CHƯƠNG 1: NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ PIN MẶT TRỜI 1. GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Mặt Trời là một khối khí hình cầu có đường kính khoảng 1,390.106km (lớn hơn 110 lần đường kính Trái Đất), cách xa Trái Đất khoảng 150. Khối lượng Mặt Trời khoảng M0 = 2. Nhiệt độ T0 ở trung tâm Mặt Trời thay đổi trong khoảng từ 10.106K, trung bình khoảng 15,6.
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 được của Mặt Trời, các nhà khoa học đã kết luận rằng có phản ứng nhiệt hạch xảy ra ở trong lòng Mặt Trời [4].
Cấu trúc của Mặt Trời không có ranh giới cụ thể như những hành tinh đá: ở phần phía ngoài của nó, mật độ các khí giảm gần như theo hàm mũ theo khoảng cách từ tâm. Tuy nhiên, cấu trúc bên trong của nó được xác định rõ ràng. Bán kính Mặt Trời được đo từ tâm tới cạnh ngoài quang quyển. Đây đơn giản là lớp mà bên trên nó các khí quá lạnh hay quá mỏng để bức xạ một lượng ánh sáng đáng kể, và vì thế là bề mặt dễ quan sát nhất bằng mắt thường.
Mặt Trời có thể chia làm 4 Trang 6 Luan van NGHIÊN CỨU KHOA HỌC GVHD: T.S Nguyễn Nhân Bổn vùng, tất cả hợp thành một khối cầu khí khổng lồ (Hình 1. Vùng giữa gọi là nhân hay “lõi” có những chuyển động đối lưu, nơi xảy ra những phản ứng nhiệt hạt nhân tạo nên nguồn năng lượng Mặt Trời, vùng này có bán kính khoảng 175.000km, khối lượng riêng 160kg/dm3, nhiệt độ ước tính từ 14 đến 20 triệu độ, áp suất vào khoảng hàng trăm tỷ atmotphe. Vùng kế tiếp là vùng trung gian còn gọi là vùng “đổi ngược” qua đó năng lượng truyền từ trong ra ngoài, vật chất ở vùng này gồm có sắt (Fe), can xi (Ca), natri (Na), stronti (Sr), crôm (Cr), Niken (Ni), silic (Si), cacbon (C) và các khí như hiđrô (H2), hêli (He), chiều dày vùng này khoảng 400. Tiếp theo là vùng “đối lưu” dày 125.000km và vùng “quang cầu” có nhiệt độ khoảng 6000K, dày 1000km ở vùng này gồm các bọt khí sôi sục, có chỗ 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 [5]. 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 bề mặt Trái Đất, bằng khoảng 1370 W/ 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 1000 W/ năng lượng Mặt Trời tới Trái Đất trong điều kiện trời 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 thành và hợp chất hữu cơ, trong khi nguồn nhiệt trực tiếp là làm nóng các bình đun nước 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 sinh vật cổ. Trong toàn bộ bức xạ của Mặt Trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các phản ứng hạt nhân xảy ra trong Mặt Trời không quá 3%. Bức xạ γ ban đầu khi đi qua 5.10 km chiều dày của lớp vật chất Mặt Trời sẽ biến đổi rất mạnh.
Tất cả các dạng của bức xạ điện từ đều có bản chất sóng và chúng khác nhau ở bước sóng. Bức xạ γ là sóng ngắn nhất trong các sóng đó, 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 [6] Trang 7 Luan van NGHIÊN CỨU KHOA HỌC GVHD: T.S Nguyễn Nhân Bổn Hình 1.2: Dải 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 dải 10 10 và hầu như một nửa tổng năng lượng Mặt Trời tập trung trong khoảng bước sóng 0,38 – 0,78 đó là vùng nhìn thấy của 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 1 bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ, được tính theo công thức: _ .1) Trong đó: _ : hệ số góc bưc xạ giữa Trái Đất và Mặt Trời _ /4 (1.3 = 5,67 W/ " : hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối. T ≈ 57620K: nhiệt độ bề mặt Mặt Trời.[7] Trang 8 Luan van NGHIÊN CỨU KHOA HỌC GVHD: T.S Nguyễn Nhân Bổn Hình 1.3: Góc nhìn Mặt Trời ⇒ q ≈ 1353 W/.
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. Khi truyền qua lớp khí quyển bao bọc quanh Trái Đất, các chùm tia bức xạ bị hấp thụ và tán xạ ở tầng ozon, hơi nước và bụi trong khí quyển, chỉ một phần năng lượng được truyền trực tiếp đến Trái Đất. Toàn bộ bức xạ tử ngoại được sử dụng để duy trì quá trình phân ly và hợp nhất của O, và $ đó là quá trình ổn định. Do quá trình này khi đi qua khí quyển bức xạ tử ngoại biến đổi thành bức xạ với năng lượng nhỏ hơn.
Các bức xạ với bước sóng ứng với các vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoại của phổ tương tác với các phân tử khí và các hạt bụi của không khí nhưng không phá vỡ các liên kết của chúng, khi đó các photon bị tán xạ khá đều theo mọi hướng và một số photon quay trở lại không gian vũ trụ. Bức xạ chịu dạng tán xạ đó chủ yếu là bức xạ có bước sóng ngắn nhất. Sau khi phản xạ từ các phần khác nhau của khí quyển bức xạ tán xạ đi đến chúng ta mang theo màu xanh lam của bầu trời trong sáng và có thể quan sát được ở những độ cao không lớn. Các giọt nước cũng tán xạ rất mạnh bức xạ Mặt Trời.
Bức xạ Mặt Trời khi đi qua khí quyển còn gặp một trở ngại đáng kể nữa đó là do sự hấp thụ của các phần tử hơi nước, khí cacbonic và các hợp chất khác, mức độ của sự hấp thụ này phụ thuộc vào bước sóng, mạnh nhất ở khoảng giữa vùng hồng ngoại của phổ. Trang 9 Luan van NGHIÊN CỨU KHOA HỌC GVHD: T.S Nguyễn Nhân Bổn 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 1000W/ [8]. Yếu tố cơ bản xác định cường độ của bức xạ Mặt Trời ở một điểm nào đó trên Trái Đất là quãng đường nó đi qua. Sự mất mát trên quãng đường đó gắn liền với sự tán xạ, hấp thụ bức xạ, và phụ thuộc vào thời gian trong ngày, mùa, vị trí địa lý.
Các mùa hình thành là do sự nghiêng của trục Trái Đất đối với mặt phẳng quỹ đạo của nó quanh Mặt Trời gây ra. Góc nghiêng vào khoảng 66,5° và thực tế xem như không đổi trong không gian. Sự định hướng như vậy của trục quay Trái Đất trong chuyển động của nó đối với Mặt Trời gây ra những sự dao động quan trọng về độ dài ngày và đêm trong năm. GIỚI THIỆU VỀ PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.
Khái quát Pin năng lượng Mặt Trời hay pin (tế bào) quang điện, là thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các lớp p-n, duới sự hiện diện 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 năng lượng 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, thiết bị bơm nước.
Pin năng lượng Mặt Trời (tạo thành các module hay các tấm năng lượng Mặt Trời) xuất hiện trên nóc các tòa nhà nơi chúng có thể kết nối với bộ chuyển đổi của mạng lưới điện.4: Một cell pin Mặt Trời Trang 10 Luan van NGHIÊN CỨU KHOA HỌC GVHD: T.S Nguyễn Nhân Bổn Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel. Tuy nhiên cho đến 1883 một pin năng lượng mới được chế tạo thành công, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối. Russell Ohl được xem là người tạo ra pin năng lượng Mặt Trời đầu tiên năm 1946 tuy nhiên nó chỉ có hiệu suất 1%. Pin mặt trời lần đầu tiên được ứng dụng là trên vệ tinh Vangaurd 1 của Mĩ, được phóng năm 1958.
Ngày nay pin Mặt Trời được sản xuất trên toàn thế giới đặt biệt là ở các nước tiên tiến như Mĩ, Đức, Tây Ban Nha…[9]. Cấu tạo và phân loại Cấu tạo của pin mặt trời là một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên trong.5: Cấu tạo Pin Mặt Trời Cho tới hiện tại thì vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời (và cho các thiết bị bán dẫn) là các silic tinh thể. Pin mặt trời từ tinh thể silic 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% .