh thể Pin mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại:

Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski Pin mặt trời đơn tinh thể có thể đạt hiệu suất từ 11% - 16% Chúng thường rất mắc tiền do được cắt từ các thỏi 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 cẩn thận được làm nguội

và làm rắn Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn,

từ 8% - 11% 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 có hiệu suất thấp nhất, từ 3% - 6%, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại

vì không cần phải cắt từ thỏi silicon

www.7gio.com

Hình 1.15: Các loại cấu trúc tinh thể của pin mặt trời

Silic thuộc nhóm IV, tức là có 4 electron lớp ngoài cùng Silic có thể kết hợp với silicon khác để tạo nên chất rắn Cơ bản có 2 loại chất rắn silicon, đa thù hình (không

có trật tự sắp xếp) và tinh thể (các nguyên tử sắp xếp theo thứ tự dãy không gian 3 chiều) Pin năng lượng mặt trời phổ biến nhất dùng đa tinh thể silicon

Silic là chất bán dẫn Tức là thể rắn silic, tại một tầng năng lượng nhất định, electron

có thể đạt được, và một số tầng năng lượng khác thì không được Các tầng năng lượng không được phép này xem là tầng trống Lý thuyết này căn cứ theo thuyết cơ học lượng tử

Ở nhiệt độ phòng, Silic nguyên chất có tính dẫn điện kém Trong cơ học lượng tử, giải thích thất tế tại mức năng lượng Fermi trong tầng trống Để tạo ra silic có tính dẫn điện tốt hơn, có thể thêm vào một lượng nhỏ các nguyên tử nhóm III hay V trong bảng tuần hoàn hóa học Các nguyên tử này chiếm vị trí của nguyên tử silic trong mạng tinh thể, và liên kết với các nguyên tử silic bên cạnh tương tự như là một silic Tuy nhiên các phân tử nhóm III có 3 electron ngoài cùng và nguyên tử nhóm V có 5 electron ngoài cùng, vì thế nên có chỗ trong mạng tinh thể có dư electron còn có chỗ thì thiếu electron Vì thế các electron thừa hay thiếu electron (gọi là lỗ trống) không tham gia vào các kết nối mạng tinh thể Chúng có thể tự do di chuyển trong khối tinh thể Silic kết hợp với nguyên tử nhóm III (nhôm hay gali) được gọi là loại bán dẫn p bởi vì năng lượng chủ yếu mang điện tích dương (positive), trong khi phần kết hợp với các nguyên tử nhóm V (phốt pho, asen) gọi là bán dẫn n vì mang năng lượng âm (negative)

www.7gio.com

Lưu ý rằng cả hai loại n và p có năng lượng trung hòa, tức là chúng có cùng năng lượng dương và âm, loại bán dẫn n, loại âm có thể di chuyển xung quanh, tương tự ngược lại với loại p

Các tinh thể silic (Si) hay gali asenua (GaAs) là các vật liệu được sử dụng làm pin mặt trời Gali asenua đặc biệt tạo nên để dùng cho pin mặt trời, tuy nhiên thỏi tinh thể silic cũng có thể dùng được với giá thành thấp hơn, sản xuất chủ yếu để tiêu thụ trong công nghiệp vi điện tử Đa tinh thể silic có hiệu quả kém hơn nhưng giá tiền cũng thấp hơn

Khi để trực tiếp dưới ánh sáng mặt trời, một pin silic có đường kính 6 cm có thể sản xuất dòng điện khoảng 0,5 ampe ở 0,5 volt

Hình 1.16: Một số loại panel pin mặt trời

Các tấm tinh thể mỏng hình đĩa, được đánh bóng để loại bỏ các khuyết tật trong quá trình cắt, chất kích thích được dùng cho các pin, và các tấm kim loại dẫn truyền đặt vào một mặt: một lưới mỏng trên bề mặt chiếu ánh sáng mặt trời, và mặt phẳng trên mặt còn lại Tấm năng lượng mặt trời tạo thành từ các pin như vậy cắt theo hình dạng thích hợp, được bảo vệ khỏi tia bức xạ và hư hại trên mặt trước bằng các miếng gương, dán vào chất nền Sự liền mạch được tạo nên thành các dãy song song để quyết định năng lượng tạo ra Chất keo và chất nền phải có tính dẫn nhiệt, vì khi các pin được làm nóng khi hấp thụ năng lượng hồng ngoại, vốn không thể chuyển hóa thành năng lượng Một khi các pin bị làm nóng thì giảm hiệu suất hoạt động vì thế nên phải làm giảm thiểu nhiệt năng

www.7gio.com

Hình1.17: Quá trình tạo một panel pin mặt trời

www.7gio.com

1.6.2 Nguyên lý hoạt động:

Hình 1.18:Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

Hình 1.19: Hệ thống 2 mức năng lượng trong đó E1 < E2

www.7gio.com

Bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E1 Khi chiếu sáng hệ thống, lượng tử ánh sáng (photon) mang năng lượng hv (h là hằng số Plank và v là tần số ánh sáng) bị điện tử hấp thụ và chuyển lên mức E2

Phương trình cân bằng năng lượng:

đó gọi là một vùng cấm có độ rộng năng lượng là Eg, trong đó không có mức năng lượng cho phép nào của điện tử

Khi ánh sáng chiếu đến vật rắn có vùng năng lượng nói trên, photon có năng lượng hv tới hệ thống , bị điện tử của vùng hoá trị hấp thụ và nó có thể chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự do e-,lúc này vùng hoá trị sẽ có một lỗ trống có thể

di chuyển như “hạt“ mang điện tích dương nguyên tố (kí hiệu h+) Lỗ trống này có thể di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện

Hình 1.20: Các vùng năng lượng

www.7gio.com

Phương trình hiệu ứng lượng tử:

xảy ra trên lớp tiếp xúc p-n.điện tử – lỗ trống e- - h+, tức là tạo ra một điện thế Hiện

tượng đó gọi là hiện tượng quang điện bên trong

Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời chính là hiện tượng quang điện xảy ra trên lớp tiếp xúc p-n

Khi một photon chạm vào 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

Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các hạt electron trong

màng tinh thể Thông thường các electron này lớp ngoài cùng, và thường được kết

dính với các nguyên tử lân cận vì thế không thể di chuyển xa Khi electron được kích

thích, trở thành dẫn điện, các electron này có thể tự do di chuyển trong bán dẫn Khi

đó nguyên tử sẽ thiếu 1 electron và đó gọi là lỗ trống Lỗ trống này tạo điều kiện cho

các electron của nguyên tử bên cạnh di chuyển đến điền vào lỗ trống, và điều này tạo

ra lỗ trống cho nguyên tử lân cận có "lỗ trống" Cứ tiếp tục như vậy lỗ trống di

chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn

Một photon chỉ cần có năng lượng lớn hơn năng luợng đủ để kích thích electron lớp ngoài cùng dẫn điện Tuy nhiên, tần số của mặt trời thường tương

www.7gio.com

đương 6000°K, vì thế nên phần lớn năng lượng mặt trời đều được hấp thụ bởi silic Tuy nhiên hầu hết năng lượng mặt trời chuyển đổi thành năng lượng nhiệt nhiều hơn

là năng lượng điện sử dụng được

Hình 1.21: Pin mặt trời

www.7gio.com

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH THÍ

NGHIỆM NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

2.1Thiết kế một hệ thống pin mặt trời:

Thiết kế một hệ thống pin mặt trời là xây dựng một quan hệ tương thích giữa các thành phần của hệ về mặt định tính và định lượng để đảm bảo hiệu quả cao

2.2 Các bước thiết kế:

2.2.1 Lựa chọn sơ đồ khối:

Từ sự phân tích các yêu cầu và các đặc trưng của các phụ tải điện ta sẽ chọn một

sơ đồ khối thích hợp

Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống pin mặt trời

2.2.2 Tính toán hệ nguồn điện pin mặt trời:

Có nhiều phương pháp tính toán nhưng thông dụng nhất chủ yếu dựa trên sự cân bằng điện năng trung bình hằng ngày

2.2.3 Tính phụ tải điện theo yêu cầu:

Giả sử hệ cần cấp điện cho các tải T1, T2, T3,… có các công suất tiêu thụ tương ứng P1, P2, P3,… và thời gian làm việc hàng ngày của chúng là t1, t2,

t3,… Tổng điện năng phải cấp hằng ngày cho các tải:

2.2.4 Tính năng lượng điện mặt trời cần thiết Ec:

Năng lượng pin mặt trời cần phải cấp cho hệ được xác định theo công thức :

Ec =

m

E

(2.2)

Trong đó η là hiệu suất của cả hệ thống

2.2.5 Công suất của dàn pin mặt trời:

Công suất của pin mặt trời thường được tính ra công suất đỉnh hay cực đại (Peak Watt, Wp), là công suất của pin trong điều kiện chuẩn

E(Wp) =



E m

c



1000

(2.3)Trong đó Eβ cường độ bức xạ trên mặt phẳng đặt nghiêng một góc β so với mặt phẳng ngang

ηm là hiệu suất của pin ở nhiệt độ T

2.2.6 Tính số module mắc song song và nối tiếp:

Các giá trị đặc trưng cơ bản của module :

Thế làm việc tối ưu : Vm

Dòng làm việc tối ưu : Im

V

V: điện thế yêu cầu của hệ (2.5)

Số module mắc song song:

Np =

m I

I

I: dòng điện yêu cầu của hệ (2.6)

2.2.7 Tính dung lượng của bộ Ắc-quy:

Dung lượng của bộ Ắc-quy được tính theo công thức:

C =

DOS V

D E

ηb: hiệu suất nạp phóng điện của acquy

DOS: độ sâu phóng điện thích hợp (khoảng 0,6 0,7)

2.3 Thông số kỹ thuật của Pin sử dụng trong mô hình:

Bảng 2.1:Thông số Pin

Thí nghiệm Pin mặt trời:

2.4.1 Thông số một tấm pin mặt trời SC – 140P:

Công suất cực đại: 140 Wp

Điện áp hở mạch: Voc = 21.169V

Dòng điện ngắn mạch Isc = 8.37A

Điện áp cực đại Vmp = 18V

Dòng điện cực đại Imp = 7.78A

5 Open Cuircuit Voltge (Voc) 21.169V

6 Short – Circuit Current ( Isc ) 8.37A

www.7gio.com

2.4.2 Đặc tính tấm pin :

Hình 2.2: Sơ đồ tương đương đơn giản của pin mặt trời bao gồm nguồn dòng mắc

song song và một diode lý tưởng

Hình 2.3: Pin mặt trời khi ngắn mạch

Dòng ngắn mạch I SC là dòng điện trong mạch của pin mặt trời khi làm ngắn mạch ngoài (chập các cực ra của pin) Lúc đó hiệu điện thế mạch ngoài của pin bằng V

= 0

Hình2.4: Pin mặt trời khi hở mạch

www.7gio.com

Áp hở mạch V OC là hiệu điện thế được đo khi mạch ngoài của pin mặt trời hở

(R=∞) Khi đó dòng mạch ngoài I = 0

Ta xét một tấm pin mặt trời trong điều kiện chuẩn

Trong trường hợp hở mạch, áp ra của pin mặt trời là áp hở mạch V OC, nhưng

dòng I=0 nên công suất của pin P = 0

Trong trường hợp ngắn mạch, V = 0, I = I SC nên công suất của pin P = 0

Khi mắc tải vào pin thì giá trị dòng, áp khác 0 hay pin cấp nguồn cho tải với công suất là P

Hình 2.5: Pin mặt trời khi hở mạch, ngắn mạch và khi mắc với tải

2.5 Tính toán giá đỡ khung Pin, chân đế:

Để nâng cao hiệu suất cũng như đảm bảo an toàn khi lắp đặt Pin, nhóm đã thiết

kế giàn khung cơ khí đỡ Pin, đồng thời giàn khung có thể xoay theo một hướng với góc xoay 00

Thông số thiết kế giàn khung bao gồm:

Pin : 1x8kg

Xoay: 900

Núm xoay cố định khung Pin

Từ các thông số trên, nhóm tính toán ứng lực cho sàn khung và đế có thể chịu được khối lượng tấm pin, và khi xoay hệ thống vẫn hoạt động bình thường Các thông

số mà nhóm đã thiết kế và thi công giàn khung được cho trong bảng 2.2 và bảng 2.3

www.7gio.com