Hệ thống nguồn điện pin mặt trời

Nhưng với sự phát triển nhanh chóng của các ngành khoa học công nghệ và khoa học vật liệu như hiện nay cho phép tạo ra những vật liệu mới có những tính năng nổi trội để có thể thay thế n

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

KHOA VẬT LÝ

NGUYỄN TUẤN ANH

HỆ THỐNG NGUỒN ĐIỆN PIN MẶT TRỜI

KHO LU Á ẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

VINH - 2010

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này, ngoài sự nỗ lực của bản thân tôi còn nhận được rất nhiều sự quan tâm giúp đỡ của các tập thể, cá nhân.

Đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo, cán bộ trường Đại học Vinh, khoa Vật Lý đã giảng dạy giúp tôi hoàn thành tốt khóa học và cho tôi những lời khuyên bổ ích.

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo T.S Nguyễn Hồng Quảng, người đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn tôi trong suốt thời gian qua Cuối cùng, tôi xin cảm ơn sự quan tâm giúp đỡ của gia đình, bạn bè

và người thân đã ủng hộ động viên và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này.

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Vinh, tháng 5 năm 2010

Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Tuấn Anh

MỤC LỤC

Danh mục các bảng biểu và hình vẽ 3

Mở đầu 5

Chương I Cơ sở vật lý của pin mặt trời 7

1.1 Hiệu ứng quang điện trong chất bán dẫn 7

1.2 Chuyển tiếp p – n 10

1.3 Pin mặt trời 13

1.3.1 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 14

1.3.2 Các đặc trưng điện của pin mặt trời 15

1.3.2.1 Sơ đồ tương đương 15

1.3.2.2 Dòng đoản mạch 16

1.3.2.3 Thế hở mạch VOC 17

1.3.2.4 Điểm làm việc với công suất cực đại 19

1.3.2.5 Các tham số ảnh hưởng đến chế độ làm việc và hiệu suất của pin mặt trời 21

1.3.2.6 Hiệu suất biến đổi quang - điện của pin mặt trời 22

Chương II Hệ thống nguồn điện pin mặt trời 25

2.1 Quy trình chế tạo các modun pin mặt trời 25

2.1.1 Sơ lọc cát thạch anh để có silicon có độ sạch kỷ thuật 26

2.1.2 Làm sạch tiếp để có silicon có độ sạch bán dẫn và tạo đơn tinh thể Si 26

2.1.3 Tạo tiếp xúc pn 27

2.1.4 Phủ lớp chống phản xạ ánh sáng 29

2.1.5 Đóng gói các pin mặt trời thành modun 29

2.2 Ghép nối các modun thành panel 31

2.2.1 Hệ thống nguồn điện pin mặt trời tổng quát 32

2.2.2 Dàn pin mặt trời 34

2.2.2.1 Ghép nối tiếp các modun pin mặt trời giống nhau 34

2.2.2.2 Ghép nối tiếp các modun không giống nhau 36

2.2.2.3 Ghép song song các modun pin mặt trời giống nhau 38

2.2.2.4 Ghép song song các modun không giống nhau 39

2.2.2.5 Các thông số kỹ thuật của modun pin mặt trời 41

2.2.2.6 Lắp đặt dàn pin mặt trời 42

2.2.2.7 Các bộ điều phối năng lượng 44

2.2.3 Tích trữ năng lượng trong hệ thống nguồn điện pin mặt trời 47

2.2.3.1 Acquy chì – axit 48

2.2.3.2 Các đặc trưng của acquy axit – chì 48

2.2.3.3 Các loại acquy khác 50

Kết luận 52

Tài liệu tham khảo 54

Danh mục các bảng biểu: Bảng 1.1 Các giá trị Eg, a và b của Si và GaAs 23

Danh mục các hình vẽ: Hình 1.1 Hiệu ứng quang điện 7

Hình 1.2 Các quá trình lượng tử trong hệ hai mức 8

Hình 1.3 Sự phụ thuộc của η vào Eg 10

Hình 1.4 Bán dẫn n và p trước khi tiếp xúc 11

Hình 1.5 Sự tạo thành lớp tiếp xúc tiếp bán dẫn pn 11

Hình 1.6 Mạng lưới pin mặt trời 13

Hình 1.7 Cấu trúc của pin mặt trời Si và cơ chế tạo ra dòng điện 14

Hình 1.8 Sơ đồ tương đương của pin mặt trời 15

Hình 1.9 Sự phụ thuộc của đặc trưng VA của pin mặt trời vào cường độ bức xạ mặt trời 18

Hình 1.10 Sự phụ thuộc của đặc trưng sáng VA của pin mặt trời vào nhiệt độ của pin 19

Hình 1.11 Điểm làm việc và điểm làm việc công suất cực đại 20

Hình 1.12 Các thành phần của điện trở nội Rs của pin mặt trời 22

Hình 1.13 Sự phụ thuộc của hiệu suất vào nhiệt độ 23

Hình 2.1 Hệ thống pin mặt trời 25

Hình 2.2 Hình ảnh một modun pin mặt trời từ Si 26

Hình 2.3 Phương pháp tạo bán dẫn tạp chất p-Si 27

Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc một pin mặt trời Si điển hình 29

Hình 2.5 Các lớp vật liệu trong một modun khi ép (a) và modun pin mặt trời hoàn thiện (b) 30

Hình 2.6 Hình ảnh panel pin mặt trời hoàn thiện 31

Hình 2.7 Hình ảnh một hệ thống nguồn điện pin mặt trời thu nhỏ 32

Hình 2.8 Sơ đồ khối hệ nguồn điện pin mặt trời 33

Hình 2.9a Hệ pin mặt trời gồm hai modun giống nhau mắc nối tiếp 35

Hình 2.9b Đường đặc trưng VA của các modun và của hệ pin mặt trời 35

Hình 2.10 Các đường đặc trưng VA của các modun không giống nhau và của hệ hai modun 36

Hình 2.11 Ghép song song hai modun PMT giống nhau (a) và đường

đặc trưng VA của các modun và của hệ (b) 38

Hình 2.12 Các đường đặc trưng của hệ song song hai modun pin mặt trời không giống nhau 39

Hình 2.13 Các diot ngăn cách các modun để bảo vệ 41

Hình 2.14 Định hướng dàn pin mặt trời 43

Hình 2.15 Hình ảnh dàn pin mặt trời đã được lắp đặt hoàn thiện 44

Hình 2.16 Hình ảnh hệ nguồn điện pin mặt trời tổng quát 44

Hình 2.17 Hình ảnh acquy dùng trong hệ nguồn pin mặt trời 47

Hình 2.18 Sự phụ thuộc của dung lượng ampe – giờ của acquy vào chế độ phóng điện 49

MỞ ĐẦU

Trong thời đại khoa học kỉ 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 thuỷ 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 gió, năng lượng địa nhiệt, năng lượng mặt trời…là một trong những hướng quan trọng trong kế hoạch phát triển năng lượng, không những đối với các nước phát triển mà cả đối với các nước đang phát triển

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng mà con người đã biết sử dụng

từ rất sớm Nó là nguồn năng lượng sạch và tiềm tàng nhất – thực sự đang được loài người quan tâm khai thác

Việt Nam là nước có tiềm năng năng lượng mặt trời, với vị trí nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời cao, do đó việc sử dụng năng lượng mặt trời ở nước ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế cao năng lượng Từ đó có thể thấy 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 Thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời hiện nay chủ yếu là hệ thống cung cấp điện dùng pin mặt trời hay pin quang điện

Vấn đề sử dụng năng lượng mặt trời đã được các nhà khoa học trên thế giới và trong nước quan tâm Mặc dù tiềm năng của năng lượng mặt trời rất lớn, nhưng tỷ trọng năng lượng được sản xuất từ năng lượng mặt trời trong tổng năng lượng tiêu thụ của thế giới vẫn còn khiêm tốn Nguyên nhân chính chưa thể phổ biến các thiết bị và còn tồn tại một số hạn chế lớn chưa được giải quyết như: giá thành thiết bị còn cao, hiệu suất thiết bị còn thấp, việc triển khai ứng dụng thực tế còn nhiều hạn chế Nhưng với sự phát triển nhanh chóng của các ngành khoa học công nghệ và khoa học vật liệu như hiện nay cho phép tạo ra những vật liệu mới có những tính năng nổi trội để có thể thay thế những vật liệu đắt tiền, và đặc biệt là nâng cao hiệu suất của pin mặt trời khi đó vấn đề giá thành của sản phẩm tạo ra sẽ được giải quyết Một vấn đề

cũng không kém phần quan trọng là việc sử dụng hệ thống nguồn điện pin mặt trời nào cho hợp lý và có thể đưa lại hiệu quả sử dụng cao nhất Do đó việc tìm hiểu về pin mặt trời, công nghệ chế tạo, ghép nối các modun thành các panel, cách dự trữ năng lượng của nó là nhu cầu quan trọng của chúng ta

trong giai đoạn hiện nay và cho mai sau Đó là lý do chính tôi chọn đề tài "Hệ

thống nguồn điện pin mặt trời" cho khoá luận tốt nghiệp của mình.

Ngoài mở đầu, kết luận, khoá luận được chia thành hai chương chính như sau:

Chương I Cở sở vật lý của pin mặt trời

Chương này trình bày tóm tắt về lý thuyết của quá trình chuyển hoá năng lượng mặt trời thành dòng điện và các thông số cơ bản ảnh hưởng đến hiệu suất của nó

Chương II Hệ thống nguồn điện pin mặt trời

Đây là nội dung chính của khoá luận, sẽ được trình bày tóm tắt quy trình công nghệ chế tạo pin mặt trời bằng vật liệu Silic (Si), cách ghép nối các modun và dự trữ năng lượng của pin mặt trời

Chương I

CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA PIN MẶT TRỜI

Trong chương này chủ yếu trình bày các hiện tượng vật lý được vận dụng trong pin mặt trời Pin mặt trời là thiết bị dùng để biến đổi ánh sáng

thành năng lượng điện nhờ hiệu ứng quang điện trong Khi ánh sáng chiếu tới

bề mặt vật liệu thì một phần sẽ bị phản xạ trở lại môi trường, một phần bị vật liệu hấp thụ và phần còn lại truyền qua vật dẫn Tuy nhiên chúng ta quan tâm đến phần ánh sáng bị hấp thụ bởi vật liệu để tạo thành cặp điện tử - lỗ trống nhờ hiệu ứng quang điện trong Chương này sẽ trình bày chi tiết về các hiện tượng đó

1.1 Hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng quang điện là hiện tượng xuất hiện dòng điện trong vật rắn khi

có ánh sáng chiếu trên bề mặt vật rắn đó

Xét một hệ hai mức năng lượng điện tử E1 và E2 trong đó E1 < E2 (E1 là

mức cơ bản, E2 là mức khi điện tử bị kích thích) (hình 1.1)

Khi chiếu sáng hệ thống, lượng tử ánh sáng – photon – có năng lượng hv (h là hằng số Planck, v là tần số ánh sáng), lúc đó điện tử chiếm mức năng lượng thấp E 1 sẽ hấp thụ và chuyển lên mức năng lượng E 2 Phương trình năng lượng có dạng:

hv = E 2 – E1 (1.1)

Trong các vật bán dẫn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện

tử vành ngoài nên các mức năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng con rất sát nhau và tạo thành vùng năng lượng Vùng năng lượng thấp

bị các điện tử chiếm đầy khi ở trạng thái cân bằng gọi là vùng hoá trị mà bờ

trên của nó có năng lượng Eν Vùng năng lượng phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn, bờ dưới của vùng năng

Hình 1.1 Hiệu ứng quang điện

lượng là E c Cách ly giữa hai vùng hoá trị và vùng dẫn là một vùng cấm có độ

rộng năng lượng là E g, trong đó không có mức năng lượng cho phép của điện

tử (hình 1.2)

Khi chiếu sáng vật bán dẫn có cấu trúc năng lượng nói trên, photon có năng

lượng hv tới hệ thống và bị điện tử ở vùng hoá trị hấp thụ và nó có thể chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự do e - và để lại ở vùng hoá trị một lỗ trống

có thể coi như hạt mang điện tích dương nguyên tố và được kí hiệu h +, lỗ trống này có thể di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện

Hiệu ứng lượng tử của quá trình hấp thụ photon có thể mô tả bằng phương trình sau:

ev + hv → e - + h + (1.2)Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lượng của photon và chuyển từ vùng hoá trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử - lỗ trống là:

m E E

hc

g g

Quá trình hồi phục chỉ xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn 10-12 ÷10-1

giây và gây ra dao động mạng (pho-non) [1] Năng lượng bị tổn hao do quá

trình hồi phục sẽ là (hv - Eg)

Như vậy, khi chiếu sáng vật rắn, điện tử ở vùng hoá trị hấp thụ năng

lượng photon hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp 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

Từ các trình bày ở trên ta có thể xác định được giới hạn lý thuyết của hiệu suất η biến đổi năng lượng quang điện của hệ thống hai mức: [1]

) (

λ λ λ

λ λ

λ

d

hc J

d J

E g c

(1.5)

Trong đó J0(λ) là mật độ photon có bước sóng λ; J0(λ)dλ là tổng số photon tới có bước sóng trong khoảng λ ÷ λ + dλ; hc/λ là năng lượng của photon Tử số của (1.5) là năng lượng hữu ích mà điện tử hấp thụ của photon trong quá trình quang điện, còn mẫu số là tổng năng lượng của photon tới hệ Như vậy, η là một hàm số của E g (vì λc cũng là hàm số của E g) như được trình bày trong hình 1.3

Hình 1.3 Sự phụ thuộc của η vào E g – [1]

Như thấy trên hình, η có một cực đại ηmax ≈ 0,44 xung quanh giá trị

Eg = 1,5 eV Kết quả này có tính tổng quát và áp dụng cho các hệ 2 mức năng lượng bất kỳ

Năng lượng tổn hao trong một quá trình biến đổi quang điện chủ yếu do

2 nguyên nhân sau:

- Các photon có năng lượng hv < E g hay λ < λ c không bị điện tử hấp thụ

để tạo cặp e- - h +, mà truyền qua vật rắn

- Do quá trình phục hồi, điện tử và lỗ trống giải phóng năng lượng

∆E = hv – Eg cho mạng tinh thể vật rắn để tới đáy các vùng năng lượng

một điện trường E nào đó, ví dụ như sử dụng điện trường định xứ trên lớp tiếp

xúc p – n giữa hai loại bán dẫn

Hình 1.4 là các sơ đồ các vùng năng lượng của hai loại bán dẫn n và p Trong bán dẫn loại n, mật độ hạt dẫn điện tử nn rất lớn hơn mật độ lỗ trống pn

(nn >>pn) Vì vậy người ta thường gọi điện tử là hạt dẫn cơ bản, còn lỗ trống

là hạt dẫn không cơ bản Một cách gần đúng thì mật độ điện tử nn gần bằng mật độ tạp chất nguyên tử Donor ND được pha vào bán dẫn tinh khiết Còn trong bán dẫn loại p, lỗ trống lại là hạt dẫn cơ bản Mật độ lỗ trống pp, lại rất lớn hơn mật độ electron np , pp >> np , độ dẫn chủ yếu do lỗ trống có mật độ

pp , nó gần bằng mật độ nguyên tử tạp chất Acceptor NA được pha vào bán

Hình 1.4 Bán dẫn n và p trước khi tiếp

xúc (electron kí hiệu bằng chấm đen, lỗ

trống-vòng tròn nhỏ).

Khi cho các bán dẫn n và p tiếp xúc với nhau, tạo ra một lớp tiếp xúc

điện tử p – n, thì do chênh lệch về mật độ hạt dẫn, các điện tử sẽ khuếch tán

từ bán dẫn n sang bán dẫn p, còn lỗ trống thì khuếch tán ngược lại Sự khuếch

tán này làm cho phía bán dẫn n sát lớp tiếp xúc hình thành một điện trường

tiếp xúc hướng từ bán dẫn n sang bán dẫn p ngăn cản các quá trính khuếch tán

của điện tử và lỗ trống Sự hình thành điện trường tiếp xúc dẫn đến sự tạo ra một hàng rào thế năng như hình 1.5 ngăn cản sự khuếch tán của các hạt tải điện cơ bản qua lớp tiếp xúc Khi đạt trạng thái cân bằng, điện trường và hiệu điện thế tiếp xúc sẽ đạt giá trị ổn định phụ thuộc vào bản chất vật liệu và nhiệt

độ của miền tiếp xúc và có thể biểu diễn bằng công thức sau: [1]

Utx = ln 2

i

p n

n

p n q

kT

= ln 2

i

a d

n

N N q

n

n n

q là điện tích của điện tử

Ở trạng thái cân bằng, độ cao hàng rào thế VD = qUtx có giá trị gần bằng độ

rộng vùng cấm E g của vật liệu và điện trường tiếp xúc có giá trị khoảng

ETX ~ 104 ÷ 105 V/cm Độ dày của lớp tiếp xúc W được xác định theo công thức:

W = Wn + Wp =

d a

tx d a

N N q

U N N

2

(1.9)trong đó Wn, Wp là các độ dày miếng tiếp xúc ở phía bán dẫn n và p, ε 0 và ε

là hằng số điện và hằng số điện môi của bán dẫn Giá trị điển hình của W vào khoảng 0,1 ÷ 1µm

Ở vùng tiếp xúc, các hạt dẫn điện tự do đã bị làm nghèo do quá trình tái hợp và quá trình khuếch tán của các hạt dẫn Vì vậy điện trở của miền tiếp xúc khá lớn.

1.3 Pin mặt trời

Pin mặt trời là thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các diode n-p khi có ánh sáng mặt trời chiếu tới thì có khả năng tạo ra dòng điện nhờ hiệu ứng quang điện trong

Về mặt cấu tạo pin mặt trời gồm: lớp kính thuỷ tinh trên cùng, lớp keo dính trong suốt cho ánh sáng truyền qua, tấm chống phản xạ, lớp pin đã được hàn ghép điện, lớp keo dính và tấm đế dưới cùng

Trong công nghệ pin mặt trời, năng lượng mặt trời được biến đổi trực tiếp thành điện năng nhờ các tế bào quang điện được chế tạo từ các vật liệu bán dẫn Các pin mặt trời sản xuất ra điện năng một cách liên tục chừng nào còn có bức xạ mặt trời tới nó

Hình 1.6 Mạng lưới pin mặt trời - [7]

Sau đây chúng ta sẽ nghiên cứu nguyên lý hoạt động và các đặc trưng cơ bản của pin mặt trời

1.3.1 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

Ta xét pin mặt trời được chế tạo từ vật liệu tinh thể bán dẫn Silic (Si)

Nó bao gồm các thành phần: lớp chống phản xạ, lưới điện cực trên, tiếp xúc bán dẫn np-Si, lớp điện cực dưới

Hình 1.7 Cấu trúc của pin mặt trời Si và cơ chế tạo ra dòng điện.

Chấm đen là điện tử e - ; chấm trắng là lỗ trống h + - [4]

Khi một photon chạm vào vật liệu tinh thể bán dẫn Si, sẽ có thể có nhiều hiệu ứng xảy ra như: tán xạ, truyền qua, hấp thụ…Đối với quá trình hoạt động của pin mặt trời ta chỉ quan tâm tới quá trình hấp thụ photon của tinh thể bán dẫn Si

Chiếu sáng lớp tiếp xúc p-n Dưới tác dụng của ánh sáng các cặp điện tử lỗ trống dược tạo thành và do tác dụng của điện trường tiếp xúc nên các cặp e- / h+ bị tách ra sau đó bị gia tốc về các phía đối diện và tạo ra một suất điện động quang điện Nếu nối các đầu bán dẫn loại n và p bằng một dây dẫn thì trong dây có một dòng điện gọi là dòng quang điện và có thể cho ở ngoài một công suất hữu ích Đó chính là nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

1.3.2 Các đặc trưng điện của pin mặt trời

1.3.2.1 Sơ đồ tương đương

Như vậy, có thể thấy rằng, khi được chiếu sáng, nếu ta nối các bán dẫn p

và n của một tiếp xúc p – n bằng một dây dẫn, thì pin mặt trời phát ra một

dòng quang điện gọi là Iph Vì vậy trước hết pin mặt trời có thể xem tương

đương như một nguồn dòng.

Lớp tiếp xúc bán dẫn p – n có tính chỉnh lưu tương đương như một diot

Tuy nhiên, khi phân cực ngược, do điện trở lớp tiếp xúc có giới hạn, nên có một dòng điện được gọi là dòng dò qua nó Đặc trưng cho dòng dò qua lớp

tiếp xúc p – n người ta đưa vào đại lượng điện trở sơn R sh (shun)

Hình 1.8 Sơ đồ tương đương của pin mặt trời - [1]

Khi dòng điện chạy qua mạch, nó phải đi qua các lớp bán dẫn p và n, các điện cực, các tiếp xúc,… Đặc trưng cho tổng các điện trở của các lớp đó là

một điện trở Rs nối tiếp trong mạch (có thể coi là điện trở trong của pin mặt

V +

(1.10)Trong đó:

Iph – dòng quang điện (A/m2);

ID – dòng qua diot (A/m2);

Is – dòng bão hoà (A/m2);

n – được gọi là thừa số lý tưởng phụ thuộc vào các mức độ hoàn thiện công nghệ chế tạo pin mặt trời Gần đúng có thể lấy bằng 1

Rs – điện trở nối tiếp (điện trở trong) của pin mặt trời (Ω/m2);

Rsh – điện trở sơn (điện trở dò) (Ω/m2);

q – điện tích của điện tử (C)

Thông thường điện trở sơn Rsh rất lớn vì vậy có thể bỏ qua số hạng cuối cùng trong biểu thức (1.10) Đường đặc trưng sáng von – ampe của pin mặt trời cho bởi đường cong trong hình 1.8b Có ba điểm quan trọng trên đường đặc trưng này:

R

I R

λ

λ λ

0 0( ) có thể suy ra :

Isc = Iph = α E.

Trong đó E là cường độ sáng, α là một hệ số tỷ lệ Như vậy ở điều kiện bình thường, dòng đoản mạch Isc của pin mặt trời tỷ lệ thuận với cường độ bức xạ chiếu sáng Hình 1.9 cho thấy các đường đặc trưng VA của pin mặt trời phụ thuộc vào cường độ chiếu sáng Với pin mặt trời tinh thể Si, Isc ≈

30mA/cm2 khi cường độ bức xạ tới E0 = 1000 W/m2 và ở nhiệt độ T = 250C Đường chấm chấm là đường nối các điểm làm việc tối ưu có công suất cực đại ở các cường độ bức xạ khác nhau.

1.3.2.3 Thế hở mạch VOC

Thế hở mạch Voc là hiệu điện thế đo được khi mạch ngoài của pin mặt trời hở (R = ∞) Khi đó dòng mạch ngoài I = 0 Đặt giá trị đó của dòng mạch ngoài vào (1.10) và giả thiết Rsh rất lớn ta được biểu thức xác định Voc như sau: [1]

I

I I q

nkT

ln (1.12)Trong biểu thức của Voc ta thấy nó phụ thuộc vào nhiệt độ một cách trực tiếp (thừa số T ở trước biểu thức) và gián tiếp qua dòng quang điện bão hoà Is Như ta đã biết, dòng bão hoà Is là dòng các hạt tải điện không cơ bản được tạo

ra do kích thích nhiệt và bị gia tốc bởi điện trường tiếp xúc Khi nhiệt độ của pin mặt trời tăng dòng bão hoà Is cũng tăng lên theo hàm mũ:

Is = qAgthLD = qALDg0[exp(

kT

E g

− )] (1.13)

Hình 1.9 Sự phụ thuộc của đặc trưng VA của pin mặt trời

vào cường độ bức xạ mặt trời – [1]

KN

A g L q

nkT q

Sự khác nhau giữa cá thế năng khi T = o và khi T > 0 phụ thuộc vào hệ

số kích thích nhiệt g0 và vào hiệu suất góp K Khi chiếu sáng với cường độ sáng cao thì Nph tăng lên và V0 càng gần tới giá trị Eg/q Ngoài ra, Voc tăng theo hàm loga với dòng quang điện Iph mà đến lượt nó lại tăng tuyến tính khi nhiệt độ của pin mặt trời tăng Đối với pin mặt trời tinh thể Si, khi nhiệt độ

tăng trong khoảng từ 20 đến 1000C thì Voc giảm khoảng 2 mV/0C, còn dòng quang điện tăng lên khoảng 0,03 mA/cm2.0C Hình 1.10 cho thấy sự phụ thuộc của đặc trưng sáng VA của pin mặt trời tinh thể Si vào nhiệt độ trong khoảng nhiệt độ từ -400C đến +600C.

1.3.2.4 Điểm làm việc với công suất cực đại

Xét một đường đặc trưng VA của pin mặt trời đối với một cường độ bức

xạ cho trước và ở nhiệt độ xác định Nếu các cực đại của pin mặt trời được nối với một tải tiêu thụ điện R thì điểm cắt nhau của đường đặc trưng VA của pin mặt trời và đường đặc của tải trong toạ độ OIV là điểm làm việc của pin mặt trời

Hình 1.10 Sự phụ thuộc của đặc trưng sáng VA của pin mặt trời

vào nhiệt độ của pin – [1]

Nếu tải tiêu thụ điện của một pin mặt trời là một tải điện trở Ohm thuần, thì đường đặc trưng tải là một đường thẳng qua gốc toạ độ và có độ nghiêng

α đối với trục OV và tgα = 1/R trên hình 1.11 (theo định luật Ohm ta có I = V/R) Trong trường hợp này, công suất pin mặt trời cấp cho tải chỉ phụ thuộc vào giá trị điện trở R

Trong toạ độ OIV, công suất pin mặt trời cấp cho tải R bằng diện tích chữ nhật giới hạn bởi hoành độ và tung độ của điểm làm việc Với giá trị R khác nhau và do đó công suất tải tiêu thụ cũng khác nhau Tồn tại một giá trị

R = ROPT mà tại đó công suất tải tiêu thụ là cực đại Điểm làm việc với công suất cực đại, điểm A trên hình 1.11, là điểm tiếp xúc giữa đường đặc trưng

VA của pin mặt trời và đường công suất không đổi (đường công suất không đổi IV = const là các đường hypecbol)

Hình 1.11 Điểm làm việc và điểm làm việc công suất cực đại – [1]

Giá trị của điện trở tải tối ưu ROPT được xác định từ các thay thế và dòng của nó theo định luật Ohm: [1]

Ở điều kiện cường độ bức xạ không đổi và nhiệt độ cho trước ta thấy:

- Nếu điện trở tải R nhỏ, R << Ropt, pin mặt trời sẽ làm việc trong miền

MN (hình 1.9) là miền mà cường độ dòng điện gần như không đổi và gần bằng dòng đoản mạch Isc

- Nếu điện trở tải R lớn, R >> Ropt, pin mặt trời làm việc trong miền PS (hình 1.9), với hiệu điện thế gần như không đổi và bằng thế hở mạch Voc

Rõ ràng pin mặt trời chỉ làm việc có hiệu quả khi tải tiêu thụ điện có giá trị lân cận ROPT Điều này không phải lúc nào cũng dễ dàng đạt được bởi vì điểm làm việc ngay đối với một máy tiêu thụ điện cũng thay đổi Ngoài ra bức

xạ mặt trời và nhiệt độ của môi trường cũng thay đổi liên tục theo thời gian, nên đường đặc trưng VA của pin mặt trời cũng thay đổi và do đó làm dịch chuyển điểm làm việc ra ngoài điểm làm việc tối ưu

1.3.2.5 Các tham số ảnh hưởng đến chế độ làm việc và hiệu suất của pin mặt trời

Như vậy, ta có thể thấy rằng có năm tham số ảnh hưởng đến chế độ làm việc và hiệu suất của pin mặt trời Đó là:

- Điện trở nội (điện trở nối tiếp) RS;

- Nhiệt độ của pin T

Ở điều kiện bức xạ bình thường (không có hội tụ) các tham số trên có thể xem như các tham số độc lập, chỉ trừ dòng điện bão hoà Is và nhiệt độ T

Điện trở sơn Rsh đặc trưng cho dòng dò qua lớp tiếp xúc p – n, phụ thuộc vào công nghệ chế tạo lớp tiếp xúc Thông thường giá trị của Rsh khá lớn, nên dòng dò có thể bỏ qua

Điện trở nội Rs là tổng của các điện trở: điện trở tiếp xúc giữa điện cực dưới và bán dẫn p, R1; điện trở lớp bán dẫn loại p, R2; điện trở lớp bán dẫn loại n, R3; điện trở lớp tiếp xúc giữa bán dẫn n và cực kim loại trên, R4; điện trở của cực lưới kim loại mặt trên, R5 và điện trở của các thanh góp kim loại mặt trên, R6 (hình 1.12) Tức là: [1]

Rs = ∑

=

6 1

i i

Công suất đỉnh của pin mặt trời là công suất do pin mặt trời phát ra khi

nó làm việc ở điểm làm việc tối ưu dưới bức xạ có cường độ 1000 W/m2 và ở nhiệt độ 250C Công suất đỉnh được đo bằng Wp hay kWp

Hiệu suất biến đổi quang điện của pin mặt trời là tỷ số giữa công suất điện đỉnh và tổng năng lượng bức xạ tới pin mặt trời ở một nhiệt độ cho trước: [1]

η = ( 100 %)

.E0A

P opt

(1.16)Trong đó: η - hiệu suất biến đổi quang điện (%);

A – diện tích bề mặt pin mặt trời được chiếu sáng (m2);

E0 – cường độ bức xạ chuẩn = 1000 W/m2

Đối với pin mặt trời tinh thể Si thương mại, η thường vào khoảng từ (12 đến 15%) Trong phòng thí nghiệm có thể đạt tới (20 đến 22%).

Như đã nói, nhiệt độ có ảnh hưởng lên các đặc trưng của pin mặt trời Cụ thể là, dòng quang điện tăng theo nhiệt độ với giá trị 0,1% khi nhiệt độ tăng

10C hay 0,03 mA/0C.cm2 Sự tăng dòng quang điện của pin mặt trời là do sự giảm sự rộng vùng cấm của vật liệu Eg khi nhiệt độ tăng theo định luật: [1]

Eg(T) = Eg(0) -

b T

aT

+

2

(1.17)Với a và b là các hằng số phụ thuộc vào vật liệu, Eg(0) là độ rộng vùng cấm của vật liệu ở T = 00K Dưới đây là giá trị của Eg(0), a và b của vài vật liệu pin mặt trời điển hình:

Eg(0) (eV) a (10-4 eV) b (K)

Bảng 1.1 Các giá trị E g, a và b của Si và GaAs – [1]

Thế hở mạch Voc giảm một cách tuyến tính với sự tăng nhiệt độ vì dòng bão hoà Is tăng theo hàm mũ Dòng bão hoà là dòng của các hạt tải không cơ bản được tạo ra do kích thích nhiệt

Hình 1.13 Sự phụ thuộc của hiệu suất vào nhiệt độ - [1]

Sự phụ thuộc dòng bão hoà vào nhiệt độ có thể biểu diễn như sau:

Is = I0exp(

kT

E g

− ) (1.18)trong đó I0 = Is(T = ∞) = qALDg0 đóng vai trò là hệ số tỷ lệ

Kết quả là công suất cực đại có thể của pin mặt trời bị giảm khoảng 0,35% khi nhiệt độ tăng 10C và vì thế hiệu suất của pin mặt trời cũng bị giảm với hệ số như vậy Hình 1.13 biểu diễn sự giảm của hiệu suất biến đổi quang điện theo nhiệt độ đối với các vật liệu Si và GaAs

Như vậy ta đã tìm hiểu được các hiện tượng vật lý được vận dụng trong pin mặt trời, sau đây chúng ta sẽ nghiên cứu một cách chi tiết hơn về pin mặt trời, cách ghép nối các modun và bộ dự trữ năng lượng do pin mặt trời sản xuất ra

CHƯƠNG II

HỆ THỐNG NGUỒN ĐIỆN PIN MẶT TRỜI

Không như các hệ năng lượng khác, “nhiên liệu của” của máy phát điện pin mặt trời là bức xạ mặt trời, nó luôn thay đổi theo thời gian, theo địa phương và phụ thuộc vào điều kiện,khí hậu, thời tiết…cho nên việc thiết kế, lắp đặt, tích trữ năng lượng…của pin mặt trời sau khi đã thành phẩm là rất quan trọng

Hình 2.1 Hệ thống pin mặt trời – [8]

Đặc biệt có hai thành phần được quan tâm ở đây là dàn pin mặt trời và bộ acquy – là hai thành phần chính của hệ và chiếm một tỷ trọng lớn trong chi phí cho một hệ năng lượng pin mặt trời Sau đây chúng ta sẽ tìm hiểu về dàn pin mặt trời và bộ tích trữ năng lượng của pin mặt trời

2.1 Quy trình chế tạo các modun pin mặt trời.

Hiện nay, các pin mặt trời được sản xuất và ứng dụng là các pin mặt trời

từ vật liệu Silicon (Si) dưới dạng hoặc đơn tinh thể, đa tinh thể hoặc vô định hình nhưng chủ yếu

là dạng tinh thể Vì vậy dưới đây ta chỉ nghiên cứu công nghệ chế tạo pin mặt trời tinh thể Si Quá trình công nghệ này bao gồm sáu công đoạn sau:

- Sơ lọc cát thạch anh để có silicon có độ sạch kỷ thuật (độ sạch luyện kim)

- Làm sạch tiếp để có silicon có độ sạch

bán dẫn

- Tạo các đơn tinh thể Si từ silicon có độ sạch bán dẫn

- Pha tạp để có Si-n và Si-p và tạo lớp tiếp xúc p - n

- Tạo tiếp xúc điện, điện cực, chống xạ

- Tạo modun, kiểm tra, phân loại

Dưới đây chúng ta sẽ mô tả một cách tóm tắt một số công đoạn nói trên:

2.1.1 Sơ lọc cát thạch anh để có silicon có độ sạch kỷ thuật

Cát dùng làm vật liệu ban đầu chế tạo Si phải là cát giàu thạch anh SiO2 Trong lò hồ quang nhiệt độ cao, SiO2 được cho phản ứng với cacbon (C) để cho silicon (Si) có độ sạch kỹ thuật theo phản ứng:

SiO2 + 2C → Si + 2CO

2.1.2 Làm sạch tiếp để có silicon có độ sạch bán dẫn và tạo đơn tinh thể Si

Để làm sạch Si đến độ sạch bán dẫn người ta sử dụng quá trình trichlorosilane Quá trinh này như sau: Trong một thùng đựng bột Si có độ sạch kỹ thuật người ta đổ axit clohydric lỏng vào và dùng chất xúc tác là đồng, Si và HCl phản ứng theo phương trình sau:

Si + 3HCl → SiHCl3 + H2 ↑Sau đó bằng phương pháp chưng cất nhiệt người tạo được SiHCl3 dưới dạng hạt khô và tiếp đó dùng phương pháp bốc hơi người ta thu được Si có độ sạch bán dẫn:

Hình 2.2 Hình ảnh một

modun pin mặt trời từ Si – [6]