Nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời

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.