Hỡnh 1.17 là sơ đồ cấu tạo một pin mặt trời tỡnh thể Silicon (Si). Phần chớnh của nú là một lớp tiếp xỳc bỏn dẫn pn (4) giữa lớp vật liệu Si loại n (lớp (3) và lớp vật liệu Si loại p (lớp (5). Lớp bỏn dẫn loại n (3) khỏ mỏng, độ dày khoảng vài chục m (m = 1 phần triệu một) để cho ỏnh sỏng cú thể xuyờn vào sõu trong cỏc lớp chất bỏn dẫn.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 3 5 6 1 2 ánh sáng mặt trời 7 Lớp chất chống phản xạ ánh sáng
Điện cực lƣới mặt trên Lớp bán dẫn n_Si 1 2 3 Lớp tiếp xúc bán dẫn p_n Lớp bán dẫn p_Si Điện cực dƣới Bóng đèn 4 5 6 7
Hỡnh 1.17 : Sơ đồ cấu tạo một pin mặt trời tinh thể Si
Để đảm bảo độ bền cơ học cho PMT ngƣời ta phải chế tạo lớp bỏn dẫn p (5) khỏ dày, 300 500m. Điện cực mặt trờn (2) làm bằng kim loại và cú dạng lƣới để ỏnh sỏng cú thể lọt qua và vào đƣợc lớp (4). Điện cực mặt dƣới cũng bằng kim loại (6). Trờn cựng là một màng chống phản xạ ỏnh sỏng (1) để giảm sự phản xạ ỏnh sỏng trờn bề mặt trờn của Pin.
Hoạt động của pin mặt trời nhƣ sau:
Khi chiếu ỏnh sỏng mặt trời vào mặt trờn của pin, ỏnh sỏng sẽ tạo ra trong cỏc lớp bỏn dẫn lõn cận lớp tiếp xỳc pn (4) cỏc cặp điện tử – lỗ trống. Cỏc cặp này là cỏc hạt dẫn điện mang điện tớch õm (điện tử) và điện tớch dƣơng (lỗ trống). Do tớnh chất đặc biệt của lớp tiếp xỳc bỏn dẫn, nờn tại lớp tiếp xỳc (4) đã cú sẵn một điện trƣờng tiếp xỳc Etx. Điện trƣờng này lập tức tỏch điện tử và lỗ trống trong cỏc cặp điện tử, lỗ trống vừa đƣợc ỏnh sỏng tạo ra và bắt chỳng chuyển động theo cỏc chiều ngƣợc nhau để tạo thành dũng
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
điện. Vỡ vậy nếu nối cỏc điện cực trờn và dƣới bằng một dõy dẫn cú búng đốn (7) thỡ sẽ cú một dũng điện qua búng đốn và đốn sỏng.
Hiện tƣợng chiếu ỏnh sỏng vào lớp tiếp xỳc bỏn dẫn pn ta thu đƣợc dũng điện ở mạch ngoài đƣợc gọi là hiệu ứng Quang - Điện. Nhƣ vậy PMT hoạt động dựa trờn hiệu ứng quang- điện để sản xuất điện.
Hơn 90% PMT đƣợc sản xuất và ứng dụng hiện nay là PMT làm bằng chất bỏn dẫn tinh thể Si. Đối với PMT loại này, thỡ khi chiếu ỏnh sỏng mặt trời với cƣờng độ Eo=1000 2
m W
và ở nhiệt độ To= 250C thỡ hiệu điện thế giữa 2 cực của pin là khoảng 0,55V và cƣờng độ dũng điện cực đại đạt đƣợc 25
30mA/cm2.
Vỡ hiệu điện thế và dũng điện nhỏ nhƣ vậy, nờn để ứng dụng PMT, trong thực tế ngƣời ta phải nối nối tiếp hay song song nhiều pin lại với nhau tạo thành modun PMT. Ngoài ra việc chế tạo modun cũn nhằm bảo vệ PMT khỏi sự phỏ hoại của mụi trƣờng. Việc vận chuyển và lắp đặt cỏc hệ thống PMT cũng thuận lợi và an toàn hơn.
Hỡnh 1.18 là cấu tạo của một modun PMT.
Tấm kính phía trên Tấm keo EVA Lớp các pin mặt trời đã hàn ghép điện Tấm keo EVA Tấm đáy
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hỡnh 1.18 : Sơ đồ cấu tạo PMT Si Hỡnh 1.19 : Một mụ đun PMT hoàn thiện (nhỡn từ mặt trờn)
Cỏc PMT sau khi đã đƣợc nối điện xong (3) đƣợc đặt vào giữa 2 tấm keo EVA (Ethylene Vinyl Acetate) trong suốt (2). Trờn cựng ngƣời ta đặt tấm kớnh (1) và dƣới đỏy ngƣời ta đặt tấm đế (5) bằng kớnh, chất dẻo hoặc vật liệu khụng thấm nƣớc vào đú. Ngƣời ta nung trong buồng chõn khụng cả hệ thống trờn đến 1001100C thỡ cỏc tấm keo EVA bị núng chảy. Sau đú ngƣời ta ộp khi làm nguội cả hệ thống, cỏc lớp keo EVA sẽ đụng cứng và kết dớnh tất cả cỏc lớp và cỏc tấm thành một khối vững chắc. Cỏc PMT do đú đƣợc cỏch ly hoàn toàn với mụi trƣờng và đƣợc bảo vệ trƣớc mọi va đập cơ học. Hỡnh 1.19 là hỡnh ảnh một mụ đun PMT đã hoàn thiện.
Cho đến nay nƣớc ta chƣa sản xuất đƣợc PMT thƣơng mại mà phải nhập của nƣớc ngoài, giỏ khoảng 4USD/Wp.
Cụng suất của modun PMT đƣợc đo bằng Oỏt- đỉnh (peak Watt- viết tắt là Wp) là cụng suất điện mà modun PMT phỏt ra đƣợc khi ỏnh sỏng mặt trời
cú cƣờng độ 1000W/m2
chiếu vào mặt modun và ở nhiệt độ 250C.
Vớ dụ 1 modun PMT 75Wp cú nghĩa là khi đặt tấm PMT dƣới ỏnh sỏng
mặt trời cú cƣờng độ 1000W/m2
(nắng lỳc giữa trƣa vào mựa hố) thỡ modun đú phỏt ra 75W điện năng. Vào cỏc thời gian nắng kộm hơn, vớ dụ buổi sỏng hay buổi chiều, mựa đụng,v.v.... modun khụng phỏt ra đủ 75W.
1.5.6.2. Hệ thống nguồn điện PMT
PMT đƣợc ứng dụng để sản xuất điện. Hiện nay cú 2 phƣơng phỏp sử dụng điện mặt trời. Đú là cỏc phƣơng phỏp nguồn điện PMT nối lƣới và nguồn điện PMT độc lập.
* Nguồn điện PMT nối lƣới
Hỡnh 1.20 là sơ đồ một hệ thống nguồn điện mặt trời nối lƣới. Dàn PMT gồm nhiều modun PMT đƣợc ghộp nối lại với nhau (nối nối tiếp, song song
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
hay hỗn hợp) và lắp đặt trờn mỏi nhà hay nơi cú nắng suốt ngày. Khi cú nắng dàn PMT phỏt ra dũng điện một chiều. Dũng điện này đƣợc cho qua Bộ biến đổi điện IN để biến đổi thành dũng điện xoay chiều (vớ dụ dũng điện 220V, 50Hz) và qua cụng tơ điện CT1 đƣa vào lƣới điện quốc gia (hay địa phƣơng). Khi sử dụng ngƣời ta lấy điện trực tiếp từ lƣới điện qua cụng tơ điện CT2 cấp điện cho cỏc thiết bị tiờu thụ điện nhƣ Tivi, tủ lạnh, quạt, đốn,v.v... Nhƣ vậy cụng tơ điện CT1 sẽ ghi số điện năng dàn PMT phỏt lờn lƣới, cũn cụng tơ điện CT2 ghi số điện năng mà hộ sử dụng. Căn cứ vào chỉ số CT1 và CT2 mà hộ cú hệ thống điện PMT đƣợc trả hoặc phải nộp thờm tiền điện. Trong phƣơng phỏp này mạng lƣới điện quốc gia hay địa phƣơng đúng vai trũ nhƣ một hệ thống tớch trữ điện năng (hay một nhà băng điện năng). Phƣơng phỏp trờn rất kinh tế và an toàn, nờn cỏc nƣớc phỏt triển nhƣ Nhật, Mỹ, Phỏp, Đức,... đều sử dụng cụng nghệ này. Tuy nhiờn phƣơng phỏp này chỉ ứng dụng đƣợc những khu vực cú lƣới điện.
K IN CT1 CT2 PMT TL TV Đ Q Lƣới điện PMT: dàn pin mặt trời CT1,CT2 : công tơ điện 1 và 2 IN : Bộ biến đổi điện K : công tắc điện
TL: tủ lạnh TV: Tivi Q : quạt Đ : đèn
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hỡnh 1.20 : Sơ đồ hệ thống điện mặt trời nối lƣới
Ở cỏc khu vực miền nỳi, hải đảo,... nơi khụng cú lƣới điện hay khi sử dụng với cụng suất nhỏ thỡ ngƣời ta phải dựng phƣơng phỏp hay cụng nghệ nguồn điện PMT độc lập.
* Nguồn điện PMT độc lập
Hỡnh 1.21 là sơ đồ khối của một hệ nguồn điện PMT độc lập. Nú bao gồm một số thành phần nhƣ Dàn PMT, Bộ điều khiển (BĐK), Bộ ỏc qui, Bộ biến đổi điện (BDD) và cỏc thiết bị tiờu thụ điện (tải).
Dàn PMT Bộ điều
khiển
Bộ ác qui Bộ biến đổi
điện
Tải DC
Tải AC
Hỡnh 1.21 : Sơ đồ khối hệ nguồn điện mặt trời độc lập
Dàn PMT gồm một hay một số modun PMT nối ghộp lại. Hàng ngày lỳc cú ỏnh sỏng mặt trời, dàn PMT hấp thụ năng lƣợng ỏnh sỏng mặt trời và biến đổi thành điện năng của dũng điện một chiều.
BĐK là một thiết bị điện tử, nú cú nhiệm vụ kiểm soỏt tự động cỏc quỏ trỡnh nạp và phúng điện của ỏc quy, bảo vệ ỏc quy và bảo vệ cỏc thiết bị tiờu thụ điện (gọi chung là tải). Khi ỏc quy đã đƣợc nạp điện no, dung lƣợng của ỏc quy đạt 100%, thỡ BĐK sẽ tự động cắt hoặc giảm dũng nạp điện cho ỏc quy từ dàn PMT. Nhờ vậy ỏc quy trỏnh đƣợc trạng thỏi “quỏ no” giảm tuổi
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
thọ của nú. Ngƣợc lại, khi ỏc quy bị đúi quỏ, vớ dụ dung lƣợng của nú chỉ cũn lại 30% thỡ BĐK cũng tự động cắt hay giảm dũng điện cấp cho cỏc tải, nhờ vậy ỏc quy khụng bị phúng điện quỏ kiệt, dẫn đến hƣ hỏng ỏc quy.
Bộ ắc quy là thành phần dự trữ điện năng. Vỡ dàn PMT chỉ phỏt điện lỳc cú nắng, trong khi đú cỏc thiết bị điện lại cú thể phải dựng vào cỏc thời gian khụng cú nắng (nhƣ búng đốn chỉ dựng vào ban đờm, xem chƣơng trỡnh Tivi ban đờm, v.v...).
Thụng thƣờng ắc quy đƣợc sử dụng là ỏc quy chỡ- axit, giỏ khụng quỏ cao, cú bỏn ở mọi địa phƣơng. Nhƣợc điểm của ỏc quy loại này là tuổi thọ khụng cao (trung bỡnh chỉ đƣợc 2 – 3 năm nếu đƣợc chăm súc, bảo dƣỡng tốt), yờu cầu phải chăm súc và bảo dƣỡng thƣờng xuyờn. Cỏc loại ắc quy khỏc nhƣ ac quy kiềm, Cat-mi, v.v... tốt hơn nhƣng lại rất đắt.
Thụng số quan trọng của một bộ ỏc quy là hiệu điện thế và dung lƣợng của nú. Hiệu điện thế tớnh bằng V, cũn dung lƣợng đƣợc tớnh bằng Am-pe-giờ (Ah) hay oỏt-giờ (Wh). Vớ dụ cỏc loại ỏc quy 12V-100Ah, 24V-400Ah, 48V- 600Ah,v.v...Hiệu điện thế và dung lƣợng của bộ ắc quy phải đƣợc tớnh toỏn phự hợp với cỏc tải tiờu thụ và cụng suất dàn PMT.
Trong trƣờng hợp cỏc thiết bị tiờu thụ điện một chiều 12V, 24V, 48V.... thỡ ngƣời ta cú thể sử dụng điện ngay sau BĐK. Cũn nếu cú cỏc thiết bị tiờu thụ điện dựng dũng điện xoay chiều, vớ dụ 220V, 50Hz, nhƣ tivi màu quạt, bơm nƣớc, tủ lạnh, v.v... thỡ trong hệ nguồn cần cú thờm một BDD.
Cụng suất và cỏc đặc trƣng điện của BĐK và BDD (nhƣ hiệu điện thế vào, hiệu điện thế ra, giải hiệu điện thế làm việc,v.v...) phải đƣợc tớnh toỏn cho phự hợp với hệ thống.
1.6. Kết luận
Trong thời đại khoa học kỹ thuật phỏt triển, nhu cầu về năng lƣợng ngày càng tăng. Trong khi đú cỏc nguồn nhiờn liệu dự trữ nhƣ than đỏ, dầu mỏ, khớ
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
thiờn nhiờn và ngay cả thủy điện thỡ cú hạn khiến cho nhõn loại đứng trƣớc nguy cơ thiếu hụt năng lƣợng. Việc tỡm kiếm và khai thỏc cỏc nguồn năng lƣợng mới nhƣ năng lƣợng hạt nhõn, năng lƣợng địa nhiệt, năng lƣợng giú và năng lƣợng mặt trời là một trong những hƣớng quan trọng trong kế hoạch phỏt triển năng lƣợng, khụng những đối với những nƣớc phỏt triển mà ngay cả với những nƣớc đang phỏt triển.
Năng lƣợng mặt trời - nguồn năng lƣợng sạch và tiềm tàng nhất đang đƣợc loài ngƣời thực sự đặc biệt quan tõm. Do đú việc nghiờn cứu nõng cao hiệu quả cỏc thiết bị sử dụng năng lƣợng mặt trời và triển khai ứng dụng chỳng vào thực tế là vấn đề cú tớnh thời sự.
Việt Nam là nƣớc cú tiềm năng về NLMT, trải dài từ vĩ độ 8” Bắc đến 23” Bắc, nằm trong khu vực cú cƣờng độ bức xạ mặt trời tƣơng đối cao, với
trị số tổng xạ khỏ lớn từ 100-175 kcal/cm2.năm (4,2-7,3GJ/m2.năm) do đú việc sử dụng NLMT ở nƣớc ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế lớn.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
CHƢƠNG II
TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG GƢƠNG MẶT TRỜI 2.1. Vai trũ của hệ thống gƣơng mặt trời
Năng lƣợng mặt trời là nguồn năng lƣợng mà con ngƣời biết sử dụng từ rất sớm, nhƣng ứng dụng NLMT vào cỏc cụng nghệ sản xuất và trờn quy mụ rộng thỡ thực sự là một vấn đề rất mới và hiện đang là mối quan tõm hàng đầu của cỏc nhà khoa học. Do đú việc nghiờn cứu nõng cao hiệu quả cỏc thiết bị sử dụng năng lƣợng mặt trời và triển khai ứng dụng chỳng vào thực tế là vấn đề cú tớnh thời sự. Cỏc ứng dụng NLMT phổ biến hiện nay bao gồm cỏc lĩnh vực chủ yếu sau: Pin mặt trời, nhà mỏy nhiệt điện sử dụng năng lƣợng mặt trời, thiết bị sấy khụ dựng năng lƣợng mặt trời, thiết bị làm lạnh và điều hoà khụng khớ dựng NLMT..
Thiết bị sử dụng năng lƣợng mặt trời ở Việt Nam hiện nay chủ yếu là hệ thống cung cấp điện dựng pin mặt trời, hệ thống nấu cơm cú gƣơng phản xạ và đặc biệt là hệ thống cung cấp nƣớc núng kiểu tấm phẳng hay kiểu ống cú cỏnh nhận nhiệt. Nhƣng nhỡn chung cỏc thiết bị này giỏ thành cũn cao, hiệu suất cũn thấp nờn chƣa đƣợc ngƣời dõn sử dụng rộng rãi.
Mặc dự tiềm năng của NLMT rất lớn, nhƣng tỷ trọng năng lƣợng đƣợc sản xuất từ NLMT trong tổng năng lƣợng tiờu thụ của thế giới vẫn cũn khiờm tốn. Nguyờn nhõn chớnh chƣa thể thƣơng mại húa cỏc thiết bị và cụng nghệ sử dụng NLMT là do cũn tồn tại một số hạn chế lớn chƣa đƣợc giải quyết :
* Giỏ thành thiết bị cũn cao: vỡ hầu hết cỏc nƣớc đang phỏt triển và kộm phỏt triển là những nƣớc cú tiềm năng rất lớn về NLMT nhƣng để nghiờn cứu và ứng dụng NLMT lại đũi hỏi vốn đầu tƣ rất lớn, nhất là để nghiờn cứu cỏc thiết bị làm lạnh và điều hũa khụng khớ bằng NLMT cần chi phớ quỏ cao so với thu nhập của ngƣời dõn ở cỏc nƣớc nghốo.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
* Hiệu suất thiết bị cũn thấp: nhất là cỏc bộ thu năng lƣợng mặt trời dựng để cấp nhiệt cho mỏy lạnh hấp thu cần nhiệt độ cao thỡ cỏc bộ thu phẳng đặt cố định bỡnh thƣờng cú hiệu suất rất thấp, do đú thiết bị lắp đặt cũn cồng kềnh chƣa phự hợp với nhu cầu lắp đặt và về mặt thẩm mỹ. Cỏc bộ thu cú gƣơng parabolic hay mỏng parabolic trụ phản xạ bỡnh thƣờng thỡ thu đƣợc nhiệt độ cao nhƣng vấn đề định vị hƣớng hứng nắng theo phƣơng mặt trời rất phức tạp nờn việc vận hành cũn nhiều khú khăn.
2.2. Giới thiệu hệ thống thu năng lƣợng mặt trời dựng mỏng phản xạ cong
Hỡnh 2.1: Hệ thống thu năng lƣợng mặt trời dựng mỏng phản xạ cong
Điều khiển bỏm (theo dừi) theo hƣớng mặt trời là phần rất quan trọng trong cỏc hệ thống thu năng lƣợng mặt trời. Cụng việc ở đõy là đo mức gia tăng nhiệt độ của nƣớc (chất lỏng) khi nú chảy qua ống dẫn của bộ thu năng lƣợng khi mặt trời chiếu trực tiếp vào bộ thu. Hiệu suất về nhiệt của bộ thu năng lƣợng là một hàm của hệ số chắn (intercept factor), phụ thuộc vào độ
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
chớnh xỏc của cụng việc bộ thu bỏm theo mặt trời. Điều khiển chớnh xỏc bộ thu hết sức quan trọng nhằm tối đa húa hiệu suất về nhiệt của hệ thống thu năng lƣợng mặt trời. Cỏc yờu cầu khỏc nhau đƣợc đƣa ra với cỏc chế độ hoạt động khỏc nhau cần thiết cho hoạt động đỳng đắn của cỏc bộ thu năng lƣợng mặt trời. Cỏc mụ hỡnh điều khiển đƣợc so sỏnh để tối ƣu hoỏ độ chớnh xỏc bỏm theo theo hƣớng mặt trời và cũng nhƣ tối ƣu hiệu suất nhiệt.
Hệ thống thu năng lƣợng mặt trời sử dụng cỏc mỏng parabol cong (PTSC), tập trung năng lƣợng mặt trời vào một ống thu chạy ở trong lũng mỏng. Bởi với hỡnh dỏng parabol, mỏng cú thể tập trung ỏnh mặt trời trờn cỏc đƣờng ống này với cƣờng độ gấp 30-60 lần. Năng lƣợng tập trung đun núng một chất lỏng truyền nhiệt, thƣờng là dầu, chảy qua đƣờng ống. Bộ thu nhiệt đƣợc đặt phớa trờn mỏng theo hƣớng đụng-tõy xoay theo mặt trời để tập trung đƣợc tốt nhất nhiệt năng từ cỏc ống thu.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hiệu suất của bộ thu quang học là hàm của 5 hệ số: độ phản xạ bề mặt gƣơng, độ trong suốt lớp phủ bề mặt gƣơng, hệ số hấp thu về nhiệt, độ lệch gúc tới và hệ số chặn
ηo = ƒ(ρ, τ, α, K, γ)