TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA VẬT LÝ NGUYỄN TUẤN ANH HỆ THỐNG NGUỒN ĐIỆN PIN MẶT TRỜI KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC VINH - 2010 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này, nỗ lực thân nhận nhiều quan tâm giúp đỡ tập thể, cá nhân Đầu tiên, xin chân thành cảm ơn thầy giáo, cô giáo, cán trường Đại học Vinh, khoa Vật Lý giảng dạy giúp hoàn thành tốt khóa học cho lời khuyên bổ ích Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo T.S Nguyễn Hồng Quảng, người tận tình bảo, hướng dẫn suốt thời gian qua Cuối cùng, xin cảm ơn quan tâm giúp đỡ gia đình, bạn bè người thân ủng hộ động viên tạo điều kiện tốt để hoàn thành khóa luận tốt nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn! Vinh, tháng năm 2010 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Tuấn Anh MỤC LỤC Danh mục bảng biểu hình vẽ Mở đầu Chương I Cơ sở vật lý pin mặt trời .7 1.1 Hiệu ứng quang điện chất bán dẫn 1.2 Chuyển tiếp p – n 10 1.3 Pin mặt trời 13 1.3.1 Nguyên lý hoạt động pin mặt trời 14 1.3.2 Các đặc trưng điện pin mặt trời 15 1.3.2.1 Sơ đồ tương đương 15 1.3.2.2 Dòng đoản mạch 16 1.3.2.3 Thế hở mạch VOC 17 1.3.2.4 Điểm làm việc với công suất cực đại 19 1.3.2.5 Các tham số ảnh hưởng đến chế độ làm việc hiệu suất pin mặt trời 21 1.3.2.6 Hiệu suất biến đổi quang - điện pin mặt trời 22 Chương II Hệ thống nguồn điện pin mặt trời 25 2.1 Quy trình chế tạo modun pin mặt trời 25 2.1.1 Sơ lọc cát thạch anh để có silicon có độ kỷ thuật 26 2.1.2 Làm tiếp để có silicon có độ bán dẫn tạo đơn tinh thể Si .26 2.1.3 Tạo tiếp xúc pn .27 2.1.4 Phủ lớp chống phản xạ ánh sáng .29 2.1.5 Đóng gói pin mặt trời thành modun 29 2.2 Ghép nối modun thành panel 31 2.2.1 Hệ thống nguồn điện pin mặt trời tổng quát 32 2.2.2 Dàn pin mặt trời .34 2.2.2.1 Ghép nối tiếp modun pin mặt trời giống .34 2.2.2.2 Ghép nối tiếp modun không giống .36 2.2.2.3 Ghép song song modun pin mặt trời giống 38 2.2.2.4 Ghép song song modun không giống 39 2.2.2.5 Các thông số kỹ thuật modun pin mặt trời .41 2.2.2.6 Lắp đặt dàn pin mặt trời 42 2.2.2.7 Các điều phối lượng 44 2.2.3 Tích trữ lượng hệ thống nguồn điện pin mặt trời 47 2.2.3.1 Acquy chì – axit 48 2.2.3.2 Các đặc trưng acquy axit – chì 48 2.2.3.3 Các loại acquy khác .50 Kết luận 52 Tài liệu tham khảo .54 Danh mục bảng biểu: Bảng 1.1 Các giá trị Eg, a b Si GaAs 23 Danh mục hình vẽ: Hình 1.1 Hiệu ứng quang điện .7 Hình 1.2 Các trình lượng tử hệ hai mức Hình 1.3 Sự phụ thuộc η vào Eg 10 Hình 1.4 Bán dẫn n p trước tiếp xúc 11 Hình 1.5 Sự tạo thành lớp tiếp xúc tiếp bán dẫn pn .11 Hình 1.6 Mạng lưới pin mặt trời 13 Hình 1.7 Cấu trúc pin mặt trời Si chế tạo dòng điện .14 Hình 1.8 Sơ đồ tương đương pin mặt trời 15 Hình 1.9 Sự phụ thuộc đặc trưng VA pin mặt trời vào cường độ xạ mặt trời .18 Hình 1.10 Sự phụ thuộc đặc trưng sáng VA pin mặt trời vào nhiệt độ pin .19 Hình 1.11 Điểm làm việc điểm làm việc công suất cực đại .20 Hình 1.12 Các thành phần điện trở nội Rs pin mặt trời 22 Hình 1.13 Sự phụ thuộc hiệu suất vào nhiệt độ 23 Hình 2.1 Hệ thống pin mặt trời 25 Hình 2.2 Hình ảnh modun pin mặt trời từ Si 26 Hình 2.3 Phương pháp tạo bán dẫn tạp chất p-Si 27 Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc pin mặt trời Si điển hình 29 Hình 2.5 Các lớp vật liệu modun ép (a) modun pin mặt trời hoàn thiện (b) 30 Hình 2.6 Hình ảnh panel pin mặt trời hoàn thiện 31 Hình 2.7 Hình ảnh hệ thống nguồn điện pin mặt trời thu nhỏ 32 Hình 2.8 Sơ đồ khối hệ nguồn điện pin mặt trời 33 Hình 2.9a Hệ pin mặt trời gồm hai modun giống mắc nối tiếp 35 Hình 2.9b Đường đặc trưng VA modun hệ pin mặt trời .35 Hình 2.10 Các đường đặc trưng VA modun không giống hệ hai modun 36 Hình 2.11 Ghép song song hai modun PMT giống (a) đường đặc trưng VA modun hệ (b) 38 Hình 2.12 Các đường đặc trưng hệ song song hai modun pin mặt trời không giống 39 Hình 2.13 Các diot ngăn cách modun để bảo vệ 41 Hình 2.14 Định hướng dàn pin mặt trời .43 Hình 2.15 Hình ảnh dàn pin mặt trời lắp đặt hoàn thiện .44 Hình 2.16 Hình ảnh hệ nguồn điện pin mặt trời tổng quát 44 Hình 2.17 Hình ảnh acquy dùng hệ nguồn pin mặt trời 47 Hình 2.18 Sự phụ thuộc dung lượng ampe – acquy vào chế độ phóng điện 49 MỞ ĐẦU Trong thời đại khoa học kỉ thuật phát triển, nhu cầu lượng ngày tăng Trong nguồn nhiên liệu dự trữ than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên thuỷ điện có hạn khiến cho nhân loại đứng trước nguy thiếu hụt lượng Việc tìm kiếm khai thác nguồn lượng lượng hạt nhân, lượng gió, lượng địa nhiệt, lượng mặt trời…là hướng quan trọng kế hoạch phát triển lượng, nước phát triển mà nước phát triển Năng lượng mặt trời nguồn lượng mà người biết sử dụng từ sớm Nó nguồn lượng tiềm tàng – thực loài người quan tâm khai thác Việt Nam nước có tiềm năng lượng mặt trời, với vị trí nằm khu vực có cường độ xạ mặt trời cao, việc sử dụng lượng mặt trời nước ta đem lại hiệu kinh tế cao lượng Từ thấy việc nghiên cứu nâng cao hiệu thiết bị sử dụng lượng mặt trời triển khai ứng dụng chúng vào thực tế vấn đề có tính thời Thiết bị sử dụng lượng mặt trời chủ yếu hệ thống cung cấp điện dùng pin mặt trời hay pin quang điện Vấn đề sử dụng lượng mặt trời nhà khoa học giới nước quan tâm Mặc dù tiềm năng lượng mặt trời lớn, tỷ trọng lượng sản xuất từ lượng mặt trời tổng lượng tiêu thụ giới khiêm tốn Nguyên nhân chưa thể phổ biến thiết bị tồn số hạn chế lớn chưa giải như: giá thành thiết bị cao, hiệu suất thiết bị thấp, việc triển khai ứng dụng thực tế nhiều hạn chế Nhưng với phát triển nhanh chóng ngành khoa học công nghệ khoa học vật liệu cho phép tạo vật liệu có tính trội để thay vật liệu đắt tiền, đặc biệt nâng cao hiệu suất pin mặt trời vấn đề giá thành sản phẩm tạo giải Một vấn đề không phần quan trọng việc sử dụng hệ thống nguồn điện pin mặt trời cho hợp lý đưa lại hiệu sử dụng cao Do việc tìm hiểu pin mặt trời, công nghệ chế tạo, ghép nối modun thành panel, cách dự trữ lượng nhu cầu quan trọng giai đoạn cho mai sau Đó lý chọn đề tài "Hệ thống nguồn điện pin mặt trời" cho khoá luận tốt nghiệp Ngoài mở đầu, kết luận, khoá luận chia thành hai chương sau: Chương I Cở sở vật lý pin mặt trời Chương trình bày tóm tắt lý thuyết trình chuyển hoá lượng mặt trời thành dòng điện thông số ảnh hưởng đến hiệu suất Chương II Hệ thống nguồn điện pin mặt trời Đây nội dung khoá luận, trình bày tóm tắt quy trình công nghệ chế tạo pin mặt trời vật liệu Silic (Si), cách ghép nối modun dự trữ lượng pin mặt trời Chương I CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA PIN MẶT TRỜI Trong chương chủ yếu trình bày tượng vật lý vận dụng pin mặt trời Pin mặt trời thiết bị dùng để biến đổi ánh sáng thành lượng điện nhờ hiệu ứng quang điện Khi ánh sáng chiếu tới bề mặt vật liệu phần bị phản xạ trở lại môi trường, phần bị vật liệu hấp thụ phần lại truyền qua vật dẫn Tuy nhiên quan tâm đến phần ánh sáng bị hấp thụ vật liệu để tạo thành cặp điện tử - lỗ trống nhờ hiệu ứng quang điện Chương trình bày chi tiết tượng 1.1 Hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện tượng xuất dòng điện vật rắn có ánh sáng chiếu bề mặt vật rắn Xét hệ hai mức lượng điện tử E1 E2 E1 < E2 (E1 mức bản, E2 mức điện tử bị kích thích) (hình 1.1) Hình 1.1 Hiệu ứng quang điện Khi chiếu sáng hệ thống, lượng tử ánh sáng – photon – có lượng hv (h số Planck, v tần số ánh sáng), lúc điện tử chiếm mức lượng thấp E1 hấp thụ chuyển lên mức lượng E2 Phương trình lượng có dạng: hv = E2 – E1 (1.1) Trong vật bán dẫn, tương tác mạnh mạng tinh thể lên điện tử vành nên mức lượng bị tách nhiều mức lượng sát tạo thành vùng lượng Vùng lượng thấp bị điện tử chiếm đầy trạng thái cân gọi vùng hoá trị mà bờ có lượng Eν Vùng lượng phía tiếp hoàn toàn trống bị chiếm phần gọi vùng dẫn, bờ vùng lượng Ec Cách ly hai vùng hoá trị vùng dẫn vùng cấm có độ rộng lượng Eg, mức lượng cho phép điện tử (hình 1.2) Vùng dẫn Ec Eg Ev Vùng hoá trị E0 Mức Hình 1.2 Các trình lượng tử hệ hai vùng lượng Khi chiếu sáng vật bán dẫn có cấu trúc lượng nói trên, photon có lượng hv tới hệ thống bị điện tử vùng hoá trị hấp thụ chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự e- để lại vùng hoá trị lỗ trống coi hạt mang điện tích dương nguyên tố kí hiệu h+, lỗ trống di chuyển tham gia vào trình dẫn điện Hiệu ứng lượng tử trình hấp thụ photon mô tả phương trình sau: ev + hv → e- + h+ (1.2) Điều kiện để điện tử hấp thụ lượng photon chuyển từ vùng hoá trị lên vùng dẫn, tạo cặp điện tử - lỗ trống là: hv = hc ≥ Eg = Ec – Ev λ (1.3) Từ tính bước sóng giới hạn λ c ánh sáng để tạo cặp điện tử - lỗ trống (trong công thức lượng tính eV): [1] λ c= hc 1,24 hc = ( µm) = Eg Eg Ec − Ev 10 (1.4) modun: Isc = Isc1 + Isc2; V = Nếu điểm làm việc điểm đoạn SC đường đặc trưng hệ, ví dụ điểm b, modun làm việc máy phát hệ phát lượng cho tải mạch ngoài: Ib = Ib1 + Ib2; Vb = Vb1 = Vb2 Pb = Ib.Vb = Pb1 + Pb2 Điểm c điểm làm việc tới hạn hệ, ứng với tải tới hạn: Vc Rcp = I c với Ic = Ic1, Vc = Vc1 = Vc2, Ic2 = Ở điểm công suất hệ modun phát ra, modun không phát không tiêu thụ lượng Nếu điểm làm việc hệ khoảng điểm c điểm d có modn phát lượng, modun tiêu thụ lượng modun Modun bị nóng lên, công suất mạch hiệu công suất P1 – P2 Tại điểm d, modun tiêu thụ hoàn toàn công suất modun phát ra, công suất mạch (Id = Id1 + Id2 = 0, Pd = 0) Như trường hợp modun mắc song song, hiệu ứng “điểm nóng” xảy modun “xấu” Hiện tượng xảy pin mặt trời chất lượng “kém” hay bị che nắng dàn modun Để tránh hiệu ứng điểm nóng, trước hết người sản xuất cần phải phân loại cẩn thận pin mặt trời Chỉ có pin có đặc trưng ghép với thành modun Còn người thiết kế, lắp đặt hệ thông pin mặt trời cần có biện pháp như: - Dùng modun đặc trưng cho dàn pin mặt trời; - Tránh bóng che cối, nhà cửa, vật cản ngày có nắng; - Tránh bụi bẩn phủ lên vùng pin; 42 - Dùng diot bảo vệ: Để bảo vệ dàn pin mặt trời khỏi hư hỏng trường hợp một vài pin hay modun hay modun dàn pin bị hư hỏng, bị bóng che, bị bụi bẩn bao phủ,…người ta dùng diot bảo vệ mắc song song nối tiếp hình 2.13 Cần phải lực chọn diot thích hợp, tức chịu dòng điện hiệu điện cực đại mạch diot Sự đưa vào diot bảo vệ mạch gây tổn hao lượng hệ sụt mạch Vì cần phải tính toán đến tổn hao thiết kế, tính toán hệ lượng Hình 2.13 Các diot ngăn cách modun để bảo vệ - [1] 2.2.2.5 Các thông số kỹ thuật modun pin mặt trời Để tránh ghép nối không modun tạo thành dàn lớn (tức để tránh hiệu ứng điểm nóng trình bày trên), người sản xuất cần phải đo đạc, kiểm tra xác số đặc trưng ghi rõ modun tài liệu bán kèm modun: - Công suất làm việc cực đại Pmax (Wp) - Dòng điện ngắn mạch Isc (A) - Thế hở mạch Voc (V) - Dòng điện làm việc tối ưu IOPT (A) - Thế làm việc tối ưu VOPT (V) 43 - Hiệu suất cực đại η (%) - Vùng nhiệt độ làm việc cho phép (0C) - Kích thước, trọng lượng modun Các đặc trưng điện phải đo điều kiện tiêu chuẩn quốc tế Cụ thể là: Nguồn xạ để đo phải có phổ phổ xạ mặt trời, có mật độ 1000 W/m2 nhiệt độ chuẩn Tc = 250C [1] Ngoài đo đạc trên, modun phải đạt tiêu chuẩn khác như: độ cách điện, độ bền học, chịu độ ẩm,… 2.2.2.6 Lắp đặt dàn pin mặt trời a Góc nghiêng dàn pin mặt trời Vị trí đặt hệ lượng pin mặt trời xác định góc nghiêng β dàn pin mặt trời so với mặt phẳng nằm ngang Có thể xác định góc nghiêng tối ưu β opt công thức sau: [1] β opt = arctg ΣI Ni tg (ϕ + δ i ) ΣI Ni đó: INi cường độ xạ trực tiếp (trực xạ) hàng ngày trung bình tháng tháng thứ i; ϕ vĩ độ vị trí lắp đặt; δ i góc lệch trung bình tháng pin mặt trời mặt phẳng xích đạo tháng thứ i Tổng biểu thức lấy theo tháng năm Trong thực tế, góc β thường xác định gần sau: [1] β = ϕ + 100 b Định hướng pin mặt trời Về mặt lý thuyết, để thu lượng nhiều nhất, ta phải làm cho dàn pin mặt trời luôn hướng mặt trời Muốn dàn phải quay xung quanh hai trục: trục Bắc – Nam để hướng mặt pin từ Đông sang Tây tương ứng với vị trí hàng ngày mặt trời bầu trời; trục Đông – Tây để quay pin hướng theo vị trí mặt trời lên xuống theo hướng 44 Bắc – Nam Một thiết bị tự động định hướng dàn pin gọi “thiết bị dõi theo mặt trời” Tất nhiên đưa thêm vào hệ nguồn thiết bị làm tăng chi phí đầu tư hiệu mang lại không tương xứng Vì hệ nguồn có mục đích nghiên cứu thử nghiệm có mục đích đặc biệt người ta sử dụng thiết bị dõi theo mặt trời Đa số ứng dụng nguồn pin mặt trời thực tế mặt đất người ta lắp dàn pin cố định sau : Hình 2.14 Định hướng dàn pin mặt trời – [1] - Trục ngang dàn pin song song với hướng Đông – Tây; - Mặt dàn pin hướng nam (đối với địa phương thuộc Bắc Bán Cầu) nghiêng góc β so với mặt phẳng ngang Với tăng góc β lên 100 so với vĩ độ nơi lắp đặt làm tăng cường độ xạ tới tháng mùa đông, mặt trời nằm miền góc lệch δ = ÷ -23,50 làm giảm lượng thừa tháng mùa hè Ngoài tăng góc β để sử dụng hiệu ứng “tự rửa” mặt dàn pin [1] 45 Hình 2.15 Hình ảnh dàn pin mặt trời lắp đặt hoàn thiện – [7] 2.2.2.7 Các điều phối lượng Trong hệ nguồn pin mặt trời tổng quát cho sơ đồ khối hình 2.8 Các điều phối lượng gồm có Bộ điều khiển trình phóng/nạp điện cho acquy biến đổi điện DC-AC Ở acquy xét rõ phần sau Hình 2.16 Hình ảnh hệ nguồn điện pin mặt trời tổng quát – [7] 46 Để thiết kế, chế tạo lắp đặt điều phối cần xác định số thông số sau đây: a Bộ điều khiển nạp-phóng điện Bộ điều khiển thiết bị điện tử có chức kiểm soát tự động trình nạp phóng điện acquy Bộ điều khiển theo dõi trạng thái acquy thông qua hiệu điện điện cực Các thông số kỷ thuật cần phải quan tâm - Ngưỡng điện cắt Vmax: Ngưỡng điện cắt Vmax giá trị hiệu điện hai cực acquy nạp no điện, dung lượng đạt 100% Khi tiếp tục nạp điện cho Bộ acquy acquy bị no, dung dịch acquy bị sôi dẫn đến bay nước làm hư hỏng cực Vì có dấu hiệu acquy nạp no, hiệu điện cực acquy đạt đến V = V max, điều khiển tự động cắt hạn chế dòng nạp điện từ dàn pin mặt trời Sau hiệu điện acquy giảm xuống giá trị ngưỡng, điều khiển lại tự động đóng mạch nạp lại - Ngưỡng cắt Vmin: Ngưỡng cắt Vmin giá trị hiệu điện hai cực acquy acquy đóng điện đến giá trị cận dung lượng acquy Nếu tiếp tục sử dụng acquy bị phóng điện kiệt, dẫn đến hư hỏng acquy Vì điều khiển nhận thấy hiệu điện acquy V ≤ Vmin tự động cắt mạch tải tiêu thụ Sau hiệu điện acquy tăng lên giá trị ngưỡng, điều khiển lại tự động đóng mạch nạp lại - Điện trễ ∆ V: giá trị khoảng hiệu điện hiệu số giá trị điện cắt hay cắt điện đóng mạch lại điều khiển, tức là: ∆ V = Vmax – Vđ hay ∆ V = Vmin – Vđ 47 Với Vđ giá trị điện đóng mạch trở lại điều khiển Thông thường ∆ V khoảng đến V - Công suất P điều khiển: Thông thường nằm giải: 1,3PL ≤ P ≤ PL Với PL tổng công suất tải có hệ nguồn, PL = Σ Pi, i = 1,2,… - Hiệu suất điều khiển phải cao tốt, phải đạt đến giá trị 85% trở lên b Bộ đổi điện DC-AC Bộ biến đổi điện có chức biến đổi dòng điện chiều (DC) từ dàn pin mặt trời từ acquy thành dòng điện xoay chiều (AC) Các thông số kỷ thuật cần quan tâm là: - Thế vào Vin chiều; - Thế Vout xoay chiều; - Tần số dạng dao động điện (ví dụ hình sin hay vuông góc,…) - Công suất yêu cầu xác định điều khiển, tính tải riêng biến đổi điện; - Hiệu suất biến đổi η phải đạt yêu cầu η ≥ 85% trường hợp sóng điện xoay chiều có dạng vuông góc hay biến điệu η ≥ 75% biến đổi có sóng điện hình sin Việc dùng biến đổi điện có tín hiệu dạng xung vuông, biến điệu hay hình xin lại phụ thuộc vào tải tiêu thụ [1] Vì hiệu điện hệ nguồn điện pin mặt trời thay đổi theo cường độ xạ trạng thái nạp acquy, nên điện vào điều khiển biến đổi điện phải thiết kế khoảng dao động rộng Sau tìm hiểu acquy loại acquy dùng nguồn điện mặt trời 48 2.2.3 Tích trữ lượng hệ thống nguồn điện pin mặt trời Mặc dù số ứng dụng dùng trực tiếp điện từ pin mặt trời, nói chung hệ thống lượng pin mặt trời cần phải có thành phần tích trữ lượng Ban ngày, lúc có nắng, điện từ pin mặt trời tích vào tích trữ lượng Ban đêm lúc nắng, lượng lại lấy cung cấp cho tải Thời gian biểu điều phối lượng hệ phụ thuộc chủ yếu thời gian làm việc tải điện Có hai phương pháp phổ biến để tích trữ lượng hệ lượng pin mặt trời Như nói trên, phương pháp thứ hoà điện pin mặt trời vào mạng lưới điện địa phương Lưới điện địa phương mạng lưới điện công nghiệp lưới điện tổ hợp từ máy phát điện khác diezen, thuỷ điện, động gió,…Trong phương pháp này, lưới điện địa phương đóng vai trò “bể chứa”, tích trữ lượng dư thừa dàn pin phát lúc có nắng lấy tiêu dùng lúc cần thiết Tích trữ kiểu hoà điện vào lưới điện địa phương thực lâu dài kinh tế, thực nơi có lưới điện Hình 2.17 Hình ảnh acquy dùng hệ nguồn pin mặt trời – [5] 49 Đa số ứng dụng pin mặt trời cho khu vực nông thôn thực vùng xa xôi, hẻo lánh, lưới điện Vì việc dùng tích trữ lượng riêng cần thiết Phương pháp thứ hai thường dùng acquy để tích trữ lượng Thành phần đóng góp tỷ trọng lớn chi phí cho hệ thống pin mặt trời Vì cần phải có số hiểu biết tối thiểu acquy công tác bảo quản, chăm sóc 2.2.3.1 Acquy chì – axit Acquy chì axit (gọi tắt acquy axit) loại dùng phổ biến cho nhiều mục đích khác nhau, có nguồn điện pin mặt trời Đối với hệ thống lượng pin mặt trời, cần phải thiết kế để thoả mãn yêu cầu riêng acquy như: - Hoạt động điều kiện độc lập, miền xa xôi, hẻo lánh Có thể làm việc chế độ phóng – nạp điện thấp, ví dụ dòng nạp I = C/500 (A), C dung lượng acquy tính Ah dòng điển hình cho hệ thống pin mặt trời - Có thể làm việc thể tích dung dịch điện phân lớn với dung dịch có khối lượng riêng cao (bằng 1300 kg/m3 nạp no) để tăng cường khả chống tượng “đóng băng” yêu cầu bảo quản Ngoài người ta chế tạo acquy axit “khô” cách dùng phụ gia, nhờ mà dung dịch acquy không bị chảy đổ yêu cầu thêm nước Dưới ta nghiên cứu đặc trưng acquy axit chế độ bảo quản chăm sóc loại acquy 2.2.3.2 Các đặc trưng acquy axit – chì * Dung lượng acquy 50 Dung lượng acquy đại lượng đặc trưng cho khả tích trữ điện Dung lượng đo Ampe – (Ah) oat – (Wh) a Dung lượng ampe – Dung lượng Ah acquy xác định dòng phóng điện thời gian phóng điện cho trước có giá trị nhiệt độ cho trước chế độ phóng điện cho trước Ví dụ, acquy 12V xác định dung lượng C = 100 Ah với thời gian phóng điện 20 giờ, cấp dòng điện 5A suốt 20 giờ, tương đương với điện (12 V × 5A × 20 giờ) = 1,2 kWh Nhưng acquy đó, với chế độ phóng giờ, cấp dòng cực đại 15 A cho tối đa 70 Ah, tương đương với 0,8 kWh [1] Hình 2.17 đường cong biểu diễn phụ thuộc dung lượng ampe – acquy vào chế độ phóng điện Hình 2.18 Sự phụ thuộc dung lượng ampe – acquy vào chế độ phóng điện – [1] Dung lượng acquy xác định kích thước, kết cấu, nhiệt độ, nồng độ dung dịch Ngoài lịch sử cực, tốc độ phóng nạp điện ảnh hưởng đến dung lượng acquy 51 b Dung lượng oat – Hay gọi dung lượng lượng acquy xác định lượng mà acquy cấp phóng điện từ trạng thái “no” đến hiệu điện giới hạn Giữa dung lượng acquy tính theo ampe – (Ah) tính theo oat – (Wh) liên hệ với phương trình: Wh = Ah × V × BF (3.1) V trung bình acquy chế độ nạp 60% dung lượng nhiệt độ phòng (hoặc V/acquy ) BF – thừa số phụ thuộc vào loại acquy có giá trị c Ảnh hưởng chế độ phóng điện lên dung lượng acquy Một acquy có dung lượng ampe – lớn phóng điện với chế độ chậm (dòng phóng nhỏ) có đủ thời gian để axit thấm sâu vào cực gây phản ứng hoá học Ở chế độ phóng điện cao (dòng điện lớn), có phần dung dịch hoạt chất cực tham gia vào phản ứng hoá học chuyển động axit vào lỗ hổng khuếch tán nước từ lỗ hổng cực chậm để trì tốc độ phóng điện cao, dung lượng ampe nhỏ Nhưng mặt khác, phóng điện chậm, axit thấm sâu vào cực lại làm giảm thời gian phục vụ acquy Hình 3.9 cho phụ thuộc dung lượng làm việc loại acquy khác phụ thuộc vào tốc độ phóng điện d Ảnh hưởng nhiệt độ lên dung lượng acquy Khi nhiệt độ acquy thấp, phản ứng hoá học xảy chậm nên dung lượng acquy nhỏ Tuy nhiên, nhiệt độ ảnh hưởng đến dung lượng acquy chế độ phóng điện thấp 2.2.3.3 Các loại acquy khác a Acquy niken – cadmi (Ni-Cd) 52 Các hoạt chất dùng cho cực hydroxit niken (Ni(OH) 3) cho dương hỗn hợp cadmi sắt cho âm Dung dịch điện phân xút, KOH Điện bình acquy Ni-Cd khoảng 1,2 V giữ ổn định acquy hết dung lượng Acquy Ni-Cd có số ưu điểm sau: - Tuổi thọ chu trình cao phải chăm sóc; - Có thể phóng điện sâu mà không bị hư hỏng; - Ít chịu ảnh hưởng thay đổi nhiệt độ; - Khi sử dụng với nguồn điện mặt trời không cần phải dùng Bộ điều khiển acquy loại chịu chế độ nạp cao – chế độ C/1 – tức dòng điện nạp lớn số dung lượng Ah acquy thời gian nạp Hờn acquy Ni-Cd chịu trạng thái nạp no dòng nạp không C/15 Nhưng acquy no dòng nạp phải hạ xuống 1A dòng chạy qua liên tục acquy mà không gây hư hại cho acquy; - Có thể giữ dung lượng lâu giữ dung lượng cao nhiệt độ thấp Nhược điểm acquy Ni-Cd là: - Giá thành cao b Acquy niken-sắt (Ni-Fe) Hoạt chất dùng oxit sắt âm hydrat niken dương Dung dịch điện phân hydroxit kali nước có cho thêm hydroxit liti Trọng lượng riêng dung dịch điện phân gần không thay đổi trình nạp phóng điện Nhưng theo thời gian làm việc, dung dịch bị yếu dần phải thay dung dịch hoàn toàn 53 Acquy Ni-Fe có ưu điểm sau: - Có độ bền học cao; - Có thể để môi trường có nhiệt độ bình thường thời gian dài với trạng thái nạp điện khác mà giảm dung lượng không đáng kể không bị hư hỏng; - Chịu trạng thái “quá no” (quá từ ÷ 10% dung lượng ) không bị hư hỏng; - Thời gian sống chu trình cao tuổi thọ dài (8 năm dài hơn) dùng chế độ Nhược điểm acquy loại này: - Kích thước cực lớn nên cồng kềnh nặng nề; - Không trì lâu điện tích nhiệt độ thấp dung lượng nhỏ Cả hai loại acquy Ni-Cd Ni-Fe có giá thành cao acquy axit từ đến lần, dùng hệ nguồn điện mặt trời Nếu sử dụng acquy không tuân thủ quy trình gặp hư hỏng như: hư hỏng nạp no, nạp chưa đủ, cực đầu dây bị ăn mòn,…khi cần có chế độ bảo dưỡng thường xuyên bổ sung thêm nước hay kiểm tra trạng thái nạp điện acquy,…làm tốt điều vận hành tốt hệ thống nguồn điện pin mặt trời 54 KẾT LUẬN Qua nghiên cứu tìm hiểu mục đích đặt ra, khoá luận đạt kết sau đây: Nghiên cứu tượng quang điện ứng dụng pin mặt trời Tìm hiểu quy trình công nghệ chế tạo pin mặt trời sở Silic Tìm hiểu cách ghép nối modun thành panel Các phương pháp tích trữ lượng Cho sinh viên cách nhìn tổng quan hệ thống nguồn điện pin mặt trời Trong khuôn khổ khoá luận tốt nghiệp đại học, tránh sai sót, mong nhận ý kiến đóng góp từ phía thầy, cô giáo, bạn sinh viên tất bạn đọc khác 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đặng Đình Thống Pin mặt trời ứng dụng Nhà xuất khoa học kỷ thuật Hà Nội, tháng 6-2005 [2] Vũ Linh, Đặng Đình Thống Nghiên cứu công nghệ chế tạo modun pin mặt trời Hội nghị vật lý toàn quốc lần thứ 4, Hà Nội 5-8-1993 [3] Martin Mc Phillips Thesolar age, Everest House Publishers, New Press,1979 [4] http:// Vietsciences.org.Trương Văn Tân [5] http://image.made-in-china.com/ [6] http://www.gaszappers.com/wp-content/uploads/2008/08/solar_cell.png [7] http://www.talkmoneycafe.com/images/Solar_Panel [8] http://brightxl.com/images/Solar_PV [9] http://img.alibaba.com/photo/260090750/Sell_solar_lighting_kit.jpg 56 [...]... ghép các modun pin mặt trời để tạo thành dàn pin mặt trời công suất lớn Trước khi tìm hiểu về dàn pin mặt trời thì chúng ta sẽ tìm hiểu qua về hệ thống nguồn điện pin mặt trời Hình 2.6 Hình ảnh panel pin mặt trời hoàn thiện – [8] Hiện nay có hai công nghệ nguồn điện pin mặt trời thông dụng Đó là hệ nguồn điện pin mặt trời nối lưới và hệ nguồn độc lập Trong hệ nguồn pin mặt trời nối lưới, điện năng một... dùng công nghệ nguồn pin mặt trời độc lập Phần lớn các ứng dụng nguồn điện mặt trời ở khu vực nông thôn, vùng sâu vùng xa ở các nước đang phát triển người ta sử dụng công nghệ nguồn độc lập Dưới đây chúng ta chỉ giới hạn nghiên cứu loại hệ nguồn điện pin mặt trời độc lập 2.2.1 Hệ thống nguồn điện pin mặt trời tổng quát Hình 2.7 Hình ảnh một hệ thống nguồn điện pin mặt trời thu nhỏ - [9] Một hệ thống năng... trọng Hình 2.1 Hệ thống pin mặt trời – [8] Đặc biệt có hai thành phần được quan tâm ở đây là dàn pin mặt trời và bộ acquy – là hai thành phần chính của hệ và chiếm một tỷ trọng lớn trong chi phí cho một hệ năng lượng pin mặt trời Sau đây chúng ta sẽ tìm hiểu về dàn pin mặt trời và bộ tích trữ năng lượng của pin mặt trời 2.1 Quy trình chế tạo các modun pin mặt trời Hiện nay, các pin mặt trời được sản... về pin mặt trời, cách ghép nối các modun và bộ dự trữ năng lượng do pin mặt trời sản xuất ra 26 CHƯƠNG II HỆ THỐNG NGUỒN ĐIỆN PIN MẶT TRỜI Không như các hệ năng lượng khác, “nhiên liệu của” của máy phát điện pin mặt trời là bức xạ mặt trời, nó luôn thay đổi theo thời gian, theo địa phương và phụ thuộc vào điều kiện,khí hậu, thời tiết…cho nên việc thiết kế, lắp đặt, tích trữ năng lượng…của pin mặt trời. .. phát điện của pin mặt trời Hình 1.12 Các thành phần của điện trở nội Rs của pin mặt trời – [1] 1.3.2.6 Hiệu suất biến đổi quang - điện của pin mặt trời Công suất đỉnh của pin mặt trời là công suất do pin mặt trời phát ra khi nó làm việc ở điểm làm việc tối ưu dưới bức xạ có cường độ 1000 W/m 2 và ở nhiệt độ 250C Công suất đỉnh được đo bằng Wp hay kWp Hiệu suất biến đổi quang điện của pin mặt trời là... lượng pin mặt trời độc lập được định nghĩa là tổ hợp của các thành phần sau đây: - Dàn pin hay máy phát pin mặt trời; - Bộ tích trữ điện năng; - Các thiết bị điều khiển, biến đổi điện, tạo cân bằng năng lượng trong hệ; - Các tải (thiết bị) tiêu thụ điện 34 Sơ đồ khối của một hệ thống năng lượng pin mặt trời tổng quát được trình bày trong hình 2.8 Dàn pin mặt trời gồm một hoặc một số modun pin mặt trời. .. công suất điện, hiệu điện thế phù hợp với yêu cầu của các tải Dàn pin mặt trời là thành phần chính của một hệ nguồn điện pin mặt trời và chiếm khoảng 60% tổng chi phí đầu tư Dàn pin mặt trời nhận năng lượng ánh sáng mặt trời và biến đổi trực tiếp thành điện năng một chiều cung cấp cho các tải tiêu thụ điện Thành phần điều phối năng lượng Dàn hay máy phát pin mặt trời Bộ điều khiển Bộ đổi điện DC-AC... quang điện trong Về mặt cấu tạo pin mặt trời gồm: lớp kính thuỷ tinh trên cùng, lớp keo dính trong suốt cho ánh sáng truyền qua, tấm chống phản xạ, lớp pin đã được hàn ghép điện, lớp keo dính và tấm đế dưới cùng Trong công nghệ pin mặt trời, năng lượng mặt trời được biến đổi trực tiếp thành điện năng nhờ các tế bào quang điện được chế tạo từ các vật liệu bán dẫn Các pin mặt trời sản xuất ra điện năng... xạ mặt trời tới nó Hình 1.6 Mạng lưới pin mặt trời - [7] Sau đây chúng ta sẽ nghiên cứu nguyên lý hoạt động và các đặc trưng cơ bản của pin mặt trời 1.3.1 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời Ta xét pin mặt trời được chế tạo từ vật liệu tinh thể bán dẫn Silic (Si) Nó bao gồm các thành phần: lớp chống phản xạ, lưới điện cực trên, tiếp xúc bán dẫn np-Si, lớp điện cực dưới 15 Hình 1.7 Cấu trúc của pin mặt. .. các tổn hao năng lượng Vì đối với hệ năng lượng pin mặt trời, việc lựa chọn loại thiết bị, chất lượng và kích cỡ các thiết bị này cũng là vấn đề rất quan trọng trong công tác thiết kế, lắp đặt hệ thống Dưới đây chúng ta sẽ nghiên cứu các thành phần trong hệ thống năng lượng pin mặt trời một cách chi tiết hơn 2.2.2 Dàn pin mặt trời 2.2.2.1 Ghép nối tiếp các modun pin mặt trời giống nhau Trước hết ta xét ... công nghệ nguồn điện pin mặt trời thông dụng Đó hệ nguồn điện pin mặt trời nối lưới hệ nguồn độc lập Trong hệ nguồn pin mặt trời nối lưới, điện chiều từ dàn pin mặt trời biến đổi thành dòng điện. .. công nghệ nguồn độc lập Dưới giới hạn nghiên cứu loại hệ nguồn điện pin mặt trời độc lập 2.2.1 Hệ thống nguồn điện pin mặt trời tổng quát Hình 2.7 Hình ảnh hệ thống nguồn điện pin mặt trời thu... ý ghép modun pin mặt trời để tạo thành dàn pin mặt trời công suất lớn Trước tìm hiểu dàn pin mặt trời tìm hiểu qua hệ thống nguồn điện pin mặt trời Hình 2.6 Hình ảnh panel pin mặt trời hoàn thiện