14
1.5.1.1.Công nghệ hội tụ năng lượng mặt trời CSP
Các bộ thu năng lượng mặt trời CSP là các bộ hội tụ (như máng gương parabon, bộ hội tụ Fresnel, tháp hội tụ sử dụng các gương phẳng…). Quá trình chuyển đổi năng lượng thực hiện qua hai bước. Đầu tiên, Năng lượng mặt trời được hội tụ để tạo ra nguồn năng lượng có mật độ và nhiệt độ rất cao. Sau đó nguồn năng lượng này làm hóa hơi nước (hoặc dầu) ở áp suất và nhiệt độ cao để cấp cho tuốc bin của máy phát điện để sản xuất điện. Ở một số nhà máy CSP ở các nước Trung Đông và Tây Ban Nha còn kết hợp để sản xuất điện và nước sạch từ nước biển nhờ ngưng tụ hơi nước. Thực tế cho thấy công nghệ này có hiệu suất chuyển đổi khá cao, khoảng 25%, nhưng nó chỉ có hiệu quả ở các khu vực có mật độ năng lượng mặt trời cao hơn 5,5 kWh/m2 ngày và công suất nhà máy không nhỏ hơn 5 MW. Ngoài ra, cần có thêm thiết bị điều khiển các bộ thu luôn dõi theo chuyển động của mặt trời. Chi phí lắp đặt ban đầu khá cao.
Loại điện mặt trời theo công nghệ quang điện CSP được nhiều nước đầu tư phát triển từ giai đoạn đầu tiên của ngành điện mặt trời, được ứng dụng và mở rộng ở một số nước phát triển như các nước Châu Âu: Tây Ban Nha, Đức, Hà Lan, Pháp, …Là một loại hình có tiềm năng rất lớn về vấn đề giải quyết năng lượng hiện nay.
15
Về loại điện mặt trời theo công nghệ hội tụ nhiệt CSP, đầu tiên có thể nói đến một điều khác biệt căn bản so với công nghệ SPV là ở đây người ta thay hệ thống các pin mặt trời bằng hệ thống những gương phản chiếu nhằm tập trung ánh sáng mặt trời từ một không gian rộng lớn vào một diện tích nhỏ bé. Và trong diện tích này chỉ đặt các bể chứa hay ống dẫn chất lỏng (như nước….) hoặc chất rắn đặc biệt (như muối). Và ở đây, khi được làm nóng lên đến nhiệt độ vài trăm độ, hơi nước có áp suất cao được tạo thành rồi được dẫn đến để quay tuôc-bin và tạo ra dòng điện tương tự với các nhà máy nhiệt điện thông thường đốt than đá hay dầu khí.
Hình 1.6: Mô hình nhà máy điện mặt trời loại hội tụ nhiệt
1.5.1.2.Công nghệ quang điện SPV
Thiết bị thu và chuyển đổi năng lượng mặt trời là các mô đun pin mặt trời , nó biến đổi trực tiếp năng lượng mặt trời thành điện năng (dòng một chiều, DC). Nhờ các bộ biến đổi điện (Inverter) dòng điện DC được chuyển thành dòng xoay chiều, AC. Dàn pin mặt trời gồm nhiều mô đun pin mặt trời ghép nối lại, có thể có công suất từ vài chục W đến vài chục MW. Hệ nguồn này có cấu trúc đơn giản, hoạt động tin cậy và lâu dài, công việc vận hành và bảo trì bảo dưỡng cũng đơn giản và chi phí rất thấp.
16
Hiện tại, công nghệ tinh thể bán dẫn silicon - crystalline silicon (c-Si) và công nghệ màng mỏng thin-film (TF) chiếm đa số trên thị trường PV. Công nghệ c-Si PV sử dụng vật liệu silicon có độ tinh khiết cao được dùng làm tế bào quang điện. Công nghệ TF gồm các màng mỏng bằng vật liệu bán dẫn phủ bên ngoài các chất nền rẻ tiền, kích thước lớn như thủy tinh, polymer hoặc kim loại. Trong đó, công nghệ c-Si lâu đời hơn và hiện là công nghệ chiếm 85 - 90% thị phần.
Crystalline-Silicon Solar Panels:
Tấm pin chất liệu Crystalline silicon (c-Si) là dạng sử dụng phổ biến nhất hiện nay do đặc tính ổn định của c- Si cho hiệu suất trong khoảng 15 - 25% tùy theo công nghệ lắp đặt, nhưng nhìn chung là đáng tin cậy. Tuy nhiên, c-Si là chất hấp thụ ánh sáng kém, khá dày và cứng – một yếu điểm trong thời đại khi mà công nghệ đều hướng tới sự siêu nhỏ như hiện nay.
hMột tế bào c-Si đơn bao gồm 7 lớp chính. Một chất kết dính trong suốt giữ mặt kính bảo vệ quanh lớp phủ chống phản xạ để đảm bảo tất cả bộ lọc ánh sáng đều đi qua các lớp tinh thể Silicon. Tương tự như công nghệ bán dẫn, lớp N đặt trên lớp P và toàn bộ được giữ với nhau qua hai điểm điện: Điểm cực dương bên trên và điểm cực âm phía dưới.
17
Hai dạng c- Si thường dùng là: mono và Multi – crystalline silicon. Từ một tinh thể đơn Si có độ tinh khiết cao, monocrystalline silicon có tấm kính 150 mm đường kính, dày 200mm. Mặc dù, Si đơn thể được ưa chuộng nhưng Si đa thể lại được ứng dụng nhiều hơn. Một tế bào c-Si phát ra khoảng 0.5V và nhiều tế bào kết chuỗi để tăng điện áp đầu ra.
Hình 1.8: Tấm pin được làm bằng chất liệu Crystalline silicon
Thin-Film Solar Panels:
Thin-film solar cells đơn giản được phân làm 4 dạng dựa trên loại vật liệu sử dụng: amorphous silicon (a-Si) and thin-film silicon (TF-Si); cadmium telluride (CdTe); copper indium gallium DE selenide (CIS or CIGS); and dye-sensitized solar cell (DSC) plus other organic materials
Không khác nhiều so với thành phần c- Si, các tế bào năng lượng mặt trời dạng màng mỏng cấu thành từ 6 lớp. Trong đó, một lớp phủ trong suốt bao bọc lớp chống phản xạ. Sau đó là lớp P- N, kế tiếp là lớp tiếp xúc và chất nền. Nguyên tắc hoạt động của nó giống như của tế bào c-Si.
Tế bào quang điện màng mỏng có cấu trúc không khác nhiều so với tế bào c-Si và vẫn hoạt động dựa trên nguyên lí quang điện. Điểm khác biệt duy nhất giữa tế bào năng lượng mặt trời màng mỏng và c- Si là độ mỏng và sự linh động trong việc ghép cặp của các
18
lớp và chất liệu quang điện: cả cadmium telluride (CdTe) hoặc copper indium gallium deselenide (CIGS) thay vì chỉ là silicon.
Hình 1.9: Tấm pin Thin-film solar cells
So sánh giữa C-Silicon với Thin Film:
Tế bào c-Si là có hiệu suất cao vào khoảng 12 - 24.2%, độ ổn định cao, chế tạo dễ và độ tin cậy cao. Tuổi thọ kéo dài, có thể chịu được các điều kiện khác nghiệt, có khả năng chịu nhiệt và chi phí lắp đặt thấp. Hơn thế nữa, silicon thân thiện với môi trường và có thể tái chế. Tuy nhiên, tế bào quang điện c- Si có chi phí lắp đặt ban đầu cao. Bên cạnh đó, c- Si có hệ số hấp thụ thấp và cứng và khá dễ vỡ.
Trong khi đó, tế bào quang điện màng mỏng ít tốn kém hơn cả những tế bào c-Si đã cũ, cấu tạo mỏng, linh hoạt dễ dàng xử lí và ít hư hao hơn tế bào silicon. Yếu điểm chính của tế bào quang điện màng mỏng là hiệu quả thấp, cấu trúc phức tạp hơn. Đối với những phiên bản linh hoạt thì cần phải có kĩ năng lắp đặt đặc biệt.
1.5.2.Tổng kết
Trong 2 loại công nghệ điện mặt trời SPV và CSP trình bày ở trên, mỗi loại có những ưu và nhược điểm riêng.
Trong máy nhiệt điện mặt trời CSP, có thể đặt một bộ phận lưu trữ nhiệt năng thu được trong thời gian mặt trời chiếu sáng (ban ngày và lúc không có mây mưa). Phần nhiệt năng này giữ lại dưới nhiều dạng khác nhau (nước hay dầu ở nhiệt độ cao, muối làm cho tan chảy …) và sẽ được sử dụng cho phát điện vào lúc không có ánh nắng mặt trời. Đây là
19
một ưu thế của loại nhà máy điện hội tụ năng lượng mặt trời CSP hay nhiệt năng mặt trời STE.
Ngoài ra, đối với các nhà máy điện CSP, các nguyên vật liệu để chế tạo vật tư thiết bị cần thiết khá phổ biến và giá thành rẻ. Hầu hết thiết bị cho CSP cũng tương đồng với thiết bị của các công nghệ phát điện hiện hành. Đây là một trong những yếu tố góp phần tăng tính cạnh tranh về giá cả cho các nhà máy điện mặt trời loại này.
Cũng cần kể đến một ưu thế khác nữa của loại nhà máy nhiệt điện mặt trời CSP, đó là công suất cao hơn công suất của một nhà máy điện quang năng SPV và có thể cung cấp đủ nguồn điện cho nhu cầu sử dụng trên quy mô lớn.
Nhưng đổi lại, các nhà máy điện mặt trời loại loại SPV cũng có những ưu điểm nổi bật. Trước hết, giá thành xây dựng nhà máy SPV thấp hơn nhiều so với nhà máy loại CSP. Mặt khác, trong lúc nhà máy CSP đòi hỏi phải cung cấp một lượng nước nhiều hơn cả trăm lần thì nhu cầu này hầu không đặt ra đối với nhà máy loại SPV.
Một ưu điểm lớn của nhà máy loại quang điện SPV là không gây ảnh hưởng xấu đến môi trường tự nhiên. Trong lúc các nhà máy loại hội tụ nhiệt năng CSP thì ngược lại, các thiết bị chứa nước nóng và hơi nước nóng để quay tuôc-bin ở các nhà máy này làm ảnh hưởng xấu đến môi trường nhiều hơn với nhiều chim muông bị đốt cháy và nhiều cây cỏ xung quanh bị héo khô
Với tương quan so sánh trên, hiện nay cả hai loại điện mặt trời, theo công nghệ quang điện SPV và công nghệ quang nhiệt CSP (hay STE), đều được nhiều nước, tùy tình hình cụ thể của mỗi nước, cùng khai thác sử dụng. Trong đó, ở các nước nhỏ và đang phát triển tình hình có phần nghiêng về phía sử dụng nhà máy loại quang điện SPV.
Nguồn năng lượng miễn phí có sẵn khoảng 12 tiếng mỗi ngày và thậm chí nhiều hơn ở một vài nước để khai thác? Năng lượng mặt trời đang dần trở thành một trong những nguồn năng lượng tái tạo được tận dụng nhiều nhất qua nhiều năm và các nhà sáng tạo đang tìm kiếm nhiều cách tốt hơn để khai thác nguồn năng lượng này. Đó là các dự án ứng dụng lắp đặt pin năng lượng mặt trời trên mái nhà, phương tiện giao thông, quần áo, điện thoại đi động và nhiều hơn nữa.
20
1.6.Cơ sở vật lí của pin năng lượng mặt trời 1.6.1.Lịch sử phát triển pin mặt trời 1.6.1.Lịch sử phát triển pin mặt trời
Pin mặt trời là thiết bị giúp chuyển hóa trực tiếp năng lượng ánh sáng mặt trời (quang năng) thành năng lượng điện (điện năng) dựa trên hiệu ứng quang điện.
Lịch sử của pin năng lượng mặt trời được bắt đầu vào thế kỉ 19 khi nhà vật lý người Pháp Alexandre Edmond Becquerel phát hiện ra hiệu ứng quang điện khi ông đưa điện cực ra môi trường ánh sáng. Tuy nhiên mọi chuyện chỉ dừng tại đó mà không có tiến triển gì thêm.
Mãi đến năm 1873, Willoughby Smith đã phát hiện ra chất quang dẫn Selen, đây là bước tiến quang trọng trong sự phát triển pin năng lượng mặt trời vì các nghiên cứu đã đi vào thực chất hơn, đi sâu hơn về các hiện tượng quang điện. Năm 1877 Adam đã quan sát về các hiện tượng quan điện trên chất Selen và sau đó xuất bản thành cuốn sách “The action of light on selennium”. Đến năm 1883 thì tấm pin năng lượng mặt trời đầu tiên đã được tạo thành bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn một lớp selen cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối. Thiết bị chỉ có hiệu suất 1%. Tuy hiệu suất rất thấp so với các tấm pin năng lượng mặt trời ngày nay nhưng đó là bước tiến dài trong quá trình nghiên cứu hiện tượng quang điện. Nó chuyển từ giai đoạn quan sát bằng mắt thường rất định tính và không chính xác sang quá trình nghiên cứu lí tính với việc tính toán các giá trị dòng áp khi có hiện tượng quang điện xảy ra.
Năm 1887 Hertz đã nghiên cứu tia cực tím trong hiện tượng quang điện và khám phá ra hiện tượng quang điện. Một năm sau, ông cùng với Edward Weston đã đưa ra các định luật quang điện một cách đầy đủ cho hiệu ứng quang điện ngoài. Đây là bước tiến dài cho việc ứng dụng hiện tượng quang điện để chế tạo các tấm pin năng lượng mặt trời khi đã xác định rõ hướng để nghiên cứu vật liệu dùng cho chế tạo chất quang dẫn và các ánh sáng tương ứng cho từng loại vật liệu quang dẫn khác nhau. Đến đây, việc ứng dụng hiệu ứng quang điện không còn là sự mò mẫm mà đã có sự định hướng rất rõ.
Năm 1904, Wilhelm Hallwachs đã tạo ra đã tao ra một tiếp xúc bán dẫn cho pin năng lượng mặt trời bằng đồng và đồng oxit. Việc chuyển từ khe hở giữa hai cực âm dương trước đây sang dùng tiếp xúc bán dẫn sẽ nâng cao hiệu suất của pin năng lượng mặt trời khi ta đã rút ngắn được khoảng cách giữa hai bản cực. Khi đó, các electron sẽ cần ít năng lượng hơn
21
để di chuyển giữa hai bản cực. Đây cũng là bước tiến lớn về công nghệ khi kích thước của tấm pin sẽ thu nhỏ hơn trước đây, công suất sẽ tăng lên trên cùng một diện tích bề mặt tiếp xúc.
Năm 1905, khái niệm về hiệu ứng quang điện đã thay đổi gần như hoàn toàn khi Albert Einstein đưa ra một giải thích khác về hiệu ứng quang điện dựa trên thuyết lượng tử. Trước đây, có nhiều người đưa ra các mô hình giải thích khác nhau về hiệu ứng quang điện tuy nhiên đều không thành công khi sử dụng mô hình sóng ánh sáng.
Albert Einstein là người đầu tiên giải thích thành công hiệu ứng quang điện cũng như các định luật quang điện khi sử dụng mô hình lượng tử ánh sáng. Công trình này đã dẫn đến sự công nhận về bản chất hạt của ánh sáng và sự phát triển của lý thuyết lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng.
Năm 1932 - Audobert và Stora đã phát hiện ra hiệu ứng quang điện trong chất Cadimium sulfua (CdS). Và chất dùng làm quang dẫn này vẫn còn được sử dụng cho đến hôm nay.
Năm 1954, kỹ thuật pin năng lượng mặt trời được chính thức khai sinh tại Mỹ khi Daryl Chapin, Calvin Fuller, và Gerald Pearson phát minh ra tấm pin năng lượng mặt trời bằng chất bán dẫn tại phòng thí nghiệm Bell. Đây là là các tấm pin năng lượng mặt trời đầu tiên có thể chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng để cung cấp cho các thiết bị điện hằng ngày. Phòng thí nghiệm Bell đã cho ra một tấm pin năng lượng mặt trời 4% và sau đó tăng lên 11%. Từ nay đã có thêm một phương pháp mới để sử dụng để sử dụng nguồn năng lượng vô tận mặt trời nhằm cung cấp cho nhu cầu con người.
Năm 1958, vệ tinh nhân tạo Vanguard I đã sử dụng năng lượng điện thu được từ các tấm pin năng lượng mặt trời để liện lạc vô tuyến với trạm điều khiển mặt đất. Một năm sau, đến lượt các vệ tinh Explorer III, Vanguard II, và Sputnik-3 được trang bị các hệ thống pin năng lượng mặt trời. Mặc dù đã thất bại trong việc thương mại hóa các bộ pin năng lượng mặt trời bán dẫn trong thập niên 1950 và 1960, tuy nhiên nó đã đạt được thành công lớn trong việc trở thành nguồn năng lượng thiết yếu trong lĩnh vực vũ trụ. Thành công này vẫn còn được duy trì cho đến ngày nay.
Năm 1970, với sự tài trợ từ tập đoàn Exxon, tiến sĩ Elliot Berman đã tạo ra một cuộc cách mạng lớn trong việc giảm giá thành sản xuất ra tấm pin năng lượng mặt trời. Giá thành
22
đã giảm từ 100$ xuống còn 20$ cho mỗi Watt điện. Với mức giá đó, pin năng lượng mặt trời đã có thể sử dụng đại trà để cấp điện cho thiết bị điện, từ các thiết bị điện dân dụng trong nhà cho đến các đèn báo, còi báo của các công trình dầu khí xa bờ. Điều này đánh dấu sự thành công trong việc thương mại hóa các thiết bị chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng trong cuộc sống hằng ngày, đó là các tấm pin năng lượng mặt trời.
Ngày nay, với sự phát triển như vũ bão của khoa học kỹ thuật cùng với đó là nhu cầu tìm kiếm một nguồn năng lượng mới thay thế dần cho năng lượng hóa thạch đã ngày dần cạn kiệt và gây ô nhiễm môi trường nặng nề. Các nhà máy điện năng lượng mặt trời có