Nghiên cứu triển khai ứng dụng pin năng lượng mặt trời ở nước ta

Nghiên cứu triển khai ứng dụng pin năng lượng mặt trời ở nước ta

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ

//

TIỂU LUẬN HÓA HỌC 1

NGHIÊN CỨU TRIỂN KHAI ỨNG DỤNG PIN NĂNG

LƯỢNG MẶT TRỜI Ở NƯỚC TA

Nhóm sinh viên thực hiện:

1.Nguyễn Tiến Đạt MSSV : 092483012.Huỳnh Phát Đạt MSSV : 092425313.Đậu Khắc Đông MSSV : 092399014.Võ Đức Dự MSSV : 09262911

Lớp : ĐHĐT3TLT Khóa : 2010-2013 GVHD: Lê Trọng Thành

TP Hồ Chí Minh , ngày 10 tháng 2 năm 2010

1

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP T/P

// -NHIỆM VỤ TIỂU LUẬN

Họ và tên sinh viên: 1.Nguyễn Tiến Đạt MSSV : 09248301

2.Huỳnh Phát Đạt MSSV : 092425313.Đậu Khắc Đông MSSV : 092399014.Võ Đức Dự MSSV : 09262911

Chuyên ngành :Công nghệ Điện Tử

Ở Việt Nam , với sự hỗ trợ của nhà nước (các bộ, ngành) và một số tổchức quốc tế đã thực hiện thành công việc xây dựng các trạm pin mặt trời cócông suất khác nhau phục vụ nhu cầu sinh hoạt và văn hóa của các địaphương vùng sâu, vùng xa, các công trình nằm trong khu vực không có lướiđiện Tuy nhiên hiện nay pin mặt trời vẫn đang còn là món hàng xa xỉ đối vớicác nước nghèo như chúng ta Do đó, việc triển khai nghiên cứu ứng dụng pinmặt trời và hạ giá thành sản phẩm là một công việc hết sức cần thiết

3.Ngày giao đề tài : 12/1/2010

4.Ngày hoàn thành đề tài :12/2/2010

5.GV hướng dẫn : Lê Trọng Thành

2

TP.Hồ Chí Minh,ngày10 tháng2 năm 2010

Th.S Bùi Thư Cao

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN:

(Giáo viên ghi nhận xét của mình bằng tay,vào phần này)

(Quy định về thang điểm và lấy điểm tròn theo quy định của trường)

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2009

NGƯỜI HƯỚNG DẪN

3

(Ghi rõ họ, tên)

LỜI NÓI ĐẦU

Nhu cầu về năng lượng của con người trong thời đại khoa học kỹ thuậtphát triển ngày càng tăng Trong khi đó các nguồn nhiên liệu dự trữ như thanđá,dầu mỏ, khí thiên nhiên và ngay cả thủy điện đều có hạn, khiến cho nhânloại đứng trước nguy cơ bị thiếu hụt năng lượng Việc tìm kiếm và khai tháccác 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 hoạchphát triển năng lượng

Việc nghiên cứu sử dụng năng lượng mặt trời ngày càng được quantâm, nhất là trong tình trạng thiếu hụt năng lượng và vấn đề cấp bách về môitrường hiện nay Năng lượng mặt trời được xem như là ngồn năng lượng ưuviệt trong tương lai, đó là nguồn năng lượng sẵn có, siêu sạch và miễn phí Dovậy 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 nhiềunhất trong năm trên bản đồ bức xạ mặt trời của thế giới, với bờ biển trải daihơn 3.000km, lại có tới hàng nghìn đảo hiện có dân cư sinh sống, nhưngnhiều nơi không thể đưa điện lưới đến được Vì vậy,việc nghiên cứu triểnkhai áp dụng năng lượng thay thế trong đó có năng lượng mặt trời là rất cầnthiết

4

MỤC LỤC Trang

Phần 2 : Nội dung nghiên cứu và kết quả 7

Chương 1: Nguyên lý hoạt động và cấu tạo của pin mặt trời 7

1.2 : Hiệu suất của quá trình biến đổi quang điện 10

Chương 2 : Thiết kế hệ thống điện mặt trời 13

2.2 : Các thông số cần thiết để thiết kế hệ thống điện mặt trời 14

2.2.1 :Yêu cầu và các đặc trưng của phụ tải 14

2.3 : Các bước thiết kế hệ thống điện mặt trời 16

2.3.2 :Tính toán hệ nguồn điện pin mặt trời 17

2.4.1 :Bộ điều khiển nạp – phóng điện 21

5

PHẦN I TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.Giới thiệu chung về vấn đề và mục đích nghiên cứu :

Trong khi các nguồn năng lượng như than đá, dầu mỏ đang ngày càng cạn kiệt thì việc nghiên cứu triển khai các nguồn năng lượng sạch như năng lượng mặt trời,năng lượng gió…là việc cần thiết góp phần bảo vệ môi trường

và phục vụ nhu cầu sinh hoạt của các vùng dân cư nơi chưa có điện lưới kéo đến

2.Tóm tắt nội dung nghiên cứu :

Nội dung nghiên cứu được chia thành 3 chương :

Chương 1: Nguyên lý hoạt động và cấu tạo của pin mặt trời

1.1 : Hiệu ứng quang điện

1.2 : Hiệu suất của quá trình biến đổi quang điện

1.3 : Cấu tạo pin mặt trời

Chương 2 : Thiết kế hệ thống điện mặt trời

2.1 : Hệ thống điện mặt trời

2.2 : Các thông số cần thiết để thiết kế hệ thống điện mặt trời

2.2.1 :Yêu cầu và các đặc trưng của phụ tải2.2.2 :Vị trí lắp đặt hệ thống

2.3 : Các bước thiết kế hệ thống điện mặt trời

2.3.1 :Lựa chọn sơ đồ khối2.3.2 :Tính toán hệ nguồn điện pin mặt trời2.4 : Các bộ điều phối năng lượng

2.4.1 :Bộ điều khiển nạp – phóng điện2.4.2 :Biến đổi điện DC – AC

2.4.3 :Hộp nối và dây nối điện

Chương 3 : Ứng dụng pin mặt trời

6

PHẦN II NỘI DUNG NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢCHƯƠNG I :NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ CẤU TẠO

CỦA PIN MẶT TRỜI

Pin mặt trời làm việc theo nguyên lý là biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ biến đổi quang điện

1.1 : Hiệu ứng quang điện:

Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên vào năm 1839 bởi nhà vật

lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel Tuy nhiên cho đến năm 1883 một pinnăng lượng mới được tạo thành, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫnselen một lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối Thiết bị chỉ có hiệu suất1%, Russell Ohl xem là người tạo ra pin năng lượng mặt trời đầu tiên năm

1946 Sau đó Sven Ason Berglund đã có các phương pháp liên quan tới việctăng khả năng cảm nhận ánh sáng của pin

Xét một hệ 2 mức năng lượng điện

tử (hình 1) E1 < E2, bình thường

điện tử chiếm mức năng lượng thấp

hơn E1 Khi nhận bức xạ mặt trời,

lượng tử ánh sáng photon có năng

lượng hv (trong đó h là hằng số

Planck,v là tần số ánh sáng) bị điện

tử hấp thụ và chuyển lên mức năng

lượng E2 Ta có phương trình cânbằng năng lượng:

trị, mà mặt trên của nó là mức năng lượng Ev Vùng năng lượng phía trên

tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn, mặt dướicủa vùng có năng lượng là Ec Cách ly giữa hai vùng hóa trị và vùng

dẫn là một vùng cấp có độ rộng

với năng lượng là Eg, trong đó

không có mức năng lượng cho phép

nào của điện tử

Khi nhận bức xạ mặt trời,

photon có năng lượng hv tới hệ

thống và bị điện tử ở vùng có hóa

Hình 2: Các vùng năng lượng

trị thấp hấp thu và trở thành điện tử tự do e-, để lại ở vùng hóa trị một lỗ trống

có thể xem như hạt mang điện dương, kí kiệu là h+ Lỗ trống này có thể dichuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện

Hiệu ứng lượng tử của quá trình hấp thụ photon có thể mô tả bằngphương trình:

Ev +hv  e- + h+ (1.2)Điều kiện để điện tử có thể hấp thu năng lượng của photon và chuyển

từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử - lổ trống là hv = hc/ >= Ec –

Ev Từ đó có thể tính được bước sóng tới hạn c của ánh sáng để có thể tạo racặp e- và h+:

 m

E E

h E E

h

g g

c v c

giải phóng năng lượng để chuyển đến mặt của vùng dẫn Ec, còn lỗ trống h+

chuyển đến mặt của Ev, quá trình phục hồi chỉ xảy ra trong khoảng thời gianrất ngắn 10-12 - 10-1giây và gây ra dao động mạnh ( photon) Năng lượng bịtổn hao do quá trình phục hồi sẽ là Eph = hv – Eg

8

Tóm lại khi vật rắn nhận tia bức xạ mặt trời, điện tử ở vùng hóa trị hấpthụ năng lượng photon hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặ hạt dẫn điện tử -

lỗ trống e- - h+, tức là đã tạo ra một điện thế Hiện tượng đó gọi là hiệu ứng quang điện bên trong.

Hình 3: Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

1.2: Hiệu suất của quá trình biến đổi quang điện:

Ta có thể xác định hiệu suất giới hạn về mặt lý thuyết  của quá trìnhbiến đổi quang điện của hệ thống 2 mức sau:

9

0 0

d J E

c g

c

g 

0

0 là năng lượnghữu ích mà điện tử hấp thụ của

photon trong quá trình quang điện,

của các photon tới hệ

Như vậy hiệu suất  là một

hàm của E g ( hình 4) Hình 4: Quan hệ E g

Bằng tính toán lý thuyết đối với chất bán dẫn Silicon thì hiệu suất   0.44

1.3: Cấu tạo pin mặt trời

Hiện nay nguyên liệu chủ yếu cho pin mặt trời là các silic tinh thể Pin mặt trời từ các tinh thể silic chia thành 3 loại:

* Đơn tinh thể module sản

xuất dựa trên quá trình Crochralski

Đơn tinh thể loại này có hiệu suất

lên tới 16% Chúng thường rất đắt

tiền do được cắt từ các thỏi hình

10

* Dãy silic tạo từ các tấm phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc

đa tinh thể Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên nó rẻ nhất trongcác loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon

Một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượngbức xạ năng lượng mặt trời nhờ hiệu ứng quang điện bên trong gọi là pin mặttrời Pin mặt trời được sản xuất và ứng dụng phổ biến hiện nay là các pin mặttrời được chế tao từ vật liệu tinh thể bán dẫn Silicon (Si) có hóa trị 4 Tinh thể

Si tinh khiết, để có vật liệu tinh thể bán dẫn Si loại n, người ta pha tạp chất donor là photpho có hóa trị 5 Còn vật liệu tinh thể bán dẫn loại p thì tạp chất

acceptor được dùng để pha vào Si là Bo có hóa trị 3 Đối với Pin mặt trời từitinh thể Si, khi bức xạ mặt trời chiếu đến thì hiệu điện thế hở mạch giữa 2 cựckhoảng 0.55V và dòng ngắn mạch của nó khi bức xạ mặt trời có cường độ1000W/m2 vào khoảng 25-30mA/cm2

11

Hiện nay người ta đã chế tạo Pin mặt trời bằng Si vô định hình (a-Si).

So với Pin mặt trời tinh thể Si thì Pin mặt trời a-Si giá thành rẻ hơn nhưnghiệu suất thấp hơn và kém ổn định

Công nghệ chế tạo Pin mặt trời gồm nhiều công đoạn khác nhau, ví dụ

để chế tạo Pin mặt trời từ Si đa tinh thể cần qua các công đoạn như hình 6cuối cùng ta được module

Hình 6: Quá trình tạo Module

Hình 7: Cấu tạo Module

CHƯƠNG II : THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI

2.1: Hệ thống điện mặt trời

Hệ thống điện mặt trời là một hệ thống bao gồm các thành phần như : các tấm Pin mặt trời ( máy phát điện), các thiết bị lưu trữ năng lượng, các thiết bị điều phối năng lượng, các tải tiêu thụ,…

Thiết kế hệ thống điện mặt

trời là xây dựng mối quan hệ tương

thích giữa các thành phần của hệ về

mặt định tín và định lượng để đảm

bảo sự truyền tải năng lượng hiệu

quả cao từ Pin mặt trời đến các tải

tiêu thụ

Không như các hệ năng

lượng khác, “ nhiên liệu” của máy

phát điện là bức xạ mặt trời, nó

luôn thay đổ phức tạp theo thời

gian, địa điểm và phụ thuộc vào

Hình 8: Hệ thống Pin mặt trời

điều kiện khí hậu, thời tiết….nên với cùng một tải điện yêu cầu có thế có một

số thiết kế khác nhau tùy theo các thông số riêng của hệ Vì vậy không nên ápđặt các thiết kế mẫu dùng chung cho tất cả các hệ thống điện mặt trời

Thiết kế một hệ thống điện mặt trời bao gồm nhiều công đoạn, từ việc

vẽ sơ đồ khối đến các tín toán dung lượng dàn pin, các bộ Acquy, các thiết bịđiện tử điều phối như các bộ điều khiển, bộ đổi điện….đến việc tính toán lắpđặt các hệ giá đỡ Pin mặt trời, hệ định hướng dàn Pin mặt trời theo hướng mặttrời, nhà xưởng đặt thiết bị…

Trong hai thành phần được quan tâm là dàn Pin mặt trời và bộ Acquy làhai thành phần chính của hệ thống và chiếm tỉ trọng lớn nhất trong chi phí cho

hệ thống Pin mặt trời Cùng một phụ tải tiêu thụ, có nhiều phương án lựachọn hệ thống Pin mặt trời, trong đó dàn Pin mặt trời và bộ Acquy có quan hệtương hỗ sau:

- Tăng dung lượng Acquy thì giảm dung lượng dàn Pin mặt trời

- Tăng dung lượng dàn pin mặt trời thì giảm dung lượng Acquy

Tuy nhiên nế lựa chọn dung lượng dàn Pin mặt trời quá nhỏ thì Acquy sẽ

bị phóng kiệt hoặc luôn luôn bị “đói” dễ hư hỏng Ngược lại nếu dung lượngPin mặt trời quá lớn sẽ gây lãng phí Do vậy phải lựa chọn sao cho thích hợp

để hệ thống hoạt động có hiệu quả cao nhất

Trong thực tế có những hệ thống Pin mặt trời nằm trong các tổ hợp hệthống năng lượng gồm hệ thống Pin mặt trời, máy phát điện chạy nằng gió,diezen….Trong hệ thống đó điện năng từ hệ thống Pin mặt trời hòa vào lướiđiện chung của tổ hợp hệ thống

2.2: Các thông số cần thiết để thiết kế hệ thống điện mặt trời

Để thiết kế, tính toán một hệ thống Pin mặt trờicần các thông số sau:-Các yêu cầu và đặc trưng của phụ tải

-Vị trí lắp đặt của hệ thống

Yêu cầu và đặc trưng của phụ tải:

Đối với các phụ tải cần quan tâm đến các thông số sau:

- Gồm bao nhiêu thiết bị, các đặc trưng điện của mỗi thiết bị như côngsuất tiêu thụ, hiệu điện thế và tần số làm việc, hiệu suất của các thiết bịđiện,…

- Thời gian làm việc của các thiết bị bao gồm thời gian biểu và quãngthời gian trong ngày, trong tuần, trong tháng…

- Thứ tự ưu tiên của các thiết bị, thiết bị nào phải hoạt động liên tục vàcần độ ổn định cao, thiết bị nào có thể ngừng tạm thời

Các thông số trên trước hết cần thiết cho việc thiết kế sơ đồ khối Ví dụnếu phụ tải làm việc ban đêm thì hệ thống cần có thành phần tích trữ nănglượng, tải làm việc với hiệu điện thế xoay chiều với tần số cao thì cần dùng bộđổi điện Ngoài ra các thông số này còn là cơ sở để tính toán định lượng dunglượng của hệ thống.

Vị trí lắp đặt hệ thống

Yêu cầu này xuất phát từ việc thu nhập các số liệu về bức xạ mặt trời vàcác số liệu về thời tiết khí hậu khác Bức xạ mặt trời phụ thuộc vào từng địađiểm trên mặt đất và các điều kiện tự nhiên của từng địa điểm đó Các số liệu

về bức xạ mặt trời và khí hậu, thời tiết được các trạm khí tượng ghi lại và xử

lý trong các khoảng thời gian rất dài, hàng chục, có khi là hàng trăm năm Vìcác thông số này biết đổi rất phức tạp, nên với mục đích thiết kế đúng hệthống Pin mặt trời cần phải lấy các số liệu ở các trạm khí tượng đã hoạt độngtrên mười năm Khi thiết kế hệ thống Pin mặt trời , rõ ràng để cho hệ thốngcung cấp đủ năng lượng cho tải trong suốt cả năm ta phải chọn giá trị cường

độ bức xạ của tháng thấp nhất trong năm làm cơ sở Tất nhiên khi đó ở cáctháng mùa hè năng lượng của hệ sẽ dư thừa và có thể gây lãng phí lớn nếukhông dùng thêm các tải phụ Ta không thể dùng các bộ tích trữ năng lượngnhư Acquy để tích trữ điện năng trong các mùa hè để dùng trong các thángmùa đông vì không kinh tế Để giải quyết vấn đề trên người ta dùng thêmnguồn dự phòng ( máy phát diezen…) cấp điện thêm cho những tháng cócường độ bức xạ mặt trời thấp hoặc sử dụng công nghệ nguồn tổ hợp (hybribsystem technology) Trong trường hợp này có thể có thể chọn cường độ bức

xạ trung bình trong năm để tính toán và do đó giảm được dung lượng dàn Pinmặt trời

Ngoài ra còn một thông số khác liên quan đến bức xạ mặt trời là số ngàykhông có nắng trung bình trong năm Nếu không tính đến thông số này vàomùa mưa có thể có một số ngày không có nắng Acquy sẽ bị kiệt và tải phải

ngừng hoạt động Muốn tải làm việc liên tực trong các ngày không có nắngcần phải tăng thêm dung lượng Acquy dự trữ điện năng.

Vị trí lắp đặt hệ thống Pin mặt trời còn để xác định góc nghiêng của dànPin mặt trời sao cho khi đặt cố định hệ thống có thể nhận đượng tổng cường

độ bức xạ lớn nhất

Nếu gọi  là góc nghiêng của

dàn Pin mặt trời so với mặt phẳng

ngang (hình 1.9) thì thông thường

Ở các vị trí lắp đặt khác nhau, nhiệt độ môi trường cũng khác nhau nênnhiệt độ làm việc của Pin mặt trời cũng khác nhau Thông thường nhiệt độlàm việc của Pin mặt trời cao hơn nhiệt độ làm việc của nôi trường ( 23 

300C) và tùy thuộc vào tốc độ gió Vì khi nhiệt độ tăng hiệu suất của Pin mặttrời M giảm và có thể biểu diễn bằng quan hệ sau :

M(T) = M(Tc).{1+Pc.(T-Tc)}

Trong đó:

M(T) là hiệu suất của module ở nhiệt độ T

M(Tc) là hiệu suất của module ở nhiệt độ chuẩn Tc = 250C

Pc là hệ số nhiệt của module Trong tính toán thực tế thường lấy hệ sốgần đúng Pc = -0.005/0C

2.3: Các bước thiết kế hệ thống điện mặt trời

2.3.1:Lựa chọn sơ đồ khối

Từ sự phân tích các yêu cầu và đặc trưng của tải, ta sẽ chọn sơ đồ khối thích hợp Hình 10 là sơ đồ khối thường dùng đối với các hệ thống Pin mặt trời

Hình 10: Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời

Các khối đưa vào trong hệ thống đều gây tổn hao năng lượng, vì vậycần lựa chọn sơ đồ khối sao cho số khối hay thành phần trong hệ là ít nhất Ví

dụ nếu phụ tải là các thiết bị sử dụng nguồn 12VDC ( đèn 12VDC, Radio, TVđen trắng…) thì không nên dùng bộ đổi điện

2.3.2: Tính toán hệ nguồn điện Pin mặt trời

Có nhiều phương pháp tính toán, thiết kế hệ nguồn điện Pin mặt trời Ởđây chỉ nêu một phương pháp thông dụng nhất, chủ yếu dựa trên sự cân bằngđiện năng trung bình hằng ngày Theo phương pháp này các tính toán hệnguồn có thể được tiến hành qua các bước sau:

1-Tính phụ tải điện yêu cầu:

Phụ tải điện có thể tính theo hàng ngày và sau đó có thể tính theo thánghoặc năm

Giả sử hệ cần cấp điện cho các phụ tải T1, T2, T3 Có các công suấttiêu thụ tương ứng P1 P2 P3 và thời gian làm việc hằng ngày là  1, 2, 3…

Tổng điện năng phải cấp hằng ngày cho các tải bằng tổng tất cả cácđiện năng của tải :

i n i i

3 2 2 1