Pin mặt trời ứng dụng của pin mặt trời trong đời sống và kỹ thuật

Công suất cực đại một Tấm Pin mặt trời có thể tạo ra phụ thuộc vào hiệu suất chuyển đổi quang năng thành điện năng của tấm Pin mặt trời đó... NGHIÊN CỨU Cấu tạo của Pin Mặt Trời Silic -

Trang 1

TRƯỜNG ĐHSP THÁI NGUYÊN

PIN MẶT TRỜI PIN QUANG ĐIỆN:

CẤU TẠO – NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG - ỨNG DỤNG

Nguyễn Đức Thái - Lớp cao học Vật lý K23B Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Vũ Thị Kim Liên

Thái Nguyên, 2016

Trang 2

10/03/2016 Nguyễn Đức Thái – Lớp cao học Vật lý K23B

-“Nhiên liệu” mà chúng sử dụng – ánh sáng mặt trời – có sẵn dồi dào Đó là nguồn tài nguyên có thể hồi phục sẽ tồn tại gần như mãi mãi Các nhà khoa học biết rằng Mặt trời sẽ tỏa sáng trong hàng tỉ năm nữa

Trang 3

MỞ ĐẦU

Lí do chọn đề tài

Thứ hai: Tính tiện

dụng

- Các tấm pin mặt trời sản xuất điện năng ngay tại nơi

sử dụng chúng Riêng đối với Hệ thống Pin Mặt Trời cục bộ có đặc điểm hoạt động cách ly hoàn toàn với nguồn lưới nên không cần dây dẫn hay cáp nối để dẫn điện đi từ một nhà máy điện ở xa

Trang 4

MỞ ĐẦU

Thứ ba: Giảm chi

phí

- Thay vì phải sử dụng 100% điện năng từ lưới điện quốc gia, nay chỉ cần sử dụng 50%

và thậm chí là không sử dụng điện năng từ lưới điện quốc gia bằng cách sử dụng Hệ thống Pin Mặt Trời nối lưới Phần điện năng bù vào được lấy từ các tấm Pin Mặt Trời

và bơm trực tiếp vào hệ thống điện lưới trong tòa nhà

Trang 6

MỞ ĐẦU

Thứ năm: Các nhà máy điện sạch

hơn

- Các nhà máy điện sử dụng các tấm pin mặt trời có một số ưu điểm Thường thì

chúng có thể được xây dựng nhanh hơn các nhà máy đốt dầu, than đá, hoặc nhà máy sử dụng nhiên liệu hạt nhân Nếu cần công suất lớn hơn, thì chúng dễ mở rộng hơn các loại nhà máy khác Các nhà máy đốt dầu và than đá sử dụng một lượng lớn nhiên liệu Nhiên liệu này có thể đắt tiền và việc đốt cháy nó có thể giải phóng các chất độc hại Quá trình vận chuyển nhiên liệu đến nhà máy điện cũng gây ra các trở ngại đối với môi trường Với các nhà máy điện mặt trời thì không có những vấn đề trở ngại như vậy

Trang 7

NGHIÊN CỨU

Pin Mặt Trời – Pin Quang Điện là gì?

Pin Mặt Trời là thiết bị giúp chuyển hóa trực tiếp năng lượng ánh sáng mặt trời

(quang năng) thành năng lượng điện (điện năng)dựa trên hiệu ứng quang điện.

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.

Trang 8

NGHIÊN CỨU

Điện tạo ra từ Pin mặt trời được gọi là Điện năng lượng mặt trời hay điện mặt trời

Để tạo ra nhiều năng lượng, người ta kết nối nhiều phần tử Pin mặt trời lại với nhau tạo thành Tấm Pin mặt trời Công suất cực đại một Tấm Pin mặt trời có thể tạo ra phụ thuộc vào hiệu suất chuyển đổi quang năng thành điện năng của tấm Pin mặt trời đó

Trang 9

NGHIÊN CỨU

Trong tiếng Việt, Pin Mặt Trời còn được gọi là

Pin Năng Lượng Mặt Trời, Pin Quang Điện, Tế

Bào Quang Điện Tấm Pin mặt trời còn được gọi

là Bảng Pin mặt trời hay Mô-đun Pin năng lượng

mặt trời

Trang 10

NGHIÊN CỨU

Trong thuật ngữ tiếng Anh, Pin mặt trời được gọi là Solar Cell Còn các Tấm Pin mặt trời thì gọi là Solar Panels Mảng Pin Mặt Trời thì gọi là Array Solar Panels

Hệ thống điện mặt trời bao gồm: Pin mặt trời , Khối tích trữ và chuyển hóa điện năng (Bộ sạc Mặt trời, Accu lưu điện, Thiết bị chuyển đổi từ điện DC lên 110/220VAC hoặc bộ hòa lưới mặt trời), Giàn khung

giá đỡ và dây dẫn

Trang 11

NGHIÊN CỨU

Phân loại Pin Mặt Trời- Pin Quang Điện:

* Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16% Chúng thường rất mắc tiền do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module.

* Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc-đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm nguội và làm rắn Các pin này thường

rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó.

* Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy

và có cấu trúc đa tinh thể, Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon Các công nghệ trên là sản suất tấm, nói cách khác, các loại trên có độ dày 300

μm tạo thành và xếp lại để tạo nên module.

Trang 12

NGHIÊN CỨU

Cấu tạo & hoạt động của Pin Mặt Trời Silic

Trang 13

NGHIÊN CỨU

Cấu tạo & hoạt động của Pin Mặt Trời Silic

Trang 14

Bán dẫn loại n Bán dẫn loại p

Đế kim loại

(1) (2) (3)

NGHIÊN CỨU

Cấu tạo của Pin Mặt Trời Silic

Trang 15

NGHIÊN CỨU

- Vật liệu xuất phát để làm pin Mặt trời silic phải là bán dẫn silic tinh khiết Ở dạng tinh khiết, còn gọi là bán dẫn ròng số hạt tải (hạt mang điện) là electron và số hạt tải là lỗ trống (hole) như nhau

- Để làm pin Mặt trời từ bán dẫn tinh khiết phải làm ra bán dẫn loại n và bán dẫn loại p rồi ghép lại với nhau cho nó có được tiếp xúc p – n

Trang 16

NGHIÊN CỨU

- Thực tế thì xuất phát từ một phiến bán dẫn tinh khiết tức là chỉ có các nguyên tử Si để tiếp xúc p - n, người ta phải pha thêm vào một

ít nguyên tử khác loại, gọi là pha tạp Nguyên tử Si có 4 electron ở vành ngoài, cùng dùng để liên kết với bốn nguyên tử Si gần đó (cấu trúc kiểu như kim cương) Nếu pha tạp vào Si một ít nguyên tử phôt-pho P có 5 electron ở vành ngoài, electron thừa ra không dùng để liên kết nên dễ chuyển động hơn làm cho bán dẫn pha tạp trở thành có tính dẫn điện electron, tức là bán dẫn loại n (negatif - âm) Ngược lại nếu pha tạp vào Si một ít nguyên tử bo B có 3

electron ở vành ngoài, tức là thiếu một electron mới đủ tạo thành 4 mối liên kết nên có thể nói là tạo thành lỗ trống (hole) Vì là thiếu electron nên lỗ trống mạng điện dương, bán dẫn pha tạp trở thành

có tính dẫn điện lỗ trống, tức là bán dẫn loại p (positif -dương) Vậy trên cơ sở bán dẫn tinh khiết có thể pha tạp để trở thành có lớp

là bán dẫn loại n, có lớp bán dẫn loại p, lớp tiếp giáp giữa hai loạị chính là lớp chuyển tiếp p - n Ở chỗ tiếp xúc p - n này một ít electron ở bán dẫn loại n chạy sang bán dẫn loại p lấp vào lỗ trống thiếu electron, ở đó Kết quả là ở lớp tiếp xúc p-n có một vùng thiếu electron cũng thiếu cả lỗ trống, người ta gọi đó là vùng nghèo Sự dịch chuyển điện tử để lấp vào lỗ trống tạo ra vùng nghèo này cũng tạo nên hiệu thế gọi là hiệu thế ở tiếp xúc p - n, đối với Si vào cỡ 0,6V đến 0,7V Đây là hiệu thế sinh ra ở chỗ tiếp xúc không tạo ra dòng điện được.

Trang 17

NGHIÊN CỨU

Hoạt động của Pin Mặt Trời Silic

- Nhưng nếu đưa phiến bán dẫn đã tạo lớp tiếp xúc p - n phơi cho ánh sáng mặt trời chiếu vào thì photon của ánh sáng mặt trời có thể kích thích làm cho điện tử đang liên kết với nguyên

tử bị bật ra khỏi nguyên tử, đồng thời ở nguyên

tử xuất hiện chỗ trống vì thiếu electron, người

ta gọi là photon đến tạo ra cặp electron - lỗ trống Nếu cặp electron - lỗ trống này sinh ra ở gần chỗ có tiếp p - n thì hiệu thế tiếp xúc sẽ đẩy electron về một bên (bên bán dẫn n) đẩy lỗ trống về một bên (bên bán dẫn p) Nhưng cơ bản là electron đã nhảy từ miền hoá trị (dùng để liên kết) lên miền dẫn ở mức cao hơn, có thể chuyển động tự do Càng có nhiều photon chiếu đến càng có nhiều cơ hội để electron nhảy lên miền dẫn.

Trang 18

NGHIÊN CỨU

Hoạt động của Pin Mặt Trời Silic

- Nếu ở bên ngoài ta dùng một dây dẫn nối bán dẫn loại n với bán dẫn loại p (qua một phụ tải như lèn LED chẳng hạn) thì

electron từ miền dẫn của bán dẫn loại n sẽ qua mạch ngoài chuyển đến bán dẫn loại p lấp vào các lỗ trống Đó là dòng điện pin Mặt trời silic sinh ra khi được chiếu sáng Dùng bán dẫn silic tạo ra tiếp xúc p - n để

từ đó làm pin Mặt trời là một tiến bộ lớn trên con đường trực tiếp biến ánh sáng Mặt trời thành dòng điện để sử dụng Tuy nhiên pin Mặt trời silic có một số hạn chế về

kinh tế, kỹ thuật

Trang 20

NGHIÊN CỨU

Một số loại Pin Mặt Trời khác

1 Pin Mặt trời nhạy cảm chất màu DSC (Dye - sensitized solar

cell)

- DSC là một loại pin Mặt trời mới, giá rẻ, dễ làm Loại pin này do Michael Gratzel ở

trường Bách khoa Lausane (Thuỵ Sĩ) chế tạo lần đầu vào năm 1991 nên còn có tên là pin Gratzel.

Trang 21

NGHIÊN CỨU

cell)

- Cấu tạo nguyên thuỷ của pin DSC gồm ba phần chính (hình bên) Trên cùng là một lớp mỏng chất dẫn điện trong suốt, đóng vai trò anôt làm bằng oxyt thiếc pha tạp fluo (SnO 2 : F) Lớp này phủ lên tấm thuỷ tinh trong suốt Tiếp đó là một lớp có diện tích

bề mặt rất lớn Lớp dẫn điện SnO 2 : F và lớp hạt bột

nhạy quang ruthenium -polypyridin và dung môi Sau khi nhúng, một lớp mỏng chất màu nhạy quang

trị Tiếp đó mặt sau được tráng bằng một lớp mỏng chất điện ly iôt và đậy kín bằng tấm điện cực kim loại, thường là platin Toàn bộ được dán kín sao cho dung dịch không bị rò chảy ra.

Trang 22

NGHIÊN CỨU

cell)

- Pin DSC hoạt động như sau: ánh sáng Mặt trời qua tấm kính, qua lớp điện cực trong suốt SnO2:F chiếu vào chất màu nhạy quang dính trên bề mặt các hạt TiO2 Photon kích thích các phân tử chất màu nhạy quang làm cho electron ở

đó bị bứt ra nhảy vào miền dẫn của TiO2 rồi từ đó dễ dàng chuyển động chạy về điện cực trong suốt ở phía trên Khi bị mất electron để nhận thêm cho phân tử không bị phân huỷ Phân tử chất màu nhạy quang bèn lấy electron của iôt ở dung dịch điện phân, biến anion iôt một I- thành anion iôt ba I3- Các anion iôt này khi tiếp xúc với điện cực kim loại sẽ lấy lại electron từ điện cực trong suốt qua mạch ngoài chạy

về điện cực kim loại Như vậy đã thực hiện cơ chế photon kích thích làm cho electron nhảy lên, đến điện cực trong suốt rồi qua mạch ngoài chạy về điện cực kim loại tạo ra dòng điện.

Trang 23

NGHIÊN CỨU

1 Pin Mặt trời nhạy cảm chất màu DSC (Dye - sensitized solar cell)

- Vì nhiều lí do, hiệu suất của loại pin này chỉ vào cỡ 11% thấp hơn hiệu suất của pin Mặt trời silic (12 - 15%) Tuy nhiên ưu điểm rõ rệt của loại pin này là:

- Vật liệu chế tạo rẻ, dễ kiếm Đặc biệt TiO 2 là chất bột trắng hay dùng để làm sơn trắng rất phổ biến.

- Kỹ thuật chế tạo đơn giản, không phải cần máy móc cao cấp đắt tiền như ở trường hợp pin Mặt trời silic Thậm chí có thể làm pin mặt trời kiểu này theo cách thủ công.

Trang 24

NGHIÊN CỨU

1 Pin Mặt trời nhạy cảm chất màu DSC (Dye - sensitized solar cell)

- Dễ dàng cải tiến nhiều khâu kỹ thuật, nhất là ứng dụng công nghệ nano để làm bột TiO2 có diện tích mặt ngoài cực lớn Nhược điểm của loại pin này là có chứa chất lỏng phải có các biện pháp chống rò rỉ khi dùng lâu (Loại pin này tuổi thọ là 10 năm, bằng một nửa tuổi thọ của pin Mặt trời silic).

- Hiện nay đã có nhiều cải tiến đối với chất màu nhạy quang làm cho ánh sáng thuộc nhiều bước sóng trong phổ ánh sáng Mặt trời đều dễ dàng bị hấp thụ để kích thích làm thoát điện tử tạo ra dòng điện Nhờ đó, khác với pin Mặt trời silic, loại pin Mặt trời mới này vẫn hoạt động tốt khi nắng yếu, đặc biệt là hoạt động với ánh sáng trong nhà.

Trang 25

NGHIÊN CỨU

2 Pin mặt trời dạng keo nước (Lá nhân tạo)

- Pin mặt trời dạng keo nước còn được gọi là Lá nhân tạo Đây là loại Pin mặt trời có thể uốn cong, có thành phần là keo nước chứa các phân tử nhạy sáng kết hợp với các điện cực phủ chất liệu cacbon, ví dụ như ống nano cacbon hoặc than chì Các phân tử nhạy sáng trở nên “kích động” khi ánh sáng mặt trời chiếu vào và sản sinh ra điện năng; cơ chế này tương tự như cơ chế kích thích tổng hợp đường để sinh trưởng của phân tử thực vật.

Trang 26

NGHIÊN CỨU

2 Pin mặt trời dạng keo nước (Lá nhân tạo)

- Hiện tại, việc ứng dụng loại pin này vẫn chưa được công bố do hiệu suất hoạt động của pin vẫn còn thấp.

Trang 27

ỨNG DỤNG

Tích hợp vào thiết bị

Trang 28

ỨNG DỤNG

Trang 29

ỨNG DỤNG

- Từ chiếc đồng hồ đeo tay nhỏ bé, chiếc điện thoại dắt trong túi quần cho đến những chiếc xe điện mặt trời chạy trên mặt đất hay những chú robot trên sao Hỏa Sự tích hợp của Pin Mặt Trời mang lại một sự khác biệt cho các thiết bị: Vừa thẩm mỹ, vừa tiện dụng và thân thiện với môi trường.

- Pin mặt trời thường được tích hợp vào các thiết bị như Máy tính bỏ túi, Laptop,

Đồng hồ đeo tay, Điện thoại di động, Đèn trang trí, đèn sân vườn, Đèn tín hiệu, đèn đường, Các loại xe, Máy bay, Robot tự hành, Vệ tinh nhân tạo.

Trang 30

ỨNG DỤNG

Nguồn điện di động

Trang 31

- Các ứng dụng Nguồn điện di động có thể kể đến đó là Bộ sạc năng lượng mặt trời, Cặp năng lượng mặt trời, Áo năng lượng mặt trời, Trạm điện mặt trời di động.

Trang 32

ỨNG DỤNG

Nguồn điện cho tòa nhà

Trang 33

ỨNG DỤNG

Nguồn điện cho tòa nhà

- Đã bao giờ bạn nghĩ thay vì tiết kiệm

sử dụng điện trong gia đình thì chúng

ta sẽ tạo ra một nguồn điện thay thế?

- Nguồn điện cho tòa nhà là một trong những giải pháp vừa giúp giảm hóa đơn tiền điện hàng tháng, vừa giúp giảm đầu tư của xã hội cho các công trình nhà máy điện khổng lồ bằng cách kết hợp sức mạnh của toàn dân trong việc tạo ra điện phục vụ đời sống sản xuất chung.

- Nguồn điện cho tòa nhà hiện tại được chia thành 2 loại đó là Nguồn điện mặt trời cục bộ và Nguồn điện mặt trời hòa lưới quốc gia Riêng Nguồn điện mặt trời hòa lưới quốc gia có nhiều ưu điểm và mang lại hiệu quả kinh tế cao nếu được nhà nước khuyến khích sử dụng.

- Sử dụng nguồn điện mặt trời trong gia đình vừa giúp bảo vệ môi trường, vừa thể hiện một

phong cách sống hiện đại trong một xã hội hiện đại.

Trang 34

ỨNG DỤNG

Nhà máy điện mặt trời

Trang 35

ỨNG DỤNG

Nhà máy điện mặt trời

- Bằng cách kết nối nhiều nguồn điện mặt trời với nhau có thể tạo ra được một tổ hợp nguồn điện mặt trời có đủ khả năng thay thế một nhà máy phát điện.

- Nhà máy điện mặt trời có thể dùng để cấp điện cho một thành phố, một hòn đảo, Hiện tại số lượng nhà máy điện mặt trời trên thế giới còn hạn chế, tuy nhiên trong tương lai số lượng này sẽ tăng lên khi giá thành sản xuất Pin mặt trời giảm xuống.

Trang 36

ỨNG DỤNG

Một số ứng dụng khác

Trang 37

ỨNG DỤNG

Một số ứng dụng khác

Trang 38

ĐÁNH GIÁ

Bài học kinh nghiệm và hướng phát triển:

-Pin mặt trời đang được quan tâm, nghiên cứu theo nhiều hướng khác nhau, có nhiều ứng dụng trong hầu hết các lĩnh vực và tiềm năng phát triển trong tương lai là rất lớn.

-Hướng nghiên cứu chính để tăng hiệu suất như: đa chuyển tiếp junction), hạt tải nóng ( hot-carrier), các dải tạp chất,…hay cải tiến vật liệu chế tạo: silicon đen, cadmium,

(Multi Tại Việt Nam, việc nghiên cứu và ứng dụng pin mặt trời còn nhiều hạn chế do các yếu tố như giá thành, công nghệ kỹ thuật, …

Định dạng
Số trang	39
Dung lượng	10,3 MB