Điện mặt trời

Chia sẻ: Tran Son Ha | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:5

Thêm vào BST

Báo xấu

169
lượt xem 54
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Điện mặt trời (tiếng Anh: Photovoltaics - PV) là lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật biến đổi ánh sáng mặt trời trực tiếp thành điện năng nhờ pin mặt trời. Ngày nay, do nhu cầu năng lượng sạch ngày càng nhiều nên ngành sản xuất pin mặt trời phát triển cực kỳ nhanh chóng. Sản lượng điện mặt trời tăng 48% một năm kể từ 2002, nghĩa là cứ hai năm lại tăng gấp đôi và đã giúp ngành năng lượng này đạt tốc độ tăng trưởng cao nhất thế giới. Dữ liệu đến hết năm 2007 cho...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Điện mặt trời

Điện mặt trời (tiếng Anh: Photovoltaics - PV) là lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật biến đổi ánh sáng mặt trời trực tiếp thành điện năng nhờ pin mặt trời. Ngày nay, do nhu cầu năng lượng sạch ngày càng nhiều nên ngành sản xuất pin mặt trời phát triển cực kỳ nhanh chóng[1][2][3]. Sản lượng điện mặt trời tăng 48% một năm kể từ 2002, nghĩa là cứ hai năm lại tăng gấp đôi và đã giúp ngành năng lượng này đạt tốc độ tăng trưởng cao nhất thế giới. Dữ liệu đến hết năm 2007 cho biết toàn thế giới đạt 12400 MW công suất điện mặt trời[4] trong đó khoảng 90% hòa vào mạng lưới điện chung[5], còn lại được lắp trên tường hay mái của nhiều tòa nhà gọi là hệ thống tích hơp điện mặt trời cho tòa nhà[6]. Nhiều ưu đãi tài chính như trợ thuế đã giúp ngành điện mặt trời ở một vài nước như Đức, Nhật, Israel, Hoa Kỳ, Úc phát triển nhanh chóng. Mục lục 1 Tổng quan • 2 Sự phát triển hiện tại • 3 Tổng lượng đã lắp đặt toàn thế • giới 4 Ứng dụng • o 4.1 Trạm phát điện o 4.2 Trong nhà o 4.3 Trong giao thông o 4.4 Trong các thiết bị rời 5 Xem thêm • 6 Tham khảo • 7 Liên kết ngoài • Tổng quan Tấm năng lượng mặt trời chuyển ánh sáng trực tiếp thành điện năng
Năng lượng bức xạ mặt trời bình quân, đơn vị watt/m². Các dấu chấm nhỏ thể hiện diện tích cần lắp pin mặt trời hiệu suất 8% để đủ năng lượng dùng cho toàn thế giới. Bản đồ về tiềm năng năng lượng mặt trời ở châu Âu Kỹ thuật điện mặt trời đơn giản là cách chuyển quang năng thành điện năng trực tiếp nhờ các tấm pin mặt trời ghép lại với nhau thành mô đun. Photon đập vào electron làm năng lượng của electron tăng lên và di chuyển tạo thành dòng điện. Điện năng do pin mặt trời tạo để sử dụng hay để sạc pin. Thời kỳ đầu diện mặt trời chỉ được dùng cho vệ tinh nhân tạo hay phi thuyền nhưng ngày nay công dụng chính của nó là để cấp điện vào lưới điện chung nhờ bộ chuyển đổi từ dòng điện một chiều trong pin sang điện xoay chiều. Còn một phần nhỏ dùng cấp điện cho các ngôi nhà, trạm điện thoại, bộ điều khiển từ xa... Tấm pin được đặt dưới một lớp gương nhằm ngăn những tác động từ môi trường. Để có lượng điện lớn hơn một mảnh pin riêng lẻ có thể tạo ra người ta gắn kết nhiều mảnh lại thành một tấm lớn là pin mặt trời. Một tấm pin riêng lẻ đủ cấp điện cho một trạm điện thoại công cộng, còn để đủ cấp cho một căn nhà hay một nhà máy điện thì phải cần nhiều tấm ghép lại thành dãy. Dù hiện giờ giá thành điện mặt trời hầu như vẫn cao hơn rất nhiều so với giá điện lưới nhưng ở một số nước như Nhật Bản hay Đức nhờ có ưu đãi về tài chính, thuế khóa mà sản lượng của ngành này đã có bước tiến vượt bậc do lượng cầu tăng. The EPIA/Greenpeace Advanced Scenario dự báo đến năm 2030 ngành điện mặt trời toàn thế giới sẽ đạt công suất xấp xỉ 2600 TWh, nghĩa là đủ cung cấp cho 14% dân số địa cầu[7].
Nguyên lý làm việc của pin mặt trời Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang đi ện), là thi ết b ị bán d ẫn chứa lượng lớn các diod p-n, duới sự hiện diện c ủa ánh sáng m ặt tr ời có kh ả năng t ạo ra dòng điện sử dụng được. Sự chuyển đổi này gọi là hi ệu ứng quang đi ện. Các pin năng lượng mặt trời có nhiều ứng dụng. Chúng đ ặc bi ệt thích h ợp cho các vùng mà điện năng trong mạng lưới chưa vươn tới, các vệ tinh quay xung quanh qu ỹ đạo trái đất, máy tính cầm tay, các máy điện thoại cầm tay từ xa, thi ết bị bơm n ước... Pin năng lượng mặt trời (tạo thành các module hay các t ấm năng l ượng m ặt tr ời) xu ất hiện trên nóc các tòa nhà nơi chúng có thể kết n ối với b ộ chuyển đ ổi c ủa m ạng l ưới điện. Lịch sử Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel. Tuy nhiên cho đến 1883 một pin năng l ượng m ới đ ược t ạo thành, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen m ột lớp cực m ỏng vàng đ ể t ạo nên mạch nối. Thiết bị chỉ có hiệu suất 1%, Russell Ohl xem là người t ạo ra pin năng lượng mặt trời đầu tiên năm 1946. Sven Ason Berglund đã có ph ương pháp liên quan đến việc khả cảm nhận của tăng năng ánh sáng pin. Nền tảng Để tìm hiểu về pin mặt trời, thì cần một ít lý thuyết nền tảng về vật lý ch ất bán d ẫn. Để đơn giản, miêu tả sau đây chỉ giới hạn hoạt động c ủa m ột pin năng l ượng tinh th ể silic.
Silic thuộc nhóm IV, tức là có 4 electron lớp ngoài cùng. Silic có th ể k ết h ợp v ới silicon khác để tạo nên chất rắn. Cơ bản có 2 lo ại chất rắn silicon, đa thù hình (không có trật tự sắp xếp) và tinh thể (các nguyên tử sắp xếp theo thứ tự dãy không gian 3 chiều). Pin năng lượng mặt trời phổ biến nhất dùng đa tinh th ể silicon. Silic là chất bán dẫn. Tức là thể rắn silic, tại m ột tầng năng lượng nhất đ ịnh, electron có thể đạt được, và một số tầng năng lượng khác thì không đ ược. Các t ầng năng lượng không được phép này xem là tầng trống. Lý thuyết này căn cứ theo thuyết c ơ học lượng tử. Ở nhiệt độ phòng, Silic nguyên chất có tính dẫn điện kém. Trong c ơ h ọc l ượng t ử, giải thích thất tế tại mức năng lượng Fermi trong tầng trống. Để tạo ra silic có tính dẫn điện tốt hơn, có thể thêm vào một lượng nhỏ các nguyên tử nhóm III hay V trong bảng tuần hoàn hóa học. Các nguyên tử này chi ếm vị trí c ủa nguyên t ử silic trong mạng tinh thể, và liên kết với các nguyên tử silic bên cạnh t ương t ự nh ư là m ột silic. Tuy nhiên các phân tử nhóm III có 3 electron ngoài cùng và nguyên t ử nhóm V có 5 electron ngoài cùng, vì thế nên có chỗ trong mạng tinh thể có dư electron còn có chỗ thì thiếu electron. Vì thế các electron thừa hay thiếu electron (gọi là lỗ trống) không tham gia vào các kết nối mạng tinh thể. Chúng có th ể t ự do di chuy ển trong kh ối tinh th ể. Silic kết hợp với nguyên tử nhóm III (nhôm hay gali) đ ược gọi là lo ại bán d ẫn p b ởi vì năng lượng chủ yếu mang điện tích dương (positive), trong khi phần k ết h ợp v ới các nguyên tử nhóm V (phốt pho, asen) gọi là bán dẫn n vì mang năng lượng âm (negative). Lưu ý rằng cả hai loại n và p có năng lượng trung hòa, tức là chúng có cùng năng lượng dương và âm, loại bán dẫn n, loại âm có thể di chuyển xung quanh, tương tự ngược lại với loại p. Vật liệu hiệu suất và Nhiều lọai vật liệu khác nhau được thử nghiệm cho pin mặt trời. Và hai tiêu chuẩn, hiệu suất cả. và giá Hiệu suất là tỉ số của năng lượng điện từ ánh sáng m ặt trời. Vào bu ổi tr ưa m ột ngày trời trong, ánh mặt trời tỏa nhiệt khoảng 1000 W/m². trong đó 10% hi ệu su ất c ủa 1 module 1 m² cung cấp năng lượng khoảng 100 W. hiệu suất của pin mặt tr ời thay đ ổi từ 6% từ pin mặt trời làm từ silic không thù hình, và có th ể lên đến 30% hay cao h ơn nữa, sử dụng pin có nhiều mối nối nghiên cứu trong phòng thí nghi ệm. Có nhiều cách để nói đến giá cả của hệ thống tạo đi ện, là tính toán c ụ th ể trên t ừng kilo Watt giờ (kWh). Hiệu suất của pin mặt trời kết hợp với sự bức xạ là 1 yếu tố quyết định trong giá thành. Nói chung hi ệu su ất c ủa toàn h ệ th ống là t ầm quan tr ọng của nó. Để tạo nên ứng dụng thực sự của pin tích hợp năng lượng, đi ện năng t ạo nên nối với mạng lưới điện sử dụng inverter; trong các phương ti ện di chuyển, h ệ th ống ắc quy sử dụng để lưu trữ nguồn năng lượng không sử dụng hi ện tại. Các pin năng lượng thương mại và hệ thống công nghệ có hiệu suất từ 5% đến 15%. Giá c ủa đi ện từ 50 Eurocent/kWh (Trung Âu) xuống tới 25 eurocent/kWh trong vùng có ánh m ặt tr ời nhiều.
Cho tới hiện tại thì vật liệu chủ yếu cho pin m ặt trời (và cho các thi ết b ị bán d ẫn) là các silic tinh thể. Pin mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành 3 lo ại: * Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski. Đ ơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16%. Chúng thường rất m ắc ti ền do đ ược c ắt t ừ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các m ặt trống ở góc n ối các module. * Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc-đúc từ silic nung ch ảy c ẩn th ận đ ược làm ngu ội và làm rắn. Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh th ể, tuy nhiên hi ệu su ất kém h ơn. Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che ph ủ b ề m ặt nhi ều h ơn đ ơn tinh thể lạ i hiệu suất thấp của bù cho nó. * Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có c ấu trúc đa tinh th ể, Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các lo ại vì c ần phải cắt từ thỏi không silicon. Công nghệ trên là sản suất tấm, nói cách khác, các lọai trên có đ ộ dày 300 μm tạo xếp lại để tạo thành và nên module. Sự chuyển đổi ánh sáng Khi một photon chạm vào mảnh silic, một trong hai đi ều sau s ẽ x ảy ra: 1. Photon truyền trực xuyên qua mảnh silic. Điều này thường xảy ra khi năng l ượng của photon thấp hơn năng lượng đủ để đưa các hạt electron lên m ức năng l ượng cao hơn. 2. Năng lượng của photon được hấp thụ bởi silic. Đi ều này th ường xảy ra khi năng lượng của photon lớn hơn năng lượng để đưa electron lên mức năng lượng cao h ơn. Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các h ạt electron trong màng tinh thể. Thông thường các electron này lớp ngoài cùng, và thường được kết dính với các nguyên tử lân cận vì thế không thể di chuyển xa. Khi electron đ ược kích thích, trở thành dẫn điện, các electron này có thể tự do di chuyển trong bán dẫn. Khi đó nguyên tử sẽ thiếu 1 electron và đó gọi là "lỗ trống". Lỗ trống này t ạo đi ều ki ện cho các electron của nguyên tử bên cạnh di chuyển đến điền vào "lỗ trống", và điều này tạo ra lỗ trống cho nguyên tử lân cận có "lỗ trống". Cứ ti ếp tục như v ậy "l ỗ tr ống" di chuyển suốt mạch dẫn. xuyên bán Một photon chỉ cần có năng lượng lớn hơn năng luợng đủ để kích thích electron l ớp ngoài cùng dẫn điện. Tuy nhiên, tần số của mặt trời thường tương đ ương 6000°K, vì thế nên phần lớn năng lượng mặt trời đều được hấp thụ bởi silic. Tuy nhiên h ầu h ết năng lượng mặt trời chuyển đổi thành năng lượng nhiệt nhiều hơn là năng l ượng đi ện sử dụng được.