Pin năng lượng mặt trời là một trong những đột phá công nghệ thành công nhất hiện nay. Đây hứa hẹn là một công nghệ lý tưởng để thay thế nguồn năng lượng hóa thạch trong tương lai gần để đáp ứng nhu cầu điện trên toàn thế giới. Việc các nhiên liệu hóa thạch, khí đốt đang dần cạn kiệt vì khai thác quá mức làm mất cân bằng sinh thái cũng như gây ô nhiễm nguồn không khí bởi các quá trình đốt nhiên liệu tạo ra điện.
Mặt khác, công nghệ điện năng lượng mặt trời tận dụng nguồn năng lượng tái tạo vô hạn từ bức xạ mặt trời và quá trình tạo ra dòng điện không ảnh hưởng đến môi trường không khí. Ý thức về các vấn đề có thể xảy ra trong tương lại của người dân ngày càng được nâng cao, điều này thúc đẩy sự hình thành mạnh mẽ của các công ty sản xuất pin năng lượng mặt trời cũng như sự phát triển theo hướng tích cực của các công nghệ chế tạo pin năng lượng mặt trời.
Có thể bạn nghe nói rất nhiều về chúng hoặc thậm chí đang sở hữu một hệ thống năng lượng mặt trời phục vụ cho nhu cầu nhà mình, nhưng bạn đã biết tất cả về chúng chưa? – Nếu chưa hoặc muốn bổ sung thêm thông tin thì hãy cũng tôi tìm hiểu về pin năng lượng mặt trời một cách chi tiết qua bài viết này nhé!
Nội Dung Bài Viết
I. Pin năng lượng mặt trời là gì?
Khi nhắc đến hệ thống sản xuất điện mặt trời, hầu hết đều đặt ra câu hỏi đầu tiên là “pin mặt trời là gì?“, rất nhiều người sẽ nhầm lẫn với pin lưu trữ điện và có hướng suy nghĩ sai về chúng.
Solar cell được dịch sang tiếng việt là pin mặt trời (hay tế bào quang điện, pin quang điện…) là một thành phần chính để tạo nên tấm pin năng lượng mặt trời (1 tấm pin thường sẽ có 60 hoặc 72 cells). Pin mặt trời được sử dụng để hấp thu bức xạ mặt trời và dùng nó để tạo ra điện. Khi kết hợp nhiều tế bào quang điện lại với nhau bằng các quá trình đóng gói tiêu chuẩn, chúng ta sẽ thu được một tấm pin mặt trời hoàn chỉnh mà bạn thường thấy trên mái nhà hoặc trên các giá đỡ dưới mặt đất.
Sơ đồ nguyên lý pin mặt trời
Tấm pin mặt trời là một cấu trúc khá phức tạp của nhiều vật liệu khác nhau được kết hợp với nhau một cách chính xác. Lớp trên cùng của tấm pin quang điện được bao phủ một lớp kính chúng phản chiếu ánh sáng (gia tăng hiệu suất), mặt dưới là lớp vât liệu bảo vệ.
Lớp giữa của tấm pin chính là tập hợp các tế bào solar có khả năng tạo ra dòng điện thông qua một hiệu ứng được gọi là quang-điện. Gồm 2 lớp chất liệu bán dẫn: lớp thứ nhất được tạo thành từ loại N, đây thường là silicon trộn với một lượng nhỏ phốt pho để làm cho lớp silicon này tích điện âm; lớp thứ hai là vật liệu loại P là silicon được trộn với một lượng nhỏ nguyên tố Bo nên mang điện tích dương.
Lớp dưới cùng của tế bào PV có hai phần. Có một điện cực kim loại phía sau tiếp xúc trực tiếp bên dưới chất bán dẫn loại P. Điện cực này hoạt động với lưới kim loại ở lớp trên cùng để tạo ra dòng điện. Lớp trên cùng như đã để cập là lớp chống phản chiếu để hạn chế ánh nắng mặt trời chiếu vào bị “bật” ngược trở lại, điều này giúp tối ưu hóa khả năng hấp thụ của tấm pin giúp hiệu quả sản xuất điện tốt hơn. Tùy thuộc vào việc chọn vật liệu cũng như pha tạp hóa học mà các tấm pin mặt trời sẽ có hiệu suất và giá thành khác nhau. Tuy nhiên về đây là nguyên tắc chung của phần lớn các tấm pin năng lượng mặt trời silicon điển hình ngày nay.
II. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời
Chúng ta hãy cùng xem qua cách thức hoạt động của pin mặt trời. Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào pin mặt trời, ánh sáng có thể bị phản xạ, hấp thụ hoặc truyền qua nó. Chỉ có ánh sáng được hấp thụ bởi các vật liệu bán dẫn mới có thể tạo ra điện. Lớp phủ chống phản xạ hỗ trợ lượng ánh sáng bật ra ít hơn và mặt dưới phản xạ mạnh làm cho ánh sáng không thể đi xuyên qua tấm pin mà thay vào đó là dội lại về phía các tế bào. Không thể tạo ra một hệ thống hấp thụ 100% ánh sáng, nhưng những tiến bộ đang tiếp tục cải thiện hiệu quả.
Một khi ánh sáng đến lớp giữa, các chất bán dẫn sẽ hấp thụ ánh sáng. Photon, các gói năng lượng nhỏ chứa trong tất cả ánh sáng, sau đó tăng năng lượng trong các nguyên tử của chất bán dẫn. Vật liệu loại n chứa các electron dư thừa ở các vòng ngoài của các nguyên tử của nó. Khi nó được cấp năng lượng, những electron đó bị đánh bật và ngay lập tức bắt đầu tìm kiếm thứ gì đó để liên kết. Vật liệu loại p có lỗ trống trong các nguyên tử vòng ngoài của nó, có nghĩa là nó cần nhiều electron hơn để hoàn thành. Các electron được giải phóng di chuyển để lấp đầy các lỗ trống.
Một số electron sẽ ngay lập tức lấp đầy các lỗ trống nơi các lớp n và p gặp nhau, mà không tạo ra bất kỳ điện nào. Tuy nhiên, một rào cản nhanh chóng hình thành. Đây là khi lưới kim loại trên cùng và điện cực kim loại phía sau của pin mặt trời trở nên quan trọng. Lưới kim loại trên đỉnh hút các electron tự do từ lớp n về phía nó. Chuyển động cưỡng bức của các electron này theo một hướng tạo ra một dòng điện. Những electron này sau đó được gửi qua một mạch bên ngoài sử dụng tải năng lượng để thu dòng điện. Khi điện được giữ lại, electron tiếp tục di chuyển qua mạch cho đến khi chạm tới điện cực phía sau, gần lớp p. Các electron sau đó lấp đầy các lỗ trống trong vật liệu loại p và mạch hoàn thành.
III. Các loại pin năng lượng mặt trời phổ biến hiện nay
#1 – Tấm pin năng lượng mặt trời Mono
Pin năng lượng mặt trời Mono là loại được làm bằng silicon đơn tinh thể. Dấu hiệu phân biệt dễ nhất là tấm pin Mono là các miếng hình vuông bị gọt 4 góc và sắp xếp gọn gàng sát nhau. Chúng là loại hiệu quả nhất vì độ tinh khiết cao của silicon, tỷ lệ quang điện của chúng có thể đạt mức trên 20%.
Silicon đơn tinh thể bền hơn ở nhiệt độ cao, chúng tạo ra sản lượng điện lớn hơn, do đó mà giá thành của chúng là đắt nhất.
#2 – Tấm pin mặt trời Poly
Tấm pin Poly là loại pin PV sử dụng silicon đa tinh thể để sản xuất. Chúng được phân biệt với bề mặt là những tế bào hình chữ nhật xếp sát vào nhau, không bị cắt góc như pin Mono và thường có màu xanh đen không đồng đều. Đây là loại được xem là yếu về tính thẩm mỹ nhưng có hiệu suất cao và giá thành phù hợp nhất. Hiệu suất của pin Poly khoảng 15%.
Về cơ bản, khả năng sản xuất năng lượng giữa Mono và Poly không chênh lệch quá nhiều, nhưng nhiều người dùng quan tâm nhiều đến yếu tố thẩm mỹ sẽ lựa chọn pin Mono mặc dù chí phí đầu tư cao hơn.
#3 – Pin năng lượng mặt trời màng mỏng silicon vô định hình
Các bảng pin màng mỏng thường ứng dụng cho các thiết bị nhỏ hoặc một dự án nhà máy điện có không gian cực lớn.
Những tấm này được chế tạo bằng cách phun các vật liệu silicon lên bề mặt một tấm nền. Chúng tương đối dễ sản xuất nên rẻ hơn rất nhiều so với 2 loại trên.
Ngoài giá thành rất rẻ ra chúng cũng rất linh hoạt. Điều này cho phép chúng dễ dàng ứng dụng cho nhiều mục đích sử dụng hơn.
Các tấm pin mặt trời silicon vô định hình là công nghệ tốt nhất trong số tất cả các loại pin màng mỏng.
IV. Hướng dẫn thiết kế hệ thống pin mặt trời
Bước 1: Xác định thu cầu tiêu thụ điện năng
- Tính tổng số kilowatt-giờ điện tiêu thụ mỗi ngày của từng thiết bị điện trong nhà.
- Tính tổng số kWh cần hệ thống PV sản xuất mỗi ngày.
Bước 2: Định cỡ hệ thống pin mặt trời
- Tính tổng công suất định danh cần cho các tấm PV.
- Tính số lượng tấm pin năng lượng mặt trời cần cho hệ thống.
Bước 3: Định cỡ biến tần (inverter) năng lượng mặt trời
- Biến tần (inverter) là thiết bị thiết yếu của hệ thống điện mặt trời dùng để chuyển đổi dòng điện từ DC sang AC. Để hệ thống hoạt động được cần phải chọn biến tần có cùng điện áp định danh với hệ thống tấm pin mặt trời của bạn.
Bước 4: Định cỡ hệ thống pin lưu trữ điện mặt trời
Nếu bạn thiết lập một hệ thống năng lượng mặt trời độc lập thì bắt buộc phải kèm theo các ắc quy (pin) lưu trữ điện. Vì pin lưu trữ cũng là một phần của hệ thống nên các thông số về điện áp, cường độ dòng điện… phải tương thích với toàn hệ thống. Và để tránh việc không đủ chỗ chứa điện cũng như lựa chọn một hệ thống ắc quy quá cỡ, bạn cần lên kế hoạch tính toán kỹ trước khi mua pin phù hợp.
Bước 5: Định cỡ bộ điều khiển sạc sao cho phù hợp với các tấm pin và ắc quy để bảo vệ các thiết bị này hoạt động ổn định cũng như hiệu quả hơn.
V. Ứng dụng của pin mặt trời
- Ứng dụng cung cấp nguồn điện cho các thiết bị di động như: sạc điện thoại, máy tính, balo năng lượng mặt trời, dù năng lượng mặt trời…
- Trạm sạc pin năng lượng mặt trời nơi công cộng như công viên, quảng trường, khu vui chơi…
- Đèn năng lượng mặt trời, tích hợp tấm pin vào các loại đèn sử dụng ngoài trời như: đèn sân vườn, đèn đường, đèn trụ cổng…
- Ứng dụng cho các thiết bị an ninh như camera, hệ thống theo dõi giám sát…
- Ứng dụng của pin mặt trời vào phương tiện giao thông như ô tô điện mặt trời, máy bay sử dụng năng lượng mặt trời…
