Đang tải... (xem toàn văn)
[r]
(1)o Ki n th c v pin m t tr i, l ch s phát tri n pin m t tr i.ế ứ ề ặ ị ể ặ o C u t o và nguyên lý ho t đ ng c a t bào quang đi n.ấ ạ ộ ủ ế ệ o Các đ c tr ng c a pin m t tr i.ặ ủ ặ
o Cách ghép n i modul pin m t tr i.ố ặ o H th ng ngu n đi n pin m t tr i.ệ ố ệ ặ
o Các bước tính tốn, thi t k h th ng pin m t tr i cơng su t nh ế ế ệ ố ặ ấ ỏ
Câu h i chỏ ương 3:
Câu 1: Pin quang đi n là gì? Trình bày c u t o và nguyên lý ho t đ ng c a pin quangệ ấ ạ ộ ủ n?ệ
Câu 2: Tình hình s d ng năng lử ụ ượng m t tr i trên th gi i và ti m năng phát tri n ặ ế ề ể ở Vi t Nam?ệ
Câu 3: Các đ c tr ng c a pin m t tr i?ặ ủ ặ
Câu 4: Trình bày s đ h th ng ngu n đi n pin m t tr i?ơ ệ ố ệ ặ
(2)Chương 3: Đi n m t tr iệ ặ ờ
M t tr i là m t kh i c u có đặ ộ ố ầ ường kính khống 1,4 tri u km v i thành ph n g m cácệ ầ khí có nhi t đ r t cao. Nhi t đ bên trong m t tr i đ t đ n g n 15 tri u đ , v i ápệ ộ ấ ệ ộ ặ ế ầ ệ ộ su t g p 70 t l n áp su t khí quy n c a Trái đ t. Đây là đi u ki n lý tấ ấ ỷ ầ ấ ể ủ ấ ề ệ ưởng cho các ph n ng phân h ch c a các nguyên t hydro. B c x gamma t các ph n ng phânả ứ ủ ả ứ h ch này, trong quá trình đạ ược truy n t tâm m t tr i ra ngoài, tề ặ ương tác v i cácớ nguyên t khác bên trong m t tr i và chuy n thành b c x có m c năng lố ặ ể ứ ứ ượng th pấ h n, ch y u là ánh sáng và ph n nhi t c a ph năng lơ ủ ế ầ ệ ủ ổ ượng. B c x đi n t này, v iứ ệ ph năng lổ ượng tr i dài t c c tím đ n h ng ngo i, phát ra khơng gian m i hả ự ế ọ ướng khác nhau. Q trình b c x c a m t tr i di n ra t 5 t năm nay, và s cịn ti p t ủ ặ ễ ỷ ẽ ế ụ trong kho ng 5 t năm n a.ả ỷ ữ
(3)1.367MW/m2 ngo i t ng khí quy n c a Trái đ t, 30% b c x này b ph n x l i vở ạ ầ ể ủ ấ ứ ạ ị ả ạ ề không gian, 70% được h p th b i m t đ t, đ i dấ ụ ặ ấ ương và khí quy n chuy n thànhể ể nhi t sau đó t a l i v khơng gian. Ch m t ph n nh NLMT đệ ỏ ề ỉ ộ ầ ỏ ượ ục s d ng thì có thể đáp ng đứ ược nhu c u v năng lầ ề ượng c a th gi i.ủ ế
M t tr i là ngu n năng lặ ượng mà con người có th t n d ng để ậ ụ ược: s ch s , đáng tinạ ẽ c y, g n nh vô t n và có kh p m i n i. Vi c thu gi NLMT khơng th i ra khí vàậ ầ ậ ắ ọ ệ ữ ả nước đ c h i, do đó khơng góp ph n vào v n đ ơ nhi m mơi trộ ầ ấ ề ễ ường và hi u ng nhàệ ứ kính
Ti m năng v NLMT trên th gi i: phân b không đ ng đ u trên th gi i, m nh nh tề ề ế ố ề ế ấ là vùng xích đ o và vùng khơ h n, gi m d n v phía c c trái đ t (Ph l c 2.2.1). Ti mạ ả ầ ề ự ấ ụ ụ ề năng kính t s d ng NLMT ph thu c vào v trí đ a đi m trên trái đ t, ph thu c vàoế ụ ụ ộ ị ị ể ấ ụ ộ đ c đi m khí h u, th i ti t c th c a t ng vùng mi n. Theo s lặ ể ậ ế ụ ể ủ ề ố ượng th ng kê b cố ứ x trung bình c a m t đ a đi m trên th gi i vào kho ng 2000kWh/mạ ủ ộ ị ể ế ả 2/năm.
Ti m năng v NLMT Vi t Nam: phân b khôn đ ng đ u trên lãnh th Vi t Nam doề ề ệ ố ề ổ ệ đ c đi m đ a hình khí h u khác nhau c a hai mi n Nam và B c. Nói chung là cặ ể ị ậ ủ ề ắ ường đ năng lộ ượng b c x không cao và thay đ i th t thứ ổ ấ ường
B ng 3.1 Ti m năng NLMT m t s nả ề ộ ố ước trên th gi i [4]ế
STT Qu c giaố Ti m năngề
tWh/năm
B c x trung bìnhứ ạ kWh/m2/năm
1 Angiêri 13,9 1970
2 Ai C pậ 36,0 2450
3 B Đào Nhaồ 3,0 1910
4 Cô oét 2,5 1900
5 Hy L pạ 4,0 1730
(4)7 Ir cắ 6,8 2050
8 Ý 10,0 1800
9 Li Băng 1,5 1920
10 Mar cố 17,0 2000
11 Saudi Arabi 13,9 2130
12 Tây Ban Nha 5,0 2000
B ng 3.2 Ti m năng NLMT Vi t Nam[4]ả ề ệ Vùng Gi n ngờ ắ
trong năm
B c xứ ạ kcal/cm2/năm
Kh năngả ng d ng ứ ụ
Đông b cắ 15001700 100125 Th pấ
Tây b cắ 17501900 125150 Trung bình
B c trung bắ ộ 1700200 140160 T tố
Tây nguyên, nam trung
bộ 20002600 150175 R t t tấ ố
Nam bộ 22002500 130150 R t t tấ ố
Trung bình c nả ước 17002500 100175 T tố Hai ng d ng chính c a NLMT là: ứ ụ ủ
Nhi t m t tr i :ệ ặ ờ Chuy n b c x m t tr i thành nhi t năng, s d ng các hể ứ ặ ệ ụ ệ
th ng số ưởi ho c đ đun nặ ể ướ ạc t o h i quay turbin đi n.ơ ệ
Đi n m t tr i: ệ ặ ờ Chuy n b c x m t tr i (d ng ánh sáng) tr c ti p thành đi nể ứ ặ ự ế ệ
năng (hay còn g i là quang đi n – photovoltaics PV).ọ ệ
Hai d ng h th ng dân d ng s d ng NLMT ph bi n nh t hi n nay là h th ngạ ệ ố ụ ụ ổ ế ấ ệ ệ ố nhi t NLMT và h th ng quang đi n cá nhân. M t s h th ng khác là: H th ng đunệ ệ ố ệ ộ ố ệ ố ệ ố nước m t tr i, máy b m NLMT và đi n m t tr i s d ng cho các tr m truy n thôngặ ệ ặ ụ ề vô tuy n vùng sâu vùng xa. ế
(5)m t tr i thông qua c i thi n k thu t cũng nh tr v n.ặ ả ệ ỹ ậ ợ ố 3.1Pin m t tr i và l ch s phát tri nặ ờ ị ử ể
Quang đi n là m t hi n tệ ộ ệ ượng ánh sáng sinh đi n. Khi ánh sáng r i trên b m t m tệ ọ ề ặ ộ v t. V t s h p th năng lậ ậ ẽ ấ ụ ượng nhi t c a ánh sáng cho đ n t n s th i gian đ t đ nệ ủ ế ầ ố ế m c h p th cao nh t. V t s khơng cịn h p th năng lứ ấ ụ ấ ậ ẽ ấ ụ ượng nhi t c a ánh sáng. T iệ ủ th i đi m này năng ờ ể lượng ánh sáng s tách đi n t r i kh i b m t c a v t tr thànhẽ ệ ỏ ề ặ ủ ậ n t t do có kh năng làm cho v t tr thành d n đi n. ệ ự ả ậ ẫ ệ
Hi u ng quang đi n đệ ứ ệ ược phát hi n đ u tiên năm 1839 b i nhà v t lý Pháp Alexandreệ ầ ậ Edmond Becquerel. Tuy nhiên cho đ n 1883 m t pin năng lế ộ ượng m i đớ ượ ạc t o thành, b i Charles Fritts, ông ph lên m ch bán d n selen m t l p c c m ng vàng đ t o nênở ủ ẫ ộ ự ỏ ể m ch n i, ạ ố thi t b ch có hi u su t 1%. Russell Ohl xem là ngế ị ỉ ệ ấ ườ ại t o ra pin năng lượng m t tr i đ u tiên năm 1946. Sven Ason Berglund đã có phặ ầ ương pháp liên quan đ nế vi c tăng kh năng c m nh n ánh sáng c a pin.ệ ả ả ậ ủ
Năm 1887 Heinrich Hertz quan sát th y hi u ng quang đi n ngoài đ i v i các kim lo iấ ệ ứ ệ ố (cũng là năm ông th c hi n thí nghi m phát và thu sóng đi n t ). Sau đó Aleksandrự ệ ệ ệ Grigorievich Stoletov đã ti n hành nghiên c u m t cách t mĩ và xây d ng nên các đ nhế ứ ộ ỷ ự ị lu t quang đi n. ậ ệ
M t trong các cơng trình c a Albert Einstein xu t b n trên t p chí Annal der Physik đãộ ủ ấ ả lý gi i m t cách thành công hi u ng quang đi n cũng nh các đ nh lu t quang đi nả ộ ệ ứ ệ ị ậ ệ d a trên mơ hình h t ánh sáng, theo thuy tự ế lượng t v a đử ược công b năm 1900 c aố ủ Max planck. Các cơng trình này d n đ n s cơng nh n v b n ch t h t c a ánh sángẫ ế ự ậ ề ả ấ ủ và s phát tri n c a lý thuy t lự ể ủ ế ưỡng tính sóngh t c a ánh sáng.ạ ủ
3.2 Ngun lý ho t đ ng c a t bào quang đi nạ ộ ủ ế ệ
(6)Hi n tệ ượng ánh sáng làm b t các electron ra kh i m t kim lo i g i là hi n tậ ỏ ặ ọ ệ ượng quang đi n (ngồi).ệ
Ánh sáng kích thích ch có th làm b c các electron ra kh i m t kim lo i khi bỉ ể ậ ỏ ộ ước sóng c a nó ng n h n ho c b ng gi i h n quang đi n c a kim lo i đó. ủ ắ ặ ằ ệ ủ
(3.1) Trong đó:
: b c sóng ánh sáng
λ ướ
λ0: gi i h n quang đi n c a kim lo i.ớ ệ ủ
A: Cơng thốt h, c: h ng s ằ ố
Hình 3.2 Hi n tệ ượng ánh sáng làm b t electron ra kh i b m t kim lo iậ ỏ ề ặ 3.2.2 Hi n tệ ượng quang đi n trongệ
(7)v i nút m ng tinh th Khơng có êlectron t do. Khi đó các ch t nói trên là ch t cáchớ ể ự ấ ấ nệ
Khi chi u sáng ch t quang d n, mế ấ ẫ ỗi phơtơn c a ánh sáng kích thích s truy n tồn bủ ẽ ề ộ năng lượng c a nó cho m t êlectron liên k t. N u năng lủ ộ ế ế ượng mà êlectron nh n đậ ược đ l n thì êlectron đó có th đủ ể ược gi i phóng kh i m i liên k t đ tr thành êlectronả ỏ ố ế ể d n và tham gia vào quá trình dẫ ẫn n. M t khác, khi êlectron liên k t đệ ặ ế ược gi iả phóng thì nó s đ l i m t l tr ng. L tr ng này cũng tham gia vào quá trình dẽ ể ộ ỗ ố ỗ ố ẫn n. K t qu là kh i ch t nói trên tr thành ch t dệ ế ả ố ấ ấ ẫn đi n.ệ
Hi n tệ ượng ánh sáng gi i phóng các electron liên k t đ cho chúng tr thành cácả ế ể electron d n, đ ng th i t o ra các l tr ng cùng tham gia vào quá trình d n đi n g i làẫ ỗ ố ẫ ệ ọ hi n tệ ượng quang đi n trong.ệ
Hi n tệ ượng quang đi n trong đệ ượ ức ng d ng trong quang đi n tr và pin quang đi n.ụ ệ ệ 3.2.3 Pin quang đi nệ
Pin quang đi n (còn g i là pin m t tr i) là m t ngu n đi n ch y b ng năng lệ ọ ặ ộ ệ ằ ượng ánh sáng. Nó bi n tr c ti p quang năng thành đi n năng.ế ự ế ệ
Các pin quang đi n thệ ường được làm b ng Si, Se, Ge, Te, CdS, GaAs Ta hãy xét c uằ ấ t o và ho t đ ng chung c a pin quang đi n.ạ ộ ủ ệ
(8)Pin có m t t m bán d n lo i n, bên trên có ph m t l p m ng ch t bán d n lo iộ ấ ẫ ủ ộ ỏ ấ ẫ p (H 3.1). Có th t o ra l p này b ng cách cho khu ch tán m t t p ch t thíchể ằ ế ộ ấ h p vào l p b m t c a l p bán d n lo i n. Trên cùng là m t l p kim lo i r tợ ề ặ ủ ẫ ộ ấ m ng. Dỏ ưới cùng là m t đ kim lo i. Các kim lo i này cùng đóng vai trị cácộ ế ạ n c c tr ệ ự
Electron s khu ch tán t bán d n lo i n sang bán d n lo i p, đ l i nh ng lẽ ế ẫ ẫ ể ữ ỗ tr ng dố ương. Các êlectron này v nẫ có liên k t v i các l tr ng t o thành m tế ỗ ố ộ l p g i là l p ti p xúc p – n. Trong l p ti p xúc này có đi n trớ ọ ế ế ệ ường Etx hướng t dừ ương sang âm, t c là hứ ướng t bán d n lo i n sang bán d n lo i p. Đi nừ ẫ ẫ ệ trường Etx ngăn c n s khu ch tán c a êlectron t n sang p và l tr ng t p sangả ự ế ủ ỗ ố n. Vì v y ngậ ười ta cịn g i l p ti p xúc này là ọ ế l p ch n.ớ ặ
Khi chiếu ánh sáng có bước sóng ngắn hơn giới hạn quang dẫn vào lớp kim loại mỏng phía trên cùng thì ánh sáng sẽ đi xun qua lớp này vào lớp bán dẫn loại p, gây ra hiện tượng quang điện trong và giải phóng ra các cặp êlectron và lỗ trống. Electron khu ch tán d dàng t p sang n qua l p ch n. Cịn l tr ng thìế ễ ặ ỗ ố b ch n l i và l i trong l p p. K t qu là đi n c c kim lo i m ng trên sị ặ ế ả ệ ự ỏ ẽ nhi m đi n dễ ệ ương và tr thành đi n c c dở ệ ự ương c a pin, còn đ kim lo i ủ ế ở ph n dầ ướ ẽi s nhi m đi n âm và tr thành đi n c c âm c a pin.ễ ệ ệ ự ủ
N u n i hai đi n c c b ng m t dây d n thơng qua m t ampe k thì s có dịng quangế ố ệ ự ằ ộ ẫ ộ ế ẽ n ch y t c c dệ ự ương sang c c âm.ự
Su t đi n đ ng c a pin quang đi n n m trong kho ng t 0,5V đ n 0,8V.ấ ệ ộ ủ ệ ằ ả ế
V y nguyên t c ho t đ ng c a pin quang đi n là d a vào ậ ắ ộ ủ ệ ự hi n tệ ượng quang đi n trongệ xảy ra bên c nh m t l p ch n.ạ ộ ặ
(9)Người ta s d ng Pin quang đi n đ bi n đ i năng lử ụ ệ ể ế ổ ượng ánh sáng m t tr i thànhặ n năng (Solar Cell). N u dùng pin quang đi n b ng ch t bán d n Silic, hi u su tệ ế ệ ằ ấ ẫ ệ ấ c a nó có th đ t đ n 1415%. Ngủ ể ế ười ta tính được trên di n tích 1mệ 2 c a pin quangủ n đệ ược ánh sáng chi u t i ta có th nh n đế ể ậ ược m t cơng su t đi n là 100 W và nhộ ấ ệ ư v y v i di n tích c a m t mái nhà trung bình ta có đ đi n năng đ th a mãn m i ti nậ ệ ủ ộ ủ ệ ể ỏ ọ ệ nghi cho m t gia đình. Tuy nhiên, v giá thành c a các Pin quang đi n hi n nay cònộ ề ủ ệ ệ tương đ i khá đ t so v i các ngu n năng lố ắ ượng khác
(10)Hình 3.4 Nguyên lý ho t đ ng c a Pin m t tr iạ ộ ủ ặ