intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE
 » 
 » 

Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật điện: Nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu suất tấm pin năng lượng mặt trời

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:71

Thêm vào BST
Báo xấu
20
lượt xem 9
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật điện "Nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu suất tấm pin năng lượng mặt trời" trình bày các nội dung chính sau: Tấm pin năng lượng mặt trời và các thông số ảnh hưởng đến hiệu suất; Phân tích các thông số ảnh hưởng tới hiệu suất tấm pin năng lượng mặt trời; Kết quả thực nghiệm các giải pháp nâng cao hiệu suất pin năng lượng mặt trời.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật điện: Nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu suất tấm pin năng lượng mặt trời

  1. BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH TRẦN NGÂN HÀ TRẦN NGÂN HÀ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU SUẤT TẤM PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN KHÓA:K1 QUẢNG NINH – NĂM 2019
  2. BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH TRẦN NGÂN HÀ NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU SUẤT TẤM PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS. NGUYỄN THẾ VĨNH QUẢNG NINH – NĂM 2019
  3. BỘ CÔNG THƯƠNG CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: …………………………………… Mã học viên:……………………. Ngày, tháng, năm sinh: ……………………………. Nơi sinh: ……………………….. Chuyên ngành: ……………………………………. Mã số: ………………………….. 1. Tên đề tài:…………………………………………………………………………….. 2. Nội dung: (Ghi theo đề cương đã được HĐ xét duyệt) ……………………………… 3. Ngày giao nhiệm vụ: (Ghi theo Quyết định giao đề tài) ……………………………. 4. Ngày hoàn thiện nhiệm vụ: (Ghi theo Quyết định giao đề tài) ……………………… 5. Cán bộ hướng dẫn khoa học: (Ghi rõ học hàm/học vị, họ, tên) ……………............... …………………………………………………………………………………………... …………………………………………………………………………………………... Quảng Ninh, ngày … tháng …. năm …. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TRƯỞNG BỘ MÔN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên) TL. HIỆU TRƯỞNG TRƯỞNG KHOA (CHỦ QUẢN) (Ký, ghi rõ họ tên và đóng dấu)
  4. Trường Đại học Công Nghiệp Quảng Ninh Luận văn Thạc sĩ LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các kết quả nghiên cứu đưa ra trong luận văn này là các kết quả thu được trong quá trình nghiên cứu của riêng tôi cùng với sự hướng dẫn của thầy TS. Nguyễn Thế Vĩnh, không sao chép bất kỳ kết quả nghiên cứu nào của các tác giả khác. Nội dung nghiên cứu có tham khảo và sử dụng một số thông tin, tài liệu từ các nguồn tài liệu đã được liệt kê trong danh mục tài liệu tham khảo. Nếu sai tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định. Quảng Ninh, ngày ….tháng ….năm….. Tác giả luận văn Trần Ngân Hà Học viên: Trần Ngân Hà I Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
  5. Trường Đại học Công Nghiệp Quảng Ninh Luận văn Thạc sĩ LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin trân trọng cảm ơn Trường Đại học Công Nghiệp Quảng Ninh, Khoa Điện, các thầy cô và các đồng nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi và đóng góp nhiều ý kiến quý báu giúp tôi hoàn thành bản luận án này. Đặc biệt, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến Thầy hướng dẫn TS. Nguyễn Thế Vĩnh đã hết lòng hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tôi xin cảm ơn gia đình và người thân đã luôn bên tôi, ủng hộ và động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu. Tôi xin chân thành cảm ơn! Quảng Ninh, ngày ….tháng ….năm….. Tác giả luận văn Trần Ngân Hà Học viên: Trần Ngân Hà II Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
  6. Trường Đại học Công Nghiệp Quảng Ninh Luận văn Thạc sĩ DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1. 1. Sản lượng pin mặt trời 1990 – 2000(MWp) ....................................................... 8 Bảng 1. 2. Các công nghệ PMT hiệu suất cao ................................................................... 11 Bảng 1. 3. Cấu trúc PMT GaAs ......................................................................................... 15 Bảng 3. 1. Các thông số cơ bản pin mặt trời Mono Solarcity 60W ................................... 34 Bảng 3. 2. Các thông số cơ bản bộ sạc pin mặt trời. ......................................................... 36 Bảng 3. 3. Các thông số cơ bản ắc quy CS3 GP 1272 F2 ................................................. 37 Bảng 3. 4. Các thông số cơ bản bộ kích điện Meind 150W ............................................... 38 Bảng 3. 5. Kết quả đo đạc của hệ thống không áp dụng các giải pháp tăng hiệu suất ..... 40 Bảng 3. 6. Kết quả đo đạc của hệ thống sử dụng các giải pháp làm mát pin mặt trời bằng nước .................................................................................................................................... 44 Bảng 3. 7. Kết quả đo đạc của hệ thống sử dụng các giải pháp quay pin hướng ánh sáng mặt trời. .............................................................................................................................. 51 Bảng 3. 8. Kết quả đo đạc của hệ thống sử dụng các giải pháp tổng hợp ........................ 58 Học viên: Trần Ngân Hà III Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
  7. Trường Đại học Công Nghiệp Quảng Ninh Luận văn Thạc sĩ DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Sơ đồ cấu tạo của pin quang điện........................................................................ 3 Hình 1. 2. Nguyên lý hoạt động của Pin mặt trời ................................................................ 4 Hình 1. 3. Hệ thống 2 mức năng lượng trong đó E1 < E2 .................................................. 4 Hình 1. 4. Các vùng năng lượng .......................................................................................... 6 Hình 1. 5. Nguyên lý dẫn điện của vật dẫn .......................................................................... 6 Hình 1. 6. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời ................................................................ 7 Hình 1. 7. Qui trình chế tạo pin mặt trời từ cát ................................................................... 8 Hình 1. 8. Cấu trúc pin mặt trời Silic tinh thể ..................................................................... 9 Hình 1. 9. Cấu trúc Pin mặt trời Silic vô định hình. .......................................................... 10 Hình 1. 10. Sơ đồ thiết bị chế tạo pin mặt trời Si vô định hình ......................................... 10 Hình 1. 11. PMT “PERC” ................................................................................................. 13 Hình 1. 12. PMT TPER ...................................................................................................... 13 Hình 1. 13. PMT contact cầu nối ....................................................................................... 14 Hình 1. 14. PMT tandem .................................................................................................... 16 Hình 1. 15. Thấu kính Fresnel ........................................................................................... 17 Hình 1. 16. Nấp che lăng tụ giảm độ che của contact ....................................................... 17 Hình 1. 17. Trạm Skylab – giàn pin mặt trời 20W phóng lên vũ trụ 1973. ....................... 18 Hình 1. 18. Các tia bức xạ đến bề mặt pin mặt trời .......................................................... 21 Hình 1. 19. Quang tử trong ánh sáng mặt trời đánh bật điện tử ra khỏi mạch polymer của poly (3 - hexylthiophene) (P3HT) và được nhận bởi [6,6]-PCBM C60 (một chất dẫn xuất của C60) ............................................................................................................................. 23 Hình 1. 20a. Tiến trình phân ly của cặp lỗ trống - điện tử (h+ và e-) tại mặt chuyển tiếp giữa vật liệu p và n. ............................................................................................................ 24 Hình 1. 21b. Điện tử (e-) đi theo đường vân vật liệu n tiến đến cực dương, và lỗ trống (h+) theo đường vân vật liệu p tiến đến cực âm. Dòng điện xuất hiện. ..................................... 24 Hình 2. 1. Đặc điểm I-V của môđun quang điện dưới tác động nhiệt, I được trình bảy theo thang đo logarith: a. Ở nhiệt độ 50oC, b. Ở nhiệt độ 100oC............................................. 25 Hình 2. 2. Đặc tính I-V của môđun quang điện dưới tác động của nhiệt độ trong 10 phút ............................................................................................................................................ 26 Hình 2. 3. Đặc tính I-V ngược của môđun quang điện dưới tác động của nhiệt độ: ........ 27 Hình 2. 4. Đặc tính C-V của môđun quang điện dưới tác động của nhiệt độ: .................. 28 Hình 2. 5. Pin Polycrystalline ............................................................................................ 30 Hình 2. 6. Pin Monocrystalline .......................................................................................... 31 Hình 2. 7. Pin màng mỏng hay silic vô định hình.............................................................. 32 Hình 3. 1. Hình ảnh pin mặt trời Mono Solarcity 60W ..................................................... 34 Hình 3. 2. bộ điều khiển sạc............................................................................................... 36 Hình 3. 3. Ắc quy CS3 GP 1272 F2. .................................................................................. 37 Học viên: Trần Ngân Hà IV Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
  8. Trường Đại học Công Nghiệp Quảng Ninh Luận văn Thạc sĩ Hình 3. 4. Bộ kích điện Meind 150W ................................................................................. 38 Hình 3. 5. Sơ đồ tổng quan hệ thống sạc pin mặt trời đơn giản....................................... 39 Hình 3. 6. Đồ thị của pin khi không áp dụng các giải pháp nâng cao hiệu suất .............. 40 Hình 3. 7. Sơ đồ tổng quan hệ thống sạc pin mặt trời sử dụng giải pháp giảm nhiệt độ bề mặt pin năng lượng mặt trời. .............................................................................................. 41 Hình 3. 8. Lưu đồ thuật toán điều khiển bơm nước làm mát ............................................. 42 Hình 3. 9. Đồ thị so sánh giữa pin mặt trời có áp dụng giải pháp nâng cao hiệu suất .... 44 Hình 3. 10. Sơ đồ tổng quan hệ thống sạc pin mặt trời sử dụng giải pháp điều khiển góc quay pin hướng ánh sáng. .................................................................................................. 45 Hình 3. 11. Các phương pháp điều khiển hướng ánh sáng pin mặt trời. .......................... 45 Hình 3. 12. Lưu đồ thuật toán điều khiển pin chuyển động hướng theo ánh sáng mặt trời. ............................................................................................................................................ 46 Hình 3. 13. Đồ thị so sánh giữa pin mặt trời có áp dụng giải pháp nâng cao hiệu suất với pin mặt trời không áp dụng giải pháp nâng cao hiệu suất................................................. 51 Hình 3. 14. Sơ đồ tổng quan hệ thống sạc pin mặt trời sử dụng giải pháp điều khiển góc quay pin hướng ánh sáng. .................................................................................................. 52 Hình 3. 15. Lưu đồ thuật toán điều khiển pin chuyển động hướng theo ánh sáng mặt trời. ............................................................................................................................................ 53 Hình 3. 16. Đồ thị so sánh giữa pin mặt trời có áp dụng giải pháp nâng cao hiệu suất với pin mặt trời không áp dụng giải pháp nâng cao hiệu suất................................................. 58 Hình 3. 17. Đồ thị thể hiện đường đặc tính của hệ thống pin mặt trời. ............................ 59 Học viên: Trần Ngân Hà V Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
  9. Trường Đại học Công Nghiệp Quảng Ninh Luận văn Thạc sĩ MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................. I LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................... II DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................................. III DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ............................................................................IV MỞ ĐẦU .............................................................................................................................. 1 1, Tính cấp thiết của đề tài: .............................................................................................. 1 2, Mục đích, nhiệm vụ của đề tài: .................................................................................... 2 3, Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: ............................................................................... 2 4, Nội dung nghiên cứu: ................................................................................................... 2 5, Phương pháp nghiên cứu: ............................................................................................. 2 6, ý nghĩa khoa học và thực tiễn: ...................................................................................... 2 7, Cấu trúc của luận văn: .................................................................................................. 2 Chương 1: TẤM PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU SUẤT ................................................................................................................ 3 1.1. Giới thiệu về pin năng lượng mặt trời. ...................................................................... 3 1.1.1. Tổng quan về pin mặt trời .................................................................................. 3 1.1.2. Nguyên lý hoạt động. ......................................................................................... 4 1.1.3. Các loại pin mặt trời. .......................................................................................... 7 1.2. Các thông số ảnh hưởng đến hiệu suất của tấm pin mặt trời................................... 18 1.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất pin mặt trời. ........................................ 18 1.2.2. Ảnh hưởng của bức xạ mặt trời đến hiệu suất của pin năng lượng mặt trời. ... 20 1.2.3. Ảnh hưởng của vật liệu đến hiệu suất pin năng lượng mặt trời. ...................... 22 1.3. Kết luận.................................................................................................................... 24 CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƯỞNG TỚI HIỆU SUẤT TẤM PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ............................................................................................. 25 2.1. Phân tích ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất tấm pin năng lượng mặt trời. ...... 25 2.2. Phân tích ảnh hưởng của bức xạ mặt trời đến hiệu suất tấm pin năng lượng mặt trời. ........................................................................................................................................ 28 2.3. Phân tích ảnh hưởng của vật liệu đến hiệu suất tấm pin năng lượng mặt trời. ....... 29 2.4. Kết luận.................................................................................................................... 32 Học viên: Trần Ngân Hà Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
  10. Trường Đại học Công Nghiệp Quảng Ninh Luận văn Thạc sĩ CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU SUẤT PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ...................................................................................... 34 3.1. Các thiết bị cơ bản của hệ thống pin năng lượng mặt trời. ..................................... 34 3.1.1. Pin mặt trời Mono Solarcity 60W. ....................................................................... 34 3.1.2. Bộ điều khiển sạc.............................................................................................. 36 3.1.3. Ắc quy CS3 GP 1272 F2. ................................................................................. 37 3.1.3. Bộ chuyển đổi điện áp từ 12VDC lên 220VAC Meind 150W. ........................ 38 3.2. Thí nghiệm hệ thống pin mặt trời đặt cố định không sử dụng các giải pháp nâng cao hiệu suất. ......................................................................................................................... 39 3.2. Thí nghiệm hệ thống pin mặt trời đặt cố định sử dụng giải pháp điều chỉnh nhiệt độ bề mặt tấm Pin mặt trời. ................................................................................................. 41 3.2.1. Sơ đồ mạch điều khiển. .................................................................................... 41 3.2.2. Lưu đồ thuật toán và chương trình lập trình. .................................................... 42 3.2.3. Kết quả của phương pháp. ................................................................................ 43 3.3. Thí nghiệm hệ thống pin mặt trời đặt cố định sử dụng giải pháp điều chỉnh tấm pin theo hướng nắng. ............................................................................................................ 45 3.3.1. Sơ đồ mạch điều khiển. .................................................................................... 45 3.3.2. Lưu đồ thuật toán và chương trình lập trình. .................................................... 46 3.3.3. Kết quả của phương pháp. ................................................................................ 50 3.4. Thí nghiệm hệ thống pin mặt trời sử dụng giải pháp tổng hợp. .............................. 52 3.4.1. Sơ đồ mạch điều khiển. .................................................................................... 52 3.4.2.Lưu đồ thuật toán và chương trình lập trình. ..................................................... 53 3.4.3. Kết quả của phương pháp. ................................................................................ 57 3.5. Kết luận và hướng phát triển. .................................................................................. 59 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................................ 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................. 61 Học viên: Trần Ngân Hà Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
  11. Trường Đại học Công Nghiệp Quảng Ninh Luận văn Thạc sĩ MỞ ĐẦU 1, Tính cấp thiết của đề tài: Xã hội loài người ngày nay đang có những phát triển vượt bậc trong các lĩnh vực khoa học, kỹ thuật kéo theo hoạt động kinh tế, công nghiệp, giao thông vận tải, đời sống con người ngày càng phát triển. Từ đó vấn đề đảm bảo an ninh năng lượng đặt ra cho các nước các thách thức không hề nhỏ. Đó không chỉ là trách nhiệm của Nhà nước, Chính phủ mà đó còn là trách nhiệm của toàn dân. Năng lượng được sử dụng chủ yếu hiện nay ở nước ta là năng lượng hóa thạch (than đá, dầu mỏ, khí tự nhiên), tiếp đến là thủy năng và một số ít năng lượng tái tạo như năng lượng gió, năng lượng mặt trời (NLMT)... Quá trình sử dụng các nhiên liệu hóa thạch để lấy năng lượng luôn kèm theo việc phát thải ra các chất độc hại như CO2, NOx…, là những chất gây hiệu ứng nhà kính và làm biến đổi khí hậu toàn cầu, ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển cũng như sức khỏe con người. Ngoài ra, nguồn nhiên liệu hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt khiến cho vấn đề đảm bảo an nình năng lượng ngày càng cấp thiết. Qua đó việc tìm và khai thác các nguồn năng lượng mới đang trở thành mục tiêu hàng đầu. Các nguồn năng lượng tái tạo như: thủy điện, năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng địa nhiệt…đã mở ra kỷ nguyên mới cho nhân loại. Việt nam được xem là một quốc gia có tiềm năng rất lớn về năng lượng mặt trời, đặc biệt ở các vùng miền trung và miền nam của đất nước, với cường độ bức xạ mặt trời trung bình khoảng 5 kWh/m2. Trong khi đó cường độ bức xạ mặt trời lại thấp hơn ở các vùng phía Bắc, ước tính khoảng 4 kWh/m2 do điều kiện thời tiết với trời nhiều mây và mưa phùn vào mùa đông và mùa xuân. Ở Việt nam, bức xạ mặt trời trung bình 150 kcal/m2 chiếm khoảng 2.000 – 5.000 giờ trên năm, với ước tính tiềm năng lý thuyết khoảng 43,9 tỷ TOE. Năng lượng mặt trời ở Việt nam có sẵn quanh năm, khá ổn định và phân bố rộng rãi trên các vùng miền khác nhau của đất nước. Đặc biệt, số ngày nắng trung bình trên các tỉnh của miền trung và miền nam là khoảng 300 ngày/năm. Năng lượng mặt trời có thể được khai thác cho hai nhu cầu sử dụng: sản xuất điện và cung cấp nhiệt. Tuy nhiên, điện mặt trời vẫn chưa dành được sự quan tâm đúng mực của Nhà nước và của nhân dân. Nguyên do chủ yếu là do giá thành pin mặt trời vẫn còn cao. Một phần do chi phí sản xuất pin mặt trời vẫn cao do sử dụng các nguyên liệu đắt tiền. Không những thế, hiệu suất của pin năng lượng vẫn còn thấp, dẫn đến chi phí để sản xuất ra 1kW điện cao hơn nhiều so với việc sử dụng các nguồn năng lượng hóa thạch. Hiệu suất của tấm pin năng lượng mặt trời phụ thuộc nhiều vào yếu tố như: nhiệt độ, bức xạ mặt trời… Làm thế nào để giảm thiểu các tác động tiêu cực để qua đó tăng cao hiệu suất của pin mặt trời từ đó giảm giá thành sản xuất điện năng đảm bảo an ninh năng lượng. Để giải quyết vấn đề đặt ra ở trên, tác giả chọn đề tài: ”Nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu suất tấm pin năng lượng mặt trời” để nghiên cứu. Học viên: Trần Ngân Hà 1 Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
  12. Trường Đại học Công Nghiệp Quảng Ninh Luận văn Thạc sĩ 2, Mục đích, nhiệm vụ của đề tài: - Đề xuất giải pháp nâng cao hiệu suất tấm pin năng lượng mặt trời. - Đánh giá các thông số ảnh hưởng đến hiệu suất tấm pin năng lượng mặt trời .... - Nghiên cứu, đề xuất các phương pháp nâng cao hiệu suất tấm pin năng lượng mặt trời 3, Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: - Đối tượng: nâng cao hiệu suất tấm pin mặt trời. - Phạm vi: nâng cao hiệu suất tấm pin mặt trời. 4, Nội dung nghiên cứu: - Nghiên cứu các thông số ảnh hưởng đến hiệu suất của pin năng lượng mặt trời. - Nghiên cứu các phương pháp nâng cao hiệu suất tấm pin năng lượng mặt trời - Xây dựng mô hình pin năng lượng mặt trời. 5, Phương pháp nghiên cứu: - Nghiên cứu lý thuyết tổng quát về pin năng lượng mặt trời. - Nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu suất pin mặt trời, so sánh các giải pháp để tìm ra giải pháp tối ưu nhất để nâng cao hiệu suất tấm pin năng lượng mặt trời. 6, ý nghĩa khoa học và thực tiễn: Đánh giá các thông số ảnh hưởng đến hiệu suất của tấm pin năng lượng mặt trời, nghiên cứu các phương pháp nâng cao hiệu suất tấm pin năng lượng mặt trời. Đề suất các kiến nghị, giải pháp nâng cao hiệu suất cho tấm pin năng lượng mặt trời. Do vậy đề tài mang tính khoa học và thực tiễn cao. 7, Cấu trúc của luận văn: - Chương 1. Tấm pin năng lượng mặt trời và các thông số ảnh hưởng đến hiệu suất - Chương 2. Phân tích các thông số ảnh hưởng tới hiệu suất tấm pin năng lượng mặt trời. - Chương 3. Kết quả thực nghiệm các giải pháp nâng cao hiệu suất pin năng lượng mặt trời. Học viên: Trần Ngân Hà 2 Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
  13. Trường Đại học Công Nghiệp Quảng Ninh Luận văn Thạc sĩ Chương 1: TẤM PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU SUẤT 1.1. Giới thiệu về pin năng lượng mặt trời. 1.1.1. Tổng quan về pin mặt trời Pin mặt trời là một nguồn điện chạy bằng năng lượng ánh sáng. Nó biến trực tiếp quang năng thành điện năng. Các pin quang điện thường được làm bằng Si, Se, Ge, Te, CdS, GaAs... Ta hãy xét cấu tạo và hoạt động chung của pin quang điện. Hình 1.1. Sơ đồ cấu tạo của pin quang điện Pin có một tấm bán dẫn loại n, bên trên có phủ một lớp mỏng chất bán dẫn loại p (Hình 1.1). Có thể tạo ra lớp này bằng cách cho khuếch tán một tạp chất thích hợp vào lớp bề mặt của lớp bán dẫn loại n. Trên cùng là một lớp kim loại rất mỏng. Dưới cùng là một đế kim loại. Các kim loại này cùng đóng vai trò các điện cực trơ. Electron sẽ khuếch tán từ bán dẫn loại n sang bán dẫn loại p, để lại những lỗ trống dương. Các êlectron này vẫn có liên kết với các lỗ trống tạo thành một lớp gọi là lớp tiếp xúc p – n. Trong lớp tiếp xúc này có điện trường Etx hướng từ dương sang âm, tức là hướng từ bán dẫn loại n sang bán dẫn loại p. Điện trường Etx ngăn cản sự khuếch tán của êlectron từ n sang p và lỗ trống từ p sang n. Vì vậy người ta còn gọi lớp tiếp xúc này là lớp chặn. Khi chiếu ánh sáng có bước sóng ngắn hơn giới hạn quang dẫn vào lớp kim loại mỏng phía trên cùng thì ánh sáng sẽ đi xuyên qua lớp này vào lớp bán dẫn loại p, gây ra hiện tượng quang điện trong và giải phóng ra các cặp êlectron và lỗ trống. Electron khuếch tán dễ dàng từ p sang n qua lớp chặn. Còn lỗ trống thì bị chặn lại và ở lại trong lớp p. Kết quả là điện cực kim loại mỏng ở trên sẽ nhiễm điện dương và trở thành điện cực dương của pin, còn đế kim loại ở phần dưới sẽ nhiễm điện âm và trở thành điện cực âm của pin. Nếu nối hai điện cực bằng một dây dẫn thông qua một ampe kế thì sẽ có dòng quang điện chạy từ cực dương sang cực âm. Suất điện động của pin quang điện nằm trong khoảng từ 0,5V đến 0,8V. Vậy nguyên tắc hoạt động của pin quang điện là dựa vào hiện tượng quang điện trong xảy ra bên cạnh một lớp chặn. Học viên: Trần Ngân Hà 3 Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
  14. Trường Đại học Công Nghiệp Quảng Ninh Luận văn Thạc sĩ Pin quang điện đã được dùng làm nguồn điện cho các trạm nghiên cứu và cho sinh hoạt ở những nơi khó khăn cho việc dẫn điện lưới đến như: núi cao, hải đảo, các phương tiện lưu động, vệ tinh nhân tạo, trạm vũ trụ... Để tránh gây ô nhiễm môi trường, người ta đã nghiên cứu thay thế các động cơ chạy xăng ở ôtô, máy bay... bằng các động cơ chạy bằng pin quang điện. Người ta sử dụng Pin quang điện để biến đổi năng lượng ánh sáng mặt trời thành điện năng (Solar Cell). Nếu dùng pin quang điện bằng chất bán dẫn Silic, hiệu suất của nó có thể đạt đến 14 - 15%. Người ta tính được trên diện tích 1m2 của pin quang điện được ánh sáng chiếu tới ta có thể nhận được một công suất điện là 100W và như vậy với diện tích của một mái nhà trung bình ta có đủ điện năng để thỏa mãn mọi tiện nghi cho một gia đình. Tuy nhiên, về giá thành của các Pin quang điện hiện nay còn tương đối khá đắt so với các nguồn năng lượng khác. 1.1.2. Nguyên lý hoạt động. Hình 1. 2. Nguyên lý hoạt động của Pin mặt trời Hình 1. 3. Hệ thống 2 mức năng lượng trong đó E1 < E2 Học viên: Trần Ngân Hà 4 Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
  15. Trường Đại học Công Nghiệp Quảng Ninh Luận văn Thạc sĩ Bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E1. Khi chiếu sáng hệ thống, lượng tử ánh sáng (photon) mang năng lượng hv (h là hằng số Plank và v là tần số ánh sáng) bị điện tử hấp thụ và chuyển lên mức E2. Phương trình cân bằng năng lượng: hv = E1 − E2 (1.1) Trong các vật rắn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vành ngoài, nên các năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng con rất sát nhau và tạo thành vùng năng lượng. Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi ở trạng thái cân bằng gọi là vùng hoá trị mà bên trên của nó có năng lượng EV. Vùng năng lượng phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn, bên dưới của vùng có năng lượng là EC, cách ly giữa vùng hóa trị và vùng dẫn đó gọi là một vùng cấm có độ rộng năng lượng là Eg, trong đó không có mức năng lượng cho phép nào của điện tử. Khi ánh sáng chiếu đến vật rắn có vùng năng lượng nói trên, photon có năng lượng hv tới hệ thống, bị điện tử của vùng hoá trị hấp thụ và nó có thể chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự do e-, lúc này vùng hoá trị sẽ có một lỗ trống có thể di chuyển như “hạt“ mang điện tích dương nguyên tố (kí hiệu h+). Lỗ trống này có thể di chuyển và tham gia van quá trình dẫn điện. Phương trình hiệu ứng lượng tử: e V + hv → e_ + h+ (1.2) Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lượng của photon và chuyển từ vùng hoá trị lên vùng dẫn, tạo ra căp điện tử –lỗ trống là: hv > Eg = EC – EV (1.3) Suy ra bước sóng tới hạn λC của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e- - h+ là: h𝐶 λ𝐶 = (1.4) (EC – EV ) Vậy khi chiếu sáng vào vật rắn, điện tử ở vùng hoá trị hấp thụ năng lượng photon hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử – lỗ trống e- - h+, tức là tạo ra một điện thế. Học viên: Trần Ngân Hà 5 Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
  16. Trường Đại học Công Nghiệp Quảng Ninh Luận văn Thạc sĩ Hình 1. 4. Các vùng năng lượng Hiện tượng đó gọi là hiện tượng quang điện bên trong. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời chính là hiện tượng quang điện xảy ra trên lớp tiếp xúc p - n. Khi một photon chạm vào mảnh Silic, một trong hai điều sau sẽ xảy ra: Photon truyền trực xuyên qua mảnh silic. Điều này thường xảy ra khi năng lượng của photon thấp hơn năng lượng đủ để đưa các hạt electron lên mức năng lượng cao hơn. Năng lượng của photon được hấp thụ bởi silic. Điều này thường xảy ra khi năng lượng của photon lớn hơn năng lượng để đưa electron lên mức năng lượng cao hơn. Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các hạt 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 được kích thích, trở thành dẫn điện, các electron này có thể tự do di chuyển trong bán dẫn. Hình 1. 5. Nguyên lý dẫn điện của vật dẫn Khi đó nguyên tử sẽ thiếu 1 electron và đó gọi là lỗ trống. Lỗ trống này tạo điều kiện 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 tiếp tục như vậy lỗ trống di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn. Một photon chỉ cần có năng lượng lớn hơn năng luợng đủ để kích thích electron lớp ngoài cùng dẫn điện. Tuy nhiên, tần số của mặt trời thường tương đương 6000°K, vì thế Học viên: Trần Ngân Hà 6 Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
  17. Trường Đại học Công Nghiệp Quảng Ninh Luận văn Thạc sĩ nên phần lớn năng lượng mặt trời đều được hấp thụ bởi silic. Tuy nhiên hầu hết năng lượng mặt trời chuyển đổi thành năng lượng nhiệt nhđiều hơn là năng lượng điện sử dụng được. Hình 1. 6. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 1.1.3. Các loại pin mặt trời. 1.1.3.1. Pin mặt trời tinh thể Silic Từ vật liệu ban đầu là cát (SiO2) người ta tinh chế ra Silic rồi sau đó tạo Silic đa tinh thể bằng công nghệ đúc khối hoặc kéo thành đơn tinh thể theo công nghệ Choxranski. Khi đã có khối vật liệu tinh thể Silic, người ta cưa, cắt chúng bằng dao kim cương, laser ... thành các phiến tinh thể Silic dày khoảng 400 μm. Qua các công đoạn cưa, cắt, xử lý hóa học, mài, tẩy sạch bề mặt để chuẩn bị và các bước công nghệ tiếp theo vật liệu đã bị tiêu hao khoảng 50%. Sau khi đã có phiến Silic tinh thể tiêu chuẩn, người ta tiến hành bước quan trọng nhất trong công nghệ làm PMT là tạo lớp chuyển tiếp p – n bằng cách pha Brôm (Br), photpho (P) vào phiến pin Silic từ các nguồn Br, P rắn ở nhiệt độ 900 – 1000oC. Đây là một chu trình đòi hỏi sự chính xác cao vì nó quyết định hiệu suất của PMT. Học viên: Trần Ngân Hà 7 Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
  18. Trường Đại học Công Nghiệp Quảng Ninh Luận văn Thạc sĩ Hình 1. 7. Qui trình chế tạo pin mặt trời từ cát Bảng 1. 1. Sản lượng pin mặt trời 1990 – 2000(MWp) Năm/PMT 1990 1995 2000 Silic tinh thể 31.7 85 190 Silic vô định 14.7 65 160 hình Tổng số 46.4 150 350 Nhiệt độ khuếch tán phải được khống chế ở độ xác chính cao để có được độ sâu khuếch tán mong muốn. Người ta đã áp dụng phương pháp cấy ion để giải quyết độ chính xác và tự động hóa của công đoạn chế tạo này. Tiếp theo, các nhà công nghệ phải tạo lớp tiếp xúc (contact) mặt trước và mặt sau để lấy điện ra và phủ lên bề mặt lớp màng chống phản xạ A.R.C – (Anti Reflection Coating). Học viên: Trần Ngân Hà 8 Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
  19. Trường Đại học Công Nghiệp Quảng Ninh Luận văn Thạc sĩ Hình 1. 8. Cấu trúc pin mặt trời Silic tinh thể Khi có ánh sáng chiếu tới, hai loại hạt tải tự do được tạo ra trong lòng bán dẫn Silic gồm các điện tử tự do mang điện tích âm ở vùng dẫn và các lỗ trống tự do mang điện tích dương ở vùng hóa trị. Quá trình chuyển hóa quang năng mặt trời thành điện năng xảy ra khi các hạt tải tự do này được các photon ánh sáng kích hoạt và di chuyển theo hai chđiều ngược nhau dưới tác dụng của nội điện trường ở vùng chuyển tiếp p – n, dòng điện được lấy ra nhờ hai contact ở mặt trước và mặt sau của phiến PMT. Cấu trúc tiêu biểu của một phiến PMT silic tinh thể được mô tả trên hình 8. Trên cùng là lớp contact mặt trước được chế tạo bằng công nghệ in lưới, kế tiếp là màng chống phản xạ nhằm tăng cao hiệu suất chuyển hóa. Phần quan trọng nhất của phiến pin là lớp chuyển tiếp p – n tiếp theo là lớp contact mặt sau. Từ 2 lớp contact mặt trước và sau người ta hàn các dây Ni-Cr để lấy điện ra. Thông thường mỗi phiến PMT cho thế hở mạch khoảng 0,5V còn dòng ngắn mạch tùy thuộc theo dđiện tích của phiến PMT. 1.1.3.2. Pin mặt trời Silic vô định hình Pin mặt trời Silic vô định hình ra đời sau cùng nhất. Ra mắt lần đầu tiên vào năm 1974 tại phòng thí nghiệm RCA của Mỹ. Tuy nhiên giá thành của nó rẻ hơn các loại khác nhờ quá trình chế tạo có nhiều ưu thế, chu trình khép kín, khả năng làm diện tích rộng. Do vậy mà pin mặt trời Silic vô định hình đã nhanh chóng chiếm lĩnh thị trường màng TiO. Học viên: Trần Ngân Hà 9 Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
  20. Trường Đại học Công Nghiệp Quảng Ninh Luận văn Thạc sĩ Hình 1. 9. Cấu trúc Pin mặt trời Silic vô định hình. Người ta tạo ra PMT vô định hình ở pha khí bằng cách phân hủy khí Silan SiH4 và chuyển tiếp P.I.N được tạo ra bởi sự pha tạp của khí B2H6 và PH4. Contact mặt trước được dùng là các loại màng oxit trong suốt như TiO, SnO ... nhưng phổ biến nhất là màng ITO. Vì là loại pin vô định hình, nên nó có thể được chế tạo trên bất kỳ loại đế nào như: sắt, thủy tinh, sành sứ ... với diện tích rộng lớn hơn hẳn lọai pin tinh thể. Mỹ và Nhật Bản là hai nước dẫn đầu trong việc chế tạo loại pin này. Đặc biệt là Nhật Bản đã có hướng đầu tư táo bạo trong việc nghiên cứu đưa loại pin này thành một loại “vật liệu xây dựng” như ngói mặt trời và kính cửa sổ mặt trời. Có thể nói rằng đây là một loại PMT có rất nhđiều hứa hẹn trong thế kỷ tới khi mà kỹ thuật và công nghệ nâng được hiệu suất của nó lên cao hơn và độ lão hóa ổn định hơn. Những công bố gần đây của các công ty hàng đầu thế giới cho thấy đã đạt được những bước tiến dài về hiệu suất như SANYO 11,7%; TDK 12%; FUJI 11,5%; ECD 11,3%; SOLAREX 10,9%; GLASS TECH 10,6%; ARCO SOLAR 10,2% ... Một sơ đồ nguyên lý chế tạo PMT vô định hình được mô tả trên hình 1.10. Hình 1. 10. Sơ đồ thiết bị chế tạo pin mặt trời Si vô định hình Học viên: Trần Ngân Hà 10 Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

TL.01: Bộ Tiểu Luận Triết Học
207 tài liệu
1470 lượt tải
THÔNG TIN
TRỢ GIÚP
HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG
Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.

 

Đồng bộ tài khoản
5=>2