Chương 1: Tổng quan. Tổng công suất phát điện NLTT trên thế giới đến năm 2010 là 4.950 GW, chiếm khoảng 25% tổng công suất phát điện và cung cấp gần 20% điện năng trên toàn cầu, trong đó thủy điện nhỏ chiếm một tỷ lệ rất lớn (16,1%, Bảng 1. Nếu không kể thủy điện nhỏ thì tổng công suất phát điện NLTT là 312 GW, tăng 25% so với 2009 (250 GW), trong đó phát điện NL gió tăng nhanh nhất, với công suất lắp thêm năm 2010 là 39 GW, tiếp theo điện mặt trời tăng 17 GW. Các nước dẫn đầu về công suất phát điện NLTT đến cuối năm 2010 (không kể thủy điện nhỏ) là Trung Quốc, Mỹ, Canada, Brazin, Ấn độ và Đức (Hình 1.4: Công suất phát điện xây dựng năm 2010 (không kể thủy điện nhỏ); (Đơn vị: GW) [9] Phát điện NLTT có vai trò rất quan trọng ở khu vực châu Âu (EU).
Năm 2010, công suất NLTT được xây dựng thêm là 22,6 GW, chiếm khoảng 41% tổng công suất phát điện xây dựng mới. Đặc biệt với cường độ bức xạ mặt trời không cao và giá đầu tư còn cao nhưng điện mặt trời đã phát triển rất mạnh, chiếm hơn 50% tổng công suất NLTT lắp thêm năm 2010. [8] Luận văn này sẽ tìm hiểu riêng về công nghệ phát triển nhất trong các nguồn năng lượng tái tạo đó là năng lượng mặt trời. Trang 7 Luan van LVTN Chương 1: Tổng quan.
Năng lượng mặt trời. Ánh sáng mặt trời là một nguồn năng lượng dồi dào, trong 10 phút truyền xạ, trái đất nhận một năng lượng khoảng 5 x 1020 J (500 tỷ tỷ Joule), tương đương với lượng tiêu thụ của toàn thể nhân loại trong vòng một năm. Trong 36 giờ truyền xạ, mặt trời cho chúng ta một năng lượng bằng tất cả những giếng dầu của quả đất. Năng lượng mặt trời vì vậy gần như vô tận.
Hơn nữa, nó không phát sinh các loại khí nhà kính (greenhouse gas) và khí gây ô nhiễm môi trường.5: Lượng năng lượng mặt trời cung cấp cho Trái đất Hiện tại năng lượng mặt trời được sử dụng dưới hai dạng chính: o Nhiệt mặt trời (sử dụng dưới dạng nhiệt năng): Công nghệ nhiệt mặt trời có thể được sử dụng cho đun nước nóng, sưởi ấm không gian, làm mát không gian và quá trình sinh nhiệt. Có thể kể đến một số ứng dụng cụ thể dưới dạng này như : Trang 8 Luan van LVTN Chương 1: Tổng quan. - Hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời sử dụng ánh sáng mặt trời để làm nóng nước. Hệ thống này thường được sử dụng ở các khu vực trong vĩ độ địa lý thấp (dưới 40°C) nhiệt độ của nước qua hệ thống có thể lên đến 60°C.6 : Hệ thống nước nóng dung năng lượng mặt trời -Tại Mỹ, hệ thống sưởi ấm, thông gió và điều hòa không khí (HVAC), chiếm 30% (4,65 EJ) năng lượng được sử dụng trong các tòa nhà thương mại và gần 50% (10,1 EJ) năng lượng sử dụng trong các tòa nhà dân cư.
-Khử trùng nước bằng năng lượng mặt trời (SODIS): phương pháp này dùng các chai nhựa polyethylene terephthalate (PET) đổ đầy nước và phơi chúng dưới ánh sáng mặt trời trong vài giờ. Thời gian phơi sáng khác nhau tùy thuộc vào thời tiết và khí hậu (tối thiểu là sáu giờ đến hai ngày trong điều kiện hoàn toàn u ám). Hơn hai triệu người ở các nước đang phát triển sử dụng phương pháp này đối với nước uống hàng ngày của họ. -Bếp năng lượng mặt trời sử dụng ánh sáng mặt trời để nấu nướng, làm khô và khử trùng.
Chúng có thể được nhóm lại thành ba loại lớn: bếp hộp, bếp tấm và bếp phản xạ. o Điện mặt trời: Sử dụng thông qua sự chuyển hoá năng lượng mặt trời thành điện năng: việc chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện có thể thực hiện trực tiếp bằng cách sử dụng quang điện (PV), hoặc gián tiếp bằng cách sử dụng điện mặt trời tập trung(CSP). Trang 9 Luan van LVTN Chương 1: Tổng quan. Các hệ thống điện mặt trời tập trung (CSP) sử dụng ống kính, gương và các hệ thống theo dõi để tập trung một khu vực rộng lớn của ánh sáng mặt trời vào một chùm nhỏ (Hình 1.
Nhiệt tập trung sau đó được sử dụng như một nguồn năng lượng cho một nhà máy điện thông thường. Các nhà máy CSP thương mại được phát triển đầu tiên vào những năm 1980, nhà máy CSP SEGS 354 MW là nhà máy điện mặt trời lớn nhất trên Thế giới và nằm ở sa mạc Mojave của California. Các nhà máy CSP lớn khác bao gồm Nhà máy điện mặt trời Solnova (150 MW) và Nhà máy điện mặt trời Andasol (100 MW) ở Tây Ban Nha.7: Công nghệ nhiệt mặt trời sử dụng máng hội tụ Parabol Pin quang điện (PV): chuyển đổi ánh sáng thành dòng điện bằng cách sử dụng hiệu ứng quang hiện. Hệ thống pin mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện), là những thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các diot 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 Trang 10 Luan van LVTN Chương 1: Tổng quan. tới, các vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo trái đất, máy tính cầm tay, các máy điện thoại cầm tay từ xa, .8: Pin năng lượng mặt trời.
Trong những năm gần đây, tình hình phát triển năng lượng tái tạo rất khả quan. Đặc biệt là sự phát triển mạnh mẽ của năng lượng gió, tuy nhiên năng lượng mặt trời vẫn đóng vai trò chủ đạo. Tình hình phát triển năng lượng mặt trời trên thế giới có thể tổng kết như sau: Lắp đặt mới1 năm 2010, toàn thế giới : 16.6 GW Tổng lắp đặt tính đến cuối năm 2010 : 39.5 GW Điện sản xuất từ pin MT2 năm 2010, toàn thế giới: 47 000 GWh Lượng phát điện ròng ở Đức năm 2009 : 617 000 GWh Sản lượng điện thương mại Việt Nam 2010 : 86 000 GWh Hình 1.9: Tổng công suất lắp đặt pin mặt trời trên thế giới từ 2005 – 2010.[8] Trang 11 Luan van LVTN Chương 1: Tổng quan. Hiện nay, trên thế giới và trong nước đã có nhiều công trình nghiên cứu về hệ thống Pin mặt trời với mục đích nâng cao hiệu suất và giảm giá thành sản xuất của Pin mặt trời.
Chủ yếu các nghiên cứu này tập trung vào các lĩnh vực : Nghiên cứu các vật liệu mới nhằm nâng cao hiệu suất của Pin. Nghiên cứu các qui trình sản xuất mới nhằm hạ giá thành sản xuất Ổn định và nâng cao điện áp phát ra của hệ thống Pin mặt trời. Các phương pháp điều khiển nhằm đưa hệ thống pin mặt trời làm việc tại điểm công suất cực đại… Một số các đề tài đã công bố như: Nghiên cứu tính chất quang điện của pin mặt trời chất màu nhạy sáng sử dụng điện cực lai TiO2 – Chấm lượng tử, TS. Nguyễn Hồng Minh, GS.
Nguyễn Đức Nghĩa, Viện KH&CN Việt Nam Nghiên cứu và phát triển công nghệ chế tạo các phần tử pin mặt trời màng mỏng CIGS, GS. Võ Thạch Sơn, Viện Vật lý Kỹ thuật, Đại học Bách khoa Hà Nội. Surya Kumari, Ch. Sai Babu “Comparison Of Maximum Power Point Tracking Algorithms For Photovoltaic System” International Journal of Advances in Engineering & Technology, Nov 2011.
Jeyraj Selvaraj and Nasrudin A. Rahim’Multilevel Inverter For Grid- Connected PV System Employing Digital PI Controller’ ieee transactions on industrial lectronics, vol. Tuy nhiên các pin mặt trời hiện có trên thị trường và trong các nghiên cứu trên được chế tạo từ các vật liệu vô cơ như Silic. Với vật liệu này, người ta có thể chế tạo được pin có hiệu suất cao (khoảng 15%).
Tuy nhiên, pin mặt trời từ tinh thể silic có giá thành cao, yêu cầu kỹ thuật lại tinh vi. Hiện nay, pin mặt trời hữu cơ đang thu hút sự quan tâm của giới khoa học. Mặc dù hiệu suất của loại pin này vẫn thấp hơn nhiều so với pin mặt trời từ silicon tinh thể (hiệu suất khoảng 5%), nhưng chúng có nhiều ưu điểm như có thể được sản xuất dễ dàng, giá rẻ và ít tác động đến môi trường. Trang 12 Luan van LVTN Chương 1: Tổng quan.
Ở trong nước, một số đề tài cũng đã nghiên cứu đến loại Pin này như : Trương Văn Thịnh, Khảo sát tính chất quang và điện của các màng tổ hợp polymer dẫn pha tạp các hạt nano vô cơ, Trường Đại học công nghệ. Nguyễn Văn Giang, Nghiên cứu tính chất quang của vật liệu, chế tạo và mô phỏng một vài thông số trong pin mặt trời hữu cơ, Đại học quốc gia Hà Nội. Phạm Thị Tuyết Lan, Mô phỏng và tối ưu hóa pin mặt trời hữu cơ cấu trúc nano đa lớp, Trường Đại học công nghệ. Các nghiên cứu trong các đề tài trên đều tập trung nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu suất của pin mặt trời hữu cơ thông qua việc nghiê cứu nâng cao tính chất của vật liệu chế tạo mà chưa đi sâu vào nghiên cứu đáp ứng của pin đối với môi trường và các thuật toán điều khiển dò tìm công suất cực đại.
Định hướng của đề tài. Đề tài tập trung nghiên cứu lý thuyết về Pin năng lượng mặt trời Polymer MEH-PPV : o Nghiên cứu cấu trúc, nguyên lý hoạt động của Pin. o Xây dựng qui trình chế tạo Pin Polymer MEH-PPV. Đề tài nghiên cứu, xây dựng mô hình mô phỏng các module quang điện (PV) o Xây dựng mô phỏng một Pin quang điện thực tế, mô phỏng các đặc tuyến về điện áp, công suất của Pin dưới các điều kiện độ rọi và nhiệt độ khác nhau o Xây dựng thuật toán bám điểm công suất cực đại cho Pin mặt trời.
Nhiệm vụ của luận văn. Nghiên cứu cách thức chế tạo pin mặt trời hữu cơ đơn lớp: điện cực truyền qua ITO, lớp hoạt quang MEH-PPV, điện cực anode nhôm. Mô hình hóa, mô phỏng pin mặt trời trong Matlab Simulink : o Trong điều kiện một module quang điện khảo sát đường cong đặc tính I-V, công suất cực đại của PV. Trang 13 Luan van LVTN Chương 1: Tổng quan.
o Dùng kỹ thuật MPPT với giải thuật P&O cổ điển và giải thuật INCOND để tìm điểm công suất cực đại trong trường hợp hệ nhiều PV có cùng một điều kiện về độ bức xạ, nhiệt độ. o So sánh các giải thuật trên o Xây dựng giải thuật bắt điểm công suất cực đại dựa trên mạng Nơron và giải thuật INCOND. Kết quả mong muốn. Chế tạo được pin mặt trời polymer MEH-PPV.
Xây dựng được chương trình mô phỏng pin với các mức bức xạ khác nhau.