Tấm pin năng lượng mặt trời là gì?
1, Pin năng lượng mặt trời là gì?
Pin Mặt trời, tấm năng lượng mặt trời hay tấm quang điện (Solar panel) bao gồm nhiều tế bào quang điện (solar cells) - là phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là điốt quang, thực hiện biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện. Cường độ dòng điện, hiệu điện thế hoặc điện trở của pin mặt trời thay đổi phụ thuộc bởi lượng ánh sáng chiếu lên chúng. Tế bào quang điện được ghép lại thành khối để trở thành pin mặt trời (thông thường 60 hoặc 72 tế bào quang điện trên một tấm pin mặt trời). Tế bào quang điện có khả năng hoạt động dưới ánh sáng mặt trời hoặc ánh sáng nhân tạo. Chúng có thể được dùng như cảm biến ánh sáng (ví dụ cảm biến hồng ngoại), hoặc các phát xạ điện từ gần ngưỡng ánh sáng nhìn thấy hoặc đo cường độ ánh sáng.
Sự chuyển đổi này thực hiện theo hiệu ứng quang điện. Hoạt động của pin mặt trời được chia làm ba giai đoạn:
- Đầu tiên năng lượng từ các photon ánh sáng được hấp thụ và hình thành các cặp electron-hole trong chất bán dẫn.
- Các cặp electron-hole sau đó bị phân chia bởi ngăn cách tạo bởi các loại chất bán dẫn khác nhau (p-n junction). Hiệu ứng này tạo nên hiệu điện thế của pin mặt trời.
- Pin mặt trời sau đó được nối trực tiếp vào mạch ngoài và tạo nên dòng điện.
Các pin năng lượng Mặt trời có nhiều ứng dụng trong thực tế. Do giá thành còn đắt, chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng mà điện lưới khó vươn tới như núi cao, ngoài đảo xa, hoặc phục vụ các hoạt động trên không gian; cụ thể như các vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo Trái Đất, máy tính cầm tay, các máy điện thoại cầm tay từ xa, thiết bị bơm nước... Các Pin năng lượng Mặt trời được thiết kế như những modul thành phần, được ghép lại với nhau tạo thành các tấm năng lượng Mặt trời có diện tích lớn, thường được đặt trên nóc các tòa nhà nơi chúng có thể có ánh sáng nhiều nhất, và kết nối với bộ chuyển đổi của mạng lưới điện. Các tấm pin Mặt Trời lớn ngày nay được lắp thêm bộ phận tự động điều khiển để có thể xoay theo hướng ánh sáng, giống như loài hoa hướng dương hướng về ánh sáng Mặt Trời.
Đã có nhiều loại vật liệu khác nhau được thử nghiệm chế tạo pin Mặt trời. Có hai tiêu chuẩn đánh giá, là hiệu suất và giá cả. Hiệu suất là tỉ số giữa năng lượng điện từ và năng lượng ánh sáng Mặt trời. Vào buổi trưa một ngày trời trong, ánh Mặt trời tỏa nhiệt khoảng 1000 W/m². trong đó 10% hiệu suất của 1 module 1 m² cung cấp năng lượng khoảng 100W. hiệu suất của pin Mặt trời thay đổi từ 6% từ pin Mặt trời làm từ silic không thù hình, và có thể lên đến 30% hay cao hơn nữa.
Ngày nay thì vật liệu chủ yếu chế tạo pin Mặt trời (và cho các thiết bị bán dẫn) là silic dạng tinh thể. Pin Mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành ba loại:
- Một tinh thể hay tinh thể đơn (module) sản xuất dựa trên quá trình Czochralski. Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16%. Chúng thường rất đắt tiền do được cắt từ các thỏi silic hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module.
- Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc - đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm nguội và làm rắn. Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn. Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó.
- Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể. Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon.
Nền tảng chế tạo dựa trên Công nghệ sản xuất tấm mỏng, có độ dày 300 μm và xếp lại để tạo nên các module tạo thành các loại pin trên.
Khi công nghệ và kỹ thuật phát triển thì việc ứng dụng năng lượng mặt trời để sản xuất ra điện ngày càng trở lên dễ dàng hơn. Nhu cầu năng lượng sạch rất lớn nên việc sản xuất pin mặt trời cũng phát triển nhanh.
Điện mặt trời còn gọi là quang điện hay quang năng là biến đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng nhờ tấm pin mặt trời. Các tấm pin mặt trời ghép lại với nhau thành các module. Ánh nắng mặt trời chiếu vào các module chuyển thành điện năng trực tiếp. Do các hạt photon đập vào electron làm tăng năng lượng electron. Electron di chuyển nhanh đến mức tạo thành dòng điện một chiều.
Thời kỳ đầu việc nghiên cứu ra sử dụng điện năng từ năng lượng mặt trời chủ yếu phục vụ trong quân sự, nghiên cứu vũ trụ, vệ tinh nhân tạo hay phi thuyền. Nhưng ngày nay, công nghệ sản xuất điện mặt trời phát triển thì việc sử dụng điện mặt trời cho gia đình ngày càng phổ biến.
Các tấm pin được bảo vệ bởi một lớp gương để ngăn tác động xấu từ môi trường. Các tấm pin càng được ghép thành diện tích lớn thì sản lượng điện càng cao. Hiện giờ các nước đang khuyến khích phát triển điện mặt trời. Các chính phủ đều có chính sách ưu đãi như mua lại điện dư thừa được sản xuất ra từ năng lượng mặt trời. Chính phủ Việt Nam cũng đang có chính sách khuyến khích phát triển điện mặt trời.
2. Cấu tạo tấm pin năng lượng mặt trời
Pin năng lượng mặt trời được chia làm 8 bộ phận gồm: khung nhôm, kính cường lực, lớp màng EVA, solar cell, tấm nền pin (phía sau), hộp đấu dây (junction box), cáp điện, Jack kết nối MC4.
1. Khung nhôm: có chức năng tạo ra một kết cấu đủ cứng cáp để tích hợp solar cell và các bộ phận khác lên. Với thiết kế cứng cáp nhưng vẫn đảm bảo trọng lượng đủ nhẹ, khung nhôm có thể bảo vệ và cố định các thành phần bên trong trước tải trọng gió lớn và ngoại lực tác động bên ngoài. Một số hãng ví dụ như Canadian Solar, thậm chí khung nhôm còn được anode hóa và gia cố thanh ngang để tăng độ cứng cáp cho tấm pin. Màu sắc phổ biến của khung nhôm là bạc.
2. Kính cường lực: giúp bảo vệ solar cell khỏi các tác động của thời tiết như nhiệt độ, mưa, tuyết, bụi, mưa đá (đường kính 2,5cm trở xuống) và các tác động va đập khác từ bên ngoài. Kính cường lực được thiết kế có độ dày từ 2-4mm (đa số là khoảng 3.2-3.3mm) để đảm bảo vừa đủ khả năng bảo vệ và duy trì được độ trong suốt cho tấm pin mặt trời (ánh sáng ít bị phản xạ, khả năng hấp thụ tốt).
3. Lớp màng EVA (ethylene vinyl acetate) còn được được gọi là chất kết dính, là 2 lớp màng polymer trong suốt được đặt trên và dưới lớp solar cell có tác dụng kết dính solar cell với lớp kính cường lực phía trên và tấm nền phía dưới. Lớp này còn có tác dụng hấp thụ và bảo vệ solar cell khỏi sự rung động, tránh bám bụi và hơi ẩm. Vật liệu EVA có khả năng chịu đựng nhiệt độ khắc nghiệt và có độ bền cực kỳ cao.
4. Lớp Solar cell (tế bào quang điện). Pin mặt trời được cấu tạo từ nhiều đơn vị nhỏ hơn là solar cell. Những loại pin năng lượng mặt trời thông dụng như mono và poly được làm từ silic, một loại chất bán dẫn phổ biến. Trong một cell, tinh thể silic bị kẹp giữa hai lớp dẫn điện (ribbon và các thanh busbar). Một tế bào quang điện sử dụng hai lớp silic khác nhau, loại N và loại P.
5. Tấm nền pin (phía sau), có chức năng cách điện, bảo vệ cơ học và chống ẩm. Vật liệu được sử dụng có thể là polymer, nhựa PP, PVF, PET. Tấm nền có độ dày khác nhau tùy vào hãng sản xuất. Phần lớn tấm nền sẽ có màu trắng.
Với sự phát triển của công nghệ, hiện tại một số hãng như Canadian Solar đã có một số dòng pin đặc biệt như BiKu, loại pin không có tấm nền phía sau, thay vào đó là mặt kính cường lực trong suốt giúp pin năng lượng mặt trời có thể hấp thụ ánh sáng ở cả hai mặt trước và sau.
6. Hộp đấu dây (junction box) nằm ở phía sau cùng, là nơi tập hợp và chuyển năng lượng điện được sinh ra từ tấm pin năng lượng mặt trời ra ngoài. Vì đây là điểm trung tâm nên được thiết kế bảo vệ khá chắc chắn.
7. Cáp điện DC, loại cáp điện chuyên dụng cho điện năng lượng mặt trời, có khả năng cách điện một chiều DC cực tốt, kèm với đó là khả năng chống chịu tốt trước sự khắc nghiệt của thời tiết (tia cực tím, bụi, nước, ẩm..) và tác động cơ học khác.
8. Jack kết nối MC4, là 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.
