Bài giảng: NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO

Nguồn năng lƣợng mặt trời (thiên văn) 2. Tế bào quang điện 3. Đặc tuyến IV của pin quang điện 4. Công nghệ chế tạo pin quang điện 5. Đặc tính làm việc của pin quang điện 6. Hệ điện mặt trời độc lập 7. Hệ điện mặt trời hòa lƣới 8. Tính toán kinh tế cho hệ hòa lƣới 9. Xu hƣớng sử dụng năng lƣợng mặt trời 10.Giải pháp công nghệ cho các hệ điện mặt trờiNguồn năng lƣợng mặt trời (thiên văn) 2. Tế bào quang điện 3. Đặc tuyến IV của pin quang điện 4. Công nghệ chế tạo pin quang điện 5. Đặc tính làm việc của pin quang điện 6. Hệ điện mặt trời độc lập 7. Hệ điện mặt trời hòa lƣới 8. Tính toán kinh tế cho hệ hòa lƣới 9. Xu hƣớng sử dụng năng lƣợng mặt trời 10.Giải pháp công nghệ cho các hệ điện mặt trời

Trang 1

C2: NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI

Trang 2

ĐH Bách Khoa TP.HCM 2

C2: NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI

1 Nguồn tài nguyên năng lượng mặt trời

• Trước khi nói về năng lượng mặt trời, hãy tìm hiểu về mặt trời:

• Như cường độ ánh nắng ra sao

• Vị trí của mặt trời ở đâu tại mọi thời điểm

• Bức xạ mặt trời ra sao (insolation: in cident sol ar radi ation )

• Từ đó xác định bức xạ trung bình nhận được mỗi ngày

• Và chọn vị trí và góc lắp đặt dàn pin mặt trời sao cho hiệu quả nhất

Trang 3

noyau Earth

Moon

25 10 6 GWh

45%

720 109GWh

Nguồn năng lượng mặt trời

SC = hằng

số mặt trời = 1.377 kW/m2

Trang 4

Bức xạ của lỗ đen và mặt trời

• Mặt trời

– Đường kính 1.4 triệu km

– Tổng công suất bức xạ điện từ là 3.8 x 1020 MW

• Vật thể đen

– Là vật thể vừa hấp thụ hoàn toàn, vừa bức xạ hoàn hảo

– Bức xạ hoàn hảo – phát xạ lượng năng lượng trên mỗi đơn vị diện tích nhiều hơn bất kỳ một vật thể thực ở cùng nhiệt độ

– Hấp thụ hoàn toàn – hấp thụ tất cả bức xạ, hoàn toàn không có phản xạ

Trang 6

• T = nhiệt độ tuyệt đối (K)

• A = tổng diện tích bề mặt của vật thể đen (m2)

• λmax =0.5 μm cho mặt trời, T = 5800 K

• λmax = 10.1 μm với trái đất (một vật đen), T = 288 K

max

2898 ( ) (7.3)

Trang 7

Bức xạ của trái đất

• Ví dụ 7.1: Trái đất là một vật thể đen, có nhiệt độ trung bình 17oC, diện tích bề mặt 5,1x1014m2 Tính công suất bức xạ và bước sóng có công suất bức xạ đỉnh So sánh với bước sóng bức xạ đỉnh của mặt trời 5800oK

4

(7.2)

E  A T max

2898 ( ) (7.3)

Phổ bức xạ của mặt trời bên ngoài khí quyển

Hình 7.2

Trang 8

• h1 = chiều dài đường đi qua bầu khí quyển với ánh

nắng mặt trời ngay trên đỉnh đầu

• h2 = chiều dài đường đi qua bầu khí quyển để đến bề mặt trái đất

• β = góc cao độ của mặt trời

Hình 7.3

Khi tia nắng băng qua bầu khí quyển, lượng năng lượng đến được bề mặt trái đất sẽ bị suy hao

Tỷ trọng khí quyển - Air Mass Ratio

• Air Mass ratio bằng 1 (“AM1”) đồng nghĩa với mặt trời ngay trên đỉnh đầu (m=1)

• AM0 ở bên ngoài bầu khí quyển

• AM1.5 là trị trung bình trên bề mặt trái đất (m=1.5)

2

1

1air mass ratio = (7.4)

sin

h m



Hình 7.3

Trang 9

Phổ mặt trời trên bề mặt trái đất

m tăng lên khi mặt trời xuống thấp trên bầu trời

Chú ý là có sụ suy hao lớn ở bức xạ màu xanh trời khi

m tăng cao, đó là

lý do có màu đỏ khi mặt trời mọc

và lặn

Trang 10

Quỹ đạo trái đất

• Quay một vòng mất 365.25 ngày theo quỹ đạo hình elip

• Khoảng cách từ trái đất đến mặt trời:

• n = số ngày (bắt đầu từ ngày 1.1)

• d (km) thay đổi từ 147x106 km vào ngày 2.1 đến 152x106 km vào ngày 3.7 (tương ứng với mùa đông và mùa hè)

• Đơn vị góc tính bằng độ cho cả chương này

• Trong một ngày, trái đất quay 360,99˚

• Quỹ đạo trái đất quay còn gọi là mặt phẳng hoàn đạo

• Trái đất quay quanh một trục nghiên 23.45˚

• Ban ngày và ban đêm dài bằng nhau vào ngày 21.3 và 21.9 (Xuân phân và Thu phân)

• Đông chí là ngày mà Bắc cực xa mặt trời nhất

• Hạ chí là ngày Bắc cực gần mặt trời nhất

Trang 11

Hình 7.5 Với các ứng dụng năng lượng mặt trời, sẽ xem xét các đặc điểm của quỹ đạo của trái đất là không thay đổi

• Thiên độ δ – là góc hợp bởi mặt phẳng xích

đạo với đường thẳng nối tâm mặt trời và tâm trái đất (δ<0 khi mặt trời ở bán cầu Nam)

• δ biến thiên trong khoảng +/- 23.45˚

• Là một hàm của hình sin tính theo ngày, bắt

đầu từ ngày Xuân phân (n=81 ) tính cho cả

năm 365 ngày

360 23.45sin 81 (7.6)

365 n

Trang 12

Vị trí mặt trời theo thời gian trong năm

• Tính toán vị trí mặt trời bất kỳ thời điểm nào

• Từ đó xác định góc nghiêng cho dàn pin mặt trời

• Xác định vị trí mặt trời

Hình 7.6

Thiên độ

Xuân phân Thu phân

• Bảng 7.1:

Trang 13

Góc thu giữa trưa

• Giữa trưa – khi mặt trời chiếu thẳng theo đường kinh tuyến

• Phía Bắc bán cầu – mặt phẳng thu sẽ nghiêng một góc bằng đúng với vĩ độ vào thời điểm Xuân phân

• Vào chính trưa, tia nắng vuông góc với tấm thu

Hình 7.8

L = vĩ độ (độ)

L < 0 ở bán cầu Nam

• Góc cao độ giữa trưa là góc giữa tia nắng mặt trời với mặt phẳng trái đất

• Zenith – trục hướng tâm, vuông góc với mặt phẳng trái đất (hay đường chân trời)

Hình 7.9

Trang 14

s < 0 ở phía Tây

Trang 15

Vị trí mặt trời theo thời gian trong ngày

• Vị trí mặt trời trong ngày được xác định theo góc cao độ β và góc phương vị ϕS

• β và ϕS phụ thuộc vào vĩ độ, ngày và giờ

• Góc phương vị (ϕS )

– > 0 vào buổi sáng

– < 0 vào buổi chiều

– Tính từ trục hướng cực Nam (xem như hướng Nam)

• Lấy giờ giữa trưa là chuẩn

Trang 16

Trang 17

• Xoay theo mặt trời

Trang 18

• Góc giờ H - là góc cần để trái đất quay cho đến

khi mặt trời nằm ngay trên đường kinh độ mà bạn đang đứng

• Nếu xem trái đất quay một góc 15˚/giờ, thì

• Ở 11 AM giờ mặt trời ( h-ST-solar time ), H = +15˚

(trái đất cần thểm 1 giờ để quay đến giữa trưa)

• Ở 2 PM giờ mặt trời: h=14 (giờ)  H = -30˚

Trang 19

Tính góc nghiêng và

tỷ trọng khí quyển?

Ví dụ 7.3 – Mặt trời ở đâu?

• Xác định góc cao độ β và góc phương vị ϕS lúc 11:00 AM (giờ mặt trời) ở TP.HCM (L = 10,75o) vào ngày 29/8?

Trang 20

Example 7.3 – Xác định vị trí mặt trời?

• Góc phương vị

• Tính được 2 giá trị góc phương vị theo hàm arcsin:

• Kiểm tra điều kiện sau để chọn 1 trong 2 giá trị trên:

Sơ đồ dùng phân tích bóng che cho mặt trời

• Từ việc xác định vị trí mặt trời trên bầu trời

ở mọi thời điểm

• Cũng có thể xác định bóng che ở mọi thời điểm

• Bằng cách phát họa góc phương vị và góc cao độ của hàng cây, tòa nhà, và các vật gây

ra bóng che

• Theo sơ đồ đường mặt trời để xác định thời gian bị bóng râm che phủ

Trang 21

Sơ đồ dùng phân tích bóng cho mặt trời

• Xác định góc phương vị của vật gây bóng che

Góc lệch giữa cực trái đất và cực từ trường khi dùng la bàn

• Xác định góc cao độ vật gây bóng che

Trang 22

• Hàng cây ở hướng đông nam, căn nhà ở hướng tây nam

• Có thể ước tính lượng năng lượng mất đi do bóng che

Hình 7.15

40o vĩ Bắc

Cây cao che

từ 8:30 đến 9:30 tháng

11 tháng 1

Nhà che sau 15:00 tháng

11 tháng 1

California Solar Shade Control Act

• Bóng che tấm thu năng lượng mặt trời (từ nhà kế bên) được pháp luật quy định ở một số quốc gia

• Ví dụ đạo luật kiểm soát bóng che của California vào năm 1979: Không để cho cây hay bụi cây gây bóng che cho tài sản của hàng xóm lớn hơn 10%

diện tích tấm thu trong khoảng 10 am đến 2 pm

Trang 23

The Guilty Trees were Subject to Court Ordered Pruning

Nguồn: NYTimes, 4/7/08 Trường hợp đầu tiên bị kết án năm 2008

• Hầu hết tính toán liên quan đến giờ mặt trời (ST)

• Giờ mặt trời được tính từ giữa trưa

• So với giờ đồng hồ thì cần 2 hiệu chỉnh:

– Theo kinh độ cần hiệu chỉnh múi giờ

– Theo sự không đồng đều khi trái đất quay quanh mặt trời

• Hai địa điểm sẽ có cùng giờ mặt trời chỉ khi có cùng kinh tuyến

• Giờ mặt trời sẽ khác nhau 4 phút nếu lệch 1˚ kinh tuyến

• Trong khi giờ đồng hồ chỉ có 24 múi 1-giờ, mỗi múi giờ dùng chung cho 15˚ kinh tuyến

Trang 24

Bản đồ phần múi giờ thế giới

Nguồn: http://aa.usno.navy.mil/graphics/TimeZoneMap0802.pdf

Bản đồ phần múi giờ thế giới

Nguồn: http://www.timeanddate.com/time/map/

Trang 25

US Local Time Meridians (Table 7.4)

(Local Time Meridian)

Hà Nội – Băng cốc (GMT+7)

Giờ mặt trời và giờ đồng hồ

• Do quỹ đạo trái đất quay hình elip nên thời gian theo giờ mặt trời biến thiên theo từng ngày trong năm

Ngày dài hơn vào mùa Đông!

(E (phút)

lớn hơn)

Trang 26

• Do quỹ đạo trái đất quay hình elip nên thời gian theo giờ mặt trời biến thiên theo từng ngày trong năm

• Sự khác nhau giữa ngày 24-giờ và ngày mặt trời đƣợc

tính bằng Phương trình thời gian E (tính bằng phút)

• n là ngày trong năm

• Kết hợp hiệu chỉnh sai lệch theo kinh độ và phương

trình thời gian E có đƣợc:

• CT – giờ đồng hồ

• ST – giờ mặt trời

• LT Meridian – Kinh độ chuẩn của múi giờ

• LL – Độ kinh Đông có giá trị < 0, Tây có giá trị > 0.

• Giờ đồng hồ có thể khác múi giờ, thay đổi theo mùa

• (min) = phút

ST = CT + (LT-LL)  4(phút) + E(phút) (7.14)

Trang 27

Ví dụ 7.5 – Giờ mặt trời và giờ đồng hồ

• Tại TP.Hồ Chí Minh (L=10o45'0'' vĩ Bắc,

106°40'0" kinh Đông), vào ngày 29 tháng

8 Tính giờ mặt trời lúc 11:30 giờ đồng hồ?

Solar Time (ST)Clock Time (CT) +

4 min LT Meridian  Local Longitude + (min) E

• Tính giờ đồng hồ ngay giữa trƣa ở Boston (71.1˚ kinh Tây) vào ngày 1.7 với Eastern Daylight Time (giờ đồng

hồ quy định chậm hơn 1 giờ vào mùa Đông)

Trang 28

• The local time meridian for Boston is 75˚, so the difference is 75 ˚-71.7 ˚, and we know that each degree corresponds to 4 minutes

Hour angle of sunrise

Gio` (hinh hoc) 12 : 00 (7.18)

15 /

SR

H h

Trang 29

Mặt trời mọc và mặt trời lặn

• Khí tƣợng thủy văn xác định thời điểm mặt trời mọc/lặn

ở đỉnh của mặt trời thay vì ở tâm mặt trời nhƣ tính toán hình học

• Và xét thêm khúc xạ của khí quyển (bình minh sớm hơn

và hoàn hôn trễ hơn 2,4 phút)

Trang 30

Chùm tia bức xạ trực tiếp

• Chùm tia bức xạ trực tiếp (Direct beam radiation) IBC–

đi theo đường thẳng qua bầu khí quyển tới người nhận

• Bức xạ tán xạ (Diffuse radiation) IDC– phân tán bởi các phân tử trong bầu khí quyển

• Bức xạ phản xạ (Reflected radiation)

IRC – phản chiếu từ bền mặt phản xạ

Hình 7.18

• Tính toán cho ngày bầu trời quang đãng

• I0là công suất bức xạ qua một đơn vị diện tích bên ngoài bầu khí quyển

• I0 phụ thuộc vào khoảng cách giữa trái đất và mặt trời (có thể ước định được theo từng ngày trong năm)

• Bỏ qua các vết đen của mặt trời, I0 có thể tính:

• SC = hằng số mặt trời = 1.377 kW/m2

• n = ngày trong năm

2 0

Trang 31

• Hằng năm, chỉ gần một nửa I0 truyền tới được bề mặt trái đất dưới dạng bức xạ trực tiếp (IB)

• Khi trời quang, bức xạ trực tiếp có thể lên đến 70% I0

Hình 7.19

Sự suy giảm bức xạ qua bầu khí quyển

• Có thể tính độ suy giảm cường độ bức xạ qua bầu khí quyển theo hàm mũ:

(7.21)

km B

Trang 32

Sự suy giảm bức xạ qua bầu khí quyển

Cường độ nắng qua bề mặt thu

• Bức xạ trực tiếp IBC là hàm giữa của góc hợp bởi tia nắng

và (pháp tuyến của) mặt phẳng thu:

• Bức xạ tán xạ IDHđược chiếu đến từ các hướng phụ khác với tia nắng, thường từ 6% đến 14% của bức xạ trực tiếp

• Bức xạ phản xạ IRCđến từ một bề mặt trước tấm thu, và phụ thuộc độ phản xạ rcủa bề mặt đó.r0.8 với tuyết,

Trang 33

Solar Insolation on a Collecting Surface, cont

Hệ thống xoay theo mặt trời - Tracking Systems

• Hầu hết pin mặt trời được lắp cố định Nhưng cũng có một số hệ thống xoay theo mặt trời có hiệu quả hơn

• Hệ thống mặt trời có thể chỉ gồm 1 trục (xoay theo giờ trong ngày), hoặc 2 trục (theo cao độ (lên-xuống) và theo góc phương vị (Đông-Tây))

• Hệ xoay theo mặt trời có thể tăng thêm đến 20% công suất với hệ 1 trục, và 25- 30% công suất với hệ 2 trục

Trang 34

Cường độ nắng theo từng tháng trong năm

• Với hệ pin mặt trời lắp cố định, công suất bức xạ nhận đƣợc phụ thuộc nhiều vào góc nghiêng lắp đặt Tùy theo tiêu chí sử dụng mà có thể chọn góc nghiêng phù hợp

Cường độ nắng theo từng tháng trong năm

tháng

Số giờ nắng ở TP Long Xuyên là 5 giờ/ngày

Nguồn: NASA

Trang 35

US Annual Insolation

Worldwide Annual Insolation

Vào năm 2007, tổng công suất PV trên thế giới khoảng 7800 MW, với hầu hết ở Đức (3860 MW), Nhật (1919 MW), Mỹ (830 MW) và Tây Ban Nha (655MW)

Trang 36

Trang 37

 Tiềm năng nguồn năng lƣợng mới ở Việt Nam

Bản đồ tiềm năng năng lượng mặt trời

Trang 38

2 Tế bào quang điện

Tế bào quang điện

Trang 39

Pin quang điện

Trang 40

Vật liệu quang điện

Mức năng lượng

Trang 43

Mức năng lượng

Phổ năng lượng mặt trời

Trang 44

Phổ năng lượng mặt trời

Ảnh hưởng của mức năng lượng lên hiệu suất quang điện

Trang 45

Hiệu suất chuyển đổi quang điện thực tế

Source : Loferski 1956

Hiệu suất chuyển đổi quang điện thực tế

Trang 48

Mối nối p-n

Diode dùng mối nối p-n

k: hằng số Boltzmann (ở 25 o C)

Trang 49

Diode dùng mối nối p-n

Current

Voltage

eV kT

        

Trang 50

Trang 51

Thường chọn V d ≈ 0,6V cho pin Silic khi làm việc!

2 Tế bào quang điện

Trang 52

Mạch tương đương đơn giản của tế bào quang điện

Mạch tương đương đơn giản của tế bào quang điện

eV kT

Trang 53

Mạch tương đương đơn giản của

1 tế bào quang điện

(ở 25 o C) (ở 25 o C)

CÁC PHƯƠNG TRÌNH BÊN DƯỚI LÀ TÍNH CHO 1 TẾ BÀO

Mạch tương đương đơn giản của

1 tế bào quang điện

(ở 25 o C) (ở 25 o C)

(Chú ý: V là điện áp trên mỗi cell)

Trang 54

Ví dụ: 8.3: Cho tế bào quang điện có diện tích 100cm2, với mật độ dòng ngƣợc bảo hòa I0=10-12A/cm2 Khi đủ độ rọi, dòng ngắn mạch đo đƣợc là Isc=40mA/cm2 Cho biết nhiệt độ trên tế bào là 35oC

a) Tính điện áp hở mạch?

b) Tính điện áp hở mạch lúc độ rọi còn 50%?

c) Vẽ các đặc tuyến của pin quang điện trên?

(ở 25oC)

Trang 55

Thường chọn V d ≈ 0,6V cho pin Silic khi làm việc!

Mạch tương đương chính xác của tế bào quang điện

Trang 56

Mạch tương đương chính xác của tế bào quang điện

Trang 57

Ví dụ: 8.3.1: Ở điều kiện tiêu chuẩn (STC), cho tấm pin mặt trời 60

tế bào ghép nối tiếp sau:

a) Tính dòng ngƣợc bảo hòa của diode Io?

b) Tính dòng tải I khi TẤM PIN nối acquy 24V? Tính công suất tải?

c) Tính I khi cấp điện cho tải điện áp 30,6V? Tính công suất tải?

d) Khi tải dòng điện 5A, tính điện áp tấm pin? Tính công suất tải?

e) Tính lại câu b nếu Rp=1,94Ω/cell? Tính công suất tải?

f) Khi dòng điện tải I=5A, thử tính điện áp tải khi bỏ qua Rp và khi Rp=1,94Ω/cell? Tính công suất tải?

Trang 58

Định dạng
Số trang	176
Dung lượng	14,28 MB