Nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời: cách hoạt động và hoạt động của tấm pin năng lượng mặt trời

Chuyển đổi hiệu quả các tia nắng mặt trời tự do thành năng lượng có thể sử dụng để cung cấp năng lượng cho các ngôi nhà và các cơ sở khác là ước mơ ấp ủ của nhiều người ủng hộ năng lượng xanh.

Nhưng nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời và hiệu quả của nó đến mức không cần phải nói về hiệu quả cao của những hệ thống như vậy. Sẽ thật tuyệt nếu có thêm nguồn điện cho riêng mình. Không phải nó? Hơn nữa, ngay cả ngày nay ở Nga, với sự trợ giúp của các tấm pin mặt trời, một số lượng đáng kể các hộ gia đình tư nhân đã được cung cấp điện “miễn phí” thành công. Vẫn không biết bắt đầu từ đâu?

Dưới đây chúng tôi sẽ cho bạn biết về nguyên tắc thiết kế và vận hành của tấm pin mặt trời; bạn sẽ tìm hiểu hiệu quả của hệ mặt trời phụ thuộc vào điều gì. Và những video được đăng trong bài viết sẽ giúp bạn tự tay lắp ráp một tấm pin mặt trời từ tế bào quang điện.

Tấm pin mặt trời: thuật ngữ

Có khá nhiều sắc thái và sự nhầm lẫn trong chủ đề “năng lượng mặt trời”. Ban đầu, người mới bắt đầu thường khó hiểu tất cả các thuật ngữ không quen thuộc. Nhưng nếu không có điều này thì việc tham gia vào lĩnh vực năng lượng mặt trời, mua thiết bị để tạo ra dòng điện “mặt trời” là không hợp lý.

Vô tình, bạn không những có thể chọn sai bảng điều khiển mà còn có thể đốt cháy nó khi kết nối hoặc lấy quá ít năng lượng từ nó.

Đầu tiên, bạn nên hiểu rõ các loại thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời hiện có. Tấm pin mặt trời và bộ thu năng lượng mặt trời là hai thiết bị cơ bản khác nhau. Cả hai đều chuyển đổi năng lượng của tia nắng mặt trời.

Tuy nhiên, trong trường hợp đầu tiên, người tiêu dùng nhận được năng lượng điện ở đầu ra và trong trường hợp thứ hai, năng lượng nhiệt ở dạng chất làm mát được làm nóng, tức là. tấm pin mặt trời được sử dụng cho sưởi ấm nhà.

Lợi nhuận tối đa từ một tấm pin mặt trời chỉ có thể đạt được bằng cách biết nó hoạt động như thế nào, nó bao gồm những thành phần và cụm lắp ráp nào cũng như cách tất cả được kết nối chính xác.

Sắc thái thứ hai là khái niệm về thuật ngữ “pin năng lượng mặt trời”. Thông thường, từ “pin” dùng để chỉ một số loại thiết bị lưu trữ điện. Hoặc một bộ tản nhiệt sưởi ấm tầm thường xuất hiện trong tâm trí. Tuy nhiên, trong trường hợp pin năng lượng mặt trời, tình hình lại hoàn toàn khác. Họ không tích lũy bất cứ điều gì trong chính họ.

Tấm pin năng lượng mặt trời tạo ra dòng điện không đổi. Để chuyển nó thành biến số (dùng trong đời sống hàng ngày), trong mạch phải có biến tần

Các tấm pin mặt trời được thiết kế chỉ để tạo ra dòng điện. Đến lượt nó, nó được tích lũy để cung cấp điện cho ngôi nhà vào ban đêm, khi mặt trời lặn dưới đường chân trời, đã có sẵn trong pin trong mạch cung cấp năng lượng của cơ sở.

Pin ở đây có nghĩa là trong bối cảnh một tập hợp các thành phần tương tự nhất định được lắp ráp thành một tổng thể duy nhất. Trên thực tế, nó chỉ là một bảng gồm nhiều tế bào quang điện giống hệt nhau.

Cấu trúc bên trong của pin năng lượng mặt trời

Dần dần, các tấm pin mặt trời ngày càng rẻ hơn và hiệu quả hơn.Hiện nay chúng được sử dụng để sạc pin cho đèn đường, điện thoại thông minh, ô tô điện, nhà riêng và trên vệ tinh trong không gian. Họ thậm chí còn bắt đầu xây dựng các nhà máy điện mặt trời (SPP) chính thức với khối lượng phát điện lớn.

Pin năng lượng mặt trời bao gồm nhiều tế bào quang điện (bộ chuyển đổi quang điện) có chức năng chuyển đổi năng lượng của các photon từ mặt trời thành điện năng

Mỗi pin năng lượng mặt trời được thiết kế như một khối gồm một số mô-đun nhất định, kết hợp các tế bào quang điện bán dẫn được mắc nối tiếp. Để hiểu nguyên lý hoạt động của loại pin như vậy, cần phải hiểu hoạt động của liên kết cuối cùng này trong thiết bị bảng năng lượng mặt trời, được tạo ra trên cơ sở chất bán dẫn.

Các loại tinh thể tế bào quang điện

Có một số lượng lớn các tùy chọn FEP được làm từ các nguyên tố hóa học khác nhau. Tuy nhiên, hầu hết đều là những phát triển ở giai đoạn đầu. Cho đến nay, chỉ có các tấm pin quang điện làm từ silicon mới được sản xuất ở quy mô công nghiệp.

Chất bán dẫn silicon được sử dụng trong sản xuất pin mặt trời do giá thành thấp, chúng không thể tự hào về hiệu quả đặc biệt cao

Một tế bào quang điện điển hình trong tấm pin mặt trời là một tấm wafer mỏng gồm hai lớp silicon, mỗi lớp có đặc tính vật lý riêng. Đây là điểm nối p-n bán dẫn cổ điển với các cặp electron-lỗ trống.

Khi các photon chạm vào tế bào quang điện giữa các lớp bán dẫn này, do tính không đồng nhất của tinh thể, một quang điện cổng EMF được hình thành, dẫn đến sự chênh lệch điện thế và dòng điện tử.

Tấm silicon của pin mặt trời có công nghệ sản xuất khác nhau như sau:

1. Đơn tinh thể.
2. Đa tinh thể.

Cái trước có hiệu quả cao hơn, nhưng chi phí sản xuất của chúng cao hơn cái sau. Bên ngoài, một tùy chọn có thể được phân biệt với tùy chọn khác trên tấm pin mặt trời bằng hình dạng của nó.

Pin mặt trời đơn tinh thể có cấu trúc đồng nhất, chúng được chế tạo dưới dạng hình vuông với các góc cắt. Ngược lại, các nguyên tố đa tinh thể có hình vuông hoàn toàn.

Đa tinh thể thu được bằng cách làm nguội dần silicon nóng chảy. Phương pháp này cực kỳ đơn giản, đó là lý do tại sao các tế bào quang điện như vậy không đắt tiền.

Nhưng năng suất của họ trong việc tạo ra điện từ tia mặt trời hiếm khi vượt quá 15%. Điều này là do “tạp chất” của các tấm silicon thu được và cấu trúc bên trong của chúng. Ở đây, lớp p-silicon càng tinh khiết thì hiệu suất của pin mặt trời từ nó càng cao.

Độ tinh khiết của các tinh thể đơn về mặt này cao hơn nhiều so với các chất tương tự đa tinh thể. Chúng được làm không phải từ nóng chảy mà từ tinh thể silicon rắn được trồng nhân tạo. Hệ số chuyển đổi quang điện của pin mặt trời như vậy đã đạt 20-22%.

Các tế bào quang điện riêng lẻ được lắp ráp thành một mô-đun chung trên khung nhôm và để bảo vệ chúng, chúng được phủ bên trên bằng kính bền, không cản trở tia nắng mặt trời.

Lớp trên cùng của tấm tế bào quang điện hướng về phía mặt trời được làm từ cùng một loại silicon nhưng có thêm phốt pho. Chính cái sau sẽ là nguồn cung cấp các electron dư thừa trong hệ thống tiếp giáp pn.

Một bước đột phá thực sự trong lĩnh vực năng lượng mặt trời là sự phát triển của các tấm linh hoạt bằng silicon quang điện vô định hình:

Nguyên lý hoạt động của tấm pin năng lượng mặt trời

Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào tế bào quang điện, các cặp lỗ electron không cân bằng sẽ được tạo ra trong tế bào quang điện. Các electron và lỗ trống dư thừa được chuyển một phần qua lớp tiếp giáp pn từ lớp bán dẫn này sang lớp bán dẫn khác.

Kết quả là điện áp xuất hiện ở mạch ngoài. Trong trường hợp này, cực dương của nguồn hiện tại được hình thành ở điểm tiếp xúc của lớp p và cực âm ở lớp n.

Sự chênh lệch điện thế (điện áp) giữa các điểm tiếp xúc của tế bào quang điện xuất hiện do sự thay đổi số lượng “lỗ trống” và electron ở các phía khác nhau của tiếp giáp p-n do sự chiếu xạ của lớp n với các tia mặt trời

Các tế bào quang điện được kết nối với tải bên ngoài dưới dạng pin sẽ tạo thành một vòng luẩn quẩn với nó. Kết quả là, tấm pin năng lượng mặt trời hoạt động giống như một loại bánh xe mà các electron “chạy” cùng nhau giữa các protein. Và pin dần dần được sạc.

Bộ chuyển đổi quang điện silicon tiêu chuẩn là các tế bào nối đơn.Dòng electron đi vào chúng chỉ xảy ra thông qua một điểm nối p-n với vùng chuyển tiếp này bị giới hạn bởi năng lượng photon.

Nghĩa là, mỗi tế bào quang điện như vậy chỉ có khả năng tạo ra điện từ một phổ bức xạ mặt trời hẹp. Tất cả năng lượng khác đều bị lãng phí. Đó là lý do tại sao hiệu quả của FEP rất thấp.

Để tăng hiệu suất của pin mặt trời, các phần tử bán dẫn silicon dành cho chúng gần đây đã bắt đầu được chế tạo đa tầng (tầng). Hiện đã có một số quá trình chuyển đổi trong pin mặt trời mới. Hơn nữa, mỗi người trong số họ trong tầng này được thiết kế cho quang phổ ánh sáng mặt trời riêng.

Tổng hiệu suất chuyển đổi photon thành dòng điện cho các tế bào quang điện như vậy cuối cùng sẽ tăng lên. Nhưng giá của chúng cao hơn nhiều. Ở đây, hoặc dễ sản xuất với chi phí thấp và hiệu quả thấp, hoặc lợi nhuận cao hơn cùng với chi phí cao.

Tấm pin mặt trời có thể hoạt động cả vào mùa hè và mùa đông (cần ánh sáng chứ không cần nhiệt) - mặt trời càng ít mây và càng sáng thì dòng điện mà tấm pin mặt trời tạo ra càng nhiều

Trong quá trình hoạt động, tế bào quang điện và toàn bộ pin nóng lên dần. Tất cả năng lượng không được sử dụng để tạo ra dòng điện sẽ được chuyển thành nhiệt. Thông thường nhiệt độ trên bề mặt tấm pin mặt trời tăng lên 50–55 °C. Nhưng càng cao thì tế bào quang điện càng hoạt động kém hiệu quả.

Kết quả là, cùng một mẫu pin mặt trời tạo ra ít dòng điện hơn khi thời tiết nóng so với thời tiết lạnh. Tế bào quang điện cho thấy hiệu quả tối đa vào một ngày mùa đông quang đãng. Có hai yếu tố ảnh hưởng ở đây - nhiều ánh nắng mặt trời và sự mát mẻ tự nhiên.

Hơn nữa, nếu tuyết rơi trên tấm pin thì nó vẫn tiếp tục phát điện.Hơn nữa, những bông tuyết thậm chí sẽ không có thời gian để nằm trên đó nhiều vì đã tan chảy do sức nóng của các tế bào quang điện được làm nóng.

Hiệu suất pin năng lượng mặt trời

Một tế bào quang điện, ngay cả vào buổi trưa khi thời tiết quang đãng, tạo ra rất ít điện năng, chỉ đủ để vận hành một đèn pin LED.

Để tăng công suất đầu ra, một số pin mặt trời được kết hợp thành mạch song song để tăng điện áp DC và thành mạch nối tiếp để tăng dòng điện.

Hiệu suất của các tấm pin mặt trời phụ thuộc vào:

• nhiệt độ của không khí và pin;
• lựa chọn chính xác khả năng chịu tải;
• góc tới của ánh sáng mặt trời;
• sự hiện diện / vắng mặt của lớp phủ chống phản chiếu;
• công suất quang thông.

Nhiệt độ bên ngoài càng thấp thì tế bào quang điện và pin mặt trời nói chung hoạt động càng hiệu quả. Mọi thứ đều đơn giản ở đây. Nhưng với việc tính toán tải thì tình hình phức tạp hơn. Nó nên được lựa chọn dựa trên dòng điện được cung cấp bởi bảng điều khiển. Nhưng giá trị của nó thay đổi tùy thuộc vào yếu tố thời tiết.

Các tấm pin mặt trời được sản xuất với điện áp đầu ra là bội số của 12 V - nếu cần cung cấp 24 V cho pin thì hai tấm pin sẽ phải được kết nối song song với nó

Việc liên tục theo dõi các thông số của pin năng lượng mặt trời và điều chỉnh hoạt động của nó theo cách thủ công là một vấn đề. Đối với điều này tốt hơn là sử dụng điều khiển điều khiển, tự động điều chỉnh các cài đặt của tấm pin mặt trời để đạt được hiệu suất tối đa và các chế độ hoạt động tối ưu từ nó.

Góc tới lý tưởng của tia nắng mặt trời trên pin mặt trời là thẳng. Tuy nhiên, nếu độ lệch nằm trong khoảng 30 độ so với đường vuông góc thì hiệu suất của tấm pin chỉ giảm khoảng 5%.Nhưng khi góc này tăng hơn nữa, tỷ lệ bức xạ mặt trời sẽ bị phản xạ ngày càng tăng, do đó làm giảm hiệu suất của pin mặt trời.

Nếu pin được yêu cầu tạo ra năng lượng tối đa vào mùa hè thì pin phải được đặt vuông góc với vị trí trung bình của Mặt trời, vị trí mà nó chiếm giữ vào các điểm phân vào mùa xuân và mùa thu.

Đối với khu vực Moscow, góc này là khoảng 40–45 độ so với đường chân trời. Nếu cần tối đa vào mùa đông thì nên đặt bảng điều khiển ở vị trí thẳng đứng hơn.

Và một điều nữa - bụi bẩn làm giảm đáng kể hiệu suất của tế bào quang điện. Đơn giản là các photon không thể tiếp cận chúng qua một rào cản “bẩn” như vậy, nghĩa là không có gì có thể chuyển hóa thành điện năng. Các tấm phải được rửa sạch thường xuyên hoặc đặt để bụi tự bị mưa cuốn trôi.

Một số tấm pin mặt trời có thấu kính tích hợp để tập trung bức xạ vào pin mặt trời. Trong thời tiết rõ ràng, điều này dẫn đến tăng hiệu quả. Tuy nhiên, trong những đám mây dày đặc, những thấu kính này chỉ gây hại.

Nếu một bảng điều khiển thông thường trong tình huống như vậy tiếp tục tạo ra dòng điện, mặc dù với khối lượng nhỏ hơn, thì mẫu ống kính sẽ ngừng hoạt động gần như hoàn toàn.

Lý tưởng nhất là mặt trời nên chiếu sáng đồng đều pin của tế bào quang điện. Nếu một trong các phần của nó bị tối đi, thì pin mặt trời không được chiếu sáng sẽ trở thành vật tải ký sinh. Chúng không những không tạo ra năng lượng trong tình huống như vậy mà còn lấy đi năng lượng của các bộ phận làm việc.

Các tấm phải được lắp đặt sao cho không có cây cối, tòa nhà hoặc các chướng ngại vật khác cản đường đi của tia nắng.

Sơ đồ cung cấp năng lượng mặt trời cho ngôi nhà

Hệ thống cung cấp điện năng lượng mặt trời bao gồm:

1. Tấm năng lượng mặt trời.
2. Người điều khiển.
3. Pin.
4. Biến tần (máy biến áp).

Bộ điều khiển trong mạch này bảo vệ cả tấm pin mặt trời và pin. Một mặt, nó ngăn chặn dòng điện ngược vào ban đêm và khi trời nhiều mây, mặt khác, nó bảo vệ pin khỏi sạc/xả quá mức.

Pin sạc cho tấm pin mặt trời phải được lựa chọn giống nhau về độ tuổi và công suất, nếu không quá trình sạc/xả sẽ diễn ra không đồng đều, dẫn đến tuổi thọ sử dụng của chúng giảm mạnh.

Để chuyển đổi dòng điện một chiều 12, 24 hoặc 48 volt thành dòng điện xoay chiều 220 volt bạn cần biến tần. Ắc quy ô tô không được khuyến khích sử dụng trong mạch như vậy do chúng không có khả năng chịu được việc sạc lại thường xuyên. Tốt nhất bạn nên bỏ tiền ra mua AGM heli đặc biệt hoặc pin OPzS ngập nước.

Kết luận và video hữu ích về chủ đề này

Nguyên tắc hoạt động và sơ đồ kết nối bảng điều khiển năng lượng mặt trời không quá khó hiểu. Và với các tài liệu video mà chúng tôi đã thu thập dưới đây, bạn sẽ dễ dàng hiểu được tất cả những điều phức tạp trong hoạt động và lắp đặt các tấm pin mặt trời.

Có thể truy cập và dễ hiểu cách thức hoạt động của pin mặt trời quang điện, với tất cả các chi tiết của nó:

Xem cách các tấm pin mặt trời hoạt động trong video sau:

Tự lắp ráp tấm pin mặt trời từ tế bào quang điện:

Mỗi phần tử trong hệ thống năng lượng mặt trời ngôi nhà phải được lựa chọn chính xác. Tổn thất điện năng không thể tránh khỏi xảy ra ở pin, máy biến áp và bộ điều khiển. Và chúng phải được giảm đến mức tối thiểu, nếu không hiệu suất vốn đã khá thấp của các tấm pin mặt trời sẽ giảm xuống bằng 0.

Bạn có thắc mắc gì khi nghiên cứu tài liệu không? Hoặc bạn biết thông tin có giá trị về chủ đề của bài viết và có thể chia sẻ nó với độc giả của chúng tôi? Vui lòng để lại ý kiến ​​​​của bạn trong khối bên dưới.