(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu và chế tạo pin mặt trời dạng POLYMER

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ THÀNH TÂM NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO PIN MẶT TRỜI DẠNG POLYMER NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 S K C0 4 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ THÀNH TÂM NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO PIN MẶT TRỜI DẠNG POLYMER NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ THÀNH TÂM NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO PIN MẶT TRỜI DẠNG POLYMER NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS QUYỀN HUY ÁNH Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2014 Lý lịch khoa học LVTN LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC Họ tên: Lê Thành Tâm Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 09/03/1987 Nơi sinh: Bình Định Quê qn: Phước Hịa – Tuy Phước – Bình Định Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: 10-04 Nhà D, Lơ J, Chung cư Bình Khánh, Phường An Phú, Quận 2, TP Hồ Chí Minh Điện thoại: 0988114195 E-mail: tam05spkt@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO Đại học Hệ đào tạo: quy Thời gian đào tạo: 2005 đến 2010 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật, Quận Thủ Đức, TP Hồ Chí Minh Ngành học: Điê ̣n khí hóa - Cung cấ p điê ̣n Tên đồ án tốt nghiệp : Thiế t kế bài giảng powerpoint môn an toàn điê ̣n Ngày & nơi bảo vệ đồ án tốt nghiệp : 01/2010 – Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM Người hướng dẫn : PGS.TS Quyền Huy Ánh III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Thời gian 08/2010 - 2012 04/2011- Nay Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Khoa Điê ̣n-Điê ̣n Tử, Trường Đại Học viên học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM Trường Cao đẳng Kỹ thuật Cao Giáo viên Thắng – TP Hồ Chí Minh XÁC NHẬN CỦA CƠ QUAN (Ký tên, đóng dấu) Ngày Trang i tháng năm 2014 Người khai ký tên Lời cam đoan LVTN LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng 10 năm 2014 Người cam đoan Lê Thành Tâm Trang ii Lời cảm ơn LVTN LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Quyền Huy Ánh tận tình hướng dẫn tơi hồn thành luận văn Chân thành cảm ơn q thầy Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Trường Đại Học Bách khoa TP.HCM giảng dạy suốt hai năm học Xin cám ơn Nguyễn Bảo Quốc (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật), Trương Nguyên Bảo (Trường Đại hoạc Khoa học Tự Nhiên), giúp đỡ, chia sẻ kinh nghiệm động viên suốt thời gian làm sản phẩm Và cuối cùng, xin chân thành cảm ơn gia đình bạn tơi động viên tơi suốt q trình học tập Trang iii Mục lục LVTN MỤC LỤC Trang tựa Trang Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan ii Cảm tạ iii Tóm tắt iv Mục lục vi Danh sách chữ viết tắt x Danh sách hình xi Danh sách bảng xiv Chương Tổng quan 01 1.1 Đặt vấn đề 01 1.1.1 Sự tiêu thụ lượng người tương lai 01 1.1.2 Năng lượng tái tạo 05 1.1.3 Năng lượng mặt trời 08 1.2 Định hướng đề tài .13 1.3 Nhiệm vụ luận văn 13 1.4 Kết mong muốn đạt 13 Chương 2: Cở sở lý thuyết 14 2.1 Tổng quan Polymer 14 2.3 Polymer dẫn điện .15 2.3.1 Khái quát 15 2.3.2 Phân loại 15 2.3.3 Cơ chế dẫn điện .17 2.3.3.1 Cơ chế Roth .17 2.3.3.2 Cơ chế chuyền pha Kaoki 18 Trang vi Mục lục LVTN 2.4 Phương pháp tạo Polymer dẫn 19 2.4.1 Dải lượng điện tử : 19 2.4.2 Quá trình doping .20 2.4.3 Điều kiện dẫn điện Polymer .21 2.4.4 Nguyên nhân gây dòng điện Polymer 21 2.4.5 Phương pháp tổng hợp Polymer dẫn điện 25 2.4 Tổng quan Pin quang điện 26 2.4.1 Cấu tạo 26 2.4.1.1 Tấm đế 26 2.4.1.2 Lớp anode 26 2.4.1.3 Lớp truyền lỗ trống .27 2.4.1.4 Lớp truyền điện tử 27 2.4.1.5 Lớp quang hoạt .27 2.4.1.6 Lớp Kathode 28 2.5 Pin quang điện Polymer 28 2.5.1 Cấu tạo PMT Polymer .28 2.5.1.1 Cấu trúc đơn lớp 30 2.5.1.2 Cấu trúc hai lớp .31 2.5.1.3 Cấu trúc hỗn hợp 31 2.5.1.4 Cấu trúc ghép lớp 31 2.5.2 Các thông số pin mặt trời hữu 32 2.5.2.1 Dòng điện tạo pin 32 2.5.2.2 Dòng tối 33 2.5.2.3 Hệ số lấp đầy hiệu suất 34 2.5.2.4 Điện trở kí sinh .36 2.5.2 Các giải thuật bắt điểm công suất cực đại .37 2.5.2.1 Tổng quan đặc tuyến tải .37 2.5.2.2 Hệ thống bám điểm công suất cực đại 41 2.5.2.3 Các thuật tốn dị tìm cơng suất cực đại 44 Trang vii Mục lục LVTN 2.5.2.3.1 Thuật toán PO (Perturbation And Observe) .45 2.5.2.3.2 Thuật toán độ dẫn (IncCond) 46 Chương 3: Phương pháp chế tạo pin mặt trời polymer ITO/MEH-PPV/AL 48 3.1 Vật liệu thiết bị .48 3.1.1 Vật liệu .48 3.1.2 Thiết bị .48 4.3 Quy trình chế tạo Pin Polymer MEH-PPV đơn lớp .48 4.3.1 Ăn mòn đế ITO 49 4.3.2 Chuẩn bị dung dịch MEH-PPV .50 4.3.3 Chế tạo màng MEH-PPV 50 4.3.4 Ủ nhiệt 50 4.3.5 Chế tạo điện cực nhôm 51 Chương 4: Xây dựng mơ hình mơ Simulink 52 4.1 Đặc tuyến thông số Pin mặt trời .52 4.2 Các mơ hình tương đương phương trình tốn pin quang điện 55 4.2.1 Mơ hình diode .55 4.2.2 Mơ hình hai diode 56 4.2.3 Các phương trình tốn Pin mặt trời 56 4.3 Phương pháp xác định thơng số khơng xác định mơ hình 58 4.4 Xây dựng mơ hình mơ Pin mặt trời Matlab Simulink 60 4.4.1 Mơ hình quang điện 60 4.4.2 Mơ hình bắt điểm cơng suất cực đại 63 4.4.2.1 Khối Buck – Boots Converter .63 4.4.2.2 Khối dị tìm cơng suất cực đại theo phương pháp PO 64 4.4.2.3 Khối dị tìm công suất cực đại theo phương pháp INCCOND .66 4.5 Khối dị tìm cơng suất cực đại theo phương pháp ANN - INCCOND 69 4.5.1 Mạng Neuron nhân tạo 69 4.5.2 Mơ hình khối thuật tốn ANN - INC 71 Trang viii Mục lục LVTN Chương 5: Kết đánh giá 77 5.1 Kết thu từ pin mặt trời ITO/MEH-PPV/AL 77 5.2 Mơ hình kết mơ Pin Matlab Simulink 77 5.2.1 Mô hình mơ pin theo độ xạ mặt trời .77 5.2.2 Kết mô .78 5.3 Kết mơ mơ hình MPPT cho pin mặt trời 80 5.3.1 Kết mô theo phương pháp P&O 80 5.3.2 Kết mô theo phương pháp INC 82 5.3.3 Kết mô theo phương pháp ANN - INC 83 Chương 6: Kết luận kiến nghị 87 6.1 Kết luận .87 6.2 Kiến nghị .87 TÀI LIỆU THAM KHẢO Trang ix LVTN Chương : Xây dựng mơ hình mơ Simulink Hình 4.26: Sơ đồ khối mạch mơ MPPT Trang 77 Chương 5: Kết đánh giá LVTN Chương KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ 5.1 Kết thu từ pin mặt trời ITO/MEH-PPV/AL: Kết thu từ pin Polymer ITO/MEH-PPV/AL:  Điện áp điểm cực đại: 1.5 V  Dòng điện điểm cực đại: mA  Công suất: 0.0015 W  Điện hở mạch Voc: 1.75 V  Dòng điện ngắn mạch: 1.25 mA  Độ rộng (mm): 36.5 mm  Độ dài(mm): 64 mm  Bề dày (mm): mm  Khối lượng (kg): 10 g 5.2 Mô hình kết mơ Pin Matlab Simulink : 5.2.1 Mơ hình mơ đặc tuyến pin theo độ xạ mặt trời : Sử dụng mô hình mơ xây dựng chương trước, ta tiến hành mơ pin mặt trời có thông số Bảng 5.1: Bảng 5.1: Thông số thực tế pin mặt trời Công suất (P) 83 W Điện áp điểm cực đại (Vmp) 17.7 V Dòng điện điểm cực đại(Imp) 4.95 A Điện áp hở mạch (Voc) 21.9 V Dòng điện ngắn mạch (Isc) 5.1 A Trang 78 Chương 5: Kết đánh giá LVTN Để khảo sát đặc tuyến pin theo độ xạ lượng mặt trời, luận văn xây dựng mô hình khảo sát từ mơ hình khối pin polymer hình 5.1 Hình 5.1: Mơ hình mơ pin mặt trời theo độ xạ mặt trời 5.2.2 Kết mô : Kết mô đặc tuyến pin lấy điều kiện môi trường khác  Trường hợp 1: xạ 1000W/m2, nhiệt độ 25oC Hình 5.2: Đặc tuyến I – V Pin trường hợp Trang 79 Chương 5: Kết đánh giá LVTN Hình 5.3: Đặc tuyến P – V Pin trường hợp  Trường hợp 2: xạ 800W/m2, nhiệt độ 50oC Hình 5.4: Đặc tuyến I – V Pin trường hợp Trang 80 Chương 5: Kết đánh giá LVTN Hình 5.5: Đặc tuyến P – V Pin trường hợp Nhận xét :  Khi nhiệt độ tăng áp hở mạch giảm  Khi xạ tăng dịng ngắn mạch tăng Vậy cơng suất Pin tỷ lệ thuận theo xạ tỷ lệ nghịch theo nhiệt độ 5.3 Kết mô mơ hình MPPT cho pin mặt trời : 5.3.1 Kết mô theo phương pháp P&O Kết bắt công suất cực đại Pin mặt trời điều kiện xạ G = 1000W/m2 ; nhiệt độ t = 250C  Đáp ứng điện áp Pin sử dụng thuật toán P&O : Trang 81 Chương 5: Kết đánh giá LVTN Hình 5.6: Đáp ứng điện áp thuật toán P&O  Đặc tuyến công suất Pin sử dụng thuật tốn P&O : Hình 5.7: Đáp ứng cơng suất thuật toán P&O Trang 82 Chương 5: Kết đánh giá LVTN Nhận xét : o Ở trạng thái xác lập, điện áp dao động nhiều o Công suất dao động quanh điểm cực đại o Thời gian xác lập chậm (0,135 s) Phương pháp PO khơng có điều kiện dừng xác định Sau chu kỳ, điện áp dịng điện tham chiếu ln thêm bớt khoảng thay đổi Khoảng dao động giảm xuống cách giảm độ thay đổi, khiến cho thời gian xác lập tăng lên 5.3.2 Kết mô theo phương pháp INC Kết bắt công suất cực đại Pin mặt trời điều kiện xạ G = 1000W/m2 ; nhiệt độ t = 250C  Đáp ứng điện áp Pin sử dụng thuật tốn INC : Hình 5.8: Đáp ứng điện áp thuật toán INC Trang 83 Chương 5: Kết đánh giá LVTN  Đặc tuyến công suất Pin sử dụng thuật tốn INC : Hình 5.9: Đáp ứng cơng suất thuật toán INC Nhận xét : o Ở trạng thái xác lập, độ dao động o Thời gian đáp ứng chậm so với P&O Giải thuật IncCond có điều kiện dừng nên trạng thái xác lập dao động so với P&O Dù thời gian xác lập chậm Có thể tăng thời gian xác lập cách tăng khoảng thay đổi đại lượng đặt (áp dòng), đồng thời tăng sai số xác lập xuất dao động nhiều quanh điểm cân 5.3.3 Kết mô theo phương pháp ANN – INC ANN huấn luyện giải thuật Levenberg-Marquardt, trainlm Sai số huấn luyện 10-5, số nơron sử dụng lớp ẩn 30 logsigs, đầu sử dụng purelin, chu kỳ huấn luyện 400 epochs Trang 84 Chương 5: Kết đánh giá LVTN Hình 5.10: Kết huấn luyện Kết bắt công suất cực đại Pin mặt trời điều kiện xạ G = 1000W/m2 ; nhiệt độ t = 250C  Đáp ứng điện áp Pin sử dụng thuật toán ANN - INC : Trang 85 Chương 5: Kết đánh giá LVTN Hình 5.11: Đáp ứng điện áp thuật toán ANN – INC  Đặc tuyến công suất Pin sử dụng thuật tốn ANN - INC : Hình 5.12: Đáp ứng cơng suất thuật tốn ANN – INC Trang 86 Chương 5: Kết đánh giá LVTN Nhận xét : o Thời gian xác lập nhanh so với P&O IncCond o Ở trạng thái xác lập độ dao động không nhiều Tuy giải thuật có độ phức tạp cao so với P&O IncCond Khi khai triển giải thuật, thân ANN phức tạp, thêm vào phần xử lý IncCond giải thuật địi hỏi nhiều phép tính nhân chia P&O IncCond Qua mô ta thấy, hai phương pháp P&O INC có đánh đổi thời gian bắt công suất cực đại sai số xác lập Tuy nhiên với phương pháp ANN – INC hai khuyết điểm giải Thời gian bắt điểm công suất cực đại phương pháp tăng lên nhanh ANN nhanh chóng hướng DC/DC đến gần điểm công suất cực đại Sai số xác lập Inccond chỉnh định để đưa đến điểm cơng suất cực đại xác Phương pháp cịn có ưu điểm: theo thời gian sử dụng Pin mặt trời, đặc tuyến chúng có thay đổi, điểm cực đại thay đổi so với trước Tuy nhiên gần so với điểm mà ANN đến, Inccond chỉnh định để đưa đến điểm công suất cực đại xác Do ANN khơng cần phải huấn luyện theo thời gian Trang 87 Chương 6: Kết luận LVTN Chương KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 6.1 Kết luận : Luận văn thực đầy đủ yêu cầu đề ra, cụ thể:  Nghiên cứu tính chất quang vật liệu phục vụ cho việc chế tạo pin mặt trời hữu đơn lớp: ITO/MEH-PPV/Al  Nghiên cứu qui trình chế tạo pin Polymer MEH-PPV  Xây dựng mơ hình mơ cho pin mặt trời tương ứng với mức xạ lượng mặt trời khác cách ghép nối khác  Mơ so sánh thuật tốn bắt điểm công suất cực đại P&O, INC  Xây dựng mơ hình bắt cơng suất cực đại thuật toán lai ANN INC 6.2 Kiến nghị : Đề tài tập trung nghiên cứu tính chất vật liệu cách thức xây dựng mơ hình mơ chưa sâu:  Khảo sát giới hạn lượng hấp thụ pin, phân bố điện trường ánh sáng suy giảm lượng lớp màng hoạt quang  Nghiên cứu cải thiện hiệu suất, ảnh hưởng cấu tạo pin tính chất vật liệu lên hiệu hoạt động pin… Đó vấn đề quan trọng cần phải nghiên cứu phát triển thời gian tới Trang 88 Tài liệu tham khảo LVTN TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT [1] TS Trương Văn Tân, Điện tử Π Polymer dẫn điện, Tạp chí Exryu Úc Châu (www.erct.com), 08 – 2007 [2] TS Trương Văn Tân, Mặt trời chúng ta, Tạp chí Exryu Úc Châu (www.erct.com), 10 –2007 [3] TS Trương Văn Tân, Polymer dẫn điện áp dụng thực tiễn, Tạp chí Exryu Úc Châu (www.erct.com), 10 –2007 [4] Văn phòng tiết kiệm lượng, Thống kê lượng Việt Nam 2008 [5] Phạm Thị Tuyết Lan, Luận văn: “ Mơ tối ưu hóa pin mặt trời hữu cấu trúc nano đa lớp”, Trường Đại học công nghệ, 2012 [6] Nguyễn Văn Giang, Luận văn: “Nghiên cứu tính chất quang vật liệu, chế tạo mô vài thông số pin mặt trời hữu cơ”, Trường Đại học công nghệ, 2011 [7] Lê Phước Anh, Luận văn: “ Nghiên cứu tính chất quang - điện pin mặt trời chất màu nhạy sáng sử dụng điện cực lai TiO2 - chấm lượng tử”, Trường Đại học công nghệ, 2011 TIẾNG NƯỚC NGOÀI [8] Key World Energy Statistics from the IEA 2012 [9] BP Statistics 2010, ECCJ Energy Conservation Handbook , 2010 [10] Japan Energy Conservation Handbook, ECCJ-2009 [11] NREL, 2010 Solar Technologies Market Report [12] Tom Markvart and Luis Castafier, Practical Handbook of Photovoltaics: Fundamentals and Applications GVHD: PGS TS Quyền Huy Ánh Trang 89 HVTH: Lê Thành Tâm Tài liệu tham khảo LVTN [13] Viktor Andersson, and Kristofer Tvingstedt, and Olle Inganäs, Optical modeling of a folded organic solar cell, Journal of applied physics 103, 094520, 2008 [14] Sheng yi Liu, Roger A Dougal, Dynamic Multiphysics Model for Solar Array, IEEE Transactions on Energy Conversion, Volume 17, 2002, pages 285-294 [15] Hamdy Radwan, Omar Abdel-Rahim, Mahrous Ahmed, Mohamed Orabi, Ahmed Alaa El-Koussi, Two Stages Maximum Power Point Tracking Algorithm for PV Systems Operating under Partially Shaded Conditions, International Middle-East Power System Conference (MEPCON), pp 683 – 688, 12/2010 [16] Kawamura, H., & Koizumi, H., Development of photovoltaic arrays model for maximum power point tracking simulation In Sustainable Energy Technologies (ICSET), 2010 IEEE International Conference on (pp 1-6) IEEE [17] González-Longatt, F M (2005), Model of photovoltaic module in matlab II CIBELEC, 2005, 1-5 [19] Frederik C.Krebs , Bellingham, Polymer Photovoltaics a practical approach, Washington USA [20] S.Gomathy, S.Saravanan, Dr S Thangavel, Design and Implementation of Maximum Power Point Tracking (MPPT) Algorithm for a Standalone PV System, International Journal of Scientific & Engineering Research Volume 3, Issue 3, March -2012 [21] 2010 BP Statistical Review of World Energy GVHD: PGS TS Quyền Huy Ánh Trang 90 HVTH: Lê Thành Tâm S K L 0 ... tập trung nghiên cứu lý thuyết Pin lượng mặt trời Polymer MEH-PPV : o Nghiên cứu cấu trúc, nguyên lý hoạt động Pin o Xây dựng qui trình chế tạo Pin Polymer MEH-PPV  Đề tài nghiên cứu, xây dựng... Minh, tháng 10/2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ THÀNH TÂM NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO PIN MẶT TRỜI DẠNG POLYMER NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ THÀNH TÂM NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO PIN MẶT TRỜI DẠNG POLYMER NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN