CHƯƠNG 1: TONG QUAN TINH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VA NGOAI NUOC 1. Co sở ly thuyết — khái niệm 1. Tổng quan về năng lượng mặt tròi e Năng lượng Mặt trời Năng lượng mặt trời (NLMT) là một nguồn năng lượng vô cùng quan trọng đối với su ton tại và phát triển của sự sống trên Trái đất. Năng lượng không lồ do Mặt trời phát ra là kết quả của các phản ứng nhiệt hạt nhân khác nhau xảy ra liên tục và dữ dội trên hành tinh nay.
Trái đất quay xung quanh Mặt Trời trên một quỹ đạo elip với độ lệch tâm rất nhỏ và Mặt trời năm ở trên một tiêu điểm. Vì vậy khoảng cách giữa Mặt trời va Trái đất trong một chu kỳ quay của nó là 365 ngày hay một năm, có thay đối một ít. Do đó mật độ NLMT bên ngoài khí quyền Trái đất cũng bị thay đổi một lượng nhỏ. Bức xạ mặt trời nhận được ở bề mặt Trái đất bị suy giảm đáng kế so với bức xa mặt trời ngoài vũ trụ do các hiện tượng hap thụ, tán xạ khi tia mặt trời đi qua lớp khí quyền trái đất.
Sự hấp thụ là do sự có mặt cua phân tử ozon O3 va hơi nước HaO trong khí quyền. Ngoài ra, còn do sự hap thụ của các phân tử khí khác (như CO2, NOa, CO, O2, CHa,.) và các hạt bụi. Mặt khác, khi tia mặt trời gặp các phan tử khí và các hạt bụi nó còn bị tán xạ về mọi phía, trong đó một phần đáng kế năng lượng đi trở lại vũ trụ mà không đến được mặt đất. si Ta Bức xa tán xa eee Te trở lạt vũ tru = oases Gidi hạn trên YO UY : \Nite : khi quyén Qua Dat Hap thu bởi x >> khi quyén Tan xa Khi quyén Qua Dat Tia truc xa \ Bức xa Mat dat \¿ý Thiệu Xa Hình 1.1 Sw hap thụ va tán xa của tia mặt trời khi qua lớp khí quyền trái đất Nguồn: Dang Dinh Thống và Lê Danh Liên, 2005 Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng mà con người biết sử dụng từ rất sớm nhưng ứng dụng năng lượng mặt trời vào các công nghệ sản xuất va trên quy mô rộng thì mới chỉ thực sự vào cuối thé ky XVIII.
Từ sau các cuộc khủng hoảng năng lượng thế giới năm 1968 và 1973, năng lượng mặt trời càng được đặc biệt quan tâm. Các nước công nghiệp phát triển đã đi tiên phong trong việc ứng dụng NLMT. Việc sử dụng năng lượng mặt trời không phát sinh khí thải hay nước thải độc hại; do đó không ảnh hưởng đến môi trường và không gây hiệu ứng nhà kính. Hai phương pháp phổ biến dùng dé thu nhận và trữ năng lượng mặt trời là phương pháp thụ động và phương pháp chủ động.
Phương pháp thụ động sử dụng các nguyên tắc thu giữ nhiệt trong cấu trúc và vật liệu của các công trình xây dựng. Phương pháp chủ động sử dụng các thiết bị đặc biệt dé thu bức xạ nhiệt và sử dụng các hệ thống quạt và máy bơm để phân phối nhiệt. Các ứng dụng năng lượng mặt trời phố biến hiện nay là điện mặt trời (DMT) và nhiệt mặt trời. Nguyên lý hoạt động và cấu tạo của pin mặt trời Trong công nghệ pin mặt trời, NLMT được biến đồi trực tiếp thành điện năng nhờ các tế bao quang điện bán dẫn hay còn gọi là các pin mặt trời, được chế tao từ các vật liệu bán dẫn điện.
Các hệ thống điện NLMT có ưu điểm là rất đơn giản, không có phân chuyền động. không đòi hỏi phải bảo dưỡng chăm sóc thường xuyên, gọn nhẹ có thé lắp bat ky ở đâu có ánh sáng mặt trời. Ngay từ năm 1950, các tam pin mặt trời đã trở thành nguồn điện rất tin cậy cho các vệ tinh nhận tạo và hiện nay là các tàu vũ trụ. Tại các nước phát triển, con người đã ứng dụng pin NLMT thay thé dan nguồn năng lượng hóa thạch truyền thống dé chế tạo các loại phương tiện giao thông chạy bang NLMT.
Tuy nhiên, giá thành thiết bị pin mặt trời còn khá cao nên ở những nước dang phát triển pin mặt trời chủ yếu cung cấp năng lượng điện sử dụng cho các vùng hải đảo, miên núi chưa có điện lưới quôc gia. s* Hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện là một hiện tượng điện — lượng tử, trong đó các điện tử được thoát ra khỏi vật chất sau khi hấp thụ năng lượng từ các bức xạ điện từ. Hiệu ứng quang điện còn được gọi là hiệu ứng Hertz, do nhà khoa học Heinrich Hertz tim ra. Khi bề mặt của một tam kim loại được chiếu bởi bức xạ điện từ có tần số thích hợp (lớn hơn một tần số ngưỡng đặc trưng cho mỗi kim loại), các điện tử sẽ hấp thụ năng lượng từ các photon và chuyén lên vùng dẫn tạo thành các điện tử tự do e- đồng thời dé lại các lỗ trống mang điện dương.
các hạt mang điện này di chuyền tạo ra dòng điện (gọi là dòng quang điện). Khi các điện tử bị bật ra khỏi bề mặt của tim kim loại, ta có hiệu ứng quang điện ngoài (external photoelectric effect). Các điện tử không thé phát ra nếu tan số của bức xạ nhỏ hơn tan số ngưỡng bởi điện tử không được cung cấp đủ năng lượng cần thiết để vượt ra khỏi rao thé (gọi là công thoát). Điện tử phát xạ ra dưới tac dụng của bức xạ điện từ được gọi là quang điện tử.
Ở một số chất khác, khi được chiếu sảng với tần số vượt trên tần số ngưỡng, các điện tử không bật ra khỏi bề mặt, thoát ra khỏi liên kết với nguyên tử, trở thành điện tử tự do (điện tử dẫn) chuyển động trong lòng của khối vật dẫn tạo nên hiệu ứng quang điện trong (internal photoelectric effect). Hiệu ứng nay dan dén su thay đổi về tính chất dẫn điện của vật dẫn, do đó, người ta còn gọi hiệu ứng này là hiệu ứng quang dẫn. s* Câu tạo của pin mặt tròi Pin mặt trời được sản xuất và ứng dụng phô biến nhất hiện nay được chế tạo từ vật liệu tinh thé bán dẫn silic (Si). Sĩ là một chất bán dẫn điển hình và có hóa trị 4.
Pin mặt trời có cầu tạo tương tự như một diode bán dẫn gồm có 02 lớp bán dẫn n và p tiếp xúc nhau, nhưng có diện tích bề mặt rộng. Mặt trên là lớp bán dẫn loại N (Chất bán dan Si pha tạp chat P) cực mỏng dé ánh sáng có thé truyền qua, lớp bán dẫn này tiếp xúc với lớp bán dẫn loại P (Chất bán dẫn Si pha tạp chất B). Ngoài ra, một pin mặt trời còn có một số thành phan khác như các điện cực, lớp phủ chống phan xa và dé cách điện. Theo Đặng Đình Thống và Lê Danh Liên, 2005.
Đối với pin mặt trời từ vật liệu tinh thé Si khi được chiếu sáng thì hiệu điện thé hở mạch giữa hai cực vào khoảng 0,55V, còn dòng doan mạch của nó dưới bức xạ mặt trời khoảng 1000W/m7 vào khoảng 25+30mA/cm? (Đặng Đình Thống và Lê Danh Liên, 2005). Hình bên dưới cho thay cầu tao cơ bản của một tam pin mặt trời: 10 Glass._ = Ì Ì j LÌ sun | + tụ ZZ ⁄ Y ® 4 Junction bk VON N Metal Contact Hình 1.2 Cấu tao của pin mặt trời Nguồn: DAENotes, 2017 s* Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời Khi hai lớp bán dẫn p và n tiếp xúc nhau, do sự chênh lệch về mật độ các hạt dẫn (tức là do gradient hóa thế) nên các điện tử sẽ khuếch tán từ bán dẫn n sang p, lỗ trống khuếch tán ngược lại từ bán dẫn p sang n. Sự khuếch tán này làm cho phần bán dẫn n sát lớp tiếp xúc tích điện tích điện dương, còn phan bán dẫn p ngay đối điện tích điện âm. Trong miền tiếp xúc lúc này hình thành điện trường Utx hướng từ bán dẫn n sang p (Utx sẽ ngăn cản sự khuếch tán tiếp tục của các hạt dẫn qua lớp tiếp xúc).
Khi chiếu sáng lớp tiếp xúc p-n, cặp điện tử - lỗ trồng được tạo thành, bị tách ra dưới tác dụng của điện trường tiếp xúc Utx và bị gia tốc về các phía đối diện tạo thành một sức điện động quang điện. Sức điện động này phụ thuộc vào bản chất chất ban dân, nhiệt độ lớp tiép xúc, bước sóng và cường độ ánh sáng tới. Lớp bán dẫn p-n có tính chỉnh lưu như một diode, chỉ cho điện tử dẫn và lỗ trống dẫn trong vùng tiếp xúc di chuyển về phía bán dẫn n và bán dẫn p tương ứng. Nói các đầu bán dẫn băng một dây dẫn thì trong dây xuất hiện dòng quang điện I đi theo chiêu từ ban dan p qua tải vê ban dân n.
Cơ sở thực tế 1. — Tình hình thực tế điện mặt trời ngoài nước Xu hướng phát triển điện mặt trời (DMT) mạnh mẽ trên toàn cầu di cùng với sự gia tăng nhận thức về sử dụng hiệu qua và tiết kiệm năng lượng. Giải pháp này sẽ giúp giảm thiểu tác động của biến đổi khí hậu, tạo ra các cơ hội dau tư mới và dam bảo quyền tiếp cận năng lượng cho hàng tỷ người hiện chưa được tiếp cận với các dịch vụ năng lượng hiện đại. Theo báo cáo Năng lượng tái tạo toàn cầu 2016 của REN21, tỉ lệ điện năng sản xuất từ năng lượng tai tạo (NLTT) chỉ chiếm 19,2% so với điện năng từ năng lượng hóa thạch và hạt nhân trong năm 2014 (Hình 2.
Năm 2015 đánh dấu mức tăng lớn nhất của công suất NLTT được bố sung vao hệ thống năng lượng toàn cầu. Ước tính có khoảng 147 gigawatt (GW) công suất điện tái tạo đã được bố sung vào hệ thống năng lượng toàn cau. Tỉ lệ điện năng sản xuất từ NLTT chiếm 28,9% công suất lắp đặt toàn cầu và 23,7% sản lượng điện toàn cầu vào cuối năm 2015. Điện năng sản xuất từ các nguồn NLTT bao gdm điện gió, điện mặt trời, sinh khối và địa nhiệt chỉ chiếm 1.2% tong điện năng sản xuất từ NLTT trong năm 2014.
Thế nhưng, chỉ trong vòng 1 năm điện năng sản xuất từ các tâm pin năng lượng đã tăng lên 1,2% so với 237% tong điện năng sản xuất từ NLTT. Tăng trưởng mạnh trong đầu tư vào NLTT trên toàn thế giới trong năm 2015 chủ yếu là do chỉ phí sản xuất điện từ NLTT ngay càng giảm, bên cạnh những lợi ích về môi trường từ việc sử dụng nguồn tài nguyên vô tận.9% : mm Traditional biomass 1.8% Wind/solar/ Biofuels 8.9% biomass/ geothermal power Hình 1.3 Ty trọng điện năng san xuất từ NLTT trong tổng sản lượng điện san xuât trên toàn cầu năm 2014 Nguồn: REN21, 2016 12 Wind 3.2% Geothermal, CSP and ocean 0.4% Based on renewable generating capacity at year-end 2015.