nang luong mat troi

ĐH Bách Khoa TP.HCM 2Nguồn tài nguyên từ mặt trời • Trước khi nói về năng lượng mặt trời, hãy tìm hiểu về mặt trời: • Như cường độ ánh nắng ra sao • Vị trí của mặt trời ở đâu tại mọi thờ

Trang 1

ĐH Bách Khoa TP.HCM 1

0

BàiBài giảnggiảnggiảng::::

NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO

ĐH BÁCH KHOA TP.HCM

Giảng viên: ThS Trần Công Binh

8/2013

C2: NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI

1 Nguồn năng lượng mặt trời

2 Tế bào quang điện

3 Đặc tuyến I-V của pin quang điện

4 Công nghệ chế tạo pin quang điện

5 Đặc tính làm việc của pin quang điện

6 Hệ điện mặt trời độc lập

7 Hệ điện mặt trời hòa lưới

Trang 2

Nguồn tài nguyên từ mặt trời

• Trước khi nói về năng lượng mặt trời, hãy tìm hiểu về mặt trời:

• Như cường độ ánh nắng ra sao

• Vị trí của mặt trời ở đâu tại mọi thời điểm

• Bức xạ mặt trời ra sao (insolation: in cident sol ar radi ation )

• Từ đó xác định bức xạ trung bình nhận được mỗi ngày

• Và chọn vị trí và góc lắp đặt dàn pin mặt trời sao cho hiệu quả nhất

Bức xạ của lỗ đen và mặt trời

• Mặt trời

– Đường kính 1.4 triệu km

– Tổng công suất bức xạ điện từ là 3.8 x 1020MW

• Vật thể đen

– Là vật thể vừa hấp thụ hoàn toàn, vừa bức xạ hoàn hảo

– Bức xạ hoàn hảo – phát xạ lượng năng lượng trên mỗi đơn vị diện tích nhiều hơn bất kỳ một vật thể thực ở cùng nhiệt độ.

– Hấp thụ hoàn toàn – hấp thụ tất cả bức xạ, hoàn toàn không có phản xạ

Trang 3

• T = nhiệt độ tuyệt đối (K)

Phổ điện từ

Source: www.en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_radiation

Ánh sáng nhìn thấy được có bước sóng trong khoảng 0.4 đến 0.7 µm, với bước sóng của tia tử ngoại ngắn hơn và tia hồng ngoài dài hơn

Trang 4

Diện tích dưới đường cong là tổng công suất bức xạ phát ra

• T = nhiệt độ tuyệt đối (K)

• A = tổng diện tích bề mặt của vật thể đen (m2)

Trang 5

• λmax=0.5 µm cho mặt trời, T = 5800 K

• λmax= 10.1 µm với trái đất (một vật đen), T = 288 K

max

2898 ( ) (7.3)

4 (7.2)

E = A T σ

max

2898 ( ) (7.3)

T K

Trang 6

Phổ bức xạ của mặt trời bên ngoài khí quyển

Hình 7.2

Tỷ trọng khí quyển - Air Mass Ratio

• h1= chiều dài đường đi qua bầu khí quyển với ánh

nắng mặt trời ngay trên đỉnh đầu

• h2= chiều dài đường đi qua bầu khí quyển để đến bề mặt trái đất

• β = góc cao độ của mặt trời

Hình 7.3

Khi tia nắng băng qua bầu khí quyển, lượng năng lượng đến được bề mặt trái đất sẽ bị suy hao

Trang 7

Tỷ trọng khí quyển - Air Mass Ratio

• Air Mass ratio bằng 1 (“ AM1 ”) đồng nghĩa với mặt trời ngày trên đỉnh đầu ( m=1 )

• AM0 ở bên ngoài bầu khí quyển

• AM1.5 là trị trung bình trên bề mặt trái đất ( m=1.5 )

2

1

1air mass ratio = (7.4)

sin

h m

=

Hình 7.3

Phổ mặt trời trên bề mặt trái đất

m tăng leenkhi mạt trời xuống thấp trên bầu trời

Chú ý là có sụ suy hao lớn ở bức xạ màu xanh trời khi

m tăng cao, đó là

lý do có màu đỏ khi mặt trời mọc

và lặn.

Trang 8

Quỹ đạo trái đất

• Quay một vòng mất 365.25 ngày theo quỹ đạo hình elip

• Khoảng cách từ trái đất đến mặt trời:

• n = số ngày (bắt đầu từ ngày 1.1)

• d (km) thay đổi từ 147x106km vào ngày 2.1 đến 152x106km vào ngày 3.7 (tương ứng với mùa đông và mùa hè)

• Đơn vị góc tính bằng độ cho cả chương này.

• Trong một ngày, trái đất quay 360,99˚

• Quỹ đạo trái đất quay còn gọi là mặt phẳng hoàn đạo

• Trái đất quay quanh một trục nghiên 23.45˚

• Ban ngày và ban đêm dài bằng nhau vào ngày 21.3 và 21.9 (Xuân phân và Thu phân)

• Đông chí là ngày mà Bắc cực xa mặt trời nhất

• Hạ chí là ngày Bắc cực gần mặt trời nhất

Trang 9

Hình 7.5

Với các ứng dụng năng lượng mặt trời, sẽ xem xét các đặc điểm của quỹ đạo của trái đất là không thay đổi

Thiên độ δ - Solar Declination

• Thiên độ δ – là góc hợp bởi mặt phẳng xích

đạo với đường thẳng nối tâm mặt trời và tâm trái đất (δ<0 khi mặt trời ở bán cầu Nam)

• δ biến thiên trong khoảng +/- 23.45˚

• Là một hàm của hình sin tính theo ngày, bắt

đầu từ ngày Xuân phân (n=81 ) tính cho cả

năm 365 ngày.

360 23.45sin 81 (7.6)

365 n

Trang 10

Vị trí mặt trời theo thời gian trong năm

• Tính toán vị trí mặt trời bất kỳ thời điểm nào

• Từ đó xác định góc nghiêng cho dàn pin mặt trời

• Xác định vị trí mặt trời

Hình 7.6

Thiên độ

Xuân phân Thu phân

Đông chí

Hạ chí

Góc thu giữa trưa

• Giữa trưa – khi mặt trời chiếu thẳng theo đường kinh tuyến

• Phía Bắc bán cầu – mặt phẳng thu sẽ nghiêng một góc bằng đúng với vĩ độ vào thời điểm Xuân phân

• Vào chính trưa, tía nắng vuông góc với tấm thu

Hình 7.8

L = vĩ độ (độ)

L < 0 ở bán cầu Nam

Trang 11

Cao độ giữa trưa βN- Altitude Angle

• Góc cao độ giữa trưa là góc giữa tia nắng mặt trời với mặt phẳng trái đất

• Zenith – trục hướng tâm, vuông góc với mặt phẳng trái đất (hay đường chân trời)

• Bảng 7.1:

Trang 12

Vị trí mặt trời theo thời gian trong ngày

• Vị trí mặt trời trong ngày được xác định theo góc

cao độ β và góc phương vị ϕS

• β và ϕS phụ thuộc vào vĩ độ, ngày và giờ.

• Góc phương vị (ϕS )

– > 0 vào buổi sáng

– < 0 vào buổi chiều

– Tính từ trục hướng cực Bắc (xem như hướng Bắc)

• Lấy giờ giữa trưa là chuẩn.

Trang 13

φs < 0 ở phía Tây

Vị trí mặt trời theo thời gian trong ngày

• Xoay theo mặt trời

Trang 14

• Nếu xem trái đất quay một góc 15˚/giờ, thì

• Ở 11 AM giờ mặt trời ( solar time ), H = +15˚

(trái đất cần thểm 1 giờ để quay đến giữa trưa)

cos

δ φ

Trang 16

Example 7.3 – Xác định vị trí mặt trời?

• Góc phương vị

• Tính được 2 giá trị góc phương vị

• Kiểm tra ffiều kiện

cos sinsin

cos

δ φ

β

=

S

H

Sơ đồ dùng phân tích bóng cho mặt trời

• Từ việc xác định vị trí mặt trời trên bầu trời

ở mọi thời điểm

• Cũng có thể xác định bóng che ở mọi thời điểm

• Bằng cách phát họa góc phương vị và góc cao độ của hàng cây, tòa nhà, và các vật gây

ra bóng che

• Theo sơ đồ đường mặt trời để xác định thời gian bị bóng râm che phủ

Trang 17

• Xác định góc phương vị của vật gây bóng che

Góc lệch giữa cực trái đất và cực từ trường khi dùng la bàn

• Xác định góc cao độ vật gây bóng che

Trang 18

• Hàng cây ở hướng đông nam, căn nhà ở hướng tây nam

• Có thể ước tính lượng năng lượng mất đi do bóng che

Hình 7.15

40o vĩ Bắc

Cây cao che

từ 8:30 đến 9:30 tháng

11 tháng 1.

Nhà che sau 15:00 tháng

11 tháng 1.

California Solar Shade Control Act

• Bóng che tấm thu năng lượng mặt trời (từ nhà kế bên) được pháp luật quy định ở một số quốc gia.

• Ví dụ đạo luật kiểm soát bóng che của California vào năm 1979: Không để cho cây hay bụi cây gây bóng che cho tài sản của hàng xóm lớn hơn 10%

diện tích tấm thu trong khoảng 10 am đến 2 pm.

Trang 19

The Guilty Trees were Subject to Court Ordered Pruning

Nguồn: NYTimes, 4/7/08 Trường hợp đầu tiên bị kết án năm 2008.

Giờ mặt trời ST và giờ đồng hồ CT

• Hầu hết tính toán liên quan đến giờ mặt trời (ST)

• Giờ mặt trời được tính từ giữa trưa

• So với giờ đồng hồ thì cần 2 hiệu chỉnh:

– Theo kinh độ cần hiệu chỉnh múi giờ

– Theo sự không đồng đều khi trái đất quay quanh mặt trời

• Hai địa điểm sẽ có cùng giờ mặt trời chỉ khi có cùng kinh tuyến

• Giờ mặt trời sẽ khác nhau 4 phút nếu lệch 1˚ kinh tuyến

• Trong khi giờ đồng hồ chí có 24 múi 1-giờ, mối múi giờ dùng chung cho 15˚ kinh tuyến.

Trang 20

Bản đồ phần múi giờ thế giới

Nguồn: http://aa.usno.navy.mil/graphics/TimeZoneMap0802.pdf

Bản đồ phần múi giờ thế giới

Nguồn: http://www.timeanddate.com/time/map/

Trang 21

US Local Time Meridians (Table 7.4)

Múi giờ Local Time Meridian

Hà Nội – Băng cốc (GMT+7)

Giờ mặt trời và giờ đồng hồ

• Do quỹ đạo trái đất quay hình elip nên thời gian theo giờ mặt trời biến thiên theo từng ngày trong năm

Ngày dài hơn vào mùa Đông!

Trang 22

• Do quỹ đạo trái đất quay hình elip nên thời gian theo giờ mặt trời biến thiên theo từng ngày trong năm

• Sự khác nhau giữa ngày 24-giờ và ngày mặt trời được

tính bằng Phương trình thời gian E

• n là ngày trong năm

• Kết hợp hiệu chỉnh sai lệch theo kinh độ và phương

trình thời gian E có được:

• CT – giờ đồng hồ

• ST – giờ mặt trời

• LT Meridian – Kinh độ chuẩn của múi giờ

• Độ kinh Đông có giá trị < 0

• Giờ đồng hồ có thể khác múi giờ, thay đổi theo mùa

Solar Time (ST) Clock Time (CT) + =

4 min LT Meridian Local Longitude + (min) (7.14) − E

Trang 23

Ví dụ 7.5 – Giờ mặt trời và giờ đồng hồ

• Tại TP.Hồ Chí Minh (L=10o45'0'' vĩ Bắc,

106°40'0" kinh Đông), vào ngày 27 tháng

8 Tính giờ mặt trời lúc 15:08 giờ đồng hồ?

Solar Time (ST) Clock Time (CT) + =

4 min LT Meridian Local Longitude + (min) − E

• Tính giờ đồng hồ ngay giữa trưa ở Boston (71.1˚ kinh Tây) vào ngày 1.7 với Eastern Daylight Time (giờ đồng

hồ quy định chậm hơn 1 giờ vào mùa Đông)

Trang 24

• The local time meridian for Boston is 75˚, so the difference is 75 ˚-71.7 ˚, and we know that each degree corresponds to 4 minutes

• HSR>0 khi mặt trời mọc, và < 0 khi mặt trời lặn

sinβ =cos cos cosL δ H +sin sin (7.8) L δ

sinβ =cos cos cosL δ H+sin sinL δ =0 (7.15)

sin sincos = tan tan (7.16)

Hour angle of sunrise

Gio` (hinh hoc) 12 : 00 (7.18)

15 /

°

SR H h

Trang 25

Mặt trời mọc và mặt trời lặn

• Khí tượng thủy văn xác định thời điểm mặt trời mọc/lặn

ở đỉnh của mặt trời thay vì ở tâm mặt trời như tính toán hình học

• Và xét thêm khúc xạ của khí quyển (bình minh sớm hơn

và hoàn hôn trễ hơn 2,4 phút)

• Hệ số hiệu chỉnh Q

• Giờ hình học trừ bớt Q khi mặt trời mọc hay lặn.

3.467

Q (min) (7.19) cos cos sinL δ H SR

=

Mặt trời mọc và mặt trời lặn

Trang 26

Chùm tia bức xạ trực tiếp

• Chùm tia bức xạ trực tiếp (Direct beam radiation) IBC –

đi theo đường thẳng qua bầu khí quyển tới người nhận

• Bức xạ tán xạ (Diffuse radiation) IDC – phân tán bởi các phân tử trong bầu khí quyển

• Bức xạ phản xạ (Reflected radiation)

IRC – phản chiếu từ bền mặt phản xạ

Hình 7.18

Cường độ bức xạ ngoài khí quyển I0

• Tính toán cho ngày bầu trời quang đảng

Trang 27

Cường độ bức xạ ngoài khí quyển I0

• Hằng năm, chỉ gần một nửa I0 truyền tới được bề mặt trái đất dưới dạng bức xạ trực tiếp ( IB)

• Khi trời quang, bức xạ trực tiếp có thể lên đến 70% I0

Hình 7.19

Sự suy giảm bức xạ qua bầu khí quyển

• Có thể tính độ suy giảm cường độ bức xạ qua bầu khí quyển theo hàm mũ:

(7.21)

km B

Trang 28

Sự suy giảm bức xạ qua bầu khí quyển

Từ bảng 7.6, A, k và C có thể được tính theo phương trình:

Cường độ nắng qua bề mặt thu

• Bức xạ trực tiếp IBClà hàm giữa của góc hợp bởi tia nắng

Trang 29

Solar Insolation on a Collecting Surface, cont.

Hệ thống xoay theo mặt trời - Tracking Systems

• Hầu hết pin mặt trời được lắp cố định Nhưng cũng có một số hệ thống xoay theo mặt trời có hiệu quả hơn.

• Hệ thống mặt trời có thể chỉ gồm 1 trục (xoay theo giờ trong ngày), hoặc 2 trục (theo cao độ (lên-xuống) và theo góc phương vị (Đông-Tây)).

• Hệ xoay theo mặt trời có thể tăng thêm đến 20% công suất với hệ 1 trục, và 25- 30% công suất với hệ 2 trục.

Trang 30

Cường độ nắng theo từng tháng trong năm

• Với hệ pin mặt trời lắp cố định, công suất bức xạ nhận được phụ thuộc nhiều vào góc nghiêng lắp đặt Tùy theo tiêu chí sử dụng mà có thể chọn góc nghiêng phù hợp.

US Annual Insolation

Trang 31

Worldwide Annual Insolation

Vào năm 2007, tổng công suất PV trên thế giới khoảng 7800 MW, với hầu hết ở Đức (3860 MW), Nhật (1919 MW), Mỹ (830 MW) và Tây Ban Nha (655MW).

Tế bào quang điện

Trang 32

Pin quang điện

Trang 33

Vật liệu quang điện

Mức năng lượng

Trang 36

Mức năng lượng

Phổ năng lượng mặt trời

Trang 37

Phổ năng lượng mặt trời

Ảnh hưởng của mức năng lượng lên hiệu suất quang điện

Trang 38

Hiệu suất chuyển đổi quang điện thực tế

Mối nối p-n

Trang 40

Diode dùng mối nối p-n

k: hằng số Boltzmann

Diode dùng mối nối p-n

Trang 41

Tế bào quang điện

Mạch tương đương đơn giản của tế bào quang điện

Trang 42

Mạch tương đương đơn giản của tế bào quang điện

Trang 43

Trang 44

Ví dụ: 8.3.1: Tính dòng ngược bảo hòa của diode trong tấm pin mặt trời 60 tế bào ghép nối tiếp sau:

Biết V=30.6V, Rp=1.76Ω Tính I?

Trang 45

Mạch tương đương chính xác của tế bào quang điện

Mạch tương đương chính xác của tế bào quang điện

Trang 46

Trang 47

Trang 48

Ghép các tế bào quang điện

Trang 50

Năng lượng mặt trời

Ghép nối tiếp nhiều tấm pin

Trang 51

Ghép song song nhiều tấm pin

Ghép nối nhiều tấm pin

Trang 52

Ghép nối nhiều tấm pin

Đặc tuyến I-V của pin quang điện

Trang 54

Tác động của nhiệt độ và cường độ bức xạ

Trang 55

Tác động của nhiệt độ và cường độ bức xạ

Trang 56

Tác động do bóng che

Trang 59

Trang 60

Công nghệ chế tạo pin quang điện

Trang 61

Pin quang điện dùng tinh thể silicon

Hình 8.45: Một cách phân nhánh để trình bày về các kỹ thuật quang điện Tỷ lệ dựa theo thị phần PV vào cuối những năm 1990.

Kỹ thuật Czochralski tạo silicon đơn tinh thể

Hình 8.46: Phương pháp Czochralski tạo ra silicon đơn tinh thể.

Trang 62

Hình 8.47: Sự phát triển của các tế bào năng lượng mặt trời CZ-silicon (a) Độ dày của phiến bán dẫn của một tế bào những năm 1970 (b) Tế bào có rãnh laser và điện cực chìm trên cả hai mặt (c) Tế bào PERL Theo Green (1993).

Kỹ thuật Czochralski tạo silicon đơn tinh thể

Hình 8.48: Tăng hiệu suất của các tế bào quang điện dùng silicon đơn tinh thể trong phòng thí nghiệm Theo Bube (1998).

Trang 63

Các kỹ thuật kéo tấm silicon

Hình 8.49: Tấm tinh thể silicon có thể được kéo lên bằng phương pháp EFG (a) hoặc sử dụng 2 thanh kéo song song (b).

Các kỹ thuật kéo tấm silicon

Hình 8.50: Quy trình S-Web tạo ra tấm silicon liên tục, có thể pha tạp chất kích thích và cắt thành các tế bào hình chữ nhật Theo Schmela (2000).

Trang 64

Đúc thỏi silicon đa tinh thể (Multicrystalline Silicon)

Hình 8.51: Đúc, cắt và cưa silicon để tạo thành wafer chưa các hạt tinh thể silicon, giữa các hạt tồn tại các lằn ranh phân chia.

Mô đun tinh thể Silicon

Hình 8.52: Các tế bào tinh thể được nối nối tiếp với nhau và sau đó được bảo

vệ giữa các lớp thủy tinh, EVA, và polyme.

Trang 65

PIN QUANG ĐIỆN MÀNG MỎNG (THIN-FILM)

Silicon vô định hình

Hình 8.53: Mặt cắt ngang của một tế bào silicon vô định hình p-i-n Độ dày tính theo nanomet (10 -9 m) và vẽ không theo tỷ lệ.

Trang 66

Quy trình chế tạo Silicon vô định hình

Định dạng
Số trang	121
Dung lượng	13,4 MB