Các tấm pin mặt trời hoạt động như thế nào?

Khi những thứ như xe điện làm tăng nhu cầu lưới điện, các ngành công nghiệp cũng như chính phủ đều đang tìm kiếm những nguồn năng lượng sạch hơn và dồi dào hơn lò hơi đốt than truyền thống. Nguồn năng lượng dồi dào nhất mà nhân loại có là ngôi sao ở trung tâm hệ mặt trời – mặt trời! Mặt trời về cơ bản là một lò phản ứng nhiệt hạch khổng lồ, tỏa nhiệt và plasma, và nó sẽ tiếp tục cháy trong hàng tỷ năm nữa.

Để khai thác việc sản xuất năng lượng mặt trời ở dạng có thể cung cấp năng lượng cho các thiết bị hàng ngày, nhân loại đã nghĩ ra các tế bào quang điện, thường được gọi là tấm pin mặt trời. Nhưng các tấm pin mặt trời hoạt động như thế nào?

Chúng đã từng hầu như chỉ được sử dụng trong không gian, cung cấp năng lượng cho hệ thống điện của vệ tinh từ năm 1958, nhưng ngày càng được sử dụng nhiều hơn theo những cách phổ biến. Công nghệ này tiếp tục xuất hiện trong các thiết bị mới, từ kính râm đến trạm sạc xe điện.

Niềm hy vọng về một “cuộc cách mạng năng lượng mặt trời” đã tồn tại trong nhiều thập kỷ – ý tưởng rằng một ngày nào đó tất cả chúng ta sẽ sử dụng điện mặt trời miễn phí từ mặt trời. Đây là một lời hứa hấp dẫn, bởi vì vào một ngày nắng đẹp, tia nắng mặt trời tỏa ra khoảng 1.000 watt năng lượng trên một mét vuông bề mặt hành tinh. Nếu chúng ta có thể thu thập tất cả năng lượng đó, chúng ta có thể dễ dàng cung cấp năng lượng miễn phí cho gia đình và văn phòng của mình và có nguồn dự trữ dự trữ với lượng năng lượng dư thừa được tạo ra.

Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét cách các tấm pin mặt trời tạo ra điện và chính xác cách thức hoạt động của các tấm pin mặt trời. Trong quá trình này, bạn sẽ tìm hiểu lý do tại sao chúng ta đang tiến gần hơn đến việc sử dụng năng lượng mặt trời hàng ngày và tại sao chúng ta vẫn cần thực hiện nhiều nghiên cứu hơn trước khi quá trình này trở nên hiệu quả về mặt chi phí.

Tấm pin mặt trời quang điện: Chuyển đổi Photon thành Electron

Các tấm pin mặt trời mà bạn nhìn thấy trên các nhà máy điện và vệ tinh còn được gọi là tấm quang điện (PV), hoặc tế bào quang điện, đúng như tên gọi (ảnh có nghĩa là “ánh sáng” và volta có nghĩa là “điện”), chuyển đổi ánh sáng mặt trời trực tiếp thành điện năng. Mô-đun là một nhóm các tấm được kết nối điện và được đóng gói thành một khung (thường được gọi là tấm pin mặt trời), sau đó có thể được nhóm thành các mảng năng lượng mặt trời lớn hơn, giống như mảng hoạt động tại Căn cứ Không quân Nellis ở Nevada.

Tế bào quang điện được làm bằng vật liệu đặc biệt gọi là chất bán dẫn như silicon, hiện đang được sử dụng phổ biến nhất. Về cơ bản, khi ánh sáng chiếu vào tấm nền, một phần ánh sáng nhất định sẽ được vật liệu bán dẫn hấp thụ. Điều này có nghĩa là năng lượng của ánh sáng hấp thụ được truyền sang chất bán dẫn. Năng lượng đánh bật các electron lỏng lẻo, cho phép chúng chuyển động tự do.

Các tấm pin mặt trời PV hoạt động với một hoặc nhiều điện trường buộc các electron được giải phóng bằng sự hấp thụ ánh sáng chảy theo một hướng nhất định. Dòng điện tử này là một dòng điện và bằng cách đặt các điểm tiếp xúc kim loại lên trên và dưới của tế bào PV, chúng ta có thể ngắt dòng điện đó để sử dụng bên ngoài. Dòng điện này, cùng với điện áp của tế bào (là kết quả của các hoặc nhiều điện trường tích hợp trong tế bào), xác định công suất (hoặc công suất) mà pin mặt trời có thể tạo ra.

Đó là quy trình cơ bản nhưng thực sự còn nhiều điều hơn thế nữa. Tiếp theo, chúng ta hãy xem xét sâu hơn một ví dụ về tấm PV: tấm silicon đơn tinh thể.

Silicon tạo ra các tấm pin mặt trời như thế nào

Silicon có tính chất hóa học đặc biệt, đặc biệt là ở dạng tinh thể. Một nguyên tử silicon có 14 electron, sắp xếp thành ba lớp khác nhau. Hai lớp vỏ đầu tiên – lần lượt chứa hai và tám electron – đã đầy hoàn toàn. Tuy nhiên, lớp vỏ bên ngoài chỉ đầy một nửa và chỉ có 4 electron.

Một nguyên tử silicon sẽ luôn tìm cách lấp đầy lớp vỏ cuối cùng của nó và để làm được điều này, nó sẽ chia sẻ các electron với bốn nguyên tử gần đó. Giống như mỗi nguyên tử nắm tay các nguyên tử lân cận, ngoại trừ trường hợp này, mỗi nguyên tử có bốn bàn tay nối với bốn nguyên tử lân cận. Đó là những gì hình thành nên cấu trúc tinh thể và cấu trúc đó hóa ra lại quan trọng đối với loại tế bào PV này.

Vấn đề duy nhất là silicon tinh thể nguyên chất là chất dẫn điện kém vì không có electron nào của nó có thể tự do chuyển động, không giống như các electron trong các chất dẫn điện tối ưu hơn như đồng.

Để giải quyết vấn đề này, silicon trong pin mặt trời có tạp chất – các nguyên tử khác được cố tình trộn lẫn với các nguyên tử silicon – điều này làm thay đổi cách mọi thứ hoạt động một chút. Chúng ta thường nghĩ tạp chất là thứ không mong muốn, nhưng trong trường hợp này, tế bào sẽ không hoạt động nếu không có chúng. Hãy xem xét silicon với một nguyên tử phốt pho ở chỗ này chỗ kia, có thể là một nguyên tử trên một triệu nguyên tử silicon.

Phốt pho có năm electron ở lớp vỏ ngoài chứ không phải bốn. Nó vẫn liên kết với các nguyên tử silicon lân cận, nhưng theo một nghĩa nào đó, phốt pho có một electron không có ai để nắm tay. Nó không tạo thành một phần của liên kết, nhưng có một proton dương trong hạt nhân phốt pho giữ nó tại chỗ.

Khi năng lượng được thêm vào silicon nguyên chất, chẳng hạn ở dạng nhiệt, nó có thể khiến một số electron thoát ra khỏi liên kết và rời khỏi nguyên tử của chúng. Một lỗ hổng được để lại trong mỗi trường hợp. Những electron này, được gọi là hạt mang tự do, sau đó di chuyển ngẫu nhiên quanh mạng tinh thể để tìm kiếm một lỗ khác để rơi vào và mang theo dòng điện. Tuy nhiên, có rất ít trong số chúng được làm bằng silicon nguyên chất nên chúng không hữu ích lắm.

Nhưng silicon không tinh khiết có chứa các nguyên tử phốt pho trộn vào lại là một câu chuyện khác. Sẽ cần ít năng lượng hơn rất nhiều để đánh bật một trong số các electron phốt pho “thêm” vì chúng không bị ràng buộc trong liên kết với bất kỳ nguyên tử lân cận nào. Kết quả là, hầu hết các electron này đều tự do thoát ra và có nhiều hạt mang tự do hơn so với silicon nguyên chất.

Quá trình thêm tạp chất có mục đích được gọi là doping, và khi pha tạp phốt pho, silicon thu được được gọi là loại N (“n” nghĩa là âm) do sự phổ biến của các electron tự do. Silicon pha tạp loại N là chất dẫn điện tốt hơn nhiều so với silicon nguyên chất.

Phần còn lại của pin mặt trời thông thường được pha tạp nguyên tố boron, nguyên tố chỉ có ba electron ở lớp vỏ ngoài thay vì bốn, để trở thành silicon loại P. Thay vì có các electron tự do, loại P (“p” nghĩa là dương) có các lỗ mở tự do và mang điện tích trái dấu (dương).

Giải phẫu của một tấm pin mặt trời

Cho đến nay, hai miếng silicon riêng biệt này đã trung hòa về điện; phần thú vị bắt đầu khi bạn đặt chúng lại với nhau. Đó là vì nếu không có điện trường thì tế bào sẽ không hoạt động được; trường hình thành khi silicon loại N và loại P tiếp xúc với nhau. Đột nhiên, các electron tự do ở phía N nhìn thấy tất cả các lỗ hở ở phía P và có một cuộc chạy đua điên cuồng để lấp đầy chúng.

Có phải tất cả các electron tự do đều lấp đầy tất cả các lỗ trống? Không. Nếu họ làm vậy thì toàn bộ sự sắp xếp sẽ không còn hữu ích nữa. Tuy nhiên, ngay tại điểm nối, chúng trộn lẫn và tạo thành một thứ gì đó giống như một rào cản, khiến các electron ở phía N ngày càng khó di chuyển sang phía P. Cuối cùng, đạt đến trạng thái cân bằng và chúng ta có một điện trường ngăn cách hai bên.

Điện trường này hoạt động như một diode, cho phép (và thậm chí đẩy) các electron di chuyển từ phía P sang phía N, nhưng không phải theo chiều ngược lại. Nó giống như một ngọn đồi – các electron có thể dễ dàng đi xuống đồi (về phía N), nhưng không thể leo lên (về phía P).

Khi ánh sáng, ở dạng photon, chiếu vào tấm pin mặt trời, năng lượng của nó sẽ phá vỡ các cặp electron-lỗ trống. Mỗi photon có đủ năng lượng thường sẽ giải phóng chính xác một electron, dẫn đến một lỗ trống tự do. Nếu điều này xảy ra đủ gần với điện trường, hoặc nếu một electron tự do và lỗ trống tự do đi lang thang trong phạm vi ảnh hưởng của nó, thì trường sẽ đưa electron về phía N và lỗ trống về phía P.

Điều này gây ra sự gián đoạn hơn nữa tính trung hòa điện và nếu chúng ta cung cấp một đường dẫn dòng điện bên ngoài, các electron sẽ chạy qua đường dẫn đến phía P để hợp nhất với các lỗ mà điện trường gửi đến đó, thực hiện công trên đường đi. Dòng điện tử cung cấp dòng điện và điện trường của tế bào tạo ra điện áp. Với cả dòng điện và điện áp, chúng ta có công suất, là tích của cả hai.

Tuy nhiên, vẫn còn một vài thành phần nữa trước khi tế bào thực sự có thể được sử dụng. Silicon tình cờ là một vật liệu rất sáng bóng, có thể đẩy các photon bật đi trước khi chúng hoàn thành công việc của mình, do đó, một lớp phủ chống phản xạ được áp dụng để giảm những tổn thất đó.

Bước cuối cùng là lắp đặt thứ gì đó có thể bảo vệ tế bào khỏi các tác nhân bên ngoài – thường là tấm che bằng kính. Mô-đun PV thường được tạo ra bằng cách kết nối nhiều tấm pin mặt trời riêng lẻ với nhau để đạt được mức điện áp và dòng điện hữu ích, sau đó đặt chúng vào một khung chắc chắn hoàn chỉnh với các cực dương và cực âm.

Thật không may, quá trình chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng sử dụng được không hoàn hảo. Tính đến năm 2023, các tấm pin mặt trời được bán trên thị trường có hiệu suất dưới 30%, nghĩa là 2/3 năng lượng mặt trời tập trung tiềm năng bị lãng phí. Trong môi trường phòng thí nghiệm, một số nhà nghiên cứu đã có thể đạt được hiệu suất 47%, nhưng họ đang sử dụng chùm ánh sáng định hướng mạnh hơn nhiều lần so với ánh sáng mặt trời ngoài trời xung quanh chúng ta.

Cho đến nay, giải pháp thực tế duy nhất cho vấn đề hiệu quả này là lắp đặt nhiều tấm pin mặt trời hơn trên diện tích lớn hơn, nhưng điều này làm tăng đáng kể chi phí tạo ra một trang trại năng lượng mặt trời cả về bất động sản và tài nguyên thiên nhiên. Từ quan điểm tiền tệ, năng lượng mặt trời từng là một trong những nguồn năng lượng đắt nhất để xây dựng so với năng lượng thu được. Tuy nhiên, giá có xu hướng giảm trong những năm gần đây và khiến quang điện phù hợp hơn với chi phí xây dựng tuabin gió.

Một giải pháp thay thế hiệu quả cho hệ thống quang điện được gọi là nhà máy năng lượng mặt trời tập trung. Phương pháp này loại bỏ các tấm silicon và thay vào đó sử dụng một loạt gương đánh bóng khổng lồ để thu ánh sáng mặt trời. Những chiếc gương này được lập trình để theo dõi chuyển động của mặt trời và hướng ánh sáng tới một tòa tháp lớn được gọi là bộ thu trung tâm. Máy thu chứa một thùng lớn dung dịch hóa học được gọi là muối nóng chảy, làm nóng đến nhiệt độ vượt quá 1.000 độ F (538 độ C). Sau đó, nhiệt có thể được hút ra để chạy các tua-bin hơi nước truyền thống suốt cả ngày cũng như vào ban đêm.

Năng lượng mặt trời tập trung có thể tạo ra năng lượng gấp nhiều lần so với mảng pin mặt trời thông thường, nhưng nó đòi hỏi một vùng đất bằng phẳng rộng lớn và nhiệt sinh ra sẽ gây nguy hiểm cho cả con người và động vật hoang dã. Vì những lý do này, các nhà máy điện có xu hướng được đặt ở những khu vực tương đối vắng người ở, như sa mạc Mojave.
​

Mất năng lượng trong bảng điều khiển năng lượng mặt trời

Ánh sáng nhìn thấy được chỉ là một phần của quang phổ điện từ. Bức xạ điện từ không đơn sắc – nó được tạo thành từ một loạt các bước sóng khác nhau và do đó có mức năng lượng khác nhau.

Ánh sáng có thể được tách thành các bước sóng khác nhau mà chúng ta có thể nhìn thấy dưới dạng cầu vồng. Vì ánh sáng chiếu vào tế bào của chúng ta có các photon có nhiều mức năng lượng khác nhau nên hóa ra một số trong chúng sẽ không có đủ năng lượng để làm biến đổi một cặp electron-lỗ trống. Chúng sẽ đơn giản đi qua tế bào như thể nó trong suốt. Vẫn còn những photon khác có quá nhiều năng lượng. Chỉ cần một lượng năng lượng nhất định, được đo bằng electron volt (eV) và được xác định bởi vật liệu tế bào (khoảng 1,1 eV đối với silicon tinh thể), để đánh bật một electron.

Đây được gọi là năng lượng vùng cấm của vật liệu. Nếu một photon có nhiều năng lượng hơn lượng cần thiết thì phần năng lượng dư thừa sẽ bị mất đi. (Nghĩa là, trừ khi một photon có năng lượng gấp đôi và có thể tạo ra nhiều hơn một cặp electron-lỗ trống, nhưng hiệu ứng này không đáng kể.) Chỉ riêng hai hiệu ứng này có thể gây ra sự mất mát khoảng 70% năng lượng bức xạ tới trên tế bào.

Tại sao chúng ta không thể chọn vật liệu có dải tần thật thấp để có thể sử dụng nhiều photon hơn? Thật không may, khoảng cách dải cũng xác định cường độ (điện áp) của điện trường và nếu nó quá thấp, thì những gì chúng ta tạo ra trong dòng điện bổ sung (bằng cách hấp thụ nhiều photon hơn), chúng ta sẽ mất đi do có một điện áp nhỏ. Hãy nhớ rằng công suất là điện áp nhân với dòng điện. Khoảng cách dải tối ưu, cân bằng hai hiệu ứng này, là khoảng 1,4 eV đối với một tế bào được làm từ một vật liệu duy nhất.

Ngoài ra còn có những mất mát khác. Các electron phải di chuyển từ bên này sang bên kia của tế bào thông qua một mạch điện bên ngoài. Chúng ta có thể phủ phía dưới bằng một kim loại, cho phép dẫn điện tốt, nhưng nếu chúng ta che phủ hoàn toàn phía trên thì các photon không thể đi qua chất dẫn mờ và chúng ta sẽ mất toàn bộ dòng điện (trong một số tấm pin mặt trời, dây dẫn trong suốt được sử dụng trên bề mặt trên cùng, nhưng không phải toàn bộ). Nếu chúng ta chỉ đặt các điểm tiếp xúc ở hai bên của tế bào thì các electron phải di chuyển một khoảng cách cực kỳ dài để đến được các điểm tiếp xúc.

Hãy nhớ rằng, silicon là chất bán dẫn – nó gần như không tốt bằng kim loại trong việc truyền dòng điện. Điện trở trong của nó (gọi là điện trở nối tiếp) khá cao và điện trở cao có nghĩa là tổn thất cao. Để giảm thiểu những tổn thất này, các tế bào thường được bao phủ bởi một lưới tiếp xúc kim loại giúp rút ngắn khoảng cách mà các electron phải di chuyển trong khi chỉ bao phủ một phần nhỏ bề mặt tế bào. Mặc dù vậy, một số photon bị lưới chặn lại, không thể quá nhỏ nếu không điện trở của chính nó sẽ quá cao.

Bây giờ chúng ta đã biết pin mặt trời hoạt động như thế nào, hãy xem công nghệ này cần những gì để cung cấp năng lượng cho một ngôi nhà.
​

Các tấm pin mặt trời tạo ra điện như thế nào trong một ngôi nhà

Bạn sẽ phải làm gì để cung cấp năng lượng cho ngôi nhà của mình bằng năng lượng mặt trời? Mặc dù không đơn giản như lắp một số mô-đun lên mái nhà của bạn để bắt đầu sản xuất năng lượng mặt trời, nhưng việc thực hiện cũng không quá khó khăn.

Trước hết, không phải mái nhà nào cũng có hướng hoặc góc nghiêng chính xác để tận dụng tối đa năng lượng mặt trời. Các hệ thống PV không theo dõi ở Bắc bán cầu lý tưởng nhất nên hướng về phía nam thực sự, mặc dù các hướng quay về hướng đông và tây hơn cũng có thể hoạt động, mặc dù phải hy sinh các mức độ hiệu quả khác nhau.

Các tấm pin mặt trời cũng nên nghiêng một góc càng gần vĩ độ của khu vực càng tốt để hấp thụ lượng năng lượng tối đa quanh năm. Có thể sử dụng hướng và/hoặc độ nghiêng khác nếu bạn muốn tối đa hóa việc sản xuất năng lượng cho buổi sáng hoặc buổi chiều và/hoặc mùa hè hoặc mùa đông. Tất nhiên, các mô-đun không bao giờ được che bóng bởi cây cối hoặc tòa nhà gần đó, bất kể thời gian trong ngày hay thời gian trong năm. Trong mô-đun PV, nếu chỉ cần một trong các tấm của nó bị che khuất, thì việc sản xuất điện có thể giảm đáng kể.

Nếu bạn có một ngôi nhà với mái nhà hướng về phía Nam không có mái che, bạn cần quyết định kích thước hệ thống bạn cần. Điều này phức tạp bởi thực tế là việc sản xuất điện của bạn phụ thuộc vào thời tiết, điều này không bao giờ có thể dự đoán được hoàn toàn và nhu cầu điện của bạn cũng sẽ thay đổi.

May mắn thay, những trở ngại này khá dễ dàng để vượt qua. Dữ liệu khí tượng cung cấp mức ánh sáng mặt trời trung bình hàng tháng cho các khu vực địa lý khác nhau. Điều này tính đến lượng mưa và những ngày nhiều mây, cũng như độ cao, độ ẩm và các yếu tố phức tạp khác. Bạn nên thiết kế cho tháng tồi tệ nhất để có thể tạo ra điện quanh năm.

Với dữ liệu đó và nhu cầu trung bình của hộ gia đình bạn (hóa đơn điện nước cho bạn biết lượng năng lượng bạn sử dụng hàng tháng một cách thuận tiện), có những phương pháp đơn giản bạn có thể sử dụng để xác định số lượng mô-đun PV bạn sẽ cần. Bạn cũng cần phải quyết định điện áp hệ thống mà bạn có thể kiểm soát bằng cách quyết định số lượng mô-đun mắc nối tiếp.

Có thể bạn đã đoán được một số vấn đề mà chúng ta sẽ phải giải quyết. Đầu tiên, chúng ta làm gì khi mặt trời không chiếu sáng?

Giải quyết các vấn đề về năng lượng mặt trời

Ý nghĩ sống theo ý muốn của người dự báo thời tiết có lẽ không khiến hầu hết mọi người hài lòng, nhưng ba lựa chọn chính có thể đảm bảo bạn vẫn có điện ngay cả khi mặt trời không hợp tác. Nếu bạn muốn sống hoàn toàn ngoài lưới điện nhưng không tin tưởng các tấm PV của mình có thể cung cấp tất cả lượng điện bạn cần trong lúc khẩn cấp, bạn có thể sử dụng máy phát điện dự phòng khi nguồn cung cấp năng lượng mặt trời sắp hết.

Hệ thống độc lập thứ hai liên quan đến việc lưu trữ năng lượng dưới dạng pin để tạo ra năng lượng điện. Thật không may, pin có thể tăng thêm nhiều chi phí và bảo trì cho hệ thống PV, nhưng hiện tại đây là điều cần thiết nếu bạn muốn hoàn toàn độc lập.

Giải pháp thay thế là kết nối ngôi nhà của bạn với lưới điện, mua điện khi bạn cần và bán lại khi bạn sản xuất nhiều hơn mức sử dụng. Bằng cách này, tiện ích hoạt động như một hệ thống lưu trữ thực tế vô hạn. Tuy nhiên, hãy nhớ rằng các quy định của chính phủ khác nhau tùy theo vị trí và có thể thay đổi. Công ty tiện ích địa phương của bạn có thể bắt buộc phải tham gia hoặc không và giá mua lại có thể khác nhau rất nhiều.

Bạn cũng có thể cần thiết bị đặc biệt để đảm bảo nguồn điện mà bạn đang muốn bán cho công ty tiện ích tương thích với nguồn điện của họ. An toàn cũng là một vấn đề. Công ty điện lực phải đảm bảo rằng nếu khu vực lân cận của bạn bị mất điện, hệ thống PV của bạn sẽ không tiếp tục cấp điện vào đường dây điện mà người quản lý đường dây cho rằng đã chết. Đây là một tình huống nguy hiểm được gọi là đảo, nhưng có thể tránh được bằng biến tần chống đảo — điều mà chúng ta sẽ sớm giải quyết.

Nếu bạn quyết định sử dụng pin thay thế, hãy nhớ rằng chúng sẽ phải được bảo trì và thay thế sau một số năm nhất định. Hầu hết các tấm pin mặt trời có xu hướng tồn tại khoảng 30 năm (và tuổi thọ được cải thiện chắc chắn là một mục tiêu nghiên cứu), nhưng pin không có tuổi thọ hữu ích như vậy. Pin trong hệ thống PV cũng có thể rất nguy hiểm vì năng lượng mà chúng lưu trữ và chất điện phân có tính axit mà chúng chứa, vì vậy bạn sẽ cần một vỏ bọc phi kim loại thông gió tốt cho chúng.

Mặc dù có nhiều loại pin khác nhau được sử dụng phổ biến nhưng chúng đều có một đặc điểm chung là chúng đều là pin chu kỳ sâu. Không giống như ắc quy ô tô của bạn là ắc quy chu trình nông, ắc quy chu trình sâu có thể xả nhiều năng lượng dự trữ hơn trong khi vẫn duy trì tuổi thọ lâu dài. Ắc quy ô tô xả một dòng điện lớn trong thời gian rất ngắn — để khởi động ô tô — và sau đó được sạc lại ngay lập tức khi bạn lái xe.

Pin PV thường phải xả dòng điện nhỏ hơn trong thời gian dài hơn (chẳng hạn như vào ban đêm hoặc khi mất điện), trong khi được sạc vào ban ngày. Pin chu kỳ sâu được sử dụng phổ biến nhất là pin axit chì (cả kín và có lỗ thông hơi) và pin niken-cadmium, cả hai đều có những ưu và nhược điểm khác nhau.

Pin Lithium-Ion cũng đang trở nên phổ biến hơn trong các ứng dụng năng lượng mặt trời. Chúng có nhiều tiềm năng lưu trữ năng lượng hơn các thiết kế cũ nhưng cũng đắt hơn. Chúng cũng có nguy cơ quá nhiệt và thậm chí bốc cháy nếu sạc quá mức hoặc bảo quản trong môi trường nóng.
​

Hoàn tất thiết lập năng lượng mặt trời của bạn

Việc sử dụng pin đòi hỏi phải lắp đặt một bộ phận khác gọi là bộ điều khiển sạc. Pin sẽ tồn tại lâu hơn rất nhiều nếu chúng không bị sạc quá mức hoặc cạn kiệt quá nhiều. Đó là công việc của bộ điều khiển sạc. Sau khi pin được sạc đầy, bộ điều khiển sạc sẽ không cho dòng điện từ các mô-đun PV tiếp tục chạy vào chúng.

Tương tự, khi pin đã cạn đến một mức xác định trước, được kiểm soát bằng cách đo điện áp pin, nhiều bộ điều khiển sạc sẽ không cho phép xả thêm dòng điện từ pin cho đến khi chúng được sạc lại. Việc sử dụng bộ điều khiển sạc là điều cần thiết để có tuổi thọ pin dài.

Một vấn đề khác ngoài việc lưu trữ năng lượng là điện do các tấm pin mặt trời tạo ra và được lấy ra từ pin nếu bạn chọn sử dụng chúng, không ở dạng được cung cấp bởi tiện ích của bạn hoặc được các thiết bị điện trong nhà bạn sử dụng.

Điện do hệ thống năng lượng mặt trời tạo ra là dòng điện một chiều, vì vậy bạn sẽ cần một bộ biến tần để chuyển đổi nó thành dòng điện xoay chiều. Và như chúng ta đã thảo luận, ngoài việc chuyển DC sang AC, một số bộ biến tần còn được thiết kế để bảo vệ khỏi hiện tượng đảo nếu hệ thống của bạn được nối với lưới điện.

Hầu hết các bộ biến tần lớn sẽ cho phép bạn tự động kiểm soát cách hệ thống của bạn hoạt động. Một số mô-đun PV, được gọi là mô-đun AC, thực tế đã có sẵn một bộ biến tần trong mỗi mô-đun, loại bỏ nhu cầu về một bộ biến tần trung tâm lớn và đơn giản hóa các vấn đề nối dây.

Thêm phần cứng lắp đặt, hệ thống dây điện, hộp nối, thiết bị nối đất, bảo vệ quá dòng, ngắt kết nối DC và AC và các phụ kiện khác, và bạn đã có cho mình một hệ thống. Bạn phải tuân theo các quy tắc điện (có một phần trong Quy tắc điện quốc gia chỉ dành cho PV) và chúng tôi đặc biệt khuyến nghị thợ điện được cấp phép có kinh nghiệm với hệ thống PV thực hiện việc lắp đặt. Sau khi lắp đặt, hệ thống PV yêu cầu rất ít bảo trì (đặc biệt nếu không sử dụng pin) và sẽ cung cấp điện sạch và yên tĩnh trong 20 năm trở lên.

Sự phát triển trong công nghệ tấm pin mặt trời

Chúng ta đã nói rất nhiều về cách vận hành của một hệ thống PV điển hình, nhưng các vấn đề liên quan đến hiệu quả chi phí (chúng ta sẽ đề cập sâu hơn trong phần tiếp theo) đã thúc đẩy những nỗ lực nghiên cứu không ngừng nghỉ nhằm phát triển và tinh chỉnh các phương pháp mới để tạo ra năng lượng mặt trời. năng lượng ngày càng cạnh tranh với các nguồn năng lượng truyền thống.

Ví dụ, silicon đơn tinh thể không phải là vật liệu duy nhất được sử dụng trong các tấm PV. Silic đa tinh thể được sử dụng nhằm nỗ lực cắt giảm chi phí sản xuất, mặc dù các tế bào thu được không hiệu quả như silicon đơn tinh thể. Công nghệ tấm pin mặt trời thế hệ thứ hai bao gồm những gì được gọi là tấm pin mặt trời màng mỏng.

Mặc dù chúng cũng có xu hướng hy sinh một số hiệu quả, nhưng chúng được sản xuất đơn giản hơn và rẻ hơn — và chúng luôn trở nên hiệu quả hơn. Các tấm pin mặt trời màng mỏng có thể được chế tạo từ nhiều loại vật liệu khác nhau, bao gồm silicon vô định hình (không có cấu trúc tinh thể), gallium arsenide, đồng indium diselenide và cadmium Telluride.

Một chiến lược khác để tăng hiệu quả là sử dụng hai hoặc nhiều lớp vật liệu khác nhau với các khoảng cách dải khác nhau. Hãy nhớ rằng tùy thuộc vào chất, các photon có năng lượng khác nhau sẽ được hấp thụ. Vì vậy, bằng cách xếp chồng vật liệu có khe hở dải tần cao hơn lên bề mặt để hấp thụ các photon năng lượng cao (đồng thời cho phép các photon năng lượng thấp hơn được hấp thụ bởi vật liệu có khe hở dải tần thấp hơn bên dưới), hiệu suất có thể cao hơn nhiều. Những tấm như vậy, được gọi là tấm đa điểm nối, có thể có nhiều hơn một điện trường.

Công nghệ quang điện tập trung là một lĩnh vực phát triển đầy hứa hẹn khác. Thay vì chỉ thu thập và chuyển đổi một phần ánh sáng mặt trời chiếu xuống và chuyển đổi thành điện năng, hệ thống PV tập trung sử dụng bổ sung các thiết bị quang học như thấu kính và gương để tập trung lượng năng lượng mặt trời lớn hơn vào các tấm pin mặt trời hiệu quả cao.

Mặc dù chi phí sản xuất của các hệ thống này thường đắt hơn nhưng chúng có một số lợi thế so với việc thiết lập các tấm pin mặt trời thông thường và khuyến khích các nỗ lực nghiên cứu và phát triển hơn nữa.

Tất cả các phiên bản khác nhau của công nghệ bảng điều khiển năng lượng mặt trời này đều khiến các công ty mơ ước về các ứng dụng và sản phẩm chạy bằng năng lượng mặt trời, từ máy bay chạy bằng năng lượng mặt trời và các nhà máy điện trên không gian cho đến các vật dụng hàng ngày khác như rèm cửa, quần áo và vỏ máy tính xách tay chạy bằng năng lượng mặt trời. Ngay cả thế giới thu nhỏ của các hạt nano cũng không bị bỏ sót, và các nhà nghiên cứu thậm chí còn đang khám phá tiềm năng của các tấm pin mặt trời được sản xuất theo phương pháp hữu cơ.

Nhưng nếu quang điện là nguồn năng lượng tự do tuyệt vời như vậy thì tại sao cả thế giới không sử dụng năng lượng mặt trời?

Chi phí năng lượng mặt trời

Một số người có quan niệm sai lầm về năng lượng mặt trời. Mặc dù sự thật là ánh sáng mặt trời là miễn phí nhưng điện do hệ thống PV tạo ra thì không. Có rất nhiều yếu tố liên quan đến việc xác định xem việc lắp đặt hệ thống PV có đáng giá hay không.

Đầu tiên, có câu hỏi về nơi bạn cư trú. Những người sống ở những nơi đầy nắng trên thế giới bắt đầu với lợi thế lớn hơn những người định cư ở những nơi ít nắng hơn, vì hệ thống PV của họ thường có thể tạo ra nhiều điện hơn. Ngoài ra, chi phí cho các tiện ích trong một khu vực cũng phải được tính đến. Giá điện ở mỗi nơi rất khác nhau, vì vậy những người sống xa hơn về phía bắc có thể vẫn muốn cân nhắc sử dụng năng lượng mặt trời nếu giá điện của họ đặc biệt cao.

Tiếp theo là chi phí lắp đặt; như bạn có thể nhận thấy từ cuộc thảo luận của chúng ta về hệ thống quang điện gia dụng, cần có khá nhiều phần cứng. Từ năm 2010 đến năm 2020, Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia đánh giá rằng chi phí trung bình trên mỗi watt của hệ thống năng lượng mặt trời dân dụng đã giảm từ 7,53 USD xuống còn 2,71 USD. Với chi phí lắp đặt năng lượng mặt trời chỉ bằng 1/3 so với cách đây một thập kỷ, các tấm pin dân dụng đã trở thành một lựa chọn hấp dẫn hơn nhiều đối với các chủ nhà. Ưu đãi thuế của chính phủ cũng có thể làm giảm chi phí hơn nữa.

Bất chấp giá dán nhãn, có một số cách tiềm năng để trang trải chi phí của hệ thống PV cho cả người dân và các tập đoàn sẵn sàng nâng cấp và sử dụng năng lượng mặt trời. Những điều này có thể đến dưới hình thức ưu đãi thuế liên bang và tiểu bang, giảm giá cho công ty tiện ích và các cơ hội tài chính khác.

Ngoài ra, tùy thuộc vào kích thước của tấm pin mặt trời – và hiệu suất hoạt động của nó – nó có thể giúp thanh toán nhanh hơn bằng cách thỉnh thoảng tạo ra nguồn điện dư thừa. Cuối cùng, điều quan trọng là phải tính đến ước tính giá trị ngôi nhà. Việc lắp đặt hệ thống PV dự kiến sẽ tăng thêm hàng nghìn đô la vào giá trị của một ngôi nhà.

Hiện tại, năng lượng mặt trời vẫn gặp một số khó khăn trong việc cạnh tranh với các tiện ích, nhưng chi phí đang giảm xuống khi nghiên cứu cải tiến công nghệ. Những người ủng hộ tin tưởng rằng một ngày nào đó PV sẽ tiết kiệm chi phí ở các khu vực thành thị cũng như vùng sâu vùng xa.

Một phần của vấn đề là việc sản xuất cần phải được thực hiện trên quy mô lớn để giảm chi phí nhiều nhất có thể. Tuy nhiên, nhu cầu đó đối với PV sẽ không tồn tại cho đến khi giá giảm xuống mức cạnh tranh. Đó là một cú bắt-22. Mặc dù vậy, khi nhu cầu và hiệu suất mô-đun tăng liên tục, giá giảm và thế giới ngày càng nhận thức được những mối lo ngại về môi trường liên quan đến các nguồn năng lượng thông thường, thì có khả năng quang điện sẽ có một tương lai đầy hứa hẹn.

Để biết thêm thông tin về tấm pin mặt trời và các chủ đề liên quan, hãy xem các liên kết trong phần tiếp theo