Pin năng lượng mặt trời là gì? Nguyên lý và cơ chế tạo ra điện

Có lẽ tại thời buổi hiện đại hóa, các bạn đã không còn xa lạ đối với các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mắt trời. Pin mặt trời hay còn gọi là pin quang điện cũng sử dụng nguồn năng lượng tái tạo này nhắm phục vụ lợi ích con người. Loại pin này là thành phần quan trọng đối với hệ thống điện năng lượng mặt trời. Và đang được ứng dụng rộng rãi từ đời sống sinh hoạt cho tới các hoạt động kinh doanh sản xuất. 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.

Pin năng lượng mặt trời là gì?

Hệ Thống Pin Năng Lượng Mặt Trời

Pin năng lượng mặt trời hay Solar panel, tấm quang năng bao gồm nhiều tế bào quang điện (solar cells). Được áp dụng công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực năng lượng tái tạo. Trong đó các tế bào quang điện được làm từ vật liệu như silic, tác động với ánh sáng mặt trời. Khi photo từ ánh sáng mặt trời va chạm với electron và kích thích electron ra khỏi liên kết hóa học. Các electron này sẽ di chuyển tự do trong vật liệu bán dẫn và tạo ra dòng điện.

Và các chỉ số như cường độ dòng điện, hiệu điện thế hay điện trở của tấm pin mặt trời thay đổi phụ thuộc vào năng lượng ánh sáng chiếu lên chúng.

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. Pin được sử dụng cho xe máy điện, ô tô điện, máy phát điện mặt trời hoặc tự thiết lập hệ thống pin tại nhà,…

Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời dựa trên hiện tượng quang điện. Hiểu sơ qua là ánh sáng mặt trời chuyển đổi thành điện năng thông qua hiện tượng quang điện. Trong pin năng lượng mặt trời, tế bào quang điện được làm từ chất bán dẫn silicon hay còn gọi ngắn là silic. Silic này sẽ được pha tạp dựa trên 2 lớp điện tích khác nhau là n (thiếu electron) và p (dư electron). Đây là nguyên tắc p-n junction, điện tích âm và dương được kết hợp với nhau.

Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

Các silic loại n tạo ra nhiều nguyên tử có electron ở lớp ngoài. Một trong số đó là photpho. Ở Photpho có 5 electron trong đó, 4 electron sẽ liên kết với các silic xong quanh. Còn 1 electron sẽ tự do di chuyển bên trong cấu trúc của silic. Pin mặt trời cấu tạo bao gồm 1 lớp silic loại p đặt cạnh một lớp silic loại n. Khi ánh sáng chiết vào tế bào quang điện, các photon ánh sáng sẽ giải phóng các electron khỏi liên kết trong lớp p. Sau đó electron di chuyển sang lớp n tạo ra dòng điện. Khi ánh sáng chiếu vào sẽ tạo ra điện trường. Giúp định hình và tăng năng suất của quá trình chuyển đổi năng lượng.

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.

Yếu tố lắp đặt pin năng lượng mặt trời

Vị trí lắp đặt pin là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới hiệu suất hoạt động của hệ thống điện năng lượng mặt trời. Để pin hoạt động hiệu quả nhất, cần phải để ở những nơi tiếp xúc nhiều với ánh sáng mặt trời và tránh bóng râm.

• Hướng lắp đặt: Hướng lắp pin lý tưởng nhất đó là hướng nam. Hướng tây cũng đón được nhiều ánh sáng chiếu trong ngày. Nếu các bạn không lắp đăt hướng nam thì cũng có thể chọn hướng tây.
• Góc lắp: Các tấm pin thường được lắp một góc từ 30-40 độ.
• Bóng râm: Tuyệt đối tránh lắp đặt pin lại những nơi có nhiều bóng râm. Pin được lắp đặt tại những vị trí này sẽ kém hiệu quả rất nhiều.

Vị trí lắp đặt phổ biến

• Mái nhà: Vị trí phổ biến mà mọi người thường nghĩ đến đầu tiên đó là trên mái nhà. Máu nhà thường có diện tích rộng và có khả năng chịu gió tốt. Lắp đặt trên mái nhà là tiết kiệm diện tích và tận dụng được phần lớn ánh sáng mặt trời.
• Mặt đất: Đây là vị trí lắp đặt phù hợp cho các công trình nhà xưởng,… Tuy nhiên, cần chọn nơi thoáng và không bị che lấp với các tòa nhà cao tầng,
• Nước: Pin năng lượng mặt trời cũng có thể lắp nổi trên mặt nước. Tối ưu hóa năng suất. Tuy nhiên, để lắp pin trên nước cần rất nhiều chi phó đầu tư và công nghệ đặc biệt.

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 của pin năng lượng mặt trời

Cấu tạo của tấm pin năng lượng mặt trời

Pin năng lược mặt trời có cấu trúc khá phức tạp:

• Lớp định hình: Thường dùng khung khung cố định các lớp của tấm pin. Khung này thường được làm từ nhôm hoặc thép không gỉ.
• Lớp chống phản xạ: Bảo vệ tấm pin khỏi các yếu tố môi trường như nước, bụi và hóa chất.
• Lớp kính: Lớp này có nhiệm vụ bảo vệ các tế bào quang điện khỏi các yếu tố môi trường và tăng chuyển đổi ánh sáng.
• Lớp tế bào quang điện: Chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành dòng điện. Cấu trúc này dựa trên nguyên tắc p-n junction với một lớp doped dương (p) và một lớp doped âm (n). Vật liệu chính là silic.
• Lớp chống lão hóa: Giảm phản xạ của ánh sáng và tăng khả năng hấp thụ. Có các chất phủ chống phản xạ như titan dioxide.
• Lớp chống thấm nước và cách điện: Bảo vệ tế bào quang điện khỏi nước và cách điện.

Mỗi một thành phần trong cấu trúc của pin mặt trời đều đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuyển đổi năng lượng. Để tối ưu hóa và kết nối chặt chẽ giữa các lớp trên là nhiều công đoạn phức tạp. Vì thế để làm được hệ thống pin năng lượng mặt trời là không phải điều dễ dàng cũng như tốn kém chi phí đầu tư.

Nhược điểm của pin mặt trời

Đối với các dạng năng lượng tái tạo thì năng lượng mặt trời đã được khai thác từ rất nhiều năm về trước. Đứng đầu nền công nghiệp khai thác năng lượng tái tạo. Nguồn năng lượng xanh không bao giờ mất. Tuy nhiên điều gì cũng có hai mặt, mặc dù đã được khai thác từ lâu. Nhưng vì sao pin mặt trời cho đến thời điểm hiện tại vẫn không được dùng phổ biến?

Chi phí đầu tư cao

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. Tuy nhiên, tất cả chi phí này sẽ bù đắp trong thời gian sử dụng hệ thống pin.

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.

Tỷ lệ chuyển đổi kém

Tủ lệ chuyển đổi năng lượng của pin chỉ dao động từ 20-25%. Có nghĩa là chỉ 20-25% lượng ánh sáng chiếu vào pin được chuyển hóa thành điện năng. 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.

Phụ thuộc vào thời tiết

Hiệu suất hoạt động của pin còn phụ thuộc hoàn toàn vào thời tiết. Pin sẽ hoạt động hiệu quả vào những ngày trời nắng, có nhiều ánh sáng mặt trời. Và ngược lại, đối với những ngày nhiều mây và có mưa, hiệu suất của pin sẽ suy giảm đáng kể.

Hơn nữa, dòng pin này không thể dùng vào ban đêm. Do đó, hệ thống điện năng lượng mặt trời này cần được kết nối với lưới điện để cung cấp thêm điện vào ban đêm.

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 Máy phát nhập khẩu cung cấp sẽ giúp ích cho bạn đọc trong việc lựa chọn thiết bị cung cấp và dự trữ điện năng.