CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tổng quan nguồn khai thác năng lượng trên thế giới Thế giới đã trải qua ba cuộc cách mạng khoa học kĩ thuật lớn và mỗi lần đều gắn với đột phá về khai thác năng lượng từ việc khống chế lửa, khai thác năng lượng từ sông ngòi đến các cỗ máy vận hành bằng hơi nước. Có thể nói việc tìm ra phương thức mới khai thác các nguồn năng lượng đã góp phần đẩy nhanh sự phát triển văn minh nhân loại. Hiện nay, nguồn năng lượng chính cung cấp cho toàn cầu chủ yếu được khai thác từ nhiên liệu hóa thạch, thủy điện, và hạt nhân như thể hiện ở hình 1.
Nguồn khai thác điện năng toàn cầu 2% Than 4% 5% Khí đốt 11% 39% Hydro Hạt nhân 16% Mặt trời, gió, địa nhiệt, và thủy triều Dầu mỏ 23% Nguồn khác Nguồn: IEA Electricity Information Hình2017 1. Nguồn khai thác điện năng toàn cầu [1] Trong các nguồn năng lượng được khai thác, nguồn nhiên liệu hóa thạch gây ô nhiễm môi trường và đang dần cạn kiệt. Đối với thủy điện, việc phải phá rừng, đắp đập, làm ngập hồ chứa khi xây dựng đập thủy điện gây phá vỡ hệ sinh thái; nhiều quốc gia cùng khai thác thủy điện gây suy kiệt tài nguyên nước ở các khu vực hạ lưu, kéo theo đó là sự xâm nhập mặn của nước biển, điển hình tại Việt Nam là khu vực hạ lưu sông Mê Kông thuộc đồng bằng sông Cửu Long [2]. Năng lượng hạt nhân luôn tiềm ẩn nguy cơ lớn về an toàn bức xạ và đòi hỏi chi phí đầu tư ban đầu lớn, cùng chiến lược xây dựng và khai thác tầm cỡ quốc gia, khó áp dụng ở quy mô vừa và nhỏ [1].
1 Những vấn đề cấp thiết trên đã thúc đẩy các nhà khoa học nghiên cứu phát triển những công nghệ khai thác năng lượng không gây ô nhiễm và có thể tái tạo được từ các nguồn như mặt trời, gió, địa nhiệt, và thủy triều. Mỗi nguồn năng lượng mới này đều có yêu cầu đặc thù khác nhau trong khai thác, phụ thuộc địa hình, công nghệ, và hạ tầng riêng từng khu vực. Trong đó, năng lượng gió yêu cầu địa hình bằng phẳng, không gian rộng, lượng gió quanh năm lớn cũng như ổn định. Năng lượng địa nhiệt phụ thuộc khu vực có hoạt động địa tầng mạnh.
Năng lượng sóng, thủy triều chỉ có thể khai thác ở biển và ven bờ. Riêng đối với năng lượng mặt trời, là nguồn năng lượng đã được con người khai thác từ thời cổ đại để phục vụ các hoạt động sinh hoạt và sản xuất hằng ngày như sấy nông sản, phơi khô đồ dùng sinh hoạt, thắp sáng, v. Năng lượng mặt trời luôn có sẵn, không phụ thuộc điều kiện địa hình, khí hậu, dễ dàng khai thác, sử dụng, và là nguồn năng lượng được coi là vô tận [1]. Cùng với sự phát triển của văn minh loài người, việc sử dụng và khai thác năng lượng mặt trời cũng tinh vi và phức tạp hơn, từ năng lượng mặt trời con người đã có thể chuyển đổi thành điện năng phục vụ cho sản xuất và sinh hoạt.
Có hai phương pháp chính để khai thác năng lượng từ mặt trời để tạo ra điện năng phục vụ công nghiệp và đời sống: một là phương pháp khai thác nhiệt năng từ bức xạ mặt trời phát ra (solar thermal), hai là phương pháp khai thác quang năng để chuyển hóa thành điện năng hay còn gọi là quang điện (photovoltaics - PV). Một số lợi thế quan trọng nhất của hệ thống quang điện năng lượng mặt trời so với hệ thống nhiệt điện mặt trời như: Đối với quy mô công nghiệp: các nhà máy điện mặt trời, thiết kế quy trình đơn giản hơn nhiều so với nhiệt. Một nhà máy quang điện được hình thành từ nhiều tấm pin mặt trời được kết nối, nên dễ dàng điều chỉnh quy mô và năng suất. Mặt khác, phát điện bằng cách sử dụng công nghệ nhiệt mặt trời cần việc truyền năng lượng nhiệt từ chất dẫn nhiệt (hơi nước nóng) sang chạy tuabin máy phát điện.
Điều đó đã dẫn đến sự phức tạp, cồng kềnh trong thiết kế và chế tạo thiết bị. Ngoài ra, đối với nhiệt mặt trời, sự phụ thuộc vào điều kiện khí hậu và độ ẩm không khí gây ra hạn chế về khu vực khai thác so với quang điện [2,3]. Ở quy mô nhỏ hơn, các hệ thống quang điện linh hoạt hơn các hệ thống nhiệt, vì có thể cấp nguồn cho nhiều thiết bị với khả năng tạo dòng điện một chiều, (nhiệt mặt trời bị giới hạn với yêu cầu không gian và chất truyền nhiệt). Hệ thống quang điện cũng có tuổi thọ hoạt động cao hơn và việc bảo dưỡng đơn giản hơn [4].
2 Hiện nay, nhu cầu ngày càng lớn về năng lượng trên thế giới đã thúc đẩy sự gia tăng khai thác năng lượng, nhất là năng lượng có thể tái tạo, nổi bật là năng lượng mặt trời. Việt Nam là quốc gia nằm ở khu vực nhiệt đới cận xích đạo nên có số giờ nắng trung bình trên ngày khá cao, dựa trên bản đồ phân bố tiềm năng sản lượng điện mặt trời toàn cầu thể hiện ở hình 1. Bản đồ phân bố tiềm năng sản lượng điện mặt trời toàn cầu theo dữ liệu The World Bank Group [5] Hình 1.2 cho thấy cường độ tổng lượng bức xạ trung bình trên ngày của Việt Nam thuộc nhóm cao trên thế giới: 5 kWh/m2 [6, 7]. Ở miền Nam, số giờ nắng trung bình đạt 6,5 giờ/ngày, miền Bắc là 4,1 giờ/ngày, một số địa phương có số giờ nắng trung bình ngày cao như Cần Thơ: 6,9 giờ/ngày, Đà Lạt: 6,1 giờ/ngày.
Với các thuận lợi đó, Việt Nam có tiềm năng lớn trong sản xuất điện năng từ nguồn năng lượng mặt trời [6, 8]. Để có thể khai thác được nguồn năng lượng mặt trời, cần thiết bị có khả năng chuyển hóa quang năng thành điện năng. Hiện nay, thiết bị phổ biến để sản xuất điện năng từ quang năng là pin năng lượng mặt trời. Pin mặt trời Pin năng lượng mặt trời (pin mặt trời) là thiết bị chuyển hóa năng lượng từ ánh sáng mặt trời thành năng lượng điện.
Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời dựa trên hiệu ứng quang điện [3]. Hiệu ứng quang điện Năng lượng ánh sáng mặt trời được chuyển hóa thành năng lượng điện qua một quá trình trực tiếp gọi là hiệu ứng quang điện. Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên vào năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel. Năm 1905, Albert 3 Einstein đã lý giải thành công hiệu ứng quang điện cũng như các định luật quang điện bằng mô hình lượng tử ánh sáng, dựa trên Thuyết lượng tử được công bố vào năm 1900 của Max Planck.
Công trình về hiệu ứng quang điện đã giúp Albert Einstein giành giải Nobel vật lý năm 1921. Hiệu ứng quang điện bao gồm hai loại hiệu ứng chính là hiệu ứng quang điện ngoài và hiệu ứng quang điện trong như minh họa ở hình 1. Nguyên tử a) b) Hình 1. a) Hiệu ứng quang điện ngoài b) hiệu ứng quang điện trong [10] Đối với pin mặt trời, hiệu ứng chính để chuyển hóa năng lượng là hiệu ứng quang điện trong (internal photoelectric effect) hay hiệu ứng quang dẫn (photovoltaic effect): khi chiếu ánh sáng có bước sóng thích hợp (λ < 800 nm), các điện tử trong lớp vỏ nguyên tử được kích thích từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, thoát khỏi liên kết với nguyên tử [11].
Dựa trên hiện tượng quang điện trong, các tế bào quang điện được phát triển và trở thành cơ sở cho việc chế tạo pin mặt trời. Pin mặt trời là thiết bị tạo ra năng lượng điện từ quang năng được lắp ghép từ nhiều tế bào quang điện (60 – 79 tế bào quang điện) như thể hiện ở hình 1. 4 Tế bào quang điện Pin mặt trời Hệ thống pin mặt trời Hình 1. Pin mặt trời [13] Cơ chế hoạt động dựa trên hiện tượng quang điện trong của pin mặt trời với hai lớp bán dẫn loại n và loại p được thể hiện ở hình 1.
Lớp Dòng điện ngăn cách Photon Dòng điện tử Bán dẫn loại n Bán dẫn loại p Lỗ trống Hình 1. Cơ chế hoạt động pin mặt trời dựa trên hiện tượng quang điện [10] Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời cơ bản được chia làm ba giai đoạn: Đầu tiên, năng lượng từ các photon ánh sáng được hấp thu vào các tế bào quang điện giúp cung cấp năng lượng để hình thành các cặp điện tử – lỗ trống và trở thành các hạt tải trong 5 trong chất bán dẫn. Do sự khác biệt về mật độ điện tử – lỗ trống giữa hai lớp bán dẫn n – p và sự phân chia bởi ngăn cách tạo bởi các loại chất bán dẫn với mật độ điện tử, lỗ trống khác nhau tạo nên một hiệu điện thế của pin mặt trời giúp dòng điện tử dịch chuyển tạo ra dòng điện. Pin mặt trời sau đó được nối trực tiếp vào mạch ngoài và tạo nên mạch điện khép kín cho dòng điện đi qua cung cấp điện năng cho thiết bị tiêu thụ (bóng đèn) [13].
Dựa trên việc nghiên cứu và phát triển các tế bào quang điện, hiện nay, có thể phân ra bốn thế hệ pin mặt trời. Các thế hệ pin mặt trời 1. Pin mặt trời thế hệ thứ nhất Thế hệ pin thứ nhất là các pin dựa trên nền vật liệu silic bao gồm silic đơn tinh thể (crystalline silicon – c-Si), silic đa tinh thể (polycrystalline silicon -Si) được pha tạp các nguyên tử khác loại (B, N, v.) tạo ra các lớp bán dẫn loại n và bán dẫn loại p. Ghép hai loại bán dẫn n và p lại với nhau sẽ tạo thành tiếp xúc n – p.
Đây là cấu trúc cơ sở trong cấu tạo tế bào quang điện pin mặt trời thế hệ thứ nhất. Sự khác biệt trong hình thái, cấu trúc silic chế tạo pin dẫn tới sự khác biệt khi hình thành pin như thể hiện ở hình 1. Pin mặt trời thế hệ thứ nhất. a) Pin mặt trời silic đơn tinh thể, b) pin mặt trời silic đa tinh thể – poly-Si [13] Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời thế hệ thứ nhất được thể hiện ở hình 1.
Vật liệu bán dẫn với lớp tiếp xúc n – p khi được ánh sáng mặt trời chiếu vào, photon của ánh sáng mặt trời có thể kích thích làm cho điện tử liên kết với nguyên tử silic bị bật ra khỏi nguyên tử, đồng thời ở nguyên tử xuất hiện lỗ trống vì thiếu điện tử, tạo ra cặp điện tử – lỗ trống. Nếu cặp điện tử – lỗ trống này sinh ra ở gần chỗ tiếp giáp n – p thì hiệu thế 6 tiếp xúc sẽ đẩy điện tử về bên bán dẫn n và đẩy lỗ trống về bên bán dẫn p.