31 PHÁƯN II ỈÏNG DỦNG NÀNG LỈÅÜNG MÀÛT TRÅÌI Nàng lỉåüng màût tråìi (NLMT) l ngưn nàng lỉåüng m con ngỉåìi biãút sỉí dủng tỉì ráút såïm, nhỉng ỉïng dủng nàng lỉåüng màût tråìi vo cạc cäng nghãû sn xút v trãn quy mä räüng thç måïi chè thỉûc sỉû vo cúi thãú k 18 v cng ch úu åí nhỉỵng nỉåïc nhiãưu nàng lỉåüng màût tråìi, nhỉỵng vng sa mảc. Tỉì sau cạc cüc khng hong nàng lỉåüng thãú giåïi nàm 1968 v 1973, nàng lỉåüng màût tråìi cng âỉåüc âàûc biãût quan tám. Cạc nỉåïc cäng nghiãûp phạt triãøn â âi tiãn phong trong viãûc nghiãn cỉïu ỉïng dủng nàng lỉåüng màût tråìi. Cạc ỉïng dủng nàng lỉåüng màût tråìi phäø biãún hiãûn nay bao gäưm 2 lénh vỉûc ch ú u. Thỉï nháút l nàng lỉåüng màût tråìi âỉåüc biãún âäøi trỉûc tiãúp thnh âiãûn nàng nhåì cạc tãú bo quang âiãûn bạn dáùn, hay cn gi l Pin màût tråìi, cạc Pin màût tråìi sn xút ra âiãûn nàng mäüt cạch liãn tủc chỉìng no cn cọ bỉïc xả màût tråìi chiãúu tåïi. Lénh vỉûc thỉï hai âọ l sỉí dủng nàng lỉåüng màût tråìi dỉåïi dảng nhiãût nàng, åí âáy, chụng ta dng cạc thiãút bë thu bỉïc xả nhiãût màût tråìi v têch trỉỵ nọ dỉåïi dảng nhiãût nàng âãø dng vo cạc mủc âêch khạc nhau. Viãût Nam l nỉåïc cọ tiãưm nàng vãư NLMT, tri di tỉì vé âäü 8” Bàõc âãún 23” Bàõc, nàòm trong khu vỉûc cọ cỉåìng âäü bỉïc xả màût tråìi tỉång âäúi cao, våïi trë säú täøng xả khạ låïn tỉì 100-175 kcal/cm 2 .nàm. Do âọ viãûc sỉí dủng NLMT åí nỉåïc ta s âem lải hiãûu qu kinh tãú låïn. Thiãút bë sỉí dủng nàng lỉåüng màût tråìi åí Viãût Nam hiãûn nay ch úu l hãû thäúng cung cáúp âiãûn dng pin màût tråìi, hãû thäúng náúu cåm cọ gỉång phn xả, hãû thäúng cung cáúp nỉåïc nọng, chỉng cáút nỉåïc dng NLMT, dng NLMT chảy cạc âäüng cå nhiãût (âäüng cå Stirling), v ỉïng dủng NLMT âãø lm lảnh l âãư ti háúp dáùn cọ tênh thåìi sỉû â v âang âỉåüc nhiãưu nh khoa hc trong v ngoi nỉåïc nghiãn cỉïu. 32 CHặNG 3 PIN MT TRèI Pin mặt trời là phơng pháp sản xuất điện trực tiếp từ năng lợng mặt trời qua thiết bị biến đổi quang điện. Pin mặt trời có u điểm là gọn nhẹ có thể lắp bất kỳ ở đâu có ánh sáng mặt trời, đặc biệt là trong lĩnh vực tàu vũ trụ. ứng dụng năng lợng mặt trời dới dạng này đợc phát triển với tốc độ rất nhanh, nhất là ở các nớc phát triển. Ngày nay con ngời đã ứng dụng pin mặt trời trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, để chạy xe và trong sinh hoạt thay thế dần nguồn năng lợng truyền thống. 3.1. CÁÚU TẢO V HOẢT ÂÄÜNG CA PIN MÀÛT TRÅÌI Pin màût tråìi lm viãûc theo ngun l l biãún âäøi trỉûc tiãúp nàng lỉåüng bỉïc xả màût tråìi thnh âiãûn nàng nhåì hiãûu ỉïng quang âiãûn. 3.1.1. Hiãûu ỉïng quang âiãûn Hiãûu ỉïng quang âiãûn âỉåüc phạt hiãûn âáưu tiãn nàm 1839 båíi nh váût l Phạp Alexandre Edmond Becquerel. Tuy nhiãn cho âãún 1883 mäüt pin nàng lỉåüng måïi âỉåüc tảo thnh, båíi Charles Fritts, äng ph lãn mảch bạn dáùn selen mäüt låïp cỉûc mng vng âãø tảo nãn mảch näúi. Thiãút bë chè cọ hiãûu sút 1%, Russell Ohl xem l ngỉåìi tảo ra pin nàng lỉåüng màût tråìi âáưu tiãn nàm 1946. Sau âọ Sven Ason Berglund â cọ cạc phỉång phạp liãn quan âãún viãûc tàng kh nàng cm nháûn ạnh sạng ca pin. Xẹt mäüt hãû hai mỉïc nàng lỉåü ng âiãûn tỉí (hçnh 3.1) E 1 <E 2 , bçnh thỉåìng âiãûn tỉí chiãúm mỉïc nàng lỉåüng tháúp hån E 1 . Khi nháûn bỉïc xả màût tråìi, lỉåüng tỉí ạnh sạng photon cọ nàng lỉåüng hν (trong âọ h l hàòng säú Planck, ν l táưn säú ạnh sạng) bë âiãûn tỉí háúp thủ v chuøn lãn mỉïc nàng lỉåüng E 2 . Ta cọ phỉång trçnh cán bàòng nàng lỉåüng: 2 E E 1 ν h Hçnh 3.1. Hãû 2 mỉïc nàng lỉåüng hν = E 2 - E 1 (3.1) Trong cạc váût thãø ràõn, do tỉång tạc ráút mảnh ca mảng tinh thãø lãn âiãûn tỉí vng ngoi, nãn cạc mỉïc nàng lỉåüng ca nọ bë tạch ra nhiãưu mỉïc nàng lỉåüng sạt nhau v tảo thnh cạc vng nàng lỉåüng (hçnh 3.2). Vng nàng lỉåüng tháúp bë cạc âiãûn tỉí chiãúm âáưy khi åí trảng thại cán bàòng gi l vng hoạ trë, m màût trãn ca nọ cọ mỉïc nàng 33 lỉåüng E v . Vng nàng lỉåüng phêa trãn tiãúp âọ hon ton träúng hồûc chè bë chiãúm mäüt pháưn gi l vng dáùn, màût dỉåïi ca vng cọ nàng lỉåüng l E c . Cạch ly giỉỵa 2 vng họa trë v vng dáùn l mäüt vng cáúp cọ âäü räüng våïi nàng lỉåüng l E g , trong âọ khäng cọ mỉïc nàng lỉåüng cho phẹp no ca âiãûn tỉí. Khi nháûn bỉïc xả màût tråìi, photon cọ nàng lỉåüng hν tåïi hãû thäúng v bë âiãûn tỉí åí vng hoạ trë tháúp háúp thu v nọ cọ thãø chuøn lãn vng dáùn âãø tråí thnh âiãûn tỉí tỉû do e - , âãø lải åí vng hoạ trë mäüt läù träúng cọ thãø coi nhỉ hảt mang âiãûn dỉång, k hiãûu l h + . Läù träúng ny cọ thãø di chuøn v tham gia vo quạ trçnh dáùn âiãûn. E c v E Vng dáùn Vng hoạ trë E g h ν Hçnh 3.2 Cạc vng nàng lỉåüng Hiãûu ỉïng lỉåüng tỉí ca quạ trçnh háúp thủ photon cọ thãø mä t bàòng phỉång trçnh: E v + hν -> e - + h + (3.2) Âiãưu kiãûn âãø âiãûn tỉí cọ thãø háúp thủ nàng lỉåüng ca photon v chuøn tỉì vng hoạ trë lãn vng dáùn, tảo ra càûp âiãûn tỉí - läù träúng l hν = hc/λ ≥ E g = E c - E v . Tỉì âọ cọ thãø tênh âỉåüc bỉåïc sọng tåïi hản λ c ca ạnh sạng âãø cọ thãø tảo ra càûp e - - h + : ggvc c EE hc EE hc 24,1 == − = λ , [µm] (3.3) Trong thỉûc tãú cạc hảt dáùn bë kêch thêch e - v h + âãưu tỉû phạt tham gia vo quạ trçnh phủc häưi, chuøn âäüng âãún màût ca cạc vng nàng lỉåüng: âiãûn tỉí e - gii phọng nàng lỉåüng âãø chuøn âãún màût ca vng dáùn E c , cn läù träúng h + chuøn âãún màût ca E v , quạ trçnh phủc häưi chè xy ra trong khong thåìi gian ráút ngàõn 10 -12 ÷ 10 -1 giáy v gáy 34 ra dao õọỹng maỷnh (photon). Nng lổồỹng bở tọứn hao do quaù trỗnh phuỷc họửi seợ laỡ E ph = h - E g . Toùm laỷi khi vỏỷt rừn nhỏỷn tia bổùc xaỷ mỷt trồỡi, õióỷn tổớ ồớ vuỡng hoaù trở hỏỳp thuỷ nng lổồỹng photon h vaỡ chuyóứn lón vuỡng dỏựn taỷo ra cỷp haỷt dỏựn õióỷn tổớ - lọự trọỳng e - - h + , tổùc laỡ õaợ taỷo ra mọỹt õióỷn thóỳ. Hióỷn tổồỹng õoù goỹi laỡ hióỷu ổùng quang õióỷn bón trong. Bổồùc 1 ỏm tờnh dổồng tờnh lồùp p lồùp n õióỷn tờch dổồng õióỷn tờch ỏm Bổồùc 2 lồùp p lồùp n tióỳp xuùc p-n õióỷn trổồỡng Bổồùc 3 õióỷn trổồỡng tióỳp xuùc p-n lồùp p lồùp n phọton õióỷn trổồỡng Bổồùc 4 taới õióỷn õióỷn tổớ tổỷ do Mỷt trồỡi Prọton ióỷn tổớ ióỷn tổớ tổỷ do Lọự trọùng Hỗnh 2.3. Nguyón lyù hoaỷt õọỹng cuớa pin mỷt trồỡi Hỗnh 3.3 Nguyón lyù hoaỷt õọỹng cuớa pin mỷt trồỡi 35 3.1.2. Hióỷu suỏỳt cuớa quaù trỗnh bióỳn õọứi quang õióỷn Ta coù thóứ xaùc õởnh hióỷu suỏỳt giồùi haỷn vóử mỷt lyù thuyóỳt cuớa quaù trỗnh bióỳn õọứi quang õióỷn cuớa hóỷ thọỳng 2 mổùc nhổ sau: = o o o o g d hc J dJE c )( )( (3.4) Trong õoù: J o () laỡ mỏỷt õọỹ photon coù bổồùc J o ()d laỡ tọứng sọỳ photon tồùi coù bổồùc soùng trong khoaớng ữ + d hc/ laỡ nng lổồỹng cuớa photon E g = laỡ nng lổồỹng hổợu ờch maỡ õióỷn tổớ hỏỳp thuỷ cuớa photon trong quaù trỗnh quang õióỷn, () dJ c 0 0 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.5 1 1.5 2 E g eV Hỗnh 3.4. Quan hóỷ ( E g ) d hc J o o )( laỡ tọứng nng lổồỹng cuớa caùc photon tồùi hóỷ. Nhổ vỏỷy hióỷu suỏỳt laỡ mọỹt haỡm cuớa E g (hỗnh 3.4). Bũng tờnh toaùn lyù thuyóỳt õọỳi vồùi chỏỳt baùn dỏựn Silicon thỗ hióỷu suỏỳt 0,44. 3.1.3. Cỏỳu taỷo pin mỷt trồỡi Hởón nay vỏỷt lióỷu chuớ yóỳu cho pin mỷt trồỡi laỡ caùc silic tinh thóứ. Pin mỷt trồỡi tổỡ tinh thóứ silic chia ra thaỡnh 3 loaỷi: 36 • Mäüt tinh thãø hay âån tinh thãø module sn xút dỉûa trãn quạ trçnh Czochralski. âån tinh thãø loải ny cọ hiãûu sút tåïi 16%. Chụng thỉåìng ráút âàõt tiãưn do âỉåüc càõt tỉì cạc thi hçnh äúng, cạc táúm âån thãø ny cọ cạc màût träúng åí gọc näúi cạc module. • Âa tinh thãø lm tỉì cạc thi âục-âục tỉì silic nung chy cáøn tháûn âỉåüc lm ngüi v lm ràõn. Cạc pin ny thỉåìng r hån cạc âån tinh thãø, tuy nhiãn hiãûu sút kẹm hån. Tuy nhiãn chụng cọ thãø tảo thnh cạc táúm vng che ph bãư màût nhiãưu hån âån tinh thãø b lải cho hiãûu sút tháúp ca nọ. Hçnh 3.5. Pin màût tråìi • Di silic tảo tỉì cạc miãúng phim mng tỉì silic nọng chy v cọ cáúu trục âa tinh thãø. Loải ny thỉåìng cọ hiãûu sút tháúp nháút, tuy nhiãn loải ny r nháút trong cạc loải vç khäng cáưn phi càõt tỉì thi silicon. Mäüt låïp tiãúp xục bạn dáùn pn cọ kh nàng biãún âäøi trỉûc tiãúp nàng lỉåüng bỉïc xả màût tråìi thnh âiãûn nàng nhåì hiãûu ỉïng quang âiãûn bãn trong gi l pin màût tråìi. Pin màût tråìi âỉåüc sn xút v ỉïng dủng phäø biãún hiãûn nay l cạc pin màût tråìi âỉåüc chãú tảo tỉì váût liãûu tinh thãø bạn dáùn silicon (Si) cọ hoạ trë 4. Tỉì tinh thãø Si tinh khiãút, âãø cọ váût liãûu tinh thãø bạn dáùn Si loải n, ngỉåìi ta pha tảp cháút donor l photpho cọ hoạ trë 5. Cn cọ thãø cọ váût liãûu bạn dáùn tinh thãø loải p thç tảp cháút acceptor âỉåüc dng âãø pha vo Si l Bo cọ hoạ trë 3. Âäúi våïi pin màût tråìi tỉì váût liãûu tinh thãø Si khi bỉïc xả màût tråìi chiãúu âãún thç hiãûu âiãûn thãú håí mảch giỉỵa 2 cỉûc khong 0,55V v dng âiãûn âon mảch ca nọ 37 khi bỉïc xả màût tråìi cọ cỉåìng âäü 1000W/m 2 vo khong 25 ÷ 30 mA/cm 2 . Silicon âa tinh thãø 38 Hiãûn nay ngỉåìi ta â chãú tảo pin màût tråìi bàòng váût liãûu Si vä âënh hçnh (a-Si). So våïi pin màût tråìi tinh thãø Si thç pin màût tråìi a-Si giạ thnh r hån nhỉng hiãûu sút tháúp hån v kẹm äøn âënh. Ngoi Si, hiãûn nay ngỉåìi ta âang nghiãn cỉïu v thỉí nghiãûm cạc loải váût liãûu khạc cọ nhiãưu triãøn vng nhỉ Sunfit cadmi-âäưng (CuCds), galium-arsenit (GaAs) . 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Thi Silicon Bọc tảo thi Tảo Silicon âån tinh thãø Pha tảp cháút tảo bạn dáùn Tảo bãư màû t Pin màût tråìi âån Cäng nghãû chãú tảo pin màût tråìi gäưm nhiãưu cäng âoản khạc nhau, vê dủ âãø chãú tảo pin màût tråìi tỉì Silicon âa tinh thãø cáưn qua cạc cäng âoản nhỉ hçnh 3.6 cúi cng ta âỉåüc module. Tảo âiãûn cỉûc Tảo tiãúp xục âiãûn, låïp bo vãû Âọng khung Thnh module Module Pin màût tråìi Hçnh 3.6. Quạ trçnh tảo module Tỏỳm kờnh phuớ phờa trón Lồùp caùc pin mỷt trồỡi Tỏỳm keo EVA Tỏỳm keo EVA Tỏỳm õaùy Hỗnh 3.7. Cỏỳu taỷo module 3.2. THIT K H THNG IN MT TRèI Hóỷ thọỳng õióỷn mỷt trồỡi laỡ mọỹt hóỷ thọỳng bao gọửm mọỹt sọỳ caùc thaỡnh phỏửn nhổ; caùc tỏỳm pin mỷt trồỡi (maùy phaùt õióỷn), caùc taới tióu thuỷ õióỷn, caùc thióỳt bở tờch trổợ nng lổồỹng vaỡ caùc thióỳt bở õióửu phọỳi nng lổồỹng, . Thióỳt kóỳ mọỹt hóỷ thọỳng õióỷn mỷt trồỡi laỡ xỏy dổỷng mọỹt quan hóỷ tổồng thờch giổợa caùc thaỡnh phỏửn cuớa hóỷ vóử mỷt õởnh tờnh vaỡ õởnh lổồỹng, õóứ õaớm baớo mọỹt sổỷ truyóửn taới nng lổồỹng hióỷu quaớ cao tổỡ maùy phaùt - pin mỷt trồỡi õóỳn caùc taới tióu thuỷ. Khọng nhổ caùc hóỷ nng lổồỹng khaùc, nhión lióỷu cuớa maùy phaùt õióỷn laỡ bổùc xaỷ mỷt trồỡi, noù luọn thay õọứi phổùc taỷp theo thồỡi gian, theo õởa phổồng vaỡ phuỷ thuọỹc vaỡo caùc õióửu kióỷn khờ hỏỷu, thồỡi tióỳt, . nón vồùi cuỡng mọỹt taới õióỷn yóu cỏửu, coù Hỗnh 3.8. Hóỷ thọỳng pin mỷt trồỡi. 39 thãø cọ mäüt säú thiãút kãú khạc nhau ty theo cạc thäng säú riãng ca hãû. Vç váûy, nọi chung khäng nãn ạp dủng cạc hãû thiãút kãú “máùu” dng cho táút c hãû thäúng âiãûn màût tråìi. Thiãút kãú mäüt hãû thäúng âiãûn màût tråìi bao gäưm nhiãưu cäng âoản, tỉì viãûc lỉûa chn så âäư khäúi, tênh toạn dung lỉåüng dn pin màût tråìi v bäü acquy, thiãút kãú cạc thiãút bë âiãûn tỉí âiãưu phäúi nhỉ cạc bäü âiãưu khiãøn, âäøi âiãûn, . âãún viãûc tênh toạn làõp âàût cạc hãû giạ âåỵ pin màût tråìi, hãû âënh hỉåïng dn pin màût tråìi theo vë trê màût tråìi, nh xỉåíng âàût thiãút bë, acquy, . Trong ti liãûu n y cụng täi chè giåïi thiãûu nhỉỵng cäng âoản quan trng nháút nhỉ lỉûa chn så âäư khäúi, tênh toạn dung lỉåüng dn pin màût tråìi, dung lỉåüng acquy v làõp âàût hãû thäúng. Trong hai thnh pháưn âỉåüc quan tám åí âáy - dn pin màût tråìi v bäü acquy - l hai thnh pháưn chênh ca hãû thäúng v chiãúm mäüt t trng låïn nháút trong chi phê cho mäüt hãû thäúng âiãûn màût tråìi. Cng mäüt phủ ti tiãu thủ, cọ nhiãưu phỉång ạn lỉûa chn hãû thäúng âiãûn màût tråìi trong âọ giỉỵa dung lỉåüng dn pin màût tråìi v bäü acquy cọ quan hãû tỉång häù sau: - Tàng dung lỉåüng acquy thç gim âỉåüc dung lỉåüng dn pin màût tråìi; - Tàng dung lỉåüng dn pin màût tråìi, gim âỉåüc dung lỉåüng acquy. Tuy nhiãn, nã úu lỉûa chn dung lỉåüng dn pin màût tråìi quạ nh, thç acquy s bë phọng kiãût hồûc ln ln bë “âọi”, dáùn âãún hỉ hng. Ngỉåüc lải nãúu dung lỉåüng dn pin màût tråìi quạ låïn s gáy ra lng phê låïn. Do váûy phi lỉûa chn thêch håüp âãø hãû thäúng hoảt âäüng cọ hiãûu qu nháút. Trong thỉûc tãú cọ nhỉỵng hãû thäúng âiãûn màût tråìi nàòm trong nhỉỵng täø håüp hãû thäúng nàng lỉåüng, gäưm hãû thäúng âiãûn màût tråìi, mạy phạt âiãûn giọ, mạy phạt diezen, Trong hãû thäúng âọ, âiãûn nàng tỉì hãû thäúng âiãûn màût tråìi âỉåüc “ha” vo lỉåïi âiãûn chung ca täø håüp hãû thäú ng. 40 . CHặNG 3 PIN MT TRèI Pin mặt trời là phơng pháp sản xuất điện trực tiếp từ năng lợng mặt trời qua thiết bị biến đổi quang điện. Pin mặt trời có u điểm là gọn. nhẹ có thể lắp bất kỳ ở đâu có ánh sáng mặt trời, đặc biệt là trong lĩnh vực tàu vũ trụ. ứng dụng năng lợng mặt trời dới dạng này đợc phát triển với tốc