Nghiên cứu thiết kế chế tạo linh kiện quang học cho hệ thống điện mặt trời hội tụ hiệu suất cao ứng dụng trong xe điện

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘILUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu thiết kế chế tạo linh kiện quang học cho hệ thống điện mặt trời hội tụ hiệu suất cao ứng dụng trong xe điện NGUYỄN VĂN NHẬT Nhat.NV21

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Giảng viên hướng dẫn 1:

Khoa:

Giảng viên hướng dẫn 2:

Viện:

TS Vũ Ngọc HảiĐiện – Điện tử, Trường Đại học Phenikaa PGS TS Nguyễn Thanh Phương

Vật lý kỹ thuật

HÀ NỘI, 01/2023

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Nghiên cứu thiết kế chế tạo linh kiện

quang học cho hệ thống điện mặt trời hội

tụ hiệu suất cao ứng dụng trong xe điện

NGUYỄN VĂN NHẬT

Nhat.NV211324M@sis.hust.edu.vn

Ngành: Vật lý kỹ thuật Chuyên ngành: Quang học và Quang điện tử

Giảng viên hướng dẫn 1: TS Vũ Ngọc Hải

Chữ ký của GVHD

Khoa: Điện – Điện tử, Trường Đại học Phenikaa

Giảng viên hướng dẫn 2: PGS TS Nguyễn Thanh Phương

Chữ ký của GVHD

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên tác giả luận văn: Nguyễn Văn Nhật

Đề tài luận văn: Nghiên cứu thiết kế chế tạo linh kiện quang học cho

hệ thống điện mặt trời hội tụ hiệu suất cao ứng dụng trong xe điện

Ngành: Vật lý kỹ thuật

Mã số HV: 20211324M

Tác giả, người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhậntác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày……tháng……năm……với các nội dung sau:

1 Kết luận chưa bám sát nội dung kết quả chính đạt được

2 Hình 2.20 a chưa thể hiện được rõ ràng đường đi của tia sáng (ray tracing) cần phải phóng to chi tiết một số vị trí quan trọng

3 Trang 17, xem lại cách diễn giải công thức 2.2 Công thức 2.10 cần phải giải thích chi tiết, có chú thích về các ký hiệu

4 Hình 2.23, 2.24 trang 34 chưa giải thích rõ gây khó hiểu cho người đọc

5 Bổ sung danh mục viết tắt, chỉnh sửa các lỗi chính tả

Ngày tháng năm 2023

TS Vũ Ngọc Hải PGS TS Nguyễn Thanh Phương Nguyễn Văn Nhật

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

GS TS Dương Ngọc Huyền

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướngdẫn khoa học của TS Vũ Ngọc Hải, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại họcPhenikaa và PGS TS Nguyễn Thanh Phương, Viện Vật lý kỹ thuật, Đại học Báchkhoa Hà Nội Các kết quả mô phỏng, chế tạo, đo đạc thực nghiệm là khoa học,chính xác và trung thực

NGƯỜI THỰC HIỆN

NGUYỄN VĂN NHẬT

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT v

DANH MỤC HÌNH VẼ vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU viii

MỞ ĐẦU ix

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Tiềm năng ứng dụng của năng lượng mặt trời trong xe điện 1

1.2 Tình hình nghiên cứu tích hợp năng lượng mặt trời trong xe điện 3

1.2.1 Sự phát triển tại các hãng xe thương mại 3

1.2.2 Các nghiên cứu khoa học về năng lượng mặt trời trong xe điện 6 1.3 Những yêu cầu đặt ra cho một hệ thống tích hợp trên xe điện 12

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG, TỐI ƯU HÓA 14

2.1 Nghiên cứu thiết kế linh kiện quang học hội tụ ứng dụng cho xe điện 14

2.1.1 Cơ sở lý thuyết 14

2.1.2 Thiết kế tổng thể 22

2.2 Mô phỏng và tối ưu hóa 24

2.2.1 Phần mềm LightTools 24

2.2.2 Góc chấp nhận của linh kiện quang CPC 26

2.2.3 Hiệu suất quang học của mảng CPC 30

2.2.4 Mô phỏng tính toán năng lượng thu được của hệ thống 34

CHƯƠNG 3 CHẾ TẠO, THỰC NGHIỆM 41

3.1 Chế tạo linh kiện quang học 41

3.1.1 Tổng quan về CNC trong chế tạo linh kiện quang 41

3.1.2 Thiết kế bản vẽ CNC 42

3.1.3 Chế tạo linh kiện quang CPC 44

3.2 Kết quả thực nghiệm 47

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN 50

4.1 Kết luận 50

4.2 Hướng phát triển của đồ án trong tương lai 50

TÀI LIỆU THAM KHẢO 51

CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ 52

Lời cảm ơn

Để hoàn thành tốt luận văn cao học, đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý Thầy cô Viện Vật lý kỹ thuật đã truyền đạt cho em những kiến thức, kinh nghiệm quý báu trong suốt quá trình học tập Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Nguyễn Thanh Phương, TS Vũ Ngọc Hải đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện để em hoàn thành tốt luận văn Em xin cảm ơn sự tài trợ của Tập đoàn Vingroup – Công ty CP và hỗ trợ của Chương trình học bổng thạc sĩ, tiến sĩ trong nước của Quỹ Đổi mới sáng tạo Vingroup (VINIF), Viện Nghiên cứu Dữ liệu lớn, mã số: VINIF.2021.ThS.31.

Tóm tắt nội dung luận văn

Trong luận văn này, tác giả tiến hành nghiên cứu, thiết kế, chế tạo một linh kiện quang học không tạo ảnh có tên là CPC (Compound Parabolic Concentrator) cho hệ thống điện mặt trời hội tụ hiệu suất cao ứng dụng trong

xe điện Trong phần tổng quan, luận văn trình bày một cách khái quát về dòng

xe điện của Hyundai và Lightyear sử dụng năng lượng mặt trời đặt trên nóc

xe Tác giả cũng đã trình bày nghiên cứu tổng quan một số nghiên cứu mới nhất trong lĩnh vực này nhằm nâng cao hiệu suất chuyển đổi quang điện của

hệ thống như sử dụng một mảng thấu kính tráng gương hay một mảng các thấu kính phi cầu từ đó đặt ra được các mục tiêu và yêu cầu của nghiên cứu Trên cơ sở nghiên cứu tổng quan nhằm nâng cao hiệu suất hơn nữa, tác giả đã nghiên cứu một thiết kế sử dụng các linh kiện quang CPC cho phép thu được các tia sáng trực tiếp và tán xạ của mặt trời với góc chấp nhận trong khoảng r

48 o và hiệu suất chuyển đổi quang điện cao nhất có thể lên đến 32 % được trình bày chi tiết trong Chương 2 Hệ thống này được đặt cố định trên nóc xe điện và có kích thước khoảng 35 mm Các CPC được lựa chọn trong hệ này có

hệ số hội tụ là 4 nhằm mục đích cân bằng giữa hiệu suất quang thu được và chi phí sản xuất Tác giả sử dụng phần mềm LightTools để tiến hành mô phỏng các thiết kế đề xuất nhằm mục đích tìm ra thiết kế tối ưu nhất Trong chương

3, tác giả trình bày chi tiết các bước xây dựng hệ thống chế tạo linh kiện quang học sử dụng máy CNC độ chính xác cao và hệ thống đo đạc đánh giá đặc trưng quang học của hệ thống chế tạo được Các kết quả thực nghiệm mà tác giả đo đạc gần như không sai lệch nhiều với các kết quả mô phỏng, điều này cho thấy tính chính xác của các thiết lập mô phỏng cũng như tầm quan trọng của việc

mô hình hóa nhằm dự đoán các tính chất quang trước khi chế tạo thực tế Các thiết kế mà tác giả đã nghiên cứu hoàn toàn có tính khả thi cao trong việc lắp đặt trên nóc xe điện, điều này góp phần giúp giải quyết vấn đề về năng lượng khi các nguồn năng lượng được dùng trong xe sử dụng động cơ đốt trong được lấy từ nguồn là dầu mỏ không phải là vô tận, chúng có khả năng bị cạn kiệt và không thể tái tạo được, đặc biệt khi sử dụng chúng thải ra các khí gây ra hiệu ứng nhà kính Do đó, xe điện sử dụng những nguồn năng lượng xanh được coi

là tương lai của ngành công nghiệp sản xuất ô tô khi giải được các bài toá

VIÊN Ký và ghi rõ

iv

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

1 CPV Concentrator Photovoltaic Quang điện hội tụ

3 CPC Compound Parabolic Bộ hội tụ Parabol phức

Concentrator

4 CNC Computerized Numerically Máy móc được điều khiển

Controlled lập trình bằng máy tính

5 PMMA Poly Methyl Methacrylate Thủy tinh hữu cơ

8 TSI Total Solar Irradiance Tổng bức xạ mặt trời

9 GHI Global Horizontal Irradiance Bức xạ ngang toàn cầu

12 EFV Environmentally friendly Phương tiện thân thiện với

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Xe điện giúp giảm phát thải trực tiếp ra môi trường [1] 1

Hình 1.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống năng lượng mặt trời 3

Hình 1.3 So sánh hệ thống năng lượng mặt trời trên nóc xe của Sonata Hybrid và Toyota Prius [6] 4

Hình 1.4 Mẫu xe điện Lightyear One [7] 5

Hình 1.5 Hệ thống CPV phẳng được đề xuất cho ứng dụng ô tô với (a) Hệ CPV được lắp trên nóc ô tô, (b) Cơ chế của hệ thống CPV phẳng dành cho ứng dụng trên xe, (c) Một mảng thấu kính tráng gương ở vị trí dưới cùng và chi tiết của một thấu kính, (d) Chế độ xem 3D của hệ thống CPV phẳng được đề xuất [4] 7

Hình 1.6 (a) Phổ mặt trời được sử dụng trong mô phỏng, (b) Hiệu suất quang học của dải E trung bình/thấp tại các thời điểm khác nhau trong ngày [4] 8

Hình 1.7 Hình ảnh mặt cắt ngang khái niệm của mô-đun quang điện hội tụ một phần (CPV) cho ứng dụng trên nóc xe ô tô [5] 9

Hình 1.8 (a) Sơ đồ minh họa mô-đun đã thiết kế Tế bào pin mặt trời 3 lớp chuyển tiếp được bao bọc bởi một thấu kính silicone và được xếp chồng lên trên một tế bào Si thông qua một đế trong suốt (b) Mặt cắt ngang giản đồ của mô-đun con hiển thị kích thước của mảng thấu kính và mỗi pin mặt trời (c) Ảnh chụp mô-đun được chế tạo (bên trái: đế thủy tinh với tế bào pin mặt trời 3 lớp chuyển tiếp, trung tâm: đun con không có tế bào Si và bên phải: tổng quan về mô-đun con đã lắp ráp) [5] 9

Hình 1.9 Một mô hình mô phỏng tia cho thấu kính phi cầu không đối xứng (a) Tổng quan về mô hình mô phỏng với hệ tọa độ và vùng chiếu xạ (b) Mặt cắt ngang của mô hình mô phỏng [5] 10

Hình 1.10 Năng lượng mặt trời tích lũy hàng năm được mô phỏng trên mỗi pin mặt trời được thu thập bởi thấu kính tối ưu hóa [5] 10

Hình 1.11 Quãng đường di chuyển của xe phụ thuộc vào hiệu suất chuyển đổi của hệ thống CPV trên nóc xe [4] 12

Hình 2.1 Sự khác nhau giữa quang học tạo ảnh và quang học không tạo ảnh 15

Hình 2.2 Các bước xây dựng CPC 15

Hình 2.3 Cấu trúc CPC 3D (a) Dạng phản xạ gương, (b) Dạng khối 16

Hình 2.4 Nguyên lý của CPC (a) Định nghĩa một nửa góc chấp nhận, (b) Góc tới nhỏ hơn một nửa góc chấp nhận, (c) Góc tới bằng một nửa góc chấp nhận, (d) Góc tới lớn hơn một nửa góc chấp nhận 16

Hình 2.5 Sự phụ thuộc của hiệu suất quang điện vào độ rộng vùng cấm của vật liệu ở 300 K [11] 18

Hình 2.6 Tiết diện ngang của pin mặt trời a-SiC [11] 19

Hình 2.7 Cấu trúc pin mặt trời nhiều mức 20 Hình 2.8 Sơ đồ các vùng năng lượng trong pin mặt trời gồm 3 lớp tiếp xúc [11] 20

Hình 2.9 Trình bày cấu trúc một pin mặt trời 3 lớp tiếp xúc [11] 21

Hình 2.10 Thiết kế hệ thống thu năng lượng mặt trời 22

Hình 2.11 Cấu trúc linh hoạt của mô-đun CPV tĩnh cho các ứng dụng trên xe 23

Hình 2.12 Mô hình được thiết kế trên phần mềm LightTools 25

Hình 2.13 CPC được chèn vào vùng mô phỏng 26

Hình 2.14 Giao diện chỉnh sửa thông số CPC 27

Hình 2.15 (a) Nguồn đĩa, (b) Thông số của nguồn 27

Hình 2.16 (a) Bước sóng mô phỏng, (b) Chiết suất vật liệu tương ứng 28

Hình 2.17 Toàn bộ hệ mô phỏng xác định góc chấp nhận của CPC 28

Hình 2.18 Mô hình mô phỏng tia sáng tới CPC khối có độ hội tụ 4 29

Hình 2.19 Hiệu suất quang phụ thuộc góc tới của các CPC với độ hội tụ khác nhau 30

Hình 2.20 a) Mô phỏng hệ 10*10 CPC với nguồn lệch góc 30 độ, b) Mảng CPC theo mặt phẳng xy, c),d) Tia sáng vào CPC với góc lệch 30 độ 31

Hình 2.21 Hiệu suất quang của tấm pin mặt trời Si và pin mặt trời nhiều lớp thu được từ mảng CPC 10*10 với nguồn đơn sắc a) C = 2.25, b) C = 4, c) C = 6.25 32 Hình 2.22 Sự phụ thuộc của hiệu suất quang học của mô-đun thiết kế cho mỗi tấm pin mặt trời vào góc tới khi sử dụng mảng thấu kính phi cầu 33

Hình 2.23 (a) Bức xạ mặt trời theo giờ ngày 30/05/2005 tại Mỹ, (b) Nguồn mặt trời được thêm vào mô phỏng 34

Hình 2.24 Thông số của nguồn mặt trời 35

Hình 2.25 Bức xạ mặt trời trong một ngày ở: (a) Phoenix (Mỹ), (b) Seoul (Hàn Quốc) dùng trong mô phỏng Năng lượng mặt trời đến tấm pin diện tích 1 m2: (c) Phoenix (Mỹ), (d) Seoul (Hàn Quốc) 36

Hình 2.26 Công suất quang thu được từ tấm pin mặt trời Si và pin mặt trời nhiều lớp mô phỏng với mảng CPC kích thước 1m*1m, nguồn mặt trời ở Phoenix: (a) CR = 2.25, (b) CR = 4, (c) CR = 6.25 37

Hình 2.27 Công suất quang thu được từ tấm pin mặt trời Si và pin mặt trời nhiều lớp mô phỏng với mảng CPC kích thước 1m*1m, nguồn mặt trời ở Seoul: (a) CR = 2.25, (b) CR = 4, (c) CR = 6.25 38

Hình 3.1 Máy CNC đang hoạt động 41

Hình 3.2 (a) Cấu trúc CPC trong phần mềm LightTools, (b) Thiết kế cấu trúc chế tạo trên phần mềm Auto CAD 42

Hình 3.3 Bản vẽ chế tạo được xuất vào phần mềm Aspire 43

Hình 3.4 Thông số dao mô phỏng quá trình chế tạo 43

Hình 3.5 Kết quả mô phỏng chế tạo CPC trên phần mềm Aspire 44

Hình 3.6 Máy CNC 300u400u100 mm dùng chế tạo CPC 44

Hình 3.8 Máy CNC đang chế tạo CPC có độ hội tụ bằng 4 45Hình 3.9 Mảng 3 CPC có độ hội tụ bằng 4 được chế tạo trên máy CNC 45Hình 3.10 Các công cụ xử lý bề mặt CPC: a) Giấy nhám, b) Cana 46Hình 3.11 Hệ thống PV với linh kiện CPC được chế tạo sau quá trình mài đánhbóng 46Hình 3.12 Hệ đo hiệu suất quang điện sử dụng các CPC có độ hội tụ khác nhau 47Hình 3.13 Thiết bị PROVA 1011 dùng để đo công suất chiếu đến một diện tích48Hình 3.14 Phổ của LED dùng để đo đạc 48Hình 3.15 Thay đổi góc tới đến hệ để đo đạc hiệu suất quang trên các tấm pin 49Hình 3.16 So sánh hiệu suất quang thu được phụ thuộc góc tới giữa mô phỏng vàthực nghiệm a) C = 2.25, b) C = 4 49

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Các thông số chính của mô-đun CPV tĩnh 24Bảng 2.2 So sánh hiệu suất giữa ba loại mô-đun CPV tĩnh và tấm PV thông

thường 39Bảng 2.3 So sánh các thông số của thiết kế sử dụng CPC với mảng thấu kính phicầu 39Bảng 3.1 Các thông số mô hình được thiết lập trong quá trình đo đạc 47

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Hiện nay, chúng ta đang phải đối mặt với hai vấn đề lớn mang tính toàncầu:

x Vấn đề năng lượng: các nguồn năng lượng hóa thạch như dầu mỏ, than

đá không phải là vô tận, chúng có khả năng bị cạn kiệt và không thể táitạo được Trong khi đó, điện năng là loại năng lượng rất linh hoạt, nó cóthể được chuyển hóa từ nhiều nguồn năng lượng khác, trong đó có cácnguồn năng lượng tái tạo vô tận như năng lượng gió, mặt trời, sóng biển,

… Do vậy, phương tiện sử dụng điện là phương tiện của tương lai

x Vấn đề môi trường: không khó để nhận ra rằng môi trường hiện nayđang bị ô nhiễm nghiêm trọng, mà một trong những nguyên nhân chính

là khí thải từ các phương tiện giao thông, đặc biệt là ô tô Ô tô điện là lờigiải cho vấn đề này do nó giảm lượng phát thải khí CO2 so với xe truyềnthống, ô tô điện không chỉ thân thiện với môi trường mà còn là sự lựachọn cho tương lai của “giao thông xanh”

Do đó, vào năm 2012, Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ và Cục An toànGiao thông Đường cao tốc Quốc gia đã thông qua các tiêu chuẩn về lượng khí thải

CO2 và cải thiện khả năng tiết kiệm nhiên liệu cho các loại xe hạng nhẹ trong giaiđoạn 2017–2025 Các quy tắc khí thải mới yêu cầu mức tiết kiệm nhiên liệu trungbình là 23,2 Km/L (tương đương với lượng khí thải CO2 là 100 g/Km) đối với cácphương tiện này vào năm 2025 Các quy tắc tương tự đã được phát triển bởi EU,Nhật Bản và các quốc gia và khu vực khác Theo đó, các nhà sản xuất ô tô đã vàđang phát triển nhiều loại phương tiện thân thiện với môi trường (EFV) như xehybrid (HV), xe plug-in hybrid (PHV), xe điện (EV) và xe chạy bằng pin nhiênliệu (FCV) để giúp giảm lượng khí thải CO2 Việc sản xuất điện bằng pin mặt trờiứng dụng trong xe điện là một ứng cử viên đầy hứa hẹn vì hầu hết các EFV đềuđược trang bị pin dung lượng lớn có thể được sạc bằng điện do các pin này tạo ra

Khi hoạt động, xe điện không trực tiếp phát thải ra môi trường mà gián tiếpthông qua quá trình sản xuất và sạc pin Đây được xem là lượng phát thải chủ yếucủa xe điện Nguyên liệu chế tạo pin lithium – loại pin được sử dụng phổ biến hiệnnay trên xe điện được khai thác thô sơ nên vẫn thải lượng khí CO2 nhất định ra môitrường Vì vậy, các nhà sản xuất đang bắt tay vào nghiên cứu và cải tiến để tạo rapin thể rắn hoặc pin năng lượng mặt trời thay thế cho pin lithium

Hiện nay, năng lượng được sử dụng tại trạm sạc đều là điện dân dụng do đóviệc sạc điện cho xe làm tăng nhu cầu sử dụng điện tại các thành phố lớn Mặc dù

xe điện không phát thải CO2 tuy nhiên việc tiêu thụ điện năng tăng lên tại thànhphố lớn đồng nghĩa với việc gián tiếp chuyển phát thải CO2 từ thành phố lớn tớicác nơi sản xuất điện năng Phương án tốt nhất để cải thiện vấn đề này là xây dựngtrạm sạc chạy bằng nguồn năng lượng tái tạo như gió, mặt trời hoặc tích hợp trực

xe ngay trong quá trình vận hành hoặc trong bãi để xe ngoài trời bởi đây là nhữngnguồn năng lượng tuyệt vời và vô tận Tuy vẫn có lượng phát thải gián tiếp nhưngvới mức giảm 70 % so với xe truyền thống, ô tô điện thực sự đem lại những lợi íchkhông nhỏ cho môi trường, đặc biệt là hiệu ứng nhà kính Trong tương lai, để giảmhoàn toàn lượng khí thải CO2, ngành công nghiệp xe điện cần có những cải tiếnvượt bậc trong khâu sản xuất, khai thác nguyên liệu, xử lý và tái chế pin cũng nhưđổi mới công nghệ sạc.

Hiện nay, các hãng xe cũng đã cho ra mắt thị trường các dòng xe điện tíchhợp năng lượng mặt trời trên nóc xe; tuy nhiên, phần đóng góp này chỉ đủ để chạycác thiết bị bên trong xe như: điều hòa, chiếu sáng,… Ví dụ như dòng xe Sonatacủa Huyndai, các tấm pin cung cấp năng lượng cho xe chạy thêm được 3.6km/ngày Còn dòng xe của hãng Lightyear thì khả quan hơn khi có thể cung cấpcho xe thêm 12 km/ngày trong điều kiện nắng tốt vào mùa hè và 10 km/ngày vàomùa đông và phần đóng góp này là tương đối nhỏ so với việc xe có thể chạy

725 km với mỗi lần sạc đầy pin theo công bố của hãng Các con số này chưa đápứng được quãng đường di chuyển trung bình trong một ngày ở Hàn Quốc và chúngđang được thử nghiệm và cần thêm thời gian để sản xuất hàng loạt

Do đó, việc ứng dụng nguồn năng lượng mặt trời trong xe điện đã và đangđược nghiên cứu mạnh mẽ nhằm nâng cao hiệu suất chuyển đổi quang điện củatoàn hệ thống để đáp ứng nhu cầu xe điện hoàn toàn xanh trong tương lai Một sốcác nghiên cứu tiêu biểu trong lĩnh vực này được tác giả phân tích để từ đó xâydựng cách tiếp cận mới trong phạm vi nghiên cứu của luận văn này Hiện nay,công nghệ pin mặt trời đã được cải tiến hiệu suất lên tới 45 % có thể giải quyết cácứng dụng trong xe điện, tuy nhiên giá thành vô cùng đắt đỏ khiến cho việc ứngdụng các công nghệ Pin mặt trời đa lớp gặp những thách thức lớn Các nghiên cứuhiện nay tập trung vào việc sử dụng công nghệ hội tụ năng lượng mặt trời với mụcđích kết hợp các linh kiện quang học hội tụ rẻ tiền để cắt giảm tối đa diện tích sửdụng pin mặt trời đa lớp đồng thời vẫn giữ nguyên được ưu điểm về hiệu suất củaloại pin này Nguyên lý hoạt động của phương pháp năng lượng mặt trời hội tụ baogồm các linh kiện hội tụ như gương cầu, thấu kính hoặc các linh kiện quang họckhông ảnh để hội tụ chùm sáng mặt trời vào một vùng diện tích nhỏ Một tấm pinnăng lượng mặt trời đa lớp đặt ngay tại vị trí tiêu cự để hứng toàn bộ chùm nănglượng mặt trời hội tụ chuyển đổi thành điện năng từ đó tiết kiệm được diện tíchcủa tấm pin mặt trời từ 3 tới 100 lần Ví dụ, như nghiên cứu của các nhà khoa họcNhật Bản đã đề xuất một thiết kế CPV cho hiệu suất chuyển đổi quang điện lớnnhất lên tới khoảng 27,3 % khi sử dụng các linh kiện quang học tạo ảnh, tuy nhiênthiết kế này chỉ tận dụng được khoảng 50 % ánh sáng mặt trời trực tiếp chiếu đếnhệ

Như vậy, ta thấy rằng xe điện là giải pháp tối ưu cho các vấn đề về nănglượng và môi trường mà toàn cầu đang phải đối mặt, đó là lý do khiến nó trở thànhmối quan tâm đặc biệt từ nửa sau thế kỉ 20 trở lại đây và càng ngày càng trở thànhmối quan tâm lớn của ngành công nghiệp ô tô và các nhà khoa học trên toàn thếgiới Tuy nhiên việc sản xuất xe điện hoàn toàn xanh nghĩa là các xe

điện sử dụng năng lượng tái tạo vẫn chưa phát triển tương xứng, rất nhiều các công

ty sản xuất xe điện cũng như các nhóm nghiên cứu đang tập trung vào vấn đề pháttriển các xe điện trực tiếp sử dụng năng lượng tái tạo Do đó, tác giả đã tiến hànhnghiên cứu việc ứng dụng linh kiện quang học không tạo ảnh cho hệ thống điệnmặt trời hội tụ hiệu suất cao ứng dụng trong xe điện

2 Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

x Mục đích của luận án là: Chế tạo thành công linh kiện quang học khôngtạo ảnh CPC với các thông số tối ưu hóa cho hệ thống điện mặt trời hội

tụ hiệu suất cao ứng dụng trong xe điện

x Đối tượng nghiên cứu: Linh kiện quang học không tạo ảnh CPC

x Luận án tập trung nghiên cứu về quy trình tối ưu hóa các thông số củalinh kiện CPC nhằm nâng cao phần thu ánh sáng mặt trời trực tiếp saocho diện tích sử dụng pin mặt trời đa lớp là nhỏ nhất; phân tích, so sánhtrong các điều kiện chiếu sáng tại các khu vực khác nhau Chế tạo linhkiện và tiến hành đo đạc thực nghiệm để so sánh với các kết quả môphỏng

3 Phương pháp nghiên cứu

x Lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, trên cơ sở chế tạo, tổng hợp, đánh giá phân tích và xử lý các kết quả thực nghiệm

x Phương pháp thử nghiệm: Thiết kế, mô phỏng cấu trúc trên phần mềmchuyên dụng và chế tạo thử nghiệm trên hệ CNC, thử nghiệm các cấutrúc khác nhau để đánh giá hiệu suất

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Bố cục luận văn gồm 04 chương:

Chương 1: Tổng quan – Nghiên cứu thiết kế các linh kiện quang học

không tạo ảnh trong các hệ thống điện mặt trời hội tụ định hướng ứng trong trong

xe điện: Tổng quan về tình hình nghiên cứu các linh kiện quang học đã đượcnghiên cứu trong xe điện, mẫu xe điện của các hãng trên thị trường; đưa ra nhữngnhận xét về ưu điểm, nhược điểm và đề xuất giải pháp nhằm tăng hiệu suất của hệ

Chương 2: Thiết kế, mô phỏng, tối ưu hóa – Mô phỏng, tối ưu hóa cấu trúc

của các linh kiện quang học nhằm tối đa hóa hiệu suất của hệ thống quang điện tập

học của hệ thống quang điện tập trung tĩnh thu được là lớn nhất với chi phí phùhợp.

Chương 3: Chế tạo, thực nghiệm – Chế tạo, khảo sát các thông số cơ bản

của linh kiện quang học đã thiết kế, đo đạc các thông số về hiệu suất quang học:Chế tạo linh kiện quang học CPC bằng phương pháp CNC; đo đạc các tính chấtquang để kiểm chứng với các kết quả mô phỏng

Chương 4: Kết luận – tổng kết những kết quả đã đạt được và đưa ra hướng

phát triển tiếp theo

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tiềm năng ứng dụng của năng lượng mặt trời trong xe điện

Vào năm 2012, Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ và Cục An toàn Giaothông Đường cao tốc Quốc gia đã thông qua các tiêu chuẩn về lượng khí thải CO2

và cải thiện khả năng tiết kiệm nhiên liệu cho các loại xe hạng nhẹ trong giai đoạn2017–2025 Các quy tắc khí thải mới yêu cầu mức tiết kiệm nhiên liệu trung bình

là 23,2 Km/L [1] (tương đương với lượng khí thải CO2 là 100 g/Km) đối với cácphương tiện này vào năm 2025 Các quy tắc tương tự đã được phát triển bởi EU,Nhật Bản và các quốc gia và khu vực khác Theo đó, các nhà sản xuất ô tô đã vàđang phát triển nhiều loại phương tiện thân thiện với môi trường (EFV) như xehybrid (HV), xe plug-in hybrid (PHV), xe điện (EV) và xe chạy bằng pin nhiênliệu (FCV) để giúp giảm lượng khí thải CO2 Mặc dù hơn 20 % sản lượng xe trongnăm 2015 đã đạt được mục tiêu CO2 vào năm 2018, nhưng chưa đến 5 % sảnlượng của năm 2015, chỉ bao gồm HV, PHV và EV, có thể đáp ứng các tiêu chuẩn

đã đề ra vào năm 2025 Do đó, cần phát triển các công nghệ khác sử dụng nănglượng tái tạo làm động lực để đạt được mức giảm phát thải CO2 hơn nữa Việc sảnxuất điện bằng pin mặt trời ứng dụng trong xe điện là một ứng cử viên đầy hứa hẹn

vì hầu hết các EFV đều được trang bị pin dung lượng lớn có thể được sạc bằngđiện do các pin này tạo ra

Xe điện sử dụng nguồn năng lượng tái tạo được đánh giá là tương lai củangành công nghiệp sản xuất ô tô khi giải được “bài toán” ô nhiễm môi trường.Lượng khí thải CO2 bao gồm cả phát thải trực tiếp và phát thải gián tiếp ra môitrường từ xe điện thấp hơn khoảng 70 % so với các dòng xe truyền thống Bằngviệc sử dụng nguồn năng lượng được cung cấp từ pin, xe điện không phát thải trựctiếp ra các chất độc hại như khí CO, NOx, HC… ảnh hưởng đến môi trường và sứckhỏe con người Theo đó, xe điện làm giảm rõ rệt lượng khí thải CO2, khói bụi tạicác đô thị lớn, từng bước loại bỏ sự phụ thuộc của con người vào nhiên liệu hóathạch Theo thống kê của EDF Energy – một công ty tổng hợp Năng lượng củaAnh cho thấy, mỗi năm xe truyền thống thải trực tiếp ra môi trường gần 5.400 kgkhí CO2 [1] Con số này ở xe điện là 1.800 kg, thấp hơn 70% so với xe truyềnthống Với tốc độ phát triển công nghệ xe điện như hiện nay, các chuyên gia nhậnđịnh tới năm 2030, lượng phát thải ở xe điện còn nhỏ hơn rất nhiều lần nữa so vớihiện tại

Theo Hội đồng Quốc tế về Giao thông sạch (ICCT) đã thực hiện thử nghiệmtrên hai chiếc xe tải nhỏ chạy bằng điện và xăng trên quãng đường 234.000 km.Kết quả cho thấy, tại Châu Âu lượng phát thải khí nhà kính của xe điện thấp, từ66-69 %, so với xe xăng Ngoài ra, cũng theo ICCT, xe điện đã chứng minh được

ưu điểm giảm phát thải CO2 ở nhiều quốc gia khác như Mỹ (60

– 68 %), Trung Quốc (37 – 45 %), Ấn Độ (19 – 34 %)

Những con số chứng minh khả năng giảm phát thải khí CO2 của xe điện sẽcòn ấn tượng hơn trong tương lai khi các nguồn điện “sạch” từ gió, năng lượngmặt trời đang ngày càng phát triển mạnh mẽ Nhà nghiên cứu của hội đồng ICCTGeorg Bieker dự đoán đến năm 2035, Châu Âu sẽ loại bỏ hoàn toàn xe vận tảichạy bằng động cơ đốt trong để giảm thiểu tối đa lượng khí thải CO2 ra môitrường Và năm 2050, xe điện sẽ chính thức xuất hiện trong các giải đua F1 tạiđây

Bên cạnh phát thải trực tiếp thì xe điện còn phát thải gián tiếp ra môi trườngthông qua quá trình sản xuất và sạc pin Đây được xem là lượng phát thải chủ yếucủa xe điện Nguyên liệu chế tạo pin lithium – loại pin được sử dụng phổ biến hiệnnay trên xe điện được khai thác thô sơ nên vẫn thải lượng khí CO2 nhất định ra môitrường Vì vậy, các nhà sản xuất đang bắt tay vào nghiên cứu và cải tiến để tạo rapin thể rắn hoặc pin năng lượng mặt trời thay thế cho pin lithium Bên cạnh đó,nhiều hãng sản xuất xe điện lớn còn yêu cầu các công ty cung cấp nguyên liệu sảnxuất pin phải cam kết sử dụng công nghệ hiện đại trong việc khai thác tránh tácđộng xấu tới môi trường Có thể nói, pin xe điện đang ngày một “xanh, sạch” vàthân thiện với môi trường hơn

Tuy nhiên hiện nay, năng lượng được sử dụng tại trạm sạc đều là điện dândụng do đó việc sạc điện cho xe làm tăng nhu cầu sử dụng điện tại các thành phốlớn Mặc dù xe điện không phát thải CO2 tuy nhiên việc tiêu thụ điện năng tăng lêntại thành phố lớn đồng nghĩa với việc gián tiếp chuyển phát thải CO2 từ thành phốlớn tới các nơi sản xuất điện năng Phương án tốt nhất để cải thiện vấn đề này làxây dựng trạm sạc chạy bằng nguồn năng lượng tái tạo như gió, mặt trời hoặc tíchhợp trực tiếp bộ thu năng lượng mặt trời trên các xe điện để sạc pin trực tiếp cho

xe ngay trong quá trình vận hành hoặc trong bãi để xe ngoài trời bởi đây là nhữngnguồn năng lượng tuyệt vời và vô tận Tuy vẫn có lượng phát thải gián tiếp nhưngvới mức giảm 70 % so với xe truyền thống, ô tô điện thực sự đem lại những lợi íchkhông nhỏ cho môi trường, đặc biệt là hiệu ứng nhà kính Trong tương lai, để giảmhoàn toàn lượng khí thải CO2, ngành công nghiệp xe điện cần có những cải tiếnvượt bậc trong khâu sản xuất, khai thác nguyên liệu, xử lý và tái chế pin cũng nhưđổi mới công nghệ sạc

Như vậy, ta thấy rằng xe điện là giải pháp tối ưu cho các vấn đề về nănglượng và môi trường mà toàn cầu đang phải đối mặt, đó là lý do khiến nó trở thànhmối quan tâm đặc biệt từ nửa sau thế kỉ 20 trở lại đây và càng ngày càng trở thànhmối quan tâm lớn của ngành công nghiệp ô tô và các nhà khoa học trên toàn thếgiới Tuy nhiên việc sản xuất xe điện hoàn toàn xanh nghĩa là các xe điện sử dụngnăng lượng tái tạo vẫn chưa phát triển tương xứng, rất nhiều các

công ty sản xuất xe điện cũng như các nhóm nghiên cứu đang tập trung vào vấn đềphát triển các xe điện trực tiếp sử dụng năng lượng tái tạo.

1.2 Tình hình nghiên cứu tích hợp năng lượng mặt trời trong xe điện

1.2.1 Sự phát triển tại các hãng xe thương mại

Một nguyên mẫu xe hơi trong đó các tấm pin năng lượng mặt trời đặt trênnóc xe sẽ hấp thụ năng lượng từ Mặt trời để sử dụng trong xe lần đầu tiên đượcToyota triển khai áp dụng trên Prius 2012 Tuy nhiên, vào thời điểm đó, những hạnchế về công nghệ trong việc sử dụng năng lượng hiệu quả khiến năng lượng từ cáctấm pin này chỉ hữu ích cho các thiết bị ngoại vi như điều hòa không khí hơn làgiúp tăng quãng đường lái xe một cách có ý nghĩa Đến năm 2019, hãng xeHyundai đã tiết lộ một mẫu xe Sonata mới của mình, trong đó một tấm pin nănglượng mặt trời hoàn chỉnh được tích hợp để sạc trực tiếp cho xe trong quá trình vậnhành và họ ước tính rằng, với sáu giờ sạc dưới ánh sáng mặt trời trực tiếp mỗingày, Sonata Hybrid có thể đạt được thêm 1.300 km lái xe điện mỗi năm, tươngđương với mức tăng trung bình 3,6 km/ngày [2] Với 70 % xe du lịch di chuyểntrung bình dưới 30 km/ngày [3], tấm pin mặt trời trên xe thương mại có thể giúp xeđiện giảm 10 y 12 % năng lượng tiêu thụ mỗi ngày Các phương tiện mà sử dụngsong song điện chạy bằng pin và xăng/dầu để cung cấp năng lượng cho xe vậnhành kể trên được gọi là plug-in hybrid

Cơ chế đằng sau của các tấm này rất đơn giản, khi ánh sáng mặt trời đượchấp thụ bởi các tế bào trên tấm pin mặt trời, điện sẽ được sản xuất và được lưu trữtrong cả ắc quy khởi động và ắc quy lái Điện năng này trong pin lái có chức năngkéo dài quãng đường lái xe, trong khi đó trong pin khởi động làm giảm thời giancần thiết của máy phát điện để sạc bộ khởi động, do đó giảm gánh nặng cho động

cơ và cải thiện hiệu quả sử dụng nhiên liệu

Hình 1.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống năng lượng mặt trời

trên nóc xe của Sonata Hybrid [6]

Trong khi đó, các tấm năng lượng mặt trời trên nóc xe của Prius tuân theomột nguyên lý hoạt động khác: nó lưu trữ năng lượng từ nóc xe vào một tấm pinriêng biệt, sau đó chuyển năng lượng này để sạc cho pin lái Hệ thống không chỉyêu cầu thêm pin mà còn làm mất hiệu quả năng lượng trong quá trình này Hệthống của Sonata hiệu quả hơn về mặt đó, vì nó sạc đồng thời cho cả pin khởi động

Hình 1.4 Mẫu xe điện Lightyear One [7]

Bên cạnh đó, một công ty khởi nghiệp Lightyear của Hà Lan cũng đã ra mắtmột chiếc ô tô chạy bằng năng lượng mặt trời vào năm 2019 Họ tập trung vào việctăng diện tích tấm pin mặt trời trên nóc xe và các vị trí khác trên thân xe lên tới 5

m2 Phía trên các tấm pin được lắp đặt một tấm kính bảo vệ chắc chắn đến mứcmột người lớn có thể đi trên chúng Và không giống như các tấm pin mặt trờithông thường, các tế bào Lightyear One hoạt động độc lập Điều này có nghĩa làngay cả khi một phần của nóc xe hoặc mui xe bị che khuất khỏi ánh nắng mặt trời,phần còn lại của bề mặt vẫn tiếp tục tạo ra năng lượng mặt trời một cách hiệu quả.Không cần phải lo lắng về khả năng quá nhiệt của vùng thu ánh sáng mặt trời, vìcác bề mặt “năng lượng mặt trời” của nó được thiết kế để chịu được nhiệt độ caotrong khi sạc mà không làm giảm hiệu quả Ngoài ra, hãng cũng luôn cải tiến hiệusuất của động cơ, khí động học và giảm trọng lượng của xe Giả sử một quãngđường đi làm trung bình là 35 km, Lightyear cho biết năng lượng mặt trời có thểkéo dài thời gian giữa các lần sạc để sử dụng hàng ngày lên đến hai tháng trong khíhậu nhiều mây như quê hương Hà Lan và có thể lên đến bảy tháng ở một khu vựcđầy nắng như Bồ Đào Nha Giải pháp tăng diện tích tấm thu năng lượng măt trờiđồng thời giảm khối lượng xe và cải tiến thiết kế khí động học dẫn đến việc giáthành xe trở nên đắt đỏ và khó thương mại hóa Do các hãng xe hiện đang gặp khókhăn trong việc tiếp cận triển khai các ứng dụng tích hợp năng lượng mặt trời trựctiếp trên xe do hiệu suất và năng lượng tạo ra bởi các tấm pin năng lượng mặt trờichưa đủ lớn như kỳ vọng, vì thế các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm về việc cảitiến hiệu suất tấm pin năng lượng mặt trời nhằm tăng khả năng chuyển đổi nănglượng đang được rất nhiều các nhóm nghiên cứu mạnh trên thế giới tập trung giảiquyết

1.2.2 Các nghiên cứu khoa học về năng lượng mặt trời trong xe điện

Việc ứng dụng nguồn năng lượng mặt trời trong xe điện đã và đang đượcnghiên cứu mạnh mẽ nhằm nâng cao hiệu suất chuyển đổi quang điện của toàn hệthống để đáp ứng nhu cầu xe điện hoàn toàn xanh trong tương lai Một số cácnghiên cứu tiêu biểu trong lĩnh vực này được tác giả phân tích để từ đó xây dựngcách tiếp cận mới trong phạm vi nghiên cứu của luận văn này Hiện nay, côngnghệ pin mặt trời đã được cải tiến hiệu suất lên tới 45 % [8] có thể giải quyết cácứng dụng trong xe điện, tuy nhiên giá thành vô cùng đắt đỏ khiến cho việc ứngdụng các công nghệ Pin mặt trời đa lớp gặp những thách thức lớn Các nghiên cứuhiện nay tập trung vào việc sử dụng công nghệ hội tụ năng lượng mặt trời với mụcđích kết hợp các linh kiện quang học hội tụ rẻ tiền để cắt giảm tối đa diện tích sửdụng pin mặt trời đa lớp đồng thời vẫn giữ nguyên được ưu điểm về hiệu suất củaloại pin này Nguyên lý hoạt động của phương pháp năng lượng mặt trời hội tụ baogồm các linh kiện hội tụ như gương cầu, thấu kính hoặc các linh kiện quang họckhông ảnh để hội tụ chùm sáng mặt trời vào một vùng diện tích nhỏ Một tấm pinnăng lượng mặt trời đa lớp đặt ngay tại vị trí tiêu cự để hứng toàn bộ chùm nănglượng mặt trời hội tụ chuyển đổi thành điện năng từ đó tiết kiệm được diện tíchcủa tấm pin mặt trời từ 3 tới 100 lần [8]

Trong một hệ thống CPV (CPV: Concentrator Photovoltaic) điển hình, thấukính hội tụ được sử dụng làm thành phần hội tụ chính và pin mặt trời được cănchỉnh tại tiêu điểm của thấu kính [9] Với cấu trúc như vậy, tiêu cự thường dàikhông thích hợp cho việc thiết kế hệ thống CPV phẳng Ngoài ra, vị trí của mặttrời trên bầu trời thay đổi theo thời gian trong ngày nên tiêu điểm của thấu kính dichuyển dọc theo một vòng cung Sự chuyển động của tiêu điểm dọc theo một vòngcung ngăn cản việc theo dõi mặt trời với cơ chế dịch chuyển bên Đó là lý do tạisao hầu hết các hệ thống CPV sử dụng hệ thống theo dõi mặt trời quay để duy trì

sự vuông góc với ánh sáng mặt trời Tuy nhiên, trong nghiên cứu của TS Vũ NgọcHải (Đại học Phenikaa) và giáo sư Seoyong Shin đến từ Đại học Myongji, HànQuốc đề xuất một kỹ thuật mới giải quyết vấn đề đó bằng cách sử dụng các lớptráng gương lên trên bề mặt cong của thấu kính cầu Nếu phủ lớp tráng gương trên

bề mặt cong của thấu kính sơ cấp thì thấu kính sẽ trở thành gương cầu lõm Mộtyếu tố thú vị cần lưu ý là độ dài tiêu cự giảm bốn lần khi sử dụng thấu kính tránggương so với sử dụng thấu kính hội tụ Khi góc tới thay đổi, kích thước của điểmhội tụ trên mặt phẳng hấp thụ cũng tăng lên Vì vậy, nếu máy thu đủ lớn, chúng ta

có thể áp dụng cơ chế dịch chuyển theo chiều ngang cho hệ thống theo dõi mặttrời Đây là một sự đánh đổi, tức là chúng ta giảm tỷ lệ hội tụ để có được cơ chếtheo dõi chuyển động của mặt trời Do đó, bộ hội tụ được thiết kế dựa trên mảnggương lõm này là một ứng cử viên sáng giá để thay thế thiết kế thông thường Nónhỏ gọn hơn, mỏng hơn và nhẹ hơn so với hệ thống CPV thông thường dựa trên cơchế theo dõi mặt trời quay

(a) (b)

Hình 1.5 Hệ thống CPV phẳng đượ c đề xuất cho ứng dụng ô tô với (a)

Hệ CPV được lắp trên nóc ô tô, (b) Cơ ch ế của hệ thống CPV phẳng dành cho ứng dụng trên xe, (c) Một mảng thấu kính tráng gương ở vị trí dưới cùng và chi ti ết của một thấu kính, (d) Chế độ xem 3D của hệ thống

CPV phẳng được đề xuất [4]

Cũng trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu đã đề xuất một hệ thống CPVphẳng hoàn chỉnh ứng dụng cho xe điện bao gồm một mảng thấu kính tráng gươngquy mô lớn và một ống dẫn sóng phẳng được giới thiệu như một phương pháp thaythế để mở rộng hệ thống Khái niệm đầu tiên về hệ thống CPV tích hợp với ốngdẫn sóng phẳng xuất phát từ nghiên cứu của Winston và Gordon Họ đã trình bàycác phương pháp tiếp cận hệ thống CPV trong đó ánh sáng mặt trời được hội tụ bởimảng thấu kính hai chiều Tuy nhiên, hệ thống ống dẫn sóng phẳng đó không thểđược áp dụng cho ô tô vì chúng sử dụng cơ chế theo dõi mặt trời quay Một sơ đồ

bố trí hệ thống đề xuất được thể hiện trong Hình 1.5 Bảng điều khiển CPV phẳngđược lắp đặt trên nóc xe Kia Ray được minh họa trong Hình 1.5 (a)

Trong hệ thống CPV phẳng, ống dẫn sóng phẳng được chế tạo bởi một tấmtrong suốt, được tích hợp với các lăng kính hình nón được khắc ở bề mặt phía trên.Ống dẫn sóng phẳng đặt trên đỉnh của mảng thấu kính cố định có thể trượt tự dogiữa các mảng thấu kính Bề mặt của lăng kính hình nón được tráng một gươnglưỡng sắc để tách quang phổ ánh sáng mặt trời thành hai dải: năng lượng thấp (low

- energy) và trung bình (mid - center) Ánh sáng năng lượng thấp (E thấp) (λ > ~

thấp được gắn ở bề mặt đáy của lăng kính hình nón Chip low E bao gồm mộtđiểm nối trên cùng GaInAsP có năng lượng vùng cấm là 0,98 eV (1265 nm) vàmột điểm tiếp giáp dưới cùng GaInAs có năng lượng vùng cấm là 0,74 eV (1675nm) Ánh sáng (λ < ~ 980 nm) được phản xạ từ lớp phủ gương lưỡng sắc và đượcghép vào ống dẫn sóng phẳng Tia phản xạ tại lăng kính hình nón được ghép bởiống dẫn sóng phẳng và lan truyền bên trong ống dẫn sóng phẳng bằng cách sửdụng điều kiện phản xạ toàn phần thông qua khẩu độ thoát ra ở mép tấm Mộttrong các cổng ra của ống dẫn sóng được gắn vào pin mặt trời E trung bình trongkhi các cổng thoát còn lại được gắn vào gương Chip E trung bình được làm bằngmột điểm nối trên cùng GaInP có năng lượng vùng cấm là 1,91 eV (660 nm) vàmột điểm nối dưới cùng GaAs có năng lượng vùng cấm là 1,42 eV (980 nm).Khoảng cách giữa mảng thấu kính và ống dẫn sóng phẳng là không khí Ống dẫnsóng được kết nối và điều khiển bởi một hệ thống theo dõi dựa trên cơ chế dịchchuyển bên.

Hình 1.6 (a) là phổ năng lượng mặt trời dùng trong mô phỏng Hình 1.6 (b)cho thấy hiệu suất quang học của dải E trung bình/thấp tại các thời điểm khác nhautrong ngày Một quan sát thú vị từ Hình 1.6 (b) là hiệu suất quang học không đổi

từ 8 giờ sáng đến 4 giờ chiều, nó giảm đáng kể vào thời điểm khác trong ngày dothiết kế của các lăng kính ghép nối Kích thước lăng kính được thiết kế đủ lớn đểche được vùng ánh sáng hội tụ với góc tới của ánh sáng mặt

trời là 45° Trước 8 giờ sáng và sau 4 giờ chiều, góc tới của ánh sáng mặt trời nằmngoài phạm vi ± 45° để kích thước lăng kính trở nên nhỏ hơn khu vực tiêu cự, do

đó ánh sáng mặt trời không thể kết hợp với ống dẫn sóng

Hiệu suất chuyển đổi điện năng tối đa của hệ là 32,88 % Độ dày của hệ là 35

mm, mỏng tương đương với bảng điều khiển quang điện phẳng thông thường và hệthống cho phép cơ chế theo dõi mặt trời bên Điều này phù hợp để lắp đặt trên nóc

xe Kết quả cho thấy hệ thống CPV phẳng được trình bày là một cách tiếp cận mới

để ứng dụng hiệu quả cao năng lượng mặt trời vào xe điện

Ngoài thiết kế bên trên, một nhóm các nhà nghiên cứu đến từ viện nghiêncứu Toyota, Nhật Bản cũng đã đề xuất một thiết kế CPV cho hiệu suất chuyển đổiquang điện lớn nhất lên tới khoảng 27,3 % Mô hình thiết kế này được chỉ ra trongHình 1.7

phần (CPV) cho ứng dụng trên nóc xe ô tô [5]

Hình 1.8 (a) Sơ đồ minh họa mô-đun đã th iết kế Tế bào pin mặt trờ i 3 l

ớp chuyển tiếp được bao bọc bởi một thấu kính silicone và đượ c xếp chồng lên trên một tế bào Si thông qua một đế trong suốt (b) Mặt cắt ngang gi ản đồ của mô-đun con hiển thị kích thước củ a mảng thấu kính và mỗi pin mặt trời (c) Ảnh chụp mô-đun được chế tạo (bên trái: đế thủy tinh với tế bào pin mặt trời 3 lớp chuyể n tiếp, trung tâm: mô-đun con không có

Hình 1.8 minh họa thiết kế của một mô đun CPV bao gồm mảng thấu kínhsilicone 4×5, tế bào pin mặt trời 3 lớp chuyển tiếp (InGaP/GaInAs/Ge) và một tếbào pin mặt trời Si tinh thể Mô đun này bao gồm một mảng thấu kính silicone baobọc các tế bào pin mặt trời 3 lớp chuyển tiếp trên đỉnh tế bào pin mặt trời Si thôngqua một đế thủy tinh mỏng trong suốt Độ dày mô đun phải càng nhỏ càng tốt choứng dụng nóc xe ô tô Độ dày của mô-đun đã đóng gói (Hình 1.8 (c), bên phải) làkhoảng 6,0 mm trong thiết kế hiện tại Các tế bào pin mặt trời 3 lớp chuyển tiếpđược gắn trên mẫu điện cực Ag bằng liên kết khuôn và liên kết dây Thấu kính phicầu không đối xứng được sử dụng vì tế bào pin mặt trời 3 lớp chuyển tiếp có hìnhchữ nhật chứ không phải hình vuông Tỷ lệ hội tụ của tế bào pin mặt trời 3 lớpchuyển tiếp được tính từ tỷ lệ giữa diện tích khẩu độ thấu kính (8×8 mm) và diệntích tế bào pin mặt trời 3 lớp chuyển tiếp (4,05×4,47 mm) là 3,5× Hình dạng thấukính được tối ưu hóa bằng cách phân tích quang học sử dụng mô phỏng dò tia.Việc tối ưu hóa nhằm mục đích tối đa hóa năng lượng bức xạ mặt trời hàng nămđược thu thập bởi tế bào pin mặt trời 3 lớp chuyển tiếp.

xứng (a) Tổng quan về mô hình mô phỏng vớ i hệ tọa độ và vùng chiếu xạ (b) Mặt cắt ngang của mô hình mô phỏng [5]

Hình 1.9 (a) cho thấy mô hình mô phỏng theo dõi tia của thấu kính phi cầukhông đối xứng Thấu kính là một mảng 3×3 để tạo điều kiện thuận lợi cho việcxem xét hiệu ứng tác động chéo giữa các thấu kính liền kề Cấu trúc ngăn xếpđược mô hình như trong Hình 1.9 (b), các tế bào 3 lớp chuyển tiếp và tế bào Siđược đặt ở trung tâm của mảng

mặt trời được thu thập bởi thấu kính tối ưu hóa [5]

Hình 1.10 cho thấy tỉ lệ năng lượng mặt trời phân bố trên tế bào pin mặt trời

3 lớp chuyển tiếp là 46.6 % trên tổng năng lượng tới hệ thống và trên tấm pin Si là36.4 %, mất mát quang học là 17,0 % Sự mất mát quang học này là do phản xạFresnel tại các bề mặt tiếp giáp giữa không khí và bề mặt thấu kính (8,0 %) và giữathấu kính và đế thủy tinh (0,3 %), sự hấp thụ của vật liệu làm thấu kính (4,5 %) vàbởi đế thủy tinh (1,0 %), và sự che phủ của tấm pin hiệu suất cao trên đế thủy tinh(3,2 %) chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất quang học của tấm pin Si

Những thiết kế nêu trên chỉ là hai trong số rất nhiều cấu trúc đã được nghiêncứu nhằm mục đích ứng dụng năng lượng mặt trời trong xe điện, chúng có những

ưu điểm và những hạn chế nhất định Với cấu trúc đầu tiên sử dụng một mảng thấukính tráng gương cho hiệu suất cao nhất là 32.88 % và góc chấp nhận ± 45°, hiệusuất này tương đối cao tuy nhiên thiết kế này có cấu tạo phức tạp, có các cơ chếchuyển động bên trên, việc chế tạo cấu trúc này cũng tương đối khó khăn và việcthay đổi độ dày của hệ mỏng hơn cũng là một vấn đề phức tạp Ngoài ra, pin mặttrời bị kẹp giữa hai lớp quang học nên việc tản nhiệt là một thách thức đối với pinmặt trời Cấu trúc thứ hai sử dụng một mảng các thấu kính phi cầu, cấu trúc này cónguyên lý hội tụ ánh sáng và chế tạo đơn giản hơn so với việc sử dụng cấu trúcgồm một mảng các thấu kính tráng gương Tuy nhiên, thiết kế này chỉ cho hiệusuất của hệ là 27.3 % với góc chấp nhận ± 60° Ngoài ra, còn một hạn chế nữa là

hệ này chỉ thu được 50 % ánh sáng trực tiếp vào các tấm pin mặt trời hiệu suất cao.Những vấn đề này sẽ được khắc phục với thiết kế mà tác giả sẽ đề xuất sau đây khi

sử dụng một mảng linh kiện quang CPC, hệ có thể thu được 80 % ánh sáng trựctiếp vào tấm pin mặt trời hiệu suất cao so với 50 % khi dùng hệ thấu kính phi cầu.Thiết kế mà tác giả đề xuất có thể cho hiệu suất cao lên đến 32 % với góc chấpnhận ± 47° và đặc biệt chế tạo đơn giản Một ưu điểm nữa là thiết kế có thể thayđổi được độ dày mà vẫn giữ nguyên được tỷ lệ hội tụ và các tính chất như ban đầubằng cách thay đổi tỷ lệ giữa các thông số của CPC tương ứng, hệ còn có thể dễdàng lắp đặt trên các bề mặt cong phù hợp trong việc ứng dụng trên nóc xe

Chúng ta có thể thấy rằng xe điện hoạt động hiện nay vẫn đang sử dụngnguồn năng lượng được cung cấp từ pin là chính còn sự đóng góp của năng lượngmặt trời ở đây còn hạn chế chỉ đủ cho các thiết bị nội thất bên trong hoạt động.Một hạn chế nữa của việc tích hợp năng lượng mặt trời trên xe điện là diện tíchnóc xe có giới hạn, chúng ta không thể tăng diện tích tấm thu năng lượng mặt trờilên tùy ý Ví dụ, hãng Lightyear đang nghiên cứu việc tăng diện tích tấm pin mặttrời trên nóc xe lên tới 5 m2 Hơn nữa, hiệu suất của tấm pin mặt trời thông thườngthấp dẫn đến hiệu suất chuyển đổi quang điện của cả hệ cũng thấp Ta hoàn toàn cóthể sử dụng những tấm có hiệu suất cao nhưng giá thành của nó rất đắt, vô hìnhchung đẩy giá thành của những chiếc xe lên cao khiến người tiêu dùng phổ thôngkhó tiếp cận được Các nghiên cứu đang hướng đến việc cải thiện hiệu suất của cáctấm pin nhưng đi cùng với đó là phải giảm giá thành sản xuất tương ứng Ngoài ra,chúng ta cũng có thể cải thiện hiệu suất của tấm pin bằng cách sử dụng CPV như

đã đề cập trong mục 1.2.2

1.3 Những yêu cầu đặt ra cho một hệ thống tích hợp trên xe điện

Trong ứng dụng của xe điện, diện tích mái che ô tô bị hạn chế nên cách duynhất để cải thiện việc thu năng lượng mặt trời là tăng hiệu suất của hệ thống quangđiện Gần đây, pin mặt trời nhiều lớp chuyển tiếp đã chứng minh hiệu suất cực kỳcao lên đến 46 %, đủ tốt cho ứng dụng này, nhưng loại pin mặt trời này không hiệuquả về chi phí để thương mại hóa Một cách hiệu quả để tăng hiệu suất là sử dụngcông nghệ quang điện hội tụ (CPV) cùng với pin mặt trời nhiều lớp chuyển tiếp.Trong công nghệ CPV, bức xạ mặt trời được hội tụ vào một khu vực nhỏ bằngcách sử dụng hệ hội tụ quang học, là một thấu kính hoặc gương hội tụ Bằng cách

sử dụng hệ thống hội tụ quang học chi phí thấp, diện tích yêu cầu của pin mặt trờinhiều lớp chuyển tiếp chi phí cao được giảm đáng kể trong khi công suất đầu ravẫn được duy trì Tuy nhiên, các cơ chế hội tụ thông thường áp dụng cho hệ thốngCPV thường phức tạp và cồng kềnh Hơn nữa, yêu cầu của hệ thống suntracking

để xoay và căn chỉnh chính xác các tấm pin mặt trời luôn vuông góc với ánh sángmặt trời trực tiếp làm cho hệ thống CPV trở nên cồng kềnh do đó cần một giá đỡ

để ổn định về mặt cơ học trước các lực tải của gió Đây là lý do tại sao EV khôngđược trang bị hệ thống theo dõi mặt trời hiện đại Mục đích chính của nghiên cứunày là thiết kế một hệ thống CPV hiệu suất chuyển đổi cao có thể được trang bịtrên nóc xe điện Đối với mục đích trang bị chúng trên nóc ô tô, hệ thống CPVphải phẳng và có độ dày 35 mm tương đương tấm phẳng PV điển hình

Hình 1.11 Quãng đường di chuyển của xe ph ụ thuộc vào hiệu suất chuyển đổi của hệ

thống CPV trên nóc xe [4]

Ví dụ như ở Hàn Quốc, quãng đường di chuyển trung bình hàng ngày của xehạng nhẹ là 27.5 km mỗi ngày, quãng đường này yêu cầu hiệu suất chuyển đổiquang điện của hệ tương đương khoảng 39 %, đây là hiệu suất chuyển đổi mongmuốn đối với một hệ thống CPV

Với việc đưa tính năng sạc bằng năng lượng mặt trời vào xe điện về cơ bảngiải quyết được hai vấn đề trong một Người lái xe không phải lo lắng về việc trạmsạc gần nhất ở đâu, vì xe có thể tự nạp điện khi đang di chuyển hoặc khi đang đỗ

Và ô tô có thể di chuyển xa hơn mà không cần phải cắm điện, có nghĩa là số km xe

đi được giữa các lần sạc sẽ được gia tăng Tất nhiên, điều này phụ

thuộc rất nhiều vào thói quen lái xe, thời điểm trong năm, cũng như vị trí địa lýcủa người lái vì ánh sáng mặt trời tại các thời điểm trong năm và tại các quốc gia

là khác nhau Những điểm tích cực và hạn chế của việc tích hợp năng lượng mặttrời vào xe điện là vậy, tuy nhiên cho đến hiện nay các dòng xe đã ra mắt thịtrường như Sonata của Huyndai cũng chỉ cũng cấp thêm được 3.6 km/ngày, phầnđóng góp này chỉ đủ để chạy các thiết bị bên trong xe như: điều hòa, chiếu sáng,…Còn dòng xe của hãng Lightyear thì khả quan hơn khi có thể cung cấp cho xe thêm

12 km/ngày trong điều kiện nắng tốt vào mùa hè và 10 km/ngày vào mùa đông vàphần đóng góp này là tương đối nhỏ so với việc xe có thể chạy 725 km với mỗi lầnsạc đầy pin theo công bố của hãng Các con số này chưa đáp ứng được quãngđường di chuyển trung bình trong một ngày ở Hàn Quốc và chúng đang được thửnghiệm và cần thêm thời gian để sản xuất hàng loạt [4] Do đó, chúng ta cần có cácnghiên cứu để nâng cao hơn nữa phần năng lượng đóng góp từ mặt trời trong xeđiện với hiệu suất chuyển đổi quang điện lên tới 39 % tương ứng với quãng đườnglái xe trung bình trong một ngày là 27.5 km tại Hàn Quốc, độ dày của hệ thốngphải nhỏ hơn 35 mm và có thể dễ dàng lắp đặt trên nóc xe

Dựa trên các phân tích đánh giá ưu, nhược điểm của các hệ thống hiện tạiđang được phát triển tại các hãng xe và các phòng thí nghiệm nghiêm cứu, chúngtôi đưa ra một số yêu cầu đặt ra định hướng cho việc nghiên cứu thiết kế, chế tạolinh kiện quang học ứng dụng cho hệ thống điện mặt trời hội tụ trên xe điện nhưsau:

x Thiết kế hệ thống đơn giản, dễ chế tạo, cần phải mềm dẻo linh động để có thể lắp trên các nóc xe có hình dạng khác nhau

x Hệ thống phải đủ mỏng, nhẹ để không ảnh hưởng tới trọng lượng và kết cấukhí động học của xe khi thiết lập

x Góc chấp nhận của linh kiện quang hội tụ > 45o để có thể thu được phần lớn ánh sáng mặt trời trực tiếp trong ngày

x Hiệu suất chuyển đổi quang điện đủ lớn để xe có thể vận hành đủ > 75 % quãng đường trung bình di chuyển của một xe điện

Trong các chương tiếp theo của luận văn này, tác giả sẽ làm rõ những nghiêncứu thiết kế, mô phỏng, tối ưu chế linh kiện quang cho hệ thống điện mặt trời ứngdụng cho xe điện đáp ứng các yêu cầu đặt ra ở trên

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG, TỐI ƯU HÓA

2.1 Nghiên cứu thiết kế linh kiện quang học hội tụ ứng dụng cho xe điện

Trong phần này, tác giả trình bày về thiết kế của hệ thống hội tụ điện mặt trờiứng dụng trong xe điện đáp ứng các yêu cầu đặt ra ở mục 1.3 Hệ thống này sửdụng linh kiện quang học không ảnh có tên gọi là CPC (compound parabolicconcentrator) thay vì các linh kiện quang hội tụ như thấu kính lồi, gươngcầu/parabol,… truyền thống Linh kiện CPC sử dụng trong nghiên cứu của chúngtôi cho phép hiệu suất chuyển đổi quang điện lên đến 32 % Trong phần đầu củaChương 2, tác giả trình bày một cách tổng quan về cơ sở lý thuyết của pin mặt trờicũng như sự khác nhau giữa quang học tạo ảnh và không tạo ảnh Trình bày chitiết về cách xây dựng linh kiện quang CPC và các tính chất quang của linh kiệnnày khi tia sáng tới trong và ngoài vùng của góc chấp nhận Trong các phần tiếptheo, tác giả sẽ trình bày chi tiết thiết kế của hệ thống điện mặt trời hội tụ cho xeđiện sử dụng linh kiện quang học CPC và mô phỏng các đặc trưng của hệ thống từ

đó tối ưu hóa các tham số của linh kiện CPC

2.1.1 Cơ sở lý thuyết

2.1.1.1 Linh kiện quang học CPC

Như đã biết, hệ thống quang học có thể được chia thành hai loại: quang họctạo ảnh và quang học không tạo ảnh Các hệ thống, thiết bị quang học tạo ảnh phổbiến: máy ảnh, kính hiển vi, kính thiên văn,… các hệ thống, thiết bị này truyềnhình ảnh rõ ràng của đối tượng tới cảm biến, màn hình hoặc người quan sát Tuynhiên nhiều ứng dụng không yêu cầu tạo ra hình ảnh, thay vào đó ánh sáng đượctruyền với mục đích xác định

Quang học không tạo ảnh (còn gọi là quang học anidolic) là nhánh quanghọc liên quan đến sự truyền bức xạ tối ưu giữa nguồn sáng và đầu thu Khônggiống như quang hình truyền thống, quang học không tạo ảnh không cố tạo thànhhình ảnh của nguồn sáng, thay vì đó, một hệ thống quang học được thiết kế để tối

ưu hóa quá trình truyền bức xạ từ nguồn sáng đến mặt phẳng chiếu sáng một cách

có chủ ý Quang học không tạo ảnh được phát triển chủ yếu trong khuôn khổquang học hình học Quang học không tạo ảnh bắt đầu phát triển vào giữa nhữngnăm 1960 với ba các nhóm nghiên cứu độc lập khác nhau của V K Baranov, M.Ploke và R Winston và dẫn đến sự phát triển độc lập của các nhánh khác dựa trênquang học không tạo ảnh đầu tiên

Các hệ thống quang học không tạo ảnh thay thế một đối tượng và một mặtphẳng hình ảnh trong hệ thống quang học tạo ảnh bằng một nguồn sáng và mộtdiện tích thu tương ứng Quang học không tạo ảnh có thể chuyển hiệu quả tổngcông suất phát sáng từ nguồn sang diện tích thu mà không cần hình thành hìnhảnh Do đó, quang học không tạo ảnh phù hợp với các ứng dụng thu năng lượngmặt trời và các ứng dụng chiếu sáng Về mặt ứng dụng trong thu năng lượng mặttrời, quang học không tạo ảnh quang học giúp cải thiện một số khía cạnh của thiết

kế hệ thống năng lượng mặt trời như góc giới hạn, tỷ lệ, phân bố ánh sáng,… màkhông thể giải quyết bằng quang học tạo ảnh Về mặt thiết kế chiếu

sáng như định hướng ánh sáng, đèn pha ô tô, chiếu sáng màn hình bảng điều khiển,

… Quang học không tạo ảnh là sự lựa chọn tối ưu cho phương pháp thiết kế Hình2.1 thể hiện sự khác nhau giữa quang học tạo ảnh và quang học không tạo ảnh.Quang học không tạo ảnh sẽ giúp giảm bớt vật liệu chế tạo, các tính toán tối ưuthấu kính dựa trên lý thuyết quang hình, chiết suất giúp dễ dàng tính toán và môphỏng chùm tia sau khi đi qua hệ thống quang học

Hình 2.1 Sự khác nhau giữa quang học tạo ảnh và quang học không tạo ảnh

CPCs là linh kiện quang học thuộc loại không tạo ảnh vì chúng không tạohình ảnh của mặt trời trên mặt hấp thụ Chúng có khả năng phản xạ lại mặt hấp thụtất cả các bức xạ tới CPC được thiết kế gồm hai parabol với các góc quay khácnhau, như thể hiện trong Hình 2.2

Có hai parabol giống hệt nhau một được gọi là parabol A và parabol kiađược gọi là parabol B Parabol A quay ngược chiều kim đồng hồ cùng với tiêuđiểm của nó và parabol B quay theo chiều kim đồng hồ cùng với tiêu điểm của nó.Tiêu điểm FA nằm trên parabol B, và tiêu điểm FB nằm trên parabol A Sau đó,những phần không cần thiết của parabol bị cắt bớt Hai parabol này được quayxung quanh một trục để tạo ra cấu trúc ba chiều, như trong Hình 2.3.

Hình 2.3 Cấu trúc CPC 3D (a) Dạng phản xạ gương, (b) Dạng khối

Cấu trúc này được thiết kế dưới dạng gương hoặc dạng khối rắn Đối vớiloại gương, CPC ở dạng một lớp vỏ với một lớp màng mỏng trên bề mặt, nơi bềmặt giống như một chiếc gương với sự phản xạ toàn phần bên trong Đối với loạirắn, CPC ở dạng vật liệu khối có phản xạ và khúc xạ Đối với loại gương, ánh sángkhông bị lệch góc khi đi vào khẩu độ CPC Tuy nhiên, đối với loại rắn, có hiệntượng khúc xạ khi ánh sáng đi vào khẩu độ CPC Góc sau khi khúc xạ là góc tớicủa ánh sáng Góc θ được định nghĩa là một nửa góc chấp nhận, như thể hiện trongHình 2.4 (a) Khi góc tới của ánh sáng nhỏ hơn một nửa góc chấp nhận, ánh sáng

đi ra ngoài một cách dễ dàng, như thể hiện trong Hình 2.4 (b) Khi góc tới của ánhsáng bằng nửa góc chấp nhận, ánh sáng đi ra tại tiêu điểm FA hoặc FB, như Hình2.4 (c) Khi góc tới của tia sáng lớn hơn góc bán phần thì tia sáng bị phản xạ nhiềulần Sau đó, ánh sáng đi ra ngoài qua khẩu độ vào, như trong Hình 2.4 (d)

Hình 2.4 Nguyên lý của CPC (a) Định nghĩa một nửa góc chấp nhận, (b) Góc t ới nhỏ hơn một nửa góc chấp nhận, (c) Góc tới b ằng một n ửa góc

chấp nhận, (d) Góc tới lớn hơn một nửa góc chấp nhận

Góc 2θ là góc chấp nhận của CPC 2D Khoảng cách giữa đoạn nối FA và

FB đến AB là chiều cao đầy đủ của CPC Mặt hấp thụ FA - FB là khẩu độ thoát cókích thước là b và song song với khẩu độ vào AB có kích thước là w Do đó, ta có

Sử dụng hệ tọa độ x-y và bằng cách sử dụng phương trình của parabol, parabol 2được xây dựng [9]

Điểm C: x b cos T c , y b

1 sin T c / 2

Sử dụng các giá trị của x và y, một đường cong trơn được vẽ (tạo ra một nửa bênphải của parabol) như trong Hình 2.4 Hình ảnh phản chiếu cho nửa bên trái, dẫnđến CPC hai chiều

Trong trường hợp CPC 3D, công thức tính độ hội tụ được cho bởi: C r

3D C r 2

2.1.1.2 Pin mặt trời

Một lớp tiếp xúc bán dẫn pn có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng mặttrời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên trong gọi là pin mặt trời Pinmặt trời được sản xuất và ứng dụng phổ biến hiện nay là các pin mặt trời được chếtạo từ vật liệu tinh thể bán dẫn Silicon (Si) có hoá trị 4 Từ tinh thể Si tinh khiết, để

17

Acceptor được dùng để pha vào Si là Bo có hoá trị 3 Đối với pin mặt trời từ vậtliệu tinh thể Si khi được chiếu sáng thì hiệu điện thế hở mạch giữa hai cực vàokhoảng 0,55 V, còn dòng đoản mạch của nó dưới bức xạ mặt trời 1000 W/m2 vàokhoảng 25-30 mA/cm2 Hiện nay người ta cũng đã đưa ra thị trường các pin mặttrời bằng vật liệu Si vô định hình (a-Si) Pin mặt trời a-Si có ưu điểm là tiết kiệmđược vật liệu trong sản xuất do đó có thể có giá thành rẻ hơn Tuy nhiên, so với pinmặt trời tinh thể thì hiệu suất biến đổi quang điện của nó thấp và kém ổn định khilàm việc ngoài trời.

Ngoài Si, người ta còn nghiên cứu và thử nghiệm các loại vật liệu khác cónhiều hứa hẹn như hệ bán dẫn hợp chất: bán dẫn nhóm III-V, Sunfit Cadmi-đồng(CuCdS), Galium-Arsenit (GaAs), Tuy nhiên, hiện nay việc nghiên cứu chế tạo

và sử dụng các pin mặt trời từ các vật liệu khác Si chỉ mới ở phạm vi và qui mô thínghiệm

Một hướng khác nhằm nâng cao hiệu suất biến đổi quang điện của pin mặttrời là thiết kế, chế tạo các pin mặt trời gồm một số lớp tiếp xúc pn để tăng cườngkhả năng hấp thụ photon có năng lượng khác nhau trong phổ bức xạ mặt trời Ta sẽ

đề cập các vấn đề này ngay sau đây

a) Pin mặt trời vô định hình Si (a-Si)

Thông số quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất biến đổi quang điện của mộtvật liệu pin mặt trời là độ rộng vùng cấm của nó Lý thuyết và thực nghiệm đã cho

thấy rằng, để có hiệu suất K t 8% thì độ rộng vùng cấm của vật liệu phải ở

trong khoảng 1.0 eV - 1,6 eV Hình 2.5 cho sự phụ thuộc của hiệu suất biến đổiquang điện vào độ rộng vùng cấm Eg của một số vật liệu ở 300 K

Hình 2.5 Sự phụ thuộc của hiệu suất quang điện vào độ rộng vùng cấm của vật liệu ở

300 K [11]

Ta thấy rằng, Si có vùng cấm Eg = 1,16 eV không phải là vật liệu tốt nhất

để sản xuất pin mặt trời Nhưng trên thị trường pin mặt trời thế giới hiện nay, hơn

90 % là pin mặt trời Si vì rằng Si là vật liệu chính của công nghiệp điện tử Nó đãđược nghiên cứu khá đầy đủ và đã được sản xuất ở qui mô công nghiệp Các vậtliệu khác như InP, GaAs, CdTe, AlSb, InP, có độ rộng vùng cấm cũng nằm tronggiới hạn cho hiệu suất cao nói trên Các pin mặt trời từ các vật liệu này thường