Năng lượng, đặc biệt là điện năng, có vai trò cốt lõi trong việc duy trì và nâng cao chất

Năng lượng, đặc biệt là điện năng, có vai trò cốt lõi trong việc duy trì và nâng cao chất lượng cuộc sống. Trong bối cảnh các nguồn tài nguyên truyền thống đang dần cạn kiệt, việc chuyển hướng sang khai thác các nguồn năng lượng tái tạo như Mặt Trời, gió, thủy điện, nhiệt điện và sinh khối đang trở thành ưu tiên hàng đầu.

Điện năng lượng Mặt Trời là một nguồn năng lượng sạch, có thể sử dụng lâu dài và hoàn toàn miễn phí. Do đó, việc ứng dụng pin năng lượng Mặt Trời là một giải pháp thiết thực giúp tiết kiệm điện, giảm thiểu chi phí và góp phần bảo vệ môi trường sinh thái.

Pin Mặt Trời (hay còn gọi là pin quang điện) là thiết bị chuyển đổi trực tiếp năng lượng ánh sáng (quang năng) thành điện năng. Về cấu tạo, pin bao gồm một lớp bán dẫn loại n kết hợp với một lớp bán dẫn loại p đặt phía trên. Bao phủ trên cùng là một lớp kim loại rất mỏng, có tính trong suốt để ánh sáng dễ dàng đi qua, và dưới cùng là một đế kim loại. Hai lớp kim loại này hoạt động như các điện cực. Ranh giới giữa hai lớp bán dẫn hình thành nên lớp chuyển tiếp p - n. Khi ánh sáng có bước sóng ngắn hơn giới hạn quang điện chiếu vào, nó xuyên qua lớp kim loại mỏng trên cùng và lớp bán dẫn loại p để tiến tới lớp tiếp xúc p - n. Tại đây, ánh sáng gây ra hiện tượng quang điện trong, giải phóng các cặp electron và lỗ trống. Điện trường tại lớp chuyển tiếp p - n sẽ đẩy lỗ trống về phía bán dẫn loại p và đẩy electron về phía bán dẫn loại n. Kết quả là lớp kim loại mỏng phía trên tích điện dương (trở thành cực dương của pin), trong khi đế kim loại phía dưới tích điện âm (trở thành cực âm).

Ngày nay, pin Mặt Trời đã trở thành nguồn cung cấp điện năng quan trọng cho các khu vực vùng sâu vùng xa, cũng như cấp nguồn cho vệ tinh nhân tạo, tàu vũ trụ, máy tính bỏ túi,...

Trả lời cho các câu 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 dưới đây:

Câu hỏi số 1:

Thông hiểu

Pin quang điện là nguồn điện hoạt động dựa trên hiện tượng

A. quang điện trong

B. giao thoa ánh sáng

C. quang điện ngoài

D. tán sắc ánh sáng

Đáp án đúng là: A

Xem lời giải

Câu hỏi:979317

Phương pháp giải

Đọc kĩ thông tin về nguyên lí hoạt động của pin Mặt Trời trong đoạn văn thứ 3.

Giải chi tiết

Theo thông tin trong bài đọc: "Khi chiếu ánh sáng... rồi đến lớp chuyển tiếp p – n, gây ra hiện tượng quang điện trong...". Do đó, pin quang điện hoạt động dựa trên hiện tượng quang điện trong.

Đáp án cần chọn là: A

Câu hỏi số 2:

Vận dụng

Người ta muốn xây dựng một trung tâm điện Mặt Trời. Biết rằng cứ $1\text{m}^{2}$ bề mặt pin nhận được công suất trung bình là $4000\text{W}$. Nếu hiệu suất của các pin Mặt Trời được sử dụng là 10% thì để nhận được công suất $1000\text{MW}$ thì bề mặt tổng cộng cần có diện tích là:

A. $50.10^{6}\text{m}^{2}$

B. $25.10^{6}\text{m}^{2}$

C. $2,5.10^{6}\text{m}^{2}$

D. $12,5.10^{6}\text{m}^{2}$

Đáp án đúng là: C

Xem lời giải

Câu hỏi:979318

Phương pháp giải

Sử dụng công thức tính hiệu suất: $H = \dfrac{P_{out}}{P_{in}}$

Trong đó công suất toàn phần mà bức xạ đập vào bề mặt pin là: $P_{in} = p \cdot S$ (với $p$ là công suất bức xạ trên $1\text{m}^{2}$).

Giải chi tiết

Đổi công suất đầu ra cần thiết: $P_{out} = 1000\text{~MW} = 10^{9}\text{W}$.

Công suất bức xạ Mặt Trời tổng cộng cần chiếu vào hệ thống pin là:

$P_{in} = \dfrac{P_{out}}{H} = \dfrac{10^{9}}{0,1} = 10^{10}\text{(W)}$

Diện tích bề mặt tổng cộng cần thiết của trung tâm điện Mặt Trời là:

$S = \dfrac{P_{in}}{p} = \dfrac{10^{10}}{4000} = 2,5 \cdot 10^{6}\text{(m}^{2})$

Đáp án cần chọn là: C

Câu hỏi số 3:

Vận dụng

Một bộ pin Mặt Trời có diện tích bề mặt là $4\text{m}^{2}$. Tỉ lệ sự chuyển hóa năng lượng điện là 12%. Bộ pin này được đặt ở nơi có sự bức xạ Mặt Trời trung bình là $1\text{kJ/m}^{2}$ trong mỗi giây. Tính năng lượng điện cung cấp hằng ngày với thời gian chiếu sáng trung bình của Mặt Trời là 12 giờ.

A. $5184\text{kJ}$.

B. $43200\text{kJ}$.

C. $172800\text{kJ}$.

D. $20736\text{kJ}$.

Đáp án đúng là: D

Xem lời giải

Câu hỏi:979319

Phương pháp giải

Xác định công suất bức xạ chiếu tới toàn bộ diện tích tấm pin.

Tính công suất điện năng tạo ra (công suất có ích) dựa vào hiệu suất chuyển hóa.

Áp dụng công thức tính năng lượng: $E = P \cdot t$.

Giải chi tiết

Bức xạ $1\text{kJ/m}^{2}$ trong mỗi giây tương đương với công suất bức xạ trên $1\text{m}^{2}$ là $1\text{kW/m}^{2}$.

Công suất bức xạ Mặt Trời đập vào toàn bộ diện tích $4\text{m}^{2}$ là:

$P_{in} = 1\text{kW/m}^{2}.4\text{m}^{2} = 4\text{kW}$

Công suất điện năng mà tấm pin cung cấp được là:

$P_{out} = P_{in} \cdot H = 4 \cdot 0,12 = 0,48\text{(kW)} = 480\text{(W)} = 0,48\text{(kJ/s)}$

Đổi thời gian chiếu sáng trong ngày ra giây:

$t = 12h = 12.3600 = 43200\text{(s)}$

Năng lượng điện cung cấp hằng ngày là:

$E = P_{out}.t = 0,48.43200 = 20736\text{(kJ)}$

Đáp án cần chọn là: D

Câu hỏi số 4:

Vận dụng

Đọc lại cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của pin Mặt Trời trong đoạn văn bản trên. Các phát biểu sau đây là đúng hay sai?

	Đúng	Sai
a) Pin quang điện là một thiết bị có khả năng biến đổi trực tiếp quang năng thành điện năng.
b) Hiện tượng quang điện xảy ra ở lớp chuyển tiếp p - n trong pin Mặt Trời là hiện tượng quang điện ngoài.
c) Trong quá trình hoạt động, lớp kim loại mỏng ở phía trên của pin tích điện dương và đóng vai trò là cực dương.
d) Để pin hoạt động, ánh sáng kích thích chiếu vào pin phải có bước sóng lớn hơn giới hạn quang điện của chất bán dẫn làm pin.

Đáp án đúng là: Đ; S; Đ; S

Xem lời giải

Câu hỏi:979320

Phương pháp giải

Phân tích từng phát biểu dựa trên nội dung bài đọc và kiến thức Vật lí cơ bản về hiện tượng quang điện.

Giải chi tiết

a) Đúng. Bài đọc nêu rõ: "Pin Mặt Trời (còn gọi là pin quang điện) là nguồn điện trong đó quang năng được biến đổi trực tiếp thành điện năng."

b) Sai. Theo đoạn thứ 3 của bài, ánh sáng đi đến lớp chuyển tiếp p - n và "gây ra hiện tượng quang điện trong", không phải quang điện ngoài.

c) Đúng. Dưới tác dụng của điện trường tại lớp chuyển tiếp p - n, các lỗ trống bị đẩy về phía bán dẫn loại p, làm cho "lớp kim loại mỏng ở trên sẽ nhiễm điện dương và trở thành điện cực dương của pin".

d) Sai. Điều kiện để xảy ra hiện tượng quang điện (cả quang điện ngoài và quang điện trong) là ánh sáng kích thích phải có bước sóng ngắn hơn hoặc bằng giới hạn quang điện ($\lambda \leq \lambda_{0}$). Bài đọc cũng ghi rõ: "Khi chiếu ánh sáng có bước sóng ngắn hơn giới hạn quang điện...".

Đáp án cần chọn là: Đ; S; Đ; S

Câu hỏi số 5:

Vận dụng

Một gia đình lắp đặt hệ thống pin Mặt Trời trên mái nhà với tổng diện tích $20\text{m}^{2}$. Biết bức xạ Mặt Trời chiếu vào tấm pin có công suất trung bình là $1000\text{W/m}^{2}$ và hiệu suất chuyển đổi thành điện năng của toàn hệ thống là 15%. Bỏ qua các hao phí khác, tính năng lượng điện (tính theo đơn vị $\text{kWh}$) mà hệ thống này cung cấp được trong 1 ngày, giả sử thời gian chiếu sáng trung bình trong ngày là 5 giờ.

Đáp án:

Đáp án đúng là: 15

Xem lời giải

Câu hỏi:979321

Phương pháp giải

Công suất bức xạ tổng cộng: $P_{in} = p \cdot S$

Công suất điện đầu ra: $P_{out} = H \cdot P_{in}$

Năng lượng điện tạo ra: $E = P_{out} \cdot t$ (lưu ý đơn vị chuẩn để ra $\text{kWh}$).

Giải chi tiết

Công suất bức xạ Mặt Trời đập vào toàn bộ diện tích $20\text{m}^{2}$ của hệ thống pin là:

$P_{in} = 1000\text{~W/m}^{2} \cdot 20\text{m}^{2} = 20000\text{(W)} = 20\text{(kW)}$

Công suất điện mà hệ thống tạo ra được là:

$P_{out} = H \cdot P_{in} = 0,15 \cdot 20 = 3\text{(kW)}$

Năng lượng điện cung cấp được trong 1 ngày với thời gian 5 giờ chiếu sáng là:

$E = P_{out}.t = 3\text{~kW}.5\text{h} = 15\text{(kWh)}$

Đáp án cần điền là: 15

Câu hỏi số 6:

Vận dụng

Một tấm pin Mặt Trời có diện tích bề mặt là $2\text{m}^{2}$. Ánh sáng chiếu vào tấm pin có bước sóng trung bình là $0,5\mu\text{m}$ với cường độ bức xạ (công suất bức xạ trên một đơn vị diện tích) là $800\text{W/m}^{2}$. Giả sử cứ 100 photon đập vào tấm pin thì tạo ra được 15 electron dẫn. Lấy $h = 6,625 \cdot 10^{- 34}\text{J}\text{.s}$, $c = 3 \cdot 10^{8}\text{m~/s}$ và $\left| e \middle| = 1,6 \cdot 10^{- 19}\text{C} \right.$. Cường độ dòng điện cực đại (dòng điện bão hòa) mà tấm pin này có thể cung cấp xấp xỉ bằng:

A. $96,6\text{A}$.

B. $48,3\text{A}$.

C. $193,2\text{A}$.

D. $24,1\text{A}$.

Đáp án đúng là: A

Xem lời giải

Câu hỏi:979322

Phương pháp giải

Tính công suất bức xạ: $P_{in} = I \cdot S$.

Tính năng lượng của một photon: $\varepsilon = \dfrac{hc}{\lambda}$.

Tính số photon chiếu tới pin trong 1 giây: $N_{p} = \dfrac{P_{in}}{\varepsilon}$.

Tính số electron bật ra thành electron dẫn trong 1 giây dựa vào hiệu suất lượng tử: $N_{e} = H \cdot N_{p}$.

Cường độ dòng điện cực đại: $\left. I_{max} = N_{e} \cdot \middle| e \right|$.

Giải chi tiết

Công suất bức xạ toàn phần đập vào bề mặt tấm pin là:

$P_{in} = 800 \cdot 2 = 1600\text{(W)}$

Năng lượng của một photon ánh sáng kích thích là:

$\varepsilon = \dfrac{hc}{\lambda} = \dfrac{6,625 \cdot 10^{- 34} \cdot 3 \cdot 10^{8}}{0,5 \cdot 10^{- 6}} = 3,975 \cdot 10^{- 19}\text{(J)}$

Số photon đập vào bề mặt tấm pin trong thời gian 1 giây là:

$N_{p} = \dfrac{P_{in}}{\varepsilon} = \dfrac{1600}{3,975 \cdot 10^{- 19}} \approx 4,025 \cdot 10^{21}$ hạt

Vì cứ 100 photon thì tạo ra 15 electron dẫn (hiệu suất lượng tử 15%), số electron sinh ra trong 1 giây là:

$N_{e} = 0,15 \cdot N_{p} = 0,15 \cdot 4,025 \cdot 10^{21} = 6,0375 \cdot 10^{20}$ hạt

Cường độ dòng điện cực đại mà tấm pin có thể cung cấp là dòng điện do toàn bộ lượng electron này tạo nên:

$\left. I_{max} = N_{e} \cdot \middle| e \middle| = 6,0375 \cdot 10^{20} \cdot 1,6 \cdot 10^{- 19} \approx 96,6\text{(A)} \right.$

Đáp án cần chọn là: A

Câu hỏi số 7:

Vận dụng

Để thắp sáng một bóng đèn LED có ghi 12V - 12W, người ta dùng một bộ pin Mặt Trời gồm nhiều tấm pin giống nhau ghép nối tiếp. Mỗi tấm pin Mặt Trời khi được chiếu sáng ở điều kiện tiêu chuẩn sẽ tạo ra một suất điện động là $0,6\text{~V}$ và có điện trở trong là $0,1\ \Omega$. Giả sử cường độ bức xạ Mặt Trời là không đổi và điện trở của đèn không phụ thuộc nhiệt độ. Để bóng đèn LED sáng bình thường thì số tấm pin Mặt Trời cần phải ghép nối tiếp là:

A. 24 tấm.

B. 20 tấm.

C. 30 tấm.

D. 12 tấm.

Đáp án đúng là: A

Xem lời giải

Câu hỏi:979323

Phương pháp giải

Tính cường độ dòng điện định mức và điện trở của bóng đèn: $I_{dm} = \dfrac{P}{U}$, $R_{d} = \dfrac{U^{2}}{P}$.

Sử dụng công thức bộ nguồn ghép nối tiếp gồm $n$ nguồn giống nhau: $E_{b} = n \cdot E$ và $r_{b} = n \cdot r$.

Áp dụng định luật Ôm cho toàn mạch $I = \dfrac{E_{b}}{R_{d} + r_{b}}$.

Để đèn sáng bình thường thì $I = I_{dm}$.

Giải chi tiết

Cường độ dòng điện định mức để đèn sáng bình thường là:

$I_{dm} = \dfrac{12}{12} = 1\text{(A)}$

Điện trở của bóng đèn LED là:

$R_{d} = \dfrac{12^{2}}{12} = 12\text{(}\Omega\text{)}$

Giả sử bộ nguồn gồm $n$ tấm pin ghép nối tiếp, khi đó suất điện động và điện trở trong của bộ nguồn là:

$E_{b} = n \cdot 0,6\text{(V)}$

$r_{b} = n \cdot 0,1\text{(}\Omega\text{)}$

Định luật Ôm cho toàn mạch, để đèn sáng bình thường ta có:

$\left. I = I_{dm}\Leftrightarrow\dfrac{E_{b}}{R_{d} + r_{b}} = 1 \right.$

$\left. \Leftrightarrow\dfrac{0,6n}{12 + 0,1n} = 1 \right.$

$\left. \Leftrightarrow 0,6n = 12 + 0,1n \right.$

$\left. \Leftrightarrow 0,5n = 12 \right.$

$\left. \Rightarrow n = 24 \right.$

Vậy cần ghép nối tiếp 24 tấm pin.

Đáp án cần chọn là: A

Quảng cáo

Group 2K8 ôn Thi ĐGNL & ĐGTD Miễn Phí

Câu hỏi trước Câu tiếp theo

>> 2K9 Chú ý! Lộ Trình Sun 2027 - 1 lộ trình ôn đa kỳ thi (TN THPT, ĐGNL (Hà Nội/ Hồ Chí Minh), ĐGNL Sư Phạm, ĐGTD, ĐGNL Bộ Công an, ĐGNL Bộ Quốc phòng- Click xem ngay) tại Tuyensinh247.com. Cập nhật bám sát bộ SGK mới, Thầy Cô giáo giỏi, 3 bước chi tiết: Nền tảng lớp 12; Luyện thi chuyên sâu; Luyện đề đủ dạng đáp ứng mọi kì thi.