LUẬN văn sư PHẠM vật lý tìm HIỂU NHÀ máy điện NĂNG LƯỢNG mặt TRỜI

- Một điều đặc biệt quan trọng là khi sử dụng điện từ nguồn năng lượng Mặt trời này là chúng ta đã góp một phần vào công cuộc chống hiệu ứng nhà kính, sự nóng dần lên toàn cầu.. Về điểm

Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện:

Ths Lê Văn Nhạn Lê Thị Cẩm Thúy

MSSV: 1080343

Lớp: SP Vật Lý – Công Nghệ

Cần Thơ, 04/2012

LỜI CẢM ƠN



Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Lê Văn Nhạn – người đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn và tạo mọi điều

kiện thuận lợi cho em hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Em xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô trong bộ môn

Sư Phạm Vật Lý cũng như quý thầy, cô trường Đại Học Cần

Thơ đã tận tình giảng dạy và hướng dẫn em trong suốt quá

trình học tập và rèn luyện ở trường

Đồng cảm ơn các bạn sinh viên lớp Sư Phạm Vật Lý – Công Nghệ khóa 34, Trường Đại Học Cần Thơ – Những người

đã luôn bên tôi, giúp đỡ, động viên và tạo điều kiện thuận lợi

để tôi được học tập , nghiên cứu, hoàn thành luận văn

Dù đã có rất nhiều cố gắng song luận văn chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế Kính mong nhận

được sự chia sẽ và những đóng góp quý báu của quý thầy, cô

MỤC LỤC

A – PHẦN MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích đề tài 2

3 Giới hạn của đề tài 2

4 Khả năng ứng dụng của đề tài 2

5 Phương pháp và phương tiện thực hiện đề tài 2

6 Các bước thực hiện đề tài 2

B – PHẦN NỘI DUNG 3

Chương I TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 3

1.1 Lịch sử phát triển điện năng lượng Mặt trời 3

1.1.1 Thời kì sơ khai của việc sử dụng nguồn năng lượng Mặt trời 3

1.1.2 Giai đoạn mở đầu 3

1.1.3 Giai đoạn phát triển 4

1.2 Lý do để chọn điện năng lượng Mặt trời 5

1.3 Tình hình điện năng lượng Mặt trời trong nước và trên thế giới 6

1.3.1 Tình hình điện Mặt trời trên thế giới 6

1.3.2 Tình hình trong nước 9

Chương II NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 12

2.1 Mặt trời và cấu tạo Mặt trời 12

2.2 Năng lượng Mặt trời 15

2.2.1 Quá trình phản ứng tuần hoàn C – N 15

2.2.2 Phản ứng tuần hoàn proton – proton 16

2.3 Phổ bức xạ Mặt trời 17

2.4 Bức xạ Mặt trời 19

Chương III ĐIỆN MẶT TRỜI 23

3.1 Pin Mặt trời 23

3.1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin Mặt trời 23

3.1.1.1 Hiệu ứng quang điện 23

3.1.1.2 Hiệu suất của quá trình biến đổi năng lượng 28

3.1.1.3 Sự tạo thành hàng rào thế 29

3.1.1.4 Đường đặc trưng VA – sự tạo dòng quang điện 30

3.1.1.5 Cấu tạo pin Mặt trời 32

3.1.2 Hệ thống nguồn điện pin Mặt trời 33

3.1.2.1 Hệ thống nguồn điện pin Mặt trời tổng quát 34

3.1.2.2 Dàn pin Mặt trời 36

3.1.2.3 Tích trữ năng lượng trong hệ thống năng lượng pin Mặt trời 37

3.1.3 Thiết kế và lắp đặt các hệ năng lượng pin Mặt trời 38

3.1.3.1 Các thông số cần thiết để thiết kế hệ nguồn điện pin Mặt trời 39

3.1.3.2 Các bước thiết kế và tính toán hệ năng lượng pin Mặt trời 42

3.1.3.3 Lắp đặt hệ thống nguồn điện pin Mặt trời 49

3.2 Nhiệt điện Mặt trời 52

3.2.1 Nguyên tắc hoạt động chung của nhà máy nhiệt điện Mặt trời 52

3.2.2 Một số nhà máy nhiệt điện Mặt trời 54

3.2.2.1 Nhà máy nhiệt điện Mặt trời hình máng dạng parabol 54

3.2.2.2 Nhà máy nhiệt điện tháp Mặt trời 56

3.2.2.3 Nhà máy nhiệt điện Mặt trời sử dụng động cơ Stiling 59

3.2.2.4 Nhà máy nhiệt điện Mặt trời có ống khối 60

Chương IV MỘT SỐ ỨNG DỤNG KHÁC CỦA NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 62

4.1.Bếp nấu dùng năng lượng Mặt trời 62

4.1.1 Bếp hình hộp 62

4.1.2 Bếp parabol 63

4.2 Hệ thống cấp nước nóng dùng năng lượng Mặt trời 63

4.2.1 Hệ thống cấp nước nóng có nhiệt độ thấp 64

4.2.2 Hệ thống cấp nước nóng có nhiệt độ cao 71

4.3 Hệ thống sấy dùng năng lượng Mặt trời 75

4.4 Thiết bị chưng cất dùng năng lượng Mặt trời 77

4.5 Thiết bị lạnh dùng năng lượng Mặt trời 78

4.5.1 Máy lạnh hấp thụ rắn dùng năng lượng Mặt trời 79

4.5.2 Hệ thống lạnh sản xuất nước đá 82

4.5.3 Tổ hợp hệ thống sản xuất nước đá và nước nóng 82

Chương V TƯƠNG LAI CỦA ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 84

C PHẦN KẾT LUẬN 86

TÀI LIỆU THAM KHẢO 87

Mặt khác, nguồn điện hóa thạch (nhiệt điện) đã được khẳng định là đã và đang phát ra một lượng khí thải khổng lồ vào khí quyển gây hiệu ứng nhà kính làm nóng dần hành tinh, với những hệ quả rất nguy hại đến cuộc sống của loài người (đặc biệt là Việt Nam sẽ là một trong những điểm bị ảnh hưởng tồi tệ nhất của hiệu ứng nhà kính)

Thủy điện cũng là một hình thức sản xuất năng lượng được sử dụng phổ biến nhất, nó sử dụng nguồn năng lượng vô tận tái tạo được, nhưng năng suất của thủy điện lại bị hạn chế vào mùa khô và những tác hại của nó đối với môi trường cũng không nhỏ Những nhà môi trường đã bài tỏ lo ngại rằng các nhà máy thủy điện lớn có thể phá vỡ sự cân bằng của hệ sinh thái xung quanh

Cuối cùng là nhà máy điện hạt nhân, có khả năng cung cấp một lượng điện sạch khổng lồ trên phạm vi toàn cầu, ít tốn kém về mặt năng lượng, không thải ra CO2 hay các loại khí gây ra hiệu ứng nhà kính khác Tuy nhiên, để vận hành, điều khiển được

nó ta cần có kỹ thuật cao mà không phải quốc gia nào cũng có khả năng, và nguy cơ cháy nổ là khó tránh khỏi khi ta không khống chế tốt năng lượng sinh ra từ phản ứng hạt nhân,và như ta đã biết nếu điều này xảy ra thì tác hại của nó là vô cùng lớn Điển hình như: sự cố nổ nhà máy hạt nhân Chernobyl của Nga vào năm 1986 và mới đây nhất là sự cố nổ nhà máy hạt nhân Fukushima của Nhật Bản vào tháng 3 năm 2011…

Từ những tác hại nói trên đã thúc đẩy các nhà khoa học trên thế giới đi tìm một nguồn năng lượng mới: sạch, có thể sử dụng lâu dài và an toàn hơn Đó là năng lượng tái tạo hay năng lượng tái sinh.Tiềm năng của các nguồn năng lượng tái tạo là rất lớn, nếu khai thác hết thì có thể đáp ứng mọi nhu cầu năng lượng của nhân loại trong tương lai Trong đó có “năng lượng Mặt trời” đang dần dần được áp dụng rộng rãi vào thực

tế với những lợi ích rất lớn Đó là lý do mà em chọn đề tài “tìm hiểu nhà máy điện năng lượng Mặt trời” Qua đề tài này em không mong gì hơn là một phần nào giới thiệu về nhà máy điện Mặt trời và một số ứng dụng năng lượng Mặt trời trong thực tế cho sinh viên Vật Lý chúng ta, cũng như tất cả những ai quan tâm về vấn đề năng lượng

- Tìm hiểu về nhà máy điện năng lượng Mặt trời

- Tìm hiểu một số ứng dụng khác của năng lượng Mặt trời

3 Giới hạn của đề tài

Do không có điều kiện tham quan nhà máy điện năng lượng Mặt trời, nên em chỉ tìm hiểu nhà máy điện Mặt trời thông qua một số tài liệu tham khảo

4 Khả năng ứng dụng của đề tài

Đề tài có thể làm tài liệu tham khảo cho sinh viên muốn tìm hiểu về vấn đề điện năng lượng Mặt trời

5 Phương pháp và phương tiện thực hiện đề tài

- Phương pháp: Nghiên cứu lý thuyết, phân tích và tổng hợp các tài liệu

- Phương tiện: Sử dụng sách báo, khai thác thông tin trên Internet để tìm hiểu vấn đề điện năng lượng Mặt trời và một số ứng dụng của năng lượng Mặt trời

6 Các bước thực hiện

 Nhận đề tài và xác định nội dung giới hạn của đề tài

 Nghiên cứu những tài liệu có liên quan

 Tiến hành tổng hợp tài liệu, song song đó trao đổi với giáo viên hướng dẫn

 Hoàn thành luận văn

 Báo cáo luận văn

B PHẦN NỘI DUNG

Chương I TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

1.1 Lịch sử phát triển điện năng lượng Mặt trời

1.1.1 Thời kì sơ khai của việc sử dụng nguồn năng lượng Mặt trời

Thời kì này nguồn năng lượng Mặt trời được sử dụng chủ yếu dưới dạng nhiệt Thế kỷ VII TCN: Thời Ai Cập Cổ Đại , các ngôi nhà được xây dựng để các bức

xạ Mặt trời có thể được thu thập vào ban ngày và được sử dụng vào ban đêm

Thế kỷ V TCN: Người Hy Lạp định hướng nhà của họ để họ có thể nhận được năng lượng Mặt trời vào mùa đông để sưởi ấm ngôi nhà

Thế kỷ III TCN: Archimedes đã sử dụng những tấm gương để phản chiếu bức

xạ Mặt trời và để bảo vệ Syracuse (ngày nay là trung tâm kinh tế, giáo dục của Ai Cập) từ cuộc xâm lược của người La Mã

Thế kỷ II TCN: Các cửa sổ đầu tiên làm từ mica trong suốt đã được chèn vào trong nhà ở miền bắc Ý, với mục đích để tăng việc sử dụng bức xạ Mặt trời trong thời gian mùa đông

Thế kỷ XIV : Định luật năng lượng Mặt trời đầu tiên được giới thiệu tại Ý Năm 1767 ở Nga: M.V Lomonossov đề nghị việc sử dụng các thấu kính để tập trung bức xạ Mặt trời

Năm 1767 tại Thụy Sĩ: Horace de Saussure khám phá ra sự khuếch đại và tăng hiệu suất nhiệt trong các hộp kính 5 nếp gấp loại Matjoshka

Năm 1830 tại Nam Phi: J Hershel sử dụng nồi nấu năng lượng Mặt trời đầu tiên Khoảng 1830 H Repton xây dựng nhà kính đầu tiên ở châu Âu

1.1.2 Giai đoạn mở đầu

Năm 1838 Edmond Becquerel, nhà vật lý người Pháp, là người đầu tiên có

những ý tưởng chuyển biến ánh sáng thành năng lượng

Giai đoạn 1860-1881: Phải hơn 2 thập kỷ sau, tiếp nối những ý nghĩ của

Edmond Becquerel thì Auguste Mouchout thành công trong việc tạo ra một thiết bị giúp chuyển hóa năng lượng Mặt trời thành năng lượng hơi nước và cho ra đời chiếc máy hơi nước chạy bằng năng lượng Mặt trời đầu tiên

Năm 1873 Willoughby Smith phát hiện ra vật liệu chế tạo pin năng lượng Mặt

trời

Từ năm 1876-1878 William Adams cho ra đời cuốn sách chính thống đầu tiên

về năng lượng Mặt trời mang tên: “Nguồn năng lượng thay thế cho năng lượng hóa

thạch tại các quốc gia nhiệt đới” và một mẫu thiết kế thú vị sử dụng gương để tạo ra

nguồn năng lượng Mặt trời tương đương với một động cơ 2.5 mã lực

Năm1883 Charles Fritz là nhà khoa học đầu tiên thành công trong việc chuyển hóa năng lượng Mặt trời thành năng lượng điện

Năm 1888 John Ericsson, một người Mỹ nhập cư đã viết ra những nhận định

như sau: “Sau hơn 2000 năm sinh sống và tồn tại trên trái đất, nhân loại sẽ sớm sử

dụng hết những nguồn năng lượng hóa thạch của mình Con cháu chúng ta sẽ phải đối mặt với tình trạng thiếu thốn năng lượng trầm trọng trong thế kỷ mới Viễn cảnh đen tối này sẽ trở thành hiện thực trừ khi chúng ta tìm ra cách chế ngự và khai thác năng lượng Mặt trời…” Lời “tiên tri” trên khép lại giai đoạn mở đầu trong dòng lịch sử

nghiên cứu và ứng dụng năng lượng Mặt trời

1.1.3 Giai đoạn phát triển

Mở đầu cho giai đoạn phát triển mới về năng lượng Mặt trời năm 1904 Albert Einstein công bố phát hiện về hiện tượng quang điện Bước đầu của sự phát triển năng lượng Mặt trời là những phát minh trong lĩnh vực pin quang điện Pin quang điện rất phổ biến và phát triển rất nhanh Chẳng hạn năm 1930 Schottky phát hiện ra pin quang điện ôxít đồng mới Đến năm 1931 AF Ioffe hướng dẫn một dự án tại Viện Vật Lý Kỹ Thuật ở St Petersburg sản xuất thành công pin quang thallium sulphide ( TI2S) , đạt được hiệu xuất kỷ lục > 1% vào thời điểm đó Ông đã gửi một đề nghị đến chính phủ

Xô viết liên quan đến việc sử dụng mái nhà điện quang để cung cấp điện Tiếp đó vẫn

là những phát hiện mới về quang – điện và là tiên đề cho các phát minh về sau

Năm 1932 Audobert và Stora khám phá ra hiệu ứng quang điện của CdS

Năm 1948 W Schottky trình bày các khái niệm lý thuyết đầu tiên cho quang điện bán dẫn

Năm 1953 bước đầu cho sự phát triển quang bán dẫn thì tại phòng thí nghiệm, Bell bắt đầu nghiên cứu pin năng lượng Mặt trời từ bán dẫn

Nhận thấy sự phát triển của nguồn năng lượng này thì năm 1954 Hiệp hội quốc

tế về năng lượng Mặt trời - The International Solar Energy Society (ISES) - được thành lập ở Phoenix, AZ Trụ sở chính của nó sau đó được chuyển tới Melbourne,

Australia, và vào năm 1995 nó đã được di chuyển một lần nữa đến Freiburg, Đức Và

về sau cũng có nhiều hội nghị bàn về năng lượng Mặt trời

Năm 1961: Hội nghị các chuyên gia quang điện IEEE đầu tiên được tổ chức ở Philadelphia, Mỹ

Năm 1967, tàu Soyuz 1 trở thành con tàu vũ trụ có người lái đầu tiên sử dụng các tế bào năng lượng Mặt trời

Năm 1977: Hội nghị năng lượng Mặt trời EC PV khởi đầu ở Luxembourg Năm 1978 phòng thí nghiệm đầu tiên về năng lượng Mặt trời và các nguồn năng lượng tái tạo (SENES) bắt đầu hoạt động ở Châu Âu là Học viện Hàn Lâm Khoa học Bungari tại Sofia

Năm 1981 gương tập trung phản chiếu năng lượng Mặt trời sử dụng lần đầu tiên tại Viện Ioffe St Petersburg

Năm 1982 Nhà máy điện Mặt trời đầu tiên có công suất 1MW được hoàn thành

và đi vào sử dụng tại California, Mỹ

Năm 1991 xây dựng thí điểm nhà máy quang điện 1 MW từ pin Mặt trời được phát triển bởi Đại học Erlangen

Về sau khoa học kĩ thuật cũng như công nghệ ngày càng phát triển nên việc phát triển nhà máy điện năng lượng Mặt trời trên thế giới cũng tăng Ngày càng có nhiều nhà máy điện Mặt trời mọc lên với quy mô và công suất ngày càng tăng

1.2 Lý do để chọn điện năng lượng Mặt trời

Năng lượng tái sinh là nguồn năng lượng vô tận Có rất nhiều nguồn năng lượng tái sinh được các nhà khoa học phát hiện, nghiên cứu và đưa vào sử dụng Và đặc biệt có một vài nguồn năng lượng tái sinh đã và đang được sử dụng khá phổ biến hiện nay trên thế giới là: Năng lượng sinh ra từ sức nước chảy (hay chúng ta quen gọi

là thủy điện), năng lượng sinh ra từ sức gió (năng lượng gió), năng lượng sinh ra từ sóng biển, năng lượng sinh ra từ thủy triều, và đặc biệt là năng lượng Mặt trời

Rất dễ hiểu lý do tại sao lại chọn giải pháp sử dụng điện từ nguồn năng lượng Mặt trời làm nguồn năng lượng trong tương lai:

- Năng lượng Mặt trời là nguồn năng lượng rất lớn, có thể sản xuất ra điện năng lâu dài chừng nào còn ánh sáng Mặt trời, an toàn và dễ sử dụng

- Chi phí đầu tư hợp lý, ngày càng giảm Trong khi giá điện ngày càng tăng

- Chủ động nguồn điện để sử dụng, không chịu ảnh hưởng của điện lưới Điều này khá quan trọng để chúng ta xem xét để đầu tư hệ thống điện năng lượng Mặt trời

vì hiện tại với khí hậu bất ổn, điện lưới của chúng ta không cấp đủ cho nhu cầu sử dụng nên buộc phải điều tiết cúp điện luân phiên, mà ai trong chúng ta cũng biết

- Một điều đặc biệt quan trọng là khi sử dụng điện từ nguồn năng lượng Mặt trời này là chúng ta đã góp một phần vào công cuộc chống hiệu ứng nhà kính, sự nóng dần lên toàn cầu Về điểm này, xin được giải thích thêm như sau: Nguồn điện hiện tại chúng ta đang sử dụng chủ yếu được sản xuất từ những nguồn chính như sau: thủy điện (đây cũng là nguồn năng lượng sạch, nên tìm cách phát huy), nhiệt điện chạy bằng khí thiên nhiên (có thải khí CO2 nhưng khá ít), nhiệt điện chạy bằng dầu DO, FO (thải khí CO2 khá nhiều, nhưng rất ít nhà máy còn sử dụng), nhà máy điện hạt nhân có khả năng cung cấp một lượng điện sạch khổng lồ trên phạm vi toàn cầu nhưng nguy cơ cháy nổ là rất lớn và rất nguy hiểm, nhiệt điện chạy bằng than (thải rất nhiều CO2, gây

ô nhiễm nghiêm trọng cho bầu khí quyển của chúng ta)

- Điều cuối cùng là khả năng mở rộng Hầu hết các nhà máy sản xuất, các phương tiện vận chuyển, đang sử dụng nguyên liệu hóa thạch (khi đốt cháy sẽ sinh ra khí CO2) đều có thể chuyển sang sử dụng điện Nên ví dụ như bạn đầu tư cho ngôi nhà của mình hệ thống điện sử dụng năng lượng Mặt trời, khi bạn có nhu cầu mua xe chạy bằng điện (một xu hướng tất yếu trong tương lai gần) bạn có thể mở rộng hệ thống để

cấp điện cho xe điện này

1.3 Tình hình điện năng lượng Mặt trời trong nước và trên thế giới

1.3.1 Tình hình điện Mặt trời trên thế giới

Tính cho tới thời điểm đầu năm 2011, thế giới đã có tới gần 40GW điện sản xuất từ năng lượng Mặt Trời Trong đó, công suất lắp đặt mới năm 2010 là 16.6GW,

tổng công suất lắp đặt điện Mặt trời năm 2010 đạt xấp xỉ 40GW

Hình 1.1 - Công suất lắp đặt điện Mặt trời mới trên thế giới từ 2000-2010 (MW)

Năm 2010 điện Mặt trời là công nghệ năng lượng tái tạo dẫn đầu ở Châu Âu với mức tăng trưởng công suất tới 13,000MW Sản lượng năng lượng từ các dự án điện Mặt trời này tương đương với sản lượng điện của hai nhà máy nhiệt điện lớn Tính đến cuối năm 2010, tổng công suất lắp đặt điện Mặt trời ở Châu Âu đã vượt qua con số 28,000MW, với sản lượng điện bằng mức tiêu thụ của 10 triệu hộ gia đình ở Châu Âu

“Mức tăng trưởng của điện Mặt trời năm 2010 thật ấn tượng Chi phí giảm, nhiều ứng dụng mới, sự quan tâm lớn từ các nhà đầu tư và những hỗ trợ chính sách liên tục đã góp phần vào sự phát triển này, đưa điện Mặt trời lên thành công nghệ năng lượng xanh dẫn đầu về tăng trưởng công suất ở Châu Âu”, Ingmar Wilhelm - Chủ tịch Hiệp hội điện Mặt trời Châu Âu cho biết “Điện Mặt trời đã trở thành công nghệ được chứng minh, đóng góp vào tiến bộ giảm carbon hóa trong cơ cấu năng lượng của chúng ta, và do đó sẽ được khai thác nhiều hơn nữa bởi các quốc gia thành viên nhằm đạt các mục tiêu năng lượng tái tạo 2020”, ông cho biết thêm “Hơn 70% tất cả các công suất mới lắp đặt là từ các hệ thống điện Mặt trời nhỏ và trung bình Điện Mặt trời trên thực tế là sự lựa chọn của mọi người trong các công nghệ năng lượng tái tạo, khi

họ trực tiếp tham gia và đóng góp cá nhân vì một môi trường sạch hơn”, ông nói

Hình 1.2 - Công suất điện Mặt trời lắp đặt mới ở Châu Âu năm 2010 (MW)

Trong 2 năm liên tiếp, Đức đã trở thành nước dẫn đầu về điện Mặt trời trên thế giới, thêm 6,500MW công suất lắp đặt vào 9,800MW các hệ thống điện Mặt trời hiện tại Lần đầu tiên, công suất lắp đặt trong năm của Ý và Cộng hòa Séc đã vượt mức 1,000MW Sau các nước này là Bỉ, Pháp và Tây Ban Nha, với mức tăng trưởng đáng

kể trong năm 2010 Các phân tích thị trường và dự báo ngành trong vòng 4 năm tới sẽ

được thảo luận vào hội thảo thị trường của Hiệp hội trong tháng 3 này Những kết quả này sẽ được đưa vào báo cáo Triển vọng thị trường toàn cầu 2015 của EPIA

Hình 1.3- Tổng công suất lắp đặt điện Mặt trời ở Châu Âu năm 2010 (MW)

“Các biện pháp chính sách hỗ trợ cho điện Mặt trời nên tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong những năm tới Điều đó rất quan trọng trong việc thiết lập một lộ trình quốc gia mạch lạc cho việc phát triển thị trường điện Mặt trời đi tới cạnh tranh hoàn toàn càng sớm càng tốt Như thường lệ, các điều chỉnh về khung pháp chế cần được thông báo sớm, và các thủ tục hành chính cần đơn giản và minh bạch hơn”, Bà Eleni Despotou - Tổng thư ký hiệp hội EIPA nhận xét “Điều đó có thể giúp đánh giá tốt hơn các quyết định đầu tư đồng thời giảm chi phí đáng kể”, bà kết luận

Theo ước tính mới nhất của EPIA, hơn 3,000MW điện Mặt trời được lắp đặt mới ngoài Châu Âu trong năm 2010 Các đóng góp chính là từ Nhật Bản, nơi gần như 1,000MW đã được lắp đặt, tiếp theo là Mỹ và Trung Quốc Các con số dự báo cũng cho thấy, mặc dù tiềm năng điện Mặt trời lớn, đặc biệt là ở các nước ở phía Nam, việc thiếu những hỗ trợ chính trị đã làm hạn chế sự tăng trưởng của các thị trường này

Hình 1.4- Công suất điện Mặt trời lắp đặt mới ở các nước ngoài EU (MW)

1.3.2 Tình hình trong nước

1.3.2.1.Nhà máy điện năng lượng Mặt trời đầu tiên ở Việt Nam

Ngày 13 tháng 12, Scheider Electric đã tổ chức hợp báo công bố hoàn thành

nhà máy điện năng lượng Mặt trời đầu tiên ở Việt Nam

Hình 1.5 Nhà máy điện Mặt trời đầu tiên ở Việt Nam

Nhà máy điện năng lượng Mặt trời đầu tiên của Scheider Electric xây dựng thí điểm ở bản 61 xã Thượng Trạch, huyện Bố Trạch, Quảng Bình Đây là dự án điện năng lượng Mặt trời đầu tiên Scheider thực hiện tại Việt Nam và được tài trợ bởi chính quyền tĩnh Quảng Bình, quỹ Suez và quỹ Scheider Electric với tổng kinh phí dự án lên tới 160 ngàn USD

Sau 6 tháng triển khai xây dựng, trạm điện năng lượng Mặt trời đã có thể phát điện từ cuối tháng 12 năm 2010 với công suất 11 KW điện và 11 KW nhiệt Nhà máy

sẽ cung cấp điện tiêu dùng đủ cho 150 hộ dân, một trường học, doanh trại bộ đội biên phòng và một số cơ quan trên địa bàn thuộc bản 61 Dự kiến, giá bán nguồn điện năng lượng sạch này là 1 USD/KWh

Dự án này thuộc chương trình Bip – Bop với mục tiêu chính là góp phần mang lại nguồn năng lượng xanh, sạch, bền vững cho 1,6 tỉ người chưa có điều kiện tiếp cận năng lượng trên thế giới, đồng thời giảm thiểu tác hại đến môi trường

Gần đây, dự án phát điện ghép giữa pin Mặt trời và thủy điện nhỏ, công suất

125 KW được lắp đặt tại xã Trang, huyện Mang Yang, tỉnh Gia Lai, và dự án phát điện lai ghép giữa pin Mặt trời và động cơ gió với công suất 9 KW đặt tại làng Kongu 2, huyện Đăk Hà, tỉnh Kon Tum, do viện năng lượng thực hiện, góp phần cung cấp điện cho khu vực đồng bào dân tộc thiểu số

1.3.2.2 Dự án điện Mặt trời nối lưới đầu tiên ở Việt Nam trên nóc tòa nhà Bộ Công Thương

Dự án có công suất 12 KWh gồm 52 module x 230 Wh Sử dụng pin của hãng SolarWorld Do CHLB Đức tài trợ, công ty Altus của Đức và Trung tâm năng lƣợng mới Đại Học Bách Khoa Hà Nội kết hợp triển khai

Hình 1.6 Dự án điện Mặt trời nối lưới

1.3.2.3 Dàn pin Mặt trời tại trung tâm Y tế Tam Kỳ (Quảng Nam)

Công suất 3 KWh, trị giá 720 triệu đồng Do chính phủ Tây Ban Nha tài trợ 50% SolarLap lắp đặt, hoàn thành và đƣa vào sử dụng vào tháng 5 năm 2010

Hình 1.7 Dàn pin Mặt trời tại trung tâm y tế Tam kỳ

1.3.1.4 Nhà máy điện Mặt trời ở TPHCM

Ngày 23/03/2011 công ty First Solar của Mỹ khởi công xây dựng nhà máy sản xuất tấm thu năng lƣợng Mặt trời để tạo ra điện tại huyện Củ Chi, TP HCM Dự án có vốn đầu tƣ 300 triệu USD

Các tấm pin Mặt trời do First Solar sản xuất có công nghệ bán dẫn tiên tiến và cung cấp giải pháp quang điện toàn diện Nhà máy này khi hoàn thành sẽ có 4 dây chuyền sản xuất, thu hút khoảng 600 lao động

Từ việc tìm mua nguyên liệu thô cho đến thu gom sản phẩm phế thải và tái chế, First Solar tập trung vào việc tạo ra các giải pháp năng lượng tái sinh, hiệu quả kinh tế bảo vệ và củng cố môi trường

Nhà máy sẽ đóng vai trò chủ đạo trong kế hoạch tăng gấp đôi sản lượng điện

vào năm 2012 của First Solar và giảm hơn nữa chi phí điện năng lượng Mặt trời

Đây là dự án có tầm quan trọng đối với TP HCM, trong tình hình thiếu hụt điện năng nghiêm trọng như hiện nay Nhiều vị lãnh đạo cấp cao của TP HCM như Bí thư Thành ủy Lê Thanh Hải, Chủ tịch UBND thành phố Lê Hoàng Quân và lãnh đạo các

bộ ngành liên quan có mặt tại buổi khởi công

Ngoài ra, hiện nay Việt Nam còn có rất nhiều dự án điện Mặt trời đang chuẩn bị thi công và lắp đặt

Chương II NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

2.1 Mặt trời và cấu tạo Mặt trời

Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1,4.106km(lớn hơn 110 lần đường kính trái đất), cách xa trái đất 150.106km Khối lượng Mặt trời khoảng

20.10 , trung bình khoảng 15,6.106K Ở nhiệt độ như vậy, vật chất không thể giữ

được cấu trúc trật 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 chạm 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 của Mặt trời, các nhà khoa học đã kết luận rằng

có phản ứng nhiệt hạch xảy ra ở trong

lòng Mặt trời

Hình 2.1 Bên ngoài Mặt trời

Cũng giống như Trái đất, Mặt trời cũng có nhiều lớp khác nhau tạo nên cấu trúc của nó Nhưng Mặt trời không giống Trái đất ở chỗ, nó hoàn toàn là một quả cầu khí, không có một bề mặt chất rắn nào cả Mặc dù Mặt trời hoàn toàn được tạo ra bằng các khí, nhưng tỷ trọng và nhiệt độ của các khí có sự khác biệt rất lớn từ phần trung tâm cho đến vỏ của Mặt trời Ở phần trung tâm của Mặt trời, tỷ trọng bằng

- Phần lõi: Phần lõi của Mặt trời là khu vực trung tâm, có bán kính khoảng

175.000km, khối lượng riêng60g/cm 3, nhiệt độ ước tính từ 14 đến 20 triệu độ, áp suất vào khoảng hàng tỷ atmosphe, là nơi các phản ứng hạt nhân tổng hợp hyđro để hình thành heli Những phản ứng này giải phóng năng lượng mà về sau nó đi ra khỏi Mặt trời dưới dạng các bức xạ Tại đây, trọng lực sẽ hút tất cả mọi vật hướng vào trong và

tạo ra một áp lực lớn Chính áp lực này đã tác động khiến cho các nguyên tử khí hyđro kết hợp với nhau để tạo ra phản ứng hạt nhân

Nguồn năng lượng được phát ra dưới nhiều dạng ánh sáng (tia cực tím, các tia

X, ánh sáng nhìn thấy, tia hồng ngoại, các sóng ngắn và sóng Radio) Mặt trời cũng phát ra các hạt mang năng lượng (nơtron, proton và nơtrino) tạo ra gió Mặt trời Nguồn năng lượng chiếu xuống Trái đất giúp sưởi ấm hành tinh này, tác động lên sức khỏe của con người và cung cấp các nguồn năng lượng cho đời sống Chúng ta hầu như không bị các bức xạ và gió Mặt trời làm hại bởi vì đã có bầu khí quyển bảo vệ

- Tầng bức xạ: là phần tiếp theo phần lõi, chiếm 55% bán kính Mặt trời Ở khu

vực này, năng lượng từ phần lõi được truyền đi xa hơn nhờ các photon (lượng tử ánh sáng) Khi một lượng tử ánh sáng được hình thành, nó sẽ di chuyển được một khoảng micromet (một phần triệu mét) trước khi bị hút bởi các phân tử khí Sau khi hút các photon, các phân tử khí sẽ bị đốt nóng và lại tiếp tục phát ra các lượng tử ánh sáng khác với bước sóng tương tự Các lượng tử ánh sáng được tái phát đó cũng đi thêm được một quảng đường là một micromet và cũng bị các phân tử khí khác hấp thụ, chu trình này được lập đi lập lại liên tục, mỗi sự tương tác giữa lượng tử ánh sáng và các phân tử khí đều mất một khoảng thời gian nhất định Quá trình hấp thụ và tái phát này diễn ra khoảng 1025

lần trước khi một lượng tử ánh sáng đi đến được bề mặt, vì vậy khoảng thời gian để một lượng tử ánh sáng được tạo ra ở phần lõi và sau đó đi đến được bề mặt là rất đáng kể

- Tầng đối lưu: nằm trong khoảng 30% bán kính còn lại, nơi có các dòng đối

lưu hoạt động mạnh và mang năng lượng đi ra khỏi bề mặt của Mặt trời Các dòng đối lưu này làm tăng hoạt động của các khí nóng bên cạnh đó làm giảm hoạt động của các dòng khí lạnh Các dòng đối lưu mang các lượng tử ánh sáng ra khỏi bề mặt của Mặt trời nhanh hơn quá trình chuyển giao các bức xạ xảy ra giữa phần lõi và phần bức xạ Với rất nhiều sự tương tác diễn ra giữa các lượng tử ánh sáng và phân tử khí trong các tầng bức xạ và tầng đối lưu, một lượng tử ánh sáng mất gần 100.000 đến 200.000 năm

để tới bề mặt

- 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, bao gồm

3 phần: Quyển sáng, quyển sắc và hào quang

- Phần quyển sáng: là khu vực thấp nhất trong bầu khí quyển Mặt trời mà tại đó

có thể nhìn thấy từ trái đất, rộng khoảng 300 – 400km và có nhiệt độ trung bình là 5.800K Nó xuất hiện dưới dạng bong bóng hoặc kết tạo thành hạt, giống với bề mặt của một bình nước đang sôi Khi đi ra khỏi quyển sáng thì nhiệt độ sẽ giảm và các khí

sẽ trở nên lạnh hơn, do vậy nó không phát ra nguồn năng lượng ánh sáng nữa Vì thế, rìa ngoài cùng của quyển sáng sẽ tối lại và một hiệu ứng rìa tối đã chiếm toàn bộ phần xung quanh Mặt trời

- Phần quyển sắc: nằm phía trên và cách phần quyển sáng khoảng 2000km,

nhiệt độ chảy dọc phần quyển sắc tăng từ 4.500K – 10.000K Người ta cho rằng phần quyển sắc bị đốt nóng là do sự đối lưu xảy ra phía dưới phần quyển sáng Khi các chất khí chuyển động hỗn loạn trong vùng quyển sáng, chúng sẽ tạo ta các sóng làm đốt nóng các khí xung quanh và phóng chúng vào phần quyển sắc dưới dạng các tia khí nóng nhỏ gọi là các gai nhỏ Mỗi cái gai cách quyển sáng khoảng 5.000km và tồn tại một vài phút Những cái gai này cũng kéo theo sau một vùng từ trường của Mặt trời

mà nó được tạo ra bởi sự chuyển động của các khí bên trong Mặt trời

- Vầng hào quang: là lớp cuối cùng của Mặt trời kéo dài hàng triệu km phía

ngoài vùng quyển sáng Chúng ta có thể quan sát nó rõ nhất vào thời điểm nhật thực và trong các bức ảnh của Mặt trời được chụp bằng tia X Nhiệt độ của vầng trung bình là

2 triệu độ K, mặc dù không có ai có thể giải thích vì sao vầng lại nóng như vậy, nhưng theo một số phỏng đoán thì nguyên nhân là do từ tính Mặt trời Và có những khu vực sáng và nóng cũng như những khu vực tối gọi là các lỗ vòng hoa Các lỗ vòng hoa tương đối lạnh và được xem là nơi hình thành các phân tử gió Mặt trời

Hình 2.2 Cấu trúc của Mặt trời

2.2.Năng lượng Mặt trời

Năng lượng Mặt trời là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ Mặt trời, cộng với một phần nhỏ năng lượng của các hạt hạ nguyên tử khác phóng ra Dòng năng lượng này sẽ tiếp tục phát ra cho đến khi phản ứng hạt nhân trên Mặt trời hết nhiên liệu, vào khoảng 5 tỷ năm nữa

Về mặt vật chất thì Mặt trời chứa đến 78,4% khí hydro (H2), heli (He) chiếm 19,8%, các nguyên tố khác chỉ chiếm 1,8%

Năng lượng do Mặt trời bức xạ ra vũ trụ là một lượng khổng lồ Mỗi giây trôi qua, Mặt trời giải phóng ra không gian xung quanh 3,865.1026J, tương đương với năng lượng đốt cháy 16

1,32.10 tấn than đá tiêu chuẩn Nhưng bề mặt quả đất chỉ nhận được một năng lượng rất nhỏ và bằng 17,52.1016J tương đương năng lượng đốt cháy

6

6.10 tấn than đá

Năng lượng khổng lồ từ Mặt trời được xác định là sản phẩm của các phản ứng nhiệt hạt nhân Theo thuyết tương đối của Einstein và qua phản ứng nhiệt hạch hạt nhân khối lượng có thể chuyển thành năng lượng Nhiệt mặt ngoài của Mặt trời khoảng 6000K, còn bên trong Mặt trời có thể lên đến hàng triệu độ Áp suất bên trong Mặt trời cao hơn 340.108Mpa Do nhiệt độ và áp suất bên trong Mặt trời cao như vậy nên vật chất đã nhanh chóng bị ion hóa và chuyển động với năng lượng rất lớn Chúng

va chạm vào nhau và gây ra hàng loạt các phản ứng hạt nhân Các nhà khoa học đã xác định được nguồn năng lượng Mặt trời chủ yếu do hai loại phản ứng hạt nhân gây ra

Đó là phản ứng tuần hoàn giữa các hạt nhân cacbon và nitơ (còn gọi là chu trình Bethe hay chu trình cacbon) và phản ứng hạt nhân proton-proton (hay chu trình hydro)

2.2.1 Quá trình phản ứng tuần hoàn C-N

Quá trình này được mô tả như sau:

- Đồng vị 13

6C va chạm với một proton tạo ra đồng vị 14

7N và tia γ là năng lượng điện từ có bước sóng rất ngắn (ΔE 2)

- Đồng vị 14

7N va chạm với một proton tạo ra đồng vị 15

8O không bền và độ hụt khối Δm 3 biến thành năng lượng ΔE 3 cũng dưới dạng tia gamma

- Đồng vị 15

8O biến đổi thành đồng vị 15

7N và phát ra một pozitron và một nơtrino

Như vậy, ta thấy sau mỗi chuỗi phản ứng nói trên, hạt nhân 12

6C biến đổi lại trở về đồng vị 12

6C Điều đó có nghĩa là phản ứng hạt nhân C-N có tính tuần hoàn Trong quá trình phản ứng một lượng lớn hydro bị tiêu hao và chuyển thành năng lượng

2.2.2 Phản ứng tuần hoàn proton-proton

Phản ứng tuần hoàn này có thể viết như sau:

He

2 , 4

He

2 là các đồng vị của hạt nhân heli

Cả hai loại phản ứng nói trên điều có kết quả chung là phản ứng kết hợp bốn hạt nhân nguyên tử hydro để tạo thành hạt nhân nguyên tử heli (hạt α) Ta biết khối lượng của hạt nhân hydro hay proton và heli là: m p =1,672.1024g

m α =6,644.1024g

Từ đó ta có độ hụt khối Δm của phản ứng sẽ là:

E ta tính được năng lượng được giải phóng ra khi 1g hạt nhân tạo phản ứng sẽ

là 9.1013J Như vậy khi 1g proton tham gia phản ứng hạt nhân thì tiêu hao mất 0,7% tổng khối lượng và phát ra một năng lượng là:

Như đã nói ở trên, khối lượng Mặt trời xấp xỉ 27

2.10 tấn Như vậy để Mặt trời chuyển hóa hết khối lượng của nó thành năng lượng cần một khoảng thời gian là 10 tỷ năm Từ đó có thể thấy nguồn năng lượng Mặt trời là khổng lồ và lâu dài

Trong chân không vận tốc truyền của sóng điện từ gần bằng vận tốc ánh sáng

v , trong đó n gọi là chiếc suất tuyệt đối của môi trường, với n 1 Các sóng điện

từ có bước sóng trải dài trong một phạm vi rất rộng từ 107nm(nano met) đến hàng nghìn km

Hình 2.3 Thang sóng điện từ của bức xạ Mặt trời

Ánh sáng nhìn thấy có bước sóng khoảng 400nm đến 700nm, chỉ chiếm một phần nhỏ của phổ Mặt trời Cần chú ý rằng, mặc dù có cùng bản chất là sóng điện từ nhưng các loại sóng điện từ có bước sóng λ khác nhau thì gây ra các tác dụng lý - hóa

và sinh học rất khác nhau Nói riêng trong vùng ánh sáng nhìn thấy, sự khác nhau về bước sóng gây ra cho ta cảm giác màu sắc khác nhau của ánh sáng Khi đi từ bước sóng λ =700nmđến giới hạn sóng ngắn λ =400nmta nhận thấy màu sắc của ánh sáng thay đổi liên tục từ đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím Mắt người nhạy nhất đối với ánh sáng màu vàng có bước sóng λ =580nm Sự phân bố năng lượng đối với các bước

sóng khác nhau cũng khác nhau (Bảng 2.1)

Quang phổ Bước sóng

Mật độ năng lượng ( W / m2)

12,122.10

18,073.10

0,57 1,55 5,90

Ánh sáng nhìn thấy

0,40,52μm

0,520,62μm0,620,78μm

2

2,240.10

21,827.10

2

2,280.10

16,39 13,36 16,68

Tia hồng ngoại

0,781,40μm1,103,00μm3,00100,00μm

2

4,125.10

21,836.10

12,637.10

30,18 13,43 1,93

Sóng vô tuyến

0,1010,00cm10,00100,00cm1,0010,00m

Bảng 2.1 Phân bố phổ bức xạ Mặt trời theo bước sóng

Bảng 2.1 cho thấy mật độ năng lượng của bức xạ điện từ phụ thuộc vào bước sóng của nó Qua đó ta thấy rằng mật độ năng lượng của bức xạ Mặt trời chủ yếu phân

bố trong dãi bước sóng λ 0,2 = μm(tử ngoại C, tỷ lệ mật độ năng lượng 0,57%) đến

Còn bảng 2.2 là quan hệ màu sắc của ánh sáng và bước sóng của nó

trời tăng có thể lên tới 103 3

cm

hơn năng lượng bức xạ nhiệt 107

lần và thâm nhập vào tầng khí quyển không quá 90km

- Bức xạ điện từ, khi tới bề mặt Trái đất, có hai dạng là bức xạ trực tiếp và bức

xạ khuếch tán Có bước sóng từ bức xạ gamma đến sóng vô tuyến với năng lượng cực đại ở vùng ánh sáng nhìn thấy Khi qua khí quyển trái đất, các bức xạ sóng ngắn có hại cho sự sống hầu như bị lớp ozon hấp thụ hoàn toàn Ngày nay do công nghiệp phát triển, các chất CFC thải vào khí quyển đang phá hủy lớp ozon, tạo ra nguy cơ bức xạ sóng ngắn hủy diệt sự sống trên Trái đất nếu mất đi lớp ozon

Ánh sáng nói riêng, hay bức xạ điện từ nói chung, từ bề mặt của Mặt trời được xem là nguồn năng lượng chính cho trái đất Hằng số năng lượng Mặt trời được tính bằng công suất của lượng bức xạ trực tiếp chiếu trên một đơn vị diện tích của bề mặt trái đất, và bằng khoảng 1370W/m2

Ánh sáng Mặt trời bị hấp thụ một phần trên bầu khí quyển trái đất, nên một phần nhỏ hơn tới được bề mặt trái đất, gần 1000W/m2

năng lượng Mặt trời tới trái đất trong điều kiện quang đãng Năng lượng này có thể dùng vào các quá trình tự nhiên hay nhân tạo Quá trình quang hợp trong cây sử dụng ánh sáng Mặt trời và chuyển đổi CO2 thành Ôxy và các hợp chất hữu cơ, trong khi nguồn nhiệt trực tiếp là làm nóng các bình đun nước nóng dùng năng lượng Mặt trời, hay chuyển thành điện năng bằng các pin năng lượng Mặt trời Năng lượng dự trữ trong dầu mỏ được giả định rằng là nguồn năng lượng của Mặt trời được chuyển đổi từ xa xưa trong quá trình quang hợp và phản ứng hóa sinh của cổ sinh vật

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

km

5

5.10 chiều dày của lớp vật chất Mặt trời bị biến đổi rất mạnh Tất cả các dạng của bức xạ điện từ điều có bản chất sóng Bức xạ γ là sóng ngắn nhất trong các sóng đó (hình 2.4), 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 Rơnghen 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

Hình 2.4 Dãi bức xạ điện từ

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 dãy 10110μm và hầu như một nửa tổng năng lượng Mặt trời tập trung trong khoảng bước sóng 0,38 – 0,78μm đó là vùng nhìn thấy của quang phổ

Chùm tia truyền thẳng từ Mặt trời gọi là bức xạ trực xạ Tổng hợp các tia trực

xạ và tán xạ gọi là tổng xạ Mật độ dòng bức xạ trực xạ ở ngoài lớp khí quyển, tính đối với 1m2

bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ, được tính theo công thức:

4

) 100 /

(T

C

qDT O (2.1) Trong đó: DT là hệ số góc bức xạ giữa Trái đất và Mặt trời

Do khoảng cách giữa Trái đất và Mặt trời thay đổi theo mùa trong năm nên β

cũng thay đổi, do đó q cũng thay đổi nhưng độ thay đổi không lớn lắm nên có thể xem

q là không đổi và được gọi là hằng số Mặt trời

Toàn bộ Trái đất nhận được từ Mặt trời khoảng2,4.10 18 cal/cm 2, gồm 48% năng lượng thuộc dãy phổ ánh sáng nhìn thấy (λ = 0,4 - 0,76 μm), 7% tia cực tím (λ < 0,4 μm) và 45% thuộc dãy phổ hồng ngoại (λ > 0,76 μm) Trong khí quyển, bức xạ Mặt trời một phần bị các đám mây phản xạ, một phần bị hấp thụ biến thành nhiệt, một phần

bị các phân tử, các tạp chất khuếch tán thành bức xạ khuếch tán chiếu sáng mặt đất về ban ngày Bức xạ Mặt trời tới được mặt đất, một phần bị phản xạ lại, một phần được hấp thụ làm nóng mặt đất và lớp nước bên trên (hình 2.5)

Phần năng lượng bức xạ Mặt trời truyền tới bề mặt Trái đất trong những ngày quang đãng (không có mây) ở thời điểm cao nhất vào khoảng 2

/

1000W m

Năng lượng bức xạ Mặt trời đang được nghiên cứu ứng dụng cho sản xuất và đời sống Đó là nguồn năng lượng rất có triển vọng của tương lai: sạch, vô tận và nguồn có sẵn

Các ứng dụng năng lượng Mặt trời phổ biến hiện nay bao gồm hai lĩnh vực chủ yếu Thứ nhất là năng lượng Mặt trời được biến đổi trực tiếp thành điện năng nhờ các

tế bào quang điện bán dẫn, hay còn gọi là Pin Mặt trời, các Pin Mặt trời sản xuất ra

điện năng một cách liên tục chừng nào còn có bức xạ Mặt trời chiếu tới Lĩnh vực thứ

hai đó là sử dụng năng lượng Mặt trời dưới dạng nhiệt năng, ở đây, chúng ta dùng các

thiết bị thu bức xạ nhiệt Mặt trời và tích trữ nó dưới dạng nhiệt năng để dùng vào các

Chương III ĐIỆN MẶT TRỜI

Năng lượng Mặt trời là một nguồn năng lượng sạch và có thể coi là vô tận Một trong các kỹ thuật sử dụng năng lượng Mặt trời là sản xuất điện năng – Điện Mặt trời

Để sản xuất điện Mặt trời người ta sử dụng hai công nghệ: nhiệt Mặt trời và pin quang điện Trong công nghệ thứ nhất, năng lượng Mặt trời được hội tụ nhờ các hệ thống gương hội tụ (như máng parabol, gương cầu, …) để tập trung ánh sáng Mặt trời thành các nguồn nhiệt có mật độ năng lượng và nhiệt độ rất cao, có thể làm bốc hơi nước ở nhiệt độ và áp suất lớn và sau đó làm quay các tuabin để sản xuất ra điện năng Còn trong công nghệ pin Mặt trời, năng lượng Mặt trời được biến đổi trực tiếp thành điện năng nhờ các tế bào quang điện bán dẫn, hay còn gọi là Pin Mặt trời, các Pin Mặt trời sản xuất ra điện năng một cách liên tục chừng nào còn có bức xạ Mặt trời chiếu tới Dưới đây chúng ta sẽ nghiên cứu 2 công nghệ này

3.1 Pin Mặt trời

Pin năng lượng Mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện), là thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các diode p - n, dưới tác dụng 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

Các pin Mặt trời có nhiều ứng dụng Chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng mà điện năng trong mạng lưới chưa vươn tới, các vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo Trái đất, máy tính cầm tay, các thiết bị điều khiển từ xa, thiết bị bơm nước…Pin năng lượng Mặt trời (tạo thành các module hay các tấm năng lượng Mặt trời) xuất hiện nơi

các nóc các tòa nhà nơi chúng ta có thể kết nối với bộ chuyển đổi của mạng lưới điện

3.1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin Mặt trời

Pin Mặt trời làm viêc theo nguyên lý là biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ Mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện

3.1.1.1 Hiệu ứng quang điện

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

a Hiện tượng

Khi bề mặt của một tấm kim loại được chiếu bởi bức xạ điện từ có tần số lớn hơn 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 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 Hiệu ứng này dẫn đến sự thay đổi về tính chất dẫn điện của vật dẫn Do đó, người ta còn gọi hiện tượng này là hiện tượng quang dẫn

Khi chiếu các bức xạ điện từ vào các chất bán dẫn, nếu năng lượng của photon

đủ lớn hơn độ rộng vùng cấm của chất, năng lượng này sẽ giúp cho điện tử dịch chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, do đó làm thay đổi tính chất điện của chất bán dẫn (độ dẫn điện của chất bán dẫn tăng lên do chiếu sáng) Hoặc sự chiếu sáng cũng tạo ra các cặp điện tử – lỗ trống cũng làm thay đổi cơ bản tính chất điện của bán dẫn Hiệu ứng này được sử dụng trong photodiod, phototransitor, pin Mặt trời, …

b Các định luật quang điện và giải thích

Có nhiều mô hình giải thích khác nhau về hiệu ứng quang điện, tuy nhiên điều không thành công do sử dụng mô hình sóng ánh sáng Albert Einstein là người giải thích thành công hiệu ứng quang điện bằng cách sử dụng mô hình lượng tử ánh sáng Heinrich Hertz và Stoletov là những người nghiên cứu chi tiết về hiệu ứng quang điện

và đã thành lập các định luật quang điện

- Mỗi tần số bức xạ và mỗi kim loại, cường độ quang điện (cường độ dòng điện

tử phát xạ do bức xạ điện từ) tỷ lệ thuận với cường độ chùm sáng tới

- Với mỗi kim loại, tồn tại một tần số tối thiểu của bức xạ điện từ mà ở dưới tần

số đó, hiện tượng quang điện không xảy ra Tần số này được gọi là tần số ngưỡng, hay giới hạn quang điện của kim loại đó

- Ở trên tần số ngưỡng, động năng ban đầu cực đại của quang điện tử không phụ thuộc vào cường độ chùm sáng tới mà chỉ phụ thuộc vào tần số của bức xạ và bản chất kim loại

- Thời gian trong quá trình từ lúc bức xạ chiếu tới và các điện tử phát ra là rất ngắn, dưới 10− 9 giây

Albert Einstein đã sử dụng thuyết lượng tử để lý giải hiện tượng quang điện Mỗi photon có tần số f sẽ tương ứng với một lượng tử năng lượng có năng lượng

c Hiệu ứng quang điện trong hệ thống hai mức năng lượng

Xét hệ hai mức năng lượng điện tử E 1 và E2trong đó E2 > E1 như hình 3.1a Bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E1 Khi nhận bức xạ Mặt trời , lượng tử ánh sáng – photon – có năng lượng hv (trong đó h là hằng số Planck, v là tần

số ánh sáng) bị điện tử hấp thụ và chuyển lên mức năng lượng E2 Ta có phương trình cân bằng năng lượng:

hv = E1 - E2 (3.1)

Trong các vật rắn, do tương tác rất mạnh của các hạt tinh thể lên điện tử vòng ngoài, nên các mức năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng con rất sát nhau và tạo thành các vùng năng lượng Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi trạng thái cân bằng gọi là vùng hóa trị, mà bờ trên của nó có mức năng lượng

Khi nhận bức xạ Mặt trời, photon có năng lượng hv tới hệ thống và bị điện tử ở

vùng hóa trị hấp thụ và nó có thể chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự do 

e ,

để lại ở vùng hóa trị một lỗ trống có thể coi như hạt mang điện dương nguyên tố, kí hiệu là +

h Lỗ trống này có thể di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện

Hiệu ứng lượng tử của quá trình hấp thụ photon được mô tả bằng phương trình sau:

E v + hv→ 

e +h +

Hình 3.1a Hệ thống hai mức năng lượng Hình 3.1b Các vùng năng lượng

Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lượng của photon và chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử – lỗ trống là E g = E c E v

E

= E

hc

= E E

h đều tự phát tham gia vào quá trình

“hồi phục”, chuyển động tới bờ của các vùng năng lượng: điện tử 

e giải phóng năng lượng để chuyển động tới bờ vùng dẫn E c, còn lỗ trống +

h chuyển động tới bờ của

v

E Quá trình hồi phục chỉ xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn 12 1

10

10 ÷  giây và gây ra dao động mạnh Năng lượng bị tổn hao do quá trình hồi phục sẽ là

g

hp = hv E

Tóm lại, khi vật rắn nhận bức xạ Mặt trời, điện tử ở vùng hóa trị hấp thụ năng

lượng photon hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử – lỗ trống ( 

e -

+

h ) Hiện tượng đó gọi là hiệu ứng quang điện bên trong

Nguyên lý hoạt động của pin Mặt trời chính là hiện tượng quang điện xảy ra trên lớp tiếp xúc p-n

Hình 3.2 Nguyên lý hoạt động của pin Mặt trời

Khi một photon chạm vào mảnh silic, một trong hai điều sau sẽ xảy ra:

- Photon truyền trực tiếp xuyên qua mảnh silic Điều này thường xảy ra khi năng lượng của photon thấp hơn năng lượng đủ để đưa các hạt electron lên mức năng lượng cao hơn

- Năng lượng của photon được hấp thụ bởi silic Điều này thường xảy ra khi năng lượng của photon lớn hơn năng lượng để đưa electron lên mức năng lượng cao hơn

Thông thường các electron này ở lớp ngoài cùng, và thường được kết dính với các nguyên tử lân cận vì thế không thể di chuyển xa Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các hạt electron trong mạng tinh thể Khi electron được kích thích, trở thành electron dẫn, các electron này có thể tự do di chuyển trong bán dẫn Khi đó nguyên tử sẽ thiếu một electron và đó gọi là lỗ trống Lỗ trống này tạo điều kiện cho các electron của nguyên tử bên cạnh di chuyển đến điền vào lỗ trống, và điều này tạo ra lỗ trống cho nguyên tử bên cạnh có “lỗ trống” Cứ tiếp tục như vậy lỗ trống di chuyển xuyên suốt trong chất bán dẫn

Một photon chỉ cần có năng lượng lớn hơn năng lượng đủ để kích thích electron lớp ngoài cùng Tuy nhiên, tần số của Mặt trời thường tương đương 6000K,

vì thế nên phần lớn năng lượng Mặt trời điều được hấp thụ bởi silic Tuy nhiên hầu hết năng lượng Mặt trời chuyển đổi thành năng lượng nhiệt nhiều hơn là năng lượng điện

sử dụng được

3.1.1.2 Hiệu suất của quá trình biến đổi quang điện

Ta có thể xác định đƣợc hiệu suất giới hạn về mặt lý thuyết của hiệu suất η của quá trình biến đổi năng lƣợng quang điện của hệ thống hai mức năng lƣợng nhƣ sau:

 

  dλ λ

hc λ J

dλ λ J E

= η o

c λ g

o o

g  là năng lƣợng hữu ích mà điện tử hấp thụ của photon trong quá trình quang điện

  dλ

λ

hc λ J

0 là tổng năng lƣợng của các photon tới hệ

Nhƣ vậy,η là một hàm số của E g (vì λ ccũng là hàm số của E g ) nhƣ đƣợc trình bày trong hình 3.3

- Các photon có năng lượng hv < E g hay λ > λ ckhông bị điện tử hấp thụ để tạo cặp 

E  cho mạng tinh thể vật rắn để tới đáy cùng vùng năng lượng

Đối với bán dẫn silicon Si,E g =1,66eV , tính toán cho thấy 23% mất mát năng lượng do photon truyền qua, 33% do quá trình hồi phục của 

h khỏi liên kết cặp và sau

đó bắt chúng chuyển động có hướng Hiệu ứng này có thể được thực hiện nhờ một điện trường E nào đó, ví dụ như sử dụng điện trường định xứ trên lớp tiếp xúc p - n giữa hai loại bán dẫn

Trong bán dẫn loại n , mật độ hạt dẫn điện tử n n lớn hơn mật độ lỗ trống p n

(n >> n p n) vì vậy người ta gọi hạt điện tử là là hạt dẫn cơ bản, còn lỗ trống gọi là hạt dẫn không cơ bản Một cách gần đúng thì mật độ điện tử n n gần bằng mật độ tạp chất nguyên tử donor N D được pha vào bán dẫn tinh khiết Còn trong bán dẫn loại p, lỗ trống lại là hạt dẫn cơ bản Mật độ lỗ trống p plại lớn hơn mật độ electron n p

( p >> p n p), độ dẫn chủ yếu do lỗ trống có mật độ p p, nó gần bằng mật độ nguyên tử tạp chất acceptor N Ađược pha vào bán dẫn tinh khiết

Về mặt năng lượng, sự pha các tạp chất donor và acceptor vào bán dẫn tinh khiết đã làm xuất hiện các mức năng lượng tạp chất trong vùng cấm: các mức tạp chất donor nằm sát dưới đáy vùng dẫn E ctrong bán dẫn loại n Ngược lại, các mức tạp chất acceptor lại nằm sát đỉnh vùng hóa trị trong bán dẫn loại p

Khi cho các bán dẫn loại n và p tiếp xúc với nhau, tạo ra một lớp tiếp xúc p - n, thì do chênh lệch về mật độ hạt dẫn, các điện tử sẽ khuếch tán từ bán dẫn n sang bán dẫn p, còn lỗ trống thì khuếch tán ngược lại Sự khuếch tán này làm cho phía bán dẫn

n sát với lớp tiếp xúc tích điện dương, còn phía bán dẫn loại p đối diện tích điện âm Trong miền tiếp xúc hình thành một điện trường tiếp xúc hướng từ bán dẫn n sang bán

dẫn p ngăn cản các quá trình khuếch tán của điện tử và lỗ trống Sự hình thành điện trường tiếp xúc dẫn đến sự tạo ra một hàng rào thế ngăn cản sự khuếch tán của các hạt tải điện cơ bản qua lớp tiếp xúc Khi đạt trạng thái cân bằng, điện trường và hiệu điện thế tiếp xúc sẽ đạt giá trị ổn định phụ thuộc vào bản chất vật liệu và nhiệt độ của miền tiếp xúc và biểu diễn bằng công thức sau:

i

A D i

p n tx

n

N N q

kT

= n

p n q

n

p n kTln

n tx

p p n n i

p

p kTln

= n

n kTln

= qU n

p

= p n

=

n2

Trong đó n ilà mật độ điện tử dẫn trong bán dẫn chưa pha tạp chất và bằng mật

độ lỗ trống p i ; T là nhiệt độ miền tiếp xúc; k là hằng số Boltzmann và q là điện tích của điện tử

Ở trạng thái cân bằng, độ cao hàng rào thế V D = qU txcó giá trị gần bằng độ rộng vùng cấm E g của vật liệu và điện trường tiếp xúc có giá trị khoảng

2 5

tx D A p

n

N + N q

U N + N ε

= W + W

3.1.1.4 Đường đặc trưng VA - sự tạo dòng quang điện

Chiếu sáng lớp tiếp xúc p - n Dưới tác dụng của ánh sáng, các cặp điện tử - lỗ trống được tạo thành, do tác dụng của điện trường tiếp xúc E txnên các cặp bị tách ra

và bị gia tốc về các phía đối diện và tạo ra các suất điện động quang điện Nếu nối các đầu bán dẫn loại p và n bằng một dây dẫn thì trong dây dẫn có một dòng điện gọi là dòng quang điện và có thể cho ở mạch ngoài một công suất hữu ích Suất điện động

quang điện xuất hiện trong lớp tiếp xúc p-n khi chiếu sáng nó, phụ thuộc vào các bán dẫn, nhiệt độ lớp tiếp xúc, bước sóng và cường độ ánh sáng tới

Hiện tượng xuất hiện suất điện động quang điện trên lớp tiếp xúc bán dẫn p - n khi chiếu sáng được gọi là hiệu ứng quang điện bên trong Cần chú ý rằng, chỉ có cặp

e− - +

h được tạo ra bởi miền tiếp xúc hoặc cách bờ miền tiếp xúc một khoảng L Dđược gọi là độ dài khuếch tán trung bình của cặp 

e - +

h thì mới bị điện trường tiếp xúc tách

ra và tạo ra dòng quang điện L Dlà hàm của tham số độ linh động của hạt μ(tốc độ chuyển động/một đơn vị điện trường) và thời gian sống trung bình τ của cặp trước khi

n n n

p p p

0

(3.6) Trong đó K là một hệ số và được gọi là hiệu suất góp của lớp tiếp xúc, có giá trị cực đại bằng 1 N ph là số cặp 

qua lớp tiếp xúc p-n khi đặt một nguồn điện thế ngoài V có thể biểu diễn bởi tổng đại

số của hai dòng là dòng quang điện I phvà dòng diode I d như sau:

I = I phI d = I phI sexpqV kT 1 (3.7)

Đường đặc trưng I = f V theo (3.7) gọi là đường đặc trưng VA của tiếp xúc bán dẫn p-n Như vậy một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n khi được chếu sáng có thể trở thành một máy phát điện, cho công suất điện mạch ngoài hữu ích Thiết bị sử dụng hiệu ứng quang điện trong trên lớp bán dẫn p - n để biến đổi trực tiếp năng lượng của ánh sáng Mặt trời thành điện năng đó chính là pin quang điện hay pin Mặt trời

3.1.1.5 Cấu tạo pin Mặt trời

Hiện nay vật liệu chủ yếu cho pin Mặt trời

là các silic tinh thể Pin Mặt trời từ silic tinh thể

chia ra thành 3 loại:

- Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản

xuất dựa trên quá trình Czochralski Pin Mặt trời

đơn tinh thể có thể đạt hiệu suất từ 11% - 16%

Chúng thường rất đắt tiền do được cắt từ các thỏi

hình ống, các tấm đơn tinh 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, từ 8% - 11% 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 ra từ các miếng phim mỏng

từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể Loại

này thường có hiệu suất thấp nhất, từ 3% - 6%, tuy

nhiên loại này rẻ nhất trong các loại vì không cần

phải cắt từ thỏi silic Hình 3.4 Quá trình tạo module

Một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng đổi trực tiếp năng lượng bức xạ Mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên trong gọi là pin Mặt trời Pin mặt

trời được sản xuất và ứng dụng phổ biến hiện nay là các pin Mặt trời được chế tạo từ tinh thể bán dẫn silicon (Si) có hóa trị 4 Từ tinh thể Si tinh khiết, để có vật liệu tinh thể bán dẫn loại n, người ta pha tạp chất donor là phospho có hóa trị 5 Còn để có vật liệu bán dẫn tinh thể loại p thì tạp chất acceptor được dùng để pha vào Si là Bo có hóa trị 3 Đối với pin Mặt trời từ vật liệu tinh thể Si khi bức xạ Mặt trời chiếu đến thì hiệu điện thế hở mạch giữa hai cực khoảng 0,55V và dòng điện đoản mạch của nó khi bức

Hiện nay người ta chế tạo ra pin Mặt trời bằng vật liệu Si vô định hình (a – Si)

So với pin Mặt trời tinh thể thì pin Mặt trời vô định hình giá thành rẻ hơn do tiết kiệm được vật liệu trong sản xuất nhưng hiệu suất biến đổi quang điện của nó thấp hơn và kém ổn định khi làm việc ngoài trời

Ngoài Si, hiện nay người ta đang nghiên cứu và thử nghiệm các loại vật liệu khác có nhiều triển vọng như sunfit cadmi – đồng (CuCds), galium – arsenit (GaAs) 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 tiếp xúc p - n để tăng cường khả năng hấp thụ photon có năng lượng khác nhau trong phổ bức xạ Mặt trời

Công nghệ chế tạo pin Mặt trời gồm nhiều công đoạn khác nhau, ví dụ để chế tạo pin Mặt trời từ silicon đa tinh thể cần qua các công đoạn như hình 3.4 cuối cùng ta được module (hình 3.5)

Hình 3.5 Cấu tạo module

3.1.2 Hệ thống nguồn điện pin Mặt trời

Hiện nay có hai công nghệ nguồn điện pin Mặt trời thông dụng Đó là hệ nguồn điện pin Mặt trời nối lưới và hệ nguồn độc lập Trong hệ nguồn điện pin Mặt trời nối lưới, điện năng một chiều từ dàn pin Mặt trời được biến đổi thành dòng điện xoay chiều và được hòa vào mạng lưới điện công nghiệp Công nghệ này được sử dụng phổ

biến ở các nước phát triển như Mỹ, Nhật bản, Pháp, Đức, Ưu điểm của loại nguồn

này là không phải dùng bộ trữ điện năng, là một thành phần chiếm tỷ trọng chi phí lớn,

phải chăm sóc bảo dưỡng phức tạp

Đối với các khu vực không có lưới điện hoặc sử dụng với quy mô nhỏ, ta có thể

sử dụng công nghệ nguồn pin Mặt trời độc lập Phần lớn các ứng dụng nguồn điện Mặt

trời ở khu vực nông thôn, vùng sâu ở các nước đang phát triển thì ta nên sử dụng công

nghệ nguồn độc lập

Dưới đây chúng ta sẽ nghiên cứu loại hệ nguồn pin Mặt trời độc lập

3.1.2.1 Hệ thống nguồn điện pin Mặt trời tổng quát

Hình 3.6 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động hệ thống năng lượng pin Mặt trời độc lập

Một hệ thống năng lượng pin Mặt trời độc lập được định nghĩa là một tổ hợp

của các thành phần sau đây:

- Dàn pin hay máy phát pin Mặt trời

- Bộ tích trữ điện năng

- Các thiết bị điều khiển, biến đổi điện, tạo cân bằng năng lượng trong hệ

- Các tải (thiết bị) tiêu thụ điện

Sơ đồ của một hệ thống năng lượng pin Mặt trời tổng quát được trình bày trong

hình 3.7

Hình 3.7 Sơ đồ hệ thống pin Mặt trời tổng quát

Dàn pin Mặt trời gồm một hoặc một số module pin Mặt trời ghép (song song, nối tiếp hay hỗn hợp) để có công suất điện, hiệu điện thế phù hợp với yêu cầu của các tải Dàn pin Mặt trời là thành phần chính của một hệ nguồn điện Mặt trời và chiếm đến khoảng 60% tổng chi phi đầu tư Dàn pin Mặt trời nhận năng lượng ánh sáng Mặt trời

và biến đổi trực tiếp thành điện năng một chiều cung cấp cho các tải tiêu thụ điện

Thông thường các tải tiêu thụ điện như các thiết bị thông tin, đèn chiếu sáng,

TV, radio,…cần có nguồn điện làm việc liên tục hoặc vào các thời gian không có nắng Trong lúc đó, pin Mặt trời chỉ phát điện lúc có nắng Vì vậy cần phải có một bộ tích trữ năng lượng (ví dụ: bộ acquy) Ngoài ra các bộ tích trữ năng lượng còn ổn định thế điện cấp cho tải Trong một số trường hợp đặc biệt, ví dụ: tải là máy bơm nước, không cần phải hoạt động lúc không có nắng, thì hệ có thể không cần thành phần tích trữ năng lượng cho thiết bị này

Để điều khiển tự động quá trình dàn pin Mặt trời nạp điện cho acquy và quá trình acquy cung cấp điện cho các tải tiêu thụ, tránh các trạng thái có hại cho acquy khi nạp điện hoặc cung cấp điện, người ta phải dùng các bộ điều khiển kiểm soát một cách tự động các quá trình phóng nạp cho acquy

Các thiết bị tiêu thụ điện nói chung cần dòng điện xoay chiều, điện thế 220V hoặc 110V, tần số 50 - 60Hz Trong lúc đó điện từ dàn pin Mặt trời và bộ acquy chỉ là điện một chiều Vì vậy, để có điện xoay chiều, người ta phải đưa vào hệ các thiết bị biến đổi điện

Tất cả các thiết bị điều khiển quá trình phóng nạp điện cho acquy, thiết bị biến đổi điện,…đều có nhiệm vụ chung là phối hợp, điều tiết sự cung cấp và cân bằng năng lượng trong hệ thống, nên chúng được gọi chung là thành phần cân bằng năng lượng, viết tắt là BOS (Balance of System)

Các thiết bị trong thành phần BOS, cũng gây ra các tổn hao năng lượng Vì vậy, đối với hệ năng lượng pin Mặt trời, việc lựa chọn loại thiết bị, chất lượng và kích cỡ

các thiết bị này cũng là một vấn đề rất quan trọng trong công tác thiết kế, lắp đặt hệ thống

Dưới đây chúng ta sẽ nghiên cứu các thành phần trong hệ thống năng lượng pin Mặt trời

3.1.2.2 Dàn pin Mặt trời

Như đã trình bày, thương phẩm về pin Mặt trời là các module pin Mặt trời có công suất và hiêu điện thế đã được thiết kế trước Để có công suất và hiệu điện thế yêu cầu cho hệ thống năng lượng cụ thể nào đó, có thể phải ghép nối nhiều module lại với nhau Có hai cách ghép cơ bản là ghép nối tiếp và ghép song song Để có một hiệu điện thế lớn người ta phải ghép nối tiếp các module lại với nhau, còn để có một dòng điện lớn người ta dùng cách ghép song song các module Trong thực tế người ta thường phải ghép nối hỗn hợp các module lại với nhau Ta có một số cách ghép module pin Mặt trời như sau: ghép nối tiếp các module pin Mặt trời giống nhau; ghép nối tiếp các module pin Mặt trời không giống nhau; ghép song song các module pin Mặt trời giống nhau và ghép song song các module pin Mặt trời không giống nhau

Để tránh các ghép nối không đúng các module tạo thành lớn (tức là để tránh hiệu ứng điểm nóng), người sản xuất cần phải đo đạc, kiểm tra chính xác một số các đặc trưng dưới đây và ghi rõ trên module hoặc trong các tài liệu bán kèm theo:

- Công suất làm việc cực đại P max  W p

- Dòng điện ngắn mạch I sc (A)

- Thế hở mạch V oc (V)

- Dòng điện làm việc tối ưuI OPT (A)

- Thế làm việc tối ưu V OPT (V)

- Hiệu suất cực đại η (%)

- Vùng nhiệt độ làm việc cho phép  0C

- Kích thước, trọng lượng module

Các đặc trưng điện phải được đo ở điều kiện tiêu chuẩn quốc tế Cụ thể là: nguồn bức xạ để đo phải có phổ như phổ bức xạ Mặt trời, có mật độ 1000W m/ 2và nhiệt độ chuẩn T0=250C Ngoài các đo đạc trên, các module còn phải đạt các tiêu chuẩn khác như độ cách điện, độ bền cơ học (chịu được gió cấp 12 hay 130km/giờ, chịu được mưa đá), chịu độ ẩm,