2021 5 19 báo cáo pin mặt trời nhóm k64 bản FINAL

Các Ứng dụng của pin mặt trời trong các lĩnh vực cụ thể như Nông nghiệp,Công nghiệp,Vũ tru,Quân sự,... Xã hội càng phát triển, nhu cầu sử dụng năng lượng phục vụ đời sống, kinh tế ngày càng ra tăng. Trong khi đó nguồn tài nguyên của trái đất là hữu hạn. Việc khai thác quá mức dẫn đến nhiều hệ lụy, trong đó có ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng tới hệ sinh thái và đặc biệt là khả năng thiếu hụt trong tương lai. Việc nghiên cứu ra các hệ thống khai thác năng lượng xanh, có khả năng tái tạo và được đáp ứng bởi nguồn cung vô tận như gió, nước, ánh sáng…ngày càng được chú trọng phát triển. Phát minh tạo ra tấm pin năng lượng mặt trời được coi là đột phá trong ngành công nghệ thế giới, được ứng dụng rộng rãi trên nhiều lĩnh vực và hứa hẹn phát triển mạnh trong tương lai.

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Sinh viên thực hiện: 1 Phùng Minh Hiếu

2 Hoàng Quốc Huynh

Nội dung

A Lịch sử hình thành và sự phát triển 4

I Năng lượng mặt trời đã được sử dụng trong lịch sử 4

II Lịch sử hình thành pin năng lượng mặt trời 4

III Các sự kiện lớn trong lịch sử năng lượng mặt trời 5

B Cấu tạo và nguyện lý hoạt động của Pin Mặt Trời 7

I Nguyên lý hoạt động 7

II Cấu trúc các lớp bên trong pin năng lượng mặt trời Solar Panel 8

1 Lớp tế bào quang điện Solar Cells bên trong 9

2 Lớp kính trước của pin mặt trời 9

3 Tấm nền của pin 9

4 Vật liệu đóng gói hoàn thiện Pin mặt trời 9

5 Khung tấm pin mặt trời 9

6 Hộp đựng mối nối mạch điện 9

III Quy trình sản xuất và nguyên liệu làm tấm pin mặt trời 10

1 Nguyên liệu làm pin mặt trời 10

2 Các quá trình tạo ra tế bào quang điện 10

IV Các loại pin mặt trời hiện nay 13

1 Các loại pin mặt trời 14

2 Hiệu suất của từng loại pin năng lượng mặt trời 15

3 Loại pin mặt trời nào tốt nhất để lắp đặt ở Việt Nam 16

C Ứng dụng trong các lĩnh vực 18

I Ứng dụng trong lĩnh vực nông nghiệp 18

1 Mô hình sử dụng điện mắt trời cho hệ thống tưới tiêu thông minh 18

2 Mô hình thiết bị sấy nông sản bằng năng lượng mặt trời 20

3 Mô hình nuôi trồng thủy sản bằng năng lượng mặt trời 20

II Ứng dụng trong lĩnh vực công nghiệp 21

1 Nhà máy điện mặt trời 21

2 Sản xuất hydro bằng năng lượng mặt trời 22

3 Điện mặt trời cho mạng viễn thông 23

4 Mô hình đô thị xanh và giao thông thông minh 23

III Ứng dụng trong lĩnh vực quân đội 26

IV Ứng dụng trong lĩnh vực vũ trụ 28

1 Ứng dụng cho vệ tinh 28

2 Ứng dụng của pin mặt trời trên trạm vũ trụ quốc tế ISS 28

3 Lắp đặt pin mặt trời ngoài không gian trong tương lai 30

V Tiềm năng phát triển của pin mặt trời 31

1 Cấy ghép pin mặt trời dưới da 31

2 Pin năng lượng mặt trời dạng sợi dệt áo 31

3 Pin mặt trời trong suốt dùng thay kính 31

4 Pin mặt trời siêu mỏng 32

5 Bàn chải răng ứng dụng pin mặt trời không cần kem 32

D Pin Mặt Trời tại Việt Nam 33

I Tiềm năng phát triển ứng dụng điện mặt trời ở Việt Nam 33

II Khó khăn và thách thức khi phát triển điện mặt trời tại Việt Nam 33

1 Chí phí đầu tư ban đầu khá cao 34

2 Vấn đề vận hành an toàn và hiệu quả hệ thống có công suất lớn 34

3 Nguy cơ ô nhiễm 35

III Thực tiễn ứng dụng điện mặt trời tại Việt Nam 35

1 Các nhà máy sản xuất pin năng lượng mặt trời ở Việt Nam 35

2 Ứng dụng pin mặt trời trong đời sống 36

KẾT LUẬN 38

Nguồn tài liệu tham khảo 39

A Lịch sử hình thành và sự phát triển

Về lý thuyết, năng lượng mặt trời đã được con người sử dụng vào đầu thế kỷ thứ VIItrước Công nguyên khi lịch sử cho chúng ta biết rằng con người sử dụng ánh sáng mặttrời để thắp sáng các đám cháy bằng vật liệu kính lúp Sau đó, vào thế kỷ thứ III trướcCông nguyên, người Hy Lạp và La Mã đã biết khai thác năng lượng mặt trời với gương

để thắp đuốc cho các nghi lễ tôn giáo Những tấm gương này đã trở thành một công cụbình thường hóa được gọi là “những tấm gương đốt cháy” Nền văn minh Trung Quốc đãghi lại việc sử dụng gương cho mục đích tương tự vào năm 20 sau Công nguyên

Một cách sử dụng ban đầu khác cho năng lượng mặt trời vẫn còn phổ biến cho đếnngày nay là khái niệm “phòng tắm nắng” trong các tòa nhà Các phòng tắm nắng này đã

sử dụng các cửa sổ lớn để hướng ánh nắng vào một khu vực tập trung Một số nhà tắm La

Mã mang tính biểu tượng, điển hình là những nhà tắm nằm ở phía nam của các tòa nhà, làphòng tắm nắng Sau đó vào những năm 1200 sau Công nguyên, tổ tiên của người Mỹbản địa Pueblo được biết đến với cái tên Anasazi đã định cư ở những nơi quay mặt vềphía nam trên những vách đá để thu lấy hơi ấm của mặt trời trong những tháng mùa đônglạnh giá

Vào cuối những năm 1700 và 1800, các nhà nghiên cứu và nhà khoa học đã thànhcông khi sử dụng ánh sáng mặt trời để cung cấp năng lượng cho lò nướng trong nhữngchuyến đi dài Họ cũng khai thác sức mạnh của mặt trời để sản xuất tàu hơi nước chạybằng năng lượng mặt trời Cuối cùng, rõ ràng là thậm chí hàng nghìn năm trước kỷnguyên của các tấm pin mặt trời, khái niệm sử dụng sức mạnh của mặt trời đã là một thực

tế phổ biến

Tấm pin năng lượng mặt trời được tạo ra lần đầu tiên vào năm 1883 bởi Charle Frittsvới hiệu suất ban đầu chỉ đạt được 1% Nhưng trước đó người khám phá ra hiệu ứngquang điện là nhà vật lý người pháp Alexandre Edmond Becquerel vào năm 1839.Ông nhận ra rằng năng lượng mặt trời có thể tạo ra một hiệu ứng quang điện (ảnh = ánhsáng, voltaic = điện thế) Trong những năm 1880, các tế bào quang điện selen (PV) đượcphát triển có thể chuyển ánh sáng thành điện năng với hiệu suất 1-2% hiệu suất của pinmặt trời là tỷ lệ ánh sáng mặt trời có sẵn được chuyển đổi bởi tế bào quang điện thànhđiện, nhưng sự biến đổi xảy ra không chưa chứng minh được Do đó, năng lượng quangđiện vẫn là một sự tò mò trong nhiều năm, vì nó không hiệu quả khi biến ánh sáng mặttrời thành điện Tiếp sau đó mãi cho đến khi Albert Einstein đề xuất một lời giải thích

cho “hiệu ứng quang điện” vào đầu những năm 1900, sau đó ông đã giành được giảiNobel.

Công nghệ năng lượng mặt trời tiến tới gần như thiết kế hiện tại của nó vào năm

1908 khi William J Bailey của Công ty thép Carnegie phát minh ra với một hộp cáchnhiệt và thanh selen Để kiểm chứng lại nguyên nhân ông đã đặt thanh selen vào bêntrong chiếc hộp có nắp trượt Khi nắp được đóng kín và không có ánh sáng lọt vào, thanhselen có điện trở cao nhất và thực hiện đúng nhiệm vụ ngăn cản dòng điện Nhưng khichiếc nắp được trượt ra để ánh sáng lọt vào, dòng điện chạy qua ngày càng được tăngcường và tăng theo cường độ ánh sáng chiếu vào Khi đó ông đã đăng tải phát hiện củamình trên tạp chí Nature với nội dung “Tác động của ánh sáng lên selen thông qua quátrình truyền tải dòng điện” Bài báo cáo đã gây nên sự chú ý đối với nhiều nhà khoa họctrên khắp Châu Âu thời bấy giờ Với nghiên cứu của mình ông được công nhận là ngườiđầu tiên khám phá ra chất quang điện của nguyên tố selen Khám phá này đã tạo tiền đềcho việc chế tạo ra pin mặt trời sau này Vào giữa những năm 1950 pin quang năng đã đạtđược hiệu suất 4%, và hiệu suất sau đó nâng lên 11%, với các tế bào silicon (Nguyên liệuphổ biến thứ hai trên trái đất) “Sức mạnh được tạo ra khi ánh sáng mặt trời chiếu vào vậtliệu bán dẫn và tạo ra dòng điện.” Từ đó trở đi, sự quan tâm đến năng lượng mặt trờiđược tăng cường Vào cuối những năm 1950 và 1960, chương trình không gian củaNASA đã đóng một vai trò tích cực trong sự phát triển của quang điện “Các tế bào lànguồn năng lượng điện hoàn hảo cho vệ tinh vì chúng rất chắc chắn, nhẹ và có thể đápứng các yêu cầu công suất thấp đáng tin cậy.”

III Các sự kiện lớn trong lịch sử năng lượng mặt trời [3]

Các tấm pin mặt trời trong không gian vũ trụ - Một số ứng dụng đầu tiên của

công nghệ năng lượng mặt trời đã thực sự ở ngoài không gian, nơi năng lượng mặt trờiđược sử dụng để cung cấp năng lượng cho các vệ tinh Năm 1958, vệ tinh Vanguard I đã

sử dụng một bảng điều khiển nhỏ một watt để cung cấp năng lượng cho radio của

nó Cuối năm đó, Vanguard II, Explorer III và Sputnik-3 đều được ra mắt với công nghệ

PV trên tàu Năm 1964, NASA chịu trách nhiệm phóng tàu vũ trụ Nimbus đầu tiên, một

vệ tinh có thể chạy hoàn toàn bằng mảng năng lượng mặt trời 470 watt Năm 1966,NASA đã đưa vào hoạt động Đài quan sát thiên văn quỹ đạo đầu tiên trên thế giới, đượccung cấp năng lượng bởi một mảng một kilowatt

Nơi cư trú năng lượng mặt trời đầu tiên - Việc sử dụng năng lượng mặt trời có chủ

ý bằng cách sử dụng các bề mặt phản xạ hoặc khúc xạ cơ bản đã được thực hiện trongnhiều thiên niên kỷ Nhưng các thiết bị đã chuyển đổi năng lượng này thành các dạngkhác có thể sử dụng đã mở ra một kỷ nguyên của công nghệ mới Nói một cách nghiêmtúc về các tấm quang điện mặt trời, việc sử dụng hệ thống đầu tiên được thực hiện bởiCharles Fritts Ông đã cài đặt hệ thống mái nhà đầu tiên trên thế giới tại New York, vàonăm 1884, trước khi năng lượng mặt trời bắt đầu trở thành phổ biến Các tấm được làm từ

selenium và cho thấy hiệu quả chỉ 1%, trong khi các bộ phận được sử dụng để chế tạotấm pin mặt trời ngày nay có rất nhiều loại và cho thấy hiệu quả đáng kinh ngạc vượt quá20% Ứng dụng không gian đầu tiên của các tấm pin mặt trời xuất hiện vào năm 1958,khi vệ tinh Vanguard I được phóng lên Mặc dù nó chỉ có một tế bào 1watt được sử dụng

để cung cấp năng lượng, đây là sự khởi đầu Các vệ tinh khác như Vanguard II, Sputnik 3

và Explorer III cũng sử dụng các tấm pin mặt trời Vào năm 1973, ‘Solar One’, nơi cư trúchạy bằng năng lượng mặt trời đầu tiên trên thế giới được xây dựng bởi Đại học Delwar.Năm 1981, chiếc máy bay chạy bằng năng lượng mặt trời đầu tiên có tên The SolarChallenger được chế tạo bởi Paul MacCready

Thành tựu về hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời - Từ năm 1957 đến năm

1960, Hoffman Electronics giới thiệu việc sử dụng tiếp điểm lưới trên pin mặt trờithương mại của họ, do đó làm giảm điện trở của tế bào nhưng tăng hiệu suất của nó lên10% Thành tựu quan trọng tiếp theo là vào năm 1985 khi Đại học South Wales đạt được20% hiệu suất đối với các tế bào silicon Năm 1999, Phòng thí nghiệm Năng lượng Táitạo Quốc gia đã hợp tác với SpectroLab Inc để tạo ra pin mặt trời với hiệu suất33,3% Đại học South Wales lại phá kỷ lục đó vào năm 2016 khi các nhà nghiên cứu đạthiệu suất 34,5%

Máy bay chạy bằng năng lượng mặt trời - Năm 1981, Paul Mac đã chế tạo Solar

Challenger, chiếc máy bay đầu tiên chạy bằng năng lượng mặt trời, và đưa nó qua eo biểnManche từ Pháp đến Anh Năm 1998, chiếc máy bay năng lượng mặt trời điều khiển từ xa

“Pathfinder” đã đặt độ cao kỷ lục sau khi đạt 80.000 feet NASA đã phá kỷ lục đó vàonăm 2001 khi họ đạt độ cao 96.000 feet với chiếc máy bay không tên lửa của mình Năm

2016, Bertrand Piccard đã hoàn thành chuyến bay không phát thải đầu tiên trên khắp thếgiới với Solar Impulse 2, chiếc máy bay chạy bằng năng lượng mặt trời lớn nhất và mạnhnhất thế giới hiện nay

Các nhiệm kỳ tổng thống sử dụng năng lượng mặt trời - Năm 1979, Tổng thống

Jimmy Carter đã lắp đặt các tấm pin mặt trời tại Nhà Trắng trong nhiệm kỳ tổng thốngcủa mình Tuy nhiên, vào năm 1981, Tổng thống Ronald Reagan đã ra lệnh dỡ bỏ cáctấm pin mặt trời của Nhà Trắng Năm 2010, Tổng thống Barack Obama yêu cầu lắp đặtcác tấm pin mặt trời và máy nước nóng năng lượng mặt trời trong Nhà Trắng Cả hai đềuđược lắp đặt trong nhiệm kỳ đầu tiên của Obama

Chi phí năng lượng mặt trời theo thời gian - Giá các tấm pin mặt trời đã giảm

đáng kể trong vài thập kỷ qua, dẫn đến sự gia tăng nhu cầu của người tiêu dùng đã sảnxuất hơn một triệu lượt lắp đặt tại Hoa Kỳ vào đầu năm 2016 Năm 1956, các tấm pin mặttrời có giá khoảng 300 đô la cho mỗi watt Đến năm 1975, con số đó đã giảm xuống chỉcòn hơn 100 đô la một watt Ngày nay, một tấm pin năng lượng mặt trời có thể có giáthấp nhất là 0,50 đô la một watt Hãy xem xét điều này: kể từ năm 1980, giá bảng điềukhiển năng lượng mặt trời đã giảm ít nhất 10 phần trăm mỗi năm Chi phí năng lượng mặt

trời giảm mạnh phần lớn là nguyên nhân dẫn đến sự phổ biến ngày càng tăng của nănglượng mặt trời và tính hợp pháp của PV như một nguồn năng lượng đáng tin cậy trongthế giới ngày nay.

B Cấu tạo và nguyện lý hoạt động của Pin Mặt Trời

Hiện tượng: khi bề mặt của một tấm kim loại được chiếu bởi bức xạ điện từ có tần sốthích hợp (lớn hơn một tần số ngưỡng đặc trưng cho mỗi kim loại), các điện tử sẽ hấp thụnăng lượng từ các photon và chuyển lên vùng dẫn tạo thành các điện tử tự do e- đồng thời

để lại các lỗ trống mang điện dương, các hạt mang điện này di chuyển tạo ra dòng điện(gọi là dòng quang điện) Khi các điện tử bị bật ra khỏi bề mặt của tấm kim loại, ta cóhiệu ứng quang điện ngoài (external photoelectric effect) Các điện tử không thể phát ranếu tần số của bức xạ nhỏ hơn tần số ngưỡng bởi điện tử không được cung cấp đủ nănglượng cần thiết để vượt ra khỏi rào thế (gọi là công thoát) Điện tử phát xạ ra dưới tácdụng của bức xạ điện từ được gọi là quang điện tử Ở một số chất khác, khi được chiếusáng với tần số vượt trên tần số ngưỡng, các điện tử không bật ra khỏi bề mặt, thoát rakhỏi liên kết với nguyên tử, trở thành điện tử tự do (điện tử dẫn) chuyển động trong lòngcủa khối vật dẫn tạo nên hiêu ứng quang điện trong (internal photoelectric effect) Hiệuứng này dẫn đến sự thay đổi về tính chất dẫn điện của vật dẫn, do đó, người ta còn gọihiệu ứng này là hiệu ứng quang dẫn

Hiện tượng của hiệu ứng quang điện

Pin mặt trời được tạo thành từ các tế bào quang điện Một tế bào quang điện gồmbán dẫn loại N có mật độ electron lớn hơn mật độ lỗ trống trong bán dẫn loại N electron

tự do gọi là hạt dẫn đa số Lớp silicon còn lại loại P là vật liệu bán dẫn có mật độ lỗ trốngnhiều hơn mật độ electron nên lỗ trống là hạt dẫn đa số

Khi hai vật liệu bán dẫn này tiếp xúc với nhau Electron bên N di chuyển sang phía Pngược lại các lỗ trống bên P sẽ di chuyển về bên N để kết hợp với Electron

Bằng cách này một vùng mà không có các electron và lỗ trống tự do tự do gọi làvùng chuyển tiếp P-N hay còn được gọi là vùng nghèo Kết quả của việc di chuyển cácelectron và lỗ trống như trên ranh giới phía N tích điện dương còn phía P tích điện âm dovậy hai phía vùng nghèo sẽ tạo ra một điện trường nhỏ

Khi tế bào quang điện được đưa ra ánh sáng Như chúng ta đã biết ánh sáng có tínhchất hạt (những hạt photon di chuyển với vận tốc lớn) Khi hạt photon va chạm với tế bàoquang điện năng lượng của nó sẽ được truyền vào các electron ở vùng chuyển tiếp P-N

Và nếu như nguồn năng lượng này đủ mạnh thì nó có thể đánh bật electron ra khỏi liênkết hiện tại sau đó điện trường trong vùng chuyển tiếp P-N sễ đẩy electron và lỗ trống nó

ra khỏi vùng này Khi đó nếu ta kết nối bất kỳ thiết bị điện nào thì các electron chảy quathiết bị tiêu thụ và kết hợp lại với các lỗ trống trong vùng P sau khi hoàn thành đường đicủa chúng Việc electron di chuyển sẽ tạo ra dòng điện

Cấu tạo của pin mặt trời

1 Lớp tế bào quang điện Solar Cells bên trong

Các tế bào quang điện là thành phần chính và có chức năng hấp thụ ánh sáng mặt trờiquang năng và biến đổi thành điện năng Thông thường có khoảng 60 hay 72 tế bàoquang điện được ghép lại với nhau tạo thành tấm pin mặt trời

2 Lớp kính trước của pin mặt trời

Phần kính mặt trước của pin mặt trời là phần nặng nhất Nó có chức năng bảo vệ vàđảm bảo độ bền cho toàn bộ tấm pin mặt trời, duy trì độ trong suốt cao Độ dày của lớpnày thường là 3,3mm nhưng nó có thể dao động từ 2mm đến 4mm tùy thuộc vào loạikính mà hãng sản xuất pin đó chọn Điều quan trọng là phải chú ý đến các yếu tố nhưchất lượng độ cứng, độ truyền quang phổ và truyền ánh sáng Pin càng tốt thì lớp kínhtrước này hấp thu ánh sáng đi qua tốt hơn, phản xạ ánh sáng ít hơn

3 Tấm nền của pin

Tấm nền mặt sau của pin mặt trời được làm từ một vật liệu nhựa có chức năng cách

ly điện, bảo vệ và che chắn các tế bào PV khỏi thời tiết và độ ẩm Tấm đặc biệt nàythường có màu trắng và được bán ở dạng cuộn hoặc tấm Các loại pin các hãng khác nhau

có thể khác nhau về độ dày, màu sắc và sự hiện diện của các vật liệu cụ thể để che chắntốt hơn hoặc cho độ bền cơ học cao hơn

4 Vật liệu đóng gói hoàn thiện Pin mặt trời

Một trong những vật liệu quan trọng nhất là chất liệu đóng gói – là chất kết dính giữacác lớp khác nhau của pin mặt trời Vật liệu phổ biến nhất được sử dụng làm chất đónggói là EVA Nó là một polymer đục mờ được đóng theo cuộn Nó phải được cắt thànhtấm và nằm trước và sau các tế bào quang điện Khi chịu một quá trình nhiệt của nấuchân không, loại polymer đặc biệt này trở đăc lại thành keo trong suốt và kết dính các tếbào quang điện Chất lượng của quá trình này, được gọi là cán màng, đảm bảo tuổi thọ

cao cho chính tấm pin đó, đồng thời có ảnh hưởng đến việc truyền ánh sáng, tốc độ xử lý

và khả năng chống lại màu vàng do tia UV

5 Khung tấm pin mặt trời

Một trong những phần cuối cùng được lắp ráp pin mặt trời là khung Nó thường đượclàm bằng nhôm và có chức năng đảm bảo độ bền cho tấm pin Đối với các trường hợp sửdụng đặc biệt, cũng có sẵn các tấm pin không khung hoặc các giải pháp nhựa đặc biệt.Những giải pháp này thường liên quan đến việc sử dụng các dung dịch hỗ trợ dán ở phíasau với công nghệ kính thủy tinh

6 Hộp đựng mối nối mạch điện

Hộp nối có chức năng đưa các mối nối điện của mô đun pin mặt trời ra bên ngoài Nóchứa các dây cáp để kết nối các tấm trong hệ thống Khi chọn hộp Nối, chúng ta nên chú

ý đến chất lượng nhựa, độ tốt của khớp nối

III Quy trình sản xuất và nguyên liệu làm tấm pin mặt trời [6]

1 Nguyên liệu làm pin mặt trời

Nguyên liệu chính là silicon tinh khiết thế nhưng trong trạng thái tự nhiên thì thườngrất thô, chúng có nguồn gốc từ silicon đioxit chẳng hạn như đá thạch anh (silica tinh khiếtnhất) hay thạch anh nghiền

2 Các quá trình tạo ra tế bào quang điện

a) Quá trình làm sạch Slicon

Để tạo ra pin mặt trời, đầu tiên sẽ đặt các nguyên liệu thô trên vào lò nung quang điệnhình cung, là nơi cacbon hình cung được sử dụng để giải phóng oxy

Sản phẩm của quá trình này là carbon dioxide và silicon nóng chảy Silicon lúc này

có tạp chất 1%, chưa có tinh khiết để tạo tế bào quang điện, cần phải trải qua quá trìnhlàm sạch thêm

99% silicon tinh khiết còn lại được tinh chế hơn nữa bằng cách sử dụng kỹ thuậtfloating zone Thanh silicon không tinh khiết sẽ truyền qua khu vực được gia nhiệt nhiềulần trong cùng một hướng.

Mỗi lần thông qua, khu vực này sẽ kéo các tạp chất hướng tới một đầu Vào thờiđiểm này, silicon đã được làm sạch, hoàn toàn tinh khiết, còn đầu chứa tạp chất được loạibỏ

b) Làm silicon đơn tinh thể

Các pin quang điện được làm từ các thỏi silicon hình trụ, có cấu trúc nguyên tử đơntinh thể, được làm từ quy trình Czochralski

Trong quy trình này, một hạt đơn tinh thể silicon được nhúng vào silicon đa tinh thểnóng chảy Khi hạt tinh thể rút lại và xoay vòng, một phôi hình trụ hay boule của siliconđược hình thành Phôi thu được chưa chắc tinh khiết, bởi vì tạp chất có lẽ vẫn còn trongchất lỏng

c) Làm tấm bán dẫn silic

Từ phôi hình trụ, người ta sử dụng cưa tròn có đường kính bên trong, cắt bên trongthỏi hình trụ thành từng tấm bán dẫn silic hay có thể cắt nhiều lát cùng một lúc bằng cưa

đa dây (chiếc cưa hình kim cương tạo ra các vết cắt rộng và dày 5 milimet

Chỉ khoảng một nửa silicon bị mất từ phôi hình trụ đến lát hình tròn đã hoàn thànhhay nhiều hơn nếu sau đó tấm bán dẫn silic được cắt thành hình chữ nhật hay hình lụcgiác

Các tấm bán dẫn hình chữ nhật hay hình lục giác đôi khi được sử dụng để tạo ra tấmpin quang điện vì chúng có thể được gắn với nhau một cách hoàn hảo, nhờ đó tận dụngtất cả không gian có sẵn trên bề mặt phía trước của pin Sau đó, các tấm bán dẫn đượcđánh bóng để loại bỏ các dấu cưa Thời điểm gần đây, người ta nhận ra các tế bào thô ráphấp thụ ánh sáng mặt trời hiệu quả hơn, do đó có vài nhà sản xuất đã bỏ qua quá trìnhđánh bóng tấm bán dẫn.

d) Quá trình pha tạp (doping)

Các Silicon tinh khiết được pha tạp với phốt pho và boron để tạo ra lượng electron dưthừa và sự thiếu hụt electron tương ứng sẽ tạo chất bán dẫn có khả năng dẫn điện

Sau quá trình Czochralski, các tấm bán dẫn được hàn kín lại và đặt trong lò nung đểgia nhiệt nhẹ nhàng dưới điểm nóng chảy của silic (2.570oF hay 1.410oC) với sự hiện diệncủa khí photpho

Các nguyên tử photpho đào bên trong silicon xốp hơn vì nó gần như trở thành chấtlỏng Nhiệt độ và thời gian cho quá trình này được kiểm soát cẩn thận để đảm bảo đườngnối đồng nhất và có độ sâu thích hợp

Thời gian gần đây, người ta pha tạp silicon với photpho bằng cách sử dụng máy giatốc hạt nhỏ để bắn các ion phốt pho vào thỏi Bằng việc kiểm soát tốc độ của các ion, có

thể kiểm soát được độ sâu thâm nhập của chúng Tuy nhiên quy trình mới này khôngđược nhà sản xuất thương mại chấp nhận.

e) Đặt các tiếp điểm điện

Các tiếp điểm điện kết nối từng tế bào năng lượng mặt trời với nhau và đến đầu thucủa dòng điện hiện tại Các tiếp điểm phải rất mỏng (ít nhất là ở phía trước) để khôngchặn ánh sáng mặt trời vào tế bào

Cả ba phương pháp đều liên quan đến một hệ thống với bên trong gồm một phần của

tế bào có tiếp điểm không đòi hỏi được bảo vệ, trong khi phần còn lại tiếp xúc với kimloại Sau khi đặt các tiếp điểm, các miếng mỏng được đặt giữa các tế bào Miếng mỏng sửdụng phổ biến được làm từ đồng bọc thiếc

f) Phủ lớp chống phản quang

Bởi vì silicon tinh khiết rất sáng bóng, có thể phản xạ tới 35% ánh sáng mặt trời Đểlàm giảm lượng ánh sáng mặt trời bị mất, trên các tấm bán dẫn silicon được phủ lớpchống phản chiếu

Lớp phủ thường được sử dụng nhất làm bằng titan dioxit và silicon oxit Chất liệuđược sử dụng cho lớp phủ hoặc là nóng lên cho đến khi các phân tử của nó bay hơi, dichuyển đến silicon và ngưng tụ, hoặc là trải qua quá trình phún xạ (sputtering)

Trong quá trình phún xạ, điện áp cao đập các phân tử ra khỏi chất liệu và để chúngvào silicon ở điện cực Một phương pháp khác cho phép silicon phản ứng với các khí cóchứa oxy hay nitơ để hình thành silicon dioxit hay silicon nitride.

g) Đóng gói các tế bào thành tấm pin

Các pin mặt trời đã hoàn thành thường được đóng gói lại tạo thành các modun vàđược đặt vào khung kim loại bằng nhôm có tấm ốp mặt sau tạo nên sự chắc chắn cho pincùng tấm kính bằng nhựa siêu nhẹ, có độ bền cao

Bên trong khung kim loại là vật liệu bảo vệ gồm cao su chứa silicon trong suốt haynhựa butyryl (thường được sử dụng trong kính chắn gió ô tô) liên kết xung quanh các tếbào, sau đó nhúng trong etylen vinyl axetat chất silicon được sử dụng tựa như xi măng đểghép tất cả các thành phần bên trên lại với nhau

IV Các loại pin mặt trời hiện nay [7]

1 Các loại pin mặt trời

Cho tới hiện tại thì vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời (và cho các thiết bị bán dẫn) làcác silic tinh thể Pin mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại: mono (đơn tinh

thể), poly (đa tinh thể) và thin-film (màng mỏng)

a) Tấm pin mặt trời mono

Nếu bạn thấy một tấm pin năng lượng mặt trời có các cell màu đen, rất có thể đó làpin mono Những cell này xuất hiện màu đen do ánh sáng tương tác với tinh thể silicnguyên chất

Cùng với đó là các cell hình vuông được vạt góc

xếp liền nhau tạo ra các khoảng trống màu trắng Một

số hãng như Canadian Solar có bề mặt tấm pin mono

hơi khác so với phần lớn những hãng khác Nhưng

màu đen đặc trưng vẫn là dấu hiệu phân biệt dễ dàng

nhất

Trong tất cả các loại tấm pin mặt trời, tấm mono có khả năng là lựa chọn đắt nhất.Điều này phần lớn là do quá trình sản xuất – vì các tấm pin được làm từ một tinh thể silic

duy nhất, các nhà sản xuất phải chịu chi phí tạo ra các tinh thể này Quá trình này đượcgọi là quá trình Czochralski Việc này tốn nhiều năng lượng và dư ra các mảnh silic thừa(những mảnh silic thừa này sau đó có thể được sử dụng để sản xuất pin poly).

b) Tấm pin mặt trời poly

Không giống như pin mặt trời mono, pin mặt trời poly có xu hướng có màu hơi xanhlốm đốm do ánh sáng phản xạ từ các mảnh silic trong cell theo cách khác so với phản xạcủa một wafer silic đơn tinh thể

Một số công nghệ mới như Black

Silicon còn được phủ thêm một lớp cấu trúc

nano lên bề mặt tấm pin poly giúp giảm tỉ lệ

phản xạ ánh sáng ngược lại xuống tối đa,

nhờ đó đem lại hiệu suất phát điện cực cao

Những tấm pin dùng công nghệ này có màu

sắc đen hơn những tấm bình thường, nhưng

đặc điểm nhận biết là những đốm xanh vẫn

thấy rất rõ

Các tấm pin mặt trời poly thường rẻ

hơn so với các tấm pin mặt trời mono Điều này là do các cell được sản xuất từ các mảnhsilic chứ không phải là một tinh thể silic đơn thuần Điều này cho phép việc sản xuất cellđơn giản hơn nhiều, do đó chi phí thấp hơn cho các nhà sản xuất và cuối cùng là ngườidùng cuối

c) Tấm pin mặt trời Thin-fil

Yếu tố thẩm mỹ là sự khác biệt lớn nhất khi nói đến pin mặt trời thin-film Như têngọi của chúng, các tấm thin-film thường mỏng hơn các loại pin khác Điều này là do các

tế bào trong các tấm pin mỏng hơn khoảng 350 lần so với các tấm tinh thể được sử dụngtrong các tấm pin mặt trời mono và poly

Về màu sắc, các tấm pin mặt trời

thin-film có thể có cả hai màu xanh

và đen, tùy thuộc vào chất liệu tạo ra

chúng Ngày nay, bạn có thể thấy

tấm pin thin-film có thể dùng để tích

hợp vào vật liệu xây dựng để tạo ra

loại mái ngói năng lượng mặt trời

Chi phí bạn phải trả cho các tấm

pin mặt trời thin-film sẽ chủ yếu phụ

thuộc vào loại chất liệu CdTe nói chung là loại chất liệu rẻ nhất để sản xuất, trong khiCIGS đắt hơn nhiều để sản xuất so với cả CdTe hoặc silicon vô định hình (a-Si).

Có thể có sự khác nhau về chi phí giữa các loại pin mặt trời thin-film nhưng nhìnchung chi phí cho loại pin này có thể thấp hơn so với pin mono và poly Việc lắp đặt pinnăng lượng mặt trời thin-film ít tốn công sức hơn vì chúng có trọng lượng nhẹ hơn và cơđộng hơn, giúp người lắp đặt dễ dàng mang tấm pin lên trên mái nhà và bảo đảm an toàncho chúng Điều này có nghĩa là giảm chi phí thi công, giúp việc lắp đặt năng lượng mặttrời ít tốn kém hơn

Nghe thì có vẻ lắp pin thin-film sẽ có lợi về kinh tế nhất, nhưng trong thực tế pinmono và poly vẫn được sử dụng nhiều nhất Lý do là với cùng diện tích lắp đặt thì hailoại mono và poly sẽ tạo ra lượng điện lớn hơn nhiều so với pin thin-film

2 Hiệu suất của từng loại pin năng lượng mặt trời

a) Tấm pin mono và poly

Pin mono thường có hiệu suất chuyển đổi và công suất cao nhất trong 3 loại pin Hầuhết các tấm pin mặt trời mono thường đạt hiệu suất chuyển đổi trên dưới 20%, trong khicác tấm pin mặt trời poly thường có hiệu suất chuyển đổi từ 15 đến 19%

Các tấm pin mặt trời mono có xu hướng tạo ra nhiều năng lượng hơn poly và film vì chúng có hiệu suất chuyển đổi tốt hơn Nhiều tấm pin mặt trời mono có công suấtlớn hơn 300W, một loại có thể đạt tới 450W Mặt khác, pin mặt trời poly thường có côngsuất thấp hơn

thin-Điều này không có nghĩa là các tấm pin mono và poly không có cùng kích thước.Trong thực tế, trước đây cả hai loại pin trên đều có xu hướng thiết kế 60 cell, nhưng côngnghệ càng phát triển, công nghệ chia đôi tấm pin và Half-cut cells ra đời nâng số lượngcell lên khoảng 120 – 144 Nhưng ngay cả với cùng số lượng cell, các tấm mono bao giờcũng có khả năng sản xuất nhiều điện hơn

b) Tấm pin Thin-film

Các tấm pin mặt trời thin-film thường có hiệu suất và công suất thấp hơn so với cácloại mono hoặc poly Hiệu quả sẽ thay đổi dựa trên chất liệu cụ thể được sử dụng để tạo

ra các cell, nhưng chúng thường có hiệu suất chuyển đổi gần hơn 11%

Không giống như các tấm pin mặt trời mono và poly có số lượng cell được tiêu chuẩnhóa, công nghệ thin-film không có kích thước đồng đều Như vậy, công suất từ pin mặttrời thin-film sẽ phụ thuộc phần lớn vào kích thước vật lý của nó Nói chung, công suấttrên mỗi m² của tấm pin năng lượng mặt trời mono hoặc poly sẽ cao hơn công suất củatấm pin thin-film

3 Loại pin mặt trời nào tốt nhất để lắp đặt ở Việt Nam

Khi tiến hành chọn loại pin năng lượng mặt trời để lắp đặt bạn phải quyết định dựatheo yếu tố tài chính, tình hình thực địa và vị trí lắp đặt Mỗi loại mono, poly và thin-filmđều có những ưu và nhược điểm riêng

Chủ sở hữu có mặt bằng lớn, nhiều không gian cho các tấm pin mặt trời có thể chọnlắp đặt các tấm poly có hiệu suất trung bình với chi phí thấp hơn Nếu bạn có không gianhạn chế bạn có thể chọn lắp đặt các tấm pin mặt trời mono, hiệu suất cao hơn

Vị trí địa lý cũng ảnh hưởng tới việc loại loại pin Trong thực tế, pin mặt trời monotốt hơn pin poly ở hiệu suất chuyển đổi ở những nơi có bức xạ mặt trời yếu (khoảng 3.8 –4.8kWh/m2/ngày) Khu phía miền Nam nước ta có cường độ bức xạ mặt trời cao nhất cảnước (từ 4.8 – 5.6kWh/m2/ngày), và miền Bắc là (từ 3.8 – 4.7kWh/m2/ngày) Ngoài ra,miền Nam có nhiệt độ cao hơn nên phải tính tới yếu tố suy giảm hiệu suất do nhiệt độ.Thêm nữa là yếu chi phí đầu tư cho hệ thống sử dụng pin poly thấp hơn Vì vậy, pin polynên sử dụng ở miền Nam và mono nên sử dụng ở miền Bắc

Pin mono Pin poly

Pin thin-film ít dùng trong thực tế ở Việt Nam vì chúng cần quá nhiều diện tích lắpđặt và hiệu suất chuyển đổi thấp Chúng có thể được sử dụng ở những nơi không thể chịuđược trọng lượng của các hệ thống thiết bị năng lượng mặt trời truyền thống Ngoài ra,các tấm pin thin-film đôi khi có thể là một giải pháp hữu ích cho các hệ mặt trời di độngnhư trên xe hoặc thuyền

Pin thin-film

C Ứng dụng trong các lĩnh vực

I Ứng dụng trong lĩnh vực nông nghiệp

Trong những năm trở lại đây, nước ta đã có nhiều thành công vượt bật trong cả 2ngành phát triển nông nghiệp và năng lượng Đi kèm đó là những khó khăn của ngànhnông nghiệp với tình trạng biến đổi khí hậu ngày càng xấu đang trở thành mối đe dọa, đòihỏi phải có giải pháp phát triển tốt và bền vững

Giải pháp được đưa ra chính là mô hình kết hợp điện mặt trời trong nông nghiệp, đây

là một giải pháp tận dụng được tối đa diện tích đất, giải quyết việc làm, tăng nguồn thutrong phát triển nông nghiệp, đặc biệt là cải thiện được môi trường sống nhờ sử dụng cáctấm pin thu năng lượng tạo ra điện, qua đó sẽ góp phần giảm thiểu tác động xấu đến môitrường, phù hợp với định hướng và xu thế phát triển của thế giới

Đó chính là lợi ích rất lớn dành cho người làm nông nghiệp vì thực trạng hiện tại thìngười nông dân chỉ sử dụng tối ưu được 50 – 70% diện tích đất của mình trong sản xuấtnông nghiệp Với mô hình điện mặt trời kết hợp nông nghiệp sẽ là một mũi tên trúngnhiều đích nhờ tối ưu hóa được tài nguyên đất đai và nhu cầu sử dụng điện tại chỗ Vậy30-50% diện tích đất còn lại được vận dụng vào việc gì? Dưới đây là một số mô hình ứng

dụng kết hợp giữa điện năng lượng mặt trời và nông nghiệp:

1 Mô hình sử dụng điện mắt trời cho hệ thống tưới tiêu thông minh [8]

Để cung cấp năng lượng cần thiết cho các hộ nông dân quy mô lớn và nhỏ cung cấpnăng lượng cho hệ thống tưới tiêu của họ, các hệ thống tưới tiêu sử dụng năng lượng mặttrời đang ngày càng trở thành một lựa chọn khả thi và thuận lợi

Hệ thống tưới nước nhỏ giọt giúp cho cây trồng luôn được bổ sung đủ nước, đảm bảođược độ ẩm và chất lượng cây Hệ thống sử dụng các tấm pin mặt trời để tạo ra nguồnđiện Nguồn điện này được hệ thống ắc quy lưu trữ lại và cung cấp cho motor

Hệ thống tưới nhỏ giọt thông minh ứng dụng năng lượng mặt trời

Tùy theo mô hình trồng loại cây nào để chúng ta sử dụng các loại ống nước khácnhau Ống nước sẽ chạy dọc theo hàng cây, mỗi cây sẽ được lắp đặt van nước điều chỉnhnhỏ giọt theo tiêu chuẩn

Mô hình hệ thống tưới tiêu thông minh

Mô hình sử dụng hệ thống pin năng lượng mặt trời để tạo ra nguồn điện sử dụng choquá trình bơm nước, nguồn điện sẽ đi qua một bộ chuyển đổi nguồn điện sao cho phù hợpvới công suất máy bơm, máy bơm sẽ hút nước từ bể chứa đến từng gốc cây Hệ thốngđược lắp đặt các vòi phun tiết kiệm thông minh Nó sẽ phun nước tưới cho cây theophương pháp nhỏ giọt Khi trời mưa hệ thống sẽ tự động ngừng tưới

Hơn nữa hệ thống còn có thể bón phân và thuốc trừ sâu trong quá trinh tưới nước chocây đều này giúp cây đảm bảo được đủ độ ẩm và dinh dưỡng cần thiết để sinh trưởng vàphát triển khỏe mạnh Phân bón và thuốc trừ sâu có thể điều chỉnh với liều lượng tiêuchuẩn theo các chuyên gia nông nghiệp tùy vào dung tích bể chứa nước để sản phẩmnông nghiệp không bị tàn dư thuốc bảo vệ thực vật an toan cho người sử dụng