Năng lượng mặt trời ngày càng trở nên phổ biến trong những năm gần đây như một nguồn năng lượng sạch và bền vững. Với tiềm năng giảm lượng khí thải carbon và sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, nhiều cá nhân và doanh nghiệp đang chuyển sang sử dụng năng lượng mặt trời như một giải pháp thay thế mang lại nhiều lợi ích lâu dài. Nhưng bạn đã bao giờ tự hỏi cấu tạo pin mặt trời có những gì chưa?
Trong bài đăng trên blog này, hãy cùng dienmattroigiadinh.net khám phá các thành phần phức tạp tạo nên pin mặt trời và cách chúng phối hợp với nhau để chuyển đổi nguồn năng lượng tự nhiên là ánh sáng mặt trời thành điện năng có thể sử dụng được. Vì vậy, nếu bạn tò mò về hoạt động bên trong của công nghệ năng lượng mặt trời, hãy đọc tiếp để làm sáng tỏ những bí mật đằng sau cấu tạo pin mặt trời.
NỘI DUNG TÓM TẮT
1. Giới Thiệu Về Pin Mặt Trời
Trước khi tìm hiểu cấu tạo pin mặt trời, hãy cùng nhau tìm hiểu sơ qua về nó. Một tấm pin năng lượng mặt trời (hay tấm pin quang điện) là một thiết bị có khả năng biến đổi ánh sáng thành dòng điện, hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện. Chúng là thành phần quan trọng trong hệ thống năng lượng mặt trời và được sử dụng rộng rãi trong thực tế.
Đặc biệt, chúng phù hợp với các khu vực mà hệ thống lưới điện không thể tiếp cận như các vùng núi cao, đảo xa hay để phục vụ các hoạt động trên không như vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo Trái Đất, máy tính cầm tay, điện thoại di động từ xa, bơm nước và các thiết bị khác.
2. Vật Liệu Cấu Tạo Pin Mặt Trời
Vật liệu pin năng lượng mặt trời bao gồm nhiều tế bào quang điện, được sản xuất từ hợp chất bán dẫn silic tinh khiết. Trên bề mặt của các tế bào này có chứa một số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là điốt quang, thực hiện quá trình chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện.
Để bảo vệ cho các tế bào quang điện này, chúng được phủ bởi một tấm kính trong suốt ở mặt trước và một lớp nhựa ở phía sau. Toàn bộ vật liệu được đóng gói chân không trong lớp nhựa polymer, với yêu cầu là càng trong suốt càng tốt.
Cường độ dòng điện, hiệu điện thế hoặc điện trở của pin mặt trời sẽ thay đổi tùy thuộc vào lượng ánh sáng chiếu lên chúng. Các tế bào quang điện sẽ được ghép lại với nhau để tạo thành một khối, thông thường chỉ có khoảng 60 hoặc 72 tế bào trên một tấm pin năng lượng mặt trời.
Hiện nay, các silic tinh thể là vật liệu chính để sản xuất pin năng lượng mặt trời. Có ba loại silic tinh thể chính như sau:
- Đơn tinh thể module được sản xuất bằng phương pháp Czochralski. Loại này có hiệu suất cao đến 16%.
- Đa tinh thể được sản xuất từ các thỏi đúc bằng cách đúc silic nung chảy và làm nguội cẩn thận. Mặc dù giá thành của chúng thấp hơn so với đơn tinh thể, hiệu suất lại kém hơn. Tuy nhiên, chúng có khả năng tạo ra các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn so với đơn tinh thể, điều này giúp bù đắp cho hiệu suất thấp của chúng.
- Dải Silic được hình thành từ các miếng phim mỏng bằng silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể. Đây là loại vật liệu có hiệu suất thấp nhất và giá thành rẻ nhất.
3. Cấu Tạo Pin Mặt Trời – Ưu Và Nhược Điểm Của Pin Mặt Trời
3.1 Các ưu điểm :
- Thân thiện với môi trường.
- Thời gian sử dụng có thể kéo dài đến hơn 25 năm.
- Không yêu cầu chi phí bảo trì.
3.2 Các nhược điểm:
Chi phí lắp đặt cao và khả năng sản xuất năng lượng giới hạn trong trường hợp có nhiều mây vào ban ngày hoặc khi không có ánh sáng mặt trời vào ban đêm.
Tuy nhiên, với sự phát triển của công nghệ, các nhược điểm này hy vọng sẽ được khắc phục để giảm giá thành của tấm pin mặt trời và chi phí lắp đặt, từ đó tạo điều kiện thuận lợi cho việc sử dụng pin mặt trời.
4. Cấu tạo pin mặt trời
Pin năng lượng mặt trời được chia thành 8 bộ phận: khung nhôm, kính cường lực, lớp màng EVA, solar cell, tấm nền pin (phía sau), hộp đấu dây (junction box), cáp điện và Jack kết nối MC4.
4.1 Khung nhôm
Có chức năng tạo ra một kết cấu vững chắc để tích hợp các bộ phận khác vào tấm pin. Khung nhôm được thiết kế để có trọng lượng nhẹ nhưng vẫn đảm bảo tính cứng cáp. Nó có khả năng bảo vệ và giữ chặt các thành phần bên trong trước các tác động từ tải trọng gió lớn và ngoại lực bên ngoài.
Một số hãng sản xuất tấm pin như Canadian Solar đã anode hóa khung nhôm và gia cố thanh ngang để tăng độ cứng cáp cho tấm pin. Một phổ màu thông dụng cho khung nhôm là màu bạc.
4.2 Kính cường lực
Có tác dụng bảo vệ tế bào năng lượng mặt trời khỏi các yếu tố thời tiết như nhiệt độ, mưa, tuyết, bụi, mưa đá (đường kính từ 2,5cm trở xuống) và các tác động bên ngoài khác. Kính cường lực được thiết kế với độ dày từ 2 đến 4mm, đa số là khoảng 3,2-3,3mm để đảm bảo khả năng bảo vệ và duy trì độ trong suốt cho tấm pin mặt trời. Nó cũng giúp hạn chế hiện tượng phản xạ ánh sáng và tăng khả năng hấp thụ của tấm pin mặt trời.
4.3 Màng EVA
Với các thành phần chính như lớp màng EVA (ethylene vinyl acetate), tế bào quang điện và tấm nền pin, sản phẩm pin năng lượng mặt trời được thiết kế để hoạt động hiệu quả. Lớp màng EVA còn được gọi là chất kết dính, bao gồm hai lớp màng polymer trong suốt được đặt trên và dưới lớp tế bào quang điện. Chức năng chính của lớp này là kết dính tế bào quang điện với lớp kính cường lực phía trên và tấm nền phía dưới.
Ngoài ra, lớp này cũng có khả năng hấp thụ và bảo vệ tế bào quang điện khỏi rung động, bám bụi và hơi ẩm. Vật liệu EVA được sử dụng cho lớp màng này có khả năng chịu đựng nhiệt độ khắc nghiệt và độ bền cực kỳ cao.
4.4 Tế bào quang điện
Tế bào quang điện, hay còn gọi là solar cell, là thành phần quan trọng của pin năng lượng mặt trời. Pin mặt trời được tạo thành từ nhiều tế bào quang điện nhỏ hơn. Các loại pin năng lượng mặt trời phổ biến như mono và poly được làm từ silic, loại chất bán dẫn thông dụng. Trong một tế bào quang điện, các tinh thể silic được kẹp giữa hai lớp dẫn điện (ribbon và các thanh busbar). Một tế bào quang điện dùng 2 lớp silic khác nhau là loại P và N.
4.5 Tấm nền pin
Tấm nền pin ở phía sau có chức năng cách điện, bảo vệ cơ học và chống ẩm. Vật liệu được sử dụng để sản xuất tấm nền có thể là polymer, nhựa PP, PVF, và PET. Tấm nền có độ dày khác nhau, phụ thuộc vào hãng sản xuất. Hầu hết tấm nền sẽ có màu trắng.
4.6 Dây cáp điện DC
Dây cáp điện DC chuyên dụng cho hệ thống năng lượng mặt trời, có khả năng cách điện tối đa một chiều DC và chịu được những điều kiện thời tiết khắc nghiệt như tia cực tím, bụi, nước và độ ẩm. Bên cạnh đó, sản phẩm còn chống chịu tốt với các tác động cơ học.
4.7 Đầu nối MC4
Đầu nối MC4 là loại đầu nối được sử dụng phổ biến để kết nối các tấm pin năng lượng mặt trời. Từ viết tắt “MC” trong MC4 đại diện cho nhà sản xuất Multi-Contact. Với đầu nối này, bạn có thể dễ dàng kết nối các tấm pin hoặc chuỗi các tấm pin bằng cách gắn jack từ các tấm pin liền kề với nhau bằng tay.
4.8 Hộp đấu dây
Cuối cùng, hộp đấu dây (junction box) nằm ở phía sau cùng của pin năng lượng mặt trời, là nơi tập hợp và chuyển năng lượng điện được sinh ra từ tấm pin ra ngoài. Vì đây là điểm trung tâm quan trọng, nên được thiết kế bảo vệ chắc chắn.
5. Cấu Tạo Pin Mặt Trời Có Nguyên Lý Hoạt Động Như Thế Nào?
Phương pháp hoạt động của pin mặt trời là gì? Làm thế nào để sử dụng pin năng lượng mặt trời hiệu quả? Các mô-đun quang điện, còn được gọi là mô-đun năng lượng mặt trời, là thành phần then chốt trong bảng pin năng lượng mặt trời, được dùng để chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng. Các mô-đun năng lượng mặt trời được sản xuất từ các chất bán dẫn tương tự như mô-đun được sử dụng để tạo ra các vi mạch tích hợp cho thiết bị điện tử.
Hiện nay, chất bán dẫn phổ biến nhất được sử dụng để sản xuất mô-đun năng lượng mặt trời là tinh thể silic. Theo nguyên lý này, các tinh thể silic được ép thành các lớp loại n và loại p, xếp chồng lên nhau.
Khi ánh sáng chiếu vào các tinh thể, nó tạo ra hiệu ứng quang điện và tạo ra điện. Dòng điện trực tiếp (DC) được tạo ra từ tấm pin và có thể được sử dụng trực tiếp hoặc được lưu trữ trong pin để chuyển đổi thành dòng điện xoay chiều AC để sử dụng cho các thiết bị.
Với các hệ thống pin được lắp đặt trên các ngôi nhà, chúng được kết nối với bộ hòa lưới để chuyển đổi nguồn điện một chiều DC thành dòng điện xoay chiều AC. Bộ hòa lưới này cũng được gọi là biến tần hòa lưới và là thiết bị phổ biến được sử dụng rộng rãi hiện nay.
Trong sản xuất pin mặt trời, tinh thể silicon với độ tinh khiết cao được sử dụng. Các tinh thể này được xử lý thông qua phương pháp nấu chảy và đúc, sau đó được cắt thành thỏi và tiếp tục cắt thành các tấm rất mỏng.
6. Cấu Tạo Pin Mặt Trời Có Tuổi Thọ Là Bao Lâu?
Như đã được phát biểu trước đó, Electron là yếu tố duy nhất di chuyển trong solar cell và quay trở lại điểm xuất phát. Không có sự mòn hay cạn kiệt nào, vì vậy tuổi thọ của pin năng lượng mặt trời có thể kéo dài từ 30 đến 50 năm hoặc hơn, phụ thuộc vào loại pin. Tuy nhiên, tuổi thọ của từng loại pin mặt trời không giống nhau và bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như thương hiệu, cách lắp đặt, vận hành, …
Thường thì các nhà sản xuất pin năng lượng mặt trời cung cấp hai loại bảo hành là bảo hành thiết bị và bảo hành hiệu suất.
- Thời gian bảo hành thiết bị: từ 10 đến 12 năm.
- Thời gian bảo hành hiệu suất: lên đến 25-30 năm.
Hầu hết các nhà sản xuất đảm bảo tỷ lệ suy giảm hiệu suất tối đa là 10% trong 10 đến 12 năm đầu; 20% sau 25 năm sử dụng. Nếu bạn có hứng thú với những đề tài tương tự, bạn cũng có thể tham khảo bài viết Khám phá công nghệ sạc pin năng lượng mặt trời: Tiện ích và hiệu quả
Kết Luận
Tóm lại, cấu tạo pin mặt trời đóng một vai trò quan trọng đối với hiệu quả và hiệu suất của nó. Bằng việc hiểu rõ các thành phần khác nhau và chức năng của chúng, chúng ta có thể tối ưu hóa thiết kế và tăng cường khả năng chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng. Các thành phần chính, bao gồm vật liệu bán dẫn, các điểm tiếp xúc và lớp phủ chống phản xạ, sẽ phối hợp với nhau để tối đa hóa sự hấp thụ photon và phân tách các hạt mang điện.
Đồng thời, tiến bộ trong cấu tạo pin mặt trời như thiết kế đa điểm nối và song song, hứa hẹn đạt được hiệu suất chuyển đổi cao hơn. Với tình trạng tăng nhu cầu về năng lượng sạch và bền vững, nghiên cứu và phát triển sâu hơn về cấu tạo pin mặt trời là cần thiết để đóng góp vào tương lai tươi sáng và bền vững hơn.