C2: NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI

Nguồn năng lượng mặt trời Tế bào quang điện Đặc tuyến IV của pin quang điện Công nghệ chế tạo pin quang điện Đặc tính làm việc của pin quang điện Hệ điện mặt trời độc lập Hệ điện mặt trời hòa lướiNguồn năng lượng mặt trời Tế bào quang điện Đặc tuyến IV của pin quang điện Công nghệ chế tạo pin quang điện Đặc tính làm việc của pin quang điện Hệ điện mặt trời độc lập Hệ điện mặt trời hòa lưới

Trang 2

Năng lượng tái

C2: NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI

1 Nguồn năng lượng mặt trời

2 Tế bào quang điện

3 Đặc tuyến I-V 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 lưới

Trang 3

C2: NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI

Trang 4

Nguồn tài nguyên từ mặt trời

hiểu về mặt trời:

radi ation )

ngày

cho hiệu quả nhất

Trang 5

– 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

Trang 7

Trang 8

Trang 9

T = nhiệt độ tuyệt đối (K)

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

Trang 10

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

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

Trang 11

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.

Trang 12

Phổ bức xạ của mặt trời bên ngoài khí quyển

Hình 7.2

Trang 13

Tỷ trọng khí quyển - Air Mass Ratio

h 1 = chiều dài đường đi qua bầu khí quyển với ánh

nắng mặt trời ngay trên đỉnh đầu

h 2 = chiều dài đường đi qua bầu khí quyển để đến bề

Trang 14

Tỷ trọng khí quyển - Air Mass Ratio

• Air Mass ratio bằng 1 (“AM1”) đồng nghĩa với mặt trời ngày 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)

Hình 7.3

2 1

1 air mass ratio = (7.4)

sin

h m



Trang 15

Phổ mặt trời trên bề mặt trái đất

mạt trời xuống thấp trên bầu trời Chú ý là có sụ suy hao lớn ở bức xạ màu xanh trời khi

lý do có màu đỏ khi mặt trời mọc

và lặn.

Trang 16

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

Trang 17

đạo

21.3 và 21.9 (Xuân phân và Thu phân)

Trang 18

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

Trang 19

• 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

Trang 20

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

Đông chí

Hạ chí

Trang 21

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, tía

Trang 22

Cao độ giữa trưa βN - Altitude Angle

• 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 23

Ví dụ 7.2 – Góc lắp dàn PV

• Tìm góc lắp đặt tối ưu của dàn pin mặt trời phẳng, lắp đặt cố định ở TP.HCM (vĩ độ 10o45’00”) giữa trưa vào ngày 27 tháng 8

• Bảng 7.1:

Trang 24

Trang 25

Vị trí mặt trời theo thời gian trong ngày

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

– > 0 vào buổi sáng

– < 0 vào buổi chiều

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

Trang 26

Góc cao độ  và góc phương vị s 

Hình 7.10

Azimuth Angle Altitude Angle

s < 0 ở phía Tây

Trang 27

Vị trí mặt trời theo thời gian trong ngày

Xoay theo mặt trời

Trang 28

Góc cao độ  và góc phương vị s 

khi mặt trời nằm ngay trên đường kinh độ mà

bạn đang đứng

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

Trang 29

Góc cao độ  và góc phương vị s 

 H = góc giờ (độ) (<0 vào buổi chiều)

 L = vĩ độ (độ) (<0 ở bán cầu Nam?)

90˚ theo phương Nam

sin   cos cos cos L  H  sin sin (7.8) L 

Trang 30

Trang 31

Trang 32

Example 7.3 – Xác định vị trí mặt trời?

• Góc phương vị

• Tính được 2 giá trị góc phương vị

• Kiểm tra ffiều kiện

cos sin sin

Trang 33

Sơ đồ dùng phân tích bóng 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

Trang 34

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

Trang 35

Trang 36

• 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.

Trang 37

California Solar Shade Control Act

bên) được pháp luật quy định ở một số quốc gia.

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 38

The Guilty Trees were Subject to

Court Ordered Pruning

Nguồn: NYTimes, 4/7/08

Trường hợp đầu tiên bị kết án năm 2008.

Trang 39

Giờ mặt trời ST và giờ đồng hồ CT

• 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 chí có 24 múi 1-giờ, mối múi giờ dùng chung cho 15˚ kinh tuyến

Trang 40

Bản đồ phần múi giờ thế giới

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

Trang 41

Bản đồ phần múi giờ thế giới

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

Trang 42

US Local Time Meridians (Table 7.4)

Múi giờ Local Time Meridian

Trang 43

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!

Trang 44

• 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 được

tính bằng Phương trình thời gian E

• n là ngày trong năm

Trang 45

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

trình thời gian E có được:

• CT – giờ đồng hồ

• ST – giờ mặt trời

• LT Meridian – Kinh độ chuẩn của múi giờ

• Độ kinh Đông có giá trị < 0

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

Solar Time (ST) Clock Time (CT) + 

4 min LT Meridian Local Longitude + (min) (7.14) E

Trang 46

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 27 tháng

8 Tính giờ mặt trời lúc 15:08 giờ đồng hồ?

Solar Time (ST) Clock Time (CT) + 

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

Trang 47

• Tính giờ đồng hồ ngay giữa trưa 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 48

• The local time meridian for Boston is 75˚, so the

difference is 75 ˚-71.7 ˚, and we know that each degree

Trang 49

Mặt trời mọc và mặt trời lặn

• Có thể tính toán gần đúng giờ bình minh và hoàng hôn bằng cách giải pt (7.8) khi cao độ bằng 0:

• HSR >0 khi mặt trời mọc, và < 0 khi mặt trời lặn

Hour angle of sunrise

sin   cos cos cosL  H  sin sin (7.8) L 

sin   cos cos cosL  H  sin sinL   0 (7.15)

Trang 50

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

ở đỉnh của mặt trời thay vì ở tâm mặt trời như 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 51

Trang 52

Chùm tia bức xạ trực tiếp

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

đi theo đường thẳng qua bầu khí quyển tới người nhận

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

Trang 53

Cường độ bức xạ ngoài khí quyển I0

• Tính toán cho ngày bầu trời quang đảng

• I 0 là công suất bức xạ qua một đơn vị diện tích bên

ngoài bầu khí quyển

• I 0 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, I 0 có thể tính:

• SC = hằng số mặt trời = 1.377 kW/m2

• n = ngày trong năm

2 0

Trang 54

Cường độ bức xạ ngoài khí quyển I0

• Hằng năm, chỉ gần một nửa I 0 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% I 0

Hình 7.19

Trang 55

Sự suy giảm bức xạ qua bầu khí quyển

• Có thể tính độ suy giảm cường độ bức xạ qua bầu khí

I  Ae

Trang 56

Sự suy giảm bức xạ qua bầu khí quyển

Từ bảng 7.6, A, k và C có thể được tính theo phương trình:

Trang 57

Cường độ nắng qua bề mặt thu

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

và mặt phẳng thu

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

• Bức xạ phản xạ IRC đến từ một bề mặt trước tấm thu, và phụ thuộc độ phản xạ của bề mặt đó0.8 với tuyết,

Trang 58

Trang 59

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 60

Cường độ nắng theo từng tháng trong năm

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

Trang 61

US Annual Insolation

Trang 62

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 63

Trang 64

Trang 65

Tế bào quang điện

Trang 66

Pin quang điện

Trang 67

Pin quang điện

Trang 68

Vật liệu quang điện

Trang 69

Mức năng lượng

Trang 70

Mức năng lượng

Trang 71

Trang 72

Trang 73

Trang 74

Trang 75

Phổ năng lượng mặt trời

Trang 76

Phổ năng lượng mặt trời

Trang 77

Ảnh hưởng của mức năng lượng lên hiệu suất quang điện

Trang 78

Hiệu suất chuyển đổi quang điện thực tế

Trang 79

Mối nối p-n

Trang 80

Mối nối p-n

Trang 81

Mối nối p-n

Trang 82

Diode dùng mối nối p-n

k: hằng số Boltzmann

Trang 83

Diode dùng mối nối p-n

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

Trang 84

Tế bào quang điện

Trang 85

Mạch tương đương đơn giản của tế bào quang điện

Trang 86

Mạch tương đương đơn giản của tế bào quang điện

Trang 87

Trang 88

Trang 89

Trang 90

Trang 91

Trang 92

Mạch tương đương chính xác của tế bào quang điện

Trang 93

Mạch tương đương chính xác của tế

bào quang điện

Trang 94

bào quang điện

Trang 95

bào quang điện

Trang 96

bào quang điện

Trang 97

bào quang điện

Trang 98

bào quang điện

Trang 99

Ghép các tế bào quang điện

Trang 100

Ghép các tế bào thành tấm pin

Trang 101

Ghép các tế bào thành tấm pin

Trang 102

Năng lượng mặt trời

Trang 103

Ghép nối tiếp nhiều tấm pin

Trang 104

Ghép song song nhiều tấm pin

Trang 105

Ghép nối nhiều tấm pin

Trang 106

Ghép nối nhiều tấm pin

Trang 107

Đặc tuyến I-V của pin quang điện

Trang 108

Đặc tuyến I-V

Trang 109

Đặc tuyến I-V

Trang 110

Trang 111

Tác động của nhiệt độ và cường độ bức xạ

Trang 112

Trang 113

Tác động do bóng che

Trang 114

Trang 115

Tác động do bóng che

Trang 116

Trang 117

Trang 118

Trang 119

Trang 120

Trang 121

Trang 122

Trang 123

Công nghệ chế tạo pin quang điện

Trang 124

Pin quang điện dùng tinh thể silicon

Hình 8.45: Một cách phân nhánh để trình bày về các kỹ thuật quang điện Tỷ lệ dựa theo thị phần PV vào cuối những năm 1990.

Trang 125

Kỹ thuật Czochralski tạo silicon đơn tinh thể

Hình 8.46: Phương pháp Czochralski tạo ra silicon đơn tinh thể.

Trang 126

Hình 8.47: Sự phát triển của các tế bào năng lượng mặt trời CZ-silicon (a) Độ dày của phiến bán dẫn của một tế bào những năm 1970 (b) Tế bào có rãnh laser và điện cực chìm trên cả hai mặt (c) Tế bào PERL Theo Green (1993).

Trang 127

Kỹ thuật Czochralski tạo silicon đơn tinh thể

Hình 8.48: Tăng hiệu suất của các tế bào quang điện dùng silicon đơn tinh thể trong phòng thí nghiệm Theo Bube (1998).

Trang 128

Các kỹ thuật kéo tấm silicon

Hình 8.49: Tấm tinh thể silicon có thể được kéo lên bằng phương pháp EFG (a) hoặc sử dụng 2 thanh kéo song song (b).

Trang 129

Các kỹ thuật kéo tấm silicon

Hình 8.50: Quy trình S-Web tạo ra tấm silicon liên tục, có thể pha tạp chất kích thích và cắt thành các tế bào hình chữ nhật Theo Schmela (2000).

Trang 130

Trang 131

Mô đun tinh thể Silicon

Hình 8.52: Các tế bào tinh thể được nối nối tiếp với nhau và sau đó được bảo

vệ giữa các lớp thủy tinh, EVA, và polyme.

Trang 132

PIN QUANG ĐIỆN MÀNG MỎNG (THIN-FILM)

Trang 133

Silicon vô định hình

Hình 8.53: Mặt cắt ngang của một tế bào silicon vô định hình p-i-n Độ dày tính theo nanomet (10 -9 m) và vẽ không theo tỷ lệ.

Trang 134

Silicon vô định hình

Hình 8.54: Mô đun a-Si dạng linh hoạt có thể cuộn lại và để lưu trữ khi không

sử dụng Theo SERI (1985).

Trang 135

Quy trình chế tạo Silicon vô định hình

Trang 136

Hình 8.55: Trình tự các bước thực hiện để tạo ra một môđun các tế bào

silicon vô định hình.

Trang 137

Hình 8.56: Các tế bào riêng lẻ chạy theo chiều dài của một mô đun silicon vô định hình.

Trang 138

A-Si dạng đa liên kết hay xếp lớp

Hình 8.57: Các tế bào năng lượng mặt trời dùng siliccon vô định hình đa liên kết được tạo ra từ hỗn hợp a-Si:H (mức năng lượng≈ 1,75 eV) với Carbon a- Si:C ở lớp trên cùng (≈ 2,0 eV) để hấp

Định dạng
Số trang	258
Dung lượng	14,67 MB