Pin mặt trời là một trong những bộ phận nắm giữ vai trò quan trọng nhất trong hệ thống chuyển đổi ánh sáng mặt trời trở thành điện năng. Chính vì thế, nếu muốn sử dụng nguồn năng lượng xanh đến từ mặt trời thì việc hiểu rõ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin mặt trời là điều mà rất nhiều người tìm kiếm.
Vậy xin mời các bạn hãy cùng chúng tôi đi tìm hiểu về pin mặt trời ngay trong bài viết dưới đây nhé.
Pin mặt trời là gì?
Pin mặt trời [còn được gọi là pin năng lượng mặt trời] hay solar panel là một thiết bị có thể chuyển đổi năng lượng từ ánh sáng mặt trời [ quang năng] trở thành điện năng bằng các hiệu ứng về quang điện và lý thuyết về nền tảng vật lý bán dẫn.
Cụ thể hơn, theo Wikipedia: “Pin mặt trời bao gồm rất nhiều các tế bào quang điện [solar cells]. Các tế bào này là một phần tử bán dẫn và sở hữu rất nhiều các cảm biến ánh sáng trên bề mặt tế bào. Những tế bào này sẽ đảm nhận việc biến đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng điện.”
Nguồn năng lượng điện được tạo ra từ ánh sáng mặt trời được đánh giá là có hiệu suất cao và tuổi thọ trung bình lên đến hơn 30 năm.
Ngoài ra, trong điều kiện các nguồn năng lượng không thể tái tạo như dầu thô, than đá,... đang dần dần cạn kiệt thì việc sử dụng một nguồn năng lượng xanh như ánh sáng mặt trời chính là xu hướng tương lai của cả thế giới.
Cấu tạo pin mặt trời như thế nào?
Pin mặt trời có cấu tạo bao gồm 8 bộ phận bao gồm:
- Khung nhôm
- Kính cường lực
- Lớp màng EVA
- Solar Cell
- Tấm nền pin [phía sau]
- Hộp đấu dây
- Cáp điện
- Jack kết nối MC4
Khung nhôm
Khung nhôm có chức năng tạo ra một kết cấu vững chắc và cứng cáp để có thể chống đỡ cho solar cell cùng với các bộ phận khác.
Bên cạnh độ cứng cáp, phần khung này cũng phải đảm bảo về khối lượng để có thể cố định chắc chắn và bảo vệ các bộ phận khác ở bên trong trước những tác động của ngoại lực bên ngoài.
Kính cường lực
Để có thể bảo vệ phần pin một cách tốt nhất khỏi các yếu tố của thời tiết như mưa, tuyết, bụi, mưa đá, gió, nhiệt độ,... hay các tác động va đập khác từ phía bên ngoài thì kính cường lực cũng là một trong những bộ phận được thiết kế vô cùng tỉ mỉ.
Phần kính cường lực thường được sử dụng trong pin mặt trời có độ dày từ 2 - 4 mm [độ dày thường thấy nhất là 3.2 -3.3mm]. Đây là một độ dày hoàn hảo để vừa đủ khả năng bảo vệ lại duy trì được độ trong suốt [tránh việc ánh sáng mặt trời bị phản lại.
Lớp màng EVA
Lớp màng EVA [Ethylene vinyl acetate] là một lớp màng có trách nhiệm kết dính. Đây là 2 lớp màng polymer trong suốt được đặt trên và dưới solar cell có nhiệm vụ kết nối solar cell với 2 bộ phận là kính cường lực phía trên và tấm nền phía dưới.
Ngoài ra, bộ phận này còn có công dụng là bảo vệ solar cell khỏi sự rung động, hấp thụ bụi bẩn và hơi ẩm.
Thông thường, lớp màng EVA này sẽ có sức chịu được nhiệt độ khắc nghiệt và độ bền vô cùng cao.
Solar Cell
Về cơ bản, pin mặt trời được cấu tạo từ rất nhiều các đơn vị nhỏ hơn đó là solar cell. Hiện nay, trên thị trường, một số loại pin mặt trời thông dụng như mono hay poly thường có thành phần cấu tạo chính là silic.
Tấm nền pin [phía sau]
Để bảo đảm an toàn, tấm nền pin thường sẽ có chức năng cách điện, bảo vệ cơ học và chống ẩm. Một vài vật liệu thường được sử dụng để làm tấm nền pin đó là polymer, nhựa PVF, PP, PET,...
Hiện nay, với sự tiến bộ của công nghệ, rất nhiều hãng về năng lượng mặt trời đã cho ra mắt một số dòng sản phẩm không có tấm nền phía sau mà thay vào đó là kính cường lực trong suốt để tăng khả năng hấp thụ ánh sáng ở cả 2 mặt của sản phẩm.
Hộp đấu dây
Nằm ở vị trí phía trong cùng. Đây là nơi tập hợp và vận chuyển năng lượng điện do tấm pin sản sinh đi ra bên ngoài.
Bộ phận này thường là điểm trung tâm nên sẽ được thiết kế chắc chắn nhất.
Cáp điện DC
Đây là loại cáp điện chuyên dụng dành cho điện mặt trời. Loại cáp này có khả năng cách điện 1 chiều DC cực kỳ ấn tượng, cộng thêm vào đó là sự chịu đựng tốt trước những sự thay đổi khắc nghiệt của thời tiết và 1 số tác động khác.
Jack kết nối MC4
Đây là thiết bị đầu nối điện thường được dùng để kết nối các tấm pin mặt trời. "MC" trong MC4 là viết tắt của nhà sản xuất Multi-Contact. Loại jack kết nối này giúp bạn dễ dàng kết nối các tấm pin và dãy pin bằng cách gắn jack từ các tấm pin liền kề với nhau bằng tay.
Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời
Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời phụ thuộc chính vào solar cell. Trên mỗi một tấm pin mặt trời sẽ có kết cấu bao gồm 65-72 tế bào quang điện.
Như đã nói ở trên, bộ phận solar cells này được cấu tạo từ silic dạng đa tinh thể, một loại chất bán dẫn phổ biến nhất trên thế giới hiện nay,
Với chất bán dẫn này, tính dẫn điện của nó sẽ phụ thuộc vào mức năng lượng nhận được [ năng lượng photon từ ánh sáng và lý thuyết cơ học lượng tử] để kích thích các electron ở lớp N tách khỏi vị trí ban đầu của nó và để lại một lỗ hồng rồi di chuyển về phía lớp P. Lúc này, các electron đã có thể di chuyển tự do. Khi hiện tượng này diễn ra liên tiếp khi có nguồn ánh sáng chiếu vào liên tục và hình thành dòng chảy của electron.
Trên đây là những thông tin về cấu tạo pin mặt trời và nguyên lý hoạt động của nó. Nếu các bạn có những sự quan tâm và muốn lắp đặt một hệ thống pin mặt trời thì đừng bỏ qua những thông tin trên. Chúng sẽ giúp ích cho các bạn rất nhiều đó!
Ngày nay, bạn sẽ dễ dàng thấy hình các ngôi nhà lắp đặt bởi các tấm pin mặt trời. Hầu hết mọi người đều biết rằng các tấm pin này tạo ra điện và chúng có thể được lắp đặt cho các gia đình và cơ sở kinh doanh để tiết kiệm tiền điện.
Nhưng nếu bạn là người tò mò và tự hỏi, “vậy các tấm pin mặt trời hoạt động như thế nào?”, Hãy tiếp tục đọc, khi chúng tôi sẽ chia sẻ một số bí ẩn xung quanh vấn đề này.
Làm thế nào để các tấm pin hoạt động?
Đầu tiên, chúng ta hãy nhìn vào mặt trời. Nó là một lò phản ứng hạt nhân khổng lồ 93 triệu dặm từ đó được phát năng lượng trong mọi hướng dưới hình thức các loại nhỏ gọi là photon
Các số lượng photon đó đến bề mặt Trái đất mỗi giờ để cung cấp nhiều điện hơn cho chúng ta sử dụng trên toàn thế giới trong cả năm. Bằng cách khai thác năng lượng đó một cách hữu ích – đó chính là công dụng của pin mặt trời
Pin năng lượng mặt trời hoạt động như thế nào để chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng?
Tấm pin là một tập hợp nhiều tế bào quang điện [PV] được phủ bằng kính bảo vệ và được giữ với nhau bằng khung kim loại. Đây là lý do tại sao tên chính thức của pin là “mô-đun PV”. Các Solar cell PV này được làm bằng vật liệu bán dẫn, điển hình là silicon, được cắt lát siêu mỏng.
Mỗi cell PV có một lớp âm và một lớp dương. Lớp âm có thêm các electron và lớp dương có chỗ cho các electron đó. Điện là chuyển động của các electron vì vậy để một tấm pin mặt trời tạo ra điện, chúng ta chỉ cần một lượng năng lượng va chạm các electron lỏng lẻo để chúng sẽ chảy từ lớp âm sang lớp dương.
Các photon từ mặt trời đập vào bề mặt hành tinh của chúng ta suốt cả ngày là chìa khóa để trả lời câu hỏi làm thế nào để các tấm pin mặt trời hoạt động.
Năng lượng từ các photon đó làm lỏng các electron ở mặt âm của tế bào PV và khiến chúng chuyển động, có nghĩa là bây giờ chúng ta có dòng điện chạy qua. Đây được gọi là Hiệu ứng Quang điện.
Nhưng đó mới chỉ là phần mở đầu của câu chuyện tìm hiểu cách thức hoạt động của các tấm pin mà thôi vì những electron đó cần một con đường để đi theo và điện năng phải ở dạng hữu ích. Vậy nó diễn ra như thế nào?
Hình thức mà chúng ta tạo ra cho các electron được gọi là một mạch. Khi chúng rời khỏi lớp âm của tế bào PV, chúng ta muốn chúng chạy qua các tải của chúng ta [như đèn và thiết bị điện] để các electron có thể cung cấp năng lượng cho các tải đó khi chúng đi đến lớp dương của tế bào PV.
Dòng điện là quan trọng
Các tấm pin tạo ra dòng điện một chiều [DC] nhưng sản xuất điện mà chúng ta sử dụng trong nhà là dòng điện xoay chiều [AC]. Để khắc phục sự cố này, chúng ta thêm một biến tần vào mạch. Sau đó, bộ biến tần chuyển đổi nguồn DC thành nguồn AC.
Bộ biến tần là yếu tố chính trong việc xác định cách hoạt động của các tấm pin vì nếu không có bộ biến tần trong hệ thống PV, chúng ta không thể làm được gì nhiều với năng lượng tạo ra từ các tấm pin này
Biến tần có nhiều hình dạng và kích thước, và loại bạn nên sử dụng phụ thuộc vào một số yếu tố, bao gồm:
- Chi phí: Bộ biến tần tạo ra nhiều đầu ra hơn nhưng nhìn chung đắt hơn
- Một phần của mảng năng lượng mặt trời có bị che bóng hay không: Bất kỳ bóng mờ nào cũng dẫn đến giảm sản lượng lớn nếu sử dụng biến tần chuỗi
Hai loại biến tần chính là biến tần micro inverter và string inverter
Micro inverter [biến tần vi mô]
Bộ biến tần này là thiết bị nhỏ có thể được gắn ngay dưới tấm pin năng lượng mặt trời. Chúng được thiết kế để xử lý năng lượng điện chỉ từ một [hoặc đôi khi là hai] tấm pin mặt trời, chuyển đổi DC thành AC ngay tại chỗ. Một số nhà sản xuất thậm chí còn chế tạo các tấm pin có tích hợp bộ biến tần trong thiết kế và gọi chúng là “mô-đun AC”.
String inverter [biến tần chuỗi]
Bộ biến tần “chuỗi” lớn hơn, còn được gọi là bộ biến tần trung tâm, được thiết kế để chuyển đổi nguồn DC của nhiều mô-đun PV. Các loại này có kích thước nhỏ như 3 kilowatt sẽ hoạt động cho 10–12 tấm pin hoặc lớn đến 5 megawatt có thể chuyển đổi năng lượng từ 20.000 tấm
Với các loại biến tần năng lượng mặt trời dạng chuỗi này, bạn sẽ kết nối các tấm pin với nhau theo chuỗi “dây” và cấp điện áp một chiều cho bộ biến tần. Sau đó, nó sẽ hạ xuống điện áp AC phù hợp với gia đình hoặc cơ sở kinh doanh nơi hệ thống đang được lắp đặt.
Hiệu suất năng lượng mặt trời là gì và nó thực sự có ý nghĩa gì?
Đánh giá hiệu suất đo lường phần trăm ánh sáng mặt trời chiếu vào pin được chuyển đổi thành điện năng sử dụng được. Hiệu suất càng lớn thì diện tích bề mặt càng ít để hệ thống đáp ứng yêu cầu năng lượng của bạn — nhưng giá sẽ càng cao.
Một số người kết hợp mức hiệu quả cao hơn với tấm chất lượng cao hơn, nhưng điều này không hẳn là đúng. Hiệu quả cao có nghĩa là hệ thống năng lượng mặt trời của bạn sẽ sử dụng ít không gian hơn trên mái nhà hơn. Do đó, những người sống ở các khu vực mật độ cao và có rất ít không gian sử dụng năng lượng mặt trời thường quan tâm hơn đến mức hiệu quả.
Làm thế nào để các tấm pin hoạt động: buộc tất cả lại với nhau
Để hoàn thành câu chuyện về cách hoạt động của các tấm pin, trong một hệ thống tiêu chuẩn, nối lưới, điện xoay chiều từ bộ biến tần cấp vào nhà hoặc tòa nhà thương mại. Nguồn điện xoay chiều đó chạy các tải điện như đèn, thiết bị, máy tính, máy điều hòa không khí và máy móc.
Với đồng hồ đo điện, nếu các tấm pin đang tạo ra nhiều điện hơn những phụ tải đang sử dụng, thì năng lượng dư thừa sẽ được ngược lại lên lưới điện. Lượng điện dư thừa này được theo dõi bởi đồng hồ đo điện và công ty điện lực sẽ đo lường lại cho bạn khi lắp công tơ 2 chiều. Nếu các tải cần nhiều điện hơn hệ thống đang tạo ra, thì công suất bổ sung cần thiết đến từ công ty tiện ích.
Vào cuối tháng, công ty điện lực sẽ thanh toán lượng điện từ hệ thống của bạn lên lưới điện theo đơn giá mua điện từng năm.