chương 1, tôi đã trình bày các lý thuyết về năng lượng mặt trời: giới thiệu cấu tạo Mặt Trời, bức xạ Mặt Trời và các bước tính toán năng lượng bức xạ Mặt Trời để từ đó làm cơ sở cho việc đo đạc các thông số trong thực tế nhằm tính toán, thiết kế hệ thống bị hiệu quả nhất. Trong chương này tôi còn trình các ứng dụng năng lượng Mặt Trời phổ biến phục vụ cho đời sống và khoa học – kỹ thuật. Qua đó, ta thấy Việt Nam là một trong những nước nằm trong giải phân bố ánh nắng Mặt Trời nhiều nhất trong năm trên bản đồ bức xạ Mặt Trời của thế giới, với dải bờ biển dài 3000km, có hàng nghìn đảo lớn nhỏ có cư dân cư sống nhưng không thể đưa điện lưới đến được. Vì vậy, sử dụng năng lượng Mặt Trời như một nguồn năng lượng tại chổ để thay thế cho các dạng năng lượng truyền thống, đáp ứng nhu cầu của các vùng dân cư này là một kế sách có ý nghĩa về mặt kinh tế, an ninh quốc phòng.
CẤU TRÚC CỦA LƯỚI ĐIỆN MẶT TRỜI 2. Pin năng lượng Mặt Trời 2. Khái niệm pin năng lượng Mặt Trời Pin năng lượng Mặt Trời còn gọi là pin quang điện là thiết bị ứng dụng hiệu ứng quang điện trong bán dẫn (thường gọi là hiệu ứng quang điện trong – quang dẫn) để tạo ra dòng điện một chiều từ ánh sáng Mặt Trời. Loại pin Mặt Trời thông dụng nhất hiện nay là loại sử dụng Silic tinh thể.
Tinh thể Silic tinh khiết là chất bán dẫn rất kém vì các điện tử bị giam giữ bởi liên kết mạng. Không có điện tử tự do. Khi bị ánh sáng hay nhiệt độ kích thích, các điện tử bị bứt ra khỏi liên kết, hay là các điện tử tích điện âm nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẫn và để lại một lỗ trống tích điện dương trong vùng hóa trị. Lúc này chất bán dẫn mới có điện.
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời 2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động pin mặt trời Pin năng lượng Mặt trời hay pin mặt trời hay pin quang điện bao gồm nhiều tế bào quang điện là phần tử bán dẫn có thành phần chính là sillic tinh khiết, có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là điốt quang, thực hiện biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện. Các tế bào quang điện này được bảo vệ bởi một tấm kính trong suốt ở mặt trước và một vật liệu nhựa ở phía sau. Toàn bộ nó được đóng gói chân không trong thông qua lớp nhựa polymer càng trong suốt càng tốt.
Cường độ dòng điện, hiệu điện thế hoặc điện trở của pin mặt trời thay đổi phụ thuộc bởi lượng ánh sáng chiếu lên chúng. Tế bào quang điện được ghép lại thành khối để trở thành pin mặt trời Cấu trúc các lớp bên trong pin năng lượng mặt trời. • Khung tấm pin mặt trời Một trong những phần cuối cùng được lắp ráp pin mặt trời là khung. Nó thướng được làm bằng nhôm và có chức năng đảm bảo độ bền cho tấm pin.
Đối với các trường hợp sử dụng 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 phía sau với công nghệ kính thủy tinh. 16 • Lớp kính trước Phần Kính mặt trước của pin mặt trời là phần nặng nhất. Nó có chức năng bảo vệ và đảm bảo độ bền cho toàn bộ tấm pin mặt trời, duy trì độ trong suốt cao.
Độ dày của lớp này thường là 3,3mm nhưng nó có thể dao động từ 2 mm đến 4mm tùy thuộc vào loại kính mà hãng sản xuất pin đó chọn. Điều quan trọng là phải chú ý đến các yếu tố như chất lượng độ cứng, độ truyền quang phổ và truyền ánh sáng. Pin càng tốt thì lớp kính trước này hấp thu ánh sáng đi qua tốt hơn , phản xạ ánh sáng ít hơn. • Lớp tế bào quang điện bên trong Các tế bào quang điện là thành phần chính và có chức năng hấp thụ ánh sáng mặt trời, biến đổi quang năng thành điện năng.
Các tế bào thinh thể Silics này có thể là đơn tinh thể (gọi là pin Mono) hay đa tinh thể (gọi là pin Poly), tùy theo quy trính sản xuất của từng hãng pin mặt trời. Các đặc tính kỹ thuật chính là: kích thước, màu sắc, số lượng tế bào – cells pin và quan trọng hơn hết là hiệu suất chuyển đổi của pin mặt trời. Hiện nay, các tế bào Cells pin với hiệu suất chuyển hóa khoảng 17,6% tạo ra một pin mặt trời 250W với 60 cells. Các tế bào Cells này được liên kết với nhau bằng một dây đồng mỏng được phủ một hợp kim thiếc.
• Lớp keo cố định tế bào quang điên Một trong những vật liệu quan trọng nhất là chất liệu đóng gói – là chất kết dính giữa các lớp khác nhau của pin mặt trời. Vật liệu phổ biến nhất được sử dụng làm chất đóng gói là EVA – Ethylene vinyl acetate. Nó là một polymer đục mờ được đóng theo cuộn. Nó phải được cắt thành tấm và nằm trước và sau các tế bào quang điện.
Khi chịu một quá trình nhiệt của nấu chân không, loại polymer đặc biệt này trở đăc lại thành keo trong suốt và kết dính các tế bào 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. • 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 này thường có màu trắng và được bán ở dạng cuộn hoặc tấm.
Các loại pin các hãng khác nhau có thể 17 khác nhau về độ dày, màu sắc và sự hiện diện của các vật liệu cụ thể để che chắn tốt hơn hoặc cho độ bền cơ học cao hơn. • 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. Nó chứa 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.
Cấu tạo pin năng lượng Mặt Trời Nguyên lý hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện. Về bản chất quang điện là một diot bán dẫn bao gồm hai tấm bán dẫn loại P và loại N đặt sát cạnh nhau, khác ở chổ pin quang điện có diện tích bề mặt rộng và có lớp N cực mỏng để ánh sáng có thể truyền qua. Trên bề mặt của pin quang điện có một lớp chống phản xạ vì khi chiếu ánh sáng vào pin quang điện sẽ có một phần ánh sáng bị hấp thụ khi truyền qua lớp N và một phần ánh sáng sẽ bị phản xạ ngược lại còn một phần ánh sáng sẽ đến được lớp chuyển tiếp nơi có các electron và lỗ trống nằm trong điện trường của bề mặt giới hạn. Với các bước sóng thích hợp sẽ truyền cho electron một năng lượng đủ lớn để thoát khỏi liên kết.
Khi thoát ra khỏi liên kết, dưới tác dụng của điện trường, electron sẽ bị kéo về phía chất bán dẫn loại N, còn lỗ trống bị kéo về phái bán dẫn loại P. Khi đó nếu nối hai cực vào hai phần bán dẫn loại N và P sẽ đo được một hiệu điện thế. Giá trị hiệu điện thế này phụ thuộc vào chất làm chất bán dẫn và tạp chất pha trong chất bán dẫn. Cấu tạo tế bào quang điện 18 2.
Hiệu ứng quang điện Pin Mặt Trời làm việc theo nguyên lý là biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ Mặt Trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện. Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp Alexandre. Tuy nhiên cho đến năm 1883 một pin năng lượng mới được tạo thành bởi Charles Frits, ông phủ lên mạch bán dẫn một lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối. Thiết bị chỉ có hiệu suất 1% Russell Ohl xem là người tạo ra pin Mặt Trời đầu tiên năm 1946.
Sau đó Sven Ason Berglund đã có các phương pháp liên quan đến việc tăng khả năng cảm nhận ánh sáng của pin. Xét một hệ gồm hai mức năng lượng điện tử là E1 và E2 với E1 < E2. Bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E1 nhưng khi hệ nhận được ánh sáng Mặt Trời, lượng tử ánh sáng – photon có ăng lượng ℎ𝜈 (với h = 6,625.s là hằng số Planck,𝜈 là tần số ánh sáng) bị điện từ hấp thụ và chuyển lên mức năng lượng E2. Phương trình cân bằng năng lượng có dạng: ℎ.1) Trong các vật thể rắn, do sự tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vòng ngoài, nên các mức năng lượng của nó được tách thành nhiều mức năng lượng sát nhau và tạo thành các vùng năng lượng.
Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi ở trạng thái cân bằng được gọi là vùng hóa trị có năng lượng bờ phía trên là Ev. Vùng năng lượng phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc bị chiếm một phần được gọi là vùng dẫn, bờ dưới của vùng có năng lượng là Ec. Cách ly giữa hai vùng hóa trị và vùng dẫn là vùng cấm có năng lượng là Eg. Khi nhận bức xạ Mặt Trời, photon có năng lượng ℎ𝜈 tới hệ thống và bị điện tử vùng hóa trị hấp thụ và nó có thể di chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự do e- để lại vùng hóa trị một lỗ trống có thể coi như hạt mang điện tích dương kí hiệu là h+.
Lỗ trống này có thể di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện. Hiệu ứng lượng tử của quá trình hấp thụ photon được mô tả bằng phương trình sau: 𝑒𝑣 + ℎ𝜈 → 𝑒 − + ℎ+ (2.2) Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lượng của photon và chuyển hóa từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử lỗ trống ℎ𝜈 = ℎ𝑐 ⁄𝜆 > 𝐸𝑔 = 𝐸𝑐 − 𝐸𝑣. Từ đó ta có thể tính được bước sóng tới hạn 𝜆𝑐 của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e- và h+: 19 ℎ𝑐 ℎ𝑐 1,24 𝜆𝑐 = = = (𝜇𝑚) (2.