NĂNG LƯỢNG điện mặt TRỜI (NĂNG LƯỢNG tái tạo SLIDE)

Năng lượng tái tạo 4Nguồn tài nguyên từ 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

Trang 1

Bài giảng:

NĂNG L ƯỢ NG TÁI T O Ạ

Trang 2

Năng lượng tái tạo 2

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

• 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 5

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

Định luật Plank

• Định luật Plank – bước sóng phát xạ từ vật thể đen phụ thuộc vào nhiệt độ của nó

λ = bước sóng (μm)

Eλ = cống suất phát xạ trên mỗi đơn vị diện tích của vật thể đen (W/m2-μm)

T = nhiệt độ tuyệt đối (K)

8 5

3.74 10

(7.1) 14400

Trang 7

Phổ điện từ

Source: www.en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_radiation Ánh sáng nhìn thấy được có bước sóng trong khoảng 0.4 đến 0.7 μm, với bước sóng của tia tử ngoại ngắn hơn và tia hồng ngoài dài hơn

Trang 8

Phổ bức xạ của trái đất ở 288oK

Trái đất là một vật thể đen phát xạ ở 288K

Hình 7.1

Diện tích dưới đường cong là tổng công suất bức xạ phát ra

Trang 9

Định luật Stefan-Boltzmann

• Tổng công suất bức xạ của vật thể đen được tính bằng định luật bức xạ Stefan –Boltzman

E = tổng mức phát xạ của vật thể đen (W)

σ = hằng số Stefan-Boltzmann = 5.67x10-8 W/m2-K4

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

4 (7.2)

Trang 10

Quy tắc Wien

• Bước sóng mà công suất bức xạ trên mỗi đơn vị diện tích lớn nhất là

λ = bước sóng (μm)

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

Trang 12

Phổ bức xạ của mặt trời bên ngoài khí quyển

Hình 7.2

Trang 13

Tỷ trọng khí quyển - Air Mass Ratio

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

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)

=

Trang 15

Phổ mặt trời trên bề mặt trái đất

m tăng leenkhi mạt 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 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

Trang 17

• 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 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

Thiên độ δ - Solar Declination

• 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.

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 nắng vuông góc với

tấm thu

Hình 7.8

L = vĩ độ (độ)

L < 0 ở bán cầu Nam

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

• 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 Bắc (xem như hướng Bắc)

• Lấy giờ giữa trưa là chuẩn.

Trang 26

φ 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 β và góc phương vị φ s

• 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 (solar time), H = +15˚ (trái đất cần thểm 1 giờ để quay đến giữa trưa)

Trang 29

Góc cao độ β và góc phương vị φ s

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

 L = vĩ độ (độ) (<0 ở bán cầu Nam?)

 Kiểm tra góc phương vị nhỏ hơn hay lớn hơn 90˚ theo phương Nam

sin β = cos cos cos L δ H + sin sin (7.8) L δ

cos sin sin (7.9)

cos

δ φ

Trang 30

Ví dụ 7.3 – Mặt trời ở đâu?

• Xác định góc cao độ β và góc phương vị ϕS lúc 3 PM (giờ mặt trời) ở TP.HCM (L = 10,75o vĩ Bắc ) vào ngày 27/8 ?

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

δ φ

β

=

S

H

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 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 34

• Xác định góc phương vị của vật gây bóng che

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

Trang 35

• Xác định góc cao độ vật gây bóng che

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

Trang 37

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 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

Click to edit Master text styles

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

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?

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 corresponds to 4 minutes

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 lặnHour angle of sunrise

Trang 50

Trang 51

Mặt trời mọc và mặt trời lặn

Trang 52

Trang 53

Cường độ bức xạ ngoài khí quyển I0

• Tính toán cho ngày bầu trời quang đảng

• I0 là 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

Trang 54

Cường độ bức xạ ngoài khí quyển I0

• 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

Trang 55

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:

I = Ae −

Trang 56

Sự suy giảm bức xạ qua bầu khí quyển

Click to edit Master text styles

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 ρ của bề mặt đó ρ =

0.8 với tuyết, và 0.1 với mái lợp

Trang 58

Solar Insolation on a Collecting Surface, cont.

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 Vd ≈ 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

Ví dụ: 8.3.1: Tính dòng ngược bảo hòa của diode trong tấm pin mặt trời 60 tế bào ghép nối tiếp sau:

Biết V=30.6V, Rp=1.76Ω Tính I?

Trang 91

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

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

Trang 95

Trang 96

Trang 97

Trang 98

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

Định dạng
Số trang	258
Dung lượng	14,61 MB