Chắc hẳn nhiều người đều biết pin mặt trời có thể tạo ra điện năng nhưng chưa thực sự hiểu nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời như thế nào? Trong bài viết này, hãy cùng Alternō tìm hiểu chi tiết hơn về cấu tạo cũng như cách hoạt động của pin mặt trời ngay sau đây nhé!
1. Pin năng lượng mặt trời là gì?
Pin năng lượng mặt trời là thiết bị chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng, dựa trên hiệu ứng quang điện. Các tế bào quang điện là thành phần quan trọng trong hệ thống mặt trời và được làm từ các vật liệu bán dẫn như silicon, có khả năng hấp thụ ánh sáng, tạo ra dòng điện khi các photon từ ánh sáng mặt trời chiếu vào.
Pin năng lượng mặt trời thường được lắp đặt trên mái nhà, toà nhà, đặc biệt thích hợp với các vùng mà điện lưới kém như ngoài đảo, núi cao, các vệ tinh quanh quỹ đạo trái đất,… Sử dụng pin mặt trời không chỉ giúp giảm chi phí điện năng mà còn góp phần bảo vệ môi trường bằng cách giảm phát thải khí nhà kính.
2. Cấu tạo của tấm pin mặt trời
Trước khi tìm hiểu nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời thì chúng ta hãy cùng tìm hiểu cấu tạo chi tiết của nó. Tấm pin năng lượng mặt trời được cấu tạo từ các bộ phận chính gồm: lớp kính cường lực, khung nhôm, lớp tế bào quang điện solar cells, lớp màng EVA, tấm nền pin, hộp đấu dây, jack kết nối MC4 và cáp điện.
2.1. Lớp kính cường lực
Lớp kính cường lực là phần có khối lượng nặng nhất. Kính cường lực có chức năng bảo vệ lớp tế bào quang điện khỏi các tác động của thời tiết và va đập từ bên ngoài, đảm bảo độ bền, duy trì độ trong suốt cho tấm pin. Độ dày của lớp kính cường lực thường dao động từ 2-4 mm (đa số là khoảng 3.3 mm), tuỳ vào hãng sản xuất. Điều quan trọng là chú ý đến chất lượng độ cứng, truyền ánh sáng và độ truyền quang phổ. Pin có chất lượng càng tốt thì lớp kính này càng có khả năng hấp thụ ánh sáng tốt.
2.2. Khung nhôm
Khung nhôm có chức năng tích hợp lớp tế bào quang điện và các bộ phận khác. Nó được làm từ nhôm cứng cáp, đảm bảo có thể bảo vệ độ bền và cố định cho tấm pin năng lượng mặt trời. Một số trường hợp đặc biệt sẽ có sẵn có tấm pin không khung hoặc khung nhựa đặc biệt (sử dụng các dung dịch hỗ trợ dán ở phía sau với công nghệ kính thuỷ tinh).
2.3. Lớp tế bào quang điện Solar cells
Lớp tế bào quang điện Solar cells là thành phần chính và có chức năng hấp thụ ánh nắng mặt trời để chuyển đổi thành điện năng. Các tế bào tinh thể có hai loại thông dụng là mono (đơn tinh thể) và poly (đa tinh thể) được làm từ silic.
Các đặc tính kỹ thuật chính là màu sắc, số lượng, kích thước các tế bào và hiệu suất chuyển đổi của pin mặt trời. Các tế bào quang điện phổ biến hiện nay là các tế bào đa tinh thể poly với hiệu suất chuyển đổi khoảng 17,6%, tạo ra tấm pin mặt trời 250W với 60 cells. Các tế bào cells được liên kết với nhau bằng dây đồng mỏng được phủ hợp kim thiếc.
Xem ngay cách sử dụng pin năng lượng mặt trời hiệu quả
2.4. Lớp EVA
Ngoài 3 thành phần trên, chất kết dính giữa các lớp của pin mặt trời cũng là vật liệu quan trọng không thể thiếu. Lớp màng EVA (ethylene vinyl acetate) được làm chất kết dính và là lớp polymer đục mờ được đóng theo cuộn. Nó được cắt thành tấm và được đặt trên, dưới lớp tế bào quang điện solar cell.
Sau khi trải qua quá trình chịu nhiệt của nấu chân không, loại polymer này đặc lại trở thành keo trong suốt để kết dính solar cell. Chất lượng của quá trình này là cán màng, nhằm đảm bảo tuổi thọ và khả năng chống lại màu vàng do tia UV, ảnh hưởng đến tốc độ xử lý và truyền ánh sáng.
2.5. Tấm nền pin
Tấm nền phía sau của pin mặt trời được làm từ vật liệu nhựa có thể là polymer, nhựa PP, PET,.. Nó có chức năng cách điện, bảo vệ và che chắn các tế bào tránh hơi ẩm và thời tiết. Tấm nền này phần lớn sẽ có màu trắng và được bán ở dạng tấm hoặc cuộn. Tấm nền có độ dày, màu sắc khác nhau, tùy theo các loại pin và hãng sản xuất.
2.6. Hộp đầu dây
Hộp đấu dây được nằm ở phía sau cùng, có chức năng tập hợp và chuyển các mối nối điện của tấm pin mặt trời ra bên ngoài. Nó có chứa các dây cáp để kết nối các tấm pin trong hệ thống và được thiết kế khá chắc chắn.
2.7. Jack kết nối MC4 và cáp điện
Jack kết nối MC4 là đầu nối điện dùng để kết nối các tấm pin mặt trời và dãy pin bằng cách gắn jack từ các tấm pin liền kề với nhau. Cáp điện DC là loại cáp điện chuyên dụng cho điện mặt trời, có khả năng cách điện và chống chịu nhiệt tốt.
3. Nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời
Pin mặt trời hay còn gọi là pin quang điện, là thiết bị bán dẫn chứa nhiều diod p-n dưới dạng của ánh nắng mặt trời có khả năng chuyển đổi thành dòng điện sử dụng. Sự chuyển hoá này được gọi là hiệu ứng quang điện.
Để hiểu rõ hơn về pin năng lượng mặt trời thì cần hiểu về nền tảng vật lý chất bán dẫn silic. Silic thuộc nhóm IV, nghĩa là có 4 electron ở lớp ngoài cùng. Silic này có thể kết hợp với các silicon khác để tạo ra chất rắn. Chất rắn silicon này cơ bản có 2 loại là tinh thể (các nguyên tử sắp xếp theo không gian 3 chiều) và đau thù hình (sắp xếp không theo trật tự nào). Tuy nhiên, pin mặt trời phổ biến nhất là dùng loại đa tinh thể silicon.
Tham khảo thêm top công ty pin năng lượng mặt trời uy tín
Silic là chất bán dẫn, tức là thể rắn silic ở một tầng năng lượng mà electron có thể đạt được mà có thể một số tầng năng lượng khác thì không đạt. Các tầng năng lượng không đạt được này được coi là tầng trống.
Silic nguyên chất ở nhiệt độ phòng có tính dẫn điện kém. Còn trong cơ học lượng tử, để tạo ra silic có tính dẫn điện tốt hơn thì bổ sung thêm vào các nguyên tử nhóm V (photpho, asen) hoặc III (nhôm hay cali) trong bảng tuần hoàn hoá học một lượng nhỏ. Các nguyên tử này sẽ lấp đầy vị trí của nguyên tử silic trong mạng tinh thể, sau đó liên kết với các nguyên tử silic bên cạnh.
Tuy nhiên, các nguyên tử ở nhóm V có 5 electron ngoài cùng và nhóm III có 3 electron ngoài cùng, do đó trong mạng tinh thể có chỗ sẽ dư electron, có chỗ lại thiếu electron. Các electron thừa hay thiếu này sẽ không tham gia vào kết nối mạng tinh thể mà tự do di chuyển trong khối tinh thể. Silic kết hợp với nguyên tử nhóm III gọi là loại bán dẫn p vì mang nhiều năng lượng dương còn nguyên tử nhóm V kết hợp với silic được gọi là bán dẫn n vì chủ yếu mang năng lượng âm.
Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời cụ thể dưới đây. Khi một photon chạm vào mảnh silic sẽ có một trong hai trường hợp này xảy ra:
- Photon được hấp thụ bởi silic sẽ xảy ra khi năng lượng của photon lớn hơn năng lượng để đưa electron với mức năng lượng cao.
- Photon truyền trực tiếp qua mảnh silic khi năng lượng của photon thấp hơn năng lượng đủ để đưa ra các hạt electron với mức năng lượng cao.
Khi photon được hấp thụ, năng lượng được chuyển tới các electron trong màng tinh thể. Các electron này thường ở lớp ngoài cùng và được kết dính với các nguyên tử xung quanh vì không thể đi xa. Khi các electron được kích thích và dẫn điện thì nó sẽ di chuyển tự do trong bán dẫn. Lúc này nguyên tử sẽ thiếu 1 electron, gọi là “lỗ trống”.
Các electron của nguyên tử bên cạnh sẽ di chuyển đến để điền vào lỗ trống đó và cứ tiếp tục tạo ra các lỗ trống cho nguyên tử lân cận, di chuyển trong suốt mạch bán dẫn. Để kích thích electron lớp ngoài cùng dẫn điện, một photon cần có năng lượng lớn hơn năng lượng đủ.
Bài viết trên đây là tất tần tật thông tin chi tiết về cấu tạo, nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời. Việc lựa chọn lắp đặt pin mặt trời vừa giúp tiết kiệm hoá đơn tiền điện vừa góp phần bảo vệ môi trường, giảm biến đổi khí hậu. Nếu bạn còn có bất kỳ câu hỏi thắc mắc nào liên quan đến pin năng lượng mặt trời hay cần hỗ trợ tư vấn lắp đặt hệ thống điện mặt trời thì hãy liên hệ ngay với Alternō nhé!
English
