Luận văn Thiết kế bộ nạp acquy từ pin mặt trời và giám sát tải (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Thiết kế bộ nạp acquy từ pin mặt trời và giám sát tải (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ THIẾT KẾ BỘ NẠP ACQUY TỪ PIN MẶT TRỜI VÀ GIÁM SÁT TẢI GVHD: Th.S NGUYỄN ĐÌNH PHÚ SVTH: NGÔ VĂN KHÁNH MSSV: 09901032 SVTH: LÊ NGỌC KHOA MSSV: 09901033 S K L 0 0 4 2 3 8 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 1/2016
2. BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ-CÔNG NGHIỆP ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ NẠP ACQUY TỪ PIN MẶT TRỜI VÀ GIÁM SÁT TẢI GVHD: Th.S NGUYỄN ĐÌNH PHÚ SVTH1: NGÔ VĂN KHÁNH MSSV: 09901032 SVTH2: LÊ NGỌC KHOA MSSV: 09901033 Lớp: 099011A Tp. Hồ Chí Minh - 1/2016
3. TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TP. HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ Tp. HCM, ngày 10 tháng 1 năm 2016 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Ngô Văn Khánh MSSV: 09901032 Lê Ngọc Khoa MSSV: 09901033 Chuyên ngành: Sư Phạm Điện - Điện tử Hệ đào tạo: Đại học chính quy Khóa: 2009 Lớp: 099011A I. TÊNĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ NẠP ACQUY TỪ PIN MẶT TRỜI VÀ GIÁM SÁT TẢI II. NHIỆM VỤ 1. Các số liệu ban đầu: 2. Nội dung thực hiện: III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 10/10/2015 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 10/01/2016 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Ths. Nguyễn Đình Phú CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP ii
4. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT TPHCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Khoa Điện - Điện Tử Độc lập - Tự do - Hạnh phúc Bộ Môn Điện Tử Công Nghiệp Tp. HồChí Minh, ngày tháng năm 2016 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Lớp: MSSV: Họ tên sinh viên 2: Lớp: MSSV: Tên đề tài: Xác nhận Tuần/ngày Nội dung GVHD GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) iii
5. LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong bộ môn Điện Tử Công Nghiệp đã trang bị cho em kiến thức và giúp đỡ em giải quyết những khó khăn trong quá trình làm đồ án. Đặt biệt em xin chân thành cảm ơn Thầy hướng dẫn, Th.S Nguyễn Đình Phú đã tận tình giúp đỡ trong quá trình lựa chọn đề tài và hỗ trợ em trong quá trình thực hiện. Người thực hiện đề tài Ngô Văn Khánh Lê Ngọc Khoa v
6. MỤC LỤC Trang bìa i Nhiệm vụ đồ án ii Lịch trình iii Cam đoan iv Lời cảm ơn v Mục lục vi Liệt kê hình vẽ ix Liệt kê bảng xi Tóm tắt xii CHƯƠNG 1. DẪN NHẬP 1 1.1. Đặt vấn đề 1 1.2. Lý do chọn đề tài 1 1.3. Nội dung nghiên cứu 2 1.4. Giới hạn 2 1.5. Bố cục đề tài 2 CHƯƠNG 2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4 2.1. Pin mặt trời 4 2.1.1. Cấu tạo pin mặt trời 5 2.1.2. Nguyên lý hoạt động của tấm pin mặt trời 7 2.1.3. Đặc tính làm việc của pin mặt trời 10 2.1.3.1. Dòng qua diode 11 2.1.3.2. Dòng ngắn mạch ISC 11 2.1.3.3. Điện áp hở mạch VOC 13 2.1.3.4. Điểm công suất cực đại 14 2.2. Acquy 17 2.2.1. Giới thiệu về Acquy 17 2.2.2. Các phương pháp phóng nạp Acquy 18
7. 2.2.2.1. Phóng điện Acquy 18 2.2.2.2. Các phương pháp nạp Acquy 19 2.3. LCD 20 2.4. IC cảm biến dòng ACS712 22 2.5. Board Arduino Mega 2560 23 2.5.1. Giới thiệu chung về Arduino 23 2.5.2. Giới thiệu về board Arduino Mega 2560 24 2.6. Động cơ bước 25 2.6.1. Đặc điểm chung 25 2.6.2.Phân loại động cơ bước 25 2.6.3. Nguyên lý hoạt động của động cơ bước 26 CHƯƠNG 3.THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ – ĐIỆN TỬ 30 3.1. Yêu cầu điều khiển 30 3.2. Sơ đồ khối hệ thống 31 3.3. Thiết kế chế tạo kết cấu cơ khí cho hệ thống 31 3.4. Thiết kế mạch điều khiển và mạch công suất 35 3.4.1. Mạch đo điện áp 35 3.4.2. Mạch đo dòng điện 36 3.4.3. Mạch hướng ánh sáng 37 3.4.4. Mạch điều khiển và hiển thị 38 3.4.5. Mạch driver điều khiển động cơ bước 39 3.4.6. Mạch nạp Cuk converter 40 3.4.7. Mạch nghịch lưu một pha 41 CHƯƠNG 4.LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN 43 4.1. Yêu cầu điều khiển 43 4.2. Lưu đồ điều khiển 44 CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU. 48 CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN. 49 vii
8. 6.1. Kết luận 49 6.2. Hướng phát triển 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHU LỤC viii
9. LIỆT KÊ HÌNH VẼ Hình Trang Hình 2.1: Tồn tại điện trường giữa hai lớp tiếp giáp P-N 4 Hình 2.2: Cấu tạo tổng thể pin mặt trời 5 Hình 2.3: Các loại cấu trúc tinh thể pin mặt trời 6 Hình 2.4: Quá trình tạo một Panel pin mặt trời 6 Hình 2.5: Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 7 Hình 2.6: Hệ thống 2 mức năng lượng E1 < E2 7 Hình 2.7 Các vùng năng lượng 8 Hình 2.8: Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 9 Hình 2.9: Đồ thị biểu diễn đặc tính làm việcA – V của pin mặt trời 10 Hình 2.10: Sơ đồ tương đương của pin mặt trời 11 Hình 2.11: Sơ đồ tương đương đơn giản của pin mặt trời 12 Hình 2.12: Dòng ngắn mạch ISC 12 Hình 2.13: Điện áp hở mạch VOC 13 Hình 2.14: Đồ thị điện áp hở mạch VOC và ISC 14 Hình 2.15: Pin mặt trời khi ngắn mạch, hở mạch và gắn với tải 14 Hình 2.16: Đồ thị V – A – P của pin mặt trời 15 Hình 2.17: Xác định điểm MPP của pin mặt trời 15 Hình 2.18: Ghép 2 tấm pin song song với nhau và đặc tuyến U-I 16 Hình 2.19: Ghép 2 tấm pin nối tiếp với nhau và đặc tuyến U-I 16 Hình 2.20: Cấu tạo Acquy chì 17 Hình 2.21: Sơ đồ chân của LCD 20 Hình 2.22: Sơ đồ chân ACS712 21 Hình 2.23: Sơ đồ kết nối ACS712 23 Hình 2.24: Board Arduino Mega 2560 24 Hình 2.25: Cấu tạo động cơ bước đơn cực 27 Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống 31 Hình 3.2: Chuyển động quay của 2 trục tọa độ 32 Hình 3.3: Mô hình cơ khí - điên tử sau khi lắp ráp 34 Hình 3.4: Giới thiệu về phần cứng 35 ix
10. Hình 3.5: Sơ đồ mạch đo điện áp 35 Hình 3.6: Sơ đồ mạch đo dòng điện 36 Hình 3.7: Sơ đồ mạch hướng ánh sáng 37 Hình 3.8: Sơ đồ mạch điều khiển và hiển thị 38 Hình 3.9: Sơ đồ mạch driver điều khiển động cơ bước 39 Hình 3.10: Sơ đồ mạch Cuk converter 40 Hình 3.11: Sơ đồ mạch nghịch lưu một pha 41 Hình 4.1: Lưu đồ giải thuật 42 ii
11. LIỆT KÊ BẢNG Bảng Trang Bảng 2.1: Trị số tỷ trọng chất điện phân của Acquy 18 Bảng 2.2: Chức năng các chân của LCD 21 Bảng 2.3: Cách điều khiển các cực của động cơ bước chế độ bước đủ (Full-Step) 28 Bảng 2.4: Cách điều khiển các cực của động cơ bước chế độ nửa bước (Half-Step) 29 Bảng 5.1: Bảng giá trị thực tế đo được của mô hình 45 xi
12. TÓM TẮT Ngày nay, con người không ngừng khai thác các nguồn tài nguyên để phục vụ đời sống cũng như sản xuất, làm cho các nguồn nhiên liệu như than đá, dầu mỏ, khí đốt cạn kiệt dần. Việc tìm kiếm nguồn năng lượng mới như năng lượng mặt trời, gió, hạt nhân là rất cần thiết. Với một đất nước đang trên đà phát triển như nước ta thì việc khai thác các nguồn năng lượng mới để giảm sự phụ thuộc vào các nguồn năng lượng truyền thống cũng đang được áp dụng. Năng lượng mặt trời được coi là nguồn năng lượng sạch và dồi dào. Tuy nhiên, việc sử dụng triệt để nguồn năng lượng mặt trời này đã không được chú trọng. Đa số các tấm pin mặt trời được lắp đặt cố định làm giảm hiệu suất của tấm pin. Vì vậy, nhóm đã chọn đề tài: “THIẾT KẾ BỘ NẠP ACQUY TỪ PIN MẶT TRỜI VÀ GIÁM SÁT TẢI”. Đề tài sử dụng board Arduino Mega 2560 để điều khiển, dùng động cơ bước để quay tấm pin vuông góc với mặt trời, nạp cho acquy bằng mạch Cuk converter, có thể cấp nguồn cho tải AC với công suất < 40W, hiển thị năng lượng của acquy và dòng tải trên LCD. xii
13. THIẾT KẾ BỘ NẠP ACQUY TỪ PIN MẶT TRỜI VÀ GIÁM SÁT TẢI 2016 Chương 1 DẪN NHẬP 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ Năng lƣợng tái tạo, trong đó có năng lƣợng mặt trời đã và đang đƣợc cả thế giới quantâm nghiên cứu và sử dụng. Trên thế giới, các nƣớc phát triển đã có rất nhiều ứng dụng trongđời sống và trong công nghiệp để thu đƣợc các nguồn năng lƣợng này. Với ƣu điểm là sẵn có,dồi dào, là nguồn năng lƣợng sạch, thân thiện với môi trƣờng, năng lƣợng mặt trời đang là giảipháp thay thế cho các nguồn năng lƣợng khác đang ngày cạn kiệt trên Trái Đất. Tại các nƣớcđang phát triển, trong đó có Việt Nam việc sử dụng năng lƣợng mặt trời đã đƣợc quan tâm vàkhích lệ, tuy nhiên những ứng dụng còn rất hạn chế. 1.2. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Nhu cầu về năng lƣợng của con ngƣời trong thời đại khoa học kỹ thuật phát triển ngàycàng tăng. Trong khi đó các nguồn nhiên liệu dự trữ nhƣ than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên vàthủy điện đều có hạn, khiến cho nhân loại đứng trƣớc nguy cơ thiếu hụt năng lƣợng. Con ngƣờicần tìm ra các nguồn năng lƣợng mới. Cùng với nănglƣợng gió, thủy triều, năng lƣợng mặttrời là hƣớng phát triển năng lƣợng quan trọng trong tƣơng lai. Hiện nay hệ thống pin mặt trời thƣờng đƣợc lắp cố định, do đó pin chỉ đạt hiệu suất lớnnhất khi ánh sáng mặt trời vuông góc với mặt phẳng của tấm pin. Các vùng khác, hiệu suất củatấm pin mặt trời sẽ giảm. Để nâng cao hiệu suất của pin mặt trời, cần một hệ thống cảm biếnxác định hƣớng chiếu của ánh sáng mặt trời, từ đó điều khiển cho mặt phẳng của tấm pinhƣớng vuông góc với ánh sáng mặt trời. Với mong muốn đƣa những ứng dụng sử dụng năng lƣợng mặt trời ở Việt Nam đƣợcphổ biến và phát triển hơn nữa, đem những kiến thức đã học đƣợc áp dụng vào thực CHƢƠNG 1 : DẪN NHẬP 1
14. THIẾT KẾ BỘ NẠP ACQUY TỪ PIN MẶT TRỜI VÀ GIÁM SÁT TẢI 2016 tế sảnxuất, vì vậy nhóm sinh viên chúng em đã thực hiện đề tài:“ THIẾT KẾ BỘ NẠP ACQUY TỪ PIN MẶT TRỜI VÀ GIÁM SÁT TẢI” . 1.3. NỘ DUNG NGHIÊN CỨU Sản phẩm làm ra là sự kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và triển khai thực tế trên cơ sởlàm việc theo nhóm. Đề tài là sự kết hợp giữa cơ khí- điện tử, thiết kế kết cấu cơ khí,chọn động cơ và thiết kế chế tạo mạch điều khiển. Với mục tiêu thiết kế và chế tạo hệ thốngnạpacquytừ pin mặt trời vàgiámsáttảinhƣng do điều kiện thời gian,kinh phí có hạn đề tài chỉ giới hạn trong phạm vi sau:  Mô hình hóa hệ thống định hƣớng pin mặt trời dùng cho học tập và nghiên cứu  Động cơ dẫn động cơ khí là động cơ bƣớc.  Mạchnạpnạpchoacquy 4Ah. 1.4. GIỚI HẠN Nângcaohiệusuấtchuyểnđổicủatấm pin thông qua việcđiềukhiểnvịtrítấm pin. Tảigiámsátlàtải DC. Hiểnthịmứcnănglƣợngcủaacquyvàdòngtảitrên LCD. 1.5. BỐ CỤC ĐỀ TÀI - Chương 1:Dẫnnhập Trìnhbàylý do chọnđềtài, yêucầucủađềtài,so sánhvớimộtsốđềtàitƣơngtựtrƣớcđây, ngƣờiđọcsẽhiểuthêmvềnhiệmvụcủađềtài, giớihạnmànhómlàmcũngnhƣphƣơngphápthựchiệnvàtiếpcậnvềkiếnthứcvàkỹthuậthiện nay . - Chương2:Cơsởlýthuyết Cấutạo, nguyênlýlàmviệcvàđặctínhcủa pin mặttrời ,Nguyênlýlàmviệccủađộngcơbƣớc , board Arduino Mega 2560. - Chương 3:Thiếtkếchếtạohệthốngcơkhí – điệntử CHƢƠNG 1 : DẪN NHẬP 2
15. THIẾT KẾ BỘ NẠP ACQUY TỪ PIN MẶT TRỜI VÀ GIÁM SÁT TẢI 2016 Cấutạo, nguyênlý, cácthànhphầncủahệthốngnạpacquytừ pin mặttrờicủanhómsẽđƣợcnóirõ.Từ ý tƣởngbắtđầuvềphầncứng, chƣơngtrìnhđiềukhiểntớikhihoànthànhmôhình. - Chương 4:Lưuđồgiảithuậtđiềukhiển Trìnhbàylƣuđồgiảithuậtđiềukhiểncủahệthống. - Chương 5:Kếtquảnghiêncứu Trìnhbàykếtquảquátrìnhnhómnghiêncứuvàthicônghệthống, - Chương 6:Kếtluậnvàhướngpháttriển Trìnhbàynhữnggìđãđạtđƣợcvànhữnghạnchếcủađềtàivànêurahƣớngpháttriển. CHƢƠNG 1 : DẪN NHẬP 3
16. THIẾT KẾ BỘ NẠP ACQUY TỪ PIN MẶT TRỜI VÀ GIÁM SÁT TẢI 2016 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Pin Mặt Trời Pin mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện), là thiết bị bán dẫn chứa một số lƣợng lớn các diode p-n, đặt dƣới sự chiếu sáng của mặt trời có thể tạo ra dòng điện sử dụng đƣợc. Loại pin mặt trời thông dụng nhất hiện nay là loại sử dụng Silic tinh thể. Tinh thể Silic tinh khiết là chất bán dẫn điện rất kém vì các điện tử bị giam giữ bởi liên kết mạng, không có điện tử tự do. Khi chiếu ánh sáng vào pin quang điện một phần sẽ bị phản xạ (do đó trên bề mặt pin quang điện có một lớp chống phản xạ ) và một phần bị hấp thụ khi truyền qua lớp N. Một phần may mắn hơn đến đƣợc lớp chuyển tiếp, nơi có các cặp e và lỗ trống nằm trong điện trƣờng của bề mặt giới hạn p-n. Với các bƣớc sóng thích hợp sẽ truyền cho e một năng lƣợng đủ lớn để bật khỏi liên kết. Sẽ không thể có chuyện gì nếu không có điện trƣờng nhỏ tạo bởi lớp chuyển tiếp. Đó là lí do giải thích vì sao nếu ta chiếu ánh sáng vào một vật bán dẫn thì không thể sinh ra dòng điện. Bán dẫn loại N Bán dẫn loại P Hình 2.1 Tồn tại điện trường giữa hai lớp tiếp giáp P-N Những cặp e và lỗ trống này nằm trong tác dụng của điện trƣờng do đó e sẽ bị kéo về phía bán dẫn loại n còn lỗ trống bị kéo về phía bán dẫn loại p. Kết quả là nếu ta nối hai cực vào hai phần bán dẫn loại n và p sẽ đo đƣợc một hiệu điện thế. Giá trị hiệu điện thế CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4
17. THIẾT KẾ BỘ NẠP ACQUY TỪ PIN MẶT TRỜI VÀ GIÁM SÁT TẢI 2016 này phụ thuộc vào bản chất của chất làm bán dẫn và tạp chấp đƣợc hấp phụ . Với Si ( B;P) thì giá trị này ở khoảng 0,6V. 2.1.1 Cấu tạo pin mặt trời Cấu tạo của pin mặt trời là một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n, có khả năng biến đổi trực tiếp năng lƣợng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên trong. Cấu tạo tổng thể của pin mặt trời đƣợc trình bày trong hình sau: Hình 2.2 Cấu tạo tổng thể pin mặt trời Một tấm pin mặt trời điển hình có những thành phần chính sau đây: 2 điện cực, lớp chống phản quang, lớp bán dẫn loại n, lớp bán dẫn loại p. Pin mặt trời từ tinh thể Silic chia làm 3 loại: + Một tinh thể hay đơn tinh thể module: đƣợc sản xuất dựa trên quá trình Czochralski. Pin mặt trời loại này có thể đạt hiệu suất 11% - 16%, giá thành rất cao do chúng đƣợc cắt từ những thỏi hình ống, các tấm đơn tinh thể này có mặt trống ở góc nối các module. CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5
18. THIẾT KẾ BỘ NẠP ACQUY TỪ PIN MẶT TRỜI VÀ GIÁM SÁT TẢI 2016 + Đa tinh thể: đƣợc làm từ các thỏi đúc bằng Silic nung chảy cẩn thận đƣợc làm nguội và làm rắn. Các pin loại này thƣờng rẻ hơn so với pin loại đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn, nó chỉ đạt 8% - 11%. Nhƣng chúng có thể tạo thành các tấm vuông có độ che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể, bù lại cho hiệu suất thấp của nó. + Dãi Silic: cấu tạo từ các miếng phim Silic mỏng nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể. Loại này có hiệu suất thấp nhất khoảng 3% - 6%, nhƣng lại có giá thành rẻ nhất. Hình 2.3 Các loại cấu trúc tinh thể pin mặt trời Quá trình chế tạo một tấm pin năng lƣợng mặt trời nhƣ hình sau: Hình 2.4 Quá trình tạo một Panel pin mặt trời CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6
19. THIẾT KẾ BỘ NẠP ACQUY TỪ PIN MẶT TRỜI VÀ GIÁM SÁT TẢI 2016 Hình 2.5 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 2.1.2 Nguyên lý hoạt động của tấm pin mặt trời Hình 2.6 Hệ thống 2 mức năng lượng E1 < E2. CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 7
20. THIẾT KẾ BỘ NẠP ACQUY TỪ PIN MẶT TRỜI VÀ GIÁM SÁT TẢI 2016 Bình thƣờng điện tử chiếm mức năng lƣợng thấp E1. Khi đƣợc năng lƣợng mặt trời chiếu sáng, các lƣợng tử ánh sáng mang năng lƣợng (photon) bị điện tử hấp thụ và chuyển lên mức năng lƣợng E2. Phƣơng trình cân bằng: hv = E2 - E1 (2.1) Trong đó: h: hằng số plank v: vận tốc ánh sáng Trong các vật rắn, do lực tƣơng tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử ở vành ngoài, nên các năng lƣợng của nó bị tách ra nhiều mức năng lƣợng con rất sát nhau và tạo thành vùng năng lƣợng. Vùng năng lƣợng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi ở trạng thái cân bằng, gọi là vùng hóa trị mà bên trên của nó có mức năng lƣợng EV, vùng năng lƣợng phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn, bên dƣới của vùng có mức năng lƣợng EC, cách ly giữa vùng hóa trị và vùng dẫn là vùng cấm có độ rộng năng lƣợng Eg, trong đó không có mức năng lƣợng cho phép nào của điện tử. Khi ánh sáng chiếu đến cùng có mức năng lƣợng nói trên, photon có mức năng lƣợng hv tới hệ thống, bị điện tử của vùng hóa trị hấp thụ và nó có thể chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự do e-, lúc này vùng hóa trị sẽ có một lỗ trống có thể di chuyển nhƣ “hạt” mang điện tích dƣơng (kí hiệu là h+). Lỗ trống này có thể di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện. Hình 2.7 Các vùng năng lượng Phƣơng trình hiệu ứng lƣợng tử: eV + hv → e- + h+ (2.2) CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 8
21. THIẾT KẾ BỘ NẠP ACQUY TỪ PIN MẶT TRỜI VÀ GIÁM SÁT TẢI 2016 Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lƣợng của photon và chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử cà lỗ trống là: hv > Eg = EC – EV (2.3) - + Suy ra bƣớc sóng tới hạn λC của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e - h là: λC = hc/( EC – EV) (2.4) Vậy khi chiếu sáng vào vật rắn, điện tử ở vùng hóa trị hấp thụ năng lƣợng photon hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử - lỗ trống e- - h+ , tức là tạo ra một điện thế. Hiện tƣợng đó gọi là quang điện bên trong. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời chính là hiện tƣợng quang điện xảy ra trên lớp tiếp xúc p – n. Hình 2.8 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời Khi một photon chạm vào mảnh silic, một trong hai điều sẽ xảy ra: + Photon truyền trực tiếp xuyên qua mảnh silic. Điều này thƣờng xảy ra khi năng lƣợng của photon thấp hơn năng lƣợng cần thiết để đƣa các hạt electron lên mức năng lƣợng cao hơn. + Năng lƣợng của photon đƣợc hấp thụ bởi silic. Điều này thƣờng xảy ra khi năng lƣợng của photon lớn hơn năng lƣợng để đƣa electron lên mức năng lƣợng cao hơn. CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9