Nghiên cứu ứng dụng điện năng cho máy bơm nước từ pin năng lượng mặt trời

Việc nghiên cứu sử dụng các nguồn nănglượng tự nhiên để tạo ra nguồn điện là thật sự cần thiết để đáp ứng các nhu cầu sửdụng, các nguồn năng lượng tự nhiên như: năng lượng gió, nhiệt điệ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

-NGUYỄN GIA HOÀNG ĐĂNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐIỆN NĂNG CHO MÁY BƠM NƯỚC TỪ PIN NĂNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

-NGUYỄN GIA HOÀNG ĐĂNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐIỆN NĂNG CHO MÁY BƠM NƯỚC TỪ PIN NĂNG

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CỘNG NGHỆ TP.HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS TRƯƠNG VIỆT ANH

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP.HCM ngày thángnăm 2015

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm :

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: Nguyễn Gia Hoàng Đăng

Ngày, tháng, năm sinh: 01 – 01 – 1986

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

I-TÊN ĐỀ TÀI:

Giới tính: NamNơi sinh: Tỉnh Long anMSHV: 134 183 000 2

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐIỆN NĂNG CHO MÁY BƠM NƯỚC TỪ PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

II-NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

- Nghiên cứu hệ thống pin năng lượng mặt trời

- Mô hình ứng dụng điện năng cho máy bơm nước từ pin năng lượng mặt trời

III-NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 18 – 08 – 2014

IV-NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 21 – 03 - 2015

V-CÁN BÔ HƯỚNG DẨN : PGS.TS TRƯƠNG VIỆT ANH

CÁN BỘ HƯỚNG DẨN

PGS.TS TRƯƠNG VIỆT ANH

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghên cứu của riêng tôi Các số liệu, kếtquả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳcông trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đãđược cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được ghi rõ nguồn góc

Học viên thực hiện Luận văn

Nguyễn Gia Hoàng Đăng

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian học tập và rèn luyện tại Trường Đại học Công nghệTP.HCM Xin chân thành cảm ơn tập thể quý Thầy Cô giáo đã giảng dạy, truyền đạttrí thức giúp em học tập và nghiên cứu trong quá trình học cao học tại Trường Đạihọc Công Nghệ TP.HCM

Tôi chân thành cảm ơn thầy hướng dẩn PGS.TS Trương Việt Anh đã nhiệttình hướng dẫn, chỉ bảo, truyền đạt kiến thức chuyên môn và kinh nghiệm để emthực hiện luận văn này Với sự nhiệt tình hướng dẫn của Quý Thầy đã làm động lựccho em có tinh thần cố gắng, nỗ lực trong tìm tòi, nghiêng cứu để hoàn thành Luậnvăn này

Em cũng xin lời cảm ơn đến Ban giám hiệu Trường Đại học Công NghệTP.HCM, Phòng Quản lý Khoa học và Đào tạo Sau Đại học đã h ổ trợ và giúp đỡ

em trong quá trình học tập

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, b ạn bè đã động viên, giúp đỡ

và tạo cho em niềm tin và nỗ lực cố gắng để hoàn thành luận văn này

Xin chân thành cảm ơn !

Tp.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2015

Người thực hiện

Nguyễn Gia Hoàng Đăng

TÓM TẮT

Hiện nay, nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng cao để đáp ứng nhu cầusinh hoạt và sản xuất của con người, trong đó nhu cầu sử dụng điện năng trong sinhhoạt và sản xuất là không thể thiếu đối với con người Nhưng hiện nay việc sản xuấtnăng lượng điện vẫn chưa thể đáp ứng cho tất cả mọi người vì nhiều lý do khácnhau như: nhu cầu sử dụng năng lượng điện quá lớn hoặc những vùng sâu vùng xachưa thể đưa nguồn điện đến được v.v Việc nghiên cứu sử dụng các nguồn nănglượng tự nhiên để tạo ra nguồn điện là thật sự cần thiết để đáp ứng các nhu cầu sửdụng, các nguồn năng lượng tự nhiên như: năng lượng gió, nhiệt điện, năng lượngmặt trời,… là các nguồn năng lượng có thể đáp ứng được các nhu cầu đó Đề tài

“Nghiên Cứu Ứng Dụng Điện Năng Cho Máy Bơm Nước Từ Pin Năng Lượng MặtTrời” là một phần trong việc sử dụng các nguồn năng lượng tự nhiên đó vào trongsản xuất

Đề tài “Nghiên Cứu Ứng Dụng Điện Năng Cho Máy Bơm Nước Từ PinNăng Lượng Mặt Trời” là đề tài tìm hiểu và tính toán một ứng dụng thực tế về việc

sử dụng năng lượng Mặt Trời cho các nhu cầu về sinh hoạt và sản xuất của conngười Đề tài sẽ giúp cho những người muốn tìm hiểu và mới tìm hiểu về nhu cầu

sử dụng Năng Lượng Mặt Trời, để đưa nguồn năng lương mới phát triển rộng rãi vàgiúp một phần vào việc giải quyết bài toán năng lượng hiện nay

MỤC LỤC

i LỜI CẢM ƠN .ii TÓM TẮT iii MỤC LỤC .iv DANH

MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .vi

DANH MỤC CÁC BẢNG .vii DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, HÌNH ẢNH viii CHƯƠNG 1 TỔNG Q UAN 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.1.1 Sự tiêu thụ năng lượng hiện tại và trong tương lai.[10].[11] 1

1.1.2 Năng lượng tái tạo 5

1.1.3 Năng lượng mặt trời 7

1.1.4 Hệ thống bơm nước sử dụng năng lượng mặt trời 12

1.2 Các đề tài nghiên cứu đã thực hiện 13

1.3 Định hướng của đề tài 14

1.4 Nhiệm vụ của đề tài 14

1.5 Kết quả mong muốn 15

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI 16

2.1 Mặt Trời và nguồn bức xạ Mặt Trời 16

2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Pin Mặt Trời 19

2.2.1 Cấu tạo pin Mặt Trời 20

2.3 Hệ thống pin mặt trời 26

2.3.1 Hệ thống pin mặt trời thường sử dụng hiện nay 26

2.3.2 Các loại pin Mặt Trời mới 27

2.4 Ứng dụng của pin mặt trời [2] 30

CHƯƠNG 3 GIỚI THIỆU BỘ DÒ CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI VÀ MẠCH TĂNG ÁP 34

3.1 Vai trò của việc dò công suất cực đại [8] 34

3.2 Các phương pháp dò công su ất cực đại- MPPT 35

3.4 Tính toán và thi công mạch DC/DC converter 39

3.4.1 Cơ sở tính toán 39

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH BƠM NƯỚC TỪ PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 45

4.1 Xây dựng mô hình bơm nước sử dụng năng lượng mặt trời 45

4.1.1 Thiết kế mô hình bơm nư ớc sử dụng năng lượng mặt trời 45

4.1.1.1 Yêu cầu mô hình 45

4.1.1.2 Sơ đồ nguyên lý mạch tăng áp và điều khiển 45

4.1.2 Thi công mạch tăng áp và dò công suất cực đại 46

4.1.2.1 Vật tư thi công mạch tăng áp và dò công suất cực đại 46

4.1.2.2 Yêu cầu của mô hình 46

4.1.2.3 Kết quả thi công mạch 47

4.1.3 Giới thiệu động cơ bơm nước và tính toán trên cơ sở lý thuyết 47

4.1.3.1 Cấu tạo máy bơm ly tâm [10] 47

4.1.3.2 Nguyên lý hoạt động của bơm ly tâm 48

4.1.3.3 Các đặc điểm của bơm ly tâm.[4].[10].[11] 49

4.1.4 Nguồn lưu trữ năng lượng acquy 54

4.1.5 Sơ đồ điện hệ thống 55

4.1.6 Kết quả thi công mô hình và giá trị khảo sát thực tế 56

4.1.7 Kết quả nghiên cứu đạt được và đánh giá kết quả 58

4.2 Bài toán thực tế 58

4.2.1 Tính toán công suất máy bơm 59

4.2.2 Tính toán chọn công suất pin mặt trời 60

4.2.3 Tính kích cỡ tấm pin mặt trời [10] 60

4.2.4 Tính solar charge controller [10] 61

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 63

5.1 Kết luận của đề tài 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

PV : PhotoVotaic : Pin quang điện (pin mặt trời)

PPT (Maximum power point): Điểm làm việc mà tại đó công suất thu được cựcđại

MPPT : Maximum Power Point Tracking : Dò tìm đi ểm cực đại

DC (Direct current) : Điện một chiều

AM (Air Mass ratio) : Tỷ số khối khí Phổ bức xạ

DSC (dye-Sensitized solar Cell): chất màu (một loại Pin mặt trời giá rẻ)

NLTT : Năng Lượng Tái Tạo

NLMT : Năng Lượng Mặt Trời

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Mức tiêu thụ các nguồn năng lượng trên thế giới 1990 – 2035

3 Hình 1.2 Dự báo nhu cầu năng lượng Việt Nam 4

Hình 1.3 Mức tiêu thụ điện của Việt Nam 5

Hình 1.4 Công suất phát điện xây dựng năm 2010 (không kể thủy điện nhỏ) (ĐVT: GW) 7

Hình 1.5 Lượng năng lượng mặt trời cung cấp cho Trái Đất 8

Hình 1.6 Hệ thống nước nóng đun bằng năng lượng Mặt Trời 9

Hình 1.7 Công nghệ nhiệt Mặt Trời sử dụng máng hội tụ Parabol 10

Hình 1.8 Một Cell Pin Mặt Trời 11

Hình 1.9 Tổng công suất lắp đặt Pin Mặt Trời trên thế giới từ năm 2005 -2010

11 Hình 1.10 Hệ thống bơm nước sử dụng năng lượng Mặt Trời 13

Hình 2.1 Cấu trúc Mặt Trời.[11] 16

Hình 2.2 Dãy bức xạ điện từ [7] 17

Hình 2.3 Góc nhìn Mặt Trời 18

Hình 2.3 Một cell pin Mặt Trời.[2] 19

Hình 2.4 Cấu tạo pin Mặt Trời.[10].[6] 20

Hình 2.5 Các loại cấu trúc tinh thể của pin Mặt Trời [11] 20

Hình 2.6 Một số loại panel pin Mặt Trời [10].[11] 22

Hình 2.7 Quá trình tạo một panel pin Mặt Trời.[6] 23

Hình 2.8 Nguyên lý hoạt động của pin Mặt Trời 23

Hình 2.9 Hệ thống 2 mức năng lượng trong đó E2>E1 [6].[7] 24

Hình 2.10 Các vùng năng lượng [6] 24

Hình 2.11 Nguyên lý hoạt động của hiện tượng quang điện 25

Hình 2.12 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời [6] 26

Hình 2.13 Sơ đồ khối hệ thống pin Mặt Trời độc lập [7] 27

Hình 2.14 Pin nhạy cảm với chất màu DSC 29

Hình 2.15 Pin Mặt Trời dạng keo nước.[11] 29

Hình 2.16 Các tuabin gió phát điện nhờ sức gió và thủy triều, tận thu một cách gián tiếp năng lượng Mặt Trời [7] 31

Hình 2.17 Nhà máy điện mặt trời.[7] 31

Hình 2.18 Trạm vũ trụ ISS [11] 33

ức ức 9 Hình 2.19 Pin mặt trời được ứng dụng trong nông nghiệp và trong các hộ gia đình [11] 33

Hình 3.1 Đặc tính I-V ứng với b xạ thay đổi và quỹ đạo của các điểm công suất cực đại khi nhiệt độ của pin ở 25 C

34 Hình 3.2 Đặc tính I-V ứng với b xạ thay đổi và quỹ đạo của các điểm công suất cực đại khi nhiệt độ của pin ở 50 C

35 Hình 3.3 Phương pháp dò công suất cực đại của thuật toán P&O [8] 36

Hình 3.4 Lưu đồ giải thuật của thuật toán P&O 36

Hình 3.5 Phản ứng của giải thuật P&O trong điều kiện bức xạ tăng dần [8] 37

Hình 3.6 Sơ đồ mạch Boost 39

Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý mạch Boost 40

Hình 3.8 Mạch điện khi đóng S 40

Hình 3.9 Dạng sóng điện áp và dòng điện trên cuộn dây khi dóng S 41

Hình 3.10 Mạch điện khi S mở 41

Hình 3.11 Dạng sóng điện áp và dòng điện khi S mở 42

Hình 3.12 Dạng sóng điện áp và dòng điện trên cuộn dây L [8] 43

Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý mạch tăng áp và điều khiển 46

Hình 4.2 Bo mạch tăng áp và dò điểm MPPT được hoàn thành 47

Hình 4.3 Màn hình LCD hiển thị các giá trị cần theo dõi 47

Hình 4.4 Động cơ bơm nước.[11] 49

Hình 4.5 Cấu tạo máy bơm ly tâm [11] 50

Hình 4.6 Các dạng bánh xe công tác của bơm ly tâm [4] 50

Hình 4.7 Điểm làm việc của máy bơm [4] 51

Hình 4.8 Đồ thị thể hiện độ nhớt của nước theo nhiệt độ [4] 53

Hình 4.9 sơ đồ điện hệ thống 55

Hình 4.9 Mô hình sau khi thi công hoàn thành 56

Hình 4.10 Mô hình tấm pin mặt trời 56

Hình 4.11 Bộ chuyển đổi DC/DC và động cơ bơm nước 56

Hình 4.12 Đài phun nước [11] 57

Hình 4.13 Thiết lập phần mềm Hyper Terminal 57

Hình 4.14 Kết quả khảo sát ngõ ra thu được 58

1.1.1 Sự tiêu thụ năng lượng hiện tại và trong tương lai.[10].[11]

Theo thống kê mức độ tiêu thụ năng lượng của con người trên hành tinhtrong năm 2004 là khoảng 15 terawatt (TW), bao gồm tất cả mọi thứ Hầu hết nănglượng này (87%) bắt nguồn từ năng lượng hóa thạch Sự phát triển liên tục trongquá trình công nghiệp hóa- hiện đại hóa ở các nước đang phát triển, sự phát triểndân số và tăng phúc lợi của con người nói chung sẽ làm tăng nhu cầu năng lượngcủa con người tăng mạnh trong tương lai Đến năm 2050, dự báo mức tiêu thụ nănglượng của con người là 28 - 35 TW, đó là một thách thức lớn đối với chúng ta hiệnnay khi các nguồn năng lượng có sẵn không thể đáp ứng được nhu cầu hiện tại

Bảng 1.1 Mức dự trữ các nguồn năng lượng hóa thạch

Năng lượng Dầu thô Khí tự nhiên Than đá (Mt) Uranium (Kt)

(*) Với giá thị trường 130 USD/kg

Tại diễn đàn chính sách an ninh năng lượng Châu Á – Thái Bình Dương(ASEM) lần thứ nhất được tổ chức tại Việt Nam tháng 4 năm 2008 với sự tham giacủa 45 nước thành viên của ASEM Vấn đề nóng bỏng được các đại biểu đặt ra đólà: “ làm thế nào để đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng của con người

trong thời gian tới” Hiện nay, sự giới hạn của nguồn năng lượng tỷ lệ nghịch với nhu cầu sử dụng ngày càng tăng của các khu vực và trên thế giới.

Vấn đề an ninh năng lượng của Thế gới đang trở nên bức bách hơn bao giờhết.việc sử dụng năng lượng hiện nay đang tập trung ở nguồn năng lượng hóa thạch

Theo dự báo của Cơ quan năng lượng quốc tế, lượng năng lượng tiêu thụ trênthế giới vẫn tăng đều đặn, trong đó nguồn năng lượng hóa thạch vẫn chiếm ưu thếcho đến năm 2030

Bảng 1.2 Dự đoán lượng tiêu thụ sơ cấp trên thế giới (đơn vị: triệu tấn

dầu)

Nhu cầu năng lượng của từng nước, từng khu vực cũng không giống nhau

Sự tăng trưởng về nhu cầu năng lượng tập trung vào các nước đang phát triển Dựkiến ở các nước này nhu cầu năng lượng sẽ đạt 50% nhu cầu năng lượng của thếgiới vào năm 2030 Các dạng năng lượng truyền thống như than, dầu mỏ, khí đốtv.v…đang ngày càng cạn kiệt Nhiều nước trong khu vực ASEM có nguồn dầu khí,trong đó Brunei, Inđônêsia thuộc nhóm các nước xuất khẩu dầu Nhưng với nhu cầunăng lượng của khu vực như hiện nay sẽ dẫn đến nguy cơ phải chịu sự phụ thuộcvào nhập khẩu năng lượng Theo nghiên cứu dự báo của giám đốc Trung tâm nănglượng ASEM, mức độ phụ thuộc này có thể đạt khoảng 49% đến 58%

Hình 1.1 Mức tiêu thụ các nguồn năng lượng trên thế giới 1990 – 2035

Ở Việt Nam là một nước hiện đang xuất khẩu than Theo Tập đoàn Côngnghiệp Than Khoáng sản Việt Nam – VINACOMIN, trữ lượng than Việt Nam rấtlớn: Quảng Ninh khoảng 10,5 tỷ tấn trong đó đã tìm kiếm thăm dò 3,5 tỉ tấn, chủyếu là than antraxit Đồng bằng sông Hồng dự báo tổng trữ lượng 210 tỉ tấn thanAbitum, các mỏ than ở các tỉnh khác khoảng 400 triệu tấn và riêng than bùn phân

bố hầu hết ở 3 miền khoảng 7 tỉ m3, chủ yếu tập trung ở miền Nam Việt Nam Tuynhiên việc khai thác và xuất khẩu của chúng ta chưa có chiến lược hợp lý, chưa đảmbảo tính bền vững Theo chiến lược phát triển ngành điện, xi măng, phân bón, hóachất… đến năm 2015 khả năng tiêu thụ than trong nước có thể vượt hơn 90 triệutấn Điều đó cảnh báo cho biết, nếu chúng ta không có chiến lược khai thác thanhợp lí thì trong tương lai, chúng ta s ẽ là một nước nhập khẩu than hoặc phải đóngcửa một số nhà máy

Bảng 1.3 Trữ lượng các mỏ than Quảng Ninh (ĐVT: Ngàn tấn)

Tổng trữlượng

Trữ lượng khaithác lộ thiên

Trữ lượng khaithác lò bằng

Trữ lượng khaithác giếng đứngTrữ lượng đã

Hình 1.2 Dự báo nhu cầu năng lượng Việt Nam

Việc khai thác nguồn năng lượng hóa thạch này làm cho chúng ngày càng bịkạn kiệt và tác động rất lớn đến môi trường, như ô nhiễm môi trường, rừng bị tànphá đất bị xói mòn, tăng hiệu ứng nhà kính, băng tan, biến đổi khí hậu v.v Theo

nghiên cứu thống kê của các tổ chức năng lượng, lượng khí CO2 thải bình quân trênđầu người ở các nước công nghiệp như Mỹ là 21tấn/năm (năm 1990), Singapore là

10 tấn/năm, Việt Nam là 0,8 tấn/năm (năm 2003)

Hình 1.3 Mức tiêu thụ điện của Việt Nam

Trước tình hình nguồn năng lượng truyền thống ngày càng cạn kiệt, nhu cầu

sử dụng ngày càng tăng và các vấn đề về môi trường đang là vấn đề thách thức đốivới toàn cầu Điều đó đã d ẫn đến việc tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế và nănglượng tái tạo là một sự lựa chọn tối ưu

1.1.2 Năng lượng tái tạo

Năng lượng tái tạo là các loại năng lượng có từ các nguồn năng lượng không

bị cạn kiệt khi sử dụng hay không cần phải tái tạo trong thời gian ngắn Đó là cácnguồn năng lượng có tiềm năng lâu dài như: thủy điện, gió, bức xạ mặt trời, địanhiệt, thủy triều Một loại năng lượng tái tạo khác có được từ các khối lượng tĩnh(khác với năng lượng động) như khí sinh học (biogas), ethanol sinh học, gỗ và sinhkhối Sinh khối có được từ nguyên vật liệu hữu cơ tiếp tục sinh sôi theo thời gianbằng hiệu ứng quang hợp như cây cối (rơm, trấu, lá cây ) và cả các vật liệu hữu cơbắt nguồn từ đấy như thú vật, vi sinh…

Việc sử dụng năng lượng tái tạo mang lại nhiều ưu điểm tich cực về mặt môitrường Tuy nhiên việc lựa chọn sử dụng và phát triển mô hình năng lượng nào thìphụ thuộc vào từng quốc gia, một số quốc gia tìm đến nguồn năng lượng nguyên tử,một số nước tìm đến nguồn năng lượng có nguồn gốc từ mặt trời, gió, nước, thủy

triều, năng lượng địa nhiệt, sinh khối vv…Việc lựa chọn tùy thuộc vào điều kiện địa

lý, nhu cầu và chính sách năng lượng của quốc gia đó

Mặc dù thế giới đang trải qua giai đoạn khủng hoảng kinh tế nặng nề nhưngthị trường năng lượng tái tạo vẫn phát triển mạnh mẽ, liên tục trong những năm qua.Đây cũng là m ột xu hướng tất yếu mang tính toàn cầu để giải quyết vấn đề nănglượng và bảo vệ môi trường trong thế kỷ 21

Trong giai đoạn 2005 - 2010, tổng công suất NLTT gồm điện mặt trời, điệngió, nhiệt điện, nước nóng NLMT và nhiên liệu sinh học…tăng với tốc độ trungbình từ khoảng 15% đến gần 50% hàng năm Đặc biệt điện mặt trời đã tăng với tốc

độ nhanh nhất trong giai đoạn trên Tiếp theo là nhiên liệu sinh học và điện gió.Thủy điện nhỏ, điện và nhiệt sinh khối (SK), điện và địa nhiệt tăng với tốc độ trungbình trong khoảng 3 -9%/ năm Năm 2009, NLTT đã cung cấp trên 16% tổng tiêuthụ NL cuối cùng trên thế giới

Nói riêng về thị trường điện NLTT trong năm 2010, tổng công suất phát điệnNLTT được xây dựng mới trên thế giới là 194 GW, chiếm khoảng 50% tổng côngsuất phát điện được xây dựng thêm trong năm Tỷ lệ điện năng sản xuất từ cácnguồn sơ cấp khác nhau được cho trong Bảng 1.5

Bảng 1.5 Tỷ lệ sản xuất điện năng của thế giới năm 2010

Trong đó: Thủy điện nhỏ 16,1 và NLTT khác 3,3%

Tổng công suất phát điện NLTT trên thế giới đến năm 2010 là 4.950 GW,chiếm khoảng 25% tổng công suất phát điện và cung cấp gần 20% điện năng trêntoàn cầu, trong đó thủy điện nhỏ chiếm một tỷ lệ rất lớn (16,1%, Bảng 1.5) Nếukhông kể thủy điện nhỏ thì tổng công suất phát điện NLTT là 312 GW, tăng 25% sovới 2009 (250 GW), trong đó phát điện NL gió tăng nhanh nhất, với công suất lắpthêm năm 2010 là 39 GW, tiếp theo điện mặt trời tăng 17 GW Các nước dẫn đầu vềcông suất phát điện NLTT đến cuối năm 2010 (không kể thủy điện nhỏ) là TrungQuốc, Mỹ, Canada, Brazin, Ấn độ và Đức (Hình 1.4)

Hình 1.4 Công suất phát điện xây dựng năm 2010 (không kể thủy điện nhỏ) (ĐVT:

GW)Phát điện năng lượng tái tạo (NLTT) có vai trò rất quan trọng ở khu vực châu

Âu (EU) Năm 2010, công suất NLTT được xây dựng thêm là 22,6 GW, chiếmkhoảng 41% tổng công suất phát điện xây dựng mới Đặc biệt với cường độ bức xạmặt trời không cao và giá đầu tư còn cao nhưng đi ện mặt trời đã phát tri ển rấtmạnh, chiếm hơn 50% tổng công suất NLTT lắp thêm năm 2010

Như vậy có thể thấy trong lĩnh vực NLTT công nghệ phát triển nhất trongcác nguồn năng lượng tái tạo đó là năng lượng mặt trời

1.1.3 Năng lượng mặt trời

Ánh sáng mặt trời là một nguồn năng lượng dồi dào, trong 10 phút truyền xạ,Trái Đất nhận một năng lượng khoảng 5x1020 J (500 tỷ tỷ Joule), tương đương vớilượng tiêu thụ của toàn thể nhân loại trong vòng một năm Trong 36 giờ truyền xạ,mặt trời cho chúng ta một năng lượng bằng tất cả những giếng dầu của quả đất.Năng lượng mặt trời vì vậy gần như vô tận Hơn nữa, nó không phát sinh các loại khí nhà kính và khí gây ô nhiễm môi trường

Hình 1.5 Lượng năng lượng mặt trời cung cấp cho Trái Đất

Hiện tại năng lượng mặt trời được sử dụng dưới hai dạng chính:

Nhiệt mặt trời (sử dụng dưới dạng nhiệt năng)

Công nghệ nhiệt mặt trời có thể được sử dụng cho đun nước nóng, sưởi ấmkhông gian, làm mát không gian và quá trình sinh nhiệt Có thể kể đến một số ứngdụng cụ thể dưới dạng này như :

- Hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời sử dụng ánh sáng mặt trời để làmnóng nước Hệ thống này thường được sử dụng ở các khu vực trong vĩ độ địa lýthấp (dưới 40°C) nhiệt độ của nước qua hệ thống có thể lên đến 60°C

- Hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời sử dụng ánh sáng mặt trời để làmnóng nước Hệ thống này thường được sử dụng ở các khu vực trong vĩ độ địa lýthấp (dưới 40°C) nhiệt độ của nước qua hệ thống có thể lên đến 60°C

Hình 1.6 Hệ thống nước nóng đun bằng năng lượng Mặt Trời

- Tại Mỹ, hệ thống sưởi ấm, thông gió và điều hòa không khí (HVAC),chiếm 30% (4,65 EJ) năng lượng được sử dụng trong các tòa nhà thương mại

và gần 50% (10,1 EJ) năng lượng sử dụng trong các tòa nhà dân cư

- Khử trùng nước bằng năng lượng mặt trời (SODIS): phương pháp này dùng cácchai nhựa polyethylene terephthalate (PET) đổ đầy nước và phơi chúng dưới ánhsáng mặt trời trong vài giờ Thời gian phơi sáng khác nhau tùy thuộc vào thời tiết vàkhí hậu (tối thiểu là sáu giờ đến hai ngày trong điều kiện hoàn toàn u ám) Hơn haitriệu người ở các nước đang phát triển sử dụng phương pháp này đối với nước uốnghàng ngày của họ

- Bếp năng lượng mặt trời sử dụng ánh sáng mặt trời để nấu nướng, làm khô và khửtrùng Chúng có thể được nhóm lại thành ba loại lớn: bếp hộp, bếp tấm và bếp phảnxạ

Điện mặt trời

Sử dụng thông qua sự chuyển hoá năng lượng mặt trời thành điện năng: việcchuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện có thể thực hiện trực tiếp bằng cách sửdụng quang điện (PV), hoặc gián tiếp bằng cách sử dụng

trung(CSP)

điện mặt trời tập

Các hệ thống điện mặt trời tập trung (CSP) sử dụng ống kính, gương và các

hệ thống theo dõi để tập trung một khu vực rộng lớn của ánh sáng mặt trời vào một

chùm nhỏ (Hình 1.7) Nhiệt tập trung sau đó được sử dụng như một nguồn nănglượng cho một nhà máy điện thông thường Các nhà máy CSP thương mại đượcphát triển đầu tiên vào những năm 1980, nhà máy CSP SEGS 354 MW là nhà máyđiện mặt trời lớn nhất trên Thế giới và nằm ở sa mạc Mojave của California Cácnhà máy CSP lớn khác bao gồm Nhà máy điện mặt trời Solnova (150 MW) và Nhàmáy điện mặt trời Andasol (100 MW) ở Tây Ban Nha.

Hình 1.7 Công nghệ nhiệt Mặt Trời sử dụng máng hội tụ Parabol

Pin quang điện (PV): chuyển đổi ánh sáng thành dòng điện bằng cách sửdụng hiệu ứng quang điện Hệ thống pin mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quangđiện), là những thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các diot p-n, duới sự hiện diện củaánh sáng mặt trời có khả năng tạo ra dòng điện sử dụng được Sự chuyển đổi nàygọi là hiệu ứng quang điện Các pin năng lượng mặt trời có nhiều ứng dụng Chúngđặc 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 điện thoại cầmtay từ xa

Hình 1.8 Một Cell Pin Mặt Trời

Trong những năm gần đây, tình hình phát triển năng lượng tái tạo rất khả quan Đặcbiệt là sự phát triển mạnh mẽ của năng lượng gió, tuy nhiên năng lượng mặt trời vẫnđóng vai trò chủ đạo Tình hình phát triển năng lượng mặt trời trên thế giới có thểtổng kết như sau:

Lắp đặt mới năm 2010, toàn thế giới: 16.6 GW

Tổng lắp đặt tính đến cuối năm 2010: 39.5 GW

Điện sản xuất từ pin MT2 năm 2010, toàn thế giới: 47 000 GWhLượng phát điện ròng ở Đức năm 2009: 617 000 GWh

Sản lượng điện thương mại Việt Nam 2010: 86 000 GWh

Hình 1.9 Tổng công suất lắp đặt Pin Mặt Trời trên thế giới từ năm 2005-2010

Hiện nay, trên thế giới và trong nước đã có nhi ều công trình nghiên cứu về

hệ thống Pin mặt trời với mục đích nâng cao hiệu suất và giảm giá thành sản xuất của Pin mặt trời.

1.1.4 Hệ thống bơm nước sử dụng năng lượng mặt trời

Đây là một ứng dụng của pin mặt trời trong thực tế, rất phù hợp với nước tatrong tình hình năng lượng điện thiếu hụt như hiện nay Máy bơm năng lượng mặttrời mang tính khả thi về kinh tế cho hệ thống thủy lợi, chẳng hạn như tưới nhỏ giọt,trong đó lượng nước sử dụng ít nước hơn các loại khác Hệ thống bơm năng lượngmặt trời hoạt động bằng cách chuyển đổi năng lượng bức xạ mặt trời thành điệnnăng thông qua việc sử dụng tế bào quang điện (PV) Các tế bào quang điện đươcđấu nối với nhau để tạo ra một module năng lượng mặt trời Điện được sản xuất bởicác tế bào PV được sử dụng trực tiếp đến máy bơm nước chìm Các máy bơm nư ớcđược sử dụng để bơm nước ra khỏi nguồn nước giếng hoặc nguồn nước mặt chẳnghạn như một ao hồ để bơm vào một bể chứa nước chăn nuôi hoặc bể giữ nước trêncao Nước từ bể chứa trên cao có thể được cung cấp cho vật nuôi hoặc bể chứa nước

sử dụng khác khi cần thiết Các máy bơm có thể có một phao để dừng bơm khi bểnước được cấp nước đầy

Hệ thống này rất phù hợp cho những khu vực không có điện lưới, hoặc khinguồn điện lưới có sẵn không cung cấp đủ năng lượng Để có thể sử dụng nguồnđiện từ pin PV, bơm chìm trong hệ thống này có thể là bơm DC, hoặc có thể là bơm

AC kết hợp với bộ biến đổi DC - AC Tuy nhiên đối với các ứng dụng vừa và nhỏ,việc sử dụng hệ thống bơm DC mang lại những hiệu quả cao hơn về mặt kinh tế -

kỹ thuật : thứ nhất, máy bơm DC sử dụng ít năng lượng hơn so với máy bơm ACcùng công suất, thứ hai hệ thống bơm DC không đòi hỏi phải sử dụng bộ biến đổinhư AC, thứ ba, mô men máy bơm DC tạo ra lớn Vì vậy khi sử dụng hệ thống bơmtrực tiếp DC, hiệu suất bơm của hệ thống được cải thiện, ngoài ra hệ thống bơm DC

sử dụng ít năng lượng hơn, và không bù tổn hao ở bộ điều khiển nên sẽ giảm đượccông suất đầu vào từ tấm pin, làm cho kích thước hệ thống giảm và chi phí đầu tưgiảm đi

Hình 1.10 Hệ thống bơm nước sử dụng năng lượng Mặt Trời

1.2 Các đề tài nghiên cứu đã th ực hiện

Hiện nay trong nước và trên thế giới cũng đã có nhi ều đề tài nghiên cứu liên quanđến hệ thống này như :

• Kyocera Solar Inc, Solar Water Pump Applications Guide, 2001

• B Eker, Solar Powered Water Pumping Systems, Trakia Journal of Sciences, Vol 3, No 7, pp 7-11, 2005

• Akihiro Oi, Design and simulation of photovoltaic water pumping system,26th September, 2005

• Mukesh Kumar Gupta, Rohit Jain, "MPPT Simulation with DC SubmersibleSolar Pump using Output Sensing Direct Control Method and Cuk Converter",

International journal of renewable energy research, Vol.3, No.1, 2013.

• TS Vũ Ngọc Hải, Nghiên cứu chế tạo trạm bơm nước thủy lợi sử dụng nănglượng Mặt Trời kết hợp năng lượng gió, Đại học Nguyễn Tất Thành

• Ngô Minh An, Luận văn : “Mô phỏng, thi công hệ thống pin mặt trời nuôi tải

DC Tìm hiểu vận hành hệ thống pin mặt trời độc lập”, Đại học Bách KhoaTP.HCM, 06/2008

Tuy nhiên các đề tài trên chỉ tập trung tìm hiểu, thiết kế hệ thống bơm thỏa mãncông suất tải yêu cầu mà chưa đi sâu nghiên cứu cải thiện hiệu suất hệ thống, hạ giáthành sản xuất

1.3 Định hướng của đề tài

• Đề tài tập trung nghiên cứu:

o Nghiên cứu cấu trúc, nguyên lý hoạt động của Pin Mặt Trời

o Nghiên cứu cách thức nâng cao hiệu suất hệ thống

• Xây dựng mô hình :

o Xây dựng mô phỏng hệ thống dưới các điều kiện độ rọi và nhiệt độ khác nhau

o Xây dựng mô hình hệ thống thực tế

o Xây dựng thuật toán bám điểm công suất cực đại cho Pin Mặt Trời

1.4 Nhiệm vụ của đề tài

• Nghiên cứu tổng quan hệ thống bơm nước tưới tiêu sử dụng trực tiếp nguồnđiện từ pin Mặt Trời

• Nghiên cứu nâng cao hiệu suất hệ thống bằng các phương pháp dò tìm côngsuất cực đại

• Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ điều khiển tối ưu công suất, giám sát, đolường điện năng cho hệ thống

• Xây dựng mô hình pin Mặt Trời có xét đến ảnh hưởng của bóng che, phântích các đặc tuyến I-V, P-V của pin Mặt Trời, sự phụ thuộc các đặc tính của pin MặtTrời dưới các điều kiện môi trường

• Đề xuất phương pháp dò tìm công suất cực đại, xét đến ảnh hưởng của bóngche

• Thi công phần cứng dò tìm điểm cực đại khi bị bóng che

• Xây dựng, chế tạo mô hình phục vụ nghiên cứu

• Khảo sát, đánh giá ảnh hưởng của các thông số liên quan đến quá trình chếtạo hệ thống bơm nước dùng trực tiếp nguồn điện mặt trời.

• Vận hành thử nghiệm và hiệu chỉnh thông số cho hệ thống

• Kiểm tra, đánh giá hiệu quả kinh tế của hệ thống

• Triển khai kết quả nghiên cứu trong thực tế

1.5 Kết quả mong muốn

• Xây dựng được chương trình mô phỏng thuật toán MPPT có xét đến bóng che

• Xây dựng thành công mô hình bơm nước sử dụng trực tiếp nguồn năng lượng Mặt Trời, hiệu suất cao, giá thành thấp

• Đưa mô hình triển khai vào thực tế

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG

PIN MẶT TRỜI 2.1 Mặt Trời và nguồn bức xạ Mặt Trời

Hình 2.1 Cấu trúc Mặt Trời.[11].

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

bề mặt Trái Đất, bằng khoảng 1370W/m2 Ánh sáng Mặt Trời bị hấp thụ một phầntrên bầu khí quyển Trái Đất, nên một phần nhỏ hơn tới được bề mặt Trái Đất, gần1000W/m2 năng lượng Mặt Trời tới Trái Đất trong điều kiện trời quang đãng Nănglượng này có thể dùng vào các quá trình tự nhiên hay nhân tạo Quá trình quang hợptrong 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 lượngMặt Trời, hay chuyển thành điện năng bằng các pin năng lượng Mặt Trời Nănglượng dự trữ trong dầu mỏ được giả định rằng là nguồn năng lượng của Mặt Trờiđược chuyển đổi từ xa xưa trong quá trình quang hợp và phản ứng hóa sinh của sinhvật cổ

Trong toàn bộ bức xạ của Mặt Trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các phản

là sóng ngắn nhất trong các sóng đó, từ 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 bướcsóng dài Như vậy bức xạ chuyển thành bức xạ Rơnghen có bước sóng dài hơn Gầnđến bề mặt Mặt Trời nơi có nhiệt độ đủ thấp để có thể tồn tại vật chất trong trạngthái nguyên tử và các cơ chế khác bắt đầu xảy ra

Hình 2.2 Dãy bức xạ điện từ [7].

Đặc trưng của bức xạ Mặt Trời truyền trong không gian bên ngoài Mặt trời làmột phổ rộng và hầu như một nửa tổng năng lượng Mặt Trời tập trung trong khoảngbước sóng 0,38 - 0,78 µm đó là vùng nhìn thấy của phổ

Chùm tia truyền thẳng từ Mặt Trời gọi là bức xạ trực xạ Tổng hợp các tiatrực xạ và tán xạ gọi là tổng xạ ật đ dòng bức xạ trực xạ ở ngoài lớp khí quyển,tính đối với với 1m2 mặt đặt v c với tia ức xạ, được tính theo công thức:

q = _ T / 100 )

(2.1)Trong đó : _ - Hệ s óc b xạ ữa Trái Đất và Mặt Trời

_ = /4 4 (

2): góc nhìn Mặt Trời và ≈ 32 như Hình

2.2

=5.67W/m2.K4- Hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối.

T K- Nhiệt độ bề mặt Mặt Trời ( xem giống như vậtđen tuyệt đối ).

Vậy:

q =

Hình 2.3 Góc nhìn Mặt Trời

5.67 1353 w /

Do khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trời thay đổi theo mùa trong năm nên

β cũng thay đổi, do đó q cũng thay đổi nhưng độ thay đổi không lớn lắm nên có thểxem q là không đổi và được gọi là hằng số Mặt Trời

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

Các bức xạ với bước sóng ứng với các vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoạicủa phổ tương tác với các phân tử khí và các hạt bụi của không khí nhưng khôngphá vỡ các liên kết của chúng, khi đó các photon được tán xạ khá đều theo mọihướng và một số photon quay trở lại không gian vũ trụ Bức xạ chịu dạng tán xạ đóchủ yếu là bức xạ có bước sóng ngắn nhất Sau khi phản xạ từ các phần khác nhaucủa khí quyển bức xạ tán xạ đi đến chúng ta mang theo màu xanh lam của bầu trờitrong sáng và có thể quan sát được ở những độ cao không lớn Các giọt nước cũngtán xạ rất mạnh bức xạ Mặt Trời Bức xạ Mặt Trời khi đi qua khí quyển còn gặpmột trở ngại 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 bướcsóng, mạnh nhất ở khoảng giữa vùng hồng ngoại của phổ.

Phần năng lượng bức xạ Mặt Trời truyền tới bề mặt Trái Đất trong nhữngngày quang đãng (không có mây) ở thời điểm cao nhất vào khoảng 1000W/m2

2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Pin Mặt Trời

Pin năng lượng Mặt Trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện), là thiết bịbán dẫn chứa lượng lớn các diod p-n, dưới sự hiện diện của ánh sáng Mặt Trời cókhả năng tạo ra dòng điện sử dụng được Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quangđiện

Các pin năng lượng Mặt Trời có nhiều ứng dụng Chúng đặc biệt thích hợpcho các vùng mà điện năng trong mạng lưới chưa vươn tới, các vệ tinh quay xungquanh quỹ đạo Trái Đất, máy tính cầm tay, thiết bị bơm nước Pin năng lượng MặtTrời (tạo thành các module hay các tấm năng lượng Mặt Trời) xuất hiện trên nóccác tòa nhà nơi chúng có thể kết nối với bộ chuyển đổi của mạng lưới điện

Hình 2.3 Một cell pin Mặt Trời.[2].

Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý phápAlexandre Edmond Becquerel Tuy nhiên cho đến 1883 một pin năng lượng mớiđược chế tạo thành công, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen mộtlớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối Russell Ohl được xem là người tạo ra pinnăng lượng Mặt Trời đầu tiên năm 1946, tuy nhiên nó chỉ có hiệu suất 1% Pin MặtTrời lần đầu tiên được ứng dụng là trên vệ tinh Vangaurd 1 của Mỹ, được phóngnăm 1958 Ngày nay pin Mặt Trời được sản xuất trên toàn thế giới đặc biệt là ở cácnước tiên tiến như Mỹ, Đức, Tây Ban Nha…

2.2.1 Cấu tạo pin Mặt Trời

Cấu tạo của pin Mặt Trời là một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năngbiến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ Mặt Trời thành điện năng nhờ hiệu ứngquang điện bên trong

Hình 2.4 Cấu tạo pin Mặt Trời.[10].[6].

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 PinMặt Trời đơn tinh thể có thể đạt hiệu suất từ 11%-16% Chúng thường rất đắt tiền

do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nốicác module

- Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc từ Silic nung chảy cẩn thận được làm nguội và làmrắn Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn, từ8%-11% Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiềuhơn 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 vìkhông cần phải cắt từ thỏi silicon

Hình 2.5 Các loại cấu trúc tinh thể của pin Mặt Trời [11].

Silic thuộc nhóm IV, tức là có 4 electron lớp ngoài cùng Silic có thể kết hợpvới 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 khônggian 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 tầngnăng lượng không được phép này xem là tầng trống Lý thuyết này căn cứ theothuyết cơ học lượng tử

Ở nhiệt độ phòng, silic nguyên chất có tính dẫn điện kém Trong cơ họclượng tử, giải thích thực tế tại mức năng lượng Fermi trong tầng trống Để tạo rasilic có tính dẫn điện tốt hơn, có thể thêm vào một lượng nhỏ các nguyên tử nhómIII 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 tựnhư là một silic Tuy nhiên các phân tử nhóm III có 3 electron ngoài cùng vànguyên tử nhóm V có 5electron ngoài cùng, vì thế nên có chỗ trong mạng tinh thể

có dư electron còn có ch ỗ thì thiếu electron Vì thế các electron thừa hay thiếuelectron (gọi là lỗ trống) không tham gia vào các kết nối mạng tinh thể Chúng cóthể tự do di chuyển trong khối tinh thể Silic kết hợp với nguyên tử nhóm III (nhômhay gali) được gọi là loại bán dẫn p bởi vì năng lượng chủ yếu mang điện tíchdương (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) Lưu ý r ằng cả hai loại n

và p có năng lượng trung hòa, tức là chúng có cùng năng lượng dương và âm, loạibán 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 dụnglàm pin mặt trời Gali asenua đặc biệt tạo nên để dùng cho pin Mặt Trời, tuy nhiênthỏi tinh thể silic cũng có thể dùng được với giá thành thấp hơn, sản xuất chủ yếu đểtiêu thụ trong công nghiệp vi điện tử Đa tinh thể silic có hiệu quả kém hơn nhưnggiá tiền cũng thấp hơn

Hình 2.6 Một số loại panel pin Mặt Trời [10].[11].

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

Các tấm tinh thể mỏng hình đĩa, đư ợc đánh bóng để loại bỏ các khuyết tậttrong quá trình cắt, chất kích thích được dùng cho các pin, và các tấm kim loại dẫntruyền đặt vào một mặt: một lưới mỏng trên bề mặt chiếu ánh sáng Mặt Trời, và mặtphẳng trên mặt còn lại Tấm năng lượng Mặt Trời tạo thành từ các pin như vậy cắttheo hình dạng thích hợp, được bảo vệ khỏi tia bức xạ và hư hại trên mặt trước bằngcác miếng gương, dán vào chất nền Sự liền mạch được tạo nên thành các dãy songsong 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 thểchuyển hóa thành năng lượng Một khi các pin bị làm nóng thì giảm hiệu suất hoạtđộng vì thế nên phải làm giảm thiểu nhiệt năng

Hình 2.7 Quá trình tạo một panel pin Mặt Trời.[6]

2.2.2 Nguyên lý hoạt động pin Mặt Trời

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

Hình 2.8 Nguyên lý hoạt động của pin Mặt Trời

Hình 2.9 Hệ thống 2 mức năng lượng trong đó E2>E1 [6].[7].

Phương trình cân bằng năng lượng:

hv = E2 - E1 (2.3)Trong các vật rắn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vànhngoài, nên các 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 ởtrạng thái cân bằng gọi là vùng hoá trị mà bên trên của nó có năng lượng Ev Vùngnăng lượng phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi làvùng dẫn, bên dưới của vùng có năng lượng là Ec, cách ly giữa vùng hóa trị và vùngdẫn đó gọi là một vùng cấm có độ rộng năng lượng là Eg, trong đó không có mứcnăng lượng cho phép nào của điện tử

Khi ánh sáng chiếu đến vật rắn có vùng năng lượng nói trên, photon có nănglượng hv tới hệ thống, bị điện tử của vùng hoá trị hấp thụ và nó có thể chuyển lênvùng 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 cóthể di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện

Hình 2.10 Các vùng năng lượng [6].

Phương trình hiệu ứng lượng tử:

Ev + hv → e- + h+ (2.4)Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lượng của photon và chuyển từvùng hoá trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử–lỗ trống là:

hv > Eg = Ec – Ev (2.5)Suy ra bước sóng tới hạn λC của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e- - h+

λC = hc/(Ec – Ev) (2.6)Vậy khi chiếu sáng vào vật rắn, điện tử ở vùng hoá trị hấp thụ năng lượngphoton hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử– lỗ trống e-h+, tức làtạo 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 ratrên lớp tiếp xúc p-n

Hình 2.11 Nguyên lý hoạt động của hiện tượng quang điện

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 nănglượng của photon thấp hơn năng lượng đủ để đưa các hạt electron lên mức nănglượng cao hơn

- Năng lượng của photon được hấp thụ bởi silic Điều này thường xảy ra khinăng lượng của photon lớn hơn năng lượng để đưa electron lên mức năng lượng caohơn

Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các hạtelectron trong màng tinh thể Thông thường các electron này lớp ngoài cùng, vàthường được kết dính với các nguyên tử lân cận vì thế không thể di chuyển xa Khielectron được kích thích, trở thành dẫn điện, các electron này có thể tự do di chuyểntrong bán dẫn Khi đó nguyên tử sẽ thiếu 1 electron và đó gọi là lỗ trống Lỗ trốngnày 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 "lỗt rống" Cứ tiếp tục