Bài giảng Năng lượng tái tạo - Chương 3: Điện mặt trời - ThS. Nguyễn Bá Thành

Chương 3 Điện mặt trời 1 Chương này được biên soạn nhằm cung cấp cho sinh viên: o Kiến thức về pin mặt trời, lịch sử phát triển pin mặt trời. o Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tế bào quang điện. o Các đặc trưng của pin mặt trời. o Cách ghép nối modul pin mặt trời. o Hệ thống nguồn điện pin mặt trời. o Các bước tính toán, thiết kế hệ thống pin mặt trời công suất nhỏ. Câu hỏi chương 3: Câu 1: Pin quang điện là gì? Trình bày cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin quang điện? Câu 2: Tình hình sử dụng năng lượng mặt trời trên thế giới và tiềm năng phát triển ở Việt Nam? Câu 3: Các đặc trưng của pin mặt trời? Câu 4: Trình bày sơ đồ hệ thống nguồn điện pin mặt trời? Câu 5: Các bước tính toán, thiết kế hệ thống điện pin mặt trời? ThS. Nguyễn Bá Thành Chương 3 Điện mặt trời 2 Chương 3: Điện mặt trời Mặt trời là một khối cầu có đường kính khoáng 1,4 triệu km với thành phần gồm các khí có nhiệt độ rất cao. Nhiệt độ bên trong mặt trời đạt đến gần 15 triệu độ, với áp suất gấp 70 tỷ lần áp suất khí quyển của Trái đất. Đây là điều kiện lý tưởng cho các phản ứng phân hạch của các nguyên tử hydro. Bức xạ gamma từ các phản ứng phân hạch này, trong quá trình được truyền từ tâm mặt trời ra ngoài, tương tác với các nguyên tố khác bên trong mặt trời và chuyển thành bức xạ có mức năng lượng thấp hơn, chủ yếu là ánh sáng và phần nhiệt của phổ năng lượng. Bức xạ điện từ này, với phổ năng lượng trải dài từ cực tím đến hồng ngoại, phát ra không gian ở mọi hướng khác nhau. Quá trình bức xạ của mặt trời diễn ra từ 5 tỷ năm nay, và sẽ còn tiếp tục trong khoảng 5 tỷ năm nữa. Hình 3.1 Bản đồ phân bố năng lượng mặt trời ThS. Nguyễn Bá Thành Chương 3 Điện mặt trời 3 Mỗi giây mặt trời phát ra một khối lượng năng lượng khổng lồ vào Thái dương hệ, chỉ một phần nhỏ tổng lượng bức xạ đến được trái đất có công suất vào khoảng 1.367MW/m2 ở ngoại tầng khí quyển của Trái đất, 30% bức xạ này bị phản xạ lại về không gian, 70% được hấp thụ bởi mặt đất, đại dương và khí quyển chuyển thành nhiệt sau đó tỏa lại về không gian. Chỉ một phần nhỏ NLMT được sử dụng thì có thể đáp ứng được nhu cầu về năng lượng của thế giới. Mặt trời là nguồn năng lượng mà con người có thể tận dụng được: sạch sẽ, đáng tin cậy, gần như vô tận và có ở khắp mọi nơi. Việc thu giữ NLMT không thải ra khí và nước độc hại, do đó không góp phần vào vấn đề ô nhiễm môi trường và hiệu ứng nhà kính. Tiềm năng về NLMT trên thế giới: phân bố không đồng đều trên thế giới, mạnh nhất là vùng xích đạo và vùng khô hạn, giảm dần về phía cực trái đất (Phụ lục 2.2.1). Tiềm năng kính tế sử dụng NLMT phụ thuộc vào vị trí địa điểm trên trái đất, phụ thuộc vào đặc điểm khí hậu, thời tiết cụ thể của từng vùng miền. Theo số lượng thống kê bức xạ trung bình của một địa điểm trên thế giới vào khoảng 2000kWh/m2/năm. Tiềm năng về NLMT ở Việt Nam: phân bố khôn đồng đều trên lãnh thổ Việt Nam do đặc điểm địa hình khí hậu khác nhau của hai miền Nam và Bắc. Nói chung là cường độ năng lượng bức xạ không cao và thay đổi thất thường Bảng 3.1 Tiềm năng NLMT một số nước trên thế giới [4] STT Quốc gia 1 Angiêri 2 Ai Cập 3 Bồ Đào Nha 4 Cô oét 5 Hy Lạp 6 Iran Tiềm năng tWh/năm 13,9 36,0 3,0 2,5 4,0 16,0 Bức xạ trung bình kWh/m2/năm 1970 2450 1910 1900 1730 2100 ThS. Nguyễn Bá Thành Chương 3 Điện mặt trời 4 7 Irắc 6,8 2050 8 Ý 10,0 1800 9 Li Băng 1,5 1920 10 Marốc 17,0 2000 11 Saudi Arabi 13,9 2130 12 Tây Ban Nha 5,0 2000 Bảng 3.2 Tiềm năng NLMT ở Việt Nam[4] Vùng Đông bắc Tây bắc Bắc trung bộ Tây nguyên, nam trung bộ Nam bộ Trung bình cả nước Giờ nắng trong năm 1500­1700 1750­1900 1700­200 2000­2600 2200­2500 1700­2500 Bức xạ kcal/cm2/năm 100­125 125­150 140­160 150­175 130­150 100­175 Khả năng ứng dụng Thấp Trung bình Tốt Rất tốt Rất tốt Tốt Hai ứng dụng chính của NLMT là: Nhiệt mặt trời : Chuyển bức xạ mặt trời thành nhiệt năng, sử dụng ở các hệ thống sưởi hoặc để đun nước tạo hơi quay turbin điện. Điện mặt trời: Chuyển bức xạ mặt trời (dạng ánh sáng) trực tiếp thành điện năng (hay còn gọi là quang điện – photovoltaics ­ PV). Hai dạng hệ thống dân dụng sử dụng NLMT phổ biến nhất hiện nay là hệ thống nhiệt NLMT và hệ thống quang điện cá nhân. Một số hệ thống khác là: Hệ thống đun nước mặt trời, máy bơm NLMT và điện mặt trời sử dụng cho các trạm truyền thông vô tuyến ở vùng sâu vùng xa. Nhu cầu về điện mặt trời tăng rất nhanh trong 20 năm qua, với tốc độ trung bình là 25% mỗi năm, trong năm 2004 tổng công suất lắp đặt điện mặt trời toàn cầu đạt 927 ThS. Nguyễn Bá Thành Chương 3 Điện mặt trời 5 MW, tăng gần gấp đôi năm 2003( 574MW) và gấp hơn 40 lần so với 25 năm trước. Các quốc gia phát trên thế giới đang thúc đẩy mạnh mẽ các kế hoạch phát triển điện mặt trời thông qua cải thiện kỹ thuật cũng như trợ vốn. 3.1Pin mặt trời và lịch sử phát triển Quang điện là một hiện tượng ánh sáng sinh điện. Khi ánh sáng rọi trên bề mặt một vật. Vật sẽ hấp thụ năng lượng nhiệt của ánh sáng cho đến tần số thời gian đạt đến mức hấp thụ cao nhất. Vật sẽ không còn hấp thụ năng lượng nhiệt của ánh sáng. Tại thời điểm này năng lượng ánh sáng sẽ tách điện tử rời khỏi bề mặt của vật trở thành điện tử tự do có khả năng làm cho vật trở thành dẫn điện. Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel. Tuy nhiên cho đến 1883 một pin năng lượng mới được tạo thành, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen 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 năng lượng mặt trời đầu tiên năm 1946. Sven Ason Berglund đã có phương pháp liên quan đến việc tăng khả năng cảm nhận ánh sáng của pin. Năm 1887 Heinrich Hertz quan sát thấy hiệu ứng quang điện ngoài đối với các kim loại (cũng là năm ông thực hiện thí nghiệm phát và thu sóng điện từ). Sau đó Aleksandr Grigorievich Stoletov đã tiến hành nghiên cứu một cách tỷ mĩ và xây dựng nên các định luật quang điện. Một trong các công trình của Albert Einstein xuất bản trên tạp chí Annal der Physik đã lý giải một cách thành công hiệu ứng quang điện cũng như các định luật quang điện dựa trên mô hình hạt ánh sáng, theo thuyết lượng tử vừa được công bố năm 1900 của Max planck. Các công trình này dẫn đến sự công nhận về bản chất hạt của ánh sáng và sự phát triển của lý thuyết lưỡng tính sóng­hạt của ánh sáng. 3.2 Nguyên lý hoạt động của tế bào quang điện 3.2.1 Hiện tượng quang điện ngoài ThS. Nguyễn Bá Thành ... - tailieumienphi.vn