Pin năng lượng mặt trời

Pin năng lượng mặt trời

LỜI NÓI ĐẦU

Như chúng ta đã biết mốc lịch sử rất quan trọng trong lịch sử phát triển của loài người là việc phát minh ra lửa và dùng các loại nhiên liệu tự nhiên như củi rừng để duy trì ngọn lửa, nhờ đó đã phát triển thành một nền văn minh của nhân loại và thoát khỏi cuộc sống của động vật Sau nhiều nghìn năm mải đến thế kỷ thứ nhất trước công nguyên con người mới biết dùng sức nước để làm quay guồng nước, và đến đầu thế kỷ thứ XII mới biết sử dụng sức gió để làm quay cối xay gió Khoảng nửa cuối thế kỹ thứ XVIII con người mới phát hiện được nguồn nhiên liệu hóa thạch như: than đá, dầu và khí đốt tự nhiên Đến giữa thế kỷ XX nhà máy điện nguyên tử đầu tiên của thế giới ra đời, nhờ đó đã thỏa mãn được nhu cầu năng lượng của con người và đưa nền văn minh của nhân loại tiến một bước dài như ngày nay

Tuy nhiên, các nguồn năng lượng hóa thạch là có hạn, con người khai thác đến một lúc nào đó sẽ hết, hơn nửa khi khai thác và sử dụng các nguồn nhiên liệu hóa thạch, thủy điện và điện nguyên tử… đã để lại cho loài người những hậu quả về tác động môi trường là vô cùng lớn lao Một trong những hậu quả đó là khi sử dụng các nguồn nhiên liệu này đã thải ra môi trường các loại khí độc làm ô nhiểm bầu khí quyển bao quanh Trái Đất, mà hậu quả tai hại của hiện tượng này đã làm thay đổi khí hậu, tác động xấu đối với cuộc sống hiện nay và tương lai của loài người

Ngày nay, khi mà tiềm năng thủy điện đã được con người khai thác gần hết, còn các nguồn nhiên liệu như: than, dầu khí thì không có khả năng tái tạo và trong tương lai không xa sẽ cạn kiệt, khi mà năng lượng nguyên tử còn đặt ra quá nhiều tranh cãi bởi

sự độc hại của nó thì việc nghiên cứu tìm ra các nguồn năng lượng mới và sạch đã trở thành nghiên cứu mũi nhọn của nhiều quốc gia, đặt biệt là các nước phát triển Trong công cuộc đi tìm nguồn năng lượng mới này, con người đã đạt được những thành công nhất định: Đó là sự ra đời của các trung tâm phát điện dùng năng lượng gió, năng lượng mặt trời với công suất lên tới hàng ngàn mega oát Tuy nhiên những nguồn năng lượng trên tương đối phụ thuộc vào tự nhiên

Hòa cùng xu hướng phát triển về khoa học kỷ thuật trên thế giới, thì trong những năm gần đây hoạt động nghiên cứu và tái tạo nói chung và năng lượng mặt trời nói riêng ở nước ta đã được triển khai khá mạnh mẻ và rộng khắp Vì vậy, chúng ta cần phải nghiên cứu và ứng dụng nguồn năng lượng vô tận này một cách tốt nhất và có hiệu quả nhất

Một trong những đề tài ứng dụng thành công nhất của nguồn năng lượng sạch

và vô tận này có thể nói là đề tài “ Pin năng lượng mặt trời” Cũng chính gì vậy mà đề tài “ Pin năng lượng mặt trời” sẽ được chúng ta nghiên cứu và tìm hiểu sâu hơn trong tiểu luận này

PHẦN I NỘI DUNG CHÍNH

I GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT VỀ PIN

1 Khái niện Pin

Định nghĩa một cách đơn giản Pin là một thiết bị lưu trữ năng lượng dưới dạng hoá học Pin là nguồn cung cấp năng lượng hoạt động cho hầu như tất cả các thiết bị cầm tay hiện nay Và một số dụng cụ thường dùng trong gia đình như: Radio, điều khiển từ xa, đồng hồ treo tường,…

Điện áp của Pin

Điện áp của Pin được đo bằng Vôn (V) Với các loại Pin nickel, metal hydrid (Ni-MH) và Ni-Cd, điện áp khoảng 1.2V mỗi viên Với Alkaline và các loại Pin không sạc được thì điện áp cao hơn, thường là 1.5V mỗi viên Điện áp của Pin phải phù hợp với chỉ định của thiết bị Dùng Pin không đúng điện áp có thể làm hỏng các thiết bị của

ta

Dung Lượng Của Pin

Dung lượng của Pin (hay ta thường gọi là dòng của Pin) được đo bằng đơn vị: Miliampe giờ (mAh) Thí dụ: Pin có dung lượng 1000 mAh tức là nó có thể cung cấp một dòng điện 1000mA tức là 1Ampe (1A) cho thiết bị sử dụng trong 1 giờ Chỉ số này giúp ta so sánh độ mạnh của các loại Pin Pin có mAh càng lớn thì Pin càng mạnh

Khả Năng Chịu Tải

Khả năng chịu tải của Pin phụ thuộc nhiều vào nội trở của Pin Pin có nội trở càng nhỏ thì khả năng chịu tải càng cao (cung cấp một dòng điện lớn) Điều này sẽ rất

có ích thiết bị của ta có tải nặng (thí dụ máy ảnh có nhiều motor và đèn flash)

Bảo Quản Pin

Không có loại nào Pin giữ được nguyên vẹn năng lượng của nó trong quá trình bảo quản Nguyên nhân do các phản ứng điện hoá trong Pin gây ra các suy hao không tránh được Sự tự xả này giới hạn thời gian bảo quản của Pin Với các loại Pin sạc, mức

tự xả cao hơn các loại không sạc được, thường là 15-25% mỗi tháng khi bảo quản ở nhiệt độ trong phòng (khoảng 250C) so với mức 1.5% mỗi năm của Pin không sạc Ta không nên bảo quản Pin trong tủ lạnh vì sự ngưng tụ hơi nước sẽ làm tăng nội trở và làm giảm khả năng chịu tải của Pin

2 Các Loại Pin Sạc Và Pin Thường

6.1 Pin thường

* Pin Alkaline

Pin Alkaline có thể mua được khá dễ dàng Nếu ta dùng với máy ảnh số thì thời gian sủ dụng sẽ rất ngắn Tuy vậy với giá khá rẻ Pin Alkaline vẫn là lựa chọn của nhiều người Pin Alkaline có chất lượng tốt trên thị trường do các hãng danh tiếng như Fuji

hay Duracell sản xuất Khi sử dụng điện áp và khả năng chịu tải của Pin Alkaline giảm dần dần Nhờ vậy, người dùng có thể nhận biết được thời điểm hết Pin

Pin Alkaline có nội trở nhỏ, khả năng chịu tải cao, có thể bảo quản trong nhiều năm, suy yếu trung bình 2%/năm

* Pin Silver oxide (oxit bạc)

Hoạt động được trong môi trường nhiệt độ thấp, nội trở nhỏ và có khả năng chịu tải lớn

Pin Silver có độc tính cao không thông dụng do giá rất đắt Ta có thể thấy loại Pin này trong một số loại đồng hồ, máy trợ thính, ….và các máy ảnh tiêu thụ ít điện năng

* Pin Zinc cloride và Zinc carbon

Pin carbon kẽm có giá rất rẻ Đây là lựa chọn tốt cho các thiết bị tiêu thụ ít điện năng (đèn Pin và đồ chơi) Các loại Pin trong nước sản xuất như (Pin Con Ó ) thường thuộc loại này Do có nội trở cao, ta không sử dụng loại Pin này cho các thiết bị như máy ảnh, radio, đồng hồ treo tường là tốt nhất Mức tự xả của Pin tròn Zinc carbon kẽm tối đa là 4%/năm

* Pin Lithium (Li/MnO2)

Pin Lithium là lựa chọn tốt nhất cho ta khi sử dụng dòng Pin không sạc và cần

độ tin cậy cao, mức xả ổn định Loại Pin này có mật độ năng lượng cao, trọng lượng nhẹ, hoạt động tốt trong dải nhiệt độ rộng (từ 40 - 60 độ C), có khả năng bảo quản tốt (giảm 2% năng lượng/năm)

Khi sử dụng Pin này ta không nên dùng lẫn với loại Pin khác vì nó có đặc tính

xả rất khác với các loại Pin khác.Mặt khác, vì điện thế cao hơn (1.5V/viên), Pin này sẽ trở thành nguồn nạp điện cho các Pin còn lại có điện thế thấp hơn

6.2 Pin sạc

* Ni-Cd (hay NiCad)

Pin Ni-Cd có nội trở nhỏ bằng ½ so với các Pin Ni-MH, do đó rất phù hợp khi dùng với đèn flash (chu kỳ nạp nhanh hơn) tuy nhiên ta phải cẩn thận khi sử dụng vì Pin Ni-Cd rất độc

Một trong số các yếu điểm của Pin Ni-Cd là điện thế giảm đột ngột ở cuối chu

kỳ xả Sự giảm đột ngột này không nhanh bằng Pin Ni-MH nhưng thấy rõ so với Pin Alkaline Vì vậy, để tránh “sự mất điện năng đột ngột này” ta nên có Pin dự phòng khi

đi xa hay làm những việc quan trọng

Một đặc điểm Ni-Cd là hiệu ứng nhớ (memory efface) Đây là hiện tượng suy giảm tuổi thọ nhanh chóng nếu không sử dụng Pin đúng cách Hiện tượng này được giải thích như sau: Khi ta sạc Pin Ni-cd với dòng sạc nhỏ hay trước khi dùng kiệt thì một số hợp chất hoá học sẽ tích tụ ở cực âm của Pin Nếu ta tiếp tục sạc kiểu này, các hợp chất tích tụ ngày càng nhiều thêm và làm giảm khả năng tích lũy năng lượng Cách tốt nhất để tránh hiện tượng này là dùng Pin cho đến hết hay xả trước khi sạc Các bộ

sạc Pin Ni-Cd tốt nhất thường có nút bấm để xả Pin rồi tự động sạc khi điện áp thụt đến mức thấp nhất

* Pin Ni-MH (Nickel Metal Hudride)

Pin Ni-MH dạng “AA” có thể dùng vơi hầu như tất cả các thiết bị đang dùng Pin Alkaline và Ni-Cd Pin Ni-MH có khả năng lưu trữ năng lượng tốt và nội trở nhỏ Đây là lựa chọn phổ biến vì Pin Ni-MH không có hiệu ứng nhớ và dung lượng Pin cao hơn hai lần Pin Ni-Cd Với Pin này ta có thể sạc bất cứ lúc nào mà không cần phải xả Pin Tuy nhiên nó có thể bị hỏng vì nhiệt nếu sạc quá lâu Ta nên sử sụng bộ sạc pin chất lượng cao Có điều khiển tự động để tránh điều này Khi mua Pin Ni-MH, ta sử dụng nên sử dụng các loại có dung lượng cao (cỡ 1800mA/h trở lên) Trên thị trường ta

có thể chọn Pin Ni-MH của các hãng như: Sanyo, Panasonic, Sony có dung lượng 2000-2200mAh Một lưu ý nữa là không nên dùng sạc của Pin Ni-Cd cho Pin Ni-MH

để tránh cháy, nổ Pin nhất là khi dùng bộ sạc nhanh Sau khi sạc hãy bỏ Pin khỏi bộ sạc

để tránh “rò” Pin

* Pin Lithium-lon (Li-lon)

Pin Li-lon hiện nay được sử dụng nhiều trong các thiết bị cao cấp như điện thoại

di động, PDA, máy ảnh đắt tiền và máy tính xách tay nó có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn Pin Ni-Cd và Ni-MH nhưng cũng đắt hơn nhiều do công nghệ chế tạo và chất liệu được sử dụng Trong mỗi viên Pin Li-lon thường có mạch điều khiển quá trình sạc và bảo vệ Pin

Pin Li-lon suy giảm chất lượng theo thời gian bất kể ta dùng hay không dùng

nó Vì vậy khi sử dụng Pin, ta cần được đảm bảo rằng Pin mới được sản xuất Ta có thể sạc Pin bất cứ lúc nào, đầy hay hết đều không quan trọng nhưng nó sẽ giãm chất lượng sau mỗi lần sạc Đó là lý do tại sao các chương trình kiểm tra Pin (battery monitoring) trên máy tính xách tay đếm cả số lần sạc Pin

* Pin Lithium-Polymer (Li-Po)

Là thế hệ Pin mới và cũng đắt tiền nhất nên chỉ xuất hiện trong các thiết bị PDA

và điện thoại di động cao cấp Pin Li-Po có chất điện phân dạng rắn khác với điện phân lỏng như hầu hết các loại Pin khác Điều đó có nghĩa nó có trọng lượng nhẹ hơn nhiều

so với các loại Pin khác và nhà sản xuất có thể chế tạo Pin Li-Po với bất kỳ hình dạng nào

Pin Li-Po nhẹ và có khả năng lưu trữ điện năng nhiều hơn bất kỳ loại Pin nào kể trên vì vậy được giới mô hình (RC) rất ưa chuộng và sử dụng phổ biến trong môn mô hình hiện nay

II TÌM HIỂU KHÁI QUÁT VỀ PIN NHIÊN LIỆU

1 Khái niện chung về Pin nhiên liệu

- Pin nhiên liệu được ký hiệu: (PAC: Piles as Combustible)

- Khái niệm về pin nhiên liệu thực ra đã có từ lâu, nó là một thiết bị điện hoá

mà trong đó biến đổi hoá năng thành điện năng nhờ quá trình oxy hoá nhiên liệu, mà

nhiên liệu thường dùng ở đây là khí H2 và khí O2 hoặc không khí Quá trình biến đổi năng lượng trong pin nhiên liệu ở đây là trực tiếp từ hoá năng sang điện năng theo phản ứng: H2 + O2 = H2O + Dòng điện, nhờ có tác dụng của chất xúc tác, thường là các màng platin nguyên chất hoặc hỗn hợp platin, hoặc các chất điện phân như kiềm, muối Cacbonat, Oxit rắn thực chất nó là một loại pin điện hoá Người ta phân loại các pin nhiên liệu theo chất điện phân, điện cực và các chất xúc tác trong pin nhưng nguồn nguyên liệu vẫn chỉ là H2 và O2 (không khí) Trước đây người ta dùng khí H2 để biến đổi thành nhiệt năng dưới dạng đốt cháy, sau đó từ nhiệt năng sẽ biến đổi thành cơ năng qua các tua-bin khí và các tua-bin đó dẫn động các máy phát điện để biến đổi thành dòng điện, với biến đổi gián tiếp như vậy thì hiệu suất của quá trình sẽ thấp Từ

đó ta dễ dàng so sánh quá trình biến đổi trực tiếp trong pin nhiên liệu là có hiệu suất rất cao

Hình 1 Pin nhiên liệu do Phân viện Vật lý tại TP.HCM chế tạo

2 Sơ lược về sự hình thành và phát triển của PAC

- Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu (PAC) đã được tìm ra từ năm 1802 nhưng mãi tới năm 1839 nó mới có được bước tiến quan trọng: đó là sự hoạt động lần đầu tiên của một pin nhiên liệu với các điện cực bằng platin và dung dịch điện phân là axít sunfuric Đến năm 1855, có nhiều nghiên cứu hướng vào việc chế tạo, thiết kế PAC và cũng đạt được một số kết quả: than được dùng làm nhiên liệu Tuy nhiên, những kết quả đạt được còn quá khiêm tốn Và đề tài này dường như bị quên lãng Người ta phải đợi cho tới khi có sự tham gia của người Mỹ trong công cuộc chinh phục

vũ trụ (khoảng những năm 1960) thì nó mới được chú ý lại Song song với nó là những nghiên cứu loại công nghệ mới này nhằm ứng dụng vào lĩnh vực giao thông Thế nhưng những vấn đề về công nghệ, giá thành đã khiến cho PAC không thể phát triển và cạnh tranh nổi với kỷ nguyên thống trị của dầu lửa

- Tuy nhiên trong vòng vài trục năm trở lại đây, những dự án quan trọng nhất cho hình thành sự phát triển nguồn năng lượng này trong tương lai là pin nhiên liệu được sử dụng làm nguồn điện trong các thiết bị không gian nằm trong dự án Gemini, Apollo và Tàu con thoi của NASA Và bắt đầu từ những năm 80, nó được sử dụng trong các nhà máy điện có công suất từ (20 kW đến 50 kW) và từ đó cho đến nay, đã

có rất nhiều nhà máy điện sử dụng năng lượng này ở các nước phát triển như Mỹ,

Canada, Nhật Bản và một số nước Châu Âu với công suất hàng trăm MW và tuổi thọ là hàng chục nghìn giờ làm việc Ngoài ra một trong những sự thu hút nhất của một loại pin nhiên liệu có tên "pin nhiên liệu dạng màng trao đổi proton" [màng proton ion exchange membrane, đó là một lớp màng mỏng chỉ cho phép proton (hạt nhân của phân tử H2) di chuyển qua Thông thường lớp màng này bao gồm vật liệu có tính phân cực mạnh (electrolyte) được gia cố bằng các lớp màng polime xen kẽ Như vậy về mặt nguyên lý hoạt động, có khác với màng thẩm thấu ngược (reverse osmosis)] đã được phát triển trong công nghiệp ô tô vận tải, là nguồn nguyên liệu trong xe hơi, nó đang được phát triển trong các công ty ô tô hàng đầu thế giới như General Motor, Ford (Mỹ), Daimler Benz (Đức), Renaul (Pháp), Toyota, Nissan, Honda (Nhật bản), Hyundai (Hàn Quốc) và tiềm năng của nó trong các ngành công nghiệp phục vụ đời sống là rất to lớn

- Pin nhiên liệu sẽ có thể nắm giữ vai trò chủ đạo trong viễn cảnh nguồn năng lượng của thế giới trong tương lai Những đặc điểm ưu việt của nó như hiệu suất cao,

ổn định lớn, độ phát xạ thấp, không gây ồn, không gây ô nhiễm môi trường , sẽ bắt buộc pin nhiên liệu sử dụng trong các nhà máy điện trong tương lai Có thể nói Hydro

sẽ trở thành nguồn năng lượng của thế kỷ XXI, mà như các nghiên cứu chỉ ra rằng, pin nhiên liệu có một ưu thế không thể nghi ngờ hơn tất cả các thiết bị biến đổi năng lượng khác

3 Sơ lược về nguyên lý hoạt động của PAC

* Nguyên lý hoạt động :

Nguyên lý hoạt động cơ bản của PAC rất đơn giản, đó là quá trình ngược lại của

sự thuỷ phân của nước Pin nhiên liệu tổ hợp oxi và hidro để tạo thành nước, cung cấp điện, và nhiệt mà không thải ra các chất gây ô nhiễm Quá trình này có thể biểu diễn bằng phương trình hoá học như sau :

2H2 + O2 → 2H2O

Một điện cực là oxi (O2), một điện cực là hydro (H2), hiệu điện thế tạo ra trên thực tế đạt 0,7V trên mỗi cặp điện cực Do đó cần đặt nhiều phần tử như vậy nối tiếp nhau để đạt được một điện áp mong muốn

Pin nhiên liệu hoạt động dựa trên phản ứng của oxi và hydro Để hoạt động được thì ngoài phần hoá học, một máy phát điện loại này cần có các phần khác: đầu vào, đầu ra, phần phụ, hệ thống điều khiển

Chất cháy: Dùng oxi trong không khí ở điều kiện bình thường Tuy nhiên trong một số trường hợp để tăng hiệu suất, người ta phải nén khí Hơn nữa, không khí thường không sạch do đó cũng cần lọc trước khi dùng

* Đầu ra:

Bộ phận thải khí: Để thải các khí trơ bám ở a-not làm giảm quá trình phản ứng, khí bão hoà sẽ thành nước bám vào ca-tot

Tản nhiệt: Các phản ứng trong pin có phát nhiệt, cần phải tản nhiệt để đảm bảo nhiệt độ của pin Ta có thể tận dụng nhiệt này để làm nhiều việc khác Lượng nhiệt tản

ra cũng gần tương đương với điện năng thu được

Điện năng: Điện phát ra trên hai cực của pin phải đảm bảo được điện áp một chiều tối thiểu làm việc của pin Điểm làm việc (điện áp ra) này sẽ được cố định nhờ các bộ biến đổi điện Nếu chúng ta muốn có điện xoay chiều thì cần thêm vào một bộ biến đổi nữa (từ 1 chiều thành xoay chiều)

* Các hệ thống phụ khác:

Để khởi động PAC cần dùng đến hệ thống pin điện hoá Nó dùng để nâng nhiệt

độ của pin đến ngưỡng cần thiết, đảm bảo hoạt động của các bộ phận cùa pin lúc khởi động, đồng thời cũng đảm bảo an toàn cho pin trong các trường hợp sự cố

* Khối điều khiển:

Nó gồm tất cả các bộ đo, đồng hồ … cho phép biết trạng thái vận hành của hệ thống, tình trạng, thông số của tất cả các phần tử…Nó được lập trình chính xác cho các quá trình khởi động, quá độ, dừng và chế độ làm việc xác lập để điều khiển tối ưu sự làm việc của hệ thống

Hình 2 Hoạt động của pin nhiên liệu

Hình 3 Sơ đồ tam giác năng lượng của Hydro nhờ năng lượng mặt trời

4 Một số ưu nhược điểm của Pin nhiên liệu

Ưu điểm

- Hiệu suất cao: Nếu chỉ sản xuất điện thì đạt 40% (bằng nhiệt điện), nếu là cụm nhiệt điện thì có thể đạt tới 90%

- Hiệu suất này ít thay đổi theo công suất phát

- Công suất của PAC có thể từ vài kW tới hàng MW mà không làm thay đổi hiệu suất

- Ít gây ồn (ngoại trừ máy nén khí và bơm)

- Ít phải bảo quản và giá thành bảo dưỡng rẻ

- Gần như không gây ô nhiễm môi trường: không cháy, không thải khí độc SOx, còn COx thì thấp hơn 2 lần và NOx thì thấp hơn 50 lần so với máy phát nhiệt điện

4.2 Nhược điểm cần khắc phục

- Độ tin cậy của hệ thống: cần đạt được 40 nghìn giờ vận hành với các ứng dụng tĩnh (phát điện lên lưới điện)

- Giá thành sản xuất giảm: phải đạt cỡ 5000 kW công suất đặt Riêng với ôtô thì chỉ số này cần giảm 10 lần (tức là một pin 500 kW)

- Giảm lượng platin cần dùng

* Hơn thế nữa là phải đảm bảo ổn định được nguồn nhiên liệu và hoà được vào lưới điện

5 PAC Methanol

- PAC Methanol tạo ra điện trong một quá trình phản ứng hóa học có kiển soát Nhiên liệu này là một dung dịch của chất methanol phản ứng trên nước khi các phân tử của một chất xúc tác metallic được bổ sung vào nhiên liệu chất methanol sẽ được phân hóa Một màng nhầy sẽ cho phép những chất phế thải di chuyển qua nhưng vẫn giữ lại chất methanol cô đặc, dùng cho việc phản ứng

- Chất methanol càng cô đặc thì càng tốt Trong công nghệ hiện tại Ở một tỉ lệ

cô đặc quá cao, một phần methanol vẫn thấm qua màng nhầy, đó là màng hạn chế khả năng phát điện Những loại pin nhiên liệu dùng cho máy tính mini trước đây hoạt động với tỉ lệ cô đặc methanol thấp hơn và vì thế dung tích của pin cũng phải lớn hơn mới có thể cung cấp được lượng nhiên liệu thích hợp để tạo đủ điện cho hoạt động của máy tính

- Vật liệu mới của PAC Methanol cho phép chất methanol được lưu trong một dung dịch có tỉ lệ 30% mà không bị rò thấm Vì thế các nhà chế tạo PAC Methanol có thể khẳng định với 300ml dung dịch vẫn có thể tạo ra điện cho một máy Notebook hoạt động trong vòng 8 – 10 giờ

Hình 4 Sơ đồ cấu tạo và hoạt động của Pin nhiên liệu cồn Methanol

III NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

1 Mặt trời và cấu tạo của mặt trời

Hình 5 Cấu tạo bề ngoài của măt trời

Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1,390.106 km (lớn hơn 110 đường kính trái đất), cách xa trái đất 150.106 km (bằng một đơn vị thiên văn AU ánh sáng mặt trời cần khoảng 8 phút để vượt qua khoảng cách này đến trái đất) Khối lượng mặt trời khoảng Mo= 2.1030 kg Nhiệt độ To của trung tâm mặt trời thay đổi trong khoảng từ 10.106 K đến 20.106 K, trung bình khoảng 15600000 K Ở nhiệt độ như vậy vật chất không thể giử được cấu trúc trận tự thông thường gồm các nguyên tử và phân

tử Nó trở thành plasma trong đó các hạt nhân của nguyên tử chuyển động tách biệt với

các electron Khi các hạt nhân tự do có va trạm với nhau sẽ xuất hiện những vụ nổ nhiệt hạch Khi quan sát tính chất của vật chất nguội hơn trên bề mặt nhìn thấy được của mặt trời, các nhà khoa học đã kết luận rằng có phản ứng nhiệt hạch xảy ra ở trong lòng mặt trời

Về cấu trúc, mặt trời có thể chia làm 4 vùng, tất cả hợp thành một khối cầu khí

khổng lồ Vùng giửa gọi là hạt nhân hay “ lỏi” có những chuyển động đối lưu, nơi xảy

ra những phản ứng nhiệt hạt nhân tạo nên nguồn năng lượng mặt trời, vùng này có bán kính khoảng 175000km, khối lượng riêng 160kg/dm3, nhiệt độ ước tính từ 14 đến 20 triệu độ, áp suất vào khoảng hàng trăm tỷ at Vùng kế tiếp là vùng trung gian còn gọi là

vùng “đổi ngược” qua đó năng lượng truyền từ trong ra ngoài, vật chất ở vùng này gồm

có: sắt (Fe), Canxi (Ca), Natri (Na), Stronti (Sr), Crom (Cr), Niken (Ni), Cacbon (C), Silic (Si), và các khí như Hydro (H2), Heli (He)…, chiều dày vùng này khoảng

400000km Tiếp theo là vùng “đối lưu” dày 125000km và vùng “quang cầu” có nhiệt

độ khoảng 6000K, dày 1000km ở vùng này gồm các bọt khí sôi sục, có chổ tạo ra các

vết đen, là các hố xoáy có nhiệt độ thấp khoảng 4500K và các tai lửa có nhiệt độ từ 7000K – 10000K Vùng ngoài cùng là vùng bất định và gọi là “ khí quyển” của mặt trời

Nhiệt độ bề mặt của mặt trời khoảng 5762K nghĩa là có giá trị đủ lớn để các nguyên tử tồn tại trong tình trạng kích thích, đồng thời đủ nhỏ để ở đây thỉnh thoảng lại xuất hiện những nguyên tử bình thường và các cấu trúc phân tử Dựa trên cơ sở phân tích các phổ bức xạ và hấp thụ của mặt trời người ta xác định được rằng trên mặt trời

có ít nhất 2/3 số nguyên tố tìm thấy trên trái đất Nguyên tố phổ biến nhất trên mặt trời

là nguyên tố nhẹ nhất Hydro Vật chất của mặt trời bao gồm chừng 92,1% là Hydro và gần 7,8% là Heli, 0,1% là các nguyên tố khác Nguồn năng lượng bức xạ chủ yếu của mặt trời là do phản ứng nhiệt hạch tổng hợp hạt nhân Hydro, phản ứng này dựa trên sự tạo thành Heli Hạt nhân của Hydro có một hạt mang điện dương là proton Thông thường những hạt nhân mang điện cùng dấu đẩy nhau, nhưng ở nhiệt độ đủ cao chuyển động của chúng sẽ nhanh tới mức chúng có thể tiến gần tới nhau ở một khoảng cách

mà ở đó có thể kết hợp với nhau dưới tác dụng của các lực hút Khi đó cứ 4 hạt nhân Hydro lại tạo ra một hạt nhân Heli, 2 Neutrino và một lượng bức xạ Gama (γ)

4H11 → He24 + 2 Neutrino + γ Neutrino là hạt không mang điện, rất bền và có khả năng đâm xuyên rất lớn Sau phản ứng các neutrino lập tức rời khỏi phạm vi mặt trời và không tham gia vào các

“biến cố” sau đó

Trong quá trình diễn biến của phản ứng có một lượng vật chất của mặt trời bị mất đi Khối lượng của mặt trời do đó mỗi giây giảm chừng 4.106 tấn, tuy nhiên theo các nhà nghiên cứu, trạng thái của mặt trời vẫn không thay đổi trong thời gian hàng tỷ năm nửa Mỗi ngày mặt trời sản xuất một nguồn năng lượng qua phản ứng nhiệt hạch lên đến 9.1024 kWh, (tức là chưa đầy một phần triệu giây mặt trời đã giải phóng ra một lượng năng lượng tương đương với tổng số điện năng sản xuất trong một năm trên trái đất)

Hình 6 Cấu trúc mặt Trời

2 Năng lượng bức xạ mặt trời

Trong toàn bộ bức xạ của mặt trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các phản ứng hạt nhân xảy ra trong nhân mặt trời không quá 3% Bức xạ γ ban đầu khi đi qua 5.105km chiều dày của lớp vật chất mặt trời, bị biến đổi rất mạnh Tất cả các dạng của bức xạ điện từ đều có bản chất sóng và chúng khác nhau ở bước sóng Bức xạ γ là sóng ngắn nhất trong các sóng đó (hình 7) Từ tâm mặt trời đi ra do sự va chạm hoặc tán xạ

mà năng lượng của chúng giảm đi và bây giờ chúng ứng với bức xạ có bước sóng dài Như vậy bức xạ chuyển thành bức xạ Rơn-ghen có bước sóng dài hơn Gần đến bề mặt mặt trời nơi có nhiệt độ đủ thấp để có thể tồn tại vật chất trong trạng thái nguyên tử và các cơ chế khác bắt đầu xảy ra

Đặc trưng của bức xạ mặt trời truyền trong không gian bên ngoài mặt trời là một phổ rộng trong đó cực đại của cường độ bức xạ nằm trong dải 10-1 – 10 µm và hầu như một nửa tổng năng lượng mặt trời tập trung trong khoảng bước sóng 0,38 – 0,78 µm đó

là vùng nhìn thấy của phổ

* ĐỘ DÀI BƯỚC SÓNG (µm)

Hình 7 Dải bước sóng điện từ

3 Số liệu về bức xạ mặt trời

Phần lớn các số liệu về bức xạ mặt Trời được đo ở trên mặt nằm ngang ở các Trạm Khí Tượng Thủy Văn Ví dụ hình 8 trình bày các đường cong ghi được trong một ngày trong sáng đối với các thành phần tổng xạ và nhiễu xạ

Hình 8 Các đường cong ghi các thành phần tổng xạ và nhiễu xạ trong 1 ngày trong sáng

Qua hình vẽ này ta thấy rằng, sự biến đổi của bức xạ mặt Trời là khá trơn tru và

có một cực đại lân cận giữa trưa Đối với các ngày mây mù các đường cong trên sẽ biến đổi phức tạp với rất nhiều cực đại và cực tiểu phụ

Mật độ năng lượng bức xạ mặt Trời thường được đo bằng cal/cm3 Đối với việc thiết kế các hệ thống thiết bị năng lượng mặt trời người ta quan tâm trước hết là cái giá

trị trung bình của bức xạ mặt Trời ở địa phương lắp đặt thiết bị Thông thường người ta tính giá trị trung bình ngày của bức xạ mặt Trời đối với các tháng khác nhau trong một năm

Để tham khảo các số liệu bức xạ mặt Trời ở các địa phương khác nhau trong một nước hay trong một vùng địa lý nào đó người ta ta thường xây dựng các sổ tay tra cứu hay các bản đồ bức xạ mặt Trời Có hai đại lượng chính để đánh giá bức xạ mặt Trời ở một địa phương nào đó, đó là mật độ năng lượng mặt Trời trung bình ngày và số giờ nắng trung bình tháng trong năm và cả năm

Bảng 1: Lượng tổng bức xạ mặt Trời trung bình ngày của các tháng trong năm ở một số địa phương Việt Nam, (đơn vị MJ/m 2 ngày)

Tổng bức xạ mặt Trời của các tháng trong năm

ta nhìn thấy mặt trời dưới một góc đặt β = 32 phút (hình 9) dưới góc này hai tia sáng xuất phát từ đường bao của mặt Trời gửi đến trái Đất là gần như song song

Hình 9 Quan hệ giữa mặt Trời và trái Đất

Hằng số mặt Trời ISC được định nghĩa là cường độ bức xạ đo được trong không gian nằm ngoài lớp khí quyển bao quanh trái Đất, trong một đơn vị thời gian, trên một đơn vị diện tích bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ Ngày nay nhờ vệ tinh và các dụng

cụ đo chính xác người ta đã xác định được hằng số mặt Trời có giá trị bằng I SC = 1.353W/m 2 , tương đương 1940 Cal/cm2/phút, hay 4.871 kJ/m2/h (số liệu này do cơ quan vũ trụ NASA của Mỹ công bố năm 1971) Tuy nhiên, khi chùm bức xạ xuyên qua lớp khí quyển bao quanh trái Đất chúng bị hấp thụ và tán xạ bởi các phân tử khí như:

CO2, O3, CH4, H2O, cũng như các hạt bụi lơ lửng trong không khí … Nên khi đến mặt đất thì cường độ bức xạ đã bị giảm đi đáng kể

5 Năng lượng bức xạ mặt trời ở Việt Nam

Cường độ bức xạ

Theo kết quả nghiên cứu của đề tài cấp nhà nước mang mã số 52C-01-01a đã tiến hành xử lý số liệu quan trắc của 112 trạm Khí Tượng Thủy Văn phân bố trên toàn quốc về bức xạ mặt Trời và thời gian nắng, được thu thập liên tục trong khoảng thời gian 18 ÷19 năm, mỗi ngày tiến hành 5 lần quang trắc vào các giờ 6h30; 9h30; 12h30; 15h30; và 18h30

- Giá trị cường độ tổng xạ trung bình ngày được tính theo công thức:

Trong đó:

(kWh/m2/ngày)

Qd - lượng tổng xạ cả ngày trung bình

Qi - cường độ tổng xạ trung bình ở kỳ quan trắc cuối có giá trị Q > 0

Qk - cường độ tổng xạ trung bình ở kỳ quan trắc cuối có giá trị Q > 0

τmoc - khoản thời gian giữa lúc mặt trời mọc và kỳ quan trắc đầu có Q > 0

τlan - khoản thời gian giữa lúc mặt trời lặn và kỳ quan trắc cuối có Q > 0

* Giá trị cường độ tổng xạ trung bình cả năm (kWh/m2/năm) hay (kWh/m2/N)

S

Q S

Trong đó:

Qi - cường độ bức xạ trung bình trong nhiều năm tại trạm quan trắc thứ i

Si - diện tích của địa phương có đặt trạm quan trắc thứ i

(* Cường độ bức xạ trung bình ngày và trung bình năm thể hiện qua bảng 2)

Số giờ nắng trong cả năm

Số giờ nắng được đo bằng nhật quang ký Cambell-Stocker, trong đó có một số rất ít trạm dùng nhật quang ký Jordan, nhưng sự khác nhau giữa hai loại này là không

đáng kể Các giờ nắng được tính khi cường độ bức xạ (CĐBX) có giá trị Q ≥140W/m2,

đã để lại vết cháy trên giấy giản đồ Dựa vào số liệu đo được của 112 trạm để tính số giờ nắng trung bình trong vùng và lảnh thổ

(* Số giờ nắng trung bình cả năm của các vùng lảnh thổ được thể hiện qua bảng 3)

Bảng 2: Cường độ bức xạ trung bình

CĐBX trung bình

Vùng

1 Vùng núi phía Bắc, Đông Bắc, Đồng bằng sông Hồng đến

(kWh/m2/N)

Sông Cửu Long

4

Đắk Lăk, Lâm Đồng, Khánh Hoà, Ninh Thuận, Bình Thuận,

Bảng 3: Số giờ nắng trung bình trong năm

Vùng

lảnh thổ Tên địa phương Số giờ nắng trung bình trong năm

4 Quảng Bình, Quảng Trị, Vùng núi Thừa Thiên - Huế 1.818

5 Vùng ven biển từ Quảng Trị, Thừa Thiên - Huế đến Ninh Thuận 2.294

* Cơ sở để tính toán bảng 3:

) / (h N S

T S T

i i i i i

∑

∑

=

Trong đó:

T - số giờ nắng trung bình trong năm (h/N)

Si - diện tích địa phương có đặt trạm quan trắc thứ i

Ti - tổng số giờ nắng trung bình trong nhiều năm tại trạm đo thứ i

IV PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

1 Sơ lược về Pin năng lượng mặt Trời

Khái niệm

Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện), là thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các diod p-n, duới sự hiện diện của ánh sáng mặt trời có khả năng tạo ra dòng điện sử dụng được Sự chuyển đổi này gọi là “hiệu ứng quang điện”

Hình 10 Một tế bào quang điện

Các pin năng lượng mặt trời có nhiều ứng dụng Chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng mà chưa có mạng lưới điện vươn tới, các vệ tinh, máy tính cầm tay, các máy điện thoại cầm tay từ xa, thiết bị bơm nước

Lịch sử của Pin năng lượng mặt Trời

Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp

“Alexandre Edmond Becquerel” Tuy nhiên cho đến 1883 một pin năng lượng mới được tạo thành, bởi “Charles Fritts”, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối Thiết bị chỉ có hiệu suất 1%, “Russell Ohl” xem là người tạo ra pin năng lượng mặt trời đầu tiên năm 1946 “Sven Ason Berglund” đã có phương pháp liên quan đến việc tăng khả năng cảm nhận ánh sáng của pin

Hiệu ứng quang điện

Khái niệm

Hiệu ứng quang điện là một hiện tượng điện - lượng tử, trong đó các điện tử

được thoát ra khỏi vật chất sau khi hấp thụ năng lượng từ các bức xạ điện từ Hiệu ứng quang điện đôi khi được người ta dùng với cái tên Hiệu ứng Hertz, do nhà khoa học Heinrich Hertz tìm ra

Hình 11 Hiện tượng của hiệu ứng quang điện

Hiện tượng

Khi bề mặt của một tấm kim loại được chiếu bởi bức xạ điện từ có tần số lớn hơn một tần số ngưỡng (tần số ngưỡng này là giá trị đặc trưng cho chất làm nên tấm kim loại này), các điện tử sẽ hấp thụ năng lượng từ các photon và sinh ra dòng điện (gọi là dòng quang điện) Khi các điện tử bị bật ra khỏi bề mặt của tấm kim loại, ta có hiệu ứng quang điện ngoài (external photoelectric effect) Các điện tử không thể phát

ra nếu tần số của bức xạ nhỏ hơn tần số ngưỡng bởi điện tử không được cung cấp đủ năng lượng cần thiết để vượt ra khỏi rào thế (gọi là công thoát) Điện tử phát xạ ra dưới tác dụng của bức xạ điện từ được gọi là quang điện tử Ở một số chất khác, khi được chiếu sáng với tần số vượt trên tần số ngưỡng, các điện tử không bật ra khỏi bề mặt, mà thoát ra khỏi liên kết với nguyên tử, trở thành điện tử tự do (điện tử dẫn) chuyển động trong lòng của khối vật dẫn, và ta có hiệu ứng quang điện trong (external photoelectric effect) Hiệu ứng này dẫn đến sự thay đổi về tính chất dẫn điện của vật dẫn, do đó, người ta còn gọi hiệu ứng này là hiệu ứng quang dẫn

Lịch sử của hiệu ứng quang điện

Alexandre Edmond Becquerel lần đầu tiên quan sát thấy hiệu ứng quang điện xảy ra với một điện cực được nhúng trong dung dịch dẫn điện được chiếu sáng vào năm 1839 Năm 1873, Willoughby Smith phát hiện rằng selen (Se) có tính quang dẫn

Năm 1887, Heinrich Hertz quan sát thấy hiệu ứng quang điện ngoài đối với các kim loại và cũng là năm ông thực hiện thí nghiệm phát và thu sóng điện từ Sau đó Aleksandr Grigorievich Stoletov đã tiến hành nghiên cứu một cách tỉ mỉ và xây dựng nên các định luật quang điện

Một trong các công trình của Albert Einstein xuất bản trên tạp chí Annal der Physik đã lý giải một cách thành công hiệu ứng quang điện cũng như các định luật quang điện dựa trên mô hình hạt ánh sáng, theo Thuyết lượng tử vừa được công bố vào năm 1900 của Max Planck Các công trình này đã dẫn đến sự công nhận về bản chất hạt của ánh sáng, và sự phát triển của lý thuyết lưỡng tính sóng - hạt của ánh sáng

2 Pin năng lượng mặt trời

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Pin năng lượng mặt Trời

Pin năng lượng mặt Trời (hay Pin mặt Trời) có cấu tạo cũng khá đơn giản Gồm một lớp tiếp xúc bán dẩn pn có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt Trời thành năng nhờ hiệu ứng quang điện bên trong

Pin mặt Trời được sản xuất và ứng dụng phổ biến nhất hiện nay là các pin mặt Trời được chế tạo từ vật liệu tinh thể bán dẩn Silicon (Si) có hóa trị 4 Từ tinh thể Si tinh khiết, để có vật liệu tinh thể bán dẩn Si loại n, người ta pha tạp chất Donor là Photpho (P) có hóa trị 5 Còn để có vật liệu bán dẩn tinh thể loại p thì tạp chất Accetor được dùng để pha vào Si là Bo có hóa trị 3 Đối với pin mặt Trời từ vật liệu tinh thể Si khi được chiếu sáng thì hiệu điện thế hở mạch giữa hai cực vào khoảng 0,55V, còn dòng đoản mạch của nó dưới bức xạ mặt Trời 1000W/m2 vào khoảng (25 ÷ 30) mA/cm2 Hiện nay người ta cũng đã đưa ra thị trường các loại pin mặt Trời bằng vật liệu Si vô định hình (a-Si) Pin mặt Trời a-Si có ưu điểm là tiết kiệm được vật liệu trong sản xuất do đó có thể có gía thành rẻ hơn Tuy nhiên, so với pin mặt Trời tinh thể thì hiệu suất biến đổi quang điện của nó thấp và kém ổn định khi làm việc

Ngoài Si, người ta còn nghiên cứu và thử nghiệm các loại vật liệu khác có nhiều hứa hẹn như hệ bán dẩn hợp chất bán dẩn 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 quy mô thí nghiệm

Một hướng khác nhằm nâng cao hiệu suất biến đổi quang điện của pin mặt Trời

là thiết kế, chế tạo các pin mặt Trời gồm một số lớp pn để tăng cường khả năng hấp thụ photon có năng lượng khác nhau trong phổ bức xạ mặt Trời

Hình 12 Nguyên lý hoạt động của pin mặt Trời

Các đặc trưng điện của pin mặt Trời

Sơ đồ tương đương

Khi được chiếu sáng, nếu ta nối các bán dẩn p và n của một tiếp xúc pn bằng một dây dẩn, thì pin mặt Trời phát ra một dòng quang điện Iph Vì vậy trước hết pin mặt Trời có thể xem tương đương như một “nguồn dòng”

Lớp tiếp xúc bán dẩn pn có tính chất chỉnh lưu tương đương như một diot Tuy

nhiên, khi phân cực ngược, do điện trở lớp tiếp xúc có giới hạn, nên vẩn có một dòng điện được gọi là dòng dò - qua nó Đặc trưng cho dòng dò qua lớp tiếp xúc pn người ta đưa vào đại lượng điện trở sơn Rsh (shun)

Khi dòng quang điện chạy trong mạch, nó phải đi qua các lớp bán dẩn p và n, các điện cực, các tiếp xúc,… Đặc trưng cho tổng các điện trở của các lớp đó là một

điện trở R s nối tiếp trong mạch (có thể là điện trở trong của pin mặt Trời)

Như vậy, một pin mặt Trời được chiếu sáng có sơ đồ tương đương như sau:

s ph sh d ph

R

I R V nkT

I R V q I

I I I I

Trong đó:

Iph – dòng quang điện (A/m2);

Id – dòng qua diot (A/m2);

Is - dòng bảo hòa (A/m2);

n - được gọi là thừa số lý tưởng phụ thuộc vào các mức độ hoàn thiện công nghệ pin mặt Trời Gần đúng có thể lấy n = 1;

Rs - điện trở nối tiếp (điện trở trong) của pin mặt Trời (Ω/m2);

Rsh - điện trở sơn (Ω/m2);

q - điện tích của điện tử (C);

Thông thường điện trở sơn Rsh rất lớn vì vậy có thể bỏ qua số hạng cuối trong biểu thức (2.1) Đường đặc trưng sáng vôn-ampe của pin mặt Trời cho bởi biểu thức có dạng như đường cong trong (hình 13) Có ba điểm quan trọng trên đường đặc trưng này:

V

Dòng đoản mạch ISC là dòng điện trong mạch của pin mặt Trời khi làm ngắn

mạch ngoài (chập các cực của pin) Lúc đó hiệu điện thế mạch ngoài của pin bằng

V = 0 Đặt gía trị V = 0 vào biểu thức (1.2) ta có:

sh

SC S SC

S S

PH SC

R

I R nkT

I qR I

I

Ở các điều kiện chiếu sáng bình thường (không có hội tụ) thì hiệu ứng điện trở

nối tiếp Rs có thể bỏ qua, và ID= 0 và do đó ta có: ISC = Iph = αE Trong đó E là cường

độ sáng, α là một hệ số tỉ lệ Như vậy ở điều kiện bình thường, dòng đoản mạch ISC của

pin mặt Trời tỷ lệ thuận với cường độ bức xạ chiếu sáng Hình 14, cho thấy các đường

đặc trưng VA của pin mặt Trời phụ thuộc vào cường độ chiếu sáng Với pin mặt Trời

tinh thể Si, ISC ≈30mA/cm2 khi cường độ bức xạ tới E0 = 1000W/m2 và nhiệt độ

T = 250C Đường chấm là đường nối các điểm làm việc tối ưu có công suất cực đại ở

các cường độ bức xạ khác nhau

Thế hở mạch VOC

Thế hở mạch VOC là hiệu điện thế được đo khi mạch ngoài của pin mặt Trời hở

(R=∞) Khi đó dòng mạch ngoài I= 0 Đặt giá trị đó của dòng mạch ngoài vào (2.2) và

giả thiết Rsh rất lớn ta được biểu thức xác định VOC như sau:

S OC S

ph OC

S

nkT

qV I

I nkT

qV I

nkT

qV I

I

S S

ph exp

S

S ph OC

I

I I q

I

I I q

nkT

Trong biểu thức của VOC ta thấy nó phụ thuộc vào nhiệt độ một cách trực tiếp

(thừa số T ở trước biểu thức) và gián tiếp qua dòng bảo hòa IS Như đã biết, dòng bảo

hòa IS là dòng các hạt tải điện không cơ bản được tạo ra do kích thích nhiệt và bị gia

tốc bởi điện trường tiếp xúc Khi nhiệt độ của pin mặt Trời tăng dòng bảo hòa IS cũng

tăng lên theo hàm mũ: