Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời và hệ thống PV

Năng lượng mặt trời đang phát triển rất mạnh mẽ trên toàn thế giới khi mà càng ngày càng có nhiều quốc gia bắt đầu chuyển sang sử dụng điện mặt trời như một nguồn năng lượng chính. Một phần là do chi phí đầu tư năng lượng mặt trời giảm mạnh trong những năm gần đây và bên cạnh đó là những cải tiến tích cực về hiệu quả kỹ thuật cũng như chất lượng sản xuất, nhiều người dân ở Việt Nam cũng đang bắt đầu lắp đặt và xem điện mặt trời như một giải pháp thay thế tuyệt vời khi mà giá điện truyền thống ngày càng leo thang.

Chính vì xu hướng và mối quan tâm này mà gần đây rất nhiều câu hỏi được đặt ra xoay quanh về điện năng lượng mặt trời. Điển hình và phổ biến nhất là câu hỏi: Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời ra sao?.

Tổng quan từng bước hoạt động của hệ thống pin năng lượng mặt trời

Các tấm pin năng lượng hấp thụ ánh nắng từ Mặt Trời bằng các tế bào quang điện và chuyển hoá nguồn ánh sáng đó thành dòng điện một chiều DC (quá trình quang-điện), sau đó dòng điện DC này được đưa để các bộ biến tần để chuyển thành dòng xoay chiều AC (là dòng điện thích ứng với hầu hết các thiết bị gia dụng). Dòng điện xoay chiều sau đó được đưa đến bảng điều khiển để phân phối điện trong gia định và lưu trữ lượng dư thừa vào ắc quy (hệ thống độc lập) hoặc lưới điện quốc gia (hệ thống hòa lưới). Dưới đây là những bước chính trong cách vận hành của hệ thống mặt trời:

  • Ban ngày các tấm pin hấp thụ ánh sáng mặt trời và chuyển đổi thành dòng điện DC.
  • Biến tần tiếp nhận dòng DC và chuyển đổi thành dòng điện AC.
  • Dòng điện được phân phối, cung cấp cho các thiết bị điện tử trong gia đình.
  • Điện dư thừa sẽ được lưu trữ vào ắc quy hoặc lưới điện để cung cấp vào ban đêm.

Hệ thống điện mặt trời khi nối lưới làm việc như thế nào?

Nhiều người vẫn nhầm lẫn và lo sợ rằng sẽ bị thất thoát điện khi lắp đặt hoà lưới với mạng điện quốc gia. Tuy nhiên, bất kỳ một ngôi nhà nào khi kết nối với lưới điện đều thông qua một thiết bị gọi là đồng hồ đo điện mà công ty điện lực cung cấp cho chủ nhà để đo lường và cung cấp điện năng cho gia đình họ. Do đó khi bạn lắp đặt hệ thống điện mặt trời hoà lưới, sản lượng điện trước khi lưu trữ lên lưới điện sẽ phải đi qua đồng hồ điện để đo lường sản lượng. Do đó, các bạn có thể hoàn toàn yên tâm không vì không bao giờ có chuyện thất thoát điện trong quá trình lưu trữ, mọi lượng điện đưa lên/lấy xuống để được công tơ điện 2 chiều đo lường chính xác.

Nếu khu vực có lưới điện ổn định thì phần lớn các chủ nhà đều lựa chọn hệ thống nối lưới vì chúng thuận lợi hơn rất nhiều về mặt kinh tế. Với một hệ thống hoá lưới, bạn được phép bán lại điện cho công ty điện lực nếu sản lượng điện vượt mức nhu cầu dẫn đến dư thừa (mùa hè nhiều nắng) hoặc vẫn được cung cấp điện khi sản lượng thấp hơn mức nhu cầu (thời tiết khí hậu bất lợi). Ngoài ra, khi hoà lưới bạn có thể tận dụng lưới điện để làm nơi lưu trữ điện thay vì phải tốn thêm rất nhiều chi phí để đầu tư cho một hệ thống pin lưu trữ điện (ắc-quy).

Một tấm pin năng lượng mặt trời tiêu chuẩn hoạt động như thế nào?

Một tấm pin mặt trời tiêu chuẩn bao gồm một lớp các tế bào silicon, khung kim loại, mặt kính cường lực và hệ thống dây điện để dòng điện luân chuyển. Silic (nguyên tử số 14 trên bảng tuần hoàn) là một phi kim có tính chất dẫn điện cho phép nó hấp thụ và chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng. Khi các hạt photon ánh sáng tương tác với một tế bào silicon, nó sẽ giải phóng cho các electron chuyển động tự do, từ đó tạo ra dòng điện. Quá trình này gọi là hiệu ứng quang điện và đây cũng chính là chức năng chính của các tấm pin năng lượng mặt trời.

Quá trình quang-điện nói chung được mô tả qua các bước sau:

  • Tế bào silicon quang điện hấp thụ bức xạ mặt trời
  • Khi các hạt photon tiếp xúc với tế bào silicon sẽ giải phóng các electron khiến chúng chuyển động tự do -> tạo ra dòng điện.
  • Đầu ra của các tấm pin dẫn điện (qua đường dây điện kết nối) đến biến tần để chuyển đổi dòng DC thành AC.

Dưới đây là ảnh mô tả để bạn dễ hình dung hơn về quy trình vận hành của tấm pin năng lượng:

Các phần quan trọng của tấm pin mặt trời:

Ngoài các tế bào silicon mặt trời ra, pin mặt trời thông thường còn có lớp kinh cường lực đem đến độ bền cao và bảo vệ cho các tế bào PV bên trong. Bên dưới mặt kính là một bảng điều khiển có một lớp cách nhiệt và dưới cùng là một tấm bảo vệ mặt sau có khả năng tản nhiệt và độ ẩm bên trong bảng pin. Việc cách nhiệt rất quan trọng vì nhiệt độ tăng sẽ làm điện áp giảm dẫn đến giảm hiệu quả cũng như hiệu suất của tấm pin mặt trời sẽ thấp hơn.

Ngoài ra, các bảng pin năng lượng còn được phụ lớp chống phản chiếu ánh sáng, qua đó làm tăng sự hấp thụ ánh sáng mặt trời và cho phép các tế bào silicon tiếp xúc được với lượng ánh sáng mặt trời tối ưu hơn. Tấm pin mặt trời silicon cao cấp thường được sản xuất theo hai dạng là đơn tinh thể và đa tinh thể.