Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo sạch nhất và có sẵn nhiều nhất. Công nghệ hiện đại có thể khai thác năng lượng này cho nhiều mục đích sử dụng khác nhau như sản xuất điện năng, cung cấp nguồn sáng, ứng dụng để làm nóng nước, thương mại và công nghiệp…
Pin năng lượng mặt trời là một thiết bị có khả năng chuyển đổi ánh nắng thành dòng điện. Nguyên lý pin mặt trời hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện. Pin năng lượng mặt trời được cấu tạo từ nhiều tế bào quang điện, chúng cung cấp dòng điện một chiều (DC) giống như ắc quy điện, chỉ khác là điện áp của ắc quy thì không đổi, còn pin mặt trời có thay đổi điện áp.
Pin năng lượng mặt trời là một thiết bị có khả năng chuyển đổi ánh nắng thành dòng điện. Nguyên lý pin mặt trời hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện. Pin năng lượng mặt trời được cấu tạo từ nhiều tế bào quang điện, chúng cung cấp dòng điện một chiều (DC) giống như ắc quy điện, chỉ khác là điện áp của ắc quy thì không đổi, còn pin mặt trời có thay đổi điện áp.
Tế bào quang điện
Tế bào quang điện mặt trời là một thiết bị chuyển đổi ánh sáng thành dòng điện bằng việc ứng dụng hiệu ứng quang-điện. Tế bào PV được sử dụng trong rất nhiều ứng dụng như tín hiệu đường sắt, đèn đường, camera an ninh, cung cấp điện cho hệ thống remote điều khiển từ xa…
Nó có một lớp silicon loại p được đặt sát với một lớp silicon loại n và sự tán xạ các electron xảy ra từ vật liệu n đến vật liệu p. Trong vật liệu silicon loại p, có các lỗ trống có thể chứa được các electron. Vật liệu loại n thì rất giàu electron, do ảnh hưởng của bức xạ của mặt trời các electron di chuyển từ vật liệu n sang kết hợp với các lỗ trống ở vật liệu p. Điều này tạo ra một điện tích ở hai bên tiếp giáp giữa p và n tạo ra một điện trường. Kết quả là một diode giống như hệ thống phát triển nhằm thúc đẩy dòng điện tích. Đây là dòng điện trôi, chúng cân bằng sự khuếch tán của electron và lỗ trống. Khu vực xảy ra dòng điện trôi là vùng cạn kiệt hoặc vùng sạc không gian thiếu các hạt mang điện.
Vì vậy trong bóng tối, tế bào quang điện hoạt động giống như một diode phân cực ngược. Khi ánh sáng chiếu vào, giống như đi-ốt, pin mặt trời chuyển tiếp và dòng điện chạy theo một hướng từ cực dương đến cực âm giống như đi-ốt. Thông thường điện áp mạch hở (không kết nối ắc quy) của tấm pin mặt trời sẽ cao hơn điện áp định mức. Ví dụ tấm pin 12V sẽ cho khoảng 20V dưới ánh sáng mặt trời. Nhưng khi kết nối với ắc quy, điện áp sẽ giảm xuống còn 14-15V.
Các tế bào PV được làm bằng vật liệu đặc biệt gọi là chất bán dẫn, ví dụ như silicon hiện đang được sử dụng phổ biến nhất. Về cơ bản, khi ánh sáng chiếu vào tế bào, sẽ được hấp thụ bên trong chất bán dẫn. Điều này có nghĩa là năng lượng của ánh sáng hấp thụ được dẫn truyền đến chất bán dẫn.
Các tế bào PV cũng có một hoặc nhiều điện trường hoạt động để làm cho các electron được giải phóng bằng việc hấp thụ ánh sáng để chảy thoe một hướng nhất định. Dòng chảy của electron là một dòng điện và bằng cách đặt các điểm tiếp xúc kim loại trên đỉnh và đáy của tế bào, chúng ta có thể rút dòng điện đó ra để sử dụng. Điện áp của các tế bào xác định nguồn năng lượng mà tế bào đó có thể sản xuất được. Quá trình chuyển đổi ánh sáng thành điện năng còn được gọi là hiệu ứng quang-điện. Một loạt các tấm pin năng lượng mặt trời chuyển hoá ánh nắng thành dòng điện một chiều (DC). Dòng điện một chiều sau đó được đưa vào biến tần (inverter) để chuyển đổi thành dòng xoay chiều (AC) tương thích với các thiết bị điện trong nhà.
Phần lớn các tế bào PV được chế tạo bằng cách sử dụng silicon tinh thể bao gồm một lớp chất bán dẫn n-type. Đây là lớp đầu tiên (trên cùng), gọi là lớp phát xạ. Lớp thứ hai là lớp bán dẫn p-type được gọi là lớp nền. Hai lớp này được kẹp lại và do đó cứ sự hình thành mối nối p-n giữa chúng. Bề mặt của tế bào được phủ một lớp chống phản xạ để tránh làm mất lượng ánh sáng mặt trời khi chiếu vào. Thông qua các tế bào quang điện (solar cells), bức xạ mặt trời được chuyển đổi trực tiếp thành dòng điện một chiều. Dòng điện này có thể được sử dụng trực tiếp hoặc lưu trữ vào ắc quy.
Đầu ra của bảng pin mặt trời là nguồn năng lượng có công suất được đo bằng Watt (W) hoặc kiloWatt (kW). Pin mặt trời cũng được phân loại theo công suất đầu ra như 50W, 100W, 400W…Vì vậy, trước khi chọn loại bảng pin năng lượng bạn cần phải tìm ra mức công suất tải cần thiết cho các thiết bị của bạn. Wh hoặc kWh là đơn vị đo được sử dụng cho việc tính toán các nhu cầu năng lượng. Theo nguyên tắc chung, năng suất trung bình bằng 20% của năng suất đỉnh. Do đó, mỗi kW cực đại của mảng pin mặt trời cung cấp một công suất đầu ra tương ứng với mức sản xuất năng lượng là 4.8kWh/ngày, hay 24 giờ x 1 kW x 20%.
Hiệu suất của pin năng lượng phụ thuộc vào một số yếu tố như thời tiết, điều kiện của bầu trời, định hướng của tấm pin, cường độ và thời gian ánh sáng mặt trời và các kết nối dây cáp. Nếu ánh nắng bình thường, một tấm pin 12V/15W sẽ cho ra dòng điện khoảng 1 ampe. Nếu được bảo trì một cách hợp lý, một bảng pin sẽ có thể tồn tại trên 25 năm.
Thông thường nó được bố trí hướng trực tiếp về xích đạo với góc nghiêng bằng với vĩ độ tại vị trí đó để tối ưu hoá sản lượng điện quanh năm. Có thể tối đa hoá việc sản xuất bằng cách theo dõi hệ thống năng lượng mặt trời theo mùa để điều chỉnh hướng cũng như góc nghiêng của các tấm pin. Dây cáp kết nối cũng quan trọng, hệ thống dây điện chất lượng sẽ đảm bảo quá trình sạc ắc quy tốt hơn, nếu dây quá dài dòng điện sạc có thể bị giảm đáng kể. Vì vậy theo quy đinh, pin năng lượng được bố trí độ cao khoảng 10-20 feet so với mặt đất. Làm vệ sinh các tấm pin mặt trời đúng cách để loại bỏ bụi bẩn, lá cây, phân chim…sẽ duy trì và cải thiện hiệu suất tạo điện của chúng, do đó điều này cũng rất quan trọng và cần thiết.
Tấm pin PV có tổng cộng 4 trạng thái quá trình là quá tải, trong quá trình sạc, pin yếu và tình trạng phóng điện sâu.
Tài liệu tham khảo: https://solar.mesidas.com/pin-nang-luong-mat-troi/
Có rất nhiều loại tấm pin với các vật liệu thô và công nghệ khác nhau được bày bán trên khắp thị trường, nhưng nguyên lý sản xuất ra một tấm pin mặt trời là giống nhau ở tất cả chúng.
Nếu để dùng một vài từ mô tả cho cấu trúc của pin mặt trời, chúng ta có thể nói rằng một tấm pin mặt trời được cấu tạo bởi một loạt các tế bào quang điện được bảo vệ bởi một tấm kính ở mặt trước và một tấm vật liệu nhựa ở mặt sau. Toàn bộ những thứ này sẽ được đóng gói chân không trong chất trùng hợp (polymer) trong suốt nhất có thể.
Việc ghép lớp EVA hai bên của các tế bào PV, giúp giảm độ sốc và bảo vệ các tế bào và dây kết nối khỏi sự rung động và tác động đột ngột từ mưa đá và các vật thể khác.
Ngoài ra, có thể sử dụng tấm kính cường lực phía sau thay vì tấm nền polymer. Mặt kính phía sau bền hơn và chịu lực tốt hơn so với hầu hết các vật liệu tấm nền khác.
Nó có một lớp silicon loại p được đặt sát với một lớp silicon loại n và sự tán xạ các electron xảy ra từ vật liệu n đến vật liệu p. Trong vật liệu silicon loại p, có các lỗ trống có thể chứa được các electron. Vật liệu loại n thì rất giàu electron, do ảnh hưởng của bức xạ của mặt trời các electron di chuyển từ vật liệu n sang kết hợp với các lỗ trống ở vật liệu p. Điều này tạo ra một điện tích ở hai bên tiếp giáp giữa p và n tạo ra một điện trường. Kết quả là một diode giống như hệ thống phát triển nhằm thúc đẩy dòng điện tích. Đây là dòng điện trôi, chúng cân bằng sự khuếch tán của electron và lỗ trống. Khu vực xảy ra dòng điện trôi là vùng cạn kiệt hoặc vùng sạc không gian thiếu các hạt mang điện.
Vì vậy trong bóng tối, tế bào quang điện hoạt động giống như một diode phân cực ngược. Khi ánh sáng chiếu vào, giống như đi-ốt, pin mặt trời chuyển tiếp và dòng điện chạy theo một hướng từ cực dương đến cực âm giống như đi-ốt. Thông thường điện áp mạch hở (không kết nối ắc quy) của tấm pin mặt trời sẽ cao hơn điện áp định mức. Ví dụ tấm pin 12V sẽ cho khoảng 20V dưới ánh sáng mặt trời. Nhưng khi kết nối với ắc quy, điện áp sẽ giảm xuống còn 14-15V.
Các tế bào PV được làm bằng vật liệu đặc biệt gọi là chất bán dẫn, ví dụ như silicon hiện đang được sử dụng phổ biến nhất. Về cơ bản, khi ánh sáng chiếu vào tế bào, sẽ được hấp thụ bên trong chất bán dẫn. Điều này có nghĩa là năng lượng của ánh sáng hấp thụ được dẫn truyền đến chất bán dẫn.
Các tế bào PV cũng có một hoặc nhiều điện trường hoạt động để làm cho các electron được giải phóng bằng việc hấp thụ ánh sáng để chảy thoe một hướng nhất định. Dòng chảy của electron là một dòng điện và bằng cách đặt các điểm tiếp xúc kim loại trên đỉnh và đáy của tế bào, chúng ta có thể rút dòng điện đó ra để sử dụng. Điện áp của các tế bào xác định nguồn năng lượng mà tế bào đó có thể sản xuất được. Quá trình chuyển đổi ánh sáng thành điện năng còn được gọi là hiệu ứng quang-điện. Một loạt các tấm pin năng lượng mặt trời chuyển hoá ánh nắng thành dòng điện một chiều (DC). Dòng điện một chiều sau đó được đưa vào biến tần (inverter) để chuyển đổi thành dòng xoay chiều (AC) tương thích với các thiết bị điện trong nhà.
Phần lớn các tế bào PV được chế tạo bằng cách sử dụng silicon tinh thể bao gồm một lớp chất bán dẫn n-type. Đây là lớp đầu tiên (trên cùng), gọi là lớp phát xạ. Lớp thứ hai là lớp bán dẫn p-type được gọi là lớp nền. Hai lớp này được kẹp lại và do đó cứ sự hình thành mối nối p-n giữa chúng. Bề mặt của tế bào được phủ một lớp chống phản xạ để tránh làm mất lượng ánh sáng mặt trời khi chiếu vào. Thông qua các tế bào quang điện (solar cells), bức xạ mặt trời được chuyển đổi trực tiếp thành dòng điện một chiều. Dòng điện này có thể được sử dụng trực tiếp hoặc lưu trữ vào ắc quy.
Pin năng lượng mặt trời và tế bào quang điện có quan hệ như thế nào?
Một tấm pin mặt trời là một tập hợp của nhiều tế bào quang điện. Tấm pin năng lượng chuyển hoá ánh sáng mặt trời thành điện năng. Pin năng lượng mặt trời sử dụng vật liệu Ohmic cho các kết nối cũng như các thiết bị đầu cuối bên ngoài. Vì vậy, các electron được tạo ra trong vật liệu loại n đi qua điện cực đến dây kết nối với pin. Thông qua pin, các electron tiếp cận với vật liệu loại p. Tại đây các electron kết hợp với các lỗ trống. Vì vậy, khi tấm pin được kết nối với pin lưu trữ, nó hoạt động giống như một loại pin khác và cả hệ thống giống như chuỗi hai pin được kết nối với nhau.Đầu ra của bảng pin mặt trời là nguồn năng lượng có công suất được đo bằng Watt (W) hoặc kiloWatt (kW). Pin mặt trời cũng được phân loại theo công suất đầu ra như 50W, 100W, 400W…Vì vậy, trước khi chọn loại bảng pin năng lượng bạn cần phải tìm ra mức công suất tải cần thiết cho các thiết bị của bạn. Wh hoặc kWh là đơn vị đo được sử dụng cho việc tính toán các nhu cầu năng lượng. Theo nguyên tắc chung, năng suất trung bình bằng 20% của năng suất đỉnh. Do đó, mỗi kW cực đại của mảng pin mặt trời cung cấp một công suất đầu ra tương ứng với mức sản xuất năng lượng là 4.8kWh/ngày, hay 24 giờ x 1 kW x 20%.
Hiệu suất của pin năng lượng phụ thuộc vào một số yếu tố như thời tiết, điều kiện của bầu trời, định hướng của tấm pin, cường độ và thời gian ánh sáng mặt trời và các kết nối dây cáp. Nếu ánh nắng bình thường, một tấm pin 12V/15W sẽ cho ra dòng điện khoảng 1 ampe. Nếu được bảo trì một cách hợp lý, một bảng pin sẽ có thể tồn tại trên 25 năm.
Thông thường nó được bố trí hướng trực tiếp về xích đạo với góc nghiêng bằng với vĩ độ tại vị trí đó để tối ưu hoá sản lượng điện quanh năm. Có thể tối đa hoá việc sản xuất bằng cách theo dõi hệ thống năng lượng mặt trời theo mùa để điều chỉnh hướng cũng như góc nghiêng của các tấm pin. Dây cáp kết nối cũng quan trọng, hệ thống dây điện chất lượng sẽ đảm bảo quá trình sạc ắc quy tốt hơn, nếu dây quá dài dòng điện sạc có thể bị giảm đáng kể. Vì vậy theo quy đinh, pin năng lượng được bố trí độ cao khoảng 10-20 feet so với mặt đất. Làm vệ sinh các tấm pin mặt trời đúng cách để loại bỏ bụi bẩn, lá cây, phân chim…sẽ duy trì và cải thiện hiệu suất tạo điện của chúng, do đó điều này cũng rất quan trọng và cần thiết.
Tấm pin PV có tổng cộng 4 trạng thái quá trình là quá tải, trong quá trình sạc, pin yếu và tình trạng phóng điện sâu.
Thành phần cấu tạo tấm pin năng lượng mặt trời
 |
| Thành phần cấu tạo tấm pin năng lượng mặt trời |
Có rất nhiều loại tấm pin với các vật liệu thô và công nghệ khác nhau được bày bán trên khắp thị trường, nhưng nguyên lý sản xuất ra một tấm pin mặt trời là giống nhau ở tất cả chúng.
Nếu để dùng một vài từ mô tả cho cấu trúc của pin mặt trời, chúng ta có thể nói rằng một tấm pin mặt trời được cấu tạo bởi một loạt các tế bào quang điện được bảo vệ bởi một tấm kính ở mặt trước và một tấm vật liệu nhựa ở mặt sau. Toàn bộ những thứ này sẽ được đóng gói chân không trong chất trùng hợp (polymer) trong suốt nhất có thể.
1. Solar cells
Pin quang điện mặt trời hay pin năng lượng mặt trời được cấu tạo từ nhiều tế bào quang điện. Và những tế bào quang điện có khả năng hoạt động dưới ánh sáng mặt trời hoặc ánh sáng nhân tạo. Tế bào quang điện hấp thụ ánh sáng mặt trời rồi chuyển hóa từ quang năng thành điện năng. Để tìm hiểu rõ hơn, vui lòng đọc thêm phần nguyên lý hoạt động tấm pin năng lượng mặt trời bên dưới.2. Tempered Glass
Tấm kính cường lực ở mặt trước bảo vệ các tế bào PV khỏi thời tiết và tác động từ mưa đá hoặc mảnh vụn trong không khí. Độ dày kính từ 3.0 đến 4.0mm và được thiết kế chống lại tác động bên ngoài như tác động cơ khí và thay đổi nhiệt độ khắc nghiệt.3. Encapsulant - EVA
EVA là viết tắt của 'ethylene vinyl acetate', là một lớp polymer được thiết kế đặc biệt có độ trong suất cao được sử dụng để bọc các tế bào quang điện và giữ chúng ở vị trí trong quá trình sản xuất. Vật liệu EVA phải cực kỳ bền và chịu được nhiệt độ và độ ẩm khắc nghiệt, nó đóng một phần quan trọng giúp pin mặt trời có thể hoạt động lâu dài bằng cách ngăn chặn hơi ẩm và bụi xâm nhập.Việc ghép lớp EVA hai bên của các tế bào PV, giúp giảm độ sốc và bảo vệ các tế bào và dây kết nối khỏi sự rung động và tác động đột ngột từ mưa đá và các vật thể khác.
4. Back sheet
Tấm nền là lớp phía sau của các tấm pin mặt trời, đóng vai trò như một hàng rào chống ẩm và là lớp ngoài cùng để bảo vệ cơ học và cách điện. Vật liệu tấm nền được làm từ các loại polymer hoăc nhựa khác như PP, PET hoặc PVF với mức độ bảo vệ khác nhau,nhằm ổn định nhiệt và chống tia cực tím lâu dài.Ngoài ra, có thể sử dụng tấm kính cường lực phía sau thay vì tấm nền polymer. Mặt kính phía sau bền hơn và chịu lực tốt hơn so với hầu hết các vật liệu tấm nền khác.
5. Aluminum Frame
Khung nhôm đóng một vai trò quan trọng bảo vệ cạnh PV, tạo nên một cấu trúc vững chắc để gắn tấm năng lượng mặt trời vào vị trí. Khung nhôm được ép đùn, thiết kế cực kỳ nhẹ, cứng và có thể chịu được áp lực cực lớn từ tác động bên ngoài.6. Junction Box
Hộp nối là một hộp nhỏ nằm ở phía sau của bảng năng lượng mặt trời nhằm gắn chắc các cáp kết nối với tấm pin mặt trời. Hộp nối rất quan trọng vì nó là điểm trung tâm kết nối tất cả các tế bào liên kết với nhau và phải được bảo vệ khỏi độ ẩm và bụi bẩnNguyên lý hoạt động của pin mặt trời
Ngay khi các tế bào quang điện tiếp xúc với ánh sáng mặt trời, các hạt photon sẽ bị hấp thụ bởi các vật liệu bán dẫn. Từ đó hiện tượng quang-điện xảy ra và các electron được giải phóng chuyển động tự do và tạo ra dòng điện một chiều. Dòng điện DC này sẽ được chuyển đổi thành dòng xoay chiều AC thông qua biến tần năng lượng mặt trời để tương thích với các thiết bị điện gia dụng hiện nay.
Các tế bào solar được làm bằng vật liệu đặc biệt gọi là chất bán dẫn silicon. Một nguyên tử silicon có 14 electron, được sắp xếp thành 3 lớp khác nhau. Lớp vỏ bọc bên ngoài có 4 electron, vì vậy một nguyên tử silicon sẽ luôn tìm cách để lấp đầy lớp vỏ cuối cùng của nó và để làm điều này, nó sẽ chia sẻ các electron với 4 nguyên tử gần nó.
Ngày nay, người sản xuất sử dụng phốt pho (với 5 electron ở lớp vỏ ngoài). Do đó, khi nó kết hợp với silicon, có một electron sẽ vẫn tự do. Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào nguyên tử silicon tinh khiết, nó có thể khiến một vài electron phá vỡ liên kết và rời khỏi nguyên tử. Chúng được gọi là phần tử tải tự do, chúng di chuyển ngẫu nhiên xung quanh mạng tinh thể tìm kiếm các lỗ trống để “chui” vào và mang theo một dòng điện.
Tuy nhiên, chúng rất ít và không hữu ích cho lắm. Nhưng silicon không tinh khiết kết hợp với nguyên tử phốt pho thì lại tốn ít năng lượng hơn để đánh bật các electron vì chúng không bị liên kết với bất kỳ nguyên tử nào lân cận. Kết quả là, chúng ta có nhiều phần tử tải tự do hơn so với silicon tinh khiết và hình thành silicon n-type.
Hoạt động của dòng điện trong tế bào pin mặt trời
Phần khác của tế bào PV được pha tạp với nguyên tố Bo (có 3 electron ở lớp vỏ ngoài) để trở thành silicon p-type. Bây giờ, khi hai loại silicon này tương tác với nhau, một điện trường được hình thành tại điểm nối ngăn không cho nhiều electron di chuyển sang phía p. Khi các hạt photon (ánh sáng mặt trời) chạm vào bề mặt pin năng lượng mặt trời, chúng sẽ phá vỡ các cặp electron và lỗ trống. Mỗi photon có đủ một mức năng lượng để giải phóng được một electron tương ứng. Nếu điều này xảy ra đủ gần với điện trường sẽ gây ra sự gián đoạn tính trung hòa điện và nếu chúng ta cung ấp một đường dẫn (mạch điện) các electron sẽ chạy qua phía p để hợp nhất với các lỗ trống. Những electron “chạy” này sẽ tạo ra dòng điện.
Sự hình thành lỗ trống điện tử
Như chúng ta đã biết rằng photon là một dòng các hạt ánh sáng và quá trình hiệu ứng quang-điện sẽ phụ thuộc vào số lượng photon chiếu vào bề mặt trái đất. Vào một ngày khí hậu đẹp trời, sẽ có khoảng 4,4×1017 hạt photon “đáp xuống” 1 cm2 bề mặt trái đất mỗi giây. Chỉ một số photon có năng lượng vượt quá năng lượng vùng cấm thì mới có thể chuyển đổi thành điện bằng pin năng lượng mặt trời. Khi photon này đi vào chất bán dẫn, nó có thể bị hấp thụ và đẩy một electron vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra một lỗ trống điện tử trong vùng hóa trị. Sau đó, electron trong vùng dẫn và lỗ trống điện tử trong vùng hóa trị sẽ kết hợp với nhau và tạo thành một cặp electron-lỗ điện tử (electron-hole pair).
Do đó, khi chúng ta kết nối các lớp p và n này với mạch ngoài, các electron sẽ chuyển từ lớp n sang lớp p, và khi đó dòng điện được tạo ra.
Các kiểu tế bào năng lượng mặt trời
Ở bài viết này tôi chỉ đề cập đến các loại pin mặt trời chế tạo dựa trên silicon. Tùy thuộc vào cấu trúc tinh thể sẽ có 3 loại như sau:
- Tế bào silicon đơn tinh thể.
- Tế bào silicon đa tinh thể.
- Tế bào silicon vô định hình (màng mỏng).
Tế bào silicon đơn tinh thể được sản xuất từ silicon tinh khiết (tinh thể Mono). Vì silicon tinh thể Mono là hoàn toàn tinh khiết và không lẫn tạp chất, nên hiệu quả của tế bào này cao hơn các loại khác. Hiệu quả của tấm pin năng lượng mặt trời Mono là khoảng 14-17%.
Tế bào silicon đa tinh thể (tinh thể Poly) sử dụng silicon lỏng làm nguyên liệu. Vì silicon đa tinh thể trải qua quá trình đúc (hóa rắn) nên các khối sẽ có mức độ tinh thể khác nhau. Do đó, hiệu quả của loại tế bào này kém hơn Mono. Hiệu quả của pin năng lượng Poly dao động khoảng 13-15%.
Các tế bào silicon vô định hình được phát triển bằng cách “phun” lớp màng silicon lên một bề mặt định hình nào đó như tấm thủy tinh chẳng hạn. Độ dày của lớp màng silicon này nhỏ hơn 1µm (0,001 mm). Hiệu quả của loại tấm pin này là khoảng 5-7%.
Tấm pin năng lượng mặt trời
Một hệ thống năng lượng mặt trời là sự kết nối của nhiều tấm pin mặt trời để sản xuất năng lượng hiệu quả. Mỗi một tấm pin được cấu tạo từ nhiều tế bào quang điện liên kết với nhau, được đóng gói vào một bộ khung nhôm hình chữ nhật và tấm kính cường lực để bảo vệ tránh khỏi các tác nhân gây hại của môi trường. Diện tích tấm pin năng lượng mặt trời càng lớn sẽ có thể tạo ra nhiều điện năng hơn.
Ưu điểm của pin năng lượng mặt trời
- Năng lượng sạch và không gây ô nhiễm môi trường.
- Đây là năng lượng tái tạo, nguồn năng lượng không bao giờ cạn kiệt.
- Quá trình sản xuất điện không tạo ra tiếng ồn.
- Đòi hỏi bảo trì cực kỳ ít.
- Tuổi thọ cao.
- Không tốn chi phí vận hành.
- Giá cả đang có xu hướng giảm dần (do nhu cầu tăng lên).
Trong phân này, tôi sẽ giúp bạn tìm hiểu mọi thứ bạn cần biết về phân loại tấm pin năng lượng mặt trời khác nhau (đơn tinh thể, đa tinh thể và màng mỏng).
Hãy bắt đầu với các loại hiện đang có trên thị trường, liệt kê các ưu điểm và nhược điểm của chúng, sau đó xem xét một vài trường hợp điển hình để ứng dụng các loại này sao cho phù hợp nhất.
Nhưng độ tinh khiết silicon có nghĩa là gì? – Các phần tử silicon được liên kết càng hoàn hảo thì chúng sẽ chuyển hoá năng lượng mặt trời thành điện năng càng tốt.
Hiệu quả của các tấm pin tỷ lệ thuận với độ tinh khiết silicon, nhưng các quá trình được sử dụng để tăng cường độ tinh khiết silicon là rất tốn kém. Nhưng chút nữa thôi, bạn sẽ thấy rằng hiệu suất không nên là mối quan tâm chính của bạn mà hiệu quả chi phí và không gian mới là yếu tố quyết định của hầu hết mọi người.
Pin năng lượng mặt trời đơn tinh thể được tạo ra từ các thỏi silicon có dạng hình trụ. Để tối ưu hoá hiệu suất và chi phí thì bốn góc của mỗi tế bào quang điện được cắt ra.
Một cách tốt để phân biệt tấm pin năng lượng mặt trời đơn và đa tinh thể là loại đa tinh thể có hình dạng những hình chữ nhật nguyên vẹn không bị cắt bốn góc.
Với một kỹ thuật sản xuất được gọi là “xếp chồng”, có thể kết hợp nhiều lớp silicon vô định hình dẫn đến hiệu quả cải thiện hơn (khoảng 6-8%). Tuy nhiên, việc áp dụng kỹ thuật “xếp chồng” này tốn kém hơn.
Hiệu quả của các tấm Cadmium Telluride thường khoảng 9-11%.
Kỷ lục thế giới về hiệu suất của mô-đun PV CdTe là 14,4% của một hệ thống 5 gigawatt (GW = 1.000.000.000 W).
Tỷ lệ hiệu quả của chúng thông thường khoảng 10-12%.
Ngoài ra, nhiều loại pin năng lượng mặt trời màng mỏng vẫn còn trong giai đoạn đầu nghiên cứu và thử nghiệm. Và một vài trong số chúng có tiềm năng to lớn và có thể được ra mắt trong tương lai.
Ngoài ra, bạn còn có thể lựa chọn các tấm pin với nhiều kích thước khác nhau. Ví dụ: các tấm pin có công suất 180, 200, 220W thường kích thước của chúng khá như nhau, không chênh lệch nhiều. Chúng được thiết kế với kích cỡ như nhau nhưng hơn thua nhau về mặt hiệu suất tạo điện. Nếu vấn đề không gian đối với bạn rất quan trọng thì bạn nên lựa chọn loại có mức công suất cao nhất.
Cả hai loại đơn tinh thể và đa tinh thể là những lựa chọn tốt và phù hợp với hệ thống nhà dân. Mặc dù tấm pin Poly có xu hướng ít hiệu quả hơn so với Mono về mặt sản xuất điện, tuy nhiên điều này không phải lúc nào cũng đúng.
Pin mặt trời đơn tinh thể có thể đắt hơn một chút nhưng chúng cũng tiết kiệm không gian hơn một chút. Nếu bạn sở hữu 2 loại có cùng công suất 330W thì tấm Mono sẽ có diện tích nhỏ hơn một chút so với tấm Poly.
Một điều hoang đường của một số người khi cho rằng hệ thống năng lượng mặt trời không thể hoạt động trong mùa đông. Trái với điều đó, trong thực tế vào mùa đông khí hậu lạnh sẽ cải thiện hiệu suất tạo điện hơn. Vấn đề là vào mùa đông sẽ đòi hỏi bạn phải cật lực hơn trong việc vệ sinh các lớp tuyết rơi hàng ngày.
Ảnh hưởng của tuyết rơi chỉ là một vấn đề rất nhỏ. Tuy nhiên, cũng có một vài điều mà bạn nên biết về tác động của thời tiết mùa đông để lên kế hoạch lắp đặt hệ thống điện mặt trời phù hợp với ngôi nhà của bạn:
Nên sử dụng loại pin mặt trời nào: Mono, Poly hay màng mỏng
Bạn đang suy nghĩ về việc mua sắm các tấm pin năng lượng mặt trời, nhưng phân vân không biết nên chọn loại nào? – Thật may mắn! Bạn đã tìm đọc đúng bài viết. Sẽ có rất nhiều lựa chọn khiến bạn bối rối trong việc mua hệ thống quang điện mặt trời (PV).Trong phân này, tôi sẽ giúp bạn tìm hiểu mọi thứ bạn cần biết về phân loại tấm pin năng lượng mặt trời khác nhau (đơn tinh thể, đa tinh thể và màng mỏng).
Hãy bắt đầu với các loại hiện đang có trên thị trường, liệt kê các ưu điểm và nhược điểm của chúng, sau đó xem xét một vài trường hợp điển hình để ứng dụng các loại này sao cho phù hợp nhất.
Silicon tinh thể (c-Si) và pin mặt trời
Gần 90% tấm pin mặt trời trên thế giới ngày nay dựa trên các biến thể của silicon. Silic được sử dụng trong ngành công nghiệp năng lượng mặt trời có nhiều hình thức. Nhưng nhìn chung sự khác biết chính là độ tinh khiết của silicon.Nhưng độ tinh khiết silicon có nghĩa là gì? – Các phần tử silicon được liên kết càng hoàn hảo thì chúng sẽ chuyển hoá năng lượng mặt trời thành điện năng càng tốt.
Hiệu quả của các tấm pin tỷ lệ thuận với độ tinh khiết silicon, nhưng các quá trình được sử dụng để tăng cường độ tinh khiết silicon là rất tốn kém. Nhưng chút nữa thôi, bạn sẽ thấy rằng hiệu suất không nên là mối quan tâm chính của bạn mà hiệu quả chi phí và không gian mới là yếu tố quyết định của hầu hết mọi người.
Pin mặt trời đơn tinh thể (Mono)
Các tế bào quang điện của loại đơn tinh thể còn được gọi ngắn gọn là silicon đơn tinh thể, khá dễ dàng nhận biết bởi hình dạng và màu đồng đều, cho thấy silicon có độ tinh khiết cao.Pin năng lượng mặt trời đơn tinh thể được tạo ra từ các thỏi silicon có dạng hình trụ. Để tối ưu hoá hiệu suất và chi phí thì bốn góc của mỗi tế bào quang điện được cắt ra.
Một cách tốt để phân biệt tấm pin năng lượng mặt trời đơn và đa tinh thể là loại đa tinh thể có hình dạng những hình chữ nhật nguyên vẹn không bị cắt bốn góc.
Ưu điểm pin năng lượng mặt trời mono
- Các tấm pin mặt trời Mono là loại có tỷ lệ hiệu quả cao nhất vì chúng được làm từ silicon cao cấp nhất. Tỷ lệ hiệu quả của chúng thường là 15-21%.
- Nhờ có hiệu suất chuyển đổi cao nên pin đơn tinh thể có lợi thế về yếu tố không gian lắp đặt. Chúng mang lại sản lượng điện cao nhất và đòi hỏi ít không gian nhất so với bất kỳ loại nào khác. Cụ thể pin Mono có thể tạo ra lượng điện năng gấp bốn lần so với các tấm pin màng mỏng.
- Tuổi thọ của loại này cũng được xếp hạng là lâu nhất. Hầu hét các nhà sản xuất đều bảo hành lên đến 25 năm cho các tấm pin Mono của họ.
- Ngoài ra, chúng còn hoạt động tốt hơn các loại khác ở điều kiện ánh sáng yếu.
Nhược điểm pin năng lượng mặt trời mono
- Đây là loại đắt đỏ nhất. Nhìn từ khía cạnh tài chính, một số trường hợp việc lựa chọn pin Poly có thể là lựa chọn tốt hơn cho chủ nhà.
- Nếu bảng điều khiển năng lượng mặt trời bị bao phủ bởi bóng râm, bụi bẩn hoặc tuyết lâu dài có thể làm hỏng toàn bộ mạch. Do đó hãy cân nhắc việc sử dụng biến tần vi mô thay vì biến tần chuỗi.
- Các tấm pin Mono có xu hướng hiệu quả hơn trong thời tiết ấm áp, khi nhiệt độ tăng cao có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của chúng. Tuy nhiên, vấn đề này xảy ra ở tất cả các loại pin quang điện và loại Mono chịu ảnh hưởng thấp nhất.
Pin mặt trời silicon đa tinh thể (Poly)
Các tấm pin mặt xuất hiện đầu tiên là dựa trên silicon đa tinh thể, còn được gọi là Poly đã được giới thiệu ra thị trường vào năm 1981. Không giống như loại đơn tinh thể, pin năng lượng Poly không yêu cầu quá trình Czochralski trong sản xuất. Silicon thô được nung chảy và đổ vào khuôn vuông, sau đó làm lạnh và cắt thành các tấm hình chữ nhật nguyên vẹn (không cắt góc).Ưu điểm pin năng lượng mặt trời poly
- Những quy trình được sử dụng để sản xuất silicon đa tinh thể đơn giản hơn và chi phí ít hơn rất nhiều. Lượng silicon thải ít hơn so với Mono.
- Các mảng pin PV đa tinh thể có khả năng chịu nhiệt thấp hơn một chút so với các tấm đơn tinh thể. Về mặt kỹ thuật này có nghĩa là chúng hoạt động kém hơn một chút so với tấm đơn tinh thể ở nhiệt độ cao. Nhiệt có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của các tấm pin PV và rút ngắn tuổi thọ của chúng. Tuy nhiên, hiệu ứng này không đáng kể trong môi trường thực tế và hầu hết các chủ nhà không cần phải tính đến nó.
Nhược điểm pin năng lượng mặt trời poly
- Hiệu suất của bảng pin đa tinh thể thường chỉ khoảng 13-16%. Do độ tinh khiết silicon thấp hơn, nên chúng không hoàn toàn hiệu quả như loại Mono.
- Hiệu quả về yếu tố không gian thấp hơn. Cùng một công suất thì nếu dự án của bạn sử dụng pin Poly sẽ chiếm không gian diện tích lắp đặt hơn. Tuy nhiên, điều này không đồng nghĩa là mọi bảng năng lượng Poly đều hoạt động với hiệu quả thấp hơn
- Nhìn về mặt thẩm mỹ thì có vẻ tấm pin Poly “thua thiệt” hơn Mono và màng mỏng vì chúng có vẻ bên ngoài không đồng đều màu bởi các lốm đốm xanh của silicon đa tinh thể.
Pin mặt trời màng mỏng
Là một hoặc một vài lớp vật liệu quang điện mỏng đặt lên một bộ khung đế. Các tấm quang điện màng mỏng khác nhau có thể được phân loại theo chất liệu quang điện khác nhau:- Silicon vô định hình (a-Si).
- Cadmium Telluride (CdTe).
- Đồng indium gallium selenide (CIS/CIGS).
- Tế bào quang điện hữu cơ (OPC).
Ưu điểm pin năng lượng mặt trời màng mỏng
- Đơn giản trong việc sản xuất hàng loạt. Chính vì điều này, mà chúng có chi phí sản xuất rẻ hơn so với các loại tấm pin làm từ silicon tinh thể.
- Hình dạng đồng nhất khiến chúng trông rất thẩm mỹ. Do đó, có thể ứng dụng được rất nhiều.
- Nhiệt độ cao và bóng râm ít ảnh hưởng đến hiệu suất của chúng.
- Trong trường hợp không bị hạn chế về không gian thì đây là một lựa chọn khá thích hợp.
Nhược điểm pin năng lượng mặt trời màng mỏng
- Bảng năng lượng mặt trời màng mỏng nói chung không hữu ích cho phần lớn các dự án dân cư. Chúng rẻ nhưng chiếm quá nhiều không gian diện tích. Cụ thể hơn, với cùng một diện tích không gian các tấm pin đơn tinh thể có thể sản xuất điện gấp bốn lần tấm màng mỏng.
- Hiệu quả không gian thấp cũng đồng nghĩa với việc chi phí thiết bị kèm theo sẽ tăng (ví dụ: cấu trúc giá đỡ, dây điện, cáp…).
- Các tấm pin màng mỏng có xu hướng xuống cấp nhanh hơn 2 loại trên, do đó dĩ nhiên thời gian bảo hành của chúng sẽ ngắn hơn.
Mảng PV silicon vô định hình (a-Si)
Bởi vì sản lượng điện đầu ra thấp nên pin silicon vô định hình chỉ được sử dụng cho các ứng dụng quy mô nhỏ như trong máy tính bỏ túi. Tuy nhiên, những đổi mới gần đây đã làm cho chúng trở nên hữu dụng hơn đối với một số ứng dụng quy mô lớn hơn.Với một kỹ thuật sản xuất được gọi là “xếp chồng”, có thể kết hợp nhiều lớp silicon vô định hình dẫn đến hiệu quả cải thiện hơn (khoảng 6-8%). Tuy nhiên, việc áp dụng kỹ thuật “xếp chồng” này tốn kém hơn.
Pin mặt trời Cadmium Telluride (CdTe)
Đây là công nghệ pin màng mỏng duy nhất đã vượt qua hiệu quả chi phí của các tấm silicon tinh thể đối với hệ thống quy mô lớn (nhiều kilowatt).Hiệu quả của các tấm Cadmium Telluride thường khoảng 9-11%.
Kỷ lục thế giới về hiệu suất của mô-đun PV CdTe là 14,4% của một hệ thống 5 gigawatt (GW = 1.000.000.000 W).
Pin mặt trời Đồng Indium Gallium Selenide (CIS/CIGS)
So với các công nghệ màng mỏng khác kể trên, CIGS cho thấy tiềm năng về hiệu quả nhất. Những bảng này chứa ít lượng cadmium (vật liệu độc hại) hơn pin CdTe. Loại này bắt đầu xuất hiện trên thị trường tại Đức năm 2011.Tỷ lệ hiệu quả của chúng thông thường khoảng 10-12%.
Ngoài ra, nhiều loại pin năng lượng mặt trời màng mỏng vẫn còn trong giai đoạn đầu nghiên cứu và thử nghiệm. Và một vài trong số chúng có tiềm năng to lớn và có thể được ra mắt trong tương lai.
Tóm lại nên sử dụng loại pin năng lượng mặt trời nào tốt nhất
Một trường hợp cụ thể được đánh giá bởi một chuyên gia sẽ là cách tốt nhất để tìm ra loại bảng pin mặt trời nào sẽ tốt nhất dành riêng cho ngôi nhà của bạn. Tuy nhiên, ở phần này tôi sẽ đưa ra một số trường hợp điển hình mà tôi thường gặp:Bị giới hạn không gian
Đối với những người không có đủ không gian cho các tấm pin màng mỏng (phần lớn nhà dân) hoặc nếu bạn muốn giới hạn diện tích cho một dự án điện mặt trời thì công nghệ pin tinh thể là lựa chọn tốt đối với bạn (và chúng có thể cũng là lựa chọn tốt ngay cả khi bạn có thừa không gian). Hiện nay, cũng rất ít người lựa chọn công nghệ màng mỏng để lắp đặt cho ngôi nhà của họ.Ngoài ra, bạn còn có thể lựa chọn các tấm pin với nhiều kích thước khác nhau. Ví dụ: các tấm pin có công suất 180, 200, 220W thường kích thước của chúng khá như nhau, không chênh lệch nhiều. Chúng được thiết kế với kích cỡ như nhau nhưng hơn thua nhau về mặt hiệu suất tạo điện. Nếu vấn đề không gian đối với bạn rất quan trọng thì bạn nên lựa chọn loại có mức công suất cao nhất.
Cả hai loại đơn tinh thể và đa tinh thể là những lựa chọn tốt và phù hợp với hệ thống nhà dân. Mặc dù tấm pin Poly có xu hướng ít hiệu quả hơn so với Mono về mặt sản xuất điện, tuy nhiên điều này không phải lúc nào cũng đúng.
Pin mặt trời đơn tinh thể có thể đắt hơn một chút nhưng chúng cũng tiết kiệm không gian hơn một chút. Nếu bạn sở hữu 2 loại có cùng công suất 330W thì tấm Mono sẽ có diện tích nhỏ hơn một chút so với tấm Poly.
Chi phí thấp nhất
Nếu bạn muốn chi phí thấp nhất cho một mức công suất định mức nào đó, hay nói cách khác là trả ít tiền nhất cho một hệ thống sản xuất ra một lượng điện nhất định thì bạn có thể xem xét tấm pin màng mỏng trên thực tế có thể là lựa chọn tốt hơn pin tinh thể.Pin năng lượng mặt trời có hoạt động trong mùa đông?
Mùa đông lạnh lẽo, tuyết rơi có thể mang đến những rắc rối và khiến cho ngôi nhà của bạn cảm thấy khó chịu nhất. Nếu bạn đang có ý định thiết lập một dự án năng lượng mặt trời, bạn cũng cần phải biết liệu tuyết rơi có ảnh hưởng xấu đến các tấm pin mặt trời hay không. Thêm nữa, theo một số dữ liệu cho thấy người mua sắm hệ thống mặt trời vào mùa đông có thể nhận được rất nhiều ưu đãi giảm giá. Sau cùng, bạn có thể xem năng lượng mặt trời như là một khoản đầu tư sinh lợi, nó sẽ mang đến cho bạn rất nhiều lợi ích về tài chính cũng như các tiện ích đáng kể khác.Một điều hoang đường của một số người khi cho rằng hệ thống năng lượng mặt trời không thể hoạt động trong mùa đông. Trái với điều đó, trong thực tế vào mùa đông khí hậu lạnh sẽ cải thiện hiệu suất tạo điện hơn. Vấn đề là vào mùa đông sẽ đòi hỏi bạn phải cật lực hơn trong việc vệ sinh các lớp tuyết rơi hàng ngày.
Ảnh hưởng của tuyết đến pin mặt trời
Không nhất thiết thời tiết nơi bạn sinh sống phải nắng nóng thì mới có thể lắp đặt hệ thống điện mặt trời vì nguyên tắc vận hành của hệ thống PV là tận dụng nguồn ánh sáng mặt trời chứ không phải tận dụng nhiệt từ bức xạ của mặt trời, thêm nữa nhiệt độ càng thấp điện áp sẽ càng tăng dẫn đến hiệu suất tạo điện cũng tăng theo.Ảnh hưởng của tuyết rơi chỉ là một vấn đề rất nhỏ. Tuy nhiên, cũng có một vài điều mà bạn nên biết về tác động của thời tiết mùa đông để lên kế hoạch lắp đặt hệ thống điện mặt trời phù hợp với ngôi nhà của bạn:
- Tất cả các mảng pin năng lượng mặt trời đều được thiết kế để chịu được một lượng trọng tải nhất định – và tuyết rơi sẽ không đủ nặng để có thể ảnh hưởng đến cấu trúc kỹ thuật của chúng. Tất cả chúng đều phải trải qua các cuộc kiểm nghiệm về khả năng chống chịu áp lực, độ bền và chất lượng rất kỹ lưỡng.
- Nếu tuyết phủ kín những bảng pin của bạn thì chúng sẽ không thể tạo ra điện – nhưng chỉ đơn giản là bạn hãy dọn chúng đi thì vấn đề coi như được giải quyết. Pin năng lượng cần hấp thụ ánh nắng mặt trời để có thể chuyển hoá thành dòng điện, vì vậy nếu bề mặt bị tuyết che phủ 100% thì dĩ nhiên sẽ không thể hấp thụ ánh nắng cũng như sản xuất điện. Một điểm cộng trong quy trình lắp đặt là thông thường những tấm pin sẽ được cài đặt nghiêng một góc để tối ưu hoá và điều này vô tình giúp ích cho chúng vào mùa đông tuyết rơi lên bề mặt sẽ bị trôi đi. Tuy nhiên, nếu tuyết rơi liên tục và dày có thể đọng lại trên các góc cạnh, vì thế bạn hãy hỗ trợ chúng bằng cách sử dụng cào tuyết (loại mềm không làm xước bề mặt) để loại bỏ lớp tuyết đó.
- Ánh sáng mặt trời kết hợp với thời tiết lạnh sẽ là rất tốt đối với các bảng pin năng lượng. Những tháng mùa đông thực sự tốt đối với việc sản xuất năng lượng mặt trời, miễn là chúng không bị tuyết bao phủ. Pin mặt trời cũng là một thiết bị điện tử nên chúng sẽ hoạt động tốt ở điều kiện lạnh hơn là nóng. Nói cách khác, trong cùng 1 giờ nắng tốt, khí hậu lạnh sẽ giúp sản xuất ra nhiều điện hơn là khí hậu nóng.
Minh chứng pin mặt trời hoạt động vào mùa đông
Tuy là vùng có khí hậu lạnh tương tự như Alaska nhưng nước Đức lại là một trong những quốc gia dẫn đầu về ngành điện năng lượng mặt trời trong suốt hơn một thập kỷ qua, ngành công nghiệp điện mặt trời nơi đây đóng góp rất lớn vào điện quốc gia. Mặc dù ngày nay, các nước như Hoa Kỳ, Trung Quốc đang dần bắt kịp nhưng Đức là một quốc gia thành công và minh chứng điển hình về việc hệ thống năng lượng mặt trời vẫn phát triển tốt ở những nơi khí hậu lạnh giá, mùa đông kéo dài.
