Các loại tấm pin mặt trời: đánh giá so sánh về thiết kế và mẹo chọn tấm pin

Năng lượng thay thế đang phát triển đến mức tối đa ở châu Âu, cho thấy kết quả đầy hứa hẹn.Các loại tấm pin mặt trời mới đang xuất hiện và hiệu quả của chúng ngày càng tăng.

Nếu bạn muốn đảm bảo hoạt động của một tòa nhà công nghiệp hoặc khu dân cư sử dụng năng lượng mặt trời, trước tiên bạn phải tìm hiểu về sự khác biệt giữa các thiết bị và hiểu loại tấm pin mặt trời nào phù hợp với điều kiện khí hậu của một vùng cụ thể.

Chúng tôi sẽ giúp bạn giải quyết vấn đề này. Bài viết thảo luận về nguyên lý hoạt động của bộ chuyển đổi quang điện và cung cấp cái nhìn tổng quan về các loại pin mặt trời khác nhau, chỉ ra đặc điểm, ưu điểm và nhược điểm của chúng. Sau khi làm quen với tài liệu, bạn sẽ có thể đưa ra lựa chọn đúng đắn để bố trí một hệ mặt trời hiệu quả.

Nguyên lý hoạt động của tấm pin năng lượng mặt trời

Về mặt vật lý, phần lớn các tấm pin mặt trời là bộ chuyển đổi quang điện. Hiệu ứng phát điện xảy ra tại vị trí tiếp giáp p-n bán dẫn.

Tấm silicon là cơ sở cho giá thành của các tấm pin mặt trời, nhưng khi sử dụng chúng làm nguồn điện suốt ngày đêm, bạn sẽ phải mua thêm pin đắt tiền

Bảng điều khiển bao gồm hai tấm silicon với các đặc tính khác nhau. Dưới tác động của ánh sáng, một trong số chúng phát triển tình trạng thiếu electron và cái còn lại - dư thừa chúng.Mỗi tấm có dải dây dẫn bằng đồng được kết nối với bộ chuyển đổi điện áp.

Một tấm pin mặt trời công nghiệp bao gồm nhiều tế bào quang điện nhiều lớp được liên kết với nhau và gắn trên một chất nền dẻo hoặc cứng.

Hiệu suất của thiết bị phụ thuộc phần lớn vào độ tinh khiết của silicon và sự định hướng của các tinh thể của nó. Chính những thông số này mà các kỹ sư đã cố gắng cải thiện trong nhiều thập kỷ qua. Vấn đề chính của vấn đề này là chi phí cao của các quy trình làm cơ sở cho việc tinh chế silicon và sắp xếp các tinh thể theo một hướng trên toàn bộ tấm nền.

Hàng năm, hiệu suất tối đa của các tấm pin mặt trời khác nhau đều tăng lên do hàng tỷ đô la được đầu tư vào nghiên cứu vật liệu quang điện mới (+)

Chất bán dẫn của bộ chuyển đổi quang điện có thể được chế tạo không chỉ từ silicon mà còn từ các vật liệu khác - nguyên lý hoạt động của pin nó không thay đổi.

Các loại bộ chuyển đổi quang điện

Các tấm pin mặt trời công nghiệp được phân loại theo đặc điểm thiết kế và loại lớp quang điện hoạt động.

Có các loại pin này tùy theo loại thiết bị:

• tấm linh hoạt;
• mô-đun cứng nhắc.

Các tấm màng mỏng linh hoạt đang dần chiếm một vị trí ngày càng lớn trên thị trường nhờ tính linh hoạt trong lắp đặt, bởi vì chúng có thể được lắp đặt trên hầu hết các bề mặt với nhiều hình thức kiến ​​trúc khác nhau.

Các đặc tính thực tế của tấm pin mặt trời thường thấp hơn so với đặc tính được nêu trong hướng dẫn. Vì vậy, trước khi lắp đặt chúng ở nhà, bạn nên tự mình xem một dự án đã hoàn thành tương tự.

Dựa vào loại lớp quang điện hoạt động, pin năng lượng mặt trời được chia thành các loại sau:

1. Silicon: đơn tinh thể, đa tinh thể, vô định hình.
2. Tellurium-cadmium.
3. Dựa trên selenua indi-đồng-gallium.
4. Polyme.
5. Hữu cơ.
6. Dựa trên gali arsenide.
7. Kết hợp và nhiều lớp.

Không phải tất cả các loại tấm pin mặt trời đều được người tiêu dùng nói chung quan tâm mà chỉ có hai loại tinh thể đầu tiên.

Mặc dù một số loại tấm khác có hiệu suất cao nhưng chúng không được sử dụng rộng rãi do giá thành cao.

Tế bào quang điện silicon khá nhạy cảm với nhiệt. Nhiệt độ cơ bản để đo phát điện là 25°C. Khi tăng một độ, hiệu suất của các tấm pin giảm 0,45-0,5%.

Tiếp theo, các tấm pin mặt trời được người tiêu dùng quan tâm nhất sẽ được thảo luận chi tiết.

Đặc điểm của tấm silicon

Silicon dùng cho pin mặt trời được làm từ bột thạch anh - tinh thể thạch anh nghiền. Nguồn nguyên liệu thô dồi dào nhất là ở Tây Siberia và Trung Urals, vì vậy triển vọng cho khu vực năng lượng mặt trời này gần như vô hạn.

Ngay cả hiện nay, các tấm silicon tinh thể và vô định hình đã chiếm hơn 80% thị trường. Vì vậy, đáng để xem xét chúng chi tiết hơn.

Tấm silicon đơn tinh thể

Tấm silicon đơn tinh thể hiện đại (mono-Si) có màu xanh đậm đồng nhất trên toàn bộ bề mặt. Silicon tinh khiết nhất được sử dụng để sản xuất chúng. Pin mặt trời đơn tinh thể có giá cao nhất trong số tất cả các tấm silicon nhưng cũng mang lại hiệu quả tốt nhất.

Các tấm pin mặt trời đơn tinh thể lớn với cơ chế quay hoàn toàn phù hợp với cảnh quan sa mạc. Có điều kiện để đạt năng suất tối đa

Chi phí sản xuất cao là do khó định hướng tất cả các tinh thể silicon theo cùng một hướng. Do những đặc tính vật lý này của lớp làm việc, hiệu quả tối đa chỉ được đảm bảo khi tia nắng vuông góc với bề mặt của tấm.

Pin đơn tinh thể yêu cầu thiết bị bổ sung tự động quay chúng vào ban ngày sao cho mặt phẳng của các tấm vuông góc với tia nắng nhất có thể.

Các lớp silicon với các tinh thể một mặt được cắt từ một khối kim loại hình trụ nên các khối quang điện thành phẩm trông giống như một hình vuông được bo tròn ở các góc.

Ưu điểm của pin silicon đơn tinh thể bao gồm:

1. Hiệu quả cao với giá trị 17-25%.
2. Sự nhỏ gọn - diện tích thiết bị nhỏ hơn trên mỗi đơn vị năng lượng so với các tấm silicon đa tinh thể.
3. Độ bền — hiệu suất phát điện đủ được đảm bảo lên tới 25 năm.

Chỉ có hai nhược điểm đối với loại pin như vậy:

1. Giá cao và hoàn vốn dài hạn.
2. Nhạy cảm với ô nhiễm. Bụi làm tán xạ ánh sáng, do đó hiệu suất của các tấm pin mặt trời được phủ nó giảm mạnh.

Do nhu cầu ánh sáng mặt trời trực tiếp, chất đơn tinh thể các tấm pin mặt trời đang được lắp đặt chủ yếu ở các khu vực mở hoặc ở độ cao. Khu vực càng gần xích đạo và càng có nhiều ngày nắng thì càng nên lắp đặt loại phần tử quang điện đặc biệt này.

Pin mặt trời đa tinh thể

Tấm silicon đa tinh thể (multi-Si) có màu xanh lam có cường độ không đồng đều do sự định hướng đa dạng của các tinh thể. Độ tinh khiết của silicon được sử dụng trong sản xuất của chúng thấp hơn một chút so với các chất tương tự đơn tinh thể.

Tinh thể đa hướng mang lại hiệu quả cao trong ánh sáng khuếch tán - 12-18%.Nó thấp hơn so với các tinh thể đơn hướng, nhưng trong điều kiện thời tiết nhiều mây, những tấm như vậy sẽ hiệu quả hơn.

Tính không đồng nhất của vật liệu cũng dẫn đến giảm giá thành sản xuất silicon. Kim loại tinh khiết dành cho các tấm pin mặt trời đa tinh thể được đổ vào khuôn mà không cần bất kỳ thủ thuật đặc biệt nào.

Trong sản xuất, các kỹ thuật đặc biệt được sử dụng để tạo thành tinh thể, nhưng tính định hướng của chúng không được kiểm soát. Sau khi làm mát, silicon được cắt thành từng lớp và xử lý theo thuật toán đặc biệt.

Các tấm đa tinh thể không yêu cầu hướng liên tục về phía mặt trời, vì vậy mái nhà và các tòa nhà công nghiệp được sử dụng tích cực để bố trí chúng.

Vào ban ngày, với mây nhẹ, ưu điểm của tấm pin mặt trời làm từ silicon vô định hình sẽ không thể hiện rõ, ưu điểm của chúng chỉ bộc lộ dưới những đám mây dày đặc hoặc trong bóng râm (+)

Ưu điểm của pin mặt trời với tinh thể đa hướng bao gồm:

1. Hiệu quả cao trong điều kiện ánh sáng khuếch tán.
2. Khả năng cài đặt vĩnh viễn trên mái các tòa nhà.
3. Chi phí thấp hơn so với các tấm đơn tinh thể.
4. Thời gian hoạt động — hiệu suất giảm sau 20 năm hoạt động chỉ là 15-20%.

Tấm đa tinh thể cũng có nhược điểm:

1. Giảm hiệu quả với giá trị 12-18%.
2. Độ cồng kềnh tương đối - cần nhiều không gian lắp đặt hơn cho mỗi đơn vị năng lượng so với các thiết bị tương tự đơn tinh thể.

Các tấm pin mặt trời đa tinh thể đang chiếm thị phần ngày càng tăng trong số các loại pin silicon khác. Điều này được đảm bảo bởi các cơ hội tiềm năng rộng lớn để giảm chi phí sản xuất của họ.Hiệu suất của các tấm như vậy cũng tăng lên hàng năm, nhanh chóng đạt tới mức 20% đối với các sản phẩm sản xuất hàng loạt.

Tấm pin mặt trời silicon vô định hình

Cơ chế sản xuất tấm pin mặt trời từ silicon vô định hình về cơ bản khác với cơ chế sản xuất tế bào quang điện tinh thể. Ở đây, nó không phải là phi kim loại nguyên chất được sử dụng mà là hydrua của nó, hơi nóng của nó đọng lại trên bề mặt.

Kết quả của công nghệ này là các tinh thể cổ điển không được hình thành và chi phí sản xuất giảm mạnh.

Pin mặt trời silicon vô định hình lắng đọng có thể được gắn trên đế polymer dẻo hoặc tấm kính cứng

Hiện tại, đã có ba thế hệ tấm silicon vô định hình, mỗi thế hệ đều tăng hiệu quả đáng kể. Nếu như các mô-đun quang điện đầu tiên có hiệu suất 4-5% thì hiện nay các mô-đun thế hệ thứ hai với hiệu suất 8-9% được bán rộng rãi trên thị trường.

Các tấm vô định hình mới nhất có hiệu suất lên tới 12% và đã bắt đầu được bày bán, nhưng chúng vẫn khá đắt.

Do đặc điểm của công nghệ sản xuất này là có thể tạo ra một lớp silicon trên cả nền cứng và nền dẻo. Do đó, các mô-đun silicon vô định hình được sử dụng tích cực trong các mô-đun năng lượng mặt trời màng mỏng linh hoạt. Nhưng các lựa chọn có lớp nền đàn hồi đắt hơn nhiều.

Cấu trúc hóa lý của silicon vô định hình cho phép hấp thụ tối đa các photon của ánh sáng tán xạ yếu để tạo ra điện. Vì vậy, những tấm như vậy rất thuận tiện để sử dụng ở các khu vực phía Bắc có diện tích trống lớn.

Hiệu suất của pin dựa trên silicon vô định hình không giảm ngay cả ở nhiệt độ cao, mặc dù chúng kém hơn về thông số này so với các tấm gali arsenide.

Với cùng chi phí thiết bị, các tấm pin mặt trời silicon hydride cho thấy hiệu suất cao hơn so với các tấm đơn tinh thể và đa tinh thể (+)

Tóm lại, chúng ta có thể chỉ ra những ưu điểm sau của tấm pin mặt trời vô định hình:

1. Tính linh hoạt - khả năng sản xuất các tấm mỏng và linh hoạt, lắp pin trên bất kỳ dạng kiến ​​trúc nào.
2. Hiệu quả cao trong ánh sáng khuếch tán.
3. Công việc ổn định ở nhiệt độ cao.
4. Sự đơn giản và độ tin cậy của thiết kế. Những tấm như vậy thực tế không bị vỡ.
5. Duy trì hiệu suất trong điều kiện khó khăn - hiệu suất giảm ít hơn khi bề mặt có nhiều bụi hơn so với các chất tương tự dạng tinh thể

Tuổi thọ của các tế bào quang điện như vậy, bắt đầu từ thế hệ thứ hai, là 20-25 năm với mức giảm điện năng 15-20%. Nhược điểm duy nhất của tấm silicon vô định hình bao gồm nhu cầu diện tích lớn hơn để chứa các thiết bị có công suất cần thiết.

Tổng quan về các thiết bị không chứa silicon

Một số tấm pin mặt trời, được chế tạo bằng kim loại quý hiếm và đắt tiền, có hiệu suất trên 30%. Chúng đắt hơn nhiều lần so với các sản phẩm silicon tương tự, nhưng vẫn chiếm lĩnh thị trường giao dịch công nghệ cao do những đặc điểm đặc biệt của chúng.

Tấm pin mặt trời kim loại quý hiếm

Có một số loại tấm pin mặt trời bằng kim loại quý hiếm và không phải tất cả chúng đều hiệu quả hơn mô-đun silicon đơn tinh thể.

Tuy nhiên, khả năng hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt cho phép các nhà sản xuất tấm pin mặt trời như vậy tạo ra các sản phẩm có tính cạnh tranh và tiến hành nghiên cứu sâu hơn.

Tấm cadmium Telluride được sử dụng tích cực để ốp các tòa nhà ở các nước xích đạo và Ả Rập, nơi bề mặt của chúng nóng lên tới 70-80 độ vào ban ngày

Các hợp kim chính được sử dụng để chế tạo tế bào quang điện là cadmium Telluride (CdTe), indium copper gallium selenide (CIGS) và đồng indium selenide (CIS).

Cadmium là một kim loại độc hại, còn indium, gallium và Tellurium khá hiếm và đắt tiền, vì vậy việc sản xuất hàng loạt tấm pin mặt trời dựa trên chúng thậm chí là không thể về mặt lý thuyết.

Hiệu suất của các tấm như vậy ở mức 25-35%, mặc dù trong những trường hợp đặc biệt, nó có thể đạt tới 40%. Trước đây, chúng được sử dụng chủ yếu trong ngành vũ trụ, nhưng giờ đây một hướng đi mới đầy hứa hẹn đã xuất hiện.

Do hoạt động ổn định nên các tế bào quang điện làm bằng kim loại hiếm ở nhiệt độ 130-150°C nên được sử dụng trong các nhà máy nhiệt điện mặt trời. Trong trường hợp này, tia nắng mặt trời từ hàng chục hoặc hàng trăm gương tập trung vào một bảng nhỏ, bảng này đồng thời tạo ra điện và đảm bảo truyền năng lượng nhiệt sang bộ trao đổi nhiệt nước.

Khi nước nóng lên, hơi nước được hình thành, khiến tuabin quay và tạo ra điện. Bằng cách này, năng lượng mặt trời được chuyển đổi đồng thời thành năng lượng điện theo hai cách với hiệu quả tối đa.

Các chất tương tự polyme và hữu cơ

Các mô-đun quang điện dựa trên các hợp chất hữu cơ và polyme mới bắt đầu được phát triển trong thập kỷ qua, nhưng các nhà nghiên cứu đã đạt được tiến bộ đáng kể.Công ty châu Âu thể hiện sự tiến bộ lớn nhất Heliatek, công ty đã trang bị cho một số tòa nhà cao tầng các tấm pin mặt trời hữu cơ.

Độ dày của cấu trúc màng cuộn của nó là HeliaFilm chỉ là 1mm.

Trong quá trình sản xuất tấm polyme, các chất như carbon fullerene, đồng phthalocyanine, polyphenylene và các chất khác được sử dụng. Hiệu suất của các tế bào quang điện như vậy đã đạt 14-15% và chi phí sản xuất thấp hơn nhiều lần so với các tấm pin mặt trời tinh thể.

Vấn đề về thời gian phân hủy của lớp làm việc hữu cơ là cấp tính. Cho đến nay, không thể khẳng định một cách đáng tin cậy mức độ hiệu quả của nó sau vài năm hoạt động.

Ưu điểm của tấm pin mặt trời hữu cơ là:

• khả năng xử lý an toàn với môi trường;
• chi phí sản xuất thấp;
• thiết kế linh hoạt.

Nhược điểm của các tế bào quang điện như vậy bao gồm hiệu suất tương đối thấp và thiếu thông tin đáng tin cậy về thời gian hoạt động ổn định của các tấm pin. Có thể trong 5-10 năm nữa, tất cả những nhược điểm của pin mặt trời hữu cơ sẽ biến mất và chúng sẽ trở thành đối thủ cạnh tranh nặng ký đối với tấm wafer silicon.

Chọn tấm pin năng lượng mặt trời nào?

Việc lựa chọn các tấm pin mặt trời cho những ngôi nhà nông thôn ở vĩ độ 45-60° không khó. Chỉ có hai lựa chọn đáng xem xét ở đây: tấm silicon đa tinh thể và đơn tinh thể.

Nếu thiếu không gian, tốt hơn nên ưu tiên các mẫu hiệu quả hơn với hướng tinh thể một mặt, nếu có diện tích không giới hạn, nên mua pin đa tinh thể.

Bạn không nên dựa vào dự báo của các công ty phân tích về sự phát triển của thị trường tấm pin mặt trời, vì những ví dụ điển hình nhất về chúng có thể vẫn chưa được phát minh

Tốt hơn là chọn một nhà sản xuất cụ thể, công suất cần thiết và thiết bị bổ sung với sự tham gia của người quản lý các công ty liên quan đến việc bán và lắp đặt các thiết bị đó. Bạn nên biết rằng chất lượng và giá cả của các mô-đun quang điện từ các nhà sản xuất lớn nhất khác nhau rất ít.

Cần lưu ý rằng khi đặt mua một bộ thiết bị chìa khóa trao tay, chi phí cho bản thân các tấm pin mặt trời sẽ chỉ bằng 30-40% tổng số tiền. Thời gian hoàn vốn của các dự án như vậy là 5-10 năm, tùy thuộc vào mức độ tiêu thụ năng lượng và khả năng bán lượng điện dư thừa lên lưới điện thành phố.

Một số thợ thủ công thích lắp ráp các tấm pin mặt trời bằng tay của chính họ. Trên trang web của chúng tôi có các bài viết mô tả chi tiết về công nghệ sản xuất các tấm như vậy, cách kết nối và bố trí hệ thống sưởi bằng năng lượng mặt trời.

Chúng tôi khuyên bạn nên đọc:

1. Cách tự làm pin năng lượng mặt trời: hướng dẫn tự lắp ráp
2. Hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời: phân tích các công nghệ sưởi ấm dựa trên hệ thống năng lượng mặt trời
3. Sơ đồ kết nối các tấm pin mặt trời: tới bộ điều khiển, tới ắc quy và hệ thống bảo trì

Kết luận và video hữu ích về chủ đề này

Các video được trình bày cho thấy hoạt động của các tấm pin mặt trời khác nhau trong điều kiện thực tế. Họ cũng sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về vấn đề lựa chọn thiết bị liên quan.

Quy tắc lựa chọn tấm pin mặt trời và các thiết bị liên quan:

Các loại tấm pin mặt trời:

Thử nghiệm các tấm đơn tinh thể và đa tinh thể:

Đối với người dân và các cơ sở công nghiệp nhỏ, hiện tại không có giải pháp thay thế thực sự nào cho các tấm silicon tinh thể.Nhưng tốc độ phát triển của các loại tấm pin mặt trời mới cho phép chúng ta hy vọng rằng năng lượng mặt trời sẽ sớm trở thành nguồn điện chính ở nhiều ngôi nhà nông thôn.

Mời mọi người quan tâm đến vấn đề lựa chọn và sử dụng tấm pin mặt trời để lại bình luận, đặt câu hỏi và tham gia thảo luận. Biểu mẫu liên hệ nằm ở khối bên dưới.