Câu – Trình bày nguyên lý hoạt động vai trò Pin Mặt Trời Phân tích vấn đề đặt để pin mặt trời có khả thương mại hóa tốt Các hệ pin mặt trời Thế hệ thứ I: - Silic đơn tinh thể ( c-Si) Thế hệ thứ II: - Silic vô định hình (a-Si) - Silic đa tinh thể ( poly- Si) - Cadmium telluride ( CdTe) Thế hệ thứ III: - Pin tinh thể nano (nanocrystal solar cell) - Photoelectronchemical (PEC) cell - Pin hữu ( polymer solar cell) - Dye sensitized solar cell ( DSSC) Thế hệ thứ IV: Hydrid – inorganic crystals within a polymer matrix1 a Trình bày nguyên lý hoạt động Pin Mặt Trời Silic Nguyên lý pin mặt trời hiệu ứng quang điện (photoelectric effect) pin quang điện, tế bào quang điện), phần tử bán dẫn quang có chứa bề mặt số lượng lớn linh kiện cảm biến ánh sáng dạng diod p-n, dùng biến đổi lượng ánh sáng thành lượng điện Sự chuyển đổi gọi hiệu ứng quang điện Vật liệu xuất phát để làm pin Mặt trời silic phải bán dẫn silic tinh khiết Ở dạng tinh khiết, gọi bán dẫn ròng số hạt tải (hạt mang điện) electron số hạt tải lỗ trống (hole) Để làm pin Mặt trời từ bán dẫn tinh khiết phải làm bán dẫn loại n bán dẫn loại p ghép lại với cho có tiếp xúc p - n Thực tế xuất phát từ phiến bán dẫn tinh khiết tức có nguyên tử Si để tiếp xúc p - n, người ta phải pha thêm vào nguyên tử khác loại, gọi pha tạp Nguyên tử Si có electron vành ngoài, dùng để liên kết với bốn nguyên tử Si gần (cấu trúc kiểu kim cương) Nếu pha tạp vào Si nguyên tử phôt-pho P có electron vành ngoài, electron thừa không dùng để liên kết nên dễ chuyển động làm cho bán dẫn pha tạp trở thành có tính dẫn điện electron, tức bán dẫn loại n (negatif - âm) Ngược lại pha tạp vào Si nguyên tử bo B có electron vành ngoài, tức thiếu electron đủ tạo thành mối liên kết nên nói tạo thành lỗ trống (hole) Vì thiếu electron nên lỗ trống mạng điện dương, bán dẫn pha tạp trở thành có tính dẫn điện lỗ trống, tức bán dẫn loại p (positif -dương) Vậy sở bán dẫn tinh khiết pha tạp để trở thành có lớp bán dẫn loại n, có lớp bán dẫn loại p, lớp tiếp giáp hai loạị lớp chuyển tiếp p-n Ở chỗ tiếp xúc p-n electron bán dẫn loại n chạy sang bán dẫn loại p lấp vào lỗ trống thiếu electron, Kết lớp tiếp xúc p-n có vùng thiếu electron thiếu lỗ trống, người ta gọi vùng nghèo Sự dịch chuyển điện tử để lấp vào lỗ trống tạo vùng nghèo tạo nên hiệu gọi hiệu tiếp xúc p - n, Si vào cỡ 0,6V đến 0,7V Đây hiệu sinh chỗ tiếp xúc không tạo dòng điện Nhưng đưa phiến bán dẫn tạo lớp tiếp xúc p - n phơi cho ánh sáng mặt trời chiếu vào photon ánh sáng mặt trời kích thích làm cho điện tử liên kết với nguyên tử bị bật khỏi nguyên tử, đồng thời nguyên tử xuất chỗ trống thiếu electron, người ta gọi photon đến tạo cặp electron-lỗ trống Nếu cặp electron-lỗ trống sinh gần chỗ có tiếp p- n hiệu tiếp xúc đẩy electron bên (bên bán dẫn n) đẩy lỗ trống bên (bên bán dẫn p) Nhưng electron nhảy từ miền hoá trị (dùng để liên kết) lên miền dẫn mức cao hơn, chuyển động tự Càng có nhiều photon chiếu đến có nhiều hội để electron nhảy lên miền dẫn Nếu bên ta dùng dây dẫn nối bán dẫn loại n với bán dẫn loại p (qua phụ tải lèn LED chẳng hạn) electron từ miền dẫn bán dẫn loại n qua mạch chuyển đến bán dẫn loại p lấp vào lỗ trống Đó dòng điện pin Mặt trời silic sinh chiếu sáng Dùng bán dẫn silic tạo tiếp xúc p - n để từ làm pin Mặt trời tiến lớn đường trực tiếp biến ánh sáng Mặt trời thành dòng điện để sử dụng Tuy nhiên pin Mặt trời silic có số hạn chế kinh tế, kỹ thuật - Vật liệu xuất phát silic tinh khiết nên đắt Ban đầu làm từ silic đơn tinh thể dùng công nghệ vi điện tử, tận dụng giá cao Đã có cách dùng silic đa tinh thể, silic vô định hình hiệu suất thấp bù lại giá rẻ Nhưng xét cho vật liệu silic sử dụng phải tinh khiết nên giá thành rẻ không nhiều - Đối với silic, để đưa electron từ miền hoá trị lên miền dẫn phải tốn lượng cỡ 1,1 eV Vậy lượng photon đến phải cao 1,1eV chút đủ để kích thích eletron nhảy lên miền dẫn, từ tham gia tạo thành dòng điện pin Mặt trời Photon ứng với lượng 1,1 eV có bước sóng cỡ m tức hồng ngoại Vậy photon có bước sóng lục, lam, tử ngoại có lượng thừa thãi để kích thích điện tử Si nhảy lên miền dẫn Do pin Mặt trời Si sử dụng lãng phí lượng Mặt trời để biến điện Vai trò Pin Mặt Trời Ưu điểm bật lượng mặt trời sử dụng lâu dài, bền vững thân thiện với môi trường – Pin lượng mặt trời không đòi hỏi nguồn nhiên liệu nào, hoàn toàn miễn phí thiết thực – Giúp tiết kiệm tiền điện hàng tháng – Tạo nguồn điện độc lập, xanh, bảo vệ môi trường – Cung cấp nguồn điện liên tục kể điện lưới bị cắt 3.Phân tích vấn đề đặt để pin mặt trời có khả thương mại hóa tốt Pin mặt trời có thị trường chế tạo từ vật liệu vô silicon Với vật liệu này, người ta chế tạo pin có hiệu suất cao (khoảng 15%) Pin mặt trời silicon loại phức tạp số pin mặt trời Do giá thành cao, nên ứng dụng quy mô lớn Vì người ta luôn phải cải tiến trình chế tạo, tìm vật liệu ứng dụng màng pin để nhầm mục tiêu giảm giá thành Để tăng hiệu suất chất lượng hệ thống điện mặt trời cần thực nội dung sau: 3.1.Điều khiển bám điểm công suất cực đại Vì nguồn lượng điện mặt trời có quan hệ phi tuyến V-I, công suất phụ thuộc chủ yếu vào tải Do tải nối trực tiếp vào PV làm hiệu suất hệ thống giảm Vì giá pin mặt trời đắt nên việc tăng hiệu suất phát điện pin, kéo dài tuổi thọ trở thành vấn đề chủ yếu Công suất sinh PV phụ thuộc vào xạ mặt trời nhiệt độ để tăng hiệu suất pin mặt trời cần có hệ thống điều khiển PV bám điểm công suất cực đại MPP nhằm tìm hoạt động tối ưu điện áp PV để tăng hiệu suất PV 3.2.Xây dựng biến đổi có hiệu suất cao 3.2.1 Các loại biến đổi dùng cho lưới điện mặt trời Bộ biến đổi chia thành nhóm chính: nguồn điện áp (VSI) nguồn dòng điện (CSI) Gần xuất loại biến đổi nguồn Z kết hợp loại 3.2.2 Phát triển modun pha tích hợp biến đổi Nhằm tăng hiệu suất chất lượng hệ thống lượng pin mặt trời người ta thực tích hợp biến đổi vào module PV tạo hệ thống có dòng AC ra, có số ưu điểm Cụ thể sau: - Dể lắp đặt qua hệ thống thiết kế mềm pin mặt trời - Hệ thống PV làm việc song song biến đổi có cố - Không có tổn hao module bị che khuất chồng lên góc định có điểm MPP đơn lẻ - Không có cáp DC - Có khả sản xuất với khối lượng lớn chất lượng cao sử dụng cấu trúc chuẩn Việc tích hợp biến đổi (MICs), có nhiều lợi ích, trước để tích hợp biến ngược MICs chủ yếu dựa loại module PV tồn dùng cho hệ thống pha công suất nhỏ nên độ tin cậy kém, giá thành cao hiệu suất thiết thấp Để khắc phục nhược điểm đây, việc tích hợp biến ngược PV thực với loại pha dùng module có điện áp lớn Bằng cách nối với lưới pha, công suất chảy liên tục từ module tới lưới, việc tích lũy lượng chiều không cần thiết, không cần dùng tụ điện phần tử gây giảm tuổi thọ nhiều Mặt khác sử dụng module có điện áp cao(>200V), cấp trực tiếp cho lưới điện mà không cần biến áp, điều vừa giảm giá thành tổn hao Để đạt module có điện áp cao, nhà nghiên cứu sử dụng mỏng dạng phim Viếc nối tiếp module đạt điện áp vài trăm volt 3.2.3.Không sử dụng biến áp 3.3 Kết hợp phong điện điện mặt trời: Một hướng tăng hiệu suất chất lượng hệ thống điện mặt trời với phát triển sinh thái kinh tế liên kết PV phong điện mà nguồn tích lũy ác qui nhiều người quan tâm điều kiện địa phương có độ gió lớn xạ mặt trời cao 3.4 Cải tiến ắc qui: Hiện ắc qui sử dụng chủ yếu ắc qui chì, nhiên ắc qui chì có nhiều nhược điểm cần nghiên cứu cải tiến để giảm giá thành, tăng tuổi thọ ắc qui 3.5 Cải tiến Solar cell Để tạo nguồn phát điện có hiệu suất cao PV nhiệm vụ phải tạo cell PV có khả tạo điện lớn, giá thành rẻ Hiện sử dụng lọai pin mặt trời sau: a Các PV module dạng đa tinh thể (Photovoltaic module with multi-crystalline solar cells) b Module dạng fim mỏng (Thin film) Hai module dùng rộng rãi, nhiên khả phát điện module chưa cao Trong tương lai người ta chờ đợi loại module PV đời, Solar nano cell số loại pin mặt trời khác tiên tiến đáp ứng nhu cầu lượng người - Nhóm nghiên cứu Giáo sư Tatsuya Shimoda thuộc Viện Khoa học công nghệ tiên tiến Nhật Bản (JAIST) vừa phát triển thành công công nghệ giúp giảm giá thành pin Mặt Trời thân thiện với môi trường sử dụng silíc lỏng phun lên để tạo thành pin Mặt Trời Phương pháp đòi hỏi thiết bị phương pháp chế tạo pin Mặt Trời thông thường nay, qua giúp giảm 1/2 giá thành sản xuất pin lượng Công nghệ cho phép doanh nghiệp phun silíc lỏng lên bề mặt xe ôtô điện thoại di động để biến chúng thành pin Mặt Trời Những pin Mặt Trời mỏng trở nên phổ biến chúng nhẹ sử dụng nhiều sản phẩm khác Tuy nhiên, việc sản xuất pin Mặt Trời mỏng đòi hỏi phải có thiết bị lớn nhà sản xuất cần phải chuyển silíc thành khí trước xịt chúng vào chất - Một nhóm nghiên cứu khác phát triển hệ thống dự trữ lượng mặt trời, sử dụng hiệu ứng phân tử giống tượng quang hợp: dùng ánh sáng mặt trời để tách phân tử nước thành hydro oxy, để sử dụng chúng nguồn nhiên liệu - Chúng ta tìm hiểu cách thức dự trữ lượng mặt trời để dùng mặt trời lặn Nhiệt dạng lượng dễ lưu trữ Nhà máy nhiệt điện hoạt động dựa vào việc nhiệt tạo nước quay tua-bin, phải tìm chất đó, loại nguyên liệu có khả giữ nhiệt năng: phải ổn định nhiệt độ cao – vào khoảng 400 độ C – không bạn phải giải vấn đề bay thay đổi áp suất Và điều kiện khác: chất phải rẻ dễ kiếm Đóchính muối ăn Muối ăn nóng chảy nhiệt độ cao, bay nhiệt độ cao Và rõ ràng, nguồn cung cấp muối ăn gần vô tận dễ kiếm Hơn nữa, mức độ hao hụt lượng vào khoảng 7% Trên thực tế, nhà máy điện lượng mặt trời sử dụng cách lưu trữ lượng lại không dùng muối ăn Thay vào đó, hỗn hợp nhiều loại muối, có natri kali nitrat Nhà máy điện Andasol Grenada, Tây Ban Nha chứa khoảng 28.000 hỗn hợp hoạt động tháng 11 năm 2008 Ban ngày, hoạt động nhà máy nhiệt điện bình thường Ánh sáng mặt trời chiếu thẳng vào gương parabol để làm nóng ống chứa đầy dầu, lên đến nhiệt độ khoảng 400 độ C Dầu nóng đc dùng để đun nước, tạo nước làm quay tua-bin Và mặt trời lặn, hệ thống dự trữ bắt đầu hoạt động Về hệ thống vận hành sau: Hệ thống hấp thụ ánh sáng mặt trời Andasol lớn đến mức có khả hấp thu lượng lượng gấp hai lần nhu cầu vào ban ngày Lượng lượng dư thừa chuyển đến phận dự trữ bao gồm nhiều thùng to chứa muối nóng chảy nhiệt độ khoảng 260 độ C Lượng muối bơm vào hệ thống trao đổi nhiệt để hấp thụ phần lượng nhiệt dầu Lượng muối này, sau trao đổi nhiệt với nhiệt độ khoảng 400 độ C, chuyển đến thùng để dự trữ, trời tối Khi nhà máy điện cần lượng nhiệt dự trữ, muối dự trữ đưa quay trở lại làm nóng dầu, sau lượng muối nguội quay trở lại bình Và hệ thống hoạt động ngày Khi sử dụng muối để dự trữ lượng, nhà máy điện hoạt động với thời gian dài gấp đôi so với nhà máy điện mặt trời khác Như trường hợp nhà máy Andesol 1, lượng sinh gấp 50% so với không dùng hệ thống lưu trữ Với phương pháp này, người ta hy vọng làm giảm giá thành nhà máy điện mặt trời Ngoài ra, người ta có ý tưởng không sử dụng chất trung gian dầu để làm nóng nữa, mà sử dụng trực tiếp muối luôn, tham gia trực tiếp hai trình trao đổi nhiệt Cát nguyên liệu xem xét để dự trữ nhiệt - Hiện nay, pin mặt trời hữu thu hút quan tâm giới khoa học Mặc dù hiệu suất loại pin thấp nhiều so với pin mặt trời từ silicon tinh thể (hiệu suất khoảng 5%), chúng có nhiều ưu điểm Khác với silicon tinh thể cần sản xuất nhiệt độ cao, pin hữu sản xuất dễ dàng, giá rẻ tác động đến môi trường Trong năm gần đây, với lỗ lực nghiên cứu, nhà khoa học đạt bước tiến đầy ấn tượng việc ứng dụng vật liệu hữu vào pin mặt trời Để tăng hiệu suất pin cần cải thiện việc hấp thụ ánh sáng, truyền điện tích độ bền vật liệu Bằng điều chỉnh hình thái cấu trúc nano với phát triển vật liệu có khe lượng thấp, người ta hy vọng tạo pin có hiệu suất đến 10%, hứa hẹn việc thương mại hóa loại pin - Pin mặt trời tinh thể nano: sử dụng tinh thể nano TiO2 ứng dụng pin mặt trời hướng tiếp cận thích hợp cho vấn đề giá thành sản phẩm Ví dụ, Pin mặt trời tinh thể nano tẩm chất màu nhạy quang (dye-sensitized nanocrystalline solar cells, DSSC), cấu tạo gồm điện cực anod, điện cực catod hệ điện ly Điện cực anod gồm có lớp màng nano tinh thể TiO2 hấp phụ chất nhạy quang (Dye) phủ mặt đế thủy tinh dẫn điện Điện cực catod gồm lớp Pt phủ bề mặt đế thủy tinh dẫn Các phân tử chất nhuộm màu chuyển sang trạng thái kích thích hấp thu ánh sáng mặt trời, trạng thái kích thích không bền, điện tử nhanh chóng di chuyển sang vị trí gần với vùng dẫn TiO2, chất màu nhạy quang nhanh chóng bù đắp điện tử bị từ hệ chất điện giải Điện tử sau đến vùng dẫn TiO2, cuối vào màng dẫn điện, thông qua dây dẫn phía tạo thành dòng quang điện Tinh thể nano TiO2 solar cell có thuận lợi giá rẻ, trình chế tạo đơn giản bền Hiệu suất quang điện ổn định 10%, giá thành chế tạo khoảng 1/5 đến 1/10 so với pin mặt trời silicon Tuổi thọ lên đến 20 năm Dễ dàng cải tiến nhiều khâu kỹ thuật, ứng dụng công nghệ nano để làm bột TiO2 có diện tích mặt cực lớn Nhược điểm loại pin có chứa chất lỏng phải có biện pháp chống rò rỉ dùng lâu Tuy nhiên, Quá trình nghiên cứu phát triển loại pin bắt đầu chớm nở, nên loại pin mặt trời đánh giá tiến trình thương mại hóa - Các nhà khoa học thuộc công ty Technique Solar vừa đạt bước tiến mới, việc sử dụng công nghệ tạo cách thức việc tập trung tia sáng mặt trời, tạo pin mặt trời hiệu gấp bốn lần rẻ ba lần so với loại pin mặt trời Mỗi modun bao gồm máng lõm, gộp từ thấu kính làm acrylic nhằm hội tụ ánh sáng, gương phản xạ nhằm tập trung tia sáng mặt trời vào dải pin quang điện Cách phân bố giúp làm giảm 75% số pin quang điện loại pin mặt trời Các pin quang điện sử dụng để tạo điện, bình đối lưu nhiệt đặt chúng dùng để tạo nhiệt thông qua tượng đối lưu; bình trữ nước nóng Để tối đa hóa lượng ánh sáng mặt trời thu được, pin mặt trời có chế tự hành, gồm cảm biến chuyển động hướng theo mặt trời hoa hướng dương -Pin mặt trời cho điện nhiệt Tổng nguồn lượng đầu bao gồm điện nhiệt năng, không điện loại pin thông thường Tấm lượng tiêu chuẩn CUESS sản sinh 2.100 W, bao gồm 400 W điện 1.700 nhiệt Công suất pin mặt trời với công nghệ CUESS làm tăng hiệu khoảng 28-50% so với loại thông thường Loại pin tập trung sản xuất cho hộ dân cư, khu thương mại, công nghiệp nguồn cung cấp lượng phụ -Ô nhiễm chì vấn đề nghiêm trọng, đặc biệt có hàng ngàn ắc quy ô tô cũ không dùng đến bước tiến công nghệ sử dụng ắc quy ngày Để tránh lãng phí bảo vệ môi trường, nhà nghiên cứu Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) phát triển phương pháp tái chế ắc quy thành lượng mặt trời hiệu quả, thay tạo thành ắc quy cho ô tô Một ắc quy từ xe cũ tái chế thành pin mặt trời giá rẻ cấp lượng cho 30 hộ gia đình trung bình Để làm điều này, nhà nghiên cứu tách chì khỏi ắc quy dùng để sản xuất pin mặt trời sử dụng vật liệu perovskite, hợp chất cho hiệu 19 % so với vật liệu thông thường Theo nhà nghiên cứu MIT, pin mặt trời cần perovskite siêu mỏng khoảng 1/2 micromet Một ắc quy xe cung cấp đủ lượng cho nhiều nhà, tiếp tục tái chế lại Những lượng mặt trời sản xuất từ ắc quy ô tô cũ sau tái sử dụng làm thành pin mặt trời mới, tránh ô nhiễm môi trường Ngoài ra, trình đơn giản rẻ so với sản xuất lượng mặt trời silic thông thường - Mỹ: chế tạo pin lượng Mặt Trời hoàn toàn suốt Đây hứa hẹn tạo nên cách mạng việc tích hợp pin lượng Mặt Trời hình điện thoại, máy tính sử dụng cho công trình xây dựng nhằm tạo điện đảm bảo tính suốt không làm cản trở tầm nhìn người Do loại vật liệu không hấp thụ phát ánh sáng nằng quang phổ khả kiến nên hệ thống pin hoàn toàn suốt nhìn mắt người Đồng thời, phân tử hữu tích hợp vào nhiều loại vật liệu suốt khác phù hợp với yêu cầu sử dụng, chí dùng cho hình dẻo,… Hiện tại, hiệu suất chuyển đổi lượng Mặt Trời hệ thống vào khoảng 1% Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu hứa hẹn tiếp tục hoàn thiện để nâng hiệu suất chuyển đổi lên 5% chí 8% hoàn thiện Đồng thời, phương pháp sản xuất cải tiến theo hướng đơn giản có giá thành rẻ hướng đến việc thức thương mại hóa tương lai không xa - Chính phủ cần trợ giá, hổ trỡ cho người dân chi phí để sử dụng lượng mặt trời, nên kêu gọi đầu tư theo mô hình trái phiếu xanh doanh nghiệp xanh với mức lợi nhuận cao so với loại trái phiếu, cổ phiếu thông thường để thu hút nhà đầu tư vào doanh nghiệp lượng tái tạo Chính phủ cần áp dụng mức thuế cao với doanh nghiệp gây ô nhiễm môi trường, làm ảnh hưởng đến trình xanh hóa sản xuất công nghiệp… ... nước nóng Để tối đa hóa lượng ánh sáng mặt trời thu được, pin mặt trời có chế tự hành, gồm cảm biến chuyển động hướng theo mặt trời hoa hướng dương -Pin mặt trời cho điện nhiệt Tổng nguồn lượng... Vì giá pin mặt trời đắt nên việc tăng hiệu suất phát điện pin, kéo dài tuổi thọ trở thành vấn đề chủ yếu Công suất sinh PV phụ thuộc vào xạ mặt trời nhiệt độ để tăng hiệu suất pin mặt trời cần... thương mại hóa loại pin - Pin mặt trời tinh thể nano: sử dụng tinh thể nano TiO2 ứng dụng pin mặt trời hướng tiếp cận thích hợp cho vấn đề giá thành sản phẩm Ví dụ, Pin mặt trời tinh thể nano