Bài giảng Năng lượng tái tạo - Chương 2, Phần 3: 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 4 
Ch. 2: Năng lượng mặt trời 
2.5. Công nghệ chế tạo pin quang điện 
2.6. Đặc tính tải của pin quang điện 
2.7. Dò điểm công suất cực đại (MPPT) 
2 
Bài giảng 4 
Pin quang điện tinh thể silic 
 Phân loại theo mức độ liên kết của nguyên tử silic với các nguyên tử khác trong từng tinh thể: 
Đơn tinh thể (single crystal): tinh thể có kích thước > 10 cm, công nghệ chiếm ưu thế 
Đa tinh thể (multicrystalline): mảng chứa đơn tinh thể kích thước 1 mm – 10 cm 
Đa tinh thể (polycrystalline): nhiều hạt kích thước 1 m m – 1 mm, như với CdTe, CuInSe 2 và màng mỏng 
Vi tinh thể (microcrystalline): hạt có kích thước dưới 1 m m 
Không định hình: không có khu vực chứa đơn tinh thể. 
3 
Bài giảng 4 
Pin quang điện tinh thể silic 
Một cách phân loại khác dựa vào việc các vùng p và n được chế tạo từ vật liệu nào. 
Nếu cùng loại vật liệu, chẳng hạn silic, pin được gọi là PV có mối nối đồng chất. 
Nếu khác loại vật liệu thì gọi là PV có mối nối khác chất. 
Một sự khác biệt nữa là các tế bào dùng nhiều mối nối (tế bào nối tầng), được tạo ra từ nhiều mối nối p-n, trong đó mỗi mối nối được thiết kế để bắt giữ một phần khác nhau của quang phổ mặt trời. 
Một số tế bào lại được chế tạo để hoạt động tốt với ánh sáng được tập trung lại. 
4 
Bài giảng 4 
Pin quang điện tinh thể silic 
Một cách phân loại các pin quang điện. Tỷ lệ % là thị phần của các công nghệ vào cuối những năm 1990. 
5 
Bài giảng 4 
Kỹ thuật Czochralski tạo silic đơn tinh thể 
Từ silic nóng chảy hình thành thỏi silic, sau đó được cắt thành tấm mỏng bằng lưỡi cắt hay dây kim cương. 
SiHCl 3 + H 2 + nhiệt Si + 3HCl 
6 
Bài giảng 4 
Kỹ thuật chế tạo điện cực 
7 
Bài giảng 4 
Kỹ thuật chế tạo điện cực 
8 
Bài giảng 4 
Kỹ thuật kéo tấm silic 
9 
Bài giảng 4 
Đúc silic đa tinh thể 
10 
Bài giảng 4 
Module silic đa tinh thể 
11 
Bài giảng 4 
Pin quang điện màng mỏng (thin-film) 
Thực hiện bằng cách phủ một lớp màng cực mỏng các vật liệu quang điện lên nền thủy tinh hoặc kim loại. 
Kỹ thuật màng mỏng sử dụng ít vật liệu (chỉ có độ dày cỡ m m, trong khi tinh thể silic dày đến hàng trăm m m), lại không cần kết nối các tế bào phức tạp, và đặc biệt phù hợp với kỹ thuật sản xuất hàng loạt. 
Độ mỏng của màng cho phép ánh sáng không bị hấp thụ có thể xuyên qua vật liệu, nhờ đó có thể phủ lên các cửa sổ, tạo ra các loại kính vừa cung cấp ánh sáng, vừa phát điện. 
Cũng có thể tạo ra nhiều mối nối kết hợp vật liệu, để hấp thu ánh sáng ở các dải bước sóng khác nhau, nhằm nâng cao hiệu suất. 
12 
Bài giảng 4 
Pin quang điện màng mỏng (thin-film) 
13 
Bài giảng 4 
Silic không định hình 
14 
Bài giảng 4 
Quy trình chế tạo silic không định hình 
15 
Bài giảng 4 
Silic không định hình nhiều mối nối 
Mỗi mối nối có năng lượng vùng cấm khác nhau, sẽ hấp thụ các dải bước sóng khác nhau. 
16 
Bài giảng 4 
Gallium Arsenide và Indium Phosphide 
Các hợp chất mới thường được tạo ra từ các cặp nguyên tố ở nhóm III và nhóm V (gọi là vật liệu III-V), hoặc ở nhóm II và nhóm VI (vật liệu II-VI). 
Ví dụ, gallium là nguyên tố thuộc nhóm III, kết hợp với arsenic thuộc nhóm V để tạo ra vật liệu quang điện gallium arsenide (GaAs). 
Tương tự, indium (nhóm III) và phốt-pho (nhóm V) có thể tạo ra các tế bào indium phosphide (InP). 
Hay như vật liệu II-VI là sự kết hợp giữa cadmium (nhóm II) và tellurium (nhóm VI) trong các tế bào CdTe (cad-telluride). 
17 
Bài giảng 4 
Gallium Arsenide 
GaAs có năng lượng vùng cấm bằng 1,43 eV, rất gần với mức lý tưởng là 1,4 eV. Do đó, các tế bào GaAs có thể đạt hiệu suất khi không hội tụ là 29%. 
GaAs lại cũng không bị ảnh hưởng nhiều bởi nhiệt độ, do đó rất thích hợp cho các hệ thống hội tụ, với hiệu suất có thể đạt 39%. 
Tuy nhiên, gallium lại là vật liệu khá hiếm, và đắt tiền. Do đó, hiện tại GaAs chỉ thích hợp với các ứng dụng không gian, hay các hệ thống hội tụ cỡ lớn. 
18 
Bài giảng 4 
Cadmium Telluride 
Cadmium telluride thường chỉ được dùng để chế tạo bán dẫn loại p, do đó thường dẫn đến vấn đề về liên kết lơ lửng khi được kết hợp với bán dẫn loại n trên nền vật liệu khác. 
19 
Bài giảng 4 
Copper Indium Diselenide (CIS) 
Các hợp chất được khảo sát để tìm ra năng lượng vùng cấm tối ưu mà vẫn tránh được sự suy giảm hiệu suất do không tương hợp về mạng tinh thể. 
20 
Bài giảng 4 
Đặc tính tải của pin quang điện 
Hệ thống đơn giản hóa thể hiện việc cung cấp công suất cho phụ tải AC được thực hiện bởi tổ hợp pin quang điện và lưới điện: công suất có thể chạy ra/vào lưới điện. 
Hệ thống pin quang điện hòa lưới đơn giản hóa 
21 
Bài giảng 4 
Đặc tính tải của pin quang điện 
Hệ thống pin quang điện độc lập, có máy phát dự phòng 
22 
Bài giảng 4 
Đặc tính I-V cho tải trở 
hay 
23 
Bài giảng 4 
Đặc tính I-V cho tải trở 
Khi R thay đổi, điểm làm việc di chuyển trên đặc tính I-V của pin quang điện. Tồn tại một điểm công suất cực đại (MPP). 
24 
Bài giảng 4 
Đặc tính I-V cho tải trở 
Khi bức xạ thay đổi, hệ sẽ không đạt công suất cực đại nếu điện trở tải là cố định. 
25 
Bài giảng 4 
Đặc tính I-V cho tải động cơ DC 
26 
Bài giảng 4 
Đặc tính I-V cho tải động cơ DC 
27 
Bài giảng 4 
Đặc tính I-V cho tải động cơ DC 
Slide trước đó cho thấy, nếu ánh sáng yếu, động cơ DC không thể khởi động. Một mạch nâng dòng có thể giúp động cơ khởi động trong điều kiện ánh sáng yếu. 
28 
Bài giảng 4 
Đặc tính I-V cho tải ắc-quy 
Đặc tính ắc-quy lý tưởng được thể hiện trên đồ thị. Khi nạp điện cho ắc-quy thực, điện áp V cần lớn hơn điện áp V B do tồn tại nội trở R i trong ắc-quy và dây dẫn. 
29 
Bài giảng 4 
Đặc tính I-V cho tải ắc-quy 
30 
Bài giảng 4 
Ví dụ 9.1 
Giả sử một ắc-quy axit gần cạn có điện áp hở mạch là 11,7 V và nội trở 0,03 W . 
Điện áp của PV là bao nhiêu để nạp ắc-quy ở dòng điện 6 A? 
Nếu tải tiêu thụ 20 A từ ắc-quy được nạp đầy (với điện áp hở mạch là 12,7 V), điện áp của PV là bao nhiêu? 
Giải: 
Khi nạp ắc-quy 
Khi xả ắc-quy 
31 
Bài giảng 4 
Nạp ắc-quy với PV tự ổn định dòng 
32 
Bài giảng 4 
Bộ dò điểm công suất cực đại 
Một bộ biến đổi buck-boost thường được dùng vì nó cho phép nâng và hạ điện áp, cho phép hoạt động tốt ở dải điều kiện làm việc rộng của PV. 
33 
Bài giảng 4 
Bộ dò điểm công suất cực đại 
Giả sử dòng điện qua điện cảm L là liên tục, điện áp ngõ ra V o và điện áp ngõ vào V i của bộ biến đổi buck-boost thỏa mãn quan hệ sau: 
 trong đó D là tỷ lệ thời gian đóng khóa so với thời gian của một chu kỳ 
34 
Bài giảng 4 
Ví dụ 9.2 
Module PV có đặc tính I-V với điểm làm việc MPP tại: V m = 17 V và I m = 6 A. Tìm hệ số D (chu kỳ nhiệm vụ) để bộ biến đổi đạt MPP, biết tải là một điện trở 10 W . 
Giải: 
Công suất cực đại có thể nhận từ PV = 17 6 = 102 W. Để nhận được toàn bộ công suất này, điện áp trên tải cần có giá trị sqrt(102 10 ) = 31,9 V. 
Do đó, chu kỳ nhiệm vụ D cần có giá trị để thỏa mãn V o /V i = 31,9/17 = 1,876, tức là D = 0,6524. 
35 
Bài giảng 4 
Bộ dò điểm công suất cực đại 
36 
Bài giảng 4 
Đặc tính I-V theo giờ 
37 
Bài giảng 4 
Đặc tính I-V theo giờ 
38 
Bài giảng 4 
Năng lượng cung cấp cho tải trong ngày 
39 
Bài giảng 4