Pin mặt trời là gì?Cơ chế tạo ra điện của pin mặt trời bạn đã biết chưa?
Tấm pin mặt trời là một trong những bộ phận quan trọng và không thể thiếu của hệ thống điện năng lượng mặt trời. Hiện nay, nó được ứng dụng khá rộng rãi và mang đến rất nhiều lợi ích phục vụ đời sống sinh hoạt, kinh doanh sản xuất của con người. Vậy pin năng lượng mặt trời là gì, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tấm pin mặt trời như thế nào? Mời các bạn cùng tìm hiểu qua bài viết được chia sẻ dưới đây.
Tóm tắt nội dụng
- Pin năng lượng mặt trời là gì?
- Khai thác điện bằng pin mặt trời như thế nào?
- Cấu tạo và nguyên lý hoạt động pin mặt trời như thế nào?
- Điểm yếu của pin mặt trời
Pin năng lượng mặt trời là gì?
Pin năng lượng mặt trời hay Solar panel, tấm quang năng bao gồm nhiều tế bào quang điện (solar cells). Những tế bào quang điện này là phân tử bán dẫn, trên bề mặt có chứa các cảm biến ánh sáng là điốt quang, mang nhiệm vụ thực hiện chuyển hóa năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện. Và các chỉ số như cường độ dòng điện, hiệu điện thế hay điện trở của tấm phin mặt trời thay đổi phụ thuộc vào năng lượng ánh sáng chiếu lên chúng.
Tấm pin mặt trời
Cũng giống như thủy điện thì tạo ra điện từ nước, nhiệt điện tạo ra điện từ than… chúng có hiệu suất cao và có tuổi thọ trung bình có thể lên đến 30 năm mang lại rất nhiều lợi ích. Bởi vậy những tấm pin mặt trời được ứng dụng khá rộng rãi trong việc tạo ra nguồn năng lượng xanh phục phụ đời sống con người.
Khai thác điện bằng pin mặt trời như thế nào?
Điện đóng vai trò rất quan trọng, nên việc tìm kiếm các tài nguyên tạo ra điện là điều cần thiết. Tuy nhiên nếu sử dụng cách đốt nhiên liệu chuyển hóa thành điện năng hay các nhà máy nhiệt điện,… thì sẽ gây hại cho môi trường. Chưa kể, những nguồn tài nguyên hóa thạch đang dần cạn kiệt. Nên năng lượng tái tạo đang trở thành ưu tiên số một và năng lượng mặt trời là một trong những loại năng lượng tái tạo mà con người đang nhắm tới khai thác.
Khai thác điện năng bằng pin mặt trời
Quá trình khai thác điện năng lượng mặt trời sẽ cần sử dụng đến những tấm pin mặt trời có tế bào quang điện. Những tế bào này có nhiệm vụ thu ánh sáng mặt trời và biến nó thành dòng điện có thể sử dụng được. Để có thể hấp thu năng lượng mặt trời một cách tốt nhất, thì các tấm pin thường được đặt trên những mái nhà dốc, hướng lên phía mặt trời và đảm bảo mái nhà không bị che và có bóng râm từ các cây cối, tòa nhà khác…
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động pin mặt trời như thế nào?
Cấu tạo của tấm pin năng lượng mặt trời
Tấm pin năng lượng mặt trời được cấu tạo bởi 8 bộ phận chính, đó là:
- Khung nhôm: Là một bộ phận có kết cấu cứng cáp để tích hợp các tế bào quang điện (solar cells) và các bộ phận khác.
- Kính cường lực: Giúp bảo vệ các tế bào quang điện khỏi các tác động của thời tiết như nhiệt độ, bụi, mưa đá,.. và các tác động va chạm khác từ bên ngoài. Kính được thiết kế có độ dày 3m – 3.5m.
- Lớp EVA (ethylene vinyl acetate): Đây là thành phần được coi là chất kết dính, là 2 lớp polymer mỏng đặt trên và dưới lớp solar cells. Nhằm kết dính lớp tế bào quang điện với kính cường lực phía trên và lớp phía dưới. Ngoài ra lớp này còn tối ưu hóa khả năng hấp thụ và bảo vệ solar cells khỏi sự rung động, tránh bám bụi bẩn và sự tích tụ hơi nước. Là vật liệu có khả năng chịu nhiệt rất tốt và độ bền cao.
- Lớp solar cell: Pin năng lượng mặt trời thông dụng được làm từ silic – chất bán dẫn phổ biến. Trong một tế bào (cell), tinh thể silic nằm ở giữa hai lớp dẫn điện. Một solar cells được sử dụng 2 lớp silic khác nhau.
- Tấm nền pin: Có chức năng cách điện, bảo vệ cơ học và giữ độ ẩm. Tùy vào hãng sản xuất mà tấm nền pin sẽ có độ dày khác nhau.
- Hộp đấu dây: Hộp đấu dây (junction box) là hộp nằm ở phía sau cùng, là nơi tập hợp và chuyển giao năng lượng điện được tạo ra từ tấm pin năng lượng mặt trời ra ngoài. Đây được coi là vị trí quan trọng nên được lắp ráp và thiết kế chắc chắn.
- Cáp điện DC: Là loại cáp điện chuyên dụng cho điện năng mặt trời, có khả năng cách điện tốt đồng thời là khả năng chống chịu tốt từ môi trường bên ngoài như: tia cực tím, bụi,….
- Jack kết nối MC4: Là đầu nối để kết nối tấm pin mặt trời với nguồn điện thường dùng. Loại jack này giúp chúng ta dễ dàng kết nối tấm pin và dãy pin từ các tấm pin liền kề với nhau bằng cách gắn jack.
Nguyên lý hoạt động
Một tế bào năng lượng mặt trời được chế tạo bằng vật liệu bán dẫn, ví dụ như silicon. Chất bán dẫn có độ dẫn điện ở mức trung gian giữa chất dẫn và chất cách điện. Nguyên tử silicon cần 4 electron để trung hòa điện tích nhưng lớp vỏ bên ngoài một nguyên tử silicon chỉ có một nửa số electron cần thiết nên nó sẽ bám chặt với các nguyên tử khác để tìm cách trung hòa điện tích.
Cơ chế hoạt động của pin mặt trời
Để tăng độ dẫn điện của silicon, các nhà khoa học đã “tạp chất hóa” nó bằng cách kết hợp nó với các vật liệu khác. Quá trình này được gọi là “doping” và silicon pha tạp với các tạp chất tạo ra nhiều electron tự do và lỗ trống. Một chất bán dẫn silicon có hai phần, mỗi phần được pha tạp với một loại vật liệu khác. Phần đầu tiên được pha với phốt pho, phốt pho cần 5 electron để trung hòa điện tích và có đủ 5 electron trong vỏ của nó. Khi kết hợp với silicon, một electron sẽ bị dư ra. Electron đặc trưng cho điện tích âm nên phần này sẽ được gọi là silicon loại N (điện cực N). Để tạo ra silicon loại P (điện cực P), các nhà khoa học kết hợp silicon với boron. Boron chỉ cần 3 electron để trung hòa điện tích và khi kết hợp với silicon sẽ tạo ra những lỗ trống cần được lấp đầy bởi electron.
Khi chất bán dẫn silicon tiếp xúc với năng lượng, các electron tự do ở điện cực N sẽ di chuyển sang để lấp đầy các lỗ trống bên điện cực P. Sau đó, các electron từ điện cực N và điện cực P sẽ cùng nhau tạo ra điện trường. Các tế bào năng lượng mặt trời sẽ trở thành một diode, cho phép electron di chuyển từ điện cực P đến điện cực N, không cho phép di chuyển ngược lại.
Tất nhiên, để kích hoạt quá trình cần có năng lượng tiếp xúc với các tế bào silicon. Ánh sáng mặt trời được làm bằng các photon, các hạt nhỏ năng lượng có thể tiếp xúc với các tế bào năng lượng mặt trời và nới lỏng liên kết của các electron ở điện cực N. Sự di chuyển của các elentron tự do từ điện cực N tới điện cực P tạo ra dòng điện. Khi điện trường đã được tạo ra, tất cả những gì chúng ta cần làm là thu thập và chuyển nó từ dòng điện 1 chiều thành dòng điện xoay chiều để có thể sử dụng.
Điểm yếu của pin mặt trời
Là một trong những phát minh tiêu biểu đi đầu trong nền công nghiệp khai thác năng lượng tái tạo thay thế các năng lượng hóa thạc truyền thông. Không mất công vận hành, không gây ồn, không tạo khí thải độc hại, không tốn nhiều phí bảo trì nhờ có độ bền cao, nhưng tại sao không có nhiều ứng dụng dành cho pin mặt trời? chúng ta cùng điểm qua một số lí do mà pin mặt trời chưa được sử dụng phổ biến.
Giá thành cao so với nguồn cung cấp điện khác
Chi phí lắp đặt một hệ thống pin mặt trời rơi vào khoảng 15.000 – 40.000 USD (300 triệu – 1 tỷ VNĐ). Tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng và tích trữ điện năng của gia đình mà bạn có thể lắp vài tấm pin tùy theo nhu cầu, với giá thành tùy thuộc vào chủng loại cũng như số lượng lắp đặt.
Chi phí lắp đặt pin mặt trời
Còn nếu bạn muốn một hệ thống pin hoàn chỉnh để thay thế hoàn toàn loại điện thông dụng, thì chi phí lắp đặt sẽ rơi vào khoảng 100 triệu – 200 triệu đồng. Con số này đã trở thành vật cản, khiến pin mặt trời không được ứng dụng tại quá nhiều nơi.
Thay vào đó nếu ta sử dụng các nguồn cung cấp điện khác như máy phát điện thì chi phí đầu vào của chúng ta sẽ rẻ hơn rất nhiều chỉ dao động từ vài triệu đến vài chục triệu đồng tùy vào công suất và nhu cầu sử dụng.
Hiệu suất của pin mặt trời vẫn kém hiệu quả
Các công nghệ biến ánh sáng mặt trời thành điện hiện tại vẫn kém hiệu quả. Các tấm pin mặt trời chưa thể hấp thụ toàn bộ năng lượng của ánh sáng mặt trời. Nói chung, những tế bào năng lượng mặt trời tốt nhất hiện tại chỉ có thể chuyển 25% năng lượng mà nó nhận được thành điện. Tại sao vậy? Thực tế là ánh sáng mặt trời, như tất cả các loại ánh sáng khác, bao gồm một quang phổ với các bước sóng khác nhau, mỗi bước sóng có một cường độ khác nhau. Có những bước sóng quá yếu không thể giải phóng các electron còn một số bước sóng lại quá mạnh với silicon.
Cần diện tích lớn để sử dụng
Một lí do nữa khiến cho hệ thống này trở thành vật phẩm “xa xỉ” không phải gia đình nào cũng có thể sở hữu là nó cần có một không gian đủ lớn để lắp đặt. Các chuyên gia kĩ thuật đều đồng ý rằng không phải mái nhà và khoảng sân nào cũng đủ rộng để lắp được số pin cần thiết.
Trên đây là một số thông tin về sử dụng pin mặt trời để tái tạo năng lương mặt trời chuyển hóa thành điện năng đang được sử dụng ở một số nơi thay thế việc khai thác nhiên liệu hóa thạch để sản xuất điện. Nhưng vẫn còn một số hạn chế chưa được khắc phục. Hi vọng rằng những thông tin mà Bình Minh cung cấp sẽ giúp ích cho bạn đọc trong việc lựa chọn thiết bị cung cấp và dự trữ điện năng.