Nghiên cứu ứng dụng của năng lượng mặt trời (Pin Mặt Trời)

Tiểu luận môn họcNĂNG LƯỢNG VÀ MÔI TRƯỜNGĐề tài: Nghiên cứu ứng dụng của năng lượng mặt trời (Pin Mặt Trời)

Trường ĐHBK Đà Nẵng

Khoa Cơ khí giao thông

Tiểu luận môn học

NĂNG LƯỢNG VÀ MÔI TRƯỜNG

Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng của năng lượng mặt trời (Pin Mặt Trời)

Nhóm SV: 1.Cao Thanh Giang 2.Nguyễn Bá Thành 3.Nguyễn Đức Hoàng

4.Trần Văn Bình 5.Nguyễn Viết Mỹ

Lời nói đầu

Từ khi con người biết đến sử dụng nhiên liệu phục vụ cho hoạt động sống cho đến nay, các nguồn nhiên liệu truyền thống như xăng, dầu, than,… vẫn được sử dụng rộng rãi Việc sử dụng các nguồn nhiên liệu này gây nên sự ô nhiễm môi trường sống, mặt khác các nguồn nhiên liệu này cũng đang dần cạn kiệt Chính vì thế con người đã và đang nghiên cứu để tìm ra các nguồn nhiên liệu khác sạch hơn, nhiều hơn như năng lượng gió, năng lượng đại dương, năng lượng mặt trời(NLMT).

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng mà con người biết sử dụng từ rất sớm, nhưng ứng dụng NLMT vào các công nghệ sản xuất và trên quy mô rộng thì mới chỉ thực sự vào cuối thế kỷ

18 và cũng chủ yếu ở những nước nhiều năng lượng mặt trời, những vùng sa mạc

Từ sau các cuộc khủng hoảng năng lượng thế giới năm 1968 và 1973, NLMT càng được đặc biệt quan tâm Các nước công nghiệp phát triển đã đi tiên phong trong việc nghiên cứu ứng dụng NLMT

I/ Tổng quan về nghiên cứu và ứng dụng năng

lượng Mặt Trời

1 Năng lượng Mặt Trời là gì?

Năng lượng Mặt Trời là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ Mặt Trời, cộng với một phần nhỏ năng lượng của các hạt nguyên tử khác phóng ra từ ngôi sao này

Dòng năng lượng này sẽ tiếp tục phát ra cho đến khi phản ứng hạt nhân trên Mặt Trời hết nhiên liệu, vào khoảng 5 tỷ năm nữa.

2 Nghiên cứu và ứng dụng NLMT trên Thế Giới

Trên Thế giới, các nước có nhiều ánh nắng Mặt Trời sẽ thuận lợi hơn trong việc ứng dụng NLMT vào cuộc sống vì có nguồn ánh sang dồi dào Tại Thái Lan, Malaysia, Trung Quốc, Hàn Quốc từ nhiều năm nay đã coi hướng phát triển năng lượng tái tạo như một quốc sách vì thế năng lượng mặt trời ở đây có sự tăng trưởng rất mạnh

và chiếm một tỷ lệ đáng kể trong cơ cấu phân bổ điện năng

Tại Mỹ, Hungary, Đức, Thụy Sỹ từ nhiều năm nay cũng đã tăng nhanh tốc độ xây dựng các nhà máy sản xuất pin mặt trời, trong đó chủ yếu xây dựng các nhà máy sản xuất pin màng mỏng vô định hình

I/ Tổng quan về nghiên cứu và ứng dụng năng

lượng Mặt Trời

• Hiện nay, trên thế giới đang sử dụng ba dạng pin mặt trời là tấm pin mặt trời tinh thể, đa tinh thể và màng mỏng vô định hình Trong đó, pin màng mỏng vô định hình (Amorphous Silicon (a-Si)) được đặc biệt quan tâm bởi qua thời gian vận hành loại pin này đã thể hiện tính

ổn định và cho hiệu suất cao

• Bằng những thí nghiệm khác, các nhà khoa học còn xác định được pin a-Si có thể làm việc được trong điều kiện trời có mây mù và cả trong môi trường không khí có nhiệt độ cao mà các pin khác không làm việc được Điều này đã làm sáng tỏ vì sao trong bảng kết quả thí nghiệm ở trên pin a-Si cho sản lượng điện nhiều hơn hai loại pin tinh thể

I/ Tổng quan về nghiên cứu và ứng dụng năng

lượng Mặt Trời

3 Tại Việt Nam

Việt Nam với lợi thế là một trong những nước nằm trong giải phân bổ ánh nắng mặt trời nhiều nhất trong năm trên bản đồ bức xạ mặt trời của thế giới, với dải bờ biển dài hơn 3.000km, có hàng nghìn đảo hiện có cư dân sinh sống nhưng nhiều nơi không thể đưa điện lưới đến được

Vì vậy, sử dụng năng lượng mặt trời như một nguồn năng lượng tại chỗ

để thay thế cho các dạng năng lượng truyền thống, đáp ứng nhu cầu của các vùng dân cư này là một kế sách có ý nghĩa về mặt kinh tế, an ninh quốc phòng Tuy nhiên, việc ứng dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam cho đến nay chưa phát triển Vì vậy, việc nghiên cứu triển khai áp dụng năng lượng thay thế trong đó có năng lượng mặt trời là điều hết sức cần thiết.

1 Khái niệm về Pin Mặt Trời

Pin Mặt Trời là phương pháp sản xuất điện trực tiếp từ năng lượng Mặt Trời qua thiết bị biến đổi quang điện Pin Mặt Trời có ưu điểm là gọn nhẹ, có thể lắp đặt ở bất kỳ đâu có ánh sang Mặt Trời, đặc biệt là trong lĩnh vực tàu vũ trụ Ứng dụng NLMT dưới dạng này được phát triển rất nhanh nhất là ở các nước phát triển

2 Cơ sở lý thuyết của ứng dụng năng lượng Pin Mặt Trời

Pin MT làm việc theo nguyên lý là biến đổi trực tiếp bức xạ MT thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện

II/ Cơ sở lý thuyết của ứng dụng năng lượng Mặt Trời - Pin Mặt Trời

a) Hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên vào năm 1839 bởi nhà Vật Lý người Pháp Alexandre Edmond Becquerel Tuy nhiên đến năm 1883 một Pin năng lượng mới được tạo thành bởi Charles Fritts , ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng để tạo mạch nối.

E2

E1

hv

Hình 1.Hệ 2 mức năng lượng

Xét một hệ 2 mức năng lượng điện tử (hình 1) E1<E2.

Bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E1.

Khi nhận bức xạ mặt trời, lượng tử ánh sang photon có

năng lượng hv (h là hằng số Planck, v là vận tốc ánh sáng) bị

điện tử hấp thụ và chuyển lên mức năng lượng E2.

II/ Cơ sở lý thuyết của ứng dụng năng lượng Mặt Trời - Pin Mặt Trời

Ta có phương trình cân bằng năng lượng:

hv = E2-E1Trong các vật thể rắn, do tương tác rất, mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vòng ngoài, nên các mức năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng sát nhau và tạo thành các vùng năng lượng (hình 2) Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi ở trạng thái cân

bằng gọi là vùng hóa trị, mà mặt trên của nó là mức năng lượng Ev

Vùng năng lượng phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn, mặt dưới của vùng có năng lượng là Ec

II/ Cơ sở lý thuyết của ứng dụng năng lượng Mặt Trời - Pin Mặt Trời

Cách ly giữa 2 vùng hóa trị và vùng dẫn là một vùng cấp có độ rộng với năng lượng là Eg, trong đó không có mức năng lượng cho phép nào của điện tử.

Khi nhận bức xạ Mặt trời, photon có năng lượng

hv tới hệ thống và bị điện tử ở vùng hóa trị thấp hấp thu và nó có thể chuyển lên vùng dẫn để tạo thành điện tử tự do e - ,để lại ở vùng hóa trị một lỗ trống có thể coi như hạt mang điện dương h + Lỗ trống này có thể di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện Tóm lại, khi vật rắn nhận tia bức xạ của Mặt trời, điện

tử ở vùng hóa trị hấp thụ năng lượng photon hv và chuyển lên vùng dẫn và tạo ra cặp hạt điện tử-lỗ trống:

e - - h + , tức là đã tạo ra một điện thế, hiện tượng đó gọi

là hiệu ứng quang điện bên trong.

II/ Cơ sở lý thuyết của ứng dụng năng lượng Mặt Trời - Pin Mặt Trời

b) Nguyên lý hoạt động của Pin mặt trời

Dựa vào hiệu ứng quang điện mà người

ta chế tạo Pin mặt trời để biến ánh sang

mặt trời thành điện năng sử dụng cho

III/ Sơ đồ, nguyên lý, trang thiết bị của ứng dụng năng lượng Pin Mặt Trời.

Pin Mặt Trời được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống của con người chúng ta ngày này Nó được dùng để cung cấp điện cho sinh hoạt, sản xuất của con người, dùng để thay thế các nhiên liệu truyền thống như xăng, dầu…để chạy động cơ

Một trong ứng dụng của Pin Mặt Trời đó là tạo ra năng lượng điện phục vụ cho sinh hoạt hàng ngày của con người

Sơ đồ, trang thiết bị của ứng dụng Pin Mặt Trời trong việc tạo điện thắp sáng cho hộ gia đình.

1 Tấm pin mặt trời:

Có nhiệm vụ biến quang năng thành điện năng

2 Bộ điều khiển sạc mặt trời (Solar Charger

Controller):

Có chức năng điều khiển việc sạc điện từ tấm

pin NLMT cho ắc-quy, chống nạp quá tải

3 Bộ kích điện DC-AC

Là một thiết bị biến đổi điện áp một chiều (DC)

của bình ắcquy thành điện áp xoay chiều (AC) có tần

số phù hợp với lưới điện đang sử dụng.

4 Cầu dao chuyển mạch (Solar Inverter)

Dùng để chuyển mạch từ điện lưới và điện từ

năng lượng mặt trời Có thể dùng loại cầu dao chuyển

mạch thủ công hoặc muốn tự động hoàn toàn, phải

dùng tủ điều khiển ATS.

5 Ắc quy (Battery)

Là thiết bị lưu trữ điện để sử dụng vào ban đêm

hoặc lúc trời ít hoặc không còn ánh nắng.

6 Thiết bị gia đình

Tivi, tủ lạnh, quạt…

Từ giàn pin mặt trời (solar cells), ánh sáng được biến đổi thành điện

năng, tạo ra dòng điện một chiều (DC Power) Dòng điện này được dẫn tới

bộ điều khiển (charge controller) là một thiết bị có chức năng có chức năng

tự động điều hòa dòng điện từ pin mặt trời và dòng điện nạp cho acquy

(Battery) Thông qua bộ đổi điện DC/AC (Inverter) tạo ra dòng điện xoay chiều chuẩn 220V/50Hz để chạy các thiết bị trong gia đình như đèn chiếu sáng, quạt, tivi, máy tính, tủ lạnh, máy bơm….

Nguyên lý hoạt động

Bộ sạc năng lượng mặt trời di động

Máy tính xách tay được tích hợp tấm pin năng lượng mặt trời,

tăng thời gian sử dụng cho người làm việc

IV/ Ứng dụng năng lượng Pin Mặt Trời trong việc thay thế cho năng lượng truyền thống trong việc phát điện và động

cơ đốt trong hiện nay.

Ở Việt Nam, với sự hỗ trợ của nhà nước (các bộ, ngành) và một số tổ chức quốc tế đã thực hiện thành công việc xây dựng các trạm pin mặt trời

có công suất khác nhau phục vụ nhu cầu sinh hoạt và văn hóa của các địa phương vùng sâu, vùng xa, các công trình nằm trong khu vực không có lưới điện Tuy nhiên hiện nay pin mặt trời vẫn đang còn là món hàng xa

xỉ đối với các nước nghèo như chúng ta

Đi đầu trong việc phát triển ứng dụng này là ngành bưu chính viễn thông Các trạm pin mặt trời phát điện sử dụng làm nguồn cấp điện cho các thiết bị thu phát sóng của các bưu điện lớn, trạm thu phát truyền hình thông qua vệ tinh

Ở ngành bảo đảm hàng hải, các trạm pin mặt trời phát điện sử dụng làm nguồn cấp điện cho các thiết bị chiếu sáng, cột hải đăng, đèn báo sông Trong ngành công nghiệp, các trạm pin mặt trời phát điện sử dụng làm nguồn cấp điện dự phòng cho các thiết bị điều khiển trạm biến áp

500 kV, thiết bị máy tính và sử dụng làm nguồn cấp điện nối với điện lưới quốc gia Trong sinh hoạt của các hộ gia đình vùng sâu, vùng xa, các trạm pin mặt trời phát điện sử dụng để thắp sáng, nghe đài, xem vô tuyến Trong ngành giao thông đường bộ, các trạm pin mặt trời phát điện dần được sử dụng làm nguồn cấp điện cho các cột đèn đường chiếu sáng

Pin mặt trời được dùng để chạy xe ôtô

• Các công trình ứng dụng:

Khu vực phía Nam ứng dụng các dàn Pin mặt trời (PMT) phục vụ thắp sáng và sinh hoạt văn hoá tại một số vùng nông thôn xa lưới điện Các trạm điện mặt trời có công suất từ 500 - 1.000 Wp được lắp đặt ở trung tâm xã, nạp điện vào ắc qui cho các hộ gia đình sử dụng Các dàn PMT có công suất từ 250 - 500 Wp phục vụ thắp sáng cho các bệnh viện, trạm xá và các cụm văn hoá xã Đến nay có khoảng 800 - 1.000 dàn PMT đã được lắp đặt và sử dụng cho các hộ gia đình, công suất mỗi dàn

từ 22,5 - 70 Wp Khu vực miền Trung có bức xạ mặt trời khá tốt và số giờ nắng cao, rất thích hợp cho việc ứng dụng PMT Hiện tại ở khu vực miền Trung có hai dự án lai ghép với PMT có công suất lớn nhất Việt Nam, đó là:

• Dự án phát điện ghép giữa PMT và thuỷ điện nhỏ, công suất 125 kW được lắp đặt tại xã Trang, huyện Mang Yang, tỉnh Gia Lai, trong đó công suất của hệ thống PMT là 100 kWp (kilowatt peak) và của thuỷ điện là 25 kW Dự án được đưa vào vận hành từ cuối năm 1999, cung cấp điện cho 5 làng Hệ thống điện do Điện lực Mang Yang quản lý và vận hành.

• Dự án phát điện lai ghép giữa PMT và động cơ gió phát điện với công suất là 9 kW, trong đó PMT là 7 kW Dự án trên được lắp đặt tại làng Kongu 2, huyện Đak Hà, tỉnh Kon Tum, do Viện Năng lượng thực hiện Công trình đã được đưa vào sử dụng từ tháng 11/2000, cung cấp điện cho một bản người dân tộc thiểu số với 42 hộ gia đình Hệ thống điện do sở Công thương tỉnh quản lý và vận hành

Sơ đồ hệ thống điện gia đình

• Các dàn pin đã lắp đặt ứng dụng tại các tỉnh Gia Lai, Quảng Nam, Bình Định, Quảng Ngãi và Khánh Hoà, hộ gia đình công suất từ 40 - 50 Wp Các dàn đã lắp đặt ứng dụng cho các trung tâm cụm xã và các trạm y tế xã có công suất từ 200 -

hộ gia đình từ 40 - 75 Wp Các dàn dùng cho các trạm biên phòng, nơi hải đảo có công suất từ 165

- 300 Wp Các dàn dùng cho trạm xá và các cụm văn hoá thôn, xã là 165 - 525 Wp

• Tại Quảng Ninh có hai dự án PMT do vốn trong nước (từ ngân sách) tài trợ:

- Dự án PMT cho đơn vị bộ đội tại các đảo vùng Đông Bắc Tổng công suất lắp đặt khoảng 20 kWp Dự án trên do Viện Năng lượng và Trung tâm Năng lượng

mới Trường đại học Bách khoa Hà Nội thực hiện Hệ thống điện sử dụng chủ yếu

để thắp sáng và truyền thông, đối tượng phục vụ là bộ đội, do đơn vị quản lý và vận hành.

- Dự án PMT cho các cơ quan hành chính

và một số hộ dân của huyện đảo Cô Tô Tổng công suất lắp đặt là 15 kWp Dự án trên do Viện Năng lượng thực hiện Công trình đã vận hành từ tháng 12/2001.

V/ Kết luận và kiến nghị

1 Kết luận

- Đối với các nước đang phát triển ở Châu Á như Thái Lan,Lào,Việt Nam…, việc thiết lập các đập thủy điện mới để giải quyết nhu cầu điện năng cho quốc gia hiện tại là một việc làm thiếu tầm nhìn nghiêm chỉnh cho tương lai Họ không rút ra được kinh nghiệm của các quốc gia Tây phương đang trên đà phá vỡ các đập đã xây dựng ngõ hầu tái tạo hệ sinh hái của vùng, đồng thời cũng không học hỏi kinh nghiệm về các tác hại của moi trường vì không nghiên cứu tác động môi trường trong quá trình thiết lập đập.

- Đối với nguồn năng lượng nguyên tử, mức an toàn trong vận hành, việc giải quyết phế thải hạt nhân vẫn là một dấu hỏi lớn và tác hại đến nhân sự và môi trường trong trường hợp tai nạn xảy ra đã làm cho nhiều quốc gia do dự khi quyết định xây dựng thêm nhà máy Thêm nữa năng lượng này thải hồi nhiều khí (CO2) ảnh hưởng đến tầng ozone của bầu khí quyển và nhất là phế thải nguyên tử vẫn còn là một nan đề chưa giải quyết được của nhân loại.

Do đó, năng lượng mặt trời thiết nghĩ vẫn là một nguồn năng lượng tương đối tối ưu cho điều kiện Việt Nam đứng về phương diện địa dư và nhu cầu phát triển kinh tế trong tương lai

Sử dụng năng lượng Mặt Trời sẽ góp phần hạn chế:

• Việc hạn chế hiệu ứng nhà kính, và sự hâm nóng toàn cầu

• Giải quyết ô nhiễm môi trường do việc gia tăng dân số và phát triển xã hội của các quốc gia trên thế giới;

• Và nhất là để bổ túc vào sự thiếu hụt năng lượng trên thế giới trong tương lai khi các nguồn năng lượng trong thiên nhiên sắp bị cạn kiệt.

2 Kiến nghị

Để việc triển khai ứng dụng đạt được hiệu quả tốt, cần tiến hành những bước sau:

- Các sở khoa học công nghệ hoặc các sở công nghiệp của các tỉnh nên mở các lớp tập huấn và tuyên truyền, quảng cáo.

- Phối hợp với các cơ quan địa phương mở lớp tập huấn cho các cán bộ kỹ thuật địa phương về lắp đặt, vận hành, bảo dưỡng và sửa chữa nhỏ.

- Sau khi lắp đặt, cần hướng dẫn cặn kẽ cho các hộ sử dụng về qui định vận hành, bảo quản và bảo dưỡng thiết bị.

- Trên cơ sở kết quả ứng dụng thí điểm, nghiên cứu thiết kế kỹ thuật lắp đặt phù hợp với trình độ dân trí và hợp lý về qui mô công suất để đáp ứng nhu cầu và khả năng kinh tế của dân địa phương

Cảm ơn thầy và các bạn đã theo dõi