Năng lượng bức xạ mặt trời và năng lượng tái tạo

năng lượng bức xạ mặt trời g ợ g ạ ặCông nghệ điện & nhiệt mặt trời NỘI DUNG 1- Nguồn NL mặt trời 2- Công nghệ Quang Điện & ứng dụng 3 Công nghệ Nhiệt mặt trời & ứng dụng 4- Ứng dụng NLM

NĂNG LƯỢNG BỨC XẠ MẶT TRỜI

công nghệ điện & nhiệt mặt trời

Đặng Đình Thống Việ Vật Lý Kỹ Th ật Đại học Bách khoa Hà Nội

ĐT 0913 363947 Email: thong@mail.hut.edu.vn

năng lượng bức xạ mặt trời g ợ g ạ ặ

Công nghệ điện & nhiệt mặt trời

NỘI DUNG

1- Nguồn NL mặt trời

2- Công nghệ Quang Điện & ứng dụng

3 Công nghệ Nhiệt mặt trời & ứng dụng

4- Ứng dụng NLMT ở Việt nam

I- NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

ƒ 1 g proton 1H tham gia phản ứng tạo ra một NL = 6,3.1011J

► Công suất bức xạ MT: 3,865.1026 J/s, ≈ NL đốt cháy hết 1,32.1016 tấn than

► Quả đất nhận được 17,57.1016J/s, ≈ NL đốt cháy hết 6.106 tấn than

NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Bức xạ MT tới bề mặt quả đất- ảnh hưởng lớp khí quyển

QĐ bị b h bởi ột lớ / ỏ khí ể QĐ ó độ dà kh ả 10k

• QĐ bị bao quanh bởi một lớp/vỏ khí quyển QĐ có độ dày khoảng 10km, gồm các phân tử khí (O2, N2, CO2,NOx, Sox ,…), hơi nước (H2O), các hạt bụi, v.v…

Ti ặt t ời khí lớ khí ể bị

• Tia mặt trời khí qua lớp khí quyển bị:

– Các phân tử khí, hơi nước, buị,… làm tán xạ và hấp thụ một phần NL, nên khi đến mặt đất chỉ còn khoảng 70% NLMT ngoài vũ trụ; mật độ

đ i 1000W/ 2

cực đại ∼1000W/m2.

– Do bị tán xạ nên tới mặt đất BXMT có 2 thành phần là trực xạ và

nhiễu xạ Thành phần nhiễu xạ đến điểm quan sát trên mặt đất từ mọi

hươ ủ bầ t ời Tỷ lệ á thà h hầ h th ộ à thời i ị

phương của bầu trời Tỷ lệ các thành phần phụ thuộc vào thời gian, vị trí quan sát và vào thời tiết.

Tổng trực xạ và nhiễu xạ gọi là tổng xạ.

NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI GUỒ G ƯỢ G Ặ Ờ

Bức xạ MT tới bề mặt quả đất ảnh hưởng của chuyển động QĐ – MT

QĐ quay xq MT với chu kỳ 365,25 ngày; Chuyển động Quay xq trục riờng B-N với chu kỳ 24 giờ Trục quay riờng B-N tạo một gúc 23,45o =► NLMT luụn thay đổi theo thời gian và vĩ độ.y g ộ

21-9 Thu phân

Phá t ế ĩ đ

N B

Pháp tuyến quĩ đạo quả đất

N B

21-3 Xuân phân

Quĩ đạo của quả đất

Vĩ tuyến 23,5 0 Nam

Trục quay riêng của quả đất

NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Ợ Ặ

CÁC THÀNH PHẦN BXMT TỚI

BỘ THU

1 Trực xạ: các tia đi thẳng từ MT

2 Tán xạ: các tia đến mặt bộ thu từ mọi Mặt trời

2 Tán xạ: các tia đến mặt bộ thu từ mọi

hướng trên bầu trời do các tia MT bị

tán xạ trên các phân tử khí, hạt bụi,…

trong lớp khí quyển QĐ

Tia trực xạ

Tia tán xạ

Mặt

Mặt nền

NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

CÔNG THỨC TÍNH NLMT TỚI MẶT BỘ THU ĐẶT NGHIÊNG

Gồ 3 thà h hầ Tá hả à t

• Gồm 3 thành phần: Tán xạ, phản xạ và trực xạ

• Tổng NLMT tới một bộ thu trên mặt đất:

I I

I

ITt IBt + IDt + IRt

R I

I I

I

Dh Th

cos

1 cos

cos )

TIỀM NĂNG NLMT Ở VIỆT NAM Ệ

Bảng 1: Mật độ NLMT và số giờ năng trung bình năm đối với các vùng ở Việt

nam (Ng ồn Viện NL)

(kcal/cm 2 năm)

Số giờ năng TB (giờ/năm)

• Từ Đà Nẵng trở vào: NLMT có tiềm năng rất tốt.

Nói chung NLMT ở Việt nam có tiềm năng tốt và có khả năng khai thác ứng dụng

CHƯƠNG II- CÔNG NGHỆ NLMT

CÔNG NGHỆ NLMT

CÔNG NGHỆ NLMT

CÔNG NGHỆ QUANG ĐIỆN

1 Hiệu ứng Quang-Điện trên lớp tiếp xúc bán dẫn p/n

2 Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của pin mặt trời tinh thể Si

3 Các đặc trưng quang-điện của pin mặt trời

4 Mô đun pin mặt trời

5 Nguồn điện mặt trời độc lập

6 Nguồn điện mặt trời nối lưới

7 Hiện trạng ứng dụng điện mặt trời ở Việt nam và xu hướng

Vài nét về lịch sử phát triển

• Năm 1839 nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel phát hiện Hiệu ứng Quang-điện.

• Năm 1883 pin năng lượng mặt trời đầu tiên được Charles Fritts (Mỹ) tạo thành bằng cách

phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng để tạo nên điện cực.

• Năm 1946, Russell Ohl đã tạo ra pin năng lượng mặt trời có hiệu suất 1%

• Năm 1954 tế bào quang điện đạt hiệu suất 6% được làm từ Silíc (Phòng thí nghiệm Bell ở

Mỹ) và Cu2S/CdS (Không quân Mỹ).

• Năm 1963 Sharp Corp (Nhật) đã sản xuất những tấm pin mặt trời tinh thể Silíc thương mại

• Năm 1963 Sharp Corp (Nhật) đã sản xuất những tấm pin mặt trời tinh thể Silíc thương mại

đầu tiên.

• 1966 Đài quan sát thiên văn của NASA sử dụng hệ thống pin mặt trời công suất 1kW

• Năm 1973 năm quan trọng của điện mặt trời Do cuộc khủng hoảng dầu mỏ, các nước bắt

đầu quan tâm nhều hơn tới năng lượng tái tạo Hội thảo Cherry Hill tại Mỹ đánh dấu sự ra đời quỹ nghiên cứu về điện mặt trời Ngôi nhà đầu tiên được lắp hệ thống pin mặt trời làm

từ Cu2S do trường ĐH Delaware chế tạo.

• Năm 1995 dự án thí điểm “1000 mái nhà” lắp pin mặt trời của Đức, là động lực cho việc

phát triển chính sách về điện mặt trời ở Đức và ở Nhật.

• Năm 1999 tổng công suất lắp đặt pin mặt trời trên thế gới đạt 1GW.

• Năm 2010, tổng công suất pin mặt trời trên thế giới đạt 37,4GW (trong đó Đức có công suất lớn nhất với 7,6GW.)

suất lớn nhất với 7,6GW.)

CÔNG NGHỆ QUANG-ĐIỆN Ệ Ệ

I- HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN TRÊN TIẾP XÚC BÁN DẪN P/N

1 1 Bán dẫn loại n và p

• Bán dẫn là vật liệu có tính dẫn điện trung gian giữa kim loại và điện môi

• Trong chất bán dẫn tinh khiết có 2 loại hạt dẫn: (1)- các hạt dẫn điện là điện tử

dẫn tinh khiết ta có bán dẫn loại n, mật độ điện tử nn rất lớn hơn mật độ lỗ trống

pn nn >> pn Điện tử là hạt dẫn cơ bản (VD: pha tạp Phốtpho P hóa trị 5 vào bán dẫn Si hóa trị 4 ta có bán dẫn n-Si)

• Bán dẫn loại p: pha tạp có hóa trị nhỏ hơn (VD pha Bo- hóa trị 3 và Si) có bán ạ p p ạp ị ( p ị )dẫn loại p Mật độ Hạt dẫn chủ yếu là lỗ trống pp, pp >> np

CÔNG NGHỆ QUANG-ĐIỆN

I- HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN TRÊN TIẾP XÚC BÁN DẪN P/N

1 2 Tiếp xúc Bán dẫn p/n

• Cho các bd p và n tiếp xúc (điện tử) với nhau Do chênh lệch về mật độ, Nn >>

Pn ; Np << Pp nên Điện tử khuêch tán từ bd n → bd p, lỗ trống khuếch tán ngược

lại, từ bd p → bd n Kết quả hình thành một lớp tiếp xúc bán

lại, từ bd p → bd n Kết quả hình thành một lớp tiếp xúc bán

dẫn p/n, trong đó phía bd n tích điện dương, phía bd p tích điện âm.

• Hình thành điện trường tiếp xúc Etx định xứ ở lớp tiếp xúc, hướng từ bd p sang

bd n (xem hình 2)

bd n (xem hình 2)

• Quá trình khuêch tán và hình thành điện trường tiếp xúc hay hiệu điện thế tiếp xúc định xứ phụ thuộc vào bản chất các bán dẫn và nhiệt độ được cho bởi biểu thức sau:

n

p

n q

kT U

q điện tích nguyên tố

CÔNG NGHỆ QUANG-ĐIỆN

I- HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN TRÊN TIẾP XÚC BÁN DẪN P/N

1 3 Hiệu ứng quang điện trên lớp tiếp xúc Bán dẫn p/n

• Khi chưa chiếu sáng lớp tiếp xúc bán dẫn p/n nói trên là một Đi-ốt, cho dòng điện đi theo một chiều là chiều từ bd n sang bd p và được ký hiệu như hình vẽ

Lớp tiếp xúc p/n có tính chỉnh lưu dòng điên

Lớp tiếp xúc p/n có tính chỉnh lưu dòng điên.

Bán dẫn n Bán dẫn p

A

CÔNG NGHỆ QUANG-ĐIỆN

I- HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN TRÊN TIẾP XÚC BÁN DẪN P/N

1.3- Hiệu ứng quang – điện trên lớp tiếp xúc Bán dẫn p/n ệ g q g ệ p p p

• Chiếu sáng lớp tiếp xúc bán dẫn p/n:

– Các cặp điện tử- lỗ trống mới liên kết yếu với nhau được hình thành

– Do có Etx định xứ nên các điện tử và lỗ trống bị “xé ra” khỏi liên kết cặp và

– Do có Etx định xứ nên các điện tử và lỗ trống bị xé ra khỏi liên kết cặp và

bị đNy về các hướng ngược nhau: lỗ trống chuyển động cùng chiều, còn điện

tử chuyển động ngược chiều Etx Hai đầu các bán dẫn p và n xuất hiện một

s.đ.đ quang-điện N ếu nối các bán dẫn với một mạch ngoài ta sẽ có một

dòng điện chạy từ bd p sang bd n gọi là dòng quang điện (xem hình …)

– Hiện tượng xuất hiện dòng điện ở mạch ngoài nối các đầu lớp tiếp xúc bd

p/n khi chiếu sáng lớp tiếp xúc p/n gọi là Hiệu ứng quang điện.

– Ứng dụng hiệu ứng Quang điện trên tiếp xúc bán dẫn p/n để chế tạo

pin mặt trời.

CÔNG NGHỆ QUANG-ĐIỆN

CÔNG NGHỆ QUANG-ĐIỆN

của PMT tinh thể Si 2.1- Cấu tạo:

• Điện cực trên bằng kim loại và có

dạng lưới để ánh sáng đi qua; điện cực

dưới bằng lớp mỏng kim loại;

• Mặt trên là màng chống phản xạ ánh

• Mặt trên là màng chống phản xạ ánh

sáng

CÔNG NGHỆ QUANG-ĐIỆN

2.2- Pin mặt trời và mô đun PMT

• Điều kiện chuẩn để đánh giá thông số

• Điều kiện chuẩn để đánh giá thông số

và để vận chuyển, lắp đặt thuận lợi, để tăng tuổi

thọ của PMT người ta ghép nhiều pin lại và sản

xuất các mô đun PMT (solar PV module)

Hình phải là 1 PMT (solar cell) tinh thể Si hoàn

thiện

CÔNG NGHỆ QUANG-ĐIỆN Ệ Q Ệ

2.2- Pin mặt trời và mô đun PMT

Hình trái: Cấu trúc lớp của mô đun PMT; Hình phải: các loại mô dun PMT.

• Công suất điện do PMT phát ra tỷ lệ với:

• Công suất điện do PMT phát ra tỷ lệ với:

– Cường độ ánh sáng tới

– Diện tích PMT được chiếu sáng

Phụ thuộc vật liệu PMT

– Phụ thuộc vật liệu PMT

III- Các đặc trưng của PMT tinh thể Si

2.3- Hiệu suất chuyển đổi của PMT ệ y

1 Đo ở điều kiện chuẩn:

• Eo = 1000W/m2; T = 25oC

2 Định nghĩa hiệu suất η

2 Định nghĩa hiệu suất η

oc sc m

m

m

E A

V

I FF AE

V

I E

A

P

.

.

=

η

3 Đối với PMT Si: η = 14 – 18%

Đối với Mô đun PMT Si: 12 – 15%

o o

E

Đối với Mô đun PMT Si: 12 15%

Mô đun PMT màng mỏng vô định hình:

η = 7 – 10%

• Hệ 1 và 3 ứng dụng ở các khu vực không có lưới điện (nông thôn g g g ( g

miền núi, vùng sâu, vùng xa, các đảo, công suất dàn PMT nhỏ).

• Hệ 2 ứng dụng ở các khu vực có lưới điện (các nước phát triển, công

suất dàn PMT lớn) )

Wp P

2

/1000)

• Lắp đặt: Ngoài trời; hướng Nam; góc nghiêng β = φ + 10 0

4.2.2- Bộ ắc qui: tích trữ điện năng cho khi không có nắng; ổn định hiệu điện thế

• Dung lượng Bộ ắc qui: N = số ngày dự trữ không có nắng, V= hiệu điện thế Bộ

ăc qui, D= độ sâu phóng điện, ηb = hiệu suất phóng/nạp điện của bộ ắc qui.

Ah N

E

=

Một số hệ nguồn PMT độc lập

Tải tiêu thụ điện

Biến đổi điện DC/AC

Sơ đồ Hệ điện mặt trời nối lưới

Hệ nguồn điện mặt trời nối lưới ở Bộ Công thương

(Hoàn thành tháng 11 năm 2010)

Một số dàn PMT của nhà máy điện mặt trời nối lưới

IV- Một số ứng dụng của PMT

Sơ đồ hệ nguồn NLTT hỗn hợp/lai ghép

Dàn PMT

Turbin gió

Thủy điện nhỏ

Máy phát Điezen

Solar Invert -er

Wind Inverter

Inverter 2 chiều

Bộ ắc qui

Tải 1 Tải 2 Tải 3

• Hệ nguồn 100kWPMT + 24 kW Thủy điện Mang Yang, Gia Lai (NEDO);

Bộ ắc qui

Ứng dụng công nghệ Điện mặt trời

Các ưu & nhược điểm

ƯU ĐIỂM:

(1) Lắp đặt, vận hành đơn giản, dễ dàng; gần như không phải bảo trì, bảo dưỡng;

(2) Không cần nhiên liệu; không gây ô nhiễm môi trường (không phát thải, không

tiếng ồn, không chuyển động,…)

(3) Ứng dụng được mọi nơi, đặc biệt khu vực miền núi,vùng sâu, vùng xa, hải đảo; (4) Hoạt động tin cậy, lâu dài (trừ ắc qui phải thay định kỳ)

NHƯỢC ĐIỂM:

(1) Đầu tư ban đầu cao

(2) Phải chăm sóc và thay ắc qui

Hiện trạng ứng dụng điện MT ở Việt nam

• Tổng công suất lắp đặt Tổng công suất lắp đặt cho đến nay khoảng 1 6 – 1 8 MWp trong đó: cho đến nay khoảng 1,6 1,8 MWp, trong đó:

– 25-30% cho hộ gia đình, installed capacity: tấm pin 50 – 80Wp/hệ; các hệ

cho hộ tập thê có dàn pin CS 1.0 up to 100kWp/hệ

– Ngành thông tin viễn thông, 35%, CS dàn pin: 300- 10.000Wp/hệ

– Giao thông đường sông, đường biển: 35%, CS dàn pin 200- 2000Wp/hệ.

– Các hộ miền núi, vùng sâu, vùng xa,…: hệ nguồn PMT độc lập

Hệ ồ l i hé hệ h là ã (PMT di l PMT thủ điệ PMT

– Hệ nguồn lai ghép: hệ cho làng, xã, (PMT + diesel ; PMT + thủy điện, PMT +

động cơ gió, … + ắc qui) Ngành viễn thông ( PMT + diesel + ắc qui); Ngành giao thông đường thủy ( PV + ắc qui).

– Đầu tư hệ thống: 8000-10 000USD/kWp

– Riêng mô đun PMT: 4000-5000 USD/kWp

Một số hình ảnh hệ điện MT do Trung tâm NLM

ĐH Bách khoa HN xây dựng

Nhà máy điện mặt trời Bãi Hương, Cù lao Chàm, Quảng Nam

Ảnh trái: các bộ biến đổi điện PMT (đỏ) và cho ắc qui (vàng); ( ) ( g)

Ảnh phải: Dàn để ắc qui.

Các hệ chiếu sáng LED dùng PMT

Các hệ PMT sử dụng cho thông tin viễn thông (ảnh trái) và giao thông

đường thủy (ảnh phải) g y ( p )

CÔNG NGHỆ NHIỆT MẶT TRỜI Ệ Ệ Ặ

• Biến đổi NLMT thành nhiệt

CÔNG NGHỆ NHIỆT MẶT TRỜI NHIỆT ĐỘ THẤP

μm qua dễ dàng, ngăn không cho ánh sáng có λ > 0,8 μm

Khoảng hơn 70% N LMT tập trung ở vùng phổ λ < 0,8 μm

Hộp thu NLMT hiệu ứng nhà kính: các tia MT có λ < 0,8 μm xuyên qua tấm kính

đậ (70% N LMT) Cá ti MT tới tấ hấ th bị hấ th à h ể thà h hiệt

đậy (70% N LMT) Các tia MT tới tấm hấp thụ bị hấp thu và chuyển thành nhiệt Tấm hấp thụ nóng lên và phát ra các tia sóng dài, λ > 0,8 μm, nên bị kính ngăn lại.Kết quả: N LMT vào hộp, không

ra được hộp = “bẫy nhiệt”

ra được, hộp = bẫy nhiệt

Công nghệ nhiệt mặt trời nhiệt độ thấp g g ệ ệ ặ ệ ộ p

• Hiệu ứng đối lưu tự nhiên;

• Đối lưu cưỡng bức.

5

Níc l¹nh vµo TÊm kÝnh

Công nghệ nhiệt mặt trời nhiệt độ thấp

Nguyên lý hoạt động TB nước nóng NLMT đối lưu tự nhiên và cưỡng bức

Công nghệ nhiệt mặt trời nhiệt độ thấp

Một số hình ảnh

TB tấm-ống phẳng (ảnh trên)

Và TB ống thủy tinh chân

Không (ảnh dưới)

Một số hệ thống nước nóng NLMT

Nhiệt mặt trời - Các ứng dụng khác

Sấy, chưng lọc nước, sưởi ấm, gia nhiệt cho các quá trình SX công

nghiệp, trồng trọt, v.v…

CÔNG NGHỆ NHIỆT MẶT TRỜI NHIỆT ĐỘ CAO

Nguyên lý:

Sử dụng các thiết bị HỘI TỤ bức xạ mặt trời trong một diện tích lớn

à ột kh ó diệ tí h hỏ tă ật độ NL tă hiệt độ (hà

vào một khu vực có diện tích nhỏ ⇒ tăng mật độ NL ⇒ tăng nhiệt độ (hàng

trăm hay hàng nghìn độ C)

Các thiết bị hội tụ:

• Gương cầu gương parabon

• Gương cầu, gương parabon

• Máng parabon

• Các gương phẳng phản xạ hội tụ

Máng hội tụ parabon g ộ ụ p

CÔNG NGHỆ NHIỆT MẶT TRỜI NHIỆT ĐỘ CAO

Một số ứng dụng

• Bếp mặt trời

• Nhà máy nhiệt điện mặt trời

1- Nhà máy Nhà máy nhiệt điện mặt Trời

sử dụng đĩa parabôn ở California có công

suất 300MW (ảnh trên);

2- Nhà máy nhiệt điện mặt trời PS10,

11MW Tây Ban Nha (ảnh dưới,bên trái);

3- Nguyên lý nhà máy nhiệt điện MT dùng

máng hội tụ Parabon (ảnh dưới, phải).

Xin cảm ơn quí vị đã chú ý lắng nghe ! cả ơ qu ị đã c ú ý ắ g g e