Bài giảng Năng lượng tái tạo - Chương 2, Phần 2: Năng lượng mặt trời - Nguyễn Quang Nam

408004 
Năng lượng tái tạo 
Giảng viên: TS. Nguyễn Quang Nam 
2013 – 2014, HK1 
nqnam@hcmut.edu.vn 
1 
Bài giảng 3 
Ch. 2: Năng lượng mặt trời 
2.2. Tế bào quang điện 
2.3. Đặc tính I-V của pin quang điện 
2.4. Ảnh hưởng của hiện tượng bóng che 
2 
Bài giảng 3 
Tế bào quang điện 
3 
Bài giảng 3 
Xu hướng giá thành pin quang điện 
4 
Bài giảng 3 
Sản lượng PV trên thế giới 
5 
Bài giảng 3 
Các nguyên tố quan trọng 
6 
Bài giảng 3 
Cấu tạo và ký hiệu của nguyên tố silic 
Nguyên tử silic có 4 điện tử hóa trị, với ký hiệu thường dùng như hình bên phải. 
7 
Bài giảng 3 
Mạng tinh thể silic 
Các nguyên tử silic tạo liên kết hóa trị với 4 nguyên tử lân cận theo cấu trúc tứ diện, tạo thành mạng tinh thể. Cấu trúc giản lược có dạng phẳng. 
8 
Bài giảng 3 
Mức năng lượng 
Khoảng cách giữa vùng dẫn và vùng hóa trị xác định loại vật liệu: vật dẫn, bán dẫn, hay cách điện. Thế Fermi nằm giữa vùng dẫn và vùng hóa trị trong bán dẫn và cách điện. 
9 
Bài giảng 3 
Hiệu ứng quang điện 
Khi các quang tử có năng lượng lớn hơn 1,12 eV bị silic hấp thụ, các điện tử có thể đủ năng lượng để chuyển lên vùng dẫn, tạo ra điện thế. Khi điện tử trở về vùng hóa trị và tái hợp với ion dương, sẽ tạo ra một quang tử (nguyên tắc chế tạo diode phát quang – LED). 
10 
Bài giảng 3 
Năng lượng trong silic bị chiếu sáng 
Khi chiếu sáng mạng tinh thể silic, sinh ra các ion dương trong mạng tinh thể, và tạo ra điện thế. 
Các ion có thể di chuyển nếu đường dẫn được hình thành (qua mạch tải). 
Năng lượng của quang tử E liên hệ với vận tốc c và bước sóng l : 
h là hằng số Planck (= 6,626.10 34 J.s) 
11 
Bài giảng 3 
Ví dụ 8.1 
Tìm bước sóng cực đại mà quang tử phải có để tạo được hiệu ứng quang điện trên mạng tinh thể silic. 
Giải: Để năng lượng tạo ra lớn hơn năng lượng vùng cấm, bước sóng phải nhỏ hơn bước sóng cực đại, cho bởi: 
Như vậy, ở các bước sóng dài hơn 1,11 m m, ánh sáng sẽ không tạo ra được hiệu ứng quang điện. Ngoài ra, mức năng lượng thừa của các bước sóng ngắn hơn cũng sẽ bị lãng phí. 
12 
Bài giảng 3 
Vùng năng lượng có ích 
13 
Bài giảng 3 
Bước sóng giới hạn của các vật liệu 
Các vật liệu khác nhau có khả năng chuyển hóa bằng hiệu ứng quang điện khác nhau. Bảng 8.2 trình bày bước sóng giới hạn của bốn loại vật liệu phổ biến nhất trong chế tạo pin quang điện. 
14 
Bài giảng 3 
Quang phổ mặt trời 
15 
Bài giảng 3 
Ảnh hưởng của band-gap đến hiệu suất 
Với silic, hiệu suất cực đại là < 50%. 
Với các vật liệu khác, nếu band-gap nhỏ, điện thế tạo ra lớn nhưng dòng điện nhỏ. Còn nếu band-gap lớn, điện thế tạo ra nhỏ nhưng dòng điện lớn. 
Vì công suất là tích của điện áp và dòng điện, tồn tại một khoảng band-gap tại đó hiệu suất đạt cực đại. 
Hiệu suất thực tế nhỏ hơn giá trị lý thuyết ở đây, nếu xét đến những yếu tố khác. 
16 
Bài giảng 3 
Hiệu suất quang điện thực tế 
17 
Bài giảng 3 
Mối nối p-n 
Mối nối p-n được tạo ra để kéo điện tử và lỗ trống về hai phía, giảm xác suất bị tái hợp. Điều này giúp cải thiện hiệu suất quang điện. 
18 
Bài giảng 3 
Mối nối p-n 
Vùng n được tạo ra bằng một nguyên tử hóa trị 3 liên kết với mạng tinh thể silic. 
19 
Bài giảng 3 
Mối nối p-n 
Hai loại vật liệu đặt cạnh nhau, tạo ra một vùng nghèo (hạt dẫn), và duy trì điện trường để tránh hiện tượng tái hợp làm giảm hiệu suất của hiệu ứng quang điện. 
20 
Bài giảng 3 
Diode từ mối nối p-n 
Phương trình Shockley: 
21 
Bài giảng 3 
Ví dụ 8.2 
Xét diode p-n ở 25  C, có dòng điện bão hòa ngược là 10 -9 A. Tìm điện áp rơi khi diode tải dòng: 0, 1, và 10 A. 
Giải: 
I d = 0 suy ra V d = 0 
Sắp xếp lại để tính V d theo I d : 
I d = 10 A, V d = 0,592 V 
22 
Bài giảng 3 
Tế bào quang điện 
23 
Bài giảng 3 
Mạch tương đương đơn giản của PV 
24 
Bài giảng 3 
Hai tham số quan trọng của PV 
Điện áp hở mạch (V OC ): 
 Là điện áp rơi trên diode khi toàn bộ dòng điện do PV tạo ra chạy qua diode. 
Dòng điện ngắn mạch (I SC ): 
 Là toàn bộ dòng điện do PV tạo ra, vì điện áp rơi trên diode bằng 0. 
25 
Bài giảng 3 
Mạch tương đương đơn giản của PV 
I SC 
V 
I 
26 
Bài giảng 3 
Ví dụ 8.3 
Khảo sát đặc tính I-V của tế bào quang điện 100 cm 2 , có I 0 = 10 -12 A/cm 2 . Ở bức xạ chuẩn, dòng điện ngắn mạch là 40 mA/cm 2 ở 25  C. Tìm điện áp hở mạch khi đó và khi bức xạ bằng 50% giá trị chuẩn. 
Giải: Dòng điện bão hòa ngược là I 0 = 10 -10 A, dòng điện ngắn mạch I SC = 4 A. Áp dụng công thức tính V OC tại 25 C: 
Tính lại với dòng điện ngắn mạch bằng một nửa (= 2 A): 
27 
Bài giảng 3 
Ví dụ 8.3 
28 
Bài giảng 3 
Mạch tương đương chính xác của PV 
Nếu xét đến điện trở nối tiếp do điện trở của dây nối, và điện trở song song do dòng điện rò trong pin quang điện, mạch tương đương chính xác như dưới đây: 
I SC 
R s 
R sh 
I 
V 
V OC 
29 
Bài giảng 3 
Ghép pin quang điện 
Các tế bào quang điện có thể được ghép với nhau để thành một tấm pin quang điện, các tấm cũng có thể được ghép với nhau thành một dãy pin quang điện. 
30 
Bài giảng 3 
Ghép tế bào thành tấm pin 
Vì điện áp của một tế bào tương đối nhỏ, người ta thường ghép nối tiếp nhiều tế bào với nhau để tạo điện áp phù hợp cho ứng dụng thực tế. 
31 
Bài giảng 3 
Ví dụ 8.4 
36 tế bào được ghép nối tiếp thành tấm pin. Ở điều kiện chuẩn, mỗi tế bào có I SC = 3,4 A và ở 25  C I 0 = 6.10 -10 A. R sh = 6,6 W và R s = 0,006 W . Tính điện áp, dòng điện, và công suất phát ra khi điện áp mỗi tế bào là 0,5 V 
Giải: Dòng điện phát ra: 
Điện áp và công suất phát ra: 
32 
Bài giảng 3 
Ghép tấm pin thành dãy pin 
Các tấm pin có thể được ghép nối tiếp (để tăng điện áp) hoặc ghép song song (để tăng dòng điện). 
33 
Bài giảng 3 
Đặc tính I-V của pin quang điện 
Từ quan hệ I-V của pin, có thể xây dựng được đặc tính I-V của pin, và tồn tại một điểm công suất cực đại. 
34 
Bài giảng 3 
Một số tấm pin tiêu biểu 
35 
Bài giảng 3 
Ảnh hưởng của nhiệt độ và bức xạ 
36 
Bài giảng 3 
Ảnh hưởng của bóng che 
Xét trường hợp n tế bào nối tiếp, trong đó có 1 tế bào bị bóng che (che khuất hẳn). 
Điện áp của tấm pin sau khi 1 tế bào bị che khuất: 
Độ thay đổi điện áp tương ứng: 
37 
Bài giảng 3 
Ảnh hưởng của bóng che 
38 
Bài giảng 3 
Ví dụ 8.6 
Tấm pin trong ví dụ 8.4 có điện trở R sh = 6,6 W (cho mỗi tế bào). Ở điều kiện chuẩn và dòng điện I = 2,14 A điện áp ra là V = 19,41 V. Nếu một tế bào bị che khuất và dòng điện xem như cũ, tính điện áp và công suất, điện áp rơi và công suất tiêu tán trên tấm pin bị che khuất. 
Giải: Sụt áp của tấm pin là 
Điện áp ngõ ra của tấm pin là 
39 
Bài giảng 3 
Ví dụ 8.6 (tt) 
Công suất của tấm pin 
P = 4,75 2,14 = 10,1 W 
Điện áp rơi trên tế bào bị che là 
Công suất tiêu tán trên tế bào đó 
40 
Bài giảng 3 
Khắc phục hiện tượng bóng che 
Nếu ở giữa các cực của tế bào, chúng ta gắn một diode đối song, thì khi tế bào đó bị che khuất, diode đó sẽ dẫn điện, và nối tắt tế bào bị che đó. 
41 
Bài giảng 3 
Khắc phục hiện tượng bóng che 
Ngoài ra chúng ta còn dùng diode chặn để ngăn dòng điện chạy vào nhánh song song có tấm pin bị che khuất. 
42 
Bài giảng 3