Năng lượng tái tạo - Chương 2: Năng lượng mặt trời - Pin quang điện tinh thể silic

408004Năng lượng tái tạoGiảng viên: TS. Nguyễn Quang Nam2013 – 2014, HK1ài giảng 4Ch. 2: Năng lượng mặt trời2.5. Công nghệ chế tạo pin quang điện2.6. Đặc tính tải của pin quang điện2.7. Dò điểm công suất cực đại (MPPT)2Bài giảng 4Pin 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 thếĐa tinh thể (multicrystalline): mảng chứa đơn tinh thể kích thước 1 mm – 10 cmĐa tinh thể (polycrystalline): nhiều hạt kích thước 1 mm – 1 mm, như với CdTe, CuInSe2 và màng mỏngVi tinh thể (microcrystalline): hạt có kích thước dưới 1 mmKhông định hình: không có khu vực chứa đơn tinh thể.3Bài giảng 4Pin quang điện tinh thể silicMột 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.4Bài giảng 4Pin quang điện tinh thể silicMột cách phân loại các pin quang điện. Tỷ lệ % là thị phần của các công nghệ vào cuối những năm 1990.5Bài giảng 4Kỹ thuật Czochralski tạo silic đơn tinh thểTừ silic nóng chảy hình thành thỏi silic, sau đó được cắt thành tấm mỏng bằng lưỡi cắt hay dây kim cương.SiHCl3 + H2 + nhiệt  Si + 3HCl6Bài giảng 4Kỹ thuật chế tạo điện cực7Bài giảng 4Kỹ thuật chế tạo điện cực8Bài giảng 4Kỹ thuật kéo tấm silic9Bài giảng 4Đúc silic đa tinh thể10Bài giảng 4Module silic đa tinh thể11Bài giảng 4Pin 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 mm, trong khi tinh thể silic dày đến hàng trăm mm), 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.12Bài giảng 4Pin quang điện màng mỏng (thin-film)13Bài giảng 4Silic không định hình14Bài giảng 4Quy trình chế tạo silic không định hình15Bài giảng 4Silic không định hình nhiều mối nốiMỗi mối nối có năng lượng vùng cấm khác nhau, sẽ hấp thụ các dải bước sóng khác nhau.16Bài giảng 4Gallium Arsenide và Indium PhosphideCác 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).17Bài giảng 4Gallium ArsenideGaAs 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.18Bài giảng 4Cadmium TellurideCadmium 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.19Bài giảng 4Copper 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.20Bài giảng 4Đặc tính tải của pin quang điệnHệ 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 hóa21Bài giảng 4Đặc tính tải của pin quang điệnHệ thống pin quang điện độc lập, có máy phát dự phòng22Bài giảng 4Đặc tính I-V cho tải trởhay23Bài giảng 4Đặc tính I-V cho tải trởKhi 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).24Bài giảng 4Đặc tính I-V cho tải trởKhi bức xạ thay đổi, hệ sẽ không đạt công suất cực đại nếu điện trở tải là cố định.25Bài giảng 4Đặc tính I-V cho tải động cơ DC26Bài giảng 4Đặc tính I-V cho tải động cơ DC27Bài giảng 4Đặc tính I-V cho tải động cơ DCSlide 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.28Bài giảng 4Đặc tính I-V cho tải ắc-quyĐặc 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 VB do tồn tại nội trở Ri trong ắc-quy và dây dẫn.29Bài giảng 4Đặc tính I-V cho tải ắc-quy30Bài giảng 4Ví dụ 9.1Giả 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-quyKhi xả ắc-quy31Bài giảng 4Nạp ắc-quy với PV tự ổn định dòng32Bài giảng 4Bộ dò điểm công suất cực đạiMột 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.33Bài giảng 4Bộ dò điểm công suất cực đạiGiả sử dòng điện qua điện cảm L là liên tục, điện áp ngõ ra Vo và điện áp ngõ vào Vi 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 kỳ34Bài giảng 4Ví dụ 9.2Module PV có đặc tính I-V với điểm làm việc MPP tại: Vm = 17 V và Im = 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 Vo/Vi = 31,9/17 = 1,876, tức là D = 0,6524. 35Bài giảng 4Bộ dò điểm công suất cực đại36Bài giảng 4Đặc tính I-V theo giờ37Bài giảng 4Đặc tính I-V theo giờ38Bài giảng 4Năng lượng cung cấp cho tải trong ngày39Bài giảng 4