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

1Bài giảng 4
408004
Năng lượng tái tạo
Giảng viên: TS. Nguyễn Quang Nam
2013 – 2014, HK1
nqnam@hcmut.edu.vn
2Bài 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)
3Bài 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 µm – 1 
mm, như với CdTe, CuInSe2 và màng mỏng

 Vi tinh thể (microcrystalline): hạt có kích thước dưới 1 µm

 Không định hình: không có khu vực chứa đơn tinh thể.
4Bài 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.
5Bài 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.
6Bài 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.
SiHCl3 + H2 + nhiệt → Si + 3HCl
7Bài giảng 4
Kỹ thuật chế tạo điện cực
8Bài giảng 4
Kỹ thuật chế tạo điện cực
9Bài giảng 4
Kỹ thuật kéo tấm silic
10Bài giảng 4
Đúc silic đa tinh thể
11Bài giảng 4
Module silic đa tinh thể
12Bài 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 µm, 
trong khi tinh thể silic dày đến hàng trăm µm), 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.
13Bài giảng 4
Pin quang điện màng mỏng (thin-film)
14Bài giảng 4
Silic không định hình
15Bài giảng 4
Quy trình chế tạo silic không định hình
16Bài 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.
17Bài 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).
18Bài 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.
19Bài 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.
20Bài 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.
21Bài 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
22Bài giảng 4
Đặc tính tải của pin quang điện
Hệ thống pin quang điện độc lập, có máy phát dự phòng
23Bài giảng 4
Đặc tính I-V cho tải trở
IRV =
R
VI =hay
24Bài 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).
25Bài 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.
26Bài giảng 4
Đặc tính I-V cho tải động cơ DC
ωkIRV a +=
27Bài giảng 4
Đặc tính I-V cho tải động cơ DC
28Bài 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.
29Bài 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 VB do 
tồn tại nội trở Ri trong ắc-quy và dây dẫn.
IRVV iB +=
30Bài giảng 4
Đặc tính I-V cho tải ắc-quy
31Bài 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 Ω.
a) Điện áp của PV là bao nhiêu để nạp ắc-quy ở dòng điện 6 A?
b) 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: 
a) Khi nạp ắc-quy
b) Khi xả ắc-quy
V 88,11603,07,11 =×+=V
V 1,122003,07,12 =×−=V
32Bài giảng 4
Nạp ắc-quy với PV tự ổn định dòng
33Bài 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.
34Bài giảng 4
Bộ dò điểm công suất cực đại

 Giả 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 kỳ
D
D
V
V
i
o
−
−=
1
35Bài giảng 4
Ví dụ 9.2

 Module 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 Ω.
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. 
36Bài giảng 4
Bộ dò điểm công suất cực đại
37Bài giảng 4
Đặc tính I-V theo giờ
38Bài giảng 4
Đặc tính I-V theo giờ
39Bài giảng 4
Năng lượng cung cấp cho tải trong ngày