d. Nhận xét đối với từng sinh viên tham gia thực hiện đề tài (ghi rỏ
2.3.4Điểm làm việc công suất cực đại
Hình 2.11: Đặt trưng V-A của Pin Mặt Trời.
Xét một đường cong đặc trưng V-A của Pin Mặt Trời đối với một cường độ bức xạ cho trước và ở nhiệt độ xác định. Nếu Pin Mặt Trời được nối với một tải tiêu thụ điện R thì điểm cắt nhau của đường đặc trưng V-A của Pin Mặt Trời và đường đặc trưng tải trong tọa độ OIV là điểm làm việc của Pin Mặt Trời.
Nếu tải là thuần trở thì đường đặc trưng tải là một đường thẳng đi qua góc tọa độ và nghiêng một góc α đối với trục OV, tgα =1/R. Trong trường hợp này công suất Pin Mặt Trời chỉ phụ thuộc vào giá trị điện trở R. Công suất Pin Mặt Trời cấp cho tải bằng diện tích hình chữ nhật giới hạn bởi hoành độ và tung độ của điểm làm việc. Với các giá trị R khác nhau, các điểm làm việc khác nhau sẽ cho công suất
khác nhau. Tồn tại một giá trị R = Ropt mà tại đó công suất tải tiêu thụ là cực đại.
Giá trị điện trở Ropt được xác định từ các thế và dòng của nó theo định luật
Ohm:
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 mà
- Nếu điện trở tải R lớn, R >> Ropt Pin Mặt Trời sẽ làm việc trong miền mà
hiệu điện thế gần như không đổi và gần bằng thế hở mạch Voc.
2.4 Các tham số ảnh hưởng đến chế độ làm việc và hiệu suất của Pin Mặt Trời.
Có 5 tham số ảnh hưởng đến chế độ làm việc và hiệu suất của pin mặt trời là:
- Điện trở nội (điện trở nối tiếp) RS
- Điện trở Shunt Rsh
- Dòng bảo hòa IS
- Cường độ bức xạ Mặt Trời E - Nhiệt độ của pin T
Các tham số đầu ta có thể chủ động điều chỉnh được, còn hai thông số sau luôn thay đổi tùy thuộc điều kiện khí hậu, môi trường, vị trí địa lý.
Ở điều kiện bức xạ bình thường (không hội tụ) các tham số trên có thể xem
như các tham số độc lập, chỉ trừ dòng bảo hòa IS và nhiệt độ T.
Điện trở Shunt đặc trưng cho dòng rò qua lớp tiếp xúc p-n, phụ thuộc vào
công nghệ chế tạo. Thông thường giá trị điện trở Rsh khá lớn, nên có thể bỏ qua
dòng rò.
Điện trở RS là tổng cá điện trở: Điện trở tiếp xúc giữa các điện cực dưới và
trên với lớp bán dẫn, điện trở của lớp bán dẫn, điện trở của các thanh nối.
Sự tăng RS hay giảm Rsh ảnh hưởng xấu đến công suất phát điện của Pin Mặt
Trời.
2.5 Hiệu suất.
Công suất đỉnh (peak power) của Pin Mặt Trời là công suất do Pin Mặt Trời
phát ra khi nó làm việc dưới bức xạ có cường độ 1000W/m2 và ở nhiiệt độ 25oC .
Công suất đỉnh được đo bằng Wp hay kWp. Hiệu suất biến đổi quang điện
% 100 . . o opt E A P (2.13)
Trong đó: là hiệu suất
A là diện tích bề mặt được chiếu sáng (m2)
Eo là cường độ bức xạ chuẩn (1000W/m2)
Popt là công suất điện đỉnh (Wp)
Chương II: Pin năng lượng Mặt Trời
Hiệu suất là tỉ số của năng lượng điện từ ánh sáng Mặt Trời. Vào buổi trưa một ngày trời trong, ánh Mặt Trời tỏa nhiệt khoảng 1000W/m². Trong đó 10% hiệu suất của 1 modul 1m² cung cấp năng lượng khoảng 100W.
2.6 Sơ lược công nghệ chế tạo Pin Mặt Trời Si.
Hiện nay, khoảng 90% các Pin Mặt Trời được sản xuất và ứng dụng là các Pin Mặt Trời từ vật liệu Silicon (Si) dưới dạng đơn tinh thể, hoặc 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 6 công đoạn như sau:
- Sơ lọc cát thạch anh để có Silicon có độ sạch kỹ thuật.
- Làm sạch tiếp để có Silicon có độ sạch bán dẫn.
- Pha tạp để có Si-n và Si-p và tạo tiếp xúc p-n.
- Tạo tiếp xúc điện, điện cực, lớp chống phản xạ.
- Tạo modul, kiểm tra, phân loại.
* Dưới đây là mô tả sơ lược về các công đoạn nói trên:
2.6.1 Sơ lọc cát thạch anh để có Silicon có độ sạch kỹ thuật.
Cát dùng làm vật liệu ban đầu chế tạo Si phải là cát giàu thạch anh SiO2
(hàm lượng SiO2 vào khoảng 90% hoặc cao hơn). 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 + 2C (2.14)
2.6.2 Làm sạch tiếp để có Silicon có độ sạch bán dẫn.
Có ba công nghệ chính để làm sạch Si đến độ sạch bán dẫn: + Quá trình Silan
+ Quá trình Silicon fluorid + Quá trình Trichlorsolan
* Sản phẩm thu được của các công nghệ này là vật liệu đa tinh thể gồm các hạt đơn tinh thể Si nhỏ.
2.6.3 Tạo đơn tinh thể Si.
Có thể tạo đơn tinh thể Si dưới dạng thanh (thỏi), dạng tấm hoặc dạng băng. Các công nghệ được dùng phổ biến là công nghệ Czochralski, công nghệ vùng nổi và công nghệ trao đổi nhiệt.
2.6.4 Cắt thỏi Si đơn tinh thể thành các phiến Si.
Cắt gọt thỏi Si để nó có hình dạng trụ đồng đều, có đường kính d = 7,5 ÷ 10cm. Sau đó dùng cưa Kim cương, cưa dây hoặc tia laser cắt thỏi thành các phiến hình đũa tròn có chiều dày cỡ 0,3 ÷ 0,5mm, sau đó mài nhẵn và làm sạch bề mặt các phiến bằng phương pháp ăn mòn hóa học để khử các khuyết tật bề mặt do quá trình cưa cắt gây ra. Do các công nghệ chế tạo nói trên còn rất nhiều nhược điểm như: Hao tinh thể, nhiều công đoạn…Vì vậy ta nên sử dụng các công nghệ sau để đạt được hiệu quả cao hơn: Kỹ thuật “kéo” tấm đơn tinh thể bằng khuôn.
2.6.5 Tạo lớp tiếp xúc p-n.
Có hai phương pháp để tạo lớp bán dẩn tiếp xúc p-n là: Khuếch tán nhiệt, cấy ion.
* Phương pháp khuếch tán nhiệt.
Từ các phiến đơn tinh thể để có được Si loại n ta dùng tạp là Photpho (P), còn để có Si loại p dùng tạp là Bo (B). Các nguồn tạp chất có thể là rắn như các
muối P2O5, B2O3, lỏng như POCl3, BBr3, hoặc khí như: PH3, BCl3.
Sự tạo lớp tiếp xúc p-n thực hiện theo định luật khuếch tán Pick. Theo định luật này thì các nguyên tử sẽ khyếch tán từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp. Tốc độ khuếch tán và độ sâu khuếch tán phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian khuếch tán. Người ta dùng một tấm đế là Si-p được pha tạp chất Bo với nồng độ
1016 nguyên tử Bo/cm3, sau đó phủ lên tấm đế một lớp Photpho (P) và đưa vào
Chương II: Pin năng lượng Mặt Trời
tạo thành một lớp Si-n có độ dày khoảng 1,2 ÷ 1,5µm thì người ta hạ nhiệt độ để chấm dứt quá trình khuếch tán. Lớp tiếp xúc p-n là một lớp mỏng trong đó có nồng độ tạp chuyển từ P sang B và tiếp xúc p-n được xem là đặt tại biên giới mà trên đó có nồng độ P và N bằng nhau.
Do nồng độ P ở bề mặt lớp tiếp xúc rất cao thậm chí ngay cả sau quá trình khuếch tán, P và Si tác dụng với nhau tạo ra một lớp bề mặt được gọi là “lớp chết” có điện trở cao và là nguyên nhân gây ra sự tái hợp điện tử - lỗ trống, làm giảm hiệu suất của pin quang điện. Vì vậy phải cắt bỏ lớp này đi.
Vì hơn 50% ánh sáng Mặt Trời tới Pin Mặt Trời bị hấp thụ trước hết chỉ ở một lớp bề mặt chiều dày 3µm ở sát bề mặt, phần còn lại của ánh sáng Mặt Trời được hấp thụ ở lớp tiếp theo có độ dày 300µm. Vì vậy nên Pin Mặt Trời được chế tạo sao cho phía trên là một lớp colector mỏng (chiều dày ≤ 3µm) và tiếp đó là một lớp đế dày nhưng có độ linh động của hạt tải cao để các hạt tải có thể chuyển động về lớp tiếp xúc p-n và điện cực khi chúng được tạo ra trong miền này.
* Phương pháp bắn cấy ion.
Các phiến Si được đặt trước các đĩa ion năng lượng cao. Tùy theo muốn chế tạo Si-n hoặc Si-p mà người ta dùng các “đạn” ion là P hay B. Nhờ sự thay đổi cường độ tia ion có thể thay đổi chiều sâu đâm xuyên của các ion. Bề mặt Si sau đó phải ủ bằng tia laser hoặc tia điện tử để khử các hư hỏng bề mặt do ion bắn phá vào mạng tinh thể ở gần bề mặt. Lớp tiếp xúc p-n tạo bằng phương pháp cấy ion không khác gì nhiều so với tạo bằng phương pháp khuếch tán nhiệt. Chiều sâu của lớp p-n
vào cở 0,25µm. Mật độ các tạp chất biến đổi từ 1016 nguyên tử/cm3 ở lớp tiếp xúc
đến 1021 nguyên tử/cm3 tại bề mặt.
2.6.6 Tạo lớp tiếp xúc Ohmic.
Vật liệu làm điện cực tiếp xúc phải có độ dẫn tốt và vừa phải bám dính tốt bán dẫn. Ngoài ra đối với điện cực như mặt trên cần phải thiết kế sau cho ánh sáng Mặt Trời có thể đến được lớp tiếp xúc p-n. Cần phải điều hòa giữa vấn đề che sáng và điện trở của điện cực.
Phủ lớp chống phản xạ ánh sáng. Si chưa xử lý phản xạ đến 30% ánh sáng
tới. Một lớp chống phản xạ như SiO2 có thể làm giảm phản xạ xuống 10%. Nếu
dùng hai lớp chống phản xạ thì có thể làm giảm phản xạ xuống dưới 3%. Các vật
liệu dùng làm vật liệu chống phản xạ là SiO2, TiO2 và Ta2O5. Công nghệ bốc hơi
2.6.7 Đóng gói các Pin Mặt Trờithành modul.
Các Pin Mặt Trời sẽ phải làm việc ở điều kiện ngoài trời lâu dài. Vì vậy để bảo vệ các lớp tiếp xúc và dây nối, bảo vệ vật liệu cách điện và do đó muốn tăng tuổi thọ Pin Mặt Trời ta cần phải đóng kín Pin Mặt Trời trong các vật liệu trong suốt. Tất nhiên không thể đóng gói từng pin mà ta có thể đóng gói nhiều pin để tạo thành một modul (tấm) Pin Mặt Trời. Khi đóng gói ta cần chú ý là phải lựa chọn các pin hoàn toàn hoặc gần hoàn toàn giống nhau về các đặc trưng quang điện và cơ học để xếp vào một modul.
Chương III: Lý thuyết hệ thống Điện Mặt Trời
Chương III
LÝ THUYẾT HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI
Hệ thống Điện Mặt Trời là một hệ thống bao gồm các thành phần như: Các tấm Pin Mặt Trời (lắp trên mái nhà), thiết bị lưu trữ điện năng (Acquy), các thiết bị điều phối điện năng, và các tải tiêu thụ điện trong gia đình…
Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống Pin Mặt Trờiđộc lập.
3.1 Ghép dàn Pin Mặt Trời.
Ghép các modul nhỏ lại với nhau.
Ví dụ tấm Pin Mặt Trời gồm 36 cell xếp thành 9 cột và 4 hàng. Trong đó, 4 cell trong cột mắc nối tiếp với nhau và 9 cột mắc song song với nhau.
Hình 3.3: Đồ thị V - A của một tấm Pin Mặt Trời.
3.1.1 Mắc nối tiếp các modul giống nhau.
Vì các modul hoàn toàn giống nhau nên khi mắc nối tiếp các tấm Pin Mặt Trời, dòng ngắn mạch của hệ thống sẽ bằng dòng ngắn mạch của một tấm, áp hở mạch của hệ thống bằng tổng áp hở mạch của tất cả tấm Pin Mặt Trời trong hệ thống.
Dòng đoản mạch của hệ : ISC = ISC1 = ISC2= … = ISCN (3.1)
Thế hở mạch của hệ: VOC = VOC1 + VOC2 +…+ VOCN (3.2)
Công suất điện tối ưu:
POPT= VOPT1 IOPT1 + VOPT2 IOPT2 +……..+ VOPTNIOPTN (3.3)
Chương III: Lý thuyết hệ thống Điện Mặt Trời
3.1.2 Mắc song song các modul.
Khi mắc song song các tấm Pin Mặt Trời, dòng ngắn mạch của hệ thống sẽ bằng tổng dòng ngắn mạch của tất cả tấm Pin Mặt Trời trong hệ thống, áp hở mạch của hệ thống bằng áp hở mạch của một tấm.
Ở điều kiện đoản mạch: R = 0
ISC = ISC1 + ISC2 + … + ISCN (V =0) (3.4)
Ở điều kiện hở mạch : R =
VOC = VOC1 = VOC2 =……= VOCN (I = 0) (3.5)
Ở các điều kiện khác (0 < R < )
I = I1 + I2 + IN (3.6)
V= V1 = V2 = VN (3.7)
P = I.V (3.8)
Điểm làm việc cực đại:
POPT = IOPT . VOPT (3.9)
Hình 3.5: Mắc song song các tấm Pin Mặt Trời.
3.2 Tích lũy năng lượng.
Panel Mặt Trời chỉ sản xuất được điện vào ban ngày khi trời nắng nên dùng Acquy tích lũy năng lượng thừa, sử dụng khi thiếu điện hoặc trời không có nắng, trời mưa, tối…Bình Acquy là một dạng nguồn điện hóa học, dùng để lưu trữ điện năng dưới dạng hóa năng.
Acquy có nhiều loại, kích thước và dung lượng khác nhau. Hệ thống Điện Mặt trời có công suất càng lớn cần sử dụng Acquy có dung lượng lớn hoặc dùng nhiều bình Acquy kết nối lại. Thông thường trong hệ thống ta chọn Acquy chì.
3.2.1 Acquy chì .
Hình 3.6: Cấu tạo của Acquy chì.
Acquy chì gồm có các bản cực bằng Chì và Ôxit chì ngâm trong dung dịch Axit Sunfuric. Các bản cực thường có cấu trúc phẳng, dẹp, dạng khung lưới, làm bằng hợp kim Chì - Antimone, có nhồi các hạt hóa chất tích cực. Các hóa chất này khi được nạp đầy là Đioxit chì ở cực dương, và chì nguyên chất ở cực âm.
Các bản cực được nối với nhau bằng những thanh chì ở phía trên, bản cực dương nối với bản cực dương, bản cực âm nối với bản cực âm.
Trước khi dùng làm nguồn điện ta phải nạp điện cho Acquy. Khi nạp điện cho Acquy người ta cho dòng điện một chiều đi vào Acquy. Dung dịch Axit sunfuric bị điện phân, làm xuất hiện Hiđrô và Ôxit ở hai bản chì. Ở bản nối với cực
âm của nguồn điện Chì ôxit (PbO2) bị khử mất Ôxi và thành Chì Pb. Bản này sẽ
thành cực âm của Acquy. Còn ở bản nối với cực dương của nguồn điện thì có Ôxit
bám vào, Ôxi hóa Pb3O4 thành Chì điôxit (PbO2). Bản này sẽ trở thành cực dương
của Acquy. Khi hai cực đã trở thành Pb và PbO2 thì giữa chúng có một hiệu điện
thế. Acquy trở thành nguồn điện và bây giờ tự nó có thể phát ra dòng điện.
Khi ta nối hai cực của Acquy bằng một dây dẫn thì dòng điện chạy trong dây sẽ có chiều ngược với dòng điện lúc nạp vào Acquy. Dòng điện này sẽ gây ra quá trình hóa học ngược lại, dung dịch Axit lại bị điện phân nhưng lần này các iôn
chuyển dời ngược chiều với lúc đầu: Hiđrô sẽ chạy về bản PbO2 và khử Ôxi, làm
cho bản này chở thành Chì ôxit (PbO). Cho đến khi hai cực đã hoàn toàn giống nhau thì dòng điện tắt. Bây giờ muốn Acquy lại phát điện, ta phải nạp điện cho nó
Chương III: Lý thuyết hệ thống Điện Mặt Trời
Dung lượng của Acquy là lượng điện (điện tích) mà Acquy đó sau khi đã được nạp đầy sẽ phát ra được trước khi hiệu điện thế giảm xuống đến mức ngừng (là mức mà không nên bắt Acquy phát điện tiếp, nếu cứ để Acquy phát điện ở dưới mức ngừng thì sẽ giảm tuổi thọ của Acquy). Với Acquy chì thông thường thì mức ngừng là 1,67V cho mỗi ngăn; hay là 10V cho cả 6 ngăn.
Dung lượng của bình Acquy thường được tính bằng Ampe giờ (Ah). Ah đơn giản chỉ là tích số giữa dòng điện phóng với thời gian phóng điện. Thông số dung lượng của Acquy do nhà sản xuất công bố thường được tính khi phát điện với dòng điện nhỏ trong 20 giờ.
Ví dụ: Acquy 100Ah phát điện với dòng điện 5A sẽ dùng được trong 20 giờ.